噴嘴流量計的工作原理

　　西安華恒儀表制造有限公司是掌握流量計核心技術的流量計生產儀表廠家，擁有自主的研發團隊和生產線?？梢宰灾餮邪l設計滿足各行業、各環境下的高精度流量計。今天和大家分享一下噴嘴流量計的工作原理。

　　隨著油氣田的開發,高壓氣體的輸送和高壓大流量氣體流量的測量,需要大量的流量儀表和標準裝置,臨界流噴嘴流量計在解決高壓大流量氣體流量計量問題中起到了重要作用,并得到了廣泛應用20世紀70年代以來,英國國家工程實驗室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家標準局、Colorado工程研究所、日本國量級概念的錯誤

　　1　噴嘴流量計的工作原理

　　我們已經知道,當氣體流經一個漸縮噴嘴時,如果保持噴嘴上游端壓力P0和溫度T0不變,使其下游壓力P2逐漸減小,則通過噴嘴的氣體質量流量qm將逐漸增加當下游壓力P2下降到某一壓力PC時,通過噴嘴的質量流量將達到最大值qmax,此時噴嘴出口的流速已達到當地音速a如果繼續降低下游端壓力P2,通過噴嘴的質量流量將不再增加,(如圖1所示),流速也保持音速不變我們將噴嘴出口的流速達到音速的壓力PC稱為臨界壓力,PCP0稱為臨界壓力比,此時通過噴嘴的流量稱為臨界流量

　　計量研究所以及我國的計量研究院等對臨界流噴嘴作了系統研究,現已為ISO采納為國際標準ISO9300[1]但是,在臨界流噴嘴的實際應用中,人們往往不能正確掌握使用方法而引起誤差使用流量公式時不能正確理解某些物理量的意義及使用單位,尤其是臨界流函數中的參數應用,從而造成數為通用氣體常數(8.314kJkmol-1K-1),M為氣體分子量實際上,K和R都為流體物性參數,所以,沒有必要將R分離出代表物性參數的臨界流函數

　　式(1)表示流經噴嘴的質量流量僅與噴嘴入口處介質性質(K、R)及熱力學參數(P0、T0)有關,而與下游狀態無關也即,當下游壓力P2下降到臨界壓力以下時,即使有所變動,通過噴嘴的質量流量也保持恒定由氣體動力學可知,臨界壓力比PCP0=

　　(2K+1)KK+1,例如對于空氣,常溫下K=1.4,PCP0 0.528顯然,這樣的壓力降(也即壓力損失)對于某些系統是不能允許的

　　為了減小臨界流噴嘴的壓力損失,近年來國內外較常用的結構是出口帶擴壓管的臨界流文丘利噴嘴它可以使部分壓力得到恢復,從而減小臨界流噴嘴的壓力損失目前較佳的結構已可以使噴嘴前后的壓力比P2P0上升到0.9左右下面以臨界流文丘利噴嘴為例來討論臨界流噴嘴

　　由圖1可以看出,只要使噴嘴出口的壓力P2小于PC,那么,即使P2有所變動,通過噴嘴的流量也將保持為臨界流不變所以,我們可以利用臨界流噴嘴的這種&ldquo;恒流&rdquo;特性來標定氣體流量計為了簡化問題,其流量公式可以從簡化的流體力學模型(理想氣體,一維,定常及等熵流)推導出來,然后加以系數修正求得實際流量由連續性方程和理想氣體一維定常等熵流的假設可得,質量流量式(1)中,<稱為臨界流函數,K為等熵指數,R為氣體常數;P0、T0分別為噴嘴入口處氣體滯止壓力和滯止溫度;At為噴嘴喉部面積有時,質量流量公式也表示成<和<3的差別如式(2)所示它們相差一

　　確定臨界流噴嘴的流出系數一般有以下3種方法:

　?、賾没镜奈锢矶ɡ?列出數學方程式,用理論的方法求解而得到流出系數

　?、谟脺y定內部流場或外部流場的方法計算出通過噴嘴的實際流量,從而確定流出系數

　?、劭偺匦缘臏y量,即在氣體流量標準裝置上進行總特性試驗,標定出流出系數

　　第一種方法實際上比較困難,它是用氣體動力學原理來分析流體經過噴嘴的特性以確定流出系數從理論上確定流出系數主要應估計兩個因素,一是流體沿噴嘴管壁附面層的增長,使流體實際的流通面積減小;二是由于二維甚至多維流動的影響在徑向方向上的速度梯度而引起的理論流量與實際流量之間的偏差

　　第二種方法,即內流場法和外流場法,是為了解決高壓大流量臨界流噴嘴的標定問題而提出的一種方法試驗表明,內流場法由于檢測時易擾亂原流場,校驗精度較低用外流場法測量臨界流噴嘴流出系數,其不確定度為0.3?左右和PVTt法標定結果比較,最大偏差為0.5%可見,外流場法不失為工程校測大流量臨界流噴嘴的有效方的理論流量,但是臨界流噴嘴實際工作時的條件與上述假設的條件是有差距的例如通過臨界流噴嘴的氣體并非理想氣體,其流動也并非真正的一維定常等熵流等因素的影響,使得通過臨界流噴嘴的實際流量將小于式(1)計算得到的流量為此,我們引進流出系數C來進行修正這樣,通過臨界流噴嘴的實際質量流量qm為

　　每一個臨界流噴嘴必須確定其流出系數C以對由于理論模型的簡化而產生的理論質量流量偏差進行修正所以,流出系數是臨界流噴嘴的一個非常重要的參數,國際上各流量實驗室之間應相互比對[2]流出系數C的準確度實際上就表示了臨界流噴嘴本身的準確度試驗介質為空氣或其它少數氣體,如氮、氦、氬等

　　),臨界流函數可由式(2)計算,它表明按照理想氣體及K和R為定值來計算有足夠的精度例如常溫常壓下的空氣,K=1.4,R=287.05則

　　但是現場條件可能很大地偏離上述條件,例如在高壓、低溫或比較接近液態時K和R都會發生顯著變化因此必須根據實際氣體的熱力學性質導出此臨界流函數可以這么說,臨界流函數的計算已是臨界流噴嘴現場應用的一個十分重要的問題

　　實際氣體的臨界流函數計算是十分復雜的下面是幾種常用介質的臨界流函數簡便計算方法(經驗公式或實驗曲線圖)在實際工程中非常有用

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