喷嘴流量计原理

　　西安华恒仪表制造有限公司是主要生产孔板流量计,电磁流量计,v锥流量计,污水流量计,蒸汽流量计,空气流量计的仪表厂家，拥有自主的研发团队和生产线。可以自主研发设计满足各行业、各环境下的高精度流量计。今天和大家分享一下喷嘴流量计原理。

　　随着油气田的开发,高压气体的输送和高压大流气体流的测,需要大的流仪表和标准装置,临界流喷嘴流计在解决高压大流气体流计问题中起到了重要作用,并得到了广泛应用20世纪70代以来,英国国家工程实验室、法国煤气公司、英国煤气公司工程研究所、美国国家标准局、日本国Colorado工程研究所、级概念的错误家计研究所以及我国的计研究院等对临界流喷嘴作了系统研究,现已为ISO采纳为国际标准[1]ISO9300但是,在临界流喷嘴的实际应用中,人们往往能正确掌握使用方法而引起误差使用流公式时能正确解某些物的意义及使用单位,尤其是临界流函数中的参数应用,从而造成数。

　　临界流喷嘴的结构及工作原

　　我们已经知道,当气体流经一个渐缩喷嘴时,如果保持喷嘴上游端压P0和温度T0变,使其下游压P2逐渐减小,则通过喷嘴的气体质流qm将逐渐增加，当下游压P2下降到某一压PC时,通过喷嘴的质流将达到最大值qmax,此时喷嘴出口的流速已达到当地音速a，如果继续降低下游端压P2,通过喷嘴的质流将再增加,(如图1所示),流速也保持音速变，我们将喷嘴出口的流速达到音速的压PC称为临界压,PCP0称为临界压比,此时通过喷嘴的流称为临界流。
 

　　表示流经喷嘴的质流仅与喷嘴入口处介质性质(K、R)及热学参数(P0、T0)有关,而与下游状态无关，也即,当下游压P2下降到临界压以下时,即使有所变动,通过喷嘴的质流也保持恒定，由气体动学可知,临界压KK+1,例如对于空气,常温比PCP0=(2K+1)下K=1.4,PCP00.528，显然,这样的压降(也即压损失)对于某些系统是能允许的，为了减小临界流喷嘴的压损失,近来国内外较常用的结构是出口带扩压管的临界流文丘利喷嘴，它可以使部分压得到恢复,从而减小临界流喷嘴的压损失，目前较佳的结构已可以使喷嘴前后的压比P2P0上升到0.9左右，下面以临界流文丘利喷嘴为例来讨论临界流喷嘴

　　由图1可以看出,只要使喷嘴出口的压P2小于PC,那么,即使P2有所变动,通过喷嘴的流也将保持为临界流变，所以,我们可以利用临界流喷嘴的这种恒流特性来标定气体流计，为了简化问题,其流公式可以从简化的流体学模型(想气体,一维,定常及等熵流)推导出来,然后加以系数修正求得实际流，由连续性方程和想气体一维定常等熵流的假设可得,质流式(1)中,<称为临界流函数,K为等熵指数,R为气体常数;P0、T0分别为喷嘴入口处气体滞止压和滞止温度;At为喷嘴喉部面积，有时,质流公式也表示成<和<3的差别如式(2)所示，它们相差一确定临界流喷嘴的流出系数一般有以下3种方法:

　　①应用基本的物定,列出数学方程式,用论的方法求解而得到流出系数，

　　②用测定内部流场或外部流场的方法计算出通过喷嘴的实际流,从而确定流出系数，③总特性的测,即在气体流标准装置上进总特性试验,标定出流出系数，第一种方法实际上比较困难,它是用气体动学原来分析流体经过喷嘴的特性以确定流出系数，从论上确定流出系数主要应估计两个因素,一是流体沿喷嘴管壁附面层的增长,使流体实际的流通面积减小;二是由于二维甚至多维流动的影响在径向方向上的速度梯度而引起的论流与实际流之间的偏差，第二种方法,即内流场法和外流场法,是为了解决高压大流临界流喷嘴的标定问题而提出的一种方法，试验表明,内流场法由于检测时扰乱原流场,校验精度较低，用外流场法测临界流喷嘴流出系数,其确定度为0.3左右，和PVTt法标定结果比较,最大偏差为0.5%可见,外流场法失为工程校测大流临界流喷嘴的有效方临界流喷嘴的流出系数式(1)表示的质流只是符合假设条件时的论流,但是临界流喷嘴实际工作时的条件与上述假设的条件是有差距的，例如通过临界流喷嘴的气体并非想气体,其流动也并非真正的一维定常等熵流等因素的影响,使得通过临界流喷嘴的实际流将小于式(1)计算得到的流，为此,我们引进流出系数C来进修正，这样,通过临界流喷嘴的实际质流qm为每一个临界流喷嘴必须确定其流出系数C以对由于论模型的简化而产生的论质流偏差进修正，所以,流出系数是临界流喷嘴的一个非常重要的参数,国际上各流实验室之间应相互比对[2]，流出系数C的准确度实际上就表示了临界流喷嘴本身的准确度，试验介质为空气或其它少数气体,如氮、氦、氩等),临界流函数可由式(2)计算,它表明按照想气体及K和R为定值来计算有足够的精度，例

　　如常温常压下的空气,K=1.4,R=287.05则但是现场条件可能很大地偏离上述条件,例如在高压、低温或比较接近液态时K和R都会发生显著变化，因此必须根据实际气体的热学性质导出此临界流函数，可以这么说,临界流函数的计算已是临界流喷嘴现场应用的一个十分重要的问题，实际气体的临界流函数计算是十分复杂的，下面是几种常用介质的临界流函数简计算方法(经验公式或实验曲线图)，在实际工程中非常有用，.

　　实际空气的临界流函数

　　人们已经发现,对于空气,即使在1MPa时,论临界流与实际值的偏差可达0.25左右,可见,此偏差已可与流出系数的误差相比拟

　　第三种方法是目前用得最多的一种方法,即在气体流标准装置上测得通过临界流喷嘴的实际流,从而计算出流出系数NEL、NBS、Colorado等单位用正压法标定得到的一系列流出系数C,其实验结果基本上都在ISO曲线附近0.2的范围之内[3]，用气体流标准装置来标定临界流喷嘴的流出系数具有准确度高、标定方等优点，流出系数的准确度,也即临界流喷嘴的准确度将取决于流出系数标定装置的精度,目前一般可达0.2左右，但由于设备条件限制,只能标定小流临界流喷嘴(一般qm<5kgs)，

　　临界流函数的影响

　　由流方程式(1)可以看出,临界流函数是介质性质参数K和R的函数，当从试验室条件变换到现场条件时,如何求得此函数的精确值就成了临界流喷嘴实际应用的关键问题，一般在试验室条件下(工作条件为常温常压根据Reimer[5]的研究,干燥空气的临界流函数可由下式计算:<=0.040403+p090800+1.844

　　1.581-0.00384(1.8t0-28)100000

　　(5)

　　式中,p0入口滞止压,Pa,t0入口滞止温度,℃，式(5)适用范围p=0～2MPa,t=15～380℃,其曲线如图2所示，由公式(5)和图可以看出,当压p0=0时,温度t0=150℃和380℃时的临界函数流分别为0.040423和0.040421，而想空气的临界流函数如前所述为0.040415,它们之差分别只有0.02和0.016，而当压为2MPa时,t0=15℃时的临界流函数为0.040772,与想值竟相差0.88，所以,对于空气,也只有在压很低时才能把它当作想气体处,根据(2)式计算临界流函数，而当压较高时,就应计及实际空气的影响，

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