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要得到蒸汽流量計(jì)的zui小流量下限雷諾數(shù),在相同口徑的條件下三種介質(zhì)的zui小流速比例約為 1:4:15。因此不能用空氣介質(zhì)條件下的體積流量范圍代表蒸汽介質(zhì)條件下的體積流量范圍。
本文是基于水、空氣、水蒸氣三種不同介質(zhì)下開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究,由公式(2-3)得到:
由上式中可以看出,發(fā)生體兩側(cè)的介質(zhì)流動(dòng)速度U1與 K 值成正比,對(duì)于不可壓縮流體由連續(xù)性方程可推導(dǎo)得到U1與管道平均流速U 的關(guān)系為:
但對(duì)于可壓縮流體公式(2-14)就不再成立,流動(dòng)過(guò)程遵循可壓縮流體的伯努利方程:
和流動(dòng)連續(xù)性方程:
以及等熵過(guò)程方程:
上述三個(gè)公式中:
κ 為可壓縮流體的等熵指數(shù);
p1和p2管道截面處和發(fā)生體兩側(cè)處的壓力 Pa;
ρ1和ρ2為管道截面處和發(fā)生體兩側(cè)處的介質(zhì)的密度 kg/m3;
由公式(2-16)得:
由公式(2-17)得:
將公式(2-18)和公式(2-19)帶入公式(2-15)得到:
整理得:
上式描述了可壓縮流體U 和U1的關(guān)系,與描述不可壓縮流體的關(guān)系式(2-14)不同,三者的關(guān)系還和被測(cè)介質(zhì)的等熵指數(shù),壓力P1,密度ρ1相關(guān)。被測(cè)介質(zhì)的流量是由管道平局流速U 所反映出來(lái),而壓縮空氣流量計(jì)所檢測(cè)到的旋渦所表示的流速是旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平局流速U1。以下分析給出了由于流體的壓縮性所引起的U1的差異性,即采用不可壓縮流體水作為介質(zhì)對(duì)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行檢定,而實(shí)際應(yīng)用子可壓縮流體所引起的計(jì)量偏差。
公式(2-20)中 m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比,按照蒸汽流量計(jì)的通用設(shè)計(jì),對(duì)三角柱形發(fā)生體,在 d D=0.28 時(shí)旋渦發(fā)生的頻率信號(hào)zui強(qiáng),取 d D=0.28,根據(jù) m 的計(jì)算公式(2-4)得:
水為不可壓縮流體,可按照公式(2-14)計(jì)算得到U1水。
空氣和蒸汽為可壓縮流體,由公式(2-20)可得到工況下的U1空氣、U1蒸汽 ,與按照不可壓縮流體公式(2-14)得到的U1比較,可計(jì)算分析得到由于介質(zhì)的可壓縮性帶來(lái)的計(jì)量偏差。
實(shí)驗(yàn)條件下空氣、蒸汽、水為測(cè)試流體介質(zhì)時(shí),各測(cè)試條件參數(shù)如表 2-4所列:
將上述參數(shù)帶入公式(2-20)中,采用matlab對(duì)公式進(jìn)行分析計(jì)算,得到U1空氣、U1蒸汽 ,隨U變化的數(shù)值,并通過(guò)公式(2-13)得到的U1隨U變化的數(shù)值,設(shè)定入口速度U ,得到的數(shù)值如表2-5所示:
計(jì)算空氣和蒸汽介質(zhì)可壓縮性引起U1的速度偏差如公式(2-22)和公式(2-23)所示:
上表的后兩列分別表示了空氣、蒸汽由于可壓縮性而引入的計(jì)量偏差,其誤差曲線如圖 2-8 所示。
由數(shù)據(jù)圖 2-3 和表 2-5 可以得出,相同管道平均流速U的條件下,可壓縮介質(zhì)發(fā)生體兩側(cè)的流速均比不可壓縮流體的流速U1大,并且隨U 的增大,引起的差值增大,U1的相對(duì)偏差也越來(lái)越大。在流速為 50 m/s 時(shí)空氣由于可壓縮性可引起 1.54%的偏差,水蒸汽由于可壓縮性可引起 0.68%的偏差,空氣造成的計(jì)量偏差要大于蒸汽介質(zhì),因此在蒸汽流量計(jì)的使用中需要考慮可壓縮介質(zhì)引起的影響。
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