CN1309284A

CN1309284A - 一种内藏式双文丘里流体测量装置的设计方法及装置

Info

Publication number: CN1309284A
Application number: CN 00113881
Authority: CN
Inventors: 党晓民; 郇新空
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-09
Filing date: 2000-09-09
Publication date: 2001-08-22

Abstract

本发明是一种内藏式双文丘里流体测量装置的设计方法及装置。它由外文丘里管和内文丘里管并联构成,内文丘里管套在外文丘里管内,并与外文丘里管在同一被测风道截面的几何中心轴线上,文丘里管由直管段、收缩段、喉径、扩压段、取压管、翼板组成,其特征是:外文丘里管的喉径是一直线段,外文丘里管的前段是一收缩段,呈渐缩喇叭形状。内外文丘里管通过翼板套接在工艺管道内;翼板可以是四等份均匀分布。

Description

一种内藏式双文丘里流体测量装置的设计方法及装置

本发明属于流体测量装置，特别是关于一种内藏式双文丘里流体测量装置的设计方法及装置。

在专利号98219014.X公开了一种内藏式双文丘里管，它用于低速大管径风道中的流体测量，低速大管径风道中的流量测量一般采用皮托总压管阵或翼型差压流量测量装置，与这两种测量方法相比，在同一管径和相同流体参数下，内藏式双文丘里管流体测量装置所形成的差压是皮托总压管阵的8-12倍，是翼型测风装置的5-8倍。但在专利号98219014.X公开的内藏式双文丘里管，它的外文丘里管前端有直管段，此直管段使气体进入后发生两次动量改变，阻力大，出口形成的压力降小，使得内文丘里管气体流入量减少，差压也相应减小。而且外文丘里管在喉径处不是直管段，有两股紊乱气流混合时有涡流损失，测量精度有所降低。

本发明的目的是：提供一种内藏式双文丘里管流体测量装置的设计方法及装置，它根据伯努利方程、质量连续方程和相似准则设计的数学模型，设计的内藏式双文丘里管流体测量装置及数学模型可提高差压，使测量范围更广，测量精度更高。

本发明的技术方案是：设计一种内藏式双文丘里流体测量装置的设计方法，其特征是：

Q = A + B \sqrt{\frac{ΔP (P_{H} + P_{1}) (P_{H} + P_{1} - ΔP)}{[C (P_{H} + P_{1}) + ΔP] (t + 273.15)}}

式中：A、B、C与工艺管道和气体参数有关为常数，Q：流量值，单位：Nm³/ht：文丘里管测量段流体温度，单位：℃P_H：当地平均大气压力，单位：PaP₁：文丘里管线前部直线段所取静压(表压)，单位：PaΔP：内文丘里管所取差压值，单位：Pa根据这种方法设计的一种内藏式双文丘里流体测量装置，它由外文丘里管和内文丘里管套接构成，内文丘里管套在外文丘里管内，并与外文丘里管在同一被测风道截面的几何中心轴线上，文丘里管由直管段、收缩段、喉径、扩散段、压缩段、取压管、翼板组成，其特征是：所述的外文丘里管的喉径是一直线段，外文丘里管的前段是一收缩段，呈渐缩喇叭形状。

所述的内外文丘里管通过翼板套接在工艺管道内；翼板可以是四等份均匀分布，两端分别固定在工艺管道和文丘里管上。

所述的外文丘里管收缩段的喇叭口可以与工艺管道内壁相连接，使喇叭口的外径与工艺管道内径相等。

所述的内文丘里管入口直管段超出外文丘里管收缩段前端面的长度与内文丘里管入口直管段外径之比为1∶5～1∶8。

所述的内文丘里管扩散段出口位于外文丘里管喉部直线段1/3～1/2处。

所述的内文丘里管入口直管段内径与工艺管道内径之比为1∶8～1∶15。

本发明的特点是：

内芷式双文丘里流量测量装置是根据伯努力方程、质量连续方程和相似准则将内文丘里管所测差压及显示的核心流量转化为整个风道流量的一种低流阻，高差压的流体测量一次元件。

它的数学模型来源是通过对下述方程的联合求解得到的：

伯努利方程：

P_{1} + 1 / 2 ρ_{1} V_{1}^{2} = P_{2} + 1 / 2 ρ_{2} V_{2}^{2}

质量连续性方程：G＝ρ₁V₁A₁＝ρ₂V₂A₂

相似准则：R_eD＝ρ₁V₁D₁/μ

质量流量与体积流量的转化公式：q_v＝qm/ρ_NP₁、P₂—所列方程截面气体静压，单位Pa；ρ₁、ρ₂—所列方程截面气体密度，单位kg/m³，对于理想气体

ρ＝P/RT(P—气体静压、R—气体常数、T—气体绝对温度

T＝273.15+t)V₁、V₂—所列方程截面气流速度，单位m/s；A₁、A₂——所列方程截面流通面积，单位m²；G——气体质量流量，单位kg/s；q_m—工艺管道内气体质量流量，单位kg/hq_v—工艺管道内气体标准状态下的体积流量，单位Nm³/hP_N—气体在标准状态(20℃，P_h＝101325Pa)下的密度，单位kg/m³Re_D—所选截面的雷诺数、无量纲；μ——气体动力粘度，单位Pa·SD₁——所求雷诺数截面的特征参数，单位m。

这种内芷式双文丘里管数学模型的特点为：

1、有严格的理论依据：内芷式双文丘里管流体测量装置数学模型的推导，每一步都遵循严格的流体力学依据，都有严格的定理，定律可使用，方程的推导无任何假设。

2、对于系统不同的工作状态进行压力、温度、大气压等参数的全范围修正，可适用于由负压到压缩气体的任何测试状态，方程对被测流体除要求是气体外，无其它边界条件限制，因此适用范围很宽。

3、准确度高，为克服工程应用或加工的偏差，方程中引进了由试验得到的校正系数，从而使结果更真实、可靠。

4、适用的气体种类多，该方程为一通用性方程，对于不同的气体，只要对其中的气体常数赋予不同的值，并在换算成体积流量时除以不同气体在标准下的密度即可。

而专利号98219014.X权利要求的1的a.b.c三项所描述比例参数未能反映大小文丘里管的几何结构，对于文丘里管其收缩角、扩散角，和其喉部直径与入口直径的比值即β比是确定其几何结构的最主要参数，对于双文丘里管的几何参数描述，只有在分别描述各自收缩角、扩散角和直径比(即β值)后，只需限制两者入口直径比后，所有几何参数的限定方有意义。所以专利号98219014.X权利要求的a.b.c三项所描述的比例参数所反映的几何结构实质上是一不可确定的非限定性的几何体。

专利号98219014.X申请文中“当量直径”概念不清，“当量直径”有“面积当量直径”，“水力当量直径”之分，而且两者数值完全不同。该要求所反映的内外环室是流体测量用节流装置的通用性要求，在几乎所有相关手册中均有此要求，而非该专利独有。从流体力学和安装工艺讲，内芷式双文丘里管可用在工艺管道不发生截面突变或突然拐弯的任何气体介质管道中，对大文丘里管与管道连接面之间的距离没有任何限制，所以该要求无意义。

5、设计的装置差压值更大：本结构采用喇叭直冲式进气口，气体进入外文丘里管内只发生一次动量改变，而不象专利号98219014.X那样，前部有一多余的直管段使气体进入后发生两次动量改变，这样阻力小，进气量大，外文丘里管出口形成的负压增大，使内文丘里管气体流入量增加，内文丘里管差压变大。

6、本发明的内文丘里管伸出外文丘里管长度比例大，完全克服(或避免)外文丘里管入口低压流场的影响，使内文丘里管入口压力提高，气体流入量变大，内文丘里管差压值提高。

7、本发明在外文丘里管喉径部增加一直线段，内文丘管出口伸到外文丘里管喉部直线段中央，减少了两股紊乱气体混合时的涡流损失，大大降低了内文丘里管出口流阻，使其差压值变大，且由于紊流度的降低，使差压值更稳定，差压流量比分辨率高，从而使测量更准确，测量范围加大。。

8、本发明采用对称等压翼板与工艺管道相连，避免了翼板不对称所引起的附加气动力对结构和气密性的破坏，从而大大提高了系统的可靠性。四等份翼板对称连接，避免了应力分布不均匀可能引起的结构变形。

下面结合实施例附图对本发明做进一步说明：

附图1是实施例1结构示意图。

附图2是实施例1侧视结构示意图。

附图3是实施例2结构示意图。

图中：1、工艺管道；2、外文丘里管；3、内文丘里管；4、直管段；5、收缩段；6、喉径；7、扩散段；8、压缩段；9、取压管；10、翼板；11、环室。

内芷式双文丘里管流体测量装置的设计方法是：根据伯努利方程和连续性方程的基本原理和风洞实验结果，内藏式双文丘里管测量装置的流量计算数学模型(带压力温度自动补偿)实施例如下：已知：工艺管道内径是Φ700雷诺数Re_Dmin＝0.13×10⁶，Re_Dmax＝0.382×10⁶通过风洞实验校正得出

A = \frac{200.6324547 {(t + 273.15)}^{1.5}}{t + 445.75}

B＝147.5242492，C＝38.0625由公式：

Q = A + B \sqrt{\frac{ΔP (P_{H} + P_{1}) (P_{H} + P_{1} - ΔP)}{[C (P_{H} + P_{1}) + ΔP] (t + 273.15)}}

当t＝165℃ P_H＝101218.34Pa P₁＝4800Pa时(1)若Q＝16000Nm/h 则ΔP＝1233.8Pa(2)若Q＝15000Nm/h 则ΔP＝1049.3Pa(3)若Q＝6000Nm/h 则ΔP＝64.5PaQ：流量值，单位：Nm³/ht：文丘里管测量段流体温度，单位：℃P_H：当地平均大气压力，单位：PaP₁：文丘里管线前部直线段所取静压(表压)，单位：PaΔP：文丘里管所取差压值，单位：Pa

如图所示：实施例1内藏式双文丘里流体测量装置，它由外文丘里管2和内文丘里管3套接构成，内文丘里管3套在外文丘里管2里，内文丘里管3的直管段4顶端伸出外文丘里管2的收缩段5喇叭口外。外文丘里管2由收缩段5、喉径6、扩散段7依次连接组成，它的收缩段5顶端口是一喇叭口，没有直管段，它的喉径6是一直线段，内文丘里管3的扩压段8伸到外文丘里管2喉径6直线段中部。外文丘里管通过翼板10固定在工艺管道1截面的几何中心线上，翼板10可以是四等份均匀分布。内文丘里管3的直管段4和内文丘里管喉径6直线段的取压孔，用管子分别连通到工艺管道1上的环室11里，并在取压管9通向环室11处设有螺孔，该螺孔被密封螺帽密封，以防取压孔在使用中被堵塞时，可打开此孔用气流或机械的方法将其疏通十分方便。取压孔可设一对或多对。取压管9均埋设在固定翼板10内，工艺管道1上的环室11是使从内文丘里管3内取得的压力信号均匀稳定。翼板10起流场的均匀分布作用，翼板10越多，流场越稳定，但阻力也相应较大，所以最佳为四等份比较合适。内文丘里管3是流体测量的核心元件，外文丘里管2则是差压放大的关键部件。其工作原理是：当流体流过大内外文丘里管之间的空心环锥形通道时，由于沿流向截面积不断缩小，流速不断加快，流体动压变大，静压减小，加之流场的入口不敏感性，致使内文丘里管3入口静压(约等于风道中的静压)与内文丘里管3出口静压(约等于外文丘里管2喉部静压)的差值变大，从而使内文丘里管3内气体流速加快，前后差压值增大。而将此差压值所对应的内文丘里管3的流量通过CFD技术转化为测整个风道的流量，其测试点同经典文丘里管一样只需测量内文丘里管3前部直管段4静压、前部直管段与喉部静压差及气体温度即可得到较精确的流量值。

实施例2是外文丘里管2固定在工艺管道1上，外文丘里管2收缩段5前端的喇叭口固定连接在工艺管道1的内壁上。工艺管道1可根据空间及工艺要求随意布置，而不需为安装测量装置专设必要的直管段，大大减少了一次投资费用，它不仅可以测均匀流场，还可测不均匀流场，特别适合对小流速流场的测量。实施例2用于小流速流场的测量时，它测量精度高、测量范围大。

本发明的经济效益分析：1.对工艺管道直线段要求长度短，差压稳定，由于外文丘里管的整流和抽吸作用，使得内文丘里管入口流线光滑，差压值稳定，安装时只要工艺管道不是直拐弯或前方阀门距离较远，内藏式双文丘里管流体测量装置前方几乎没有直线段要求。2.维修方便：采用外环室四孔对称取压，可用直通管直接清洗。3.测量准确：由于内藏式双文丘里流体测量装置差压曲线光滑、平稳，差压流量比值大，因而有较好的分辨率和流量调节特性。4.一次投资费用和全寿命周期费用较小。5.由于本发明差压大，测量准确，阻力小，因而使送风系统能耗大大降低，节能效果显著。

Claims

1、一种内藏式双文丘里流体测量装置的设计方法，其特征是：

Q = A + B \sqrt{\frac{ΔP (P_{H} + P_{1}) (P_{H} + P_{1} - ΔP)}{[C (P_{H} + P_{1}) + ΔP] (t + 273.15)}}

式中：A、B、C与工艺管道和气体参数有关为常数，Q：流量值，单位：Nm³/ht：文丘里管测量段流体温度，单位：℃P_H：当地平均大气压力，单位：PaP₁：文丘里管前部直线段所取静压(表压)，单位：PaΔP：内文丘里管所取差压值，单位：Pa

2、根据权利要求1所述的设计方法，设计的一种内藏式双文丘里流体测量装置，它由外文丘里管和内文丘里管并联而成，内文丘里管装在外文丘里管内，并与外文丘里管在同一被测风道截面的几何中心轴线上，文丘里管由直管段、收缩段、喉径、扩压段、取压管、翼板组成，其特征是：所述的外文丘里管的喉径是一直线段，外文丘里管的前段是一收缩段，呈渐缩喇叭形状。

3、根据权利要求2所述的一种内藏式双文丘里流体测量装置，其特征是：所述的内外文丘里管通过翼板安装在工艺管道内；翼板可以是四等份均匀分布，两端分别固定在工艺管道和外文丘里管上。

4、根据权利要求2所述的一种内藏式双文丘里流体测量装置，其特征是：所述的外文丘里管收缩段的喇叭口可以与工艺管道内壁相连接，使喇叭口的外径与工艺管道内径相等。

5、根据权利要求2所述的一种内藏式双文丘里流体测量装置，其特征是：所述的内文丘里管入口直管段超出外文丘里管收缩段前端面的长度与内文丘里管入口直管段外径之比为1∶5～1∶8。

6、根据权利要求2所述的一种内藏式双文丘里流体测量装置，其特征是：所述的内文丘里管扩压段出口位于外文丘里管喉部直线段1/3～1/2处；内文丘里管入口直管段内径与工艺管道内径之比为1∶8～1∶15。