工业喷嘴流量计的原理和应用
跟着油气田的开发,高压气体的运送和高压大流量气体流量的丈量,需求很多的流量仪表和规范设备,临界流喷嘴流量计在处理高压大流量气体流量计量疑问中起到了重要作用,并得到了广泛运用Λ20世纪70时代以来,英国国家工程试验室、法国煤气公司、英国煤气公司工程研究所、美国国家规范局、Colorado工程研究所、日本国家计量研究所以及我国的计量研究院等对临界流 喷嘴作了体系研究,现已为ISO采用为国际规范 ISO9300[1] Λ 可是,在临界流喷嘴的实践运用中,大家往往不能正确掌握运用办法而导致差错Λ运用流量公式时不能正确理解某些物理量的含义及运用单位,尤其是临界流函数中的参数运用,然后造成数 量级概念的过错Λ 1 临界流喷嘴的构造及作业原理 咱们已经知道,当气体流经一个渐缩喷嘴时, 如果坚持喷嘴上游端压力P0和温度T0
不变,使其下流压力P2逐步济宁游艇会206最新有限公司减小,则经过喷嘴的气体质量流量qm将逐步添加Ζ当下流压力P2降低到某一压力PC时,经过喷嘴的质量流量将到达 大值qmax,此刻喷嘴出口的流速已到达当地音速aΖ如果持续降低下流端压力P2,经过喷嘴的质量流量将不再添加,(如图1所示),流速也坚持音速不变Ζ咱们将喷嘴出口的流速到达音速的压力PC称为临界压力,PCP0称为临界压力比,此刻经过喷嘴的流量称为临界流量Ζ 图1 音速喷嘴的构造和流量特性RΖRM为通用气体常数(8.314kJkmol-1 K-1 ),M为气体分子量Ζ实践上,K和R都为流体 物性参数,所以,没有必要将R分离出代表物性参
数的临界流函数<Ζ <=2K+1K+12(K-1) KR(2)<3= 2K+1 K+12(K-1) K (2’) 式(1)标明流经喷嘴的质量流量仅与喷嘴进口处介质性质(K、R)及热力学参数(P0、T0)有关,而与下流状况无关Ζ也即,当下流压力P2降低到临界压力以下时,即便有所改变,经过喷嘴的质量流量也坚持稳定Ζ由气体动力学可知,临界压力 比PCP0=(2K+1) KK+1 ,例如关于空气,常温下K=1.4,PCP0≈0.528Ζ明显,这样的压力降(也即压力丢失)关于某些体系是不能允许的Ζ 为了减小临界流喷嘴的压力丢失,这些年国内外较常用的构造是出口带扩压管的临界流文丘利喷嘴Ζ它能够使有些压力得到康复,然后减小临界流喷嘴的压力丢失Ζ当前较佳的构造已能够使喷嘴前后的压力比P2P0上升到0.9摆布Ζ下面以临界流文丘利喷嘴为例来评论临界流喷嘴Ζ 喷嘴流量计原理运用 这儿ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．jnhhpw.com进行协助。
由图1能够看出,只要使喷嘴出口的压力P2 小于PC,那么,即便P2有所改变,经过喷嘴的流量也将坚持为临界流不变Ζ所以,咱们能够利用临界流喷嘴的这种“恒流”特性来标定气体流量计Ζ为了简化疑问,其流量公式能够从简化的流体力学模型(抱负气体,一维,定常及等熵流)推导出来,然后加以系数批改求得实践流量Ζ 由连续性方程和抱负气体一维定常等熵流的假定可得,质量流量 qm=
AtP0 T0 2 K+
1 K+
12(K-1) K
R 12=T0 (1) 式(1)中,<称为临界流函数,K为等熵指数,R为气体常数;P0、T0别离为喷嘴进口处气体滞止压力和滞止温度;At为喷嘴喉部面积Ζ有时,质量流
量公式也标明成 qm=<3AtP0RT0
=<3AtP0RMT0 M(1’) <和<3的不同如式(2)所示Ζ它们相差一2 临界流喷嘴的流出系数 式(1)标明的质量流量仅仅契合假定条件时的理论流量,可是临界流喷嘴实践作业时的条件与上述假定的条件是有距离的Ζ例如经过临界流喷嘴的气体并非抱负气体,其活动也并非真实的一维定常等熵流等要素的影响,使得经过临界流喷嘴的实践流量将小于式(1)核算得到的流量Ζ为此,咱们引进流出系数C来进行批改Ζ这样,经过临界流喷嘴的实践质量流量
qm为 qm=C
0 (3)流出系数C= 实践质量流量qm实 实践质量流量qm理 (4) 每一个临界流喷嘴有必要断定其流出系数C以对因为理论模型的简化而发作的理论质量流量差错进行批改Ζ所以,流出系数是临界流喷嘴的一个非常重要的参数,国际上各流量试验室之间应彼此比对[2]Ζ流出系数C的准确度实践上就标明了临界流喷嘴自身的准确度Ζ 断定临界流喷嘴的流出系数通常有以下3种办法: ①运用根本的物理定理,列出数学方程式,用理论的办法求解而得到流出系数Ζ
②
用测定内部流场或外部流场的办法核算出经过喷嘴的实践流量,然后断定流出系数Ζ ③总特性的丈量,即在气体流量规范设备上进行总特性试验,标定出流出系数Ζ 榜首种办法实践上对比艰难,它是用气体动力学原理来剖析流体经过喷嘴的特性以断定流出系数Ζ从理论上断定流出系数首要应估量两个要素,一是流体沿喷嘴管壁附面层的增加,使流体实践的流转面积减小;二是因为二维乃至多维活动的影响在径向方向上的速度梯度而导致的理论流量与实践流量之间的差错Ζ 第二种办法,即内流场法和外流场法,是为了处理高压大流量临界流喷嘴的标定疑问而提出的一种办法Ζ试验标明,内流场法因为检测时易打乱原流场,校验精度较低Ζ用外流场法丈量临界流喷嘴流出系数,其不断定度为0.3摆布Ζ
和PVTt法标定成果对比, 大差错为0.5%Λ可见,外流场法不失为工程校测大流量临界流喷嘴的有用方 试验介质为空气或其它少量气体,如氮、氦、氩等),临界流函数可由式(2)核算,它标明依照抱负气体及K和R为定值来核算有满足的精度Ζ例如常温常压下的空气,K=1.4,R=287.05则 <=2K+1K+12(K-1) K R =0.040415,<3= 2K+1 K+12(K-1) K=0.68473 可是现场条件也许很大地违背上述条件,例如在高压、低温或对比挨近液态时K和R都会发作显著改变Ζ因而有必要依据实践气体的热力学性质导出此临界流函数Ζ能够这么说,临界流函数的核算已是临界流喷嘴现场运用的一个十分重要的疑问Ζ 实践气体的临界流函数核算是十分复杂的Ζ下面是几种常用介质的临界流函数简便核算办法(经历公式或试验曲线图)Ζ在实践工程中非常有用Ζ 3.1 实践空气的临界流函数 大家已经发现,关于空气,即便在1MPa时,理论临界流量与实践值的差错可达0.25摆布,可见,此差错已可与流出系数的差错相比较Ζ因
第三种办法是当前用得 多的一种办法,即在气体流量规范设备上测得经过临界流喷嘴的实践流量,然后核算出流出系数ΛNEL、NBS、Colorado等单位用正压法标定得到的一系列流出系数C,其试验成果根本上都在ISO曲线邻近±0.2的范围以内，Ζ用气体流量规范设备来标定临界流喷嘴的流出系数具有准确度高、标定便利等长处Ζ流出系数的准确度,也即临界流喷嘴的准确度将取决于流出系数标定设备的精度,当前通常可达±0.2
摆布Ζ但因为设备条件限制,只能标定小流量临界流喷嘴(通常qm<5kgs)Ζ 3 临界流函数的影响 由流量方程式(1)能够看出,临界流函数是介质性质参数K和R的函数Ζ当从试验室条件变换到现场条件时,怎么求得此函数的准确值就成了临界流喷嘴实践运用的关键疑问Ζ 通常在试验室条件下(作业条件为常温常压,Ζ 依据Reimer的研究,干燥空气的临界流函
数可由下式核算: <=0.040403+ p0 90800 +1.28441.581-0.00384(1.8t0-28) 100000 (5) 式中,p0——进口滞止压力,Pa,t0—进口滞止温度,℃Ζ 式(5)适用范围p=0～2MPa,t=15～380℃,其曲线如图2所示Ζ 由公式(5)和图能够看出,当压力p0=0时,温度t0=150℃和380℃时的临界函数流别离为0.040423和0.040421Ζ而抱负空气的临界流函数如前所述为0.040415,它们之差别离只要0.02和0.016Ζ而当压力为2M
Pa时,t0=15℃时的临界流函数为0.040772,与抱负值竟相差0.88Ζ所以,关于空气,也只要在压力很低时才能把它当作抱负气体处理,依据(2)式核算临界流函数Ζ而当压力较高时,就应计及实践空气的影响