流量计量基础知识 联系客服

发布时间 : 星期二 文章流量计量基础知识更新完毕开始阅读069b731f14791711cc791797

5- 5 -- 5 -

现压力计的示值比静压高。这两个压力之差是与流速的平方成正比的。是由于 动压力而造成了上述的压力差,是流体单位体积所具有的动能大小,通常用公 式1/2ρv2计算。

(9) 总压力: 静压力与动压力之和就总压力,又称滞止压力。用与托管相连接的压力计就可读出滞止压力。 流体的压力由各种测压仪表测定,流体的压力是流量计量中一个极为重要的参数,差压式流量计就是利用测量节流件两端的压力差业实现流量计量的。另外通过压力测量可知流量计的工作压力,进行必要的修正计算,以确保流量计量的准确度。

4.雷诺数和流态

测量管内流体流量时,往往必须了解流体的流动状态、流速分布等,雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。

很早以前,人们就已经认识到流体运动在性质上的差别,但是直到1883年英国学者雷诺发表了他对流体运动的实验结果时,才对这个问题得到了完全的证实和明确的认识。

雷诺实验的装置如图 ,在小箱A的侧壁连接一根玻璃管B,玻璃管的末端装有一个小容器E,其中盛有密度与水箱内液体密度相近的颜色水。从小容器引出一根细管F,细管下端弯曲,其尖端伸入玻璃管的进口。颜色水的流量用装在细管上的小阀G来调节。

实验前,先把水注入水箱,使水箱保持一个恒定的水面,然后徐徐开启玻璃管上的阀门C,让水从玻璃管中流出。为了观察玻璃管中水流型态,略开细管上的小阀G,使颜色水亦流入玻璃管中。

当玻璃管中的水流速度较小时,可以看到颜色水呈一条鲜明的直线,如图 所示,这说明此时管中水流质点互不混杂,做平行于管轴的前进运动。如果逐渐开大阀门C,则玻璃管中的流速也随之增大。起初觉察不到有色直线的变化,但流速继续增加,则有色直线将开始摆动、弯曲,但仍然和周围清水不相混杂,当流速再加大,达到某一数值时,有色直线将碎裂,四向扩散,有色直线不复存在,如图 所示。这说明此时管中水流质点互相混杂,水流质点不但作平行于管轴的前进运动,而且还作无秩序的横向运动。上述实验表明,同一液体,同一管道,但因流速的不同,而形成两种性质完全不同的型态。前者,即液体质点互不混杂,形成层次分明的流动型态称为层流。如图 ,后者即液体质点互相混杂,形成紊乱的流动型态称为紊流。

我们把两种流动型态转换时的流体速度称为临界流速,并把层流转变为紊流时的速度称为上临界流速,用符号v`c表示,把由紊乱流转变为层流的速度称为下临界流速,用符号vc表示。

实验证明:临界流速与管径D成反比,与流体的运动粘度V成正比

6- 6 -- 6 -

Vc ∝ V/D 或写成 Vc = Nc .v/D 移项可得 Nc = Vc D/ v

式中Nc 是无量纲数。通常称Nc 为临界雷诺数,并用符号Rec表示。

大量试验证明:对于具有几何相似断面的流动,有一个共同的临界雷诺数Rec,当Re <Rec时,流体的流动状态为层流,当Re >Rec时,流体流动状态为紊流。对于断面形状为圆管来说,一般取Rec= 2300。

雷诺数表征了流体流动时惯性力和粘性力之比。雷诺数小,意味着流体流动时,各质点间粘性力占主要地位,流体各质点间平行于管路内壁有规则地流动,呈层流状态,雷诺数大,意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流状态。

雷诺数是流量计量中的一个重要参数。它对于流量计的设计,正确选型和使用都有非常重要的意义。当外部几何条件相似,雷诺数相同时,流体流动状态也是几何相似。流体力学中称之为流体动力学相似,这正是流量测量节流装置标准化的基础。

5.比热比与等熵指数

用差压式流量计测量气体流量时,计算流速膨胀系数之值,需要知道被测气体的等熵

指数k或比热比V。

比热比是指气体定压比热(CP)和定容比热(CV)的比值,用符号γ表示,表达式为

γ= CP /CV

γ是一个无量纲量,γ一般是温度和压力的函数。γ值可查表或实测得到。一般来说,对于单原子气体,γ= 1.66;对于双原子气体,γ= 1.41。

流动介质在状态变化过程中,若流动介质经过一个准静态过程由初态变到终态,再能经过方向相反的过程由终态变回到初态,并且对环境无影响,这种过程称为可逆过程。绝热可逆过程称为等熵过程,即流动介质在状态变化过程中,熵保持不变。例如,气体流经节流元件时,因为节流元件很短,其与外界的热交换及摩擦生热均可忽略,所以该过程可近似地认为是等熵过程。

在等熵过程中,气体介质压力相对变化与密度相对变化的比值称为等熵指数。用符号k表示,数学表达式为

k= 式中 S — 熵

ρ— 气体密度;

P — 气体工作压力; k — 等熵指数。

当被测气体服从完全气体定律时,等熵指数等于比热比。实际气体的等熵指数与介质的种类及温度压力有关。 6.气体状态方程

气体与液体特性的最大区别是气体没有固定的容积。气体的热力学平衡态可由三个状态参数来描述,即几何参数体积V,力学参数压力P和热参数绝对温度T。而这三个参数又不是相互独立的。当温度不变时,一定质量的气体的压力和它们的体积成反比,用公式表示:

7- 7 -- 7 -

V1/ V2 = P2/ P1 或 P1 V1= P1 V1

式中:V1是压力P1 时的体积,V2 是压力由P1 变为P2时的体积。这就是著名的波义耳定律。

而当压力不变时,温度每升高一度,气体的膨胀系数为1/ 273.15,气体体积在压力不变时,随温度变化的关系式可写成:

Vt = V0(1+1/ 273.15) 式中:V0为气体在0℃时的体积。

当气体容积不变时,一定质量的气体,温度每升高一度,它的压力就增加0℃时压力P0的1/273.15,用公式表示为:

Pt = P0(1+1/273.15)

自然界和实际生产过程中,一般都是三个状态参数同时发生。那么,这三个参数之间就有一个关系式存在,这个关系式就称为气体的状态方程:

P1 V1/T1= P1 V1/T2 = mR 或 PV= mRT P = ρRT

式中: P为气体压力;ρ为气体密度;T为气体的绝对温度;m为气体质量;R是气体常数。

这就是完全气体的状态方程,它的物理意义表示:一定质量气体的体积与压力的乘积和它的绝对温度成正比。

一切实际气体都不能准确满足状态方程式,但是对大部分真实气体,当压力不太高,温度不太低,即远高凝集液态情况下,近似地满足状态方程,其近似误差十分微小,一般计算中可忽略不计。我们把准确满足状态方程的假想气体称为完全气体。在实际工作中,一般气体均可看作完全气体。 7.PVT气体密度公式

对于一种真实气体,其压力、温度和体积之间的关系可用下式表示(1式): Pf V= n Zf R Tf

式中:n是摩尔数。如气体的质量等于其分子量,则规定其等于一摩尔。气体的摩尔数、质量和分子量三者之间的关系是(2式): n = m/ M。

式中的系数Zf 是压缩因子,用它来修正真实气体对理想气体方程式的影响。当压缩因子是1.0时,则称这种气体为“理想”或“完全”气体。

理想气体相对密度是气体的分子量与空气的分子量之比,根据这个定义,可将式 变成密度公式,规定理想气体的相对密度(3式):

GI =Mgas/ Mair

式中:Mgas为气体分子量;Mair 为空气分子量。 将1式和2式代入3式,得:

Pf V= m / GiMair*ZfR Tf 将上式整理成密度公式,得(4式):

ρ= m/ V= GiMair Pf / ZfR Tf

利用式4可导出所有根据温度Tf 、压力Pf 、相对密度GI和压缩因子Z计算流量的公式。 8.气体的压缩因子

在进行有关实际气体计算时,气体状态参数间的关系式为: Pf V= Z n R Tf

8- 8 -- 8 -

式中Z称为压缩因子。它的含义是在相同温度及相同压力下,一定量实际气体的体积与理想气体体积之比,对于理想气体,Z值为1,实际气体的Z值与1的差别,就表示了实际气体与理想气体的偏差程度。用公式表示如下: Z= Pf V / n R Tf 式中: Pf ——实际气体的绝对静压力; V——气体的体积; n——摩尔数;

R——通用气体常数;

Tf ——气体绝对温度。

理想气体是指分子间没有引力,分子本身没有体积的气体。实际上理想气体是不存在的。但是,在不太低的温度下,随着各种真实气体压力的降低,气体所占体积就增加。必然导致气体分子间距离也加大,相应使分子间引力减小。此外,分子本身的体积相对气体所占的体积来讲,也是越来越小,当压力趋于零时,气体所占有的体积趋于无限大,使分子间引力趋于零,分子本身的体积相对其所占的无限大体积来讲,也完全可以忽略不计。因此,真实气体随着压力降低,就越来越接近于理想气体。同样道理,各种真实气体在不高的压力下,随着温度的升高,体积就越来越大,因而就更接近于理想气体的状态。因此,当温度高于临界温度很多,或压力很低时。实际气体的性质就与理想气体的性质比较接近,可以把实际气体当作理想气体处理。但当离液态不远时,实际气体的性质就与理想气体的性质相差很远。

9.温度和压力修正系数在气体计量中的应用

由Boyle 定律和charles定律可得如下关系式: P1V1/ T1= P2V2/ T2

这个方程式说明:一定质量的气体的体积变化,与绝对压力的变化成反比,而与绝对温度的变化成正比。用这个方程式求解出V2 V2 = P1V1 T2 /P2T1

或: V2 = V1×P1/P2×T2/T1= V1×FP×FT

我们以―2‖为脚标表示的各数值是标准状态下的值,以“1”为脚标表示数值是在线状态下的值,所有的压力和温度都应以“绝对”量值来表示。那么,V2将是各方一致承认的标准压力和温度下的销售体积,V1为在线测量的体积,而FP和FT分别为气体的压力修正系数和温度修正系数。

例:某台涡街流量计,输出频率N= 550.1Hz . 在线表压力为0.499Mpa , 温度15℃,仪表系数K= 9400 1/m3,试求标准压力为101.325Kpa,温度为20℃下每小时的标准体积。

V标=V实×P实/P标×T标/T实

V实= N÷K= 550.1÷9400= 0.0585 m3

Fp= P实/ P标= 499+101.325/ 101.325= 5.9247

FT=T标/T实= 273.15+20/ 273.15+15= 1.0174