[導讀] 本文以船用通風系統(tǒng)空氣流量測量為基礎,介紹一種新穎的差壓式流量計,闡述了該流量計的工作原理、基本結構、性能特點和安裝方法,對應用過程進行了分析,對應用的效果進行了總結。突出了該流量計在船用流量測量中的優(yōu)勢和應用前景。
1 引言
船用通風系統(tǒng)需要穩(wěn)定的空氣流量,以保證可靠的工作性能。目前我國現(xiàn)有的氣體流量計,主要有孔板流量計、旋渦流量計和質(zhì)量流量計等。從應用角度看,這些流量計均存在著不同的問題??装辶髁坑嬘袊覙藴?,用標準節(jié)流件、變送器和智能顯示儀表組成,工作可靠、耐用,但是安裝、調(diào)試、維護及使用不方便。而旋渦流量計比較先進,但安裝也有一定的困難,而且防震性能較差,抗干擾能力差;質(zhì)量流量計造價較高,運行要求直管段太長,不適合在艦船上使用。
VERIS公司推出了一種新型的均速流量計,稱為威力巴(Verabar)流量計,但其性能與傳統(tǒng)均速管流量計又有較大的改進?,F(xiàn)就使用威力巴流量計測量空氣流量的情況做一些探討。
2 威力巴流量計工作原理
威力巴流量計是一種差壓式、速率平均式傳感器,把傳感器插入管內(nèi)的流體,通過傳感器在流動的流體中所產(chǎn)生的差壓進行流量測量,如圖1。
威力巴流量計產(chǎn)生差壓的原理如圖2。和其他形狀的均速管相比,威力巴探頭部分有比較明顯的差別,威力巴探頭采用了根據(jù)空氣動力學原理設計的子彈頭外形,之所以這樣改進,是因為其他形狀的探頭會存在一定的缺陷,如圓形探頭有多個流體分離點,造成流量系數(shù)不穩(wěn)定;菱形探頭雖然流體分離點固定,但由于尖銳的邊緣會產(chǎn)生很大的流體牽引力,引起探頭震動和產(chǎn)生脈動的噪聲信號;空氣動力學形狀探頭由于高壓區(qū)范圍小,對流體迎角非常敏感,導致實際測量精度不可靠,測量誤差大于10%。而威力巴探頭這種子彈頭形防滲漏單體探頭,其流體分離點固定,并且克服了菱形探頭的缺點,這樣就有利于穩(wěn)定流量系數(shù),同時,威力巴探頭采用了前部表面粗糙處理和防淤槽(在粗糙化表面和光滑表面的交界處加一條淺槽)。這樣,無論對于高速還是低速流體,都會產(chǎn)生湍流邊界層。使其達到降低牽引力和渦街脫落力的目的,并在很寬的流量范圍內(nèi)保證了精確的流量系數(shù)。這就相當于有了一個湍流發(fā)生器。使產(chǎn)生的差壓信號更加穩(wěn)定,其流量檢測誤差達±1.0%,重復性達±0.1%,量程比為10:1。
從圖2中可以看出,流量計的低取壓孔位于探頭側(cè)后兩邊,此區(qū)域是流體與探頭分離點之前、遠離渦流波動區(qū)域。這樣的構造既保證了測量準確度,也使其在防堵方面得到非常大的改進。因為在探頭的前部,高靜壓區(qū)繞著探頭,使高壓孔不會堵塞。而低壓孔取在探頭側(cè)后兩邊,由于湍流發(fā)生器的作用,流體從表面斜而過,保護了低壓孔不會被驚動,從而達到防堵的作用。如果把低壓孔取在低壓波動區(qū)域,就會增加堵塞的可能性,影響測量準確度。
威力巴傳感器取得的差壓與流量的關系如下:
(1)
C'=N*k*YV*D2 (2)
式中:
qv— 體積流量,m3;
N— 線性常數(shù),與管道內(nèi)徑有關;
K— 流量系數(shù);
Yv— 膨脹系數(shù);
D— 管道內(nèi)徑,mm;
ΔP— 傳感器測得的差壓,kPa;
P1— 絕對壓力,MPa;
t1— 工作溫度,K;
z— 流體壓縮系數(shù)。
3 威力巴流量計測量時所需最小流速
威力巴流量計測量流體時,如果所測量的流體流速小于最小流速,測量精度下降3%~5%。威力巴流量計測量時所需最小流速要求見下表:
流體 最小差壓(kPa) 最小流速(m/s) 氣體 0.025 4.5 液體 0.25 0.6 蒸氣 0.38 9.7
4 威力巴流量計的安裝
威力巴流量計安裝方便,與孔板流量計相比省時省錢。威力巴只需用專用工具在管道上鉆一個馬鞍形的孔,進行簡單焊接,且與管道直徑大小關系不大,而孔板需要一個2倍管道圓周的焊接。以安裝DN250管道的流量計為例,威力巴流量計只進行10cm的焊接,同樣的管道,安裝孔板需要進行160cm焊接,焊接量僅為孔板的1/16。
5 威力巴流量計的運行效果
威力巴流量針的傳感器對流體基本上沒有壓縮,壓力損失非常小,如果使用孔板,節(jié)流裝置對流體有極大的壓縮,使能量損失很大。經(jīng)過論證,威力巴流量計的運行能耗僅為孔板的5%左右。下面是威力巴流量計測量某船用通風系統(tǒng)空氣流量的實例計算,從中可看出使用威力巴流量計的優(yōu)越性。
流體條件:測量介質(zhì)為空氣,管徑φ200mm,壓力500Pa,溫度20℃,測量流量1000m3/h。
由威力巴公司提供的軟件計算出此時威力巴探頭產(chǎn)生的壓差:
ΔP=0.08509KPa
壓力損失:
δP=O.03×ΔP=O.0025527kPa
為了補償壓損,必須增加動力設備,由威力巴探頭所造成的損失功率:
(3)
為了方便計算,將各項的單位換算為常用的單位如下:
(設Ps的單位為瓦特,1W=1kg·m2/s3)
(4)
設風機的有效功率為80%,則損失的總功率為:
(5)
在工況條件下:
(6)
因此,(5)式變?yōu)椋?/div>
式中:
QM— 流體質(zhì)量流量,kg/h;
δp— 威力巴的壓損,kPa;
ρ— 流體密度,kg/m3;
T— 流體溫度,T;
P— 流體壓力,kPa;
V— 流體體積,m3;
Qv— 流體的體積流量,Nm3/h。
所以,由威力巴探頭所造成的損失功率:
從上述可知:威力巴流量探頭壓力損失小、損失功率小、節(jié)省能源,從而達到降低對風機出口壓力和功率的要求。還可降低噪音,改善艦員的生活環(huán)境。
6 結束語
威力巴流量計以其卓越的長期高精度、簡單方便的安裝、較低的直管段要求、低壓損、低能耗、抗干擾和高抗振能力,在艦船的各流量測量系統(tǒng)中將得到廣泛應用。但任何事物都有其缺點,威力巴流量計也不例外,由于它對流體的壓縮很小,因此,它取得的差壓較小,對流速低的流體的測量效果不很理想。