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对称多孔孔板差压式流量计计量性能
发布时间:2020-12-15 08:12:53

摘要:多孔孔板差压式流量计因其快速平衡调整流场和有效降低压力损失等能力得到广泛应用,但其尚缺乏完整的结构参数设计和性能优化设计准则。针对提出的对称多孔孔板差压式流量计进行实流试验,研究其计量性能并与数值模拟结果进行对比分析,结果表明,对称多孔孔板差压式流量计可有效提高计量精度(+0.5%)、降低压力损失,具有更好的适应性,试验结果与数值模拟结果具有一致性,验证了数值模拟的正确性并对新型流量计进行了标定,研究结果可有效拓宽多孔孔板流量计的应用范围。
0引言
  流量计量是工业生产的眼睛,广泛应用于科学研究、工农业生产、国防建设以及人民生活等领域,诸多流量计中,传统差压式流量计因其结构简单、成本低、实验数据丰富、标准化程度高等优点,应用最为广泛。但在实际应用中很多工况条件无法满足测量要求(如低于标准中推荐的雷诺数范围、测量介质中混有泥沙等),进而限制了其应用范围。
  在这些情况下,非标准差压式流量计得到快速发展和进一步的应用,目前最具代表性的非标准差压式流量计主要有锥形流量计和多孔孔板流量计多孔孔板流量计不但继承了标准孔板流量计的优点,而且能够快速平衡调整流场,明显减少涡流、降低死区效应、减少流体动能损失,在国际上引起广泛关注,自2006年被引进我国市场以来,得到广泛应用。但因涉及商业机密,多孔孔板流量计的结构参数与流出系数等计算公式未曾公开。为了掌握该流量计的核心技术,国内科研技术人员对其进行了大量研究,主要集中于孔板结构参数优化及计量性能等方面.[448。目前,实际应用中要根据不同测量条件来设计流量计,缺乏完整的结构参数设计和性能优化设计准则引导。
  对多孔孔板流量计进行了大量的研究工作,结合多孔整流器和标准孔板联合使用的测量原理,提出了一种对称多孔孔板差压式流量计的设计方法(即在中心节流孔周围均匀环形分布若干孔),采用CFD数值模拟预测了其内部流场,并研究了孔数量对多孔孔板流量计流场特性的影响规律[920但数值模拟只能为研究提供方向性的引导,并不能很好的引导实际生产。本文基于数值模拟结果搭建对称多孔孔板差压式流量计实流标校试验平台,对其计量性能进行试验研究,检验了CFD设计成果的有效性,并对新型流量计进行了标定。
1多孔孔板流量计
  课题组提出并设计的多孔孔板流量计结合了多孔整流器和标准孔板的测量原理,基本结构为在节流板中心一个圆孔的基础上,对称分布数量不等的圆孔,如图1所示,均匀分布的圆孔的总面积和标准孔板的开孔面积相等。流量计整体结构如图2所示。
对称多孔孔板差压式流量计的孔板架构图示
  多孔孔板流量计的测量原理是以能量守恒定律和质量守恒定律为基础的,即在流量检测时,所测介质流过圆孔的同时进行流体整流,减小节流装置后形成的涡流,形成较稳定的紊流(近似理想流体),从而获得稳定的差压信号,根据伯努利方程计算出流体的流量:

式中:Q为介质流量;K为仪表系数;Y为膨胀系数;△p为差压值(Pa);ρ为介质工况密度。
2数值模拟
  针对设计的对称多孔孔板差压式流量计,分别对开孔数量为1.4、5.7(孔的分布位置如图3所示,参数如表1所示)的流量计采用CFD数值模拟技术分析了其内部流场情况,如图4所示,研究了孔数量对多孔孔板流量计流场特性的影响规律,得出对称多孔孔板差压式流量计具有可降低节流件前后涡流、快速平衡内部流场(前后直管段要求:前1D~3D,后0.5D~1D,其中D为通流直径)、提高测量精度、降低压力损失、适应性更好的优点,随着孔数量的增加压力损失逐渐降低、流出系数提高的结论。
3试验标校平台的组成
  为了验证数值模拟的正确性,搭建对称多孔孔板差压式流量计试验标校平台,由对称多孔孔板差压式流量计、截止阀、差压变送器、流量调节阀、电磁流量计、水泵和水槽及管路系统组成,如图5所示,其中对称多孔孔板差压式流量计和电磁流量计与试验管道均通过法兰连接。试验过程中,流量计工装示意图如图6所示。
  工作原理如下:通过试验管路变频调速水泵及上游侧流量调节阀开度的适当调节,获得流速0~7m/s连续可调的流体介质,并采用高准确度电磁流量计(作为标准器具,准确度+0.2%R)测量实际流量(流速),利用高准.确度差压变送器(EJA110E系列、量程0~100kPa、准确度+0.065%FS)测量压差值及压力损失值。
  为了与数值模拟结果进行比较,相应设置保持一致性:介质采用水(环境温度5℃~45℃)、湿度35%RH~95%RH、大气压力86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s),管路规格DN80(节流元件上下侧直管段长度约为5m,充分保证了多孔平衡流量计测量中对前后直管段研究的要求),取压方式为法兰取压(上下游取压孔轴线距离多孔流量计节流件上下游端面均为25.4+0.5mm)。其他参数为介质水密度ρ=998.403kg/m3、动力粘度1.0mPa.s、流東膨胀系数e=1。实流试验现场如图7所示,试验用对称多孔孔板差压式流量计如图8所示。

4试验结果分析
  按要求搭建试验标校平台,进行实流试验,获得流量计试验的差压与压力损失值,如表2所示,并与数值模拟结果进行对比,为了更为直观和分析的方便,将不同开口数量流量计的压力损失值绘制成曲线,如图9所示。
对称多孔孔板流量计工装示意图
  由图9可以看出,对称多孔孔板差压式流量计的压力损失比标准孔板流量计的要小一些,并且随着孔数的增加压力损失呈现逐渐减小的趋势。
  流出系数是评价节流式仪表性能的最重要参数之

  为实际流量与理论流量的比值,是统计量,受设计、制造、安装及使用条件的影响。根据不可压缩流体的连续性方程和伯努利方程,定常流体的体积流量为:


注:每点标准表数值Q、差压值△P、压损值δ记录3次,为了节省篇幅,取其平均值进行表格相应栏的填写
  式中:C为流出系数,无量纲;β为等效直径比,无量纲(β2=A0/A,其中A0为孔板节流孔开孔面积,A为管道截面面积);d为孔板节流孔等效直径;△p为压差;q,为体积流量;ρ为流体介质密度。
依据式(2),确定流出系数C的数值:

  结合实验数据和式(3)得不同开口数量流量计的流出系数,如表3所示,为了与数值模拟结果进行直观对比,将不同开口数量流量计的流出系数绘制成曲线,如图10所示。
  由图10可以看出,对称多孔孔板差压式流量计的流出系数比标准孔板流量计的要大一些(对于标准孔板,其试验范围内流出系数平均值为0.6140,对于多孔孔板流量计其试验范围内流出系数平均值为4孔孔板0.6221、

5孔孔板0.6268.7孔孔板0.6346),随着孔数增加流出系数呈现逐渐增大的趋势。
  结合图9和10,试验结果和数值模拟计算的结果相比,压力损失与流出系数的变化趋势完全一致,但在数值上存在一定偏差,误差在8%。
流出系数的系统误差e为:

  式中:C0为理论流出系数,计算方法依据国际标准IS05167--2003的规定;Ci为实际流出系数的平均值。
  若忽略管道制造和安装误差以及温度、流体密度的影响,依据式(3)可以得到:

  对于电磁流量计(标准表)精度为0.2级,EJA110E高精度压差传感器(变送器)的准确度为+0.065%,经计算,流出系数的不确定度为4孔+0.467%、5孔士.0.439%.7孔+0.446%,即流出系数的误差均不超过士0.5%,由此并基于流出系数定义可见流量计的计量精度为0.5%。
5结论
  本文对多孔孔板差压式流量计进行了实流试验研究,分析了标准孔板与对称多孔孔板流量计的计量性能并与数值模拟结果进行对比,结论如下。
1)实流试验结果与CFD数值模拟结果在趋势上体现出完全的一致性,但在数值上存在一定的偏差,因此CFD计算结果并不能完全代替试验研究的成果。但是这种偏差并不是很大,作为工程上的估算其精度能够满足要求。
2)通过对称多孔孔板差压式流量计的实流标定,结果显示流出系数C相对于标准孔板流量计有较大的提高,量程范围大大拓宽,是一种可以应用于实际测量的新型流量计产品。具体性能指标如下:精度+0.5%;前后直管段要求为前1D~3D,后0.5D~1D。
3)对称多孔孔板差压式流量计具有压力损失小、流出系数高、适应性好等特点,完全可以直接应用于工程中目前该流量计已经在市场得到应用,一定程度上拓宽了其应用范围

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