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孔板流量计计算方法和计算书
发布日期:2018/8/5 11:21:04
孔板流量计是种测量管道流体流量的装置,因其具有结构简单,维修方便,性能稳定,使用可靠,适应恶劣环境等点,广泛应用于煤矿瓦斯抽采气体流量测量。然而在实际应用过程中常常会遇到:测量数据是否准确?孔板流量计测出的量是工况量、标准状态下的量、还是常温状态下的量?计算公式种类很多,应该用哪个?所用的公式是否正确?等等问题。因此,对孔板流量计测量原理、结构、公式来源进行分析,找到正确的公式,然后对实际应用过程中常见的问题进行分析解释。
 
1 孔板流量计结构及测定原理
 
1.1 结构
 
在管道里插入1个与管轴垂直的属板,属板中心为1个圆孔,孔的中心位于管道的中心线上,孔板称为节流元件。在孔板进气侧距离孔板1个管道直径的位置,安装1个测压管;在孔板出气侧距离孔板半个直径的位置,安装1个测压管。通过测压管测出管道内气体的2个压力,2个压力之差代入公式就可以计算出流量。如图1。
 
1.2 流体在孔板前后的流动过程
 
流体在孔板前后的流动过程,如图2。
 
 图2 流体流经孔板时的压力和流速变化情况
 
流体在管道截面I-I以前,以定的速度流动,管内静压力为p1。由于节流元件的孔径小于管道内径,当流体流经节流元件时,流体截面突然收缩,流速加快,静压降低。当流体流过圆孔以后,由于惯性作用,流体截面继续收缩定距离,到流体截面小处,流体截面小处(图2中Ⅱ-Ⅱ)称为缩,流体在缩处的流速,动能,静压。流体流过缩后,流体截面开始逐渐扩大,到管道截面Ⅲ-Ⅲ处,流体截面恢复到整个管道截面。
 
1.3 孔板流量计测量原理
 
根据伯努利原理:流体在等流动时,流速大,静压就小。数学表达式为:。那么,流体从低速变为速后,静压也会从压p变为低压p低,压p与低压p低之差△p(△p=p-p低)的大小与流量有关,流量越大,△p也越大。因此,我们可以通过测量△p,推算出流量。
 
2 孔板流量计公式来源
 
根据单位质量能量守恒方程有:
 
流动连续性方程:
 
式中:p1、p2分别为截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ处的压力,Pa;υ1、υ2分别为截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ处的平均流速,m/s;ρ1、ρ2分别为截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ处流体的密度,kg/m3;S1为管道的截面积,m2;S2为流体收缩到小处的截面积,m2;S0为孔板中心圆孔面积,m2;g为重力加速度,m/s2。
 
对于压缩流体,ρ1=ρ2=C(常数)。对于可压缩流体,暂设ρ为常数,推导出流量方程后,再引入膨胀系数。因此,由式(1)可得:
 
所以:
 
流体通过截面Ⅱ-Ⅱ的流量为:
 
式中:a为孔板结构性系数,为流速收缩系数,m为孔板中心圆孔面积与管道面积之比,d为孔板中心圆孔直径,m;D为管道直径,m;Q为流量,m3/s。
 
则:
 
对于可压缩气体,因p2<p1,所以ρ2<ρ1,引入膨胀系数,方程式为:。由于压力对密度响很小,ρ2与ρ1近似相等。所以对于可压缩流体,膨胀系数ε可以省略。
 
式中:p0、V0、T0、ρ0、M0为标准状态下气体的压力、体积、温度、密度和质量;p、V、T、ρ、M为工况状态下气体的压力、体积、温度、密度和质量。
 
所以工况状态下气体的体积流量计算公式为:
 
设:p3、Q3、T3为常温状态(个标准大气压,20℃)下的压力、体积、温度;则:p3=p0=101325Pa;T3=273+20=293K。
 
又因:ρ0=(1-0.00446C)×1.293
 
设:
 
所以:
 
设:k=60.677ad2,则:
 
 (4)
 
上述各式中:Q为常温状态下管道内气体体积流量,m3/min;△p为孔板流量计测出的压差,Pa;C为瓦斯浓度;p为管道内气体的压力,Pa;T为管道内气体的温度,K;k为实际孔板流量性系数;a为孔板结构性系数,可查《采矿工程设计手册》中表8-7-69得到;d为孔板中心圆孔直径,m;b为瓦斯浓度校正系数;δp为压力校正系数;δt为温度校正系数。
 
3 常见问题分析
 
3.1 测压点位置选择不合理
 
实际应用中和许多书籍中,孔板流量计测压点的位置选择在管道截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处,这是不正确的,应选在截面Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ处。理由如下:
 
从上述公式推导过程可知,孔板流量计计算公式的理论基础是伯努利原理、能量守衡定律、质量守衡定律(运动连续性方程)。流体在管道截面Ⅰ-Ⅰ以前,以定的速度υ1流动,管内静压力为p1。在接近孔板时,由于遇到节流元件孔板的阻挡,靠近管壁处流体的有效流速降低,部分动压能转换成静压能,静压迅速升p'1,大于管道中心处的压力,从而在孔板入口端面处产生径向压差,使流体产生收缩运动。流体在孔板前后突然缩小和扩大,产生局部涡流损耗和摩擦阻力损失,这使得流体流过孔板后,静压不能回复到原来的数值,即孔板前后有静压损失,实际应用证明,瓦斯抽采管路中安装孔板流量计后,会造成很大的瓦斯抽采阻力,所以选用孔板前后截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ上的各参数,用来推导孔板流量计计算公式是不正确的,它不符合能量守衡定律。
 
从上述分析可知,选截面Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ处的各参数,用来推导孔板流量计计算公式,是正确的。因为,截面Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ在节流元件的同侧,流体从截面Ⅱ-Ⅱ流到截面Ⅲ-Ⅲ,基本没有能量损失,其机械能符合能量守衡定律,完全符合伯努利原理和质量守衡定律。
3.2 式(3)作为终公式进行使用
 

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