影響內錐流量計永久壓損與相對壓損關鍵因素的實流實驗,為提高對內錐流量計壓力損失的認識,獲得高準確度的壓損計算公式,開展了關鍵因素對內錐流量計壓損影響的實流實驗研究。實驗介質為常溫水,雷諾數范圍0. 14×105~4. 2×105。設計等效直徑比分別為0. 45、0. 55、0. 65、0. 75、0. 85的實驗樣機一套,從永久壓損與相對壓損2個角度進行分析。研究表明,一方面等效直徑比相同而雷諾數不同時,內錐流量計的永久壓損隨雷諾數的增大而增大,在對數坐標系下成線性關系;雷諾數相同而等效直徑比不同時,永久壓損隨等效直徑比的增大而減小;另一方面,內錐流量計的相對壓損與雷諾數無關,與等效直徑比相關,隨等效直徑比的增大而減小。將本研究給出的內錐流量計相對壓損計算公式與國外公式預測結果進行了比較,最大偏差為21%;同時,與國外測試的不同流量計相對壓損曲線進行了比較,得出本套樣機相對壓損曲線介于孔板和噴嘴之間,且更靠近孔板的結論。
內錐流量計自20世紀80年代問世以來,已成功應用于石油、化工、天然氣等許多流量測量領域。隨著內錐流量計的推廣,安裝條件、壓損等逐漸成為國內外學者、研究部門、制造商及使用部門討論與關心的熱點問題。
國外學者研究的普遍結論是內錐流量計有較強的抗流態擾動性能,前后直管段的要求也比標準節流裝置低一些的結論[1-6]。2004年至今,天津大學先后進行了關于內錐量計流出系數、可膨脹系數、彎頭影響及濕氣測量等方面的研究工作[7-11],取得了一些寶貴的經驗成果。
自2003年起,國內也在積極開展對內錐流量計的推廣使用工作,然而許多生產廠家對量程比、壓損、精度等關鍵技術指標乃至安裝條件多采取直接照搬美國McC.公司產品說明書的方式。客觀上,由于內錐流量計的結構尚未實現標準化,其等效直徑比、前后錐角、上下游支撐形式及尺寸、取壓方式等存在諸多差異,這些不僅會對流出系數、可膨脹系數等關鍵參數產生影響,同樣也會對內錐量計的壓損產生影響,因此某些研究機構給出的結論是否具有普適性值得推敲。目前,國內關于內錐流量計壓損的科學嚴謹的實驗研究尚未見報道。本研究設計并制作了100 mm口徑樣機一套,等效直徑比分別為0.45/0.55/0.65/0.75/0.85,前后錐角為45°/120°,開展了壓損的實驗研究。
2 理論基礎
如同其他類型的差壓流量計,內錐流量計的工作原理同樣基于伯努利方程和流體連續性方程。壓力降的大小和流體的流速具有一定的函數關系[12],為:
安裝內錐節流式流量計將造成不可恢復的額外的壓損,即永久壓損,為:
定義永久壓損Δω與內錐正常測量差壓ΔP的比值為相對壓損,有:
以下通過永久壓損與相對壓損兩個指標對內錐流量計的壓損實驗進行分析[14-15]。
3 實驗方案設計
本研究是在天津大學流量實驗室水流量標準裝置上完成的,文獻[7]對實驗裝置進行了詳細的說明。
本研究中設計并制作了內徑為100 mm的內錐流量計樣機一套,實驗錐體5個,前后錐角均為45°/120°,等效直徑比分別為0.45/0.55/0.65/0.75/0.85。錐體可從測量管中方便拆卸。詳見文獻[7]。
實驗布局設計如圖1所示,流體至左測流入,樣機上游直管段100D。內錐流量計上游取壓孔為P1,位于距錐體支撐管前端0.5D的管壁處,下游取壓孔為P2,沿錐體中心軸及支撐管中心軸取出,通過差壓變送器1測得錐體前后差壓。實驗表明,距錐體尾部取壓孔P2約3.5D時壓力可恢復至正常值,本實驗中P2′為下游永久壓損取壓孔,與P2的距離定為4D[14]。壓損實驗安裝圖 如圖2所示,箭頭表示流體流向。
本實驗對每種錐體進行實驗時均用2臺差壓變送器,一臺用于測量錐體前后的差壓ΔP,另一臺測節流裝置產生的壓損ΔP″。
4 實驗結果與分析
4.1 壓損曲線
圖3給出了內錐流量計不同等效直徑比的永久壓損對數坐標曲線,可見β值相同時,永久壓損隨雷諾數的增大而增大,呈線性關系;在雷諾數相同時,永久壓損隨β值的增大而減小。
圖4為相對壓損與雷諾數的關系曲線,ξ可見節流比不同,相對壓損不同,其值隨節流比的增大而減小;雷諾數Re>4×104時,不同β值的錐體其相對壓損不隨雷諾數的變化而變化,基本恒定;雷諾數Re<4×104時,因永久壓損和有效差壓測量值均相對較小,系統誤差增大,相對壓損波動。
4.2 相對壓損計算公式
根據實驗擬合出的相對壓損與等效直徑比的關系,即:
ξ=1.259 9-1.121 2β (7)
5 本研究與國外研究的比較
5.1 相對壓損公式形式不同
文獻[6]給出內錐流量計的壓損公式為:
ξ=1.3-1.25β (8)
式(7)、(8)表述的曲線如圖5所示,可見,兩者的相對壓損的趨勢相似,均為隨β值的增大而減小,但存在一定偏差,本套樣機的相對壓損偏高,β值越大偏差越大,分別為0.7%、5.8%、10.3%、13.2%、21.1%。
5.2 不同流量計相對壓損的比較
Iff.t StephenA曾通過實驗比較了內錐、孔板、噴嘴、及7°/15°出口文丘里共6種流量計的壓損[6]。圖6給出了本套內錐樣機的相對壓損趨勢線與Stephen實驗結果的比較。可見,本套樣機(圖中為天津大學內錐)的壓損趨勢線介于孔板和噴嘴之間,更靠近孔板,而Stephen內錐相對壓曲線更靠近噴嘴。分析其原因,作者認為由于內錐流量計的結構尚未實現標準化,其等效直徑比、前后錐角、上下游支撐形式、取壓孔徑、取壓方式及加工粗糙度等存在諸多差異,因此不同研究機構給出的壓損公式必然存在一定差異,不同廠家自行設計的產品不同,如直接引用國外公式計算壓損,將會不可避免的帶來一定偏差。
6 結 論
通過關鍵因素對內錐流量計壓損影響的實流實驗及其與國外研究的比較,得出以下結論:
1)內錐流量計的永久壓損不僅和β值有關,而且跟雷諾數有關,雷諾數相同時,永久壓損隨β值的增大而減小;β值相同時,永久壓損隨雷諾數的增大而增大,在對數坐標下呈線性關系;
2)內錐流量計的相對壓損與雷諾數無關,受β值影響,隨β值的增大而減小;
3)針對設計樣機,給出了新的內錐流量計壓損計算公式;
4)本套內錐流量計的相對壓損值與國外相比偏高,β值越大偏差越大,從小到大5個β值的偏差分別為0.7%、5.8%、10.3%、13.2%、21.1%;
