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矩形大管道的風量測量的方法有哪些?

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矩形大管道的風量測量的方法有哪些?

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決矩形大管道風量測量的幾種方法,比較了各自優缺點,推薦了應用場合。文中重點介紹了機翼流量計。
大型管道中的流量測量近年來已普遍引起人們的重視,并認真地著手解決。不少企業為節省場地,便于安裝,在管道中流體壓力不大的情況下,常采用矩形管道貼壁安裝,如火電廠進風管道、大型通風系統,采用邊長達2~3m的矩形管道已屢見不鮮。這種管道中的流量測量有一些特殊問題,不能照搬圓管中的測量方法和儀表,而中又少有介紹。前二年,筆者為解決某工程的這個問題,進行了探索,設計、制造了二臺機翼流量計,并一次調試、投運成功。
1流體在矩形管道中的流動特點早在1926年,Nikuradse就對流體在矩形管道中的流動進行了測試,其等速線如所示。它顯示出不同于圓管中的同心圓等速線,并且發現有二次流。
二次流從本質上來看,是在紊流條件下,在管道橫截面上,有垂直于軸向的法向流動,它與軸向流動疊加后形成二次流,也可稱為渦流。由于層流不存在法向流動,所以在層流條件下不可能發生二次流。
(成都科學技術服務中心,成都(Sioooo)后,1964年,Brundrett及Baines又對矩形光滑管及粗糙管中的流動進行了測試。他們認為矩形管道中的二次流是由橫截面上的雷諾力所引起的,而起主要作用的是法向應力強度,這是一種非等熵流動,紊流運動是形成二次流的基礎。1973年Landei和Ying采用分析方法描述了這種復雜的流動。他們論證了二次流有使壁面應力均勻化的趨勢,并指出二次流將改變摩擦因子的大小,其幅度約為±10%.長期以來,人們對這種流動的研究著重在對阻力的影響,很少涉及流量的測量,近年來才有所考慮,有關論述參見。
也曾有人企圖只測矩形管道軸向的壓力梯度dp/d,來解決流量測量問題,其公式為1/2高度;為流體動力粘性系數;dPl/ck為無量綱軸向壓力梯度。
這種方法至今還未聽說應用到實際工程中,問題在于這個計算公式是否確切地描述了實際的流動情況,是否可準確確定邊界條件。這些還有待于實踐證明。
2常用方法下面介紹測量矩形大管道流量的三種常用方法,雖各有所長,但均不盡人意。
2.1速度面積法這是一種經典的測量方法,早已有國際標準可以遵循(IS03966,IS07194)。這種方法的優點是不受管道大小的限制,而且也還準確、可靠;不足之處是確定一個流量值要測20多點的流速,測量十分繁瑣,因此幾乎不太可能應用于工業現場上,但卻可做為一種最基本、最實際的校驗方法。
此處要說明的是,在國際標準中,這種方法推薦的流速計是NPL型皮托管,它雖準確但對流向比較敏感,當流向偏離軸向超過10時,就將引起1%以上的誤差。在圓管中應用多屬位流不成問題,但用于矩形管道則應另當別論。因在矩形管道中不可避免地會存在二次流,流向偏離超過±10則司空見慣,仍用NPL型皮托管,難保必要的準確度。為此,筆者推薦一種帶導流進口的特殊皮托管,它在流向偏離軸線±40.以內時,仍可保持1%的準確度。
2.2插入法2.2.1點速法點速法是通過測量管道中某一點的流速來推算流量的方法。這種方法簡單易行,但準確度很低,在工業現場多用于監測,很少用于計量。
原則上,采用這種方法一般流速計均可測流量。
目前所用的有插入式渦輪流量計、插人式渦街流量計、皮托一文丘利管等等。筆者在此特別推薦皮托一文丘利管,它結構簡單,工作可靠,可輸出比皮托管大幾倍的差壓信號,且耐高溫及可工作在較前二者更為惡劣的現場,在火電廠及冶金、鋼鐵行業曾風行一時。要注意的是,其速度-差壓特性重復性差,每支均需在風洞中校驗后才好使用。
2.2.2線速法線速法是指一次測量沿一直線上多點流速的綜合值來確定流量,較點速法準確,且安裝條件也優于點速法,國內外常采用均速管。它的結構簡單,工作可靠,便于安裝,較適用于矩形管道各種情況的風量測量,其安裝位置如所示。
均速管在矩形管道中使用時,其流量計算公式與圓管類似,不同之處是在計算橫截面積及便于選用流量系數K時引用了當量直徑與矩形橫截面寬6與高/1的關系為這樣處理僅為權宜之計,特別是當矩形截面的寬6與高h相差較大時,會有較大的誤差。
2.3彎管流計(見這種方法已應用了幾十年,是一種較成熟的測量方法,只是輸出差壓太小,測量精度也不高。在采用矩形管道時,由于工藝布局的需要,可常見有矩形彎頭,如果因勢利導加以利用,倒也是一種可考慮的方法。
否則,在直管道中刻意加入一個90彎管流量計則就大可不必了。
3機翼流量計3.1原理測量矩形管道中的流量,早期曾采用過矩形文丘利管。為防止氣流在擴張段分離,增大壓損,后擴張角一般不得超過1p~12,因此文丘利管很長,給安裝與運輸帶來不便。如果在矩形通道中安裝一至數個機翼(見),則既可能將每個分離角控制在10~12°,又縮短了整個長度,使結構緊湊,便于安裝、運輸。
從原理上來看,機翼流量計采用的還是節流,使氣流加速、降壓,通過測差壓來確定流量的大小,因此,它仍是一種節流裝置。但機翼流量進口部分有導流作用,在氣體加速的過程中,可緩解氣流的橫向流動,減小渦流的尺寸,所以它對進口直管道的長度要求不象機翼流量計原理圖一般節流裝置那么苛刻,約僅需3倍當量直徑的長度,這一點對矩形大管道特別具有實用價值。
3.2計算公式一般流經機翼流量計的氣流速度不會超過30m/s,故可按不可壓流處理,流體的密度p可視為常數,公工推導以柏努利方程及連續方程為基礎(推導從略),計算公式為輸出差壓,pa;yv為常數,取決式(2)各參數的單位,此處為5.09x103;K為流量系數,一般在0.95~0.99之間;a為阻塞比,定義為m=42/禹;七為流量計喉部最小通道面積,m2;山為流量計進口截面積,m2.在設計機翼流量計時,往往是已知流量9及進口截面積木,由此來選定差壓Ap及阻塞比a二個參數。計算時要先給定其中一個參數來求另一個參數。筆者建議選定阻塞比a時以0.3~0.5之間為宜;a值選得太小,過于閉塞則壓力損失太大,影響管道中的正常流動;選得太大,節流效果不明顯,輸出差壓又太小,難以選用差壓變送器。差壓Ap值建議不要小于400Pa,上限則無限制。
3.3結構機翼流量計的結構如所示。
機翼型面型面的曲線由三段組成:前緣為一個曲率半徑為25的圓弧(或直接采用一根衫0的圓管);中段曲線為二次方程y2=c(c為常數)所描述;后緣為便于加工采用直線,三段平滑相接,不允許有拐點。
總、靜壓孔位置在每個機翼前緣正對流向有一組總壓孔,各孔相距0.2~0.3m,將所測得的總壓匯集在位于前緣的總壓匯管中,再將每個匯管中的總壓均值接至位于機翼流量計外殼上的總壓集氣管,通過儀表閥門,接至差壓變送器篼壓端。
在機翼最高點,也就是通道最窄處的機翼表面有一組靜壓孔(如考慮到流體的運動慣性,對流體而言,最窄通道應處于結構最窄處下游約1公分處)。各靜壓孔的間距為0.1~02m,將所測得的靜壓匯集在由截面50mmx60mm的方槽靜壓匯管中(見)。每個靜壓匯管采集的靜壓再接到位于流量計外殼上的靜壓集氣管,通過儀表閥門接到差壓變送器低壓端。
總、靜壓孔徑總壓孔徑為2~3mm;靜壓孔徑為1~2mm.一般來說,靜壓孔應為機翼板厚的1/2.靜壓孔不允許有倒角,邊緣光滑不得有毛刺、焊渣。而總壓孔前緣可允許有90>~120P內倒角,甚至為加強導流作用,安裝導流套管。
人孔為便于檢修、校驗,在機翼流量計進口前方約1處,應安置一個0.6mx0.6m的人孔。
這里要說明二個問題。其一是為什么要用方槽靜壓匯管。原則上講,只要在機翼中靜壓排孔安裝一個隔板,將總、靜壓分隔開也是可行的。但這就要求加工機翼時所有焊縫應絕對密封,不得漏氣,否則測不到真實的靜壓。其次由于機翼的后內腔容積很大,而靜壓孔又僅為1~2mm,要達到穩定的靜壓值需要較長的時間,流;1計時間常數太大。因此,從改善加工條件,改善測控系統性能出發,采用容積較小,易于加工的靜壓匯管是必須的。其二是如果機翼流量計處于進風管道進口,在進口處應考慮安裝有導流作用的喇叭口,喇叭口呈弧形,角度以45°~60為宜,在這種情況下,由于流量計距進口較近,可忽略壓損,大氣壓力可視為總壓,差壓變送器高壓腔直接與大氣相通,省略了總壓匯管及集氣管,簡化了結構。
排污工業現場中的氣體難免會含有一些粉塵,機翼流量計由于測壓孔較多,一般不易阻塞。在使用較長時間后,集氣管或測壓匯管因空腔較小,可能集聚較多的粉塵。如在匯管或集氣管的另一端安裝一個排污球閥(或堵頭)通向大氣,定期打開閥門(或堵頭),(下轉第16)3傳感器標定結果傳感器在設計安裝調試完成之后,在計量部門進行了標定,為了與口徑為(425mm的電磁渦輪流量傳感器進行比較,本文給出了與之口徑一致,軸承和渦輪轉子材料相同的光纖速度式渦輪流量傳感器的標定結果。標定程序嚴格按照流量標定規程進行,標定介質為水,共進行了三個來回行程。標定結果見,其中a為辦-TV關系曲線,b為辦-A:關系曲線。
由標定結果可知:光纖速度式渦輪流量傳感器的可測量范圍為0.29-12.60m3/h,量程比為43:1,在標定時,由于標定裝置壓力不夠,流量只能做到12.60m3/h,不可能再上升,否則,流量測量上限還有可能提高。而相同口徑的電磁渦輪流量傳感器可測量范圍為1.19~12.24m3/h,量程比只有10:1,由此可見,光纖速度式流量傳感器的測量死區大為減小。
經對標定結果進行分析計算可知:傳感器在全量程范圍內的線性誤差為0.83%,該數值有些偏大,但其重復性誤差僅為0.25%,因此,可以很方便地利用非線性修正的方法來減小線性誤差。例如,采用三段線性插值方法,傳感器的線性誤差就可減到0.30%.4結論光纖速度式渦輪流量傳感器具有測量重復性好,量程比大,抗電磁干擾能力強和安全可靠等獨特的優點,尤其是分離式光纖速度式渦輪流量傳感器,測試現場不帶電,在低粘度燃油及可燃性氣體流量測量中是一種安全可靠的流量檢測儀器。
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