影响内锥流量计永久压损与相对压损关键因素的实流实验,为提高对内锥流量计压力损失的认识,获得高准确度的压损计算公式,开展了关键因素对内锥流量计压损影响的实流实验研究。实验介质为常温水,雷诺数范围0. 14×105~4. 2×105。设计等效直径比分别为0. 45、0. 55、0. 65、0. 75、0. 85的实验样机一套,从永久压损与相对压损2个角度进行分析。研究表明,一方面等效直径比相同而雷诺数不同时,内锥流量计的永久压损随雷诺数的增大而增大,在对数坐标系下成线性关系;雷诺数相同而等效直径比不同时,永久压损随等效直径比的增大而减小;另一方面,内锥流量计的相对压损与雷诺数无关,与等效直径比相关,随等效直径比的增大而减小。将本研究给出的内锥流量计相对压损计算公式与国外公式预测结果进行了比较,最大偏差为21%;同时,与国外测试的不同流量计相对压损曲线进行了比较,得出本套样机相对压损曲线介于孔板和喷嘴之间,且更靠近孔板的结论。
内锥流量计自20世纪80年代问世以来,已成功应用于石油、化工、天然气等许多流量测量领域。随着内锥流量计的推广,安装条件、压损等逐渐成为国内外学者、研究部门、制造商及使用部门讨论与关心的热点问题。
国外学者研究的普遍结论是内锥流量计有较强的抗流态扰动性能,前后直管段的要求也比标准节流装置低一些的结论[1-6]。2004年至今,天津大学先后进行了关于内锥量计流出系数、可膨胀系数、弯头影响及湿气测量等方面的研究工作[7-11],取得了一些宝贵的经验成果。
自2003年起,国内也在积极开展对内锥流量计的推广使用工作,然而许多生产厂家对量程比、压损、精度等关键技术指标乃至安装条件多采取直接照搬美国McC.公司产品说明书的方式。客观上,由于内锥流量计的结构尚未实现标准化,其等效直径比、前后锥角、上下游支撑形式及尺寸、取压方式等存在诸多差异,这些不仅会对流出系数、可膨胀系数等关键参数产生影响,同样也会对内锥量计的压损产生影响,因此某些研究机构给出的结论是否具有普适性值得推敲。目前,国内关于内锥流量计压损的科学严谨的实验研究尚未见报道。本研究设计并制作了100 mm口径样机一套,等效直径比分别为0.45/0.55/0.65/0.75/0.85,前后锥角为45°/120°,开展了压损的实验研究。
2 理论基础
如同其他类型的差压流量计,内锥流量计的工作原理同样基于伯努利方程和流体连续性方程。压力降的大小和流体的流速具有一定的函数关系[12],为:
安装内锥节流式流量计将造成不可恢复的额外的压损,即永久压损,为:
定义永久压损Δω与内锥正常测量差压ΔP的比值为相对压损,有:
以下通过永久压损与相对压损两个指标对内锥流量计的压损实验进行分析[14-15]。
3 实验方案设计
本研究是在天津大学流量实验室水流量标准装置上完成的,文献[7]对实验装置进行了详细的说明。
本研究中设计并制作了内径为100 mm的内锥流量计样机一套,实验锥体5个,前后锥角均为45°/120°,等效直径比分别为0.45/0.55/0.65/0.75/0.85。锥体可从测量管中方便拆卸。详见文献[7]。
实验布局设计如图1所示,流体至左测流入,样机上游直管段100D。内锥流量计上游取压孔为P1,位于距锥体支撑管前端0.5D的管壁处,下游取压孔为P2,沿锥体中心轴及支撑管中心轴取出,通过差压变送器1测得锥体前后差压。实验表明,距锥体尾部取压孔P2约3.5D时压力可恢复至正常值,本实验中P2′为下游永久压损取压孔,与P2的距离定为4D[14]。压损实验安装图 如图2所示,箭头表示流体流向。
本实验对每种锥体进行实验时均用2台差压变送器,一台用于测量锥体前后的差压ΔP,另一台测节流装置产生的压损ΔP″。
4 实验结果与分析
4.1 压损曲线
图3给出了内锥流量计不同等效直径比的永久压损对数坐标曲线,可见β值相同时,永久压损随雷诺数的增大而增大,呈线性关系;在雷诺数相同时,永久压损随β值的增大而减小。
图4为相对压损与雷诺数的关系曲线,ξ可见节流比不同,相对压损不同,其值随节流比的增大而减小;雷诺数Re>4×104时,不同β值的锥体其相对压损不随雷诺数的变化而变化,基本恒定;雷诺数Re<4×104时,因永久压损和有效差压测量值均相对较小,系统误差增大,相对压损波动。
4.2 相对压损计算公式
根据实验拟合出的相对压损与等效直径比的关系,即:
ξ=1.259 9-1.121 2β (7)
5 本研究与国外研究的比较
5.1 相对压损公式形式不同
文献[6]给出内锥流量计的压损公式为:
ξ=1.3-1.25β (8)
式(7)、(8)表述的曲线如图5所示,可见,两者的相对压损的趋势相似,均为随β值的增大而减小,但存在一定偏差,本套样机的相对压损偏高,β值越大偏差越大,分别为0.7%、5.8%、10.3%、13.2%、21.1%。
5.2 不同流量计相对压损的比较
Iff.t StephenA曾通过实验比较了内锥、孔板、喷嘴、及7°/15°出口文丘里共6种流量计的压损[6]。图6给出了本套内锥样机的相对压损趋势线与Stephen实验结果的比较。可见,本套样机(图中为天津大学内锥)的压损趋势线介于孔板和喷嘴之间,更靠近孔板,而Stephen内锥相对压曲线更靠近喷嘴。分析其原因,作者认为由于内锥流量计的结构尚未实现标准化,其等效直径比、前后锥角、上下游支撑形式、取压孔径、取压方式及加工粗糙度等存在诸多差异,因此不同研究机构给出的压损公式必然存在一定差异,不同厂家自行设计的产品不同,如直接引用国外公式计算压损,将会不可避免的带来一定偏差。
6 结 论
通过关键因素对内锥流量计压损影响的实流实验及其与国外研究的比较,得出以下结论:
1)内锥流量计的永久压损不仅和β值有关,而且跟雷诺数有关,雷诺数相同时,永久压损随β值的增大而减小;β值相同时,永久压损随雷诺数的增大而增大,在对数坐标下呈线性关系;
2)内锥流量计的相对压损与雷诺数无关,受β值影响,随β值的增大而减小;
3)针对设计样机,给出了新的内锥流量计压损计算公式;
4)本套内锥流量计的相对压损值与国外相比偏高,β值越大偏差越大,从小到大5个β值的偏差分别为0.7%、5.8%、10.3%、13.2%、21.1%;
