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上游活动干扰对V锥流量计性能的影响

人气: 发表时间:2015-07-29 07:40

 为进行商业输送和产业中的过程控制,流体流量的精确丈量是极为重要的。在很多运行中,能进行正确的流量丈量的能力是如斯的重要,它能造成赢利或亏损的巨大差别。对于这样的使用场合,多采用一些专用的流量计,如涡轮涡街流量计或科里奥利流量计,这是由于,如在理想前提下使用它们,它们可有高正确度,其数目级为±0.1%。对于大多数的产业应用场合,多采用差压式流量计,如孔板流量计、文丘里流量计、喷嘴流量计或其他变型的差压式流量计。这些流量计的局限性是它们的量程比约为5:1,要求提供上、下游的最小长度的直管段以确保有适合的活动前提。广泛使用孔板是因为它价格低,结构简朴,维护要求低和较高的可靠性[1]。特殊的其他类型的孔板有:圆缺、偏心、1/4圆、锥形进口、变面积 (线性)孔板和环形孔板等,在过去的几年中,为特殊的使用场合而将它们开发出来的,目前在市场上都可买到[2~4]。在上个世纪末,有几种新型差压式流量计被开发出来,这就是楔形流量计、变面积孔板流量计和V锥流量计,开发这些新型流量计的目的是:改善量程比以及使Cd对雷诺数ReD不敏感。为了使上、下游所要求的直管段长度最小化同时还改善正确度,已经作了不少的努力。在一些产业的应用场所,因为上游的活动被干扰从而造成丈量误差。在这些前提下,Shenmin[5]以为V锥流量计被证实是一种富有生命力的可替代的产品 (仪表)。

     大概是因为秘要性 (关于保密的要求)和专利的要求,现已宣布的有关V锥流量计结构设计的可利用的文献很缺乏[6]。有关制造厂宣称:V锥流量计能够在30:1的量程比前提下,以高达±0.5% (原文此处为±0.05%恐有误)的正确度给出流量丈量结果。此外,还宣称V锥流量计的重复性为±0.1%,而其他流量丈量仪表的重复性为±0.2%。V锥流量计不需要常常校准 (重新标定)。除这些长处以外,V锥流量计更加耐磨蚀和磨损,这是由它的几何外形所决定的。通过减少一次元件与高速流体的接触,这种尖圆锥体的结构设计将磨损 (磨蚀)减至最小[7]。假如与其他流量计比拟,V锥流量计要求更短的上游直管段,甚至在被干扰的活动前提下,V锥流量计也能有效地进行丈量。这导致在海上及炼油产业中日益增多地采用V锥流量计[8]。V锥流量计的基本结构以及它的锥体几何外形和取压孔的位置使得它对外界的振动不敏感。

     在较低的雷诺数下,速度分布不再平坦 (不像在高速模式下那样平坦),此时为一个抛物体外形,此时在管道中央轴线上具有最高的流速。Liptak[9]讲演,在管内壁与V锥体之间的环形区间内,势必会使速度分布变得更为平坦。通过使管道中央轴线上的流速变缓,同时使接近管内壁处的流体加速,从而获得一个更为平均一致的速度分布。Genesi等人[10]表明,V锥体在活动的流体中会产生一个受控制的紊流区,它能使管道中的速度分布改变外形,这恰是流量丈量所但愿和要求的。因为在V锥体的表面有边界层形成,会引导活动的流体离开V锥体的边沿,因此V锥体的边沿不可能被磨损。

    英国和ISO的尺度都制定法规,在这些尺度与规程中,所推荐的流量计上、下游的最小直管段长度是雷诺数、管道直径、β值和管件的函数。Ifft等人[11]曾作过很多实验来检修各种活动干扰对V锥流量计的影响。通过安装单弯头和不在统一平面的双弯头来产糊口动干扰。根据实验结果可以得出如下结论:即甚至在上游直管段很短或几乎没有直管段的前提下,V锥流量计的机能受这种活动干扰的影响并不很大。 Prabhu等人[12]曾在30000到49400的雷诺数范围内,对β=0.75的V锥流量计做实验,他们利用空气作为被测介质,利用单弯头和双弯头作扰流件。他们得出的结论是与其他流量计比拟,在这些前提下,V锥流量计的流出系数对干扰较为更不敏感。它的泵送耗能费与孔板比拟也节省50%。Sarkar等人[13]用水作为工作流体,利用上游的扰流件在ReD=22000的前提下,对β=0.51到0.90的V锥流量计进行实验,他们的实验表明:V锥流量计对于流体活动时所存在的漩涡 (涡流)较少敏感。Irving[14]分析了由一系列管件所造成的活动干扰的类型,并且研讨了各种不同类型干扰影响通过孔板的流体的活动方式。他的结论是:各尺度所划定的足够的直管段长度是不够长的。Joshi[15]讲演了V锥流量计独特的特点及其长处。根据他的研究,他得出的结论是:在所有前提下,在一个较宽的雷诺数范围内,V锥流量计的机能都比其他类型的一些流量计更好些。在本文所述的研究中,对作为雷诺数函数的V锥流量计的机能进行实验评价,并分析了上游的干扰的影响。采用在V锥流量计的上游的不同间隔处安装一个闸阀 (并使闸阀保持几种不同开度)的办法来产生 (制造)各种不同的上游干扰。


    1 V锥流量计


    V锥流量计的机能特性得以改善是它独特的结构设计的必定结果,它的结构如图1所示。它以同轴安装在管道中的尖圆锥体为特征。此V锥体与流入的流体相互作用,改变流入流体速度分布的外形并终极在紧靠着V锥体的尾部的地方造成一个低压区。在锥体上游1倍直径 (1D)间隔处的静压力与锥体下游在其尾部的低压力之间呈现出差压 (即压力差)。可丈量出此差压,并使此差压与流量建立联系。只要流出系数已知,为得出 (求出)流量值,仅须将差压值代入差压式流量计的尺度流量方程式。该方程式如下式所示:


    


    式中:Δp为压差,Pa;D为工况下的管道内直径,m;d为工况下,V锥体的最大直径,m;β为等效直径比;ReD为管道雷诺数;ρHg为汞的密度,kg/m3;ρW为水的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2。p为流体的静压力,Pa;Cd为流出系数;Δh为差压,mm·H2O;qm为质量流量,kg/s。所有其他名词术语都有其常规的意义已列入上述的名词术语符号表中和在图1中示出。对于本项目的研究,管外径为52mm (管内径=50mmNB),V锥体的最大直径d,对于β=0.64时,d=40mm,对于β=0.75的锥体,d=33mm。β=0.64的锥,其长度为38mm;对于β=0.75的锥,其长度为32mm。在V锥体的角顶的上游圆筒形部门,利用3个径向支撑物将V锥体固定在管道中央轴线上,如图1所示。为使活动干扰减至最小,这三个支撑物都造成翼形的。两个取压孔的位置是:一个开在上游1D (D为管道直径)处的管壁上,一个开在V锥体的尾部,如图1所示。



图1 V锥流量计结构与细节图


    2 用水和油的实验装置


    为了分析在上游阀的扰流对V锥流量计的影响,建造了用水和油作为工作流体的两个实验测试装置。水流量的实验装置如图2所示。



图2 用于液体流量丈量的实验装置示意图


    实验装置的供水来自安装在地面以上15m处的一个大型高位贮水罐。通过操纵位于实验室地下室中的水泵实现。利用一个溢流管保持高位贮水罐中的水位恒定不变。利用位于流量计下游22D处的闸阀“V3”来调节水的流量。在实验期间,阀“V1”保持全开,并用阀“V3”来调节 (控制)流量。应用重力法来丈量水流量。为此目的,使用了一个负载量为1000kg的杆式天平和一个称量罐。该天平的分辨率 (敏捷度)为0.10kg。应用一个分辨力为0.01s的电子表来精确丈量称量罐中收集一定质量的水所需的时间。取决于差压的大小,采用一个分力率为±1mm的水银U型管压力计或测微差压的单管微压计 (InvertedV-tubeManometer)。


    另外一个闸阀“V2”也装在V锥流量计的上游,V2间隔V锥的长度不同,其开度也不同 (开度有25%、50%、75%和全开)。通过改变“V2”与V锥之间的间隔以及“V2”的开度来研究非对称的速度分布对V锥流量计机能的影响。


    实验用油流量装置基本上与水装置完全相同,独一不同之处是实验用油来自一个贮油罐。利用一个配有3.6kW (5马力)的电念头 (转速为980r/min)的齿轮泵来输送实验用油。所用的称量机械是一个负载量为100kg的称量机构。称量机安装在贮油罐之上,以便在每次丈量之后将油从称量机清空,使之流回贮油罐。这样此装置就形成再轮回型的封锁的回路。利用此装置来进行低雷诺数下的实验。在本项目研究中所用的油和水的物性如表1所示。



注:SAE———美国汽车工程师学会


 


    3 所研究的参数的范围


    首先在理想前提下对V锥流量计进行校准,以求出它的流出系数Cd。然后在V锥流量计的上游5D、10D和15D处安装上“V2”闸阀,目的是在V锥流量计的上游产生非对称的速度分布,调整“V2”阀的开度在4种不同的位置,即25%、50%、75%和全开这四种状态。在“V2”的每一种开度下和每一种间距位置上,经实验得出流出系数值,而且是对于两种β值的V锥,在整个流量范围内作实验。表2给出了所研究参数的全部范围。



        式中:n为在每一个流量下丈量的次数。

 


    4 结果与讨论


    在理想前提下,用两种液体 (即水和SAE-20油),对两个β值的V锥流量计进行了校准 (标定)。测试时雷诺数包括:1.25×103~2.45×105。图3示出了对于两个不同β值的V锥流量计,其Cd值随Re[雷诺数]变化的情况。


Re低端(即左侧)为油丈量区,


Re高、中端(即图的右侧)为水丈量区。


图3 在理想前提下对于无干扰的活动前提下


C4随Re变化的情况图


 


    从图3可以看出;在低雷诺数区Cd值要轻微高一些,跟着Re数值增大,Cd值轻微减小一点,对β=0.64的V锥流量计,其流出系数Cd的均匀值为0.7256,它的不确定度 (用%表示)为1.78%。而对β=0.77的V锥流量计,在测试范围内其流出系数的均匀值为0.7315,它用%数表示的不确定度为1.97%[详见表3 (a)]。因此,可以得出如下结论:在测试范围内,Cd几乎与雷诺数 (Re)无关。在明确Cd与Re无关以后,进一步的实验就可以用水作为工作流体来进行了。图4和图5示出了Cd值随Re变化的情况以及对于两种不同β值的V锥流量计阀门开度对流量计机能的影响。


    图4(a)示出了当闸阀装在V锥流量计 (β=0.64)的上游5D处时的流出系数Cd值,可以看出在给定的阀门开度下,Cd值接近为一个常数。另外从图中还可以看出:跟着闸阀开度逐渐减小Cd值会增大。这种Cd的变化可以被以为是由以下原因造成的,即当流体接近V锥流量计的基面时流体的活动被加速以及在环形区间内有重新改变速度分布外形的现象。当闸阀开度为25%时,发现Cd的值最大,其均匀值为0.7540;当阀门开50%时,Cd的均匀值为0.7452;当阀门开度为75%时,Cd均匀值为0.7396;而当阀门全开时,Cd的均匀值为0.7142。阀门全开时的Cd值与在理想前提下,用水丈量时所得出的Cd相同。


 


图4 对于β=0.64的V锥流量计因为闸阀V2的不同


位置及不同开度造成的干扰所引起的Cd值随Re


的变化 (被测流体:18℃下的水)图


    对于全开和25%开度下所得Cd值的偏差约为5.5%。图4 (b)和 (c)则示出了当将闸阀“V2”装在流量计上游10D和15D处时相应的流出系数 (Cd)值。从这两个图可以看出:流出系数值几乎恒定不变,该值不受阀门开度的影响。不同阀门开度下流出系数值之间的偏差与正常前提下运行时所观察到的Cd的差值处于相同的数目级。


    图5示出了当β=0.77时相同的结果,从图5可以看出:对于各种不同的阀门位置,流出系数Cd值的变化规律与前述的图4中的结果相同,只是流出系数的均匀值要稍高些。这些结果表明Cd值是β值的函数并且需要作进一步的研究。


 


图5 对于β=0.77的V锥流量计因为闸阀V2的不同


位置及不同开度造成的干扰所引起的Cd值随Re的变化 


(被测流体:18℃下的水)图


    在对作为雷诺数和上游干扰的函数的流出系数的变化作了分析之后,为确定丈量中误差的程度进行了定量分析。在表3中示出了定量的数据。丈量的正确度应是±0.5%。从表3 (b)可以看出:如排除个别情况外,对于绝大多数的研究结果来说,丈量的不确定度是小于丈量正确度的[详见表3 (b)]。可以观察到,当阀门装在流量计上游5D处时,对于β=0.643的V锥流量计,最大的不确定度为0.70%。对不同前提下均匀流出系数的分析表明,当将闸阀装在流量计10D和15D时,对流出系数值没有影响。当将闸阀装在流量计上游10D或更远的地方时,流出系数均匀值的变化小于±0.5%。当将闸阀装在流量计上游5D处时,对于β=0.643的V锥,流出系数值的变化达3.30%;而对于β=0.77的V锥,其流出系数值的变化是4.6%。


    5 结论


    根据本项研究的结果,可以得出如下三条重要结论:


    (1)作为雷诺数函数的流出系数的变化曲线表明:在测试范围内流出系数几乎与雷诺数无关。对β=0.64的V锥,Cd的均匀值是0.7256;而对于β=0.77的V锥,Cd的均匀值是0.7315。丈量结果表明流出系数与β值之间有微弱的相关 (依靠)关系。


    (2)假如上游的活动干扰是发生在V锥流量计的上游10D或更远处,则这种非对称的速度分布不会影响流出系数Cd值。Cd值将保持与在理想前提下所得出的Cd值相同的数值。


    (3)假如上游的扰流件的位置间隔V锥流量计小于10D管直径 (如5D),则流出系数的最大变化量约为6%。根据上述结论,以下的事实是十分显著的,即V锥流量计的机能是优于各种尺度的差压式流量计的。

 

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