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    蒸汽流量計的原理及計算

    2019/7/9 13:01:35      點擊:

    蒸汽流量計在工業中得到廣泛的應用。它可測量液體、氣體和蒸氣的流量,宜測中小管徑(DN4~250)的流量。壓力損失小且恒定,測量範圍比較寬,量程比1:10,工作可靠且刻度線性,使用維修方便,對儀表前後直管段長度要求不高。其測量精確度為±2%左右,受被測液體的密度、粘度、純淨度以及溫度、壓力的影響,也受安裝垂直度的影響。玻璃管蒸汽流量計結構簡單,成本低,易製成防腐蝕性儀表,但其強度低。金屬管蒸汽流量計可輸出標準信號,耐高壓,能實現流量的指示、積算、記錄、控製和報警等多種功能。

    1.1 原理及結構

    1.1.1 衝量定理及應用

    設一物體的質量為m,作用其上的力為F,實際上流體的速度v,物體變化路程為L。那麽根據衝量定理可推出

    1.1.2 測量原理及結構

    如果將阻擋體置於直立且具有錐度(上大下小)的管道中,就形成蒸汽轉子式的流量計,它的工作原理如圖1所示。


    當流量增加時,轉子接受流體自下而上的衝力將增加,因而被衝向上方,一到達上麵,由於流通截麵增加,流速減小,衝力也隨之減小。當衝力和差壓對轉子截麵構成的作用力以及粘滯摩擦力等的合力與轉子本身在流體中重量相等時,轉子即處於一平衡狀態,不再上升或下降,這個位置就表示新的流量值。

    1.2 計算公式

    設轉子的顯示重量為Wf(N),流體對轉子的作用力為F(N),錐形管與轉子間環形截麵為Sa(m2),轉子處最大截麵積為Sf(m2),轉子體積Vf(m3),轉子密度為ρf(Kg/m3),轉子長度為L(m),流體介質的密度為ρ(Kg/m3),重力加速度為g(m/s2),則


    因為m=ρVf =ρSfL代入(1)式中,整理後得


    考慮到實際情況的因素,加一校正係數k變為:

    式中:qm——為質量流量;qv——為體積流量;ψ——為流量係數。ψ與轉子形狀和雷諾數有關,Sa與轉子高度有關。錐管形蒸汽流量計轉子的幾何形狀和選用的材料及被測流體一定時,式(2)等式右邊平方根內的值為一常數。當雷諾數大於一定的界限值時,ψ為一常數,這樣qm正比於Sa。

    1.3 不同測量介質的換算方法

    在實際使用蒸汽流量計過程中,由於被測物體的物性(密度、粘度等)和狀態(溫度、壓力等)與實驗流體的物性和狀態不同,所以必須對測量儀表進行刻度換算和粘度修正,以保證精確度。

    1.3.1 液體流量測量的刻度換算

    通常測量液體的蒸汽流量計的刻度,都是用水在20℃,1個大氣壓下標定的。按照下式進行刻度換算:


    式中:Q1——標定時水的體積流量;Q2——使用時被測液體的體積流量;ρf——轉子的材質密度;ρ1——標定時的水密度;ρ2—使用時的被測液體密度;a1——水的流量係數;a2——被測粘性液體的流量係數。

    當被測液體的密度和水的密度不同但是兩者粘度係數相差甚微,即可忽略粘度變化對流量係數造成的影響,a2/a1可以當作1來計算。

    1.3.2 氣體流量測量的刻度換算

    測量氣體的蒸汽流量計通常都是在低壓、恒溫20℃狀態下用壓縮空氣進行標定的,然後在換算到標準絕對壓力為101325Pa、溫度為20℃時的流量值對儀表刻度。當儀表用來測量某一工作狀態下,任意一種氣體的體積流量時,需將儀表所示刻度值換算為工作狀態的實際流量值。於氣體,可以按照下麵公式換算:


    式中:Qn——標定空氣在pn,Tn狀態下的體積流量,即儀表刻度流量值;Q——被測氣體由P,T狀態下的體積流量,即儀表刻度流量值;pn=101325Pa,Tn=293.15k(標準狀態下的絕對壓力和溫度);p,T——被測氣體在工作狀態下的絕對壓力和熱力學溫度;

    pnZn——分別為標定空氣在pn,Tn狀態下的密度和壓縮係數;ρ,Z——分別為標定空氣p, T在狀態下的密度和壓縮係數。

    當被測氣體的濕度較大時,應考慮水分含量的影響,氣體密度ρ按下式計算:


    式中:ρg——為測量條件下幹燥氣體密度;Φ——為測量條件下相對濕度;ρsmax——為測量條件下飽和水汽的密度。

    1.4 金屬管蒸汽流量計

    金屬管蒸汽流量計與玻璃蒸汽流量計具有相同的測量原理,不同的是其錐管由金屬製成,這樣不僅耐高溫、高壓,而且能選擇適當的材質以適合各種腐蝕性介質的流量。蒸汽流量計采用可變麵積式測量原理,應用現代高技術手段及先進的元件和器件。蒸汽流量計主要由三大基本部分組成:測量管;錐形浮子或靶式浮子;指示器。浮子的位移量與流量的大小成比例,通過磁耦合係統,以不同接觸方式,將浮子位移量傳給指示器指示出流量的大小。也可配裝不同的轉換器,將流量值轉換成標準的電遠傳信號,從而實現遠距離顯示、記錄、積算和控製功能。金屬管蒸汽流量計在指示器的設計上可以為各種應用場合提供可靠適用的功能組合,如現場指針顯示、LCD顯示瞬時和累計流量等。在指示器供電選擇方麵有電池供電、24VDC供電、220VAC供電,方式根據現場情況選擇。

    1.5 選型計算

    在選型過程中,可以根據前麵介紹的計算公式和相關設計樣本來確定蒸汽流量計的型號。本文以宏控LZZ/D係列蒸汽流量計為例,介紹如何根據計算公式來確定蒸汽流量計的型號。


    已知測量介質為液體,最大流量為:Qmax=30m3/h,常用流量最小值Qmin=10m3/h,粘度μy=3.1×10-5pags,密度ρy=810kg/m3,常用壓力py=0.49MPa,常用溫度ty=150℃。根據條件選出合適的蒸汽流量計的口徑及浮子號。

    選擇11Cr18Ni9Ti材質的浮子,其密度為780kg/m3。水在工作狀態時的密度為954kg/m3,則根據公式(3)可以得到


    代入最大流量Qmax=70m3/h和常用流量最小值Qmin=20m3/h可以求得水的流量範圍Qsmax=66.6m2/h,Qsmin=22.2m2/h。

    通過查詢LZZ/D的蒸汽流量計規格表,可以得知選擇口徑DN100,浮子號K10.2,材質1Cr18Ni9Ti