摘要:對(duì)渦街流量計(jì)的壓力損失并與孔板流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行了比較。渦街流量計(jì)與孔板流量計(jì)使用廣泛,因此有些人員對(duì)兩種流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行過(guò)比較,但比較時(shí)沒(méi)有在保證兩種流量計(jì)有效流通面積相等的情況下進(jìn)行,這就使最后的結(jié)果沒(méi)有說(shuō)服力。在保證兩種流量計(jì)流通面積相等的條件下,對(duì)它們的壓力損失進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,孔板流量計(jì)的壓力損失與渦街流量計(jì)的壓力損失的比值并沒(méi)有一些文獻(xiàn)中給出的那么大。
1 引 言
如今社會(huì)在大力提倡節(jié)約能源,每種流量計(jì)的壓力損失成為用戶(hù)比較關(guān)注的問(wèn)題,流量?jī)x表的壓力損失小已經(jīng)是選擇流量計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于渦街流量計(jì)與孔板流量計(jì)使用的條件相似,并且使用廣泛,因此人們常常對(duì)這兩種流量計(jì)進(jìn)行比較,以便選出更合適的測(cè)量?jī)x表。雖然已經(jīng)有人對(duì)渦街流量計(jì)與孔板流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行過(guò)比較,但目前文獻(xiàn)中所作的比較存在兩個(gè)問(wèn)題[1,2]。第一,文獻(xiàn)中多是通過(guò)比較兩種流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式來(lái)對(duì)兩種儀表的壓力損失進(jìn)行比較。對(duì)于孔板流量計(jì),它的歷史較長(zhǎng),有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),可以直接用給出的壓力損失計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置如圖1所示。鼓風(fēng)機(jī)用來(lái)使流體在管道中流動(dòng);變頻調(diào)速器用來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)流體流速的目的;壓力變送器和溫度變送器分別用來(lái)測(cè)量管道內(nèi)氣體的壓力和溫度;差壓變送器為電容式差壓變送器,用來(lái)獲取兩個(gè)取壓孔P1、P2之間的壓力差,量程為0～10kPa,最大工作壓力為4MPa,精度為0.5級(jí);試驗(yàn)用渦街流量計(jì)的口徑為100mm,其制作工藝符合渦街流量計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),采用的旋渦發(fā)生體為三角柱體。管道內(nèi)的流體介質(zhì)為空氣,管道直徑D=100mm,取壓孔P1、P2之間的距離為5m。
3 渦街流量計(jì)壓力損失的測(cè)量
傳統(tǒng)測(cè)量孔板流量計(jì)壓力損失的方法如圖2所示,分別測(cè)出P1、P2兩點(diǎn)之間的靜壓力,所得差值即為孔板壓力損失。為了使測(cè)出的壓力是不可恢復(fù)性壓力,P1、P2兩點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡量遠(yuǎn),文獻(xiàn)[3]中,管道直徑D=300mm,P1、P2之間的距離為27D,在本試驗(yàn)中管道直徑D=100mm,P1、P2兩點(diǎn)之間的距離為50D,通過(guò)差壓變送器直接將兩點(diǎn)之間的差壓值讀出�？紤]到P1、P2兩點(diǎn)之間的距離比較長(zhǎng),因此管道本身的壓力損失將不能忽略。對(duì)裝有渦街流量計(jì)時(shí)總的壓力損失ΔPt和管道本身的壓力損失ΔPp分別在不同的流速v下進(jìn)行測(cè)量,用ΔPt減去ΔPp即為渦街流量計(jì)的壓力損失ΔPv,所得結(jié)果如表1所示。
4 壓力損失系數(shù)的誤差分析
由下式計(jì)算渦街流量計(jì)的壓力損失[4]:
式中:ΔPV為渦街的壓力損失;Cd為壓力損失系數(shù);ρ為流體密度;u為氣體平均流速。
由式(1)可見(jiàn),壓力損失系數(shù)的精度對(duì)壓力損失的計(jì)算很重要。Cd的大小一般由生產(chǎn)廠家給出,但即便是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的同一型號(hào)的渦街流量計(jì),生產(chǎn)廠家給出的Cd值差別也很大,對(duì)于用三角柱體做旋渦發(fā)生體的渦街流量計(jì),廠家給出的Cd值一般在1.8～2.4之間。本試驗(yàn)將壓力損失的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與不同Cd值下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,如圖3所示。從圖3中可以看出,不同的Cd取值會(huì)使壓力損失的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差隨著流速的增加而增加。還可以看出,當(dāng)Cd取2.2時(shí)與計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合的比較好,這時(shí)計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的誤差不超過(guò)5%。當(dāng)Cd取2.4、2.0、1.8時(shí),與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差分別達(dá)到18.78%、17.35%、33%,壓力損失系數(shù)Cd的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響是較大的,在流速高時(shí)更明顯。
以上分析說(shuō)明,僅通過(guò)渦街流量計(jì)壓力損失的計(jì)算公式來(lái)與孔板流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行比較,不能保證較高的精度。
5 渦街流量計(jì)與孔板流量計(jì)壓力損失的比較
對(duì)于孔板流量計(jì)的壓力損失,用ISO5167-2:2003給出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與渦街流量計(jì)壓力損失的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。為了更好地對(duì)渦街流量計(jì)的壓力損失與孔板的壓力損失進(jìn)行比較,選擇了有效流通面積相同的渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)進(jìn)行比較,這樣的比較也才有意義。
采用的渦街流量計(jì)旋渦發(fā)生體的截流面的寬度為dv=28mm,流量計(jì)的直徑D=100mm,管道截面面積Sc=7854mm2,有效流通面積為Sv=5054mm2。將渦街流量計(jì)的有效流通面積轉(zhuǎn)換為孔的面積,則對(duì)應(yīng)的有效孔徑比βv為
取孔板流量計(jì)與渦街流量計(jì)有效孔徑比最接近的值βo=0.8。根據(jù)Reader-Harris給出的流出系數(shù)的計(jì)算公式[5],求得平均流出系數(shù)C=0.45。在2003年實(shí)施的孔板流量計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO5167-2:2003)中,壓力損失系數(shù)K的計(jì)算公式為
圖4反映了由式(4)計(jì)算出的在不同流速下孔板流量計(jì)的壓力損失曲線(xiàn)和渦街流量計(jì)壓力損失的試驗(yàn)結(jié)果。
從圖4可以看出,在流通面積一定的情況下,孔板的壓力損失要大于渦街流量計(jì),并且隨著流速的增加而增加。表2列出了在不同流速下,孔板流量計(jì)與渦街流量計(jì)的壓力損失,其中n為孔板流量計(jì)與渦街流量計(jì)壓力損失的比值。
表2中,n的平均值約為1.7。R.W.Miller(1989)曾經(jīng)給出了幾種流量計(jì)的壓力損失[6],如圖5所示的流速為4.2ms時(shí),不同流量計(jì)的壓力損失情況。其中孔板流量計(jì)的β=0.75;渦街流量計(jì)為Foxboro公司生產(chǎn)的,口徑為80mm;流體介質(zhì)為水,水的壓力為6bar。
圖5中孔板和渦街流量計(jì)的壓力損失比值大約為1.5,結(jié)果稍小,這可能是因?yàn)樗捎玫脑囼?yàn)流體介質(zhì)不同所造成的,采用的是空氣,R.W.Miller采用的是水,但兩個(gè)結(jié)果還是比較接近的。
由以上的分析可以看到,在保證兩種流量計(jì)的流通面積相等時(shí),孔板流量計(jì)的壓力損失是渦街流量計(jì)的1.7倍左右。而在一些文獻(xiàn)中,給出的這一結(jié)果是相當(dāng)大的,有的為7倍多,甚至更大[1,2,7]。
6 結(jié) 論
(1)壓力損失系數(shù)Cd的正確率對(duì)于渦街流量計(jì)壓力損失的計(jì)算影響比較大,對(duì)于旋渦發(fā)生體為三角柱體的渦街流量計(jì),當(dāng)壓力損失系數(shù)Cd為2.2時(shí),計(jì)算值與本試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
(2)孔板流量計(jì)的壓力損失比渦街流量計(jì)大,如果保證兩種流量計(jì)的有效流通面積相同,那么孔板流量計(jì)的壓力損失是渦街流量計(jì)的1.7倍左右。
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