工業(yè)噴嘴流量計(jì)的原理和應(yīng)用
跟著油氣田的開(kāi)發(fā),高壓氣體的運(yùn)送和高壓大流量氣體流量的丈量,需求很多的流量?jī)x表和規(guī)范設(shè)備,臨界流噴嘴流量計(jì)在處理高壓大流量氣體流量計(jì)量疑問(wèn)中起到了重要作用,并得到了廣泛運(yùn)用Λ20世紀(jì)70時(shí)代以來(lái),英國(guó)國(guó)家工程試驗(yàn)室、法國(guó)煤氣公司、英國(guó)煤氣公司工程研究所、美國(guó)國(guó)家規(guī)范局、Colorado工程研究所、日本國(guó)家計(jì)量研究所以及我國(guó)的計(jì)量研究院等對(duì)臨界流 噴嘴作了體系研究,現(xiàn)已為ISO采用為國(guó)際規(guī)范 ISO9300[1] Λ 可是,在臨界流噴嘴的實(shí)踐運(yùn)用中,大家往往不能正確掌握運(yùn)用辦法而導(dǎo)致差錯(cuò)Λ運(yùn)用流量公式時(shí)不能正確理解某些物理量的含義及運(yùn)用單位,尤其是臨界流函數(shù)中的參數(shù)運(yùn)用,然后造成數(shù) 量級(jí)概念的過(guò)錯(cuò)Λ 1 臨界流噴嘴的構(gòu)造及作業(yè)原理 咱們已經(jīng)知道,當(dāng)氣體流經(jīng)一個(gè)漸縮噴嘴時(shí), 如果堅(jiān)持噴嘴上游端壓力P0和溫度T0
不變,使其下流壓力P2逐步濟(jì)寧華航噴霧設(shè)備有限公司減小,則經(jīng)過(guò)噴嘴的氣體質(zhì)量流量qm將逐步添加Ζ當(dāng)下流壓力P2降低到某一壓力PC時(shí),經(jīng)過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量將到達(dá) 大值qmax,此刻噴嘴出口的流速已到達(dá)當(dāng)?shù)匾羲賏Ζ如果持續(xù)降低下流端壓力P2,經(jīng)過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量將不再添加,(如圖1所示),流速也堅(jiān)持音速不變?chǔ)υ蹅儗娮斐隹诘牧魉俚竭_(dá)音速的壓力PC稱(chēng)為臨界壓力,PCP0稱(chēng)為臨界壓力比,此刻經(jīng)過(guò)噴嘴的流量稱(chēng)為臨界流量Ζ 圖1 音速?lài)娮斓臉?gòu)造和流量特性RΖRM為通用氣體常數(shù)(8.314kJkmol-1 K-1 ),M為氣體分子量Ζ實(shí)踐上,K和R都為流體 物性參數(shù),所以,沒(méi)有必要將R分離出代表物性參
數(shù)的臨界流函數(shù)<Ζ <=2K+1K+12(K-1) KR(2)<3= 2K+1 K+12(K-1) K (2’) 式(1)標(biāo)明流經(jīng)噴嘴的質(zhì)量流量?jī)H與噴嘴進(jìn)口處介質(zhì)性質(zhì)(K、R)及熱力學(xué)參數(shù)(P0、T0)有關(guān),而與下流狀況無(wú)關(guān)Ζ也即,當(dāng)下流壓力P2降低到臨界壓力以下時(shí),即便有所改變,經(jīng)過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量也堅(jiān)持穩(wěn)定Ζ由氣體動(dòng)力學(xué)可知,臨界壓力 比PCP0=(2K+1) KK+1 ,例如關(guān)于空氣,常溫下K=1.4,PCP0≈0.528Ζ明顯,這樣的壓力降(也即壓力丟失)關(guān)于某些體系是不能允許的Ζ 為了減小臨界流噴嘴的壓力丟失,這些年國(guó)內(nèi)外較常用的構(gòu)造是出口帶擴(kuò)壓管的臨界流文丘利噴嘴Ζ它能夠使有些壓力得到康復(fù),然后減小臨界流噴嘴的壓力丟失Ζ當(dāng)前較佳的構(gòu)造已能夠使噴嘴前后的壓力比P2P0上升到0.9擺布Ζ下面以臨界流文丘利噴嘴為例來(lái)評(píng)論臨界流噴嘴Ζ 噴嘴流量計(jì)原理運(yùn)用 這兒ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．jnhhpw.com進(jìn)行協(xié)助。
由圖1能夠看出,只要使噴嘴出口的壓力P2 小于PC,那么,即便P2有所改變,經(jīng)過(guò)噴嘴的流量也將堅(jiān)持為臨界流不變?chǔ)λ?#44;咱們能夠利用臨界流噴嘴的這種“恒流”特性來(lái)標(biāo)定氣體流量計(jì)Ζ為了簡(jiǎn)化疑問(wèn),其流量公式能夠從簡(jiǎn)化的流體力學(xué)模型(抱負(fù)氣體,一維,定常及等熵流)推導(dǎo)出來(lái),然后加以系數(shù)批改求得實(shí)踐流量Ζ 由連續(xù)性方程和抱負(fù)氣體一維定常等熵流的假定可得,質(zhì)量流量 qm=
AtP0 T0 2 K+
1 K+
12(K-1) K
R 12=T0 (1) 式(1)中,<稱(chēng)為臨界流函數(shù),K為等熵指數(shù),R為氣體常數(shù);P0、T0別離為噴嘴進(jìn)口處氣體滯止壓力和滯止溫度;At為噴嘴喉部面積Ζ有時(shí),質(zhì)量流
量公式也標(biāo)明成 qm=<3AtP0RT0
=<3AtP0RMT0 M(1’) <和<3的不同如式(2)所示Ζ它們相差一2 臨界流噴嘴的流出系數(shù) 式(1)標(biāo)明的質(zhì)量流量?jī)H僅契合假定條件時(shí)的理論流量,可是臨界流噴嘴實(shí)踐作業(yè)時(shí)的條件與上述假定的條件是有距離的Ζ例如經(jīng)過(guò)臨界流噴嘴的氣體并非抱負(fù)氣體,其活動(dòng)也并非真實(shí)的一維定常等熵流等要素的影響,使得經(jīng)過(guò)臨界流噴嘴的實(shí)踐流量將小于式(1)核算得到的流量Ζ為此,咱們引進(jìn)流出系數(shù)C來(lái)進(jìn)行批改Ζ這樣,經(jīng)過(guò)臨界流噴嘴的實(shí)踐質(zhì)量流量
qm為 qm=C
0 (3)流出系數(shù)C= 實(shí)踐質(zhì)量流量qm實(shí) 實(shí)踐質(zhì)量流量qm理 (4) 每一個(gè)臨界流噴嘴有必要斷定其流出系數(shù)C以對(duì)因?yàn)槔碚撃Ｐ偷暮?jiǎn)化而發(fā)作的理論質(zhì)量流量差錯(cuò)進(jìn)行批改Ζ所以,流出系數(shù)是臨界流噴嘴的一個(gè)非常重要的參數(shù),國(guó)際上各流量試驗(yàn)室之間應(yīng)彼此比對(duì)[2]Ζ流出系數(shù)C的準(zhǔn)確度實(shí)踐上就標(biāo)明了臨界流噴嘴自身的準(zhǔn)確度Ζ 斷定臨界流噴嘴的流出系數(shù)通常有以下3種辦法: ①運(yùn)用根本的物理定理,列出數(shù)學(xué)方程式,用理論的辦法求解而得到流出系數(shù)Ζ
②
用測(cè)定內(nèi)部流場(chǎng)或外部流場(chǎng)的辦法核算出經(jīng)過(guò)噴嘴的實(shí)踐流量,然后斷定流出系數(shù)Ζ ③總特性的丈量,即在氣體流量規(guī)范設(shè)備上進(jìn)行總特性試驗(yàn),標(biāo)定出流出系數(shù)Ζ 榜首種辦法實(shí)踐上對(duì)比艱難,它是用氣體動(dòng)力學(xué)原理來(lái)剖析流體經(jīng)過(guò)噴嘴的特性以斷定流出系數(shù)Ζ從理論上斷定流出系數(shù)首要應(yīng)估量?jī)蓚€(gè)要素,一是流體沿噴嘴管壁附面層的增加,使流體實(shí)踐的流轉(zhuǎn)面積減小;二是因?yàn)槎S乃至多維活動(dòng)的影響在徑向方向上的速度梯度而導(dǎo)致的理論流量與實(shí)踐流量之間的差錯(cuò)Ζ 第二種辦法,即內(nèi)流場(chǎng)法和外流場(chǎng)法,是為了處理高壓大流量臨界流噴嘴的標(biāo)定疑問(wèn)而提出的一種辦法Ζ試驗(yàn)標(biāo)明,內(nèi)流場(chǎng)法因?yàn)闄z測(cè)時(shí)易打亂原流場(chǎng),校驗(yàn)精度較低Ζ用外流場(chǎng)法丈量臨界流噴嘴流出系數(shù),其不斷定度為0.3擺布Ζ
和PVTt法標(biāo)定成果對(duì)比, 大差錯(cuò)為0.5%Λ可見(jiàn),外流場(chǎng)法不失為工程校測(cè)大流量臨界流噴嘴的有用方 試驗(yàn)介質(zhì)為空氣或其它少量氣體,如氮、氦、氬等),臨界流函數(shù)可由式(2)核算,它標(biāo)明依照抱負(fù)氣體及K和R為定值來(lái)核算有滿足的精度Ζ例如常溫常壓下的空氣,K=1.4,R=287.05則 <=2K+1K+12(K-1) K R =0.040415,<3= 2K+1 K+12(K-1) K=0.68473 可是現(xiàn)場(chǎng)條件也許很大地違背上述條件,例如在高壓、低溫或?qū)Ρ劝そ簯B(tài)時(shí)K和R都會(huì)發(fā)作顯著改變?chǔ)σ蚨斜匾罁?jù)實(shí)踐氣體的熱力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)出此臨界流函數(shù)Ζ能夠這么說(shuō),臨界流函數(shù)的核算已是臨界流噴嘴現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的一個(gè)十分重要的疑問(wèn)Ζ 實(shí)踐氣體的臨界流函數(shù)核算是十分復(fù)雜的Ζ下面是幾種常用介質(zhì)的臨界流函數(shù)簡(jiǎn)便核算辦法(經(jīng)歷公式或試驗(yàn)曲線圖)Ζ在實(shí)踐工程中非常有用Ζ 3.1 實(shí)踐空氣的臨界流函數(shù) 大家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),關(guān)于空氣,即便在1MPa時(shí),理論臨界流量與實(shí)踐值的差錯(cuò)可達(dá)0.25擺布,可見(jiàn),此差錯(cuò)已可與流出系數(shù)的差錯(cuò)相比較Ζ因
第三種辦法是當(dāng)前用得 多的一種辦法,即在氣體流量規(guī)范設(shè)備上測(cè)得經(jīng)過(guò)臨界流噴嘴的實(shí)踐流量,然后核算出流出系數(shù)ΛNEL、NBS、Colorado等單位用正壓法標(biāo)定得到的一系列流出系數(shù)C,其試驗(yàn)成果根本上都在ISO曲線鄰近±0.2的范圍以內(nèi)，Ζ用氣體流量規(guī)范設(shè)備來(lái)標(biāo)定臨界流噴嘴的流出系數(shù)具有準(zhǔn)確度高、標(biāo)定便利等長(zhǎng)處Ζ流出系數(shù)的準(zhǔn)確度,也即臨界流噴嘴的準(zhǔn)確度將取決于流出系數(shù)標(biāo)定設(shè)備的精度,當(dāng)前通?？蛇_(dá)±0.2
擺布Ζ但因?yàn)樵O(shè)備條件限制,只能標(biāo)定小流量臨界流噴嘴(通常qm<5kgs)Ζ 3 臨界流函數(shù)的影響 由流量方程式(1)能夠看出,臨界流函數(shù)是介質(zhì)性質(zhì)參數(shù)K和R的函數(shù)Ζ當(dāng)從試驗(yàn)室條件變換到現(xiàn)場(chǎng)條件時(shí),怎么求得此函數(shù)的準(zhǔn)確值就成了臨界流噴嘴實(shí)踐運(yùn)用的關(guān)鍵疑問(wèn)Ζ 通常在試驗(yàn)室條件下(作業(yè)條件為常溫常壓,Ζ 依據(jù)Reimer的研究,干燥空氣的臨界流函
數(shù)可由下式核算: <=0.040403+ p0 90800 +1.28441.581-0.00384(1.8t0-28) 100000 (5) 式中,p0——進(jìn)口滯止壓力,Pa,t0—進(jìn)口滯止溫度,℃Ζ 式(5)適用范圍p=0～2MPa,t=15～380℃,其曲線如圖2所示Ζ 由公式(5)和圖能夠看出,當(dāng)壓力p0=0時(shí),溫度t0=150℃和380℃時(shí)的臨界函數(shù)流別離為0.040423和0.040421Ζ而抱負(fù)空氣的臨界流函數(shù)如前所述為0.040415,它們之差別離只要0.02和0.016Ζ而當(dāng)壓力為2M
Pa時(shí),t0=15℃時(shí)的臨界流函數(shù)為0.040772,與抱負(fù)值竟相差0.88Ζ所以,關(guān)于空氣,也只要在壓力很低時(shí)才能把它當(dāng)作抱負(fù)氣體處理,依據(jù)(2)式核算臨界流函數(shù)Ζ而當(dāng)壓力較高時(shí),就應(yīng)計(jì)及實(shí)踐空氣的影響