臨界流文丘里噴嘴流量計(jì)的原理與應(yīng)用
臨界流文丘里噴嘴流量計(jì)的原理與應(yīng)用
隨著油氣田的開發(fā), 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(biāo)準(zhǔn)裝置, 臨界流噴嘴流量計(jì)在解決高壓大流量氣體流量計(jì)量問題中起到了重要作用, 并得到了廣泛應(yīng)用. 20 世紀(jì)70 年代以來, 英國國家工程實(shí)驗(yàn)室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局、Colorado 工程研究所、日本國家計(jì)量研究所以及我國的計(jì)量研究院等對(duì)臨界流噴嘴作了系統(tǒng)研究, 現(xiàn)已為ISO 采納為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9300 .
但是, 在臨界流噴嘴的實(shí)際應(yīng)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(shí)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(shù)中的參數(shù)應(yīng)用, 從而造成數(shù)量級(jí)概念的錯(cuò)誤.
1 臨界流噴嘴的結(jié)構(gòu)及工作原理
我們已經(jīng)知道, 當(dāng)氣體流經(jīng)一個(gè)漸縮噴嘴時(shí), 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(zhì)量流量qm 將逐漸增加. 當(dāng)下游壓力P2 下降到某一壓力PC 時(shí), 通過噴嘴的質(zhì)量流量將達(dá)到值qmax , 此時(shí)噴嘴出口的流速已達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲賏. 如果繼續(xù)降低下游端壓力P 2, 通過噴嘴的質(zhì)量流量將不再增加, 流速也保持音速不變. 我們將噴嘴出口的流速達(dá)到音速的壓力P C 稱為臨界壓力, PC/ P 0 稱為臨界壓力比, 此時(shí)通過噴嘴的流量稱為臨界流量.
確定臨界流噴嘴的流出系數(shù)一般有以下3 種方法:
應(yīng)用基本的物理定理, 列出數(shù)學(xué)方程式, 用理論的方法求解而得到流出系數(shù).
用測定內(nèi)部流場或外部流場的方法計(jì)算出通過噴嘴的實(shí)際流量, 從而確定流出系數(shù).
總特性的測量, 即在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行總特性試驗(yàn), 標(biāo)定出流出系數(shù).
種方法實(shí)際上比較困難, 它是用氣體動(dòng)力學(xué)原理來分析流體經(jīng)過噴嘴的特性以確定流出系數(shù). 從理論上確定流出系數(shù)主要應(yīng)估計(jì)兩個(gè)因素, 一是流體沿噴嘴管壁附面層的增長, 使流體實(shí)際的流通面積減小; 二是由于二維甚至多維流動(dòng)的影響在徑向方向上的速度梯度而引起的理論流量與實(shí)際流量之間的偏差. 第二種方法, 即內(nèi)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(biāo)定問題而提出的一種方法. 試驗(yàn)表明, 內(nèi)流場法由于檢測時(shí)易擾亂原流場, 校驗(yàn)精度較低. 用外流場法測量臨界流噴嘴流出系數(shù), 其不確定度為0. 3% 左右. 和PVTt 法標(biāo)定結(jié)果比較, 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法. 第三種方法是目前用得最多的一種方法, 即在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上測得通過臨界流噴嘴的實(shí)際流量, 從而計(jì)算出流出系數(shù). NEL、NBS、Colorado 等單位用正壓法標(biāo)定得到的一系列流出系數(shù)C, 其實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上都在ISO 曲線附近± 0. 2% 的范圍之內(nèi)[ 3] .
用氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置來標(biāo)定臨界流噴嘴的流出系數(shù)具有準(zhǔn)確度高、標(biāo)定方便等優(yōu)點(diǎn). 流出系數(shù)的準(zhǔn)確度, 也即臨界流噴嘴的準(zhǔn)確度將取決于流出系數(shù)標(biāo)定裝置的精度, 目前一般可達(dá)± 0. 2% 左右. 但由于設(shè)備條件限制, 只能標(biāo)定小流量臨界流噴嘴( 一般qm < 5 kg / s) .
臨界流噴嘴的特點(diǎn)和應(yīng)用
臨界流噴嘴作為一級(jí)傳遞標(biāo)準(zhǔn), 在標(biāo)定各種氣體流量計(jì)的高壓大流量特性, 特別是各種應(yīng)用系統(tǒng)的在線標(biāo)定, 起到了其它氣流量標(biāo)準(zhǔn)所不能替代的作用. 作為一種氣體流量計(jì), 也有許多差壓式流量計(jì)不可比擬的優(yōu)點(diǎn).
首先, 有非常清晰的工作原理, 可以用一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式表示, 在一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定得到的流出系數(shù)可以推廣到不同操作條件而不喪失其準(zhǔn)確度; 而且具有很好的復(fù)現(xiàn)性, 可以進(jìn)行在線測量, 便于自動(dòng)控制.
其次, 不受噴嘴上游端流速分布的影響, 因此上游端不需要很嚴(yán)格的直管段. 而且其流量值僅取決于噴嘴上游的流體參數(shù), 不受下游壓力變化的影響. 通過噴嘴的質(zhì)量流量與入口滯止壓力為線性關(guān)系, 不需要測量差壓, 也無須在流速有劇烈變化之處測量靜壓, 使得壓力的測量精度大為提高, 有利于提高測量精度. 最后, 工作范圍極寬, 溫度、壓力、流量等參數(shù)的范圍幾乎不受限制. 尺寸緊湊, 作為流量標(biāo)準(zhǔn), 在同樣的流量測量范圍, 無論體積, 價(jià)格等都比同等精度的其它流量標(biāo)準(zhǔn)裝置小得多和低廉得多. 但是, 應(yīng)用公式( 1) 計(jì)算流量時(shí), 必須很精確地掌握臨界流噴嘴的流出系數(shù)C 和被測介質(zhì)的臨界流函數(shù)..的值. 尤其是測量天然氣、水蒸氣等實(shí)際氣體時(shí), 臨界流函數(shù).. 必須正確計(jì)算, 這正是本文提出的目的.
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