化工原理第一章16

1、 第六节第六节 流速和流量的测量流速和流量的测量2022-6-8 1)测速管（皮托管）测速管（皮托管）a.两根互成直角的同心套管，外管前端开有若干测压小孔.b.U形管测压计1.结构:2.要求:流体清洁 测量时与管道方向平行A.B相距不太远，流体与A.B段测压管的摩擦阻力忽略。 测速管外径1/50流体输送管内径 （保障误差 7）AB3. 测量原理：A处流体总能量22AAAuphggB处BBphg因A、B很近，hfA-B0,且pA pB于是：hguhhABA22流流示RghguA22动压头在毕托管中由U形计的静压能形式体现其大小为：Rphg示流流流 u A R B冲压头4. 注意：Pitot管是测

2、量点速（线速度） 0.9 0.8uumax 0.7 0.6 0.5 102 103 104 105 106 107 Remax= umaxd/ Re=ud/测umax平均速度流量Remax=umaxd/ maxuu例例 5050的空气流经内径为的空气流经内径为300mm300mm的管道，管中心安装了测速管。的管道，管中心安装了测速管。已知已知U U形管压差计读数形管压差计读数R R为为15mmH15mmH2 2O O柱，测量点压力为柱，测量点压力为400mmH400mmH2 20 0柱柱( (表表压压) )。试计算管路中空气的质量流量。试计算管路中空气的质量流量。 解：标准状态下空气的密度为解

3、：标准状态下空气的密度为1.293kg/m1.293kg/m3 3，则操作条件下空气，则操作条件下空气的密度为的密度为3/135. 110330400103305015.27315.273293. 1mkg 已知已知u u形管压差计内的指示液为水，其密度形管压差计内的指示液为水，其密度l000kg/ml000kg/m3 3，压差计读数压差计读数R=0.015mR=0.015m。因测速管安装在管道中心，则可求得最大。因测速管安装在管道中心，则可求得最大流速流速 smgRu/1 .16135. 1015. 081. 91000220max 由附录查得由附录查得5050空气的粘度空气的粘度SPa51

4、096. 155max108 . 21096. 1135. 11 .163 . 0Redu查图，得查图，得则则 84. 0maxuusmuu/5 .131 .1684. 084. 0max则管路中空气的质量流量为则管路中空气的质量流量为skgudW/08. 1135. 15 .133 . 044225.5.安装安装l要使测速管正对流体流向要使测速管正对流体流向l皮托管不宜太粗，以减少对流动的干扰，一般应选皮托管不宜太粗，以减少对流动的干扰，一般应选取皮托管的直径小于管径的取皮托管的直径小于管径的1/501/50。l为了保证测速管安装在速度分布的稳定段，测量点上、下游为了保证测速管安装在速度分布

5、的稳定段，测量点上、下游的直管长度最好大于的直管长度最好大于50倍的管径，倍的管径，测量点前后测量点前后l l直直5050d di i；6.6.特点特点优点：流动阻力小，拆装方便，主要用于大管径气优点：流动阻力小，拆装方便，主要用于大管径气体流速或大气中风速的测量体流速或大气中风速的测量缺点：测压孔小，易堵塞，因此不宜用于测量含固缺点：测压孔小，易堵塞，因此不宜用于测量含固体粒子的流体速度。不能直接测出平均流速，压差体粒子的流体速度。不能直接测出平均流速，压差小，不易读准。小，不易读准。 2） 孔板式流量计在管道内插一片与管轴相垂在管道内插一片与管轴相垂直并在中央开有锐孔的金属直并在中央开有锐

6、孔的金属板，圆孔与管子同心，在该板，圆孔与管子同心，在该板两侧管壁上有测压孔分别板两侧管壁上有测压孔分别与一个与一个U型管压差计相连，这型管压差计相连，这样构成的装置称为孔板流量样构成的装置称为孔板流量计。计。1.结构：流体流到孔口时，流股截面收缩，通过孔口后，流股还继续收缩，到一定距离（约等于管径的1/3至2/3倍）达到最小，然后才转而逐渐扩大到充满整个管截面，流股截面最小处，速度最大，而相应的静压强最低，称为缩脉。因此，当流体以一定的流量流经小孔时，就产生一定的压强差，流量越大，所产生的压强差越大。因此，利用测量压强差的方法就可测量流体流量。 2.原理：0在在1-1截面和截面和2-2截面间

7、列柏努利方程，暂不计能量损失：截面间列柏努利方程，暂不计能量损失： 2222112121upup变形得变形得 2121222ppuupuu2212221RA1A0A23.流量测量方程式的推导:（1 1）实际有能量损失；）实际有能量损失；（2）缩脉处）缩脉处A2未知。未知。问题：问题：解决方法：用孔口速度解决方法：用孔口速度u0替代缩脉处速度替代缩脉处速度u2，引入校正系数，引入校正系数 CpCuu221201001AAuu 由连续性方程得：由连续性方程得：pAACu2)(12100带入得带入得：22010AAdD令41C流量系数004221mCAqpAp 0.84 0.82 0.80 0.7

8、0.78 0.76 0.74 0.6 A0 0.72 A1 0.70 0.5 0.68 0.66 0.4 0.64 0.3 0.62 0.2 0.60 0.1 0.05 3 104 105 106 Re 孔流系数与Re及A0/A1的关系 注意：流量计所测的流量范围，最好是落在为定值的区域里。设计合适的孔板流量计，其值为0.60.7。孔板一定，取压方式一定，即采用角接取压法004221mCAqpAp气体孔板流量计的流量公式气体孔板流量计的流量公式mmmgRACgRACV00000002)(2气体的绝热指数气体的绝热指数压差比值（压差比值（P P1 1-P-P2 2）/P/P1 1截面积比值截面积

9、比值A A0 0/A/A1 1有关有关影响体积膨胀系数影响体积膨胀系数的因素的因素b.设计型计算：先在 =0.60.7的范围内取值，并且根据ReRec及 直接读出A0/A1，求得d0，再进行校核。问题：与Re有关，而u1又为未知，故无法计算Re值。a.操作型计算：先假设Re大于Rec（Rec为极限允许值或限度值）由A0/A1从关系图中查得 （常数区），用式1-75计算qm，求出u1，并核算Re是否大于Rec，若ReRec，计算结果可接受。4.应用：计算流量解决方法：可采用试差法。004221mCAqpAp例例 在在 60603.5mm3.5mm的管路中安装有一孔径为的管路中安装有一孔径为30m

10、m30mm的标准孔板流量的标准孔板流量计，管内输送计，管内输送2020的液态苯。的液态苯。试确定：（试确定：（1 1）流量多少时，孔流系数）流量多少时，孔流系数 与流量无关；与流量无关； （2 2）该流量下孔板压差计所检测到的压差。）该流量下孔板压差计所检测到的压差。 解：由附录查得解：由附录查得2020时苯：时苯： = 879 kg/m= 879 kg/m3 3， = 0.737= 0.7371010-3 -3 PasPas。 22000.030.320.053dAAd由图查得，该孔板的孔流系由图查得，该孔板的孔流系数数 为定值的最小为定值的最小Re Re 为为1.051.0510105 5

11、，与此，与此Re Re 数对应，数对应，本题条件下苯的流量为：本题条件下苯的流量为： 2232003.66 1087928.8kPa20.64 0.785 0.032VPC A即管内苯的流量达即管内苯的流量达 3.663.661010-3 -3 m m3 3/s /s 后，孔流系数后，孔流系数 为为一定值，由图查得一定值，由图查得 = 0.64= 0.64。与该流量对应的孔板压差计所检测到的压差为：与该流量对应的孔板压差计所检测到的压差为： /sm1066. 31005. 1879410737. 0053. 014. 344335322ReddudV2孔板流量计优点：优点：构造简单，制造和安装

12、都很方便构造简单，制造和安装都很方便缺点：缺点：机械能损失（称之为机械能损失（称之为永久损失永久损失）大，）大， 当当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得时，永久损失约为测得 压差的压差的90%， 常用的常用的d0/d1=0.5情形下，永久损失情形下，永久损失 也有也有75%。u安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上上游长度至少应为游长度至少应为10d1，下游为，下游为5d1 使用时的注意事项使用时的注意事项： p2 2(缩脉缩脉) 2 p0 0 0 1 1 p1 R 19/1115.优缺点1)制造安装方便，当流量有较大变化时，调换孔板

13、亦很方便 2)能量损失（称之为（称之为永久损失永久损失）较大，并随A0/A1的减小而加大。当当d d0 0/d/d1 1=0.2=0.2时，永久损失约为测得压差的时，永久损失约为测得压差的90%90%，常用的，常用的d d0 0/d/d1 1=0.5=0.5情形下，永久损失也有情形下，永久损失也有75%75%。 3)不适于污浊流体，孔口边缘容易腐蚀和磨损，应定期进行校正 4)安装需要一段内径不变的直管段作稳定段，通常要求上游直管长度50d，下游直管长度 10d。 000002gRACAuVs3文丘里（文丘里（Venturi）流量计）流量计收缩段锥角通常取收缩段锥角通常取15 25 ，扩大段锥角

14、要取得小些，一般为扩大段锥角要取得小些，一般为5 7 优点：优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送（其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送（ C0 中的中的D可可 取为取为0.980.99）。）。缺点：缺点：u 加工比孔板复杂，因而造价高加工比孔板复杂，因而造价高u安装时需占去一定管长位置。安装时需占去一定管长位置。 R21/111图1-31 文丘里流量计 为减少流体节流造成的能量损失，可用一段渐缩渐扩的短管代替孔板，这就构成了文丘里（venturi flowmeter）流量计。 当流体在渐缩渐扩段内流动时，流速变化平缓，涡流较少，于喉颈处（即最小流通截面处）流体的动能达最高。此后，

15、在渐扩的过程中，流体的速度又平缓降低，相应的流体压力逐渐恢复。如此过程避免了涡流的形成，从而大大降低了能量的损失。 三. 文丘里流量计收缩段锥角通常取收缩段锥角通常取15 25 ，扩大段锥角要取得小些，一般为扩大段锥角要取得小些，一般为5 7 优点：优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送（其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送（ C C0 0 中的中的D D取为取为0.980.980.990.99）。）。缺点：缺点：u 加工比孔板复杂，因而造价高加工比孔板复杂，因而造价高u安装时需占去一定管长位置。安装时需占去一定管长位置。 )(200V RgACqVCV流量系数（流量系数（0.98

16、0.99） A0喉管处截面积喉管处截面积变压头流量计 u A R R总结：总结：变压头流量计的特点是变压头流量计的特点是 2(缩脉缩脉) 2 0 0 1 1 R 恒截面，变压头恒截面，变压头24/1114) 变截面流量计-转子流量计a. 结构：转子（金属或其它材质）b.原理： 转子流量计是变截面定压差流量计。浮子与锥管间环形截面积随流量而变。浮子在锥形管中的位置高低即反映流量的大小。 当压力差与转子的净重力相等时，转子处于平衡状态，即停留在一定位置上。在玻璃管外表面上刻有读数，根据转子的停留位置，即可读出被测流体的流量。 垂直锥形玻璃锥管转子承受的压力差 = 转子的重力-流体对转子的浮力gVg

17、VAppffff)01(fffAgVpp/ )()01(设Vf为转子的体积，Af为转子最大部分截面积，f f为转子的密度，为被测液体的密度。当转子处于平衡时：0u11000u1up0转子流量计转子流量计测量原理：测量原理： u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffAuuAzzgApp212010012 重重力力升升力力浮浮力力 fpA gVAppfff 01先按理想流体推导。先按理想流体推导。在在1-11-1面、面、 0-00-0面间列伯努利方程：面间列伯努利方程：若将转子视为一圆柱体，有：若将转子视为一圆柱体，有： fffAuugVApp2120012 对转子作受力分

18、析：对转子作受力分析： gVAuufff 2120229/111转子流量计 u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 gVAAAufff 21020121100AuAu fffAgVAAu 2112100 fffRAgVCu 20 考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理想，将上式加一校正系数，得：想，将上式加一校正系数，得：30/111转子流量计 u0 0 0 1 1 u1 重重力力浮浮 力力升升 力力 fffRAgVACAuV 2000常 数变量流量系数 000002gRACAuV对照：孔板流量计对照：孔板流量计常数变量31/111 式中式中CR

19、与那些因素有关呢？与那些因素有关呢？ CR与转子形状、流动阻力即与转子形状、流动阻力即环隙雷诺数环隙雷诺数Re0=du0/有关。有关。 转子的形状有不同，在读数时，应读转子的哪个位置呢？转子的形状有不同，在读数时，应读转子的哪个位置呢？ 最大截面处最大截面处。流量流量 fff0R00)(2AgVACAuVs c.转子流量计刻度的校正原因：2.用水和空气分别作为标定流量计刻度的介质。1.转子流量计的刻度与被测流体的密度和转子材质有关。故：当应用于测量其它流体时，需要对原有的刻度加以校正。假定：出厂标定时所用液体与实际工作时的液体的流量系数CR相等，并忽略粘度变化的影响：对于理想气体测量：气f则122()2()ffVRRRRfgVppqC AC AAffVV VV d. 注意事项：垂直安装：安装使用过程中也容易破碎流体静压 5 atm：故不能经受高温和高压为便于检修，应设旁路，开启时缓慢，防止碰撞损坏锥管。 e.e.特点特点优点：优点： 读取流量直观方便读取流量直观方便 阻力损失小阻力损失小 测量精度高测量精度高 能适用于腐蚀性流体的流量测量能适用于腐蚀性流体的流量测量缺点：缺点： 玻璃管不