化工原理 第一章 流速和流量的測量

1、2024/4/1,第六節(jié) 流量的測量一、測速管二、孔板流量計(jì)三、文丘里流量計(jì)四、轉(zhuǎn)子流量計(jì)五、渦輪流量計(jì),,,,第一章流體流動,2024/4/1,流量計(jì)的兩種類型,1、變壓頭流量計(jì),【特點(diǎn)】將流體的動壓頭的變化以靜壓頭的變化的形式表示出來。讀數(shù)指示由壓強(qiáng)差換算而來。【例如】測速管、孔板流量計(jì)和文丘里流量計(jì)?！菊f明】除測速管測定管截面上的點(diǎn)速度外，其余均測得平均速度。,第六節(jié) 流量的測量,2024/4/1,2、變截面流

2、量計(jì),【特點(diǎn)】流體通過流量計(jì)時的壓力降是固定的，流體流量變化時流道的截面積發(fā)生變化，以保持不同流速下通過流量計(jì)的壓強(qiáng)降相同。（恒壓差、變截面）【例如】轉(zhuǎn)子流量計(jì)?！菊f明】變截面流量計(jì)可直接測得流體的體積流量。,2024/4/1,1、測速管的結(jié)構(gòu),①兩根彎成直角的同心套管；②內(nèi)管管口敞開；③外管的管口封閉；④外管前端壁面四周開有若干測壓小孔。,一、測速管（Pitot tube 皮托管）,2024/4/1,畢托管實(shí)物圖,【說明】

3、為了減小誤差，測速管的前端經(jīng)常做成半球形以減少渦流。,外管測壓小孔在3～8D處,2024/4/1,畢托管實(shí)物圖,【說明】1732年由法國工程師H.皮托首創(chuàng)，至今仍是用來測量時均點(diǎn)流速的常用儀器。,2024/4/1,空速管,2024/4/1,2 測速管工作原理,【說明】對于某水平管路，測速管的內(nèi)管處測得的是管口所在位置的局部流體動壓頭與靜壓頭之和，外管測壓孔測得為靜壓頭。,測速管的內(nèi)管與外管分別與U形壓差計(jì)相連。,2024/4/1,3、

4、測速管的計(jì)算公式,內(nèi)管處測得的是管口所在位置的局部流體動壓頭與靜壓頭之和，稱為沖壓頭（能）。,外管測壓孔測得為靜壓頭：,2024/4/1,內(nèi)外管之壓強(qiáng)差為：,測速管管口處的點(diǎn)速度為：,——測速管測定管內(nèi)流體的點(diǎn)速度的基 本公式,【結(jié)論】可通過測量內(nèi)、外管的壓力差計(jì)算管內(nèi)流體的點(diǎn)速度。,2024/4/1,若使用U形管壓差計(jì)，所測流體的密度為ρ，U型管壓差計(jì)內(nèi)充有密度為ρ0 的指示液，讀數(shù)為R。,實(shí)際使用時,c =0.98~1.00（校正

5、系數(shù)）,2024/4/1,4、平均流速與流量的確定,（1）根據(jù)測速管測得的管截面各處的點(diǎn)速度，建立流體在管內(nèi)的速度分布方程，然后對速度分布方程進(jìn)行積分，獲得體積流量及流速。其具體步驟為：①獲得流體在管內(nèi)的速度分布方程式： ur＝f(r)②對速度分布方程式進(jìn)行積分以得到流量及平均流速：,2024/4/1,（2）根據(jù)管內(nèi)的最大流速與平均流速之間的關(guān)系，測出管內(nèi)的最大流速，然后確定平均流速及流量。該法要使用試差法，其具體步驟為：①假設(shè)流

6、型（層流或湍流）；②由最大流速計(jì)算平均流速（如u＝0.5umax）；③校核流型（與假設(shè)流型是否相符）。,（3）根據(jù)皮托管測量管中心的最大流速，利用關(guān)系曲線（圖1－38）查取最大速度與平均速度的關(guān)系，求出截面的平均速度，進(jìn)而計(jì)算出流量。,2024/4/1,u/umax～Remax(Re)關(guān)系圖,,,【說明】u/umax的關(guān)系較為復(fù)雜，與Re有關(guān)。因此，Re不同時，速度分布式亦不同。,2024/4/1,5、使用皮托管的注意事項(xiàng),（1）測

7、速管應(yīng)放置于流體均勻流段；（2）內(nèi)管管口截面嚴(yán)格垂直于流動方向；（3）測量點(diǎn)的上，下游應(yīng)有50倍直徑長的直管距離，至少應(yīng)有8~12倍直徑長的直管段。（4）如果測速管的壓差讀數(shù)太小，可配微壓計(jì)。,2024/4/1,（5）測速管安裝于管路中，裝置頭部和垂直引出部分都將對管道內(nèi)流體的流動產(chǎn)生影響，從而造成測量誤差。因此，除選好測點(diǎn)位置，盡量減少對流動的干擾外，一般應(yīng)選取皮托管的直徑小于管徑的1/50。,（6）測速管對流體的阻力較小，適用

8、于測量大直徑管道中清潔氣體的流速，若流體中含有固體雜質(zhì)時，易將測壓孔堵塞，故不宜采用。,2024/4/1,二、孔板流量計(jì),1、孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu),（1）節(jié)流元件為孔板——中央開有圓孔的金屬板（銳孔）；（2）垂直安裝在管道中；（3）孔板前后分別引出兩個測壓口，分別與壓差計(jì)相連。,金屬孔板,壓差計(jì),法蘭,2024/4/1,孔板流量計(jì)實(shí)物圖,2024/4/1,一體化的孔板流量計(jì),數(shù)字壓差計(jì),孔板流量計(jì),2024/4/1,安裝在管路上的孔板流

9、量計(jì),2024/4/1,2 孔板流量計(jì)的工作原理,流束收縮,縮脈,流束擴(kuò)大,【說明】（1）當(dāng)流體以一定流量流經(jīng)孔板時，在孔板前后產(chǎn)生一定的壓力差 ΔP＝P1－P2；（2）流量愈大，ΔP也就愈大，即：,2024/4/1,【孔板流量計(jì)的兩種取壓方法】,（1）角接法（角接取壓） 其取壓口在孔板前后兩片法蘭上，盡量靠近孔板。（2）徑接法（縮脈取壓） 其上游取壓口在距離孔板1倍管徑處，下游取壓口在距離孔板0.5倍管徑處，盡量接近縮脈。,

10、2024/4/1,其中,——流量系數(shù)或孔流系數(shù),——孔板流量計(jì)基本方程式,3、孔板流量計(jì)的流量方程,孔板流量計(jì)的流量與壓差的關(guān)系，可由連續(xù)性方程和柏努利方程推導(dǎo)。結(jié)果如下：,【說明】u0為流體經(jīng)過孔板的流速。,2024/4/1,將U形壓差計(jì)公式代入式中，得孔板處的流速：,【體積流量的計(jì)算】,4、流量的計(jì)算,【質(zhì)量流量的計(jì)算】,2024/4/1,5、孔流系數(shù)的確定,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C0的影響因素有：（1）管道流動的雷諾數(shù)Re；（2）孔面

11、積與管道面積比A0/A1；（3）孔板的取壓方式；（4）孔板的加工精度；（5）管壁粗糙度等?！菊f明】由于影響因素眾多，目前還無法從理論上計(jì)算C0 ，只能依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所獲得的實(shí)驗(yàn)曲線，根據(jù)操作條件查找。,2024/4/1,【實(shí)驗(yàn)曲線】對于按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格及精度制作的孔板，用角接取壓法安裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)測得的C0與Re、A0/A1的關(guān)系曲線如圖1－40所示。,【處理方法】對于取壓方式、結(jié)構(gòu)尺寸、加工狀況均已規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板，流量系數(shù)C

12、0可以表示為：,式中Re是以管道的u1、d1計(jì)算的雷諾數(shù)，即：,2024/4/1,【說明】（1）對于A0/A1相同的標(biāo)準(zhǔn)孔板，C0只是Re的函數(shù)，并隨Re的增大而減??；（2）當(dāng)Re增大到一定界限值之后，C0不再隨Re 變化，成為一個僅取決于A0/A1的常數(shù)；（3）選用或設(shè)計(jì)孔板流量計(jì)時，應(yīng)盡量使常用流量在此范圍內(nèi)。常用的C0值為0.6～0.7。,,,2024/4/1,6、流量的確定——試差法,（1）先假設(shè)Re超過Re界限值ReC，

13、由A0/A1從圖1-40中查得C0；（2）根據(jù)公式計(jì)算流量qV，再計(jì)算管道中的流速u及相應(yīng)的Re；（3）若所得的Re值大于界限值ReC, 則表明原來的假設(shè)正確，計(jì)算結(jié)果有效；（4）否則需重新假設(shè)C0，重復(fù)上述計(jì)算，直至計(jì)算值與假設(shè)值相符為止。,2024/4/1,【優(yōu)點(diǎn)】構(gòu)造簡單，安裝方便 ?！救秉c(diǎn)】流體通過孔板流量計(jì)的阻力損失很大。主要是由于流體流經(jīng)孔板時，截面的突然縮小與擴(kuò)大形成大量渦流所致。雖然流體經(jīng)管口后某一位置流速已恢復(fù)

14、與孔板前相同，但靜壓力卻不能恢復(fù)，產(chǎn)生了永久壓力降。,7、孔板流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn),2024/4/1,孔板,縮脈,旋渦,流體流經(jīng)孔板的狀況,,,2024/4/1,7、孔板流量計(jì)的安裝,（1）水平安裝在管路上；,（2）孔板流量計(jì)安裝時，上、下游需要有一段內(nèi)徑不變的直管作為穩(wěn)定段，上游長度至少為管徑的10倍，下游長度為管徑的5倍。,2024/4/1,【例】 20℃苯在φ133×4mm的鋼管中流過，為測量苯的流量，在管道中安裝一孔徑為7

15、5mm的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。當(dāng)孔板前后U形壓差計(jì)的讀數(shù)R為80mmHg時，試求管中苯的流量（m3/h）。,2024/4/1,【解】查得20℃苯的物性：,面積比：,由公式可求得苯的體積流量：,設(shè)Re＞ReC，由圖1-40查得：,2024/4/1,校核Re： 管內(nèi)的平均流速為：,管道的Re：,故假設(shè)正確，以上計(jì)算有效。苯在管路中的流量為：,qV＝48.96 m3/h,2024/4/1,三、文丘里（Venturi）流量計(jì),1、文氏流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及

16、特點(diǎn),【結(jié)構(gòu)】用一段漸縮、漸擴(kuò)管代替孔板，所構(gòu)成的流量計(jì)稱為文丘里流量計(jì)或文氏流量計(jì)?！咎攸c(diǎn)】當(dāng)流體經(jīng)過文丘里管時，由于均勻收縮和逐漸擴(kuò)大，流速變化平緩，渦流較少，故能量損失比孔板大大減少。,2024/4/1,文氏流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖,漸縮管,漸擴(kuò)管,喉管,測壓口,測壓口,2024/4/1,文氏流量計(jì)實(shí)物圖,2024/4/1,【說明】文丘里流量計(jì)的測量原理與孔板流量計(jì)相同，也屬于差壓式流量計(jì)。 根據(jù)所連接的U型管壓差計(jì)確定R，然

17、后使用公式計(jì)算體積流量。,2、文丘里流量計(jì)的測量原理,2024/4/1,3、文丘里流量計(jì)的流量計(jì)算,由于文丘里流量計(jì)的測量原理與孔板流量計(jì)相同，其流量計(jì)算公式也與孔板流量計(jì)相似，即：,,,式中 CV——文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)（約為0.98～0.99）； A0——喉管處截面積，m2。,2024/4/1,2024/4/1,一體化文丘里流量計(jì),2024/4/1,3、文氏流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn),【優(yōu)點(diǎn)】阻力損失小，大多數(shù)用于低壓

18、氣體輸送中的測量； 【缺點(diǎn)】加工精度要求較高，造價較高，并且在安裝時流量計(jì)本身占據(jù)較長的管長位置。,2024/4/1,文丘里除塵器,【說明】洗滌液（水）從喉管加入時，氣液兩相間相對流速很大，液滴在高速氣流下霧化，塵粒被水濕潤。塵粒與液滴或塵粒與塵粒之間發(fā)生激烈碰撞和凝聚。在擴(kuò)散管中，氣流速度減小，壓力回升，以塵粒為凝結(jié)核的凝聚作用加快，凝聚成粒徑較大的塵粒，而易于被捕集。,2024/4/1,文丘里除塵器,2024/4/1,文丘里除塵器

19、,2024/4/1,鍋爐脫硫除塵工藝流程圖,2024/4/1,2024/4/1,1、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu),（1）金屬外殼；（2）上粗下細(xì)的錐形玻璃管（錐角約在4°左右）；（3）固體轉(zhuǎn)子（或稱浮子）；（4）流體自玻璃管底部流入，經(jīng)過轉(zhuǎn)子和管壁之間的環(huán)隙，再從頂部流出。,四、轉(zhuǎn)子流量計(jì),2024/4/1,轉(zhuǎn)子流量計(jì)實(shí)物圖,2024/4/1,轉(zhuǎn)子流量計(jì)實(shí)物圖,2024/4/1,2、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理,（1）當(dāng)被測流體以一定的流量

20、流經(jīng)轉(zhuǎn)子與管壁之間的環(huán)隙時，在轉(zhuǎn)子上、下端面形成一個壓差，將轉(zhuǎn)子托起，使轉(zhuǎn)子上浮。當(dāng)三個力平衡時，轉(zhuǎn)子的位置不動。（2）當(dāng)流速增大時，壓差變大，平衡破壞，轉(zhuǎn)子位置上升；（3）轉(zhuǎn)子停留的位置可確定流量的大小。,2024/4/1,3、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量方程,轉(zhuǎn)子共受到三個力：重力（向下）、壓力（向上）、浮力（向上）。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動時，三個力平衡，即：,由此可推得轉(zhuǎn)子流量計(jì)的體積流量為：,AR——轉(zhuǎn)子上端面處環(huán)隙面積CR——轉(zhuǎn)子流量系

21、數(shù),2024/4/1,4、流量的測定,【原理】由于流量（qv）與環(huán)隙面積（AR）有關(guān)，在圓錐形筒與浮子的尺寸固定時，環(huán)隙面積AR決定于浮子在筒內(nèi)的位置，因此，轉(zhuǎn)子流量一般都以轉(zhuǎn)子的停留位置來指示流量。【讀數(shù)】轉(zhuǎn)子流量計(jì)玻璃管外表面上刻有流量值，根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡時其上端平面（最大截面）所處的位置，即可讀取相應(yīng)的流量。,2024/4/1,5、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的標(biāo)定與刻度換算,轉(zhuǎn)子流量計(jì)上的刻度，是在出廠前用某種流體進(jìn)行標(biāo)定的。 ①液體流量計(jì)用

22、20℃的水（密度約為1000kg/m3）標(biāo)定；②氣體流量計(jì)用20℃和101.3kPa下的空氣（密度為1.2kg/m3）標(biāo)定。,（1）標(biāo)定,2024/4/1,轉(zhuǎn)子流量計(jì)的標(biāo)定,孔板流量計(jì),轉(zhuǎn)子流量計(jì),2024/4/1,當(dāng)被測流體與標(biāo)定條件不符時，應(yīng)進(jìn)行刻度換算。假定CR相同，在同一刻度下，有：,式中 下標(biāo)1表示標(biāo)定流體的參數(shù)； 下標(biāo)2表示實(shí)際被測流體的參數(shù)。,（2）換算,2024/4/1,6、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的安裝與特點(diǎn),（1）

23、轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝在管路上；（2）為便于檢修，應(yīng)設(shè)置如圖所示的支路。,（1）轉(zhuǎn)子流量計(jì)的安裝,2024/4/1,【優(yōu)點(diǎn)】轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)方便，流動阻力很小，測量范圍寬，測量精度較高，對不同的流體適用性廣?！救秉c(diǎn)】玻璃管不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過程中玻璃容易破碎。,（2）轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn),2024/4/1,五、渦輪流量計(jì),1、渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu),渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器和顯示儀表組成。,（1）渦輪；（2）導(dǎo)流器； （3）磁

24、電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器； （4）外殼； （5）前置放大器 。,2024/4/1,渦輪流量傳感器,2024/4/1,管路中的渦輪流量計(jì),2024/4/1,2、渦輪流量計(jì)的工作原理,2024/4/1,（1）當(dāng)流體通過安裝有渦輪的管路時，流體的動能沖擊渦輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，流體的流速愈高，動能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下，渦輪的轉(zhuǎn)速和流速成正比。（2）當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動時，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測線圈所產(chǎn)生的磁力線，使檢測線圈