V锥流量计的压差及压损研究

2019-01-23 14:46:46

摘要:文中主要介绍了V型内锥式差压流量计的优点及工作原理。基于RNGk—s湍流模型,在介质为水、温度为常温、管径为50 mm,卢,为0.65的奈件下,通过流量计量公式计算流体的压差及压力损失。通过分析实验数据得出V型内锥式流量计具有优势的结论。

0引言

V型内锥式流量计在20世纪80年代由美国麦克罗米特(Mc Crometer)公司提出并研制,由于其内部的节流部件呈圆锥形,英文名称为V-Cone Flowmeter,引入国内后被称为内锥式流量计。国内将内锥式流量计用于气固、气液两相流体流量的测量,同样取得了较好的效果。

内锥式流量计与孔板式流量计同属于差压式流量计。长期以来,标准孔板由于其具有发展技术成熟、标准化程度高、结构简单等特点,在过热蒸汽流量计量中得到非常广泛的应用。因此,国内现有的流量计基本都是孔板式流量计。然而,孔板流量计存在着一些固有的缺陷,如流出系数不稳定、线性差、重复性不高、准确度受客观因素制约而无法达到设计要求、量程比小、压损大等。在电力、钢铁、石化、化工、有色、建材、轻工、纺织和石油、天然气等高耗能行业中,孔板流量计仍被广泛使用,约占所使用流量计总数的70%~80%。

国内外大量的试验已经充分证明V型内锥式流量计能较好地满足以下流量计选型的基本要求:重复性好;系统准确度高;有相当强的流动调整能力,要求较短的直管段,无需流动调整器;永久压力损失小,耗能费少;流量测量的量程比较宽;有自清扫能力,可测量脏污流体,无需过滤器;耐受流体腐蚀能力强,性能长期稳定,可靠耐用;无可动部件,检定周期长,使用寿命长;故障率小,维护与修理费用低;流量计的购置费与校准费适中,安装与运行花费少。

1测量原理

V型内锥式装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和一个相应的取压口,当流体以较高流速流经锥体时,速度会增加,而相应压强会随之减小并产生压差,通过压力变送器测出流体流经锥体时产生的压差。对于内锥流量计来说,其高压取压位置在锥体前上游管壁处,低压取压位置在锥体的尾部2。由于V型内锥式流量计仍属于节流式差压流量计,因此它们具有相同的工作原理,基于流动连续性原理和伯努利方程来计算流体工况流量,即介质通过节流件时流速增加产生压差,也就是说在流量恒定的管段中,其流体的压力与该管段中流体流速的平方成反比。其流量计算公式[3]如下:

image.png

式中q。为流体的体积流量,m3/s;c为流出系数;s为被测流体的可膨胀系数,对于液体,e=1,对于气体或可压缩流体,e<1;d为工况下锥体最大横截面的圆直径,m;Ap为节流件处的压差,Pa;p为被测流体的密度,kg/m3;B。为等效直径比。

image.png

式中D为工况下测量管的内径,m.

2RNGk-e仿真试验

计算得出雷诺数远大于2320,因此流体为湍流,选择湍流模型。

2.1几何结构与网格分析

为了保持V型内锥式流量计性能研究的一致性与连贯性,选择等效直径比B。为0.65、前锥角y为45°、后锥角0为130°的锥体,在建立模型时可以采用二维或三维,由于介质为水,并且是对称的,所以选择二维模型4]。二维模型的特点:对模型进行轴对称处理,可以省略L形立柱;采用结构化的四边形网格,降低了网格的数目,加快求解速度;在靠近锥体核心部分网格最密,靠近管道两端网格逐渐稀疏。

2.2边界条件

由于仿真介质为水,实验过程中常温常压恒定,因此可忽略密度变化的影响。将入口条件设为入口速度,出口条件设为出口速度,方向为轴向,湍动能k和湍动耗散率s与管径、人口速度相关。

湍动能求解公式为

image.png

式中:u为平均速度;1为湍流强度,即流速与平均流速的比值。

湍动耗散率的求解公式为

image.png

式中:l为湍流长度尺寸;L为管道物理尺寸。

通过CFD数值模拟实验[],基于RNGk-e仿真试验,能够反映主流的时均变化率,更好地处理高应变率和流线弯曲度较大的流动,有较好的预测性,同时在近壁面区域采用标准壁面函数法进行处理。利用有限体积法实现控制方程的离散化,采用以压力为基本求解变量的求解方法,即SIMPLE算法。为了更好地比较内锥流量计和孔板流量计的压力损失,使二者

有相同的等效流通面积。选择水为介质,温度为常温,管道内径为50mm,等效直径比B。取0.65,通过控制水的流速,求出水流经两种不同流量计时的压差以及通过压力损失系数K求出压差[0],如表1所示。

image.png

3数据分析

由表1中压差数据可以清晰地看出,当流体B。相同时,相同的介质流经同一管道时,除个别数据外,孔板式流量计产生的压力损失大于V型内锥式流量计产生的压力损失,这样压力损失会使能量耗损增加,因此内锥式流量计会有长足的发展。

4结束语

从以上的数据分析以及计算可以看出,在有效流通面积相同的情况下,除个别数据外,内锥式流量计的压力损失要比孔板式流量计小。V型内锥式流量计在节能及特殊环境条件下计量准确,值得大力推广使用。尽管其在标准化程度上不如孔板式流量计,但其在流量测量领域里会得到广泛的应用。



上一篇:一体化V锥流量计的设计 下一篇:V锥流量计的市场应用