[摘要]針對(duì)目前教材中節(jié)流式流量計(jì)原理存在的問(wèn)題,詳細(xì)分析了節(jié)流現(xiàn)象,推導(dǎo)了節(jié)流裝置的流量測(cè)量原理,并比較了孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)于流量測(cè)量的異同點(diǎn)，以期糾正錯(cuò)誤概念,引導(dǎo)學(xué)生正確理解節(jié)流原理來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。
流量是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù),物料流動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)、配比和輸送,都離不開流量的測(cè)量和控制。測(cè)量流量的方法和儀表很多,按作用原理分有:節(jié)流式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、質(zhì)量式流量計(jì)等。其中，節(jié)流式流量計(jì)是使用歷史悠久的一種流量計(jì),也是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的一種流量測(cè)量?jī)x表。
節(jié)流式流量計(jì)由節(jié)流裝置和壓差計(jì)所組成，是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn).流量測(cè)量的。通用的節(jié)流裝置有孔板、噴嘴、文丘里管和文丘里噴嘴等。如圖1所示噴嘴,當(dāng)連續(xù)流動(dòng)的流體經(jīng)過(guò)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí),流通面積突然縮小，流體的流速增大,擠過(guò)節(jié)流孔,形成流束收縮。流體擠過(guò)節(jié)流孔后,流通面積增大,流速降低。通常認(rèn)為,在這一過(guò)程中，節(jié)流裝置前后的流體靜壓力產(chǎn)生差異,形成靜壓差,該靜壓差是因流道縮小引起動(dòng)能增大造成的,此即為節(jié)流現(xiàn)象。
針對(duì)目前教材和文獻(xiàn)資料中對(duì)于節(jié)流流量計(jì)原理存在的問(wèn)題,文章將詳細(xì)分析節(jié)流現(xiàn)象,并推導(dǎo)節(jié)流裝置的流量測(cè)量原量,以期糾正錯(cuò)誤概念，以正確理解和運(yùn)用節(jié)流原理分析和解決相
節(jié)流裝置本質(zhì)上是一種擾流元件,其作用是通過(guò)流道的變化千擾流體流動(dòng),產(chǎn)生局部阻力，從而消耗了流體的機(jī)械能,表現(xiàn)為節(jié)流裝置前后出現(xiàn)壓差。當(dāng)流體流速越大,則擾動(dòng)作用越強(qiáng),局部阻力損失引起的機(jī)械能消耗越大,對(duì)于文丘里流量計(jì)或孔板流量計(jì)來(lái)說(shuō),其壓差計(jì)指示值就越大。即:
可見(jiàn),壓差的產(chǎn)生是由于局部阻力損失造成的,而不是因流道變化由動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。那么，壓差指示值指示的是否是靜壓力呢?我們先看一看U型壓差計(jì)的測(cè)壓原理。如圖2所示。U型壓差計(jì)測(cè)量均勻管內(nèi)流體作定態(tài)流動(dòng)時(shí)1、2兩點(diǎn)的壓差。
ρi----U型壓差計(jì)中指示液的密度
R----U型壓差計(jì)的指示值
(注:p和P意義不同,前者表示靜壓強(qiáng),后者表示虛擬壓強(qiáng),以下同)
可見(jiàn),U型壓差計(jì)指示值R并不表示靜壓差,而是A、B兩點(diǎn)的虛擬壓差△P,即總勢(shì)能差。只有A.B兩點(diǎn)等高時(shí),U型壓差計(jì)指示值R才是靜壓差。
由此,我們利用上述結(jié)論,以孔板流量計(jì)為例來(lái)推導(dǎo)流量測(cè)量原理,如圖3所示。
其中:
ζ---局部阻力系數(shù)
Ci---以管道截面積計(jì)算流量的流量系數(shù)
C0---ƒf(Rea,m)-以孔口截面積計(jì)算流量的流量系數(shù)
在推導(dǎo)孔板流量計(jì)測(cè)量原理時(shí)，假定1.2截面機(jī)械能守恒，即
這種假設(shè)顯然是不合理的,因?yàn)闄C(jī)械能守恒,只有在靜止流體或阻力損失極小到可以忽略的情況下才成立,而此時(shí)U型壓差計(jì)的指示必為零。節(jié)流裝置的測(cè)量原理在于:通過(guò)節(jié)流裝置干擾流體流動(dòng),產(chǎn)生局部阻力,從而消耗了流體的機(jī)械能,在等徑管中,表現(xiàn)為總勢(shì)能的減小,而U型管壓差計(jì)指示的恰是總勢(shì)能差的變化。當(dāng)流體流速越大,則擾動(dòng)作用越強(qiáng),局部阻力損失引起的機(jī)械能消耗越大,壓差計(jì)指示值就越大,因此U型壓差指示值正比于流量大小。
文丘里流量計(jì)的測(cè)量原理與孔板流量計(jì)相同,只是由于文丘里流量計(jì)的節(jié)流結(jié)構(gòu)采用了漸縮漸擴(kuò)管,對(duì)流體擾動(dòng)較平緩,避免了孔板流量計(jì)因突然縮小和突然擴(kuò)大造成嚴(yán)重的局部阻力損失，因而能量消耗小。
對(duì)于轉(zhuǎn)子流量計(jì),其流量測(cè)量方式雖與孔板流量計(jì)和文丘里流量計(jì)略有差異,但本質(zhì)上仍是采用節(jié)流裝置一轉(zhuǎn)子進(jìn)行擾流(如圖4所示)，產(chǎn)生局部阻力,使機(jī)械能損失,表現(xiàn)為截面1和2之間虛擬壓強(qiáng)差的減小,產(chǎn)生了對(duì)轉(zhuǎn)子有向上推.動(dòng)作用的升力,即曳力。該升力大小與轉(zhuǎn)子自身重量相等時(shí),轉(zhuǎn)子則保持平衡,即:
轉(zhuǎn)子重力=轉(zhuǎn)子所受曳力
其中:
A2,A1---轉(zhuǎn)子上、下表面截面積
Aƒ---轉(zhuǎn)子投影截面積
Vƒ---轉(zhuǎn)子體積
ρƒ--轉(zhuǎn)子密度
CR一以轉(zhuǎn)子上表面處的管道截面積計(jì)算的流量系數(shù)
準(zhǔn)確地說(shuō),產(chǎn)生轉(zhuǎn)子上下端面的曳力是虛擬壓差P1-P2,而虛擬壓強(qiáng)差產(chǎn)生的原因主要是由于節(jié)流元件對(duì)流體進(jìn)行干擾而造成的局部阻力損失引起的,與位差無(wú)關(guān),而動(dòng)能差
與局部阻力損失相比可以忽略。
關(guān)于轉(zhuǎn)子流量計(jì)的推導(dǎo)是從機(jī)械能守恒人手的，即
這顯然不合理，節(jié)流元件的作用就是對(duì)流體.流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng),造成局部阻力損失,形成轉(zhuǎn)子上下截面間的虛擬壓強(qiáng)差,由此產(chǎn)生向上升力(曳力)。機(jī)械能守恒只有在靜止流體中或阻力損失極小以至可以忽略的情況下才成立。此時(shí),轉(zhuǎn)子受到的向上的升力(曳力)為零,因而必然在重力作用下下沉至玻管底部。
轉(zhuǎn)子與其他節(jié)流裝置不同的是,其位置不固定,可以自由移動(dòng)。當(dāng)流速增大時(shí),轉(zhuǎn)子在原位置對(duì)流體造成的局部阻力損失必然增大,引起1-2截面間的虛擬壓強(qiáng)差增大。對(duì)轉(zhuǎn)子而言,虛擬壓強(qiáng)差形成的向上曳力增大,大于轉(zhuǎn)子重力,轉(zhuǎn)子原位置的力平衡被破壞,因而在向上的曳力作用下在漸擴(kuò)的管道中向上運(yùn)動(dòng),直到在新位置中因流道擴(kuò)大使流速降低,對(duì)流體擾動(dòng)造成的局部阻力引起的曳力降低到與原平衡位置下相等時(shí),轉(zhuǎn)子在新位置下其所受曳力Aƒ(P1-P2)與重力ρƒrgVƒ相等,重新實(shí)現(xiàn)力平衡而保持穩(wěn)定。
將文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)相比較,可以看出它們之間的異同,相同點(diǎn)是:它們均是節(jié)流元件或稱擾流元件,可以對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生干擾,造成流體局部阻力能量損失。流速越大,則千擾作用越強(qiáng),局部阻力損失引起的能量消越大。不同點(diǎn)是:前者的節(jié)流裝置是固定不動(dòng)的，節(jié)流元件前后因局部阻力損失引起的壓降(虛擬壓強(qiáng)差)可以通過(guò)外置的U型壓差計(jì)指示出來(lái)。流速越大,阻力損失越大,則壓降越大,U型壓差計(jì)的指示值也越大，由此指示流體流量的大小。后者的節(jié)流元件一轉(zhuǎn)子其位置是不固定的,可以在由下而上漸擴(kuò)的管道中自由運(yùn)動(dòng),局部阻力造成的壓差(虛擬壓強(qiáng)差)對(duì)轉(zhuǎn)子形成向上的曳力,當(dāng)曳力與轉(zhuǎn)子重力相等時(shí),轉(zhuǎn)子保持平衡。當(dāng)流速增大，則局部阻力損失形成的壓差增大,轉(zhuǎn)子所受的上升力增大,轉(zhuǎn)子向.上運(yùn)動(dòng),直至在新位置上達(dá)到平衡。流速越大,則轉(zhuǎn)子受到的上升力越大,其上升的高度也越大,直至實(shí)現(xiàn)新平衡。由此,轉(zhuǎn)子通過(guò)在漸擴(kuò)
管中的平衡位置指示流量大小。
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