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弯管流量计的实验研究及其在工业上应用的可能性

张鸿珍 张驾翔 余晓东 苏彦勋

提要 本文通过对试制的Φ50,Φ100,Φ300弯管的实验结果的分析讨论,找出了影响弯管流量计流量系数的因素;通过比对不同条件下流量系数的变化,提出了目前我国使用和推广弯管流量计的可能性;并且认为弯管也可以做成标准件,象节流件一样,实现标准化。
(一) 国内外弯管流量计发展的概况
弯管作为流量计具有无可动件,压力损失小,便于维护等优点。早在1938年国外已有人采用,但由于当时的技术条件限制,实验数据比较粗糙。美国在1958年,荷兰在1968年,曾分别对弯管流量计的设计和使用,提出了一些技术要求,给出了计算方法。
近年来,国内在这方面的工作也有所见。其中,核工业部七二八工程提出了用涡轮流量计比对数据,其他多是沿用国外的数据。
考虑到工业上流量测量的需要,我们试制了三种不同口径(Φ50,Φ100,Φ300)同一曲率的弯管。对每一种规格分别进行了比对实验,其中Φ50和Φ100的弯管流量计经中国计量科学研究院标定和测试。得出了令人满意的结果。
(二) 弯管流量计测量流量的基本原理

流体流经弯管时,由于流动方向的改变产生了离心力。在离心力的作用下,弯管内外侧壁产生压差,此压差与流经弯管的流体的体积量存在着一定关系。
当管道截面为圆形时其理论关系如下:
(1)
Q-流体的体积流量    m3/S
R-弯管的半径D/2      m
X-弯管的曲率半径L与其半径R之比L/R
G-重力加速度 m/s2
H-压差m(H2O)

见图1

由于流体粘性的影响,弯管的实际流量与理论流量之间存在着差异,一般用流量系数C表示两者间的比值,并用它来修正理论流量值。
所以,    C=Q/Q

所以,实际流量为:
(2)
从式(2)可以看出,当弯管的几何尺寸一定时,流量仅是压差的函数。C值可以通过试验确定。
考虑到弯管几何尺寸的不规则性和测量的不准确性对流量示值的影响,一般用下式表示弯管流量计的流量系数:
(3)

(三) 弯管流量计的实验研究
1. 实验方法
在流量标准实验装置上对每个弯管进行不少于6个测试点的全量程测试,每个点重复不少于3次。
Φ50和Φ100弯管的实验在水流量标准实验装置上进行,见图2。
Φ300弯管的实验在泵直供的流量实验装置上进行,见图3。
2. 实验项目
(1) 比较弯管的几何不对称性对45度取压的弯管流量计示值误差和流量系数的影响。
(2) 比较不同直管的长度对同一弯管流量系数和示值误差的影响。
(3) 比较同一弯管分别在22.5度和45度取压时,流量系数的变化及其对示值误差的影响。
(4) 比较不同口径几何相似弯管的流量系数和误差分布。
(5) 讨论弯管入口处加工不良和前直管段达不到工业光滑条件对流量系数的影响
3. 实验数据处理和结果分析
(1) 实验数据处理方法
弯管用作流量计的实验数据处理,在本报告中暂以涡轮变送器误差处理方法进行,计算方法如下:
 A. 流量系数的非线性误差用下式表示:

式中 全量程内各测量点流量系数平均值的最大值
全量程内各测量点流量系数平均值的最小值
 B.弯管流量系数的重复性误差:
计算每一流量下系数Si的差值,并选出全量程中最大的差值,该差值与该流量下的流量系数的算术平均值的百分比,即为弯管的重复性△2
 C.弯管流量计的示值误差:

△3 标准装置的误差
(2) 实验结果分析
实验结果见表1、表2和表3。
A.选取2号Φ50弯管、加工时应保证弯管两端相对于45度曲率半径对称,45度取压,前直管长度为30D,后直管的长度为10D;实验中在校验装置上需改变弯管的进流方面,作出四组实验数据。参见表1(2-1)、(2-2)、(2-5)和(2-6)。比较(2-1)和(2-5),当雷诺数Re在(0.4-2.0)×109范围内,量程比为1:6时,流量计的误差的相对变化为1.1%。比较(2-2)和(2-6),当Re在(0.8-2.0)×109范围内,量程比为1:3时,流量计的误差的相对变化为0.3%。
比较表1中的(2-1)和(2-2)或(2-5)和(2-6)可以看出,在量程比分别在1:3和1:6、同一进流方向是,平均流量系数S的变化不大。而当正反两个方面进流量,S的变化就很大。
B.表1 中2号弯管的(2-1)和(2-2)与(2-3)和(2-4)四组数据,分别是在量程比为1:6和1:3的情况下测得的。比较(2-1)和(2-3)或(2-2)和(2-4),可以看出当前直管的长度从30D改变到10D,后直管的长度从10D改变到30D时,流量计的流量系数S有1.7%的变化量,而对应的示值误差变化甚微,不超过0.2%。
弯管流量计流量系数受到前、后直管的长度变化影响,说明在检定条件下,入口前来流的速度分布廓形有异于理论推导时假定的速度分布廓形。流量系数的变化值正是对理论流量系数的修正。当来流的速度分布廓形达到充分发展的速度分布廓形时,流量系数的变化量应该趋近于零。
再比较表2Φ100弯管的各组数据,也可以得出同样的结论。实验中我们有意使前直管的长度改变的明显一些。使前直管的长度改变为7.6D,后直管的长度仍为10D,各组误差最大都没有超过1.6%。
综上所述,可以得出如下结论:对于单独标定的弯管,只要保证标定时和使用时前后直管的长度不变(当然要保证弯管内壁达到工业光滑条件),对前后直管的长度无需过分要求,可以适当短一些。这对于在工业中应用推广会更加有利。
C.表2中1号弯管的四组数据是在管路条件不变的情况下,分别在22.5度和45度两个方向取压时测得的。可以看出,改变弯管取压点的角度,不影响弯管流量计的示值误差,而影响平均流量系数S,其相对变化量有4%。估计这种变化主要是由于弯管加工不良,使得22.5度和45度两个方向取压处的几何尺寸不同,从而使测得的流量系数S发生了变化。
D.比较表1 的10组数据,可以看出,将弯管作为流量计使用时,若使得流体流动处于较高雷诺数范围内,其示值误差就小,流量系数也比较稳定。
E.现根据实验数据作图,讨论平均流量系数S、压差H与平均流速V之间的关系。(参看图4和图5)。从图4看出,当Re>0.5×109时,平均流量系数S随平均流速的变化甚微。这说明理论公式(1)是正确的。即当弯管的几何尺寸确定后,流量仅是压差H的函数。从图5可以看出,3号φ50和3号φ100 45度取压弯管的两条曲线是重合的;同时,从表1和表2看到的两个流量系数S也是非常接近的(分别为0.8014和0.8028).据此,我们可以得出结论:若是不同弯管能达到严格的几何相似,则流量系数也应该相同.
F.通过对四个φ300弯管所做的实验(此实验在泵直供系统上完成)结果的分析,看出当流量大于0.3m3/s,流量系数比较稳定,重复性也较好(参看表3)。而当流量小于0.3m3/s时,流量系数稳定性极差。经检查其校验系统,发现21D的前直管的均由一米长的钢板焊接而成,内部焊缝突出,连接弯管入口的法兰和直管的焊接处有一高2.5mm的环形凸台,与凸台相连处是一深10mm、宽10mm的环形凹陷带;在弯管出口处也有凸台,且后直管的内壁也较粗糙。在这种管路条件下,当流速低于4.5m/s时,因低压扰动过大,差压信号出现紊乱状况,后经修理,改善了弯管入口条件,重作试验,流量系数S的稳定区域下延至2.5m/s,单点的重复性误差也较前有所改善,但因管路的其他条件未能改善,其示值误差仍大。(一般泵直供的校验系统瞬时精度低)。
分析φ300弯管的实验结果,我们认为,要使弯管作为流量计在工业中实际应用,除应保证其标定和使用时的管路条件相同外,还应保证弯管的入口和出口处不能有明显的突出和凹陷,即保证流体流动处于工业光滑的管路中。
(四) 讨论
1. 从标定的φ50和φ100弯管的实验结果中看出,在各种工装条件下(取压点角度不同,前后直管的长度不同,进流方向不同),单独标定的弯管流量计的示值误差均不超过±2%,这个结果与美国的资料相符。
2. 差压传感技术近年来在国内有了明显的提高,这就为在工业上推广应用低压差的弯管流量传感器提供了可靠的技术保证。本实验中所使用的1151型差压变送器(西安仪表厂生产)其动态响应非常好,是与弯管流量传感器配套使用较为理想的差压表送器。

参考文献
(1) Herbert Addison:"The Use of Pipe Bende as Flow Meter", Engineering, 4, March 1938.
(2) L.K Spink:"Principles and Practice of Flow Meter Engineering", p.46, The Foxboro Company, Foxboro Massachusetts, U.S.A.,Copyright,1958.
(3) T.S.Preston:"Shell Flow Meter Engineering Handbook", P.131, Walman Publishing Company, Delft, The Netherlands, 1968.
(4) 陆祖祥:“45度方向取压的弯管流量计,” (728工程研究院)。
(5) Mardock.J.W C.J.Flotz and C Gregory, Performance Characteristics of Elbow Flowmeters, ASME Winter Annual Meeting, Paper 63-WA-17 1963

表1
弯管
试验
序号
进流
方向
取压角度
雷诺系数
Re×109
量程比
流量系数
示值误差
管路条件
1#
1-1
正向
45º
0.3-2.0
1:6
0.7786
±1.6
前直管长>30D,后直管长10D
1#
1-2
正向
45º
0.5-2.0
1:4
0.7776
±1.6
"
1#
1-3
正向
45º
0.3-2.0
1:6
0.7795
±1.4
前直管长10D,后直管长30D
1#
1-4
正向
45º
0.5-2.0
1:4
0.7792
±0.7
"
2#
2-1
正向
45º
0.4-2.0
1:6
0.8427
±2.0
前直管长30D,后直管长10D
2#
2-2
正向
45º
0.8-2.0
1:3
0.8469
±0.5
"
2#
2-3
正向
45º
0.3-2.0
1:6
0.8288
±1.9
前直管长10D,后直管长30D
2#
2-4
正向
45º
0.8-2.0
1:3
0.8319
±0.7
"
2#
2-5
反向
45º
0.3-2.0
1:6
0.7771
±0.9
前直管长30D,后直管长10D
2#
2-6
反向
45º
0.8-2.0
1:3
0.7766
±0.8
"
3#
3-1
正向
45º
0.7-2.0
1:3
0.8014
±1.0
前直管长30D,后直管长10D

表2
弯管
试验
序号
进流
方向
取压角度
雷诺系数
Re×109
量程比
流量系数
示值误差
管路条件
1#
1-1
正向
45º
0.8-4.6
1:6
0.7944
±1.6
前直管长30D,后直管长10D
1#
1-2
正向
45º
1.0-4.6
1:3
0.7942
±1.6
"
1#
1-3
正向
225º
0.8-4.6
1:6
0.8291
±1.6
"
1#
1-4
正向
225º
1.0-4.6
1:3
0.8275
±1.4
"
2#
 
正向
45º
1.5-4.6
1:3
0.8280
±1.5
前直管长10D,后直管长7.6D
3#
 
正向
45º
0.8-4.6
1:6
0.8028
±1.0

前直管长7.6D,后直管长10D


表3

弯管
进流
方向
取压角度
雷诺系数
Re×109
 流 速
m/s
流量系数
示值误差
管路条件
A#
正向
225º
13.4-15.0

4.5-5

0.8617
1.2
前直管长21D,后直管长6D,入口处有突台和环形缝隙。
B#
正向
45º
13.0-15.0
4.3-5.3
0.8260
1.3
C#
正向
225º
13.0-15.0
4.2-4.6
0.8425
0.6
C#
正向
45º
13.0-15.0
4.4-5.1
0.8613
1.4
D#
正向
45º
12.0-15.0
4.2-5.4
0.8340
1.3
D#
正向
45º
11.0-15.0
3.7-5.3
0.7988
0.7 改善入口条件,其他条件不变
D#
正向
45º

6.0-15.0

2.5-5.3
0.7851
0.7


图1 弯管及取压孔示意图

图2 Φ50 Φ100 弯管试验系统示意图

图3 Φ300 弯管试验系统示意图

图4 S-(Re)特性曲线图

图5 H-特性曲线图

 

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