东北大学节流装置课程设计

1、 标准节流装置的设计作 者 姓 名: 作 者 学 号：指 导 教 师：学 院 名 称：信息科学与工程学院专 业 名 称：测控技术与仪器东 北 大 学2015年6月东北大学课程设计（论文） 任务书课程设计（论文）任务书课程设计（论文）题目：标准节流装置设计基本内容：本次课程设计的是学会使用国家标准及技术规范；进行标准节流装置设计，培养理论联系实际的学习方法以及独立解决工程实际问题的能力。任务有三个，第一：结合教材及参考资料，针对第二类命题，根据工艺要求，设计经典文丘里管。第二：写出标准节流装置的设计说明书。第三：根据已知参数和计算参数，使用CAXA(或其它类似软件)绘制标准节流装置的加工图和装配

2、图。课程设计（论文）专题部分：题目：文丘里管节流装置设计基本内容：本课题是标准节流装置（文丘里喷嘴）设计命题，命题类型属于新装设节流装置的设计计算。设计命题中已知管道内径D、被测流体参数、管道布置条件，选择流量测量范围，差压测量上限，节流装置型式等条件，计算节流件开孔直径d。本设计命题被测对象介质为：水。在压损限制、不确定度限定等条件下，通过迭代算法，获取最重要的参数孔径比，合理选取节流件喉部直径d。考虑综合因素，设计一个标准节流（文丘里管）装置。学生接受课程设计（论文）题目日期第19周指导教师签字：2015年6月29日- 40 -东北大学课程设计（论文） 摘要摘要节流装置可分为标准型和非标准

3、型两大类。所谓标准型是指按照标准文件（如节流装置国际标准ISO5167-1：1991或我国标准GB/T2624-1993）进行设计、制造、安装和使用，无需实流校验即可确定输出信号与流量的关系并估算其测量误差的节流装置。标准节流装置由于它具有结构简单并已标准化，使用寿命长和适用性广，因而在流量测量仪表中占据重要地位。标准节流装置的设计从而也具有广泛实用意义。标准节流装置的流量测量原理为：在管道内部装有断面变化的孔板或喷嘴节流件，当流体流经节流件时，由于流束收缩，则在节流件前后产生静压差，利用压差与流量的关系可进一步测出流量。对于未经标定的节流装置，只要他与已经经过充分实验标定的节流装置几何相似和

4、动力学相似，则在已知有关参数的条件下，可以认为节流件前后的静压力差与所流过流体的流量间有确定的数值关系。本课题是标准节流装置（文丘里喷嘴）设计命题，命题类型属于新装设节流装置的设计计算。设计命题中已知管道内径D、被测流体参数、管道布置条件，选择流量测量范围，差压测量上限，节流装置型式等条件，计算节流件开孔直径d。本设计命题被测对象介质为水。在压力损失限制、测量上限、压差上限等条件下，通过迭代算法，获取最重要的参数孔径比，合理选取节流件喉部直径d。本组设计命题一共进行了两次迭代，最终结果为，。流量验证与压差损失验证均符合条件，最后我们求取了本组流量测量不确定。 在绘图制作中，我们分别设计和绘制了

5、截尾式文丘里喷嘴和非截尾式文丘里喷嘴本体结构图,其主要区别在于扩散段出口直径与管道直径的关系。对于取压方式，我们采取了环室取压。接着通过查阅相关标准，我们设计法兰结构用于节流装置的固定。上述两种元件我们同样也绘制出来了。最后，我们绘制出了整体的标准节流装置装配图。关键词：标准节流装置；文丘里喷嘴；水；环室取压；法兰东北大学课程设计（论文） 目录目录课程设计（论文）任务书i摘要ii第1章 绪论- 1 -1.1 背景介绍- 1 -1.2设计依据- 2 -1.3 设计目的- 2 -1.4 设计任务- 3 -第2章 标准节流装置的设计原理- 4 -2.1 标准节流装置测量原理- 4 -2.2标准节流装

6、置的结构- 4 -2.2.1文丘里喷嘴- 4 -2.2.2 流体条件和管道条件- 5 -第3章 标准节流装置设计计算- 7 -3.1 已知条件- 7 -3.1.1题目条件- 7 -3.1.2查表条件- 8 -3.2 辅助计算- 10 -3.3迭代计算- 12 -3.3.1计算- 13 -3.3.2计算- 14 -3.3.3迭代1计算- 15 -3.3.4迭代2计算- 17 -3.4后续计算- 18 -3.5流量测量不确定度计算- 20 -3.5.1不确定度公式- 21 -3.5.2不确定度分量计算- 21 -第4章 文丘里管节流装置设计- 24 -4.1平面入口部分设计- 24 -4.2 BC

7、两弧收缩段设计- 24 -4.3扩散段设计- 25 -4.4测量环室设计- 25 -4.5法兰设计- 26 -第5章 差压流量计的安装和使用- 28 -5.1 导压管路的安装- 28 -5.1.1 取压口- 28 -5.1.2 导压管- 28 -5.1.3 截断阀- 28 -5.1.4 冷凝器- 28 -5.1.5 集气器和沉降器- 29 -5.1.6 隔离器和隔离液- 29 -5.1.7 清洗装置- 29 -5.1.8 差压信号管路的安装- 29 -5.2 差压计的安装和使用- 31 -参考文献- 32 -结束语- 33 -附录- 35 -一、Labview迭代结果- 35 -二、法兰和环室

8、内- 35 -三、截尾式文丘里喷嘴本体图- 36 -四、非截尾式文丘里喷嘴本体图- 37 -五、节流装置安装图- 38 -东北大学课程设计（论文） 第1章 绪论第1章 绪论1.1 背景介绍随着科学技术和生产的发展，对流量检测的要求越来越高，例如生产工艺条件有高压高温、低压低温；介质由高粘度、低粘度以及强腐蚀等；流动状态有层流、紊流和脉动流；检测对象有单相、多相之分；检测范围从每秒数滴到每小时数百吨；流体流动管道直径有数毫米到1米以上等。30余年来节流装置发生了巨大的变化。1980年ISO颁布第一部ISO5167节流装置国际标准，是节流装置发展史上的一个里程碑。紧接着整个80年代国际上进行了大规

9、模的孔板流量计研究实验，虽然它从标准节流装置的角度看，可以认为流量计的成熟程度已居各类流量计之首，但作为一大类差压式流量计，他的发展是无限的。2003年ISO颁布ISO5167:2003（E），是节流装置发展史上的第二里程碑，它总结了20世纪80、90年代国际上对孔板流量计的大规模的实验研究。新版ISO5167:2003（E）内容有实质性的重大变化，它反映了节流装置的几个品种当代的科学与生产的技术水平。节流式差压流量计是以节流装置为检测件的差压式流量计。它是历史悠久，使用成熟，应用最广泛的一类流量计。节流式差压流量计计由3部分组成：节流装置、差压变送器和流量显示仪，亦可以由节流装置配以差压计自

10、称。节流装置可分为标准型和非标准型两大类。所谓标准型是指按照标准文件（如节流装置国际标准ISO5167-1：1991或我国标准GB/T2624-1993）进行设计、制造、安装和使用，无需实流校验即可确定输出信号与流量的关系并估算其测量误差的节流装置。标准节流装置由于它具有结构简单并已标准化，使用寿命长和适用性广，因而在流量测量仪表中占据重要地位。标准节流装置的设计从而也具有广泛实用意义。1.2设计依据实际工作中，常常会遇到许多属于标准节流装置的设计计算问题，但主要的是两类命题形势。第一类命题为现场核对偷用流量计的测量值。命题形式为：已知节流装置型式，管道内径D，节流开孔直径d，被测流体参数、，

11、根据测得的差压值，计算被测流体流量或。第二类命题新装设节流装置的设计计算。命题形式为：已知管道内径D、被测流体参数、管道布置条件，选择流量测量范围，差压测量上限pmax，节流装置型式等条件，计算节流件开孔直径。一般节流装置设计计算就是指此命题。从工艺方面的愿望来看，可大致归纳为4点：测量的准确度尽可能高；在所要求的测量范围内，流量系数具有平稳的数值，以便在测量范围内流量值和差压值之间是简单的对应关系；节流件前后所需要的直管段尽可能短；节流件的压力损失尽可能小，要注意降低能耗。在设计进行中往往会发现上述4点希望之间存在着矛盾。设计中应该根据现场的具体情况和标准节流装置的各项规定与要求，统一考虑，

12、妥善的处理好其中的矛盾，确定出合理的方案。标准节流装置的设计依据是工艺方面给出的原始数据和要求，以及标准节流装置的国家标准中的各项规定。1.3 设计目的(1)充分理解和掌握标准节流装置的工作原理，通过一步步的设计计算，掌握设计时的许多细节和技巧，如选材要求等。(2)熟悉国家标准如节流装置国际标准ISO5167-1；1991或我国标准GB/T2624-1993的内容。熟练掌握如何查找相应的国家标准的图表，查阅、使用图表。(3)将理论知识与实践相结合，提高利用已学知识分析解决实际问题的能力。(4)复习和熟练使用caxa画图的技能。1.4 设计任务(1)结合教材及参考资料，针对第二类命题，根据工艺要

13、求，计算节流装置的各项参数，确定节流装置的构造。(2)写明标准节流装置的设计原理，具体的计算步骤，并标注出查表参数的来源，以设计说明书的形式体现。(3)根据已知参数，使用CAXA(或其它类似软件)绘制标准节流装置的加工图和装配图(需要进一步计算一些参数。东北大学课程设计（论文） 第2章 标准节流装置的设计原理第2章 标准节流装置的设计原理2.1 标准节流装置测量原理标准节流装置用于测量流量，其原理如下：在管道内部装有断面变化的孔板或喷嘴节流件，当流体流经节流件时，由于流束收缩，则在节流件前后产生静压差，利用压差与流量的关系可进一步测出流量。对于未经标定的节流装置，只要他与已经经过充分实验标定的

14、节流装置几何相似和动力学相似，则在已知有关参数的条件下，可以认为节流件前后的静压力差与所流过流体的流量间有确定的数值关系。因此可以通过差压来测量流量。2.2标准节流装置的结构标准节流装置是由节流件、取压装置和节流件上游第一个阻力件、第二个阻力件、下游第一个阻力件以及他们间的直管段所组成的。同时它也规定了所适应的流体种类、流体流动条件以及对管道条件、安装条件、流体参数的要求。国际标准节流件有三种：标准孔板（同角接取压口、D、D/2取压口和法兰取压口）、喷嘴（ISA 1932 喷嘴、长径喷嘴）、文丘里管（文丘里喷嘴、经典文丘里管）。在本次设计命题中我们使用文丘里喷嘴。2.2.1文丘里喷嘴 (1)喷

15、嘴结构设计本次设计中我们设计并绘制了截尾式文丘里喷嘴和非截尾式文丘里喷嘴。文丘里喷嘴的型线如图2.1，它由圆弧廓形收缩段、圆筒喉部，和扩散段组成。收缩段与ISA1932相同，喉部是由0.3d的部分E和长度0.40.5d的部分所组成。扩散的夹角应小于或等于30 º。当扩散段出口直径小于D时，称为截尾式文丘里喷嘴；如果扩散段出口直径等于D时，称为非截尾式文丘里喷嘴。扩散段的夹角大小对压力损失有影响。图2.1 文丘里喷嘴结构图(2)取压设计文丘里喷嘴的上游取压口的位置可以再管道本身，管道法兰上或夹持环上，参考设计手册和国标的介绍，我们选择利用环室取压的方式进行取压，取压环室的结构如下图2.

16、2所示图2.2环室取压结构图2.2.2 流体条件和管道条件流经节流装置的流量和差压得关系，实在特定的流体与流动条件下，以及在节流件上游侧1D处已形成典型的紊流流速分布且无涡流的条件下通过试验获得的。因此适用于节流装置的流体、流动条件、管道条件和安装条件必须符合要求。(1)流体条件标准节流装置只适用于圆管中单相、均质的流体或高度分散的胶体溶液。要求流体必须充满管道，在流经节流装置时流体不发生变化。流速小于声速，同时流速应是恒定的或只随时间缓慢变化的。液体流经节流件前，其流束必须与管道轴线平行，不再有漩涡。(2)管道条件节流装置的前后直管段、上游侧第一与第二个局部阻力件间的直管段以及差压信号管路，

17、如图2.3所示。图2.3 节流装置的管道和管件东北大学课程设计（论文） 第3章 标准节流装置设计计算第3章 标准节流装置设计计算3.1 已知条件3.1.1题目条件1) 被测流体： 水2) 被测流体流量Ø 最大体积流量Ø 常用体积流量Ø 最小体积流量3) 节流件上游取压孔处工作压力（绝对压力）：4) 节流件上游取压孔处工作温度：，5) 时管道内径： 6) 材料特性：Ø 管道材料：45钢 Ø 节流件孔板材料：10CrMo9107) 允许压力损失 8) 压差上限值： 9) 选用文丘里喷嘴，配DBC型电动差压变送器10) 阻力件形式Ø 上游第

18、一阻力件：闸阀全开 Ø 上游第二件阻力件：同一平面上两个90°弯头3.1.2查表条件查阅流量测量节流装置设计手册(P302（第二版），如图3.1水在工作状态下（13MPa,80）的密度：图3.1工作状态下水的密度被测流体质量流量则：Ø 最大质量流量Ø 常用质量流量Ø 最小质量流量查阅流量测量节流装置设计手册（第二版） P326，如图3.2水在工作状态下（13MPa,80）的动力粘度：图3.2工作状态下水的动力粘度查阅流量测量节流装置设计手册（第二版） P218），如图3.3管道和喷嘴的线胀系数：图3.3节流件与管道用材料的膨胀系数3.2 辅助计

19、算工作状态下质量流量标尺刻度上限(3.2.1)管道材质的线膨胀系数(3.2.2)(3.2.3)下管道工作状态下内径(3.2.4)工作状态下绝对压力 (3.2.5)工作状态下温度(3.2.6)工作状态下水的密度(3.2.7)工作状态下水的动力粘度(3.2.8)计算(3.2.9)上述计算满足要求管道均匀粗糙度查阅国标GBT 2624.1-2006，如图3.4取合适的管道均匀粗糙度值。图3.4管壁等效粗糙度(3.2.10)(3.2.11)上述计算符合要求压差上限值(3.2.12)常用压差值(3.2.13)3.3迭代计算3.3.1计算流量公式：(3.3.1)(3.3.2)将带入(3.3.1)、(3.3

20、.2)(3.3.3)(3.3.4)把已知值组合在方程的一边，将未知值放在方程的另一边(3.3.5)(3.3.6)为已知量组合的不变量(3.3.7)3.3.2计算各种节流元件的公式如图3.5所示：图3.5节流元件的公式查表可知，文丘里喷嘴节流元件公式为：(3.3.8)3.3.3迭代1计算由迭代公式可求得直文丘里喷嘴节流元件直径比公式(3.3.9)计算过程如下：(1)将、带入公式计算：文丘里喷嘴节流元件可膨胀系数公式(3.3.10)节流件上游测流体压力 (3.3.11)节流件下游测流体压力 (3.3.12)压力比(3.3.13)等熵系数可膨胀系数(3.3.14)(3.3.15)验证压力比(3.3.

21、16) 符合使用范围(2)将带入公式计算文丘里喷嘴节流元件流出系数公式(3.3.17) 流出系数(3.3.18)(3)将、带入公式计算(3.3.19)3.3.4迭代2计算(1)由、带入公式计算：文丘里喷嘴节流元件可膨胀系数(3.3.20) (2)将带入公式计算文丘里喷嘴节流元件流出系数(3.3.21) (3)将、带入公式计算(3.3.22)迭代计算结束3.4后续计算(1)计算节流元件直径d(3.4.1)(2)验算流量理论体积流量(3.4.2)实测体积流量(3.4.3)误差(3.4.4)上述计算合格(3)计算(3.4.5)(4)确定加工公差(3.4.6)(5)计算最大压力损失(3.4.7)上述计

22、算合格(6)确定最小直径管长度根据，查阅国标文献如图3.6所示：(3.4.8)(3.4.9)(3.4.10)图3.6喷嘴和文丘里喷嘴所需直径管3.5流量测量不确定度计算3.5.1不确定度公式节流式流量计流量公式(3.5.1)按间接测量误差传递定律 (3.5.2)将、带入上式，根据误差传递定律： (3.5.3)则流量测量不确定度计算公式如下：(3.5.4)3.5.2不确定度分量计算流出系数的不确定度查阅课本P131流出系数不确定度表格，文丘里喷嘴的流出系数不确定度为:(3.5.5)(3.5.6)可膨胀系数的不确定度查阅课本P131可膨胀系数不确定度表格，文丘里喷嘴的可膨胀系数不确定度为：(3.5

23、.7)(3.5.8)测量管内径的不确定度 （3.5.9）本次计算中选择文丘里管喉部直径的不确定度（3.5.10）差压测量的不确定度由于节流式流量计正常运行中的流量希望指示在80%左右，所以（3.5.11）差压计的精度等级范围为0.52.5之间。为了节约成本，选择2.5精度等级的差压计：（3.5.12）流体密度的不确定度查阅课本P132密度不确定度表格，水的不确定度为：（3.5.13）节流元件不确定度：将各分项不确定度值带入上式： （3.5.14）东北大学课程设计（论文） 第4章 文丘里管节流装置设计第4章 文丘里管节流装置设计计算出上述基本参数之后，我们需要进一步查阅文献资料。选取和设计其余参

24、数，进行节流装置的设计与绘制。查阅国标GB/T2624.3-2006、ISO，文丘里喷嘴如图4.1所示：图4.1文丘里喷嘴4.1平面入口部分设计最终计算出的，因而制作时不需要切割入口部分，可以直接按照设计结果进行制造。4.2 BC两弧收缩段设计计算结果满足(1) B弧需满足的条件：Ø B弧与入口平面A相切Ø 圆心距入口平面0.2dØ 圆心据轴线0.75d。通过以上三个条件，确定出B弧所在的圆，并在工程图中绘制出来。(2)C弧需满足的条件：Ø 圆弧C与喉部E相切，并与弧B相切Ø 圆心距轴线，Ø 圆心距平面入口部分A （4.2.1）由此，

25、可以画出弧C所在的圆。(3)将两个圆画出之后，直接截去多余部分，收缩段就成型了4.3扩散段设计本次设计命题中，本次设计中我们设计并绘制了截尾式文丘里喷嘴和非截尾式文丘里喷嘴（两种文丘里喷嘴本体结构图见附录）设定扩散口的角度：非截尾文丘里喷嘴的长度L：（4.3.1）截尾文丘里喷嘴的长度L（4.3.2）4.4测量环室设计本次的设计命题中，上游取压方法是环室取压。依据流量测量节流装置设计手册（第二版）P393页的设计规则，进行设计环室设计，其结构图如图4.2所示。图4.2环室取压水为清洁流体，且，因此，本次选择4.5法兰设计我们选用了法兰元件对节流装置进行了固定，查阅相关国家标准（GBT 9115.

26、2-2000），法兰相关标准如图4.3： 图4.3法兰标准根据上述国标标准，绘制的法兰结构图如图4.4：图4.4法兰结构图东北大学课程设计（论文） 第5章 差压流量计的安装和使用第5章 差压流量计的安装和使用节流式流量计的安装包括节流装置、差压信号管路和差压变送器（差压计）3个部分的安装。5.1 导压管路的安装节流式差压流量计中，导压管安装的正确和可靠与否，对保证将节流装置输出的压差信号准确第传送到差压变送器上是十分重要的。据统计，在节流式差压流量计中，导压管路的故障约占全部故障的70。因此，对导压管的配置和安装必须引起高度重视。5.1.1 取压口取压口一般设置在法兰、环室或夹紧环上。位于测量

27、气体流量的水平管的取压口，应设在管道垂直截面的上方，以防液体或脏污物流入。测量液体流量的水平管上的取压口，可设在下方，以防气体进入。测量蒸汽流量的取压口，可设在水平管截面的水平方向。至于垂直管道上的取压口，可在取压装置的平面上任意选择。5.1.2 导压管为把节流件前后的压差传送至差压计，应设两条导压管。导压管的材质应按校测介质的性质和参数确定，应按最短的管路敷设，长度最长不超过90m：管内径要根据导压管的长度来确定，一般不得小于6mm。两根导压管应尽量保持相同得温度。两导压管里流体温度不同时，将引起其中流体密度的变化，引起差压计的零点漂移。因此，两根导压管应尽量靠近。 5.1.3 截断阀为了在

28、必要时将测量管与主管切断，应设置截断阀；阀应该设在离节流件很近的地方。5.1.4 冷凝器冷凝器的作用是使导压管中被测量的蒸汽冷凝，并使正负导压管中冷凝液具有相同的高度且保持恒定。冷凝器的容积应大于全量程内差压计或差压变送器工作空间的最大容积变化的3倍。5.1.5 集气器和沉降器被测液体中产生的气体不得在导压管中存积，故在到养颜的各最高点处应装设集气器或排气阀。由于被测液体中往往含有杂质，故在导压管的最低点设沉降器是完全必要的，在测量蒸汽流量时对排除存积的水垢也是有效的。5.1.6 隔离器和隔离液当被测流量的流体有腐蚀性、易冻结、易析出固体或具有很高粘度是，应采用隔离器和隔离液，以免破坏差压计或

29、差压变送器的工作性能。两个隔离器应尽量靠近取压口，安装在同一高度。隔离液应选择沸点高、凝固点低、化学与物理性能稳定的液体，如甘油、乙醇等。5.1.7 清洗装置为防止污染液体或灰尘积存在导压管和差压计中，应定时清洗。其方法是：被测流体为液体或气体时，可用洁净的空气吹入主管道；如果被测流体为液体，也可用洁净的液体吹入主管道。5.1.8 差压信号管路的安装1) 被测流体为清洁液体时，导压管路安装方式如图5.1 图5.1清洁液体时安装示意图2) 被测流体为清洁的干燥气体时，导压管路安装方式如图5.2 图5.2清洁干气体时的安装示意图3) 被测流体为蒸气时，导压管路安装方式如图5.3 图5.3测量蒸气时

30、的安装示意图4) 被测流体为洁净湿气体时，安装方式如图5.4 图5.4测量洁净湿气体时安装示意图5.2 差压计的安装和使用差压仪表的安装主要是安装地点周围条件（如温度湿度、腐蚀性、振动等）的选择以及操作和维护是否方便。如果现场安装的周围条件与差压计使用的规定条件有明显差别时，或者不利于操作和维护时，应采取相应措施或者改换安装地点。东北大学课程设计（论文） 参考文献参考文献1. 孙淮清，王建中.流量测量节流装置设计手册（第二版），北京：化学工业出版社，2005.62.李新光，张华，孙岩等.过程检测技术，北京：机械工业出版社，2004.103 仪表常用数据手册 东北大学课程设计（设计任务书） 结束

31、语结束语经过了几天的努力，我终于完成了这次课程设计的任务。应该说，这次的课程设计与以往很不同。之前的课设都是大家在一起可以互相讨论，研究，共同学习。这次由于不同小组的题目不同，因而计算设计上主要靠自己，通过查找国标和设计手册，一个人独立查寻数据。开头时期很是艰难，无从下手，当查阅大量资料后在结合一些实例才慢慢的有了自己的思路，慢慢开始进入状态。在这个过程很好的锻炼了我对知识的学习能力，同时又对专业课更加进一步的深入理解和应用。总体而言，我对自己的表现很满意。课设过程中我主要负责以下几个部分的工作：1) 首先是计算方面，设计命题为第二类设计命题，目标是对开口直径d尽行求解，由于被测流体是水，总体来说设计难度相对是比较小的。但是由于计算量较大，最初进行笔算时出现了很多错误，为了保证计算结果的正确性，我首先用MATLAB编程进行了计