工業(yè)噴嘴流量計的原理和應(yīng)用
跟著油氣田的開發(fā),高壓氣體的運送和高壓大流量氣體流量的丈量,需求很多的流量儀表和規(guī)范設(shè)備,臨界流噴嘴流量計在處理高壓大流量氣體流量計量疑問中起到了重要作用,并得到了廣泛運用Λ20世紀70時代以來,英國國家工程試驗室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家規(guī)范局、Colorado工程研究所、日本國家計量研究所以及我國的計量研究院等對臨界流 噴嘴作了體系研究,現(xiàn)已為ISO采用為國際規(guī)范 ISO9300[1] Λ 可是,在臨界流噴嘴的實踐運用中,大家往往不能正確掌握運用辦法而導(dǎo)致差錯Λ運用流量公式時不能正確理解某些物理量的含義及運用單位,尤其是臨界流函數(shù)中的參數(shù)運用,然后造成數(shù) 量級概念的過錯Λ 1 臨界流噴嘴的構(gòu)造及作業(yè)原理 咱們已經(jīng)知道,當氣體流經(jīng)一個漸縮噴嘴時, 如果堅持噴嘴上游端壓力P0和溫度T0
不變,使其下流壓力P2逐步濟寧華航噴霧設(shè)備有限公司減小,則經(jīng)過噴嘴的氣體質(zhì)量流量qm將逐步添加Ζ當下流壓力P2降低到某一壓力PC時,經(jīng)過噴嘴的質(zhì)量流量將到達 大值qmax,此刻噴嘴出口的流速已到達當?shù)匾羲賏Ζ如果持續(xù)降低下流端壓力P2,經(jīng)過噴嘴的質(zhì)量流量將不再添加,(如圖1所示),流速也堅持音速不變Ζ咱們將噴嘴出口的流速到達音速的壓力PC稱為臨界壓力,PCP0稱為臨界壓力比,此刻經(jīng)過噴嘴的流量稱為臨界流量Ζ 圖1 音速噴嘴的構(gòu)造和流量特性RΖRM為通用氣體常數(shù)(8.314kJkmol-1 K-1 ),M為氣體分子量Ζ實踐上,K和R都為流體 物性參數(shù),所以,沒有必要將R分離出代表物性參
數(shù)的臨界流函數(shù)<Ζ <=2K+1K+12(K-1) KR(2)<3= 2K+1 K+12(K-1) K (2’) 式(1)標明流經(jīng)噴嘴的質(zhì)量流量僅與噴嘴進口處介質(zhì)性質(zhì)(K、R)及熱力學(xué)參數(shù)(P0、T0)有關(guān),而與下流狀況無關(guān)Ζ也即,當下流壓力P2降低到臨界壓力以下時,即便有所改變,經(jīng)過噴嘴的質(zhì)量流量也堅持穩(wěn)定Ζ由氣體動力學(xué)可知,臨界壓力 比PCP0=(2K+1) KK+1 ,例如關(guān)于空氣,常溫下K=1.4,PCP0≈0.528Ζ明顯,這樣的壓力降(也即壓力丟失)關(guān)于某些體系是不能允許的Ζ 為了減小臨界流噴嘴的壓力丟失,這些年國內(nèi)外較常用的構(gòu)造是出口帶擴壓管的臨界流文丘利噴嘴Ζ它能夠使有些壓力得到康復(fù),然后減小臨界流噴嘴的壓力丟失Ζ當前較佳的構(gòu)造已能夠使噴嘴前后的壓力比P2P0上升到0.9擺布Ζ下面以臨界流文丘利噴嘴為例來評論臨界流噴嘴Ζ 噴嘴流量計原理運用 這兒ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．jnhhpw.com進行協(xié)助。
由圖1能夠看出,只要使噴嘴出口的壓力P2 小于PC,那么,即便P2有所改變,經(jīng)過噴嘴的流量也將堅持為臨界流不變Ζ所以,咱們能夠利用臨界流噴嘴的這種“恒流”特性來標定氣體流量計Ζ為了簡化疑問,其流量公式能夠從簡化的流體力學(xué)模型(抱負氣體,一維,定常及等熵流)推導(dǎo)出來,然后加以系數(shù)批改求得實踐流量Ζ 由連續(xù)性方程和抱負氣體一維定常等熵流的假定可得,質(zhì)量流量 qm=
AtP0 T0 2 K+
1 K+
12(K-1) K
R 12=T0 (1) 式(1)中,<稱為臨界流函數(shù),K為等熵指數(shù),R為氣體常數(shù);P0、T0別離為噴嘴進口處氣體滯止壓力和滯止溫度;At為噴嘴喉部面積Ζ有時,質(zhì)量流
量公式也標明成 qm=<3AtP0RT0
=<3AtP0RMT0 M(1’) <和<3的不同如式(2)所示Ζ它們相差一2 臨界流噴嘴的流出系數(shù) 式(1)標明的質(zhì)量流量僅僅契合假定條件時的理論流量,可是臨界流噴嘴實踐作業(yè)時的條件與上述假定的條件是有距離的Ζ例如經(jīng)過臨界流噴嘴的氣體并非抱負氣體,其活動也并非真實的一維定常等熵流等要素的影響,使得經(jīng)過臨界流噴嘴的實踐流量將小于式(1)核算得到的流量Ζ為此,咱們引進流出系數(shù)C來進行批改Ζ這樣,經(jīng)過臨界流噴嘴的實踐質(zhì)量流量
qm為 qm=C
0 (3)流出系數(shù)C= 實踐質(zhì)量流量qm實 實踐質(zhì)量流量qm理 (4) 每一個臨界流噴嘴有必要斷定其流出系數(shù)C以對因為理論模型的簡化而發(fā)作的理論質(zhì)量流量差錯進行批改Ζ所以,流出系數(shù)是臨界流噴嘴的一個非常重要的參數(shù),國際上各流量試驗室之間應(yīng)彼此比對[2]Ζ流出系數(shù)C的準確度實踐上就標明了臨界流噴嘴自身的準確度Ζ 斷定臨界流噴嘴的流出系數(shù)通常有以下3種辦法: ①運用根本的物理定理,列出數(shù)學(xué)方程式,用理論的辦法求解而得到流出系數(shù)Ζ
②
用測定內(nèi)部流場或外部流場的辦法核算出經(jīng)過噴嘴的實踐流量,然后斷定流出系數(shù)Ζ ③總特性的丈量,即在氣體流量規(guī)范設(shè)備上進行總特性試驗,標定出流出系數(shù)Ζ 榜首種辦法實踐上對比艱難,它是用氣體動力學(xué)原理來剖析流體經(jīng)過噴嘴的特性以斷定流出系數(shù)Ζ從理論上斷定流出系數(shù)首要應(yīng)估量兩個要素,一是流體沿噴嘴管壁附面層的增加,使流體實踐的流轉(zhuǎn)面積減小;二是因為二維乃至多維活動的影響在徑向方向上的速度梯度而導(dǎo)致的理論流量與實踐流量之間的差錯Ζ 第二種辦法,即內(nèi)流場法和外流場法,是為了處理高壓大流量臨界流噴嘴的標定疑問而提出的一種辦法Ζ試驗標明,內(nèi)流場法因為檢測時易打亂原流場,校驗精度較低Ζ用外流場法丈量臨界流噴嘴流出系數(shù),其不斷定度為0.3擺布Ζ
和PVTt法標定成果對比, 大差錯為0.5%Λ可見,外流場法不失為工程校測大流量臨界流噴嘴的有用方 試驗介質(zhì)為空氣或其它少量氣體,如氮、氦、氬等),臨界流函數(shù)可由式(2)核算,它標明依照抱負氣體及K和R為定值來核算有滿足的精度Ζ例如常溫常壓下的空氣,K=1.4,R=287.05則 <=2K+1K+12(K-1) K R =0.040415,<3= 2K+1 K+12(K-1) K=0.68473 可是現(xiàn)場條件也許很大地違背上述條件,例如在高壓、低溫或?qū)Ρ劝そ簯B(tài)時K和R都會發(fā)作顯著改變Ζ因而有必要依據(jù)實踐氣體的熱力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)出此臨界流函數(shù)Ζ能夠這么說,臨界流函數(shù)的核算已是臨界流噴嘴現(xiàn)場運用的一個十分重要的疑問Ζ 實踐氣體的臨界流函數(shù)核算是十分復(fù)雜的Ζ下面是幾種常用介質(zhì)的臨界流函數(shù)簡便核算辦法(經(jīng)歷公式或試驗曲線圖)Ζ在實踐工程中非常有用Ζ 3.1 實踐空氣的臨界流函數(shù) 大家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),關(guān)于空氣,即便在1MPa時,理論臨界流量與實踐值的差錯可達0.25擺布,可見,此差錯已可與流出系數(shù)的差錯相比較Ζ因
第三種辦法是當前用得 多的一種辦法,即在氣體流量規(guī)范設(shè)備上測得經(jīng)過臨界流噴嘴的實踐流量,然后核算出流出系數(shù)ΛNEL、NBS、Colorado等單位用正壓法標定得到的一系列流出系數(shù)C,其試驗成果根本上都在ISO曲線鄰近±0.2的范圍以內(nèi)，Ζ用氣體流量規(guī)范設(shè)備來標定臨界流噴嘴的流出系數(shù)具有準確度高、標定便利等長處Ζ流出系數(shù)的準確度,也即臨界流噴嘴的準確度將取決于流出系數(shù)標定設(shè)備的精度,當前通?？蛇_±0.2
擺布Ζ但因為設(shè)備條件限制,只能標定小流量臨界流噴嘴(通常qm<5kgs)Ζ 3 臨界流函數(shù)的影響 由流量方程式(1)能夠看出,臨界流函數(shù)是介質(zhì)性質(zhì)參數(shù)K和R的函數(shù)Ζ當從試驗室條件變換到現(xiàn)場條件時,怎么求得此函數(shù)的準確值就成了臨界流噴嘴實踐運用的關(guān)鍵疑問Ζ 通常在試驗室條件下(作業(yè)條件為常溫常壓,Ζ 依據(jù)Reimer的研究,干燥空氣的臨界流函
數(shù)可由下式核算: <=0.040403+ p0 90800 +1.28441.581-0.00384(1.8t0-28) 100000 (5) 式中,p0——進口滯止壓力,Pa,t0—進口滯止溫度,℃Ζ 式(5)適用范圍p=0～2MPa,t=15～380℃,其曲線如圖2所示Ζ 由公式(5)和圖能夠看出,當壓力p0=0時,溫度t0=150℃和380℃時的臨界函數(shù)流別離為0.040423和0.040421Ζ而抱負空氣的臨界流函數(shù)如前所述為0.040415,它們之差別離只要0.02和0.016Ζ而當壓力為2M
Pa時,t0=15℃時的臨界流函數(shù)為0.040772,與抱負值竟相差0.88Ζ所以,關(guān)于空氣,也只要在壓力很低時才能把它當作抱負氣體處理,依據(jù)(2)式核算臨界流函數(shù)Ζ而當壓力較高時,就應(yīng)計及實踐空氣的影響