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孔板流量计与涡街流量计永久压力损失的比较
发布日期:2017-8-15 9:50:05
  如今社会在大力提倡节约能源,每种流量计的压力损失成为用户比较关注的问题,流量仪表的压力损失小已经是选择流量计的一项重要指标。由于涡街流量计与孔板流量计使用的条件相似,并且使用广泛,因此人们常常对这两种流量计进行比较,以便选出更合适的测量仪表。虽然已经有人对涡街流量计与孔板流量计的压力损失进行过比较,但目前文献中所作的比较存在两个问题1,2。第一,文献中多是通过比较两种流量计的压力损失计算公式来对两种仪表的压力损失进行比较。对于孔板流量计,它的历史较长,有统一的国际标准,可以直接用给出的压力损失计算公式进行计算。对于涡街流量计,它的历史相对较短,没有统一的国际标准,给出的一些计算公式也不太成熟,通常计算值与真实值之间存在较大的误差。例如,涡街流量计的生产厂家即使是按照行业规范生产的同一型号的涡街流量计,其给出的计算涡街流量计压力损失的压力损失系数Cd也是各不相同的,这就给用公式计算压力损失带来了误差。第二,对两种流量计压力损失比较时,并没有规定两种流量计的有效流通面积相同,所得到的结果缺乏说服力。基于以上两个原因,在天津大学自动化学院流量实验室的气体装置上做了涡街流量计压力损失试验,用试验结果与公式计算的结果进行了比较,对不同Cd值给涡街流量计压力损失计算造成的误差进行了分析,给出了经试验验证的Cd值。并在保证有效流通面积的条件下对两种流量计的压力损失进行了比较,对工业中选用流量计及计算涡街流量计的压力损失都有很好的参考价值。                                                
    2 试验装置
    试验装置如图1所示。鼓风机用来使流体在管道中流动;变频调速器用来调节鼓风机的转速以达到调节流体流速的目的;压力变送器和温度变送器分别用来测量管道内气体的压力和温度;差压变送器为电容式差压变送器,用来获取两个取压孔P1、P2之间的压力差,量程为0~10kPa,最大工作压力为4MPa,精度为0.5级;试验用涡街流量计的口径为100mm,其制作工艺符合涡街流量计的行业标准,采用的旋涡发生体为三角柱体。管道内的流体介质为空气,管道直径D=100mm,取压孔P1、P2之间的距离为5m。
    3 涡街流量计压力损失的测量
    传统测量孔板流量计压力损失的方法如图2所示,分别测出P1、P2两点之间的静压力,所得差值即为孔板压力损失。为了使测出的压力是不可恢复性压力,P1、P2两点之间的距离应尽量远,文献3中,管道直径D=300mm,P1、P2之间的距离为27D,在本试验中管道直径D=100mm,P1、P2两点之间的距离为50D,通过差压变送器直接将两点之间的差压值读出。考虑到P1、P2两点之间的距离比较长,因此管道本身的压力损失将不能忽略。对装有涡街流量计时总的压力损失ΔPt和管道本身的压力损失ΔPp分别在不同的流速v下进行测量,用ΔPt减去ΔPp即为涡街流量计的压力损失ΔPv,所得结果如表1所示。
    4 压力损失系数的误差分析
    由下式计算涡街流量计的压力损失4:
    式中:ΔPV为涡街的压力损失;Cd为压力损失系数;ρ为流体密度;u为气体平均流速。
    由式(1)可见,压力损失系数的准确度对压力损失的计算很重要。Cd的大小一般由生产厂家给出,但即便是按照行业标准生产的同一型号的涡街流量计,生产厂家给出的Cd值差别也很大,对于用三角柱体做旋涡发生体的涡街流量计,厂家给出的Cd值一般在1.8~2.4之间。本试验将压力损失的试验数据与不同Cd值下的计算结果进行了比较,如图3所示。从图3中可以看出,不同的Cd取值会使压力损失的计算值与试验值的误差随着流速的增加而增加。还可以看出,当Cd取2.2时与计算值与试验结果吻合的比较好,这时计算值与试验结果的误差不超过5%。当Cd取2.4、2.0、1.8时,与试验结果的最大误差分别达到18.78%、17.35%、33%,压力损失系数Cd的取值对计算结果影响是较大的,在流速高时更明显。
    以上分析说明,仅通过涡街流量计压力损失的计算公式来与孔板流量计的压力损失进行比较,不能保证较高的准确度。
    5 涡街流量计与孔板流量计压力损失的比较
  对于孔板流量计的压力损失,本文用ISO5167-2:2003给出的计算公式进行计算,计算结果与涡街流量计压力损失的试验结果进行比较。为了更好地对涡街流量计的压力损失与孔板的压力损失进行比较,本文选择了有效流通面积相同的涡街流量计和孔板流量计进行比较,这样的比较也才有意义。
    试验采用的涡街流量计旋涡发生体的截流面的宽度为dv=28mm,流量计的直径D=100mm,管道截面面积Sc=7854mm2,有效流通面积为Sv=5054mm2。将涡街流量计的有效流通面积转换为孔的面积,则对应的有效孔径比βv为
    取孔板流量计与涡街流量计有效孔径比最接近的值βo=0.8。根据Reader2Harris给出的流出系数的计算公式5,求得平均流出系数C=0.45。在2003年实施的孔板流量计的国际标准(ISO5167-2:2003)中,压力损失系数K的计算公式为
    将βo=0.8和C=0.45代入式(2),可以得到K=3.42。
    计算压力损失ΔPo的公式为
    将流体密度ρ=1.205kg/m3与K=4.75代入式(3)可以得到:
    图4反映了由式(4)计算出的在不同流速下孔板流量计的压力损失曲线和涡街流量计压力损失的试验结果。
    从图4可以看出,在流通面积一定的情况下,孔板的压力损失要大于涡街流量计,并且随着流速的增加而增加。表2列出了在不同流速下,孔板流量计与涡街流量计的压力损失,其中n为孔板流量计与涡街流量计压力损失的比值。
    表2中,n的平均值约为1.7。R.W.Miller(1989)曾经给出了几种流量计的压力损失6,如图5所示的流速为4.2m/s时,不同流量计的压力损失情况。其中孔板流量计的β=0.75;涡街流量计为Foxboro公司生产的,口径为80mm;流体介质为水,水的压力为6bar。
    图5中孔板和涡街流量计的压力损失比值大约为1.5,比本文试验结果稍小,这可能是因为所采用的试验流体介质不同所造成的,本文试验采用的是空气,R.W.Miller采用的是水,但两个结果还是比较接近的。
    由以上的分析可以看到,在保证两种流量计的流通面积相等时,孔板流量计的压力损失是涡街流量计的1.7倍左右。而在一些文献中,给出的这一结果是相当大的,有的为7倍多,甚至更大1,2,7。
    压力损失系数Cd的准确性对于涡街流量计压力损失的计算影响比较大,对于旋涡发生体为三角柱体的涡街流量计,当压力损失系数Cd为2.2时,计算值与本试验结果吻合较好。