蒸汽和冷凝水系统手册-第4章流量计量资料

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1、4.1.1 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 4.1 流体及流动型式 343 4.1.2 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 简 介 “如果你能够测量并量化你所谈论的内容，那么你对它已有一定的了解。如果不能，你的知识仍然相 当贫乏，且难以令人满意。” 威廉 汤姆森（开尔文勋爵）1824-1907 许多工业和商业企业现在已认识到了以下工作的价值： 能源成本计算； 节能； 监测和改进设备工艺。 这些工作可以极大地提高能源效率。 蒸汽并不是最易计量的流体。本章节的目的是让大家理解精确可靠计量蒸汽流量所需的基本条件。目 前用来计量蒸汽的大部

2、分流量计最初都是设计用来计量其它流体的，很少有专门为计量蒸汽而开发的流量 计。 流体及流动的基本知识和参数 为什么计量蒸汽? 蒸汽流量计不能和其它节能设备和节能计划同样评估，蒸汽流量计是蒸汽管理的关键设备。它提供了 蒸汽用量和成本的信息，这对整个设备或楼宇的有效运行非常关键。使用蒸汽流量计的好处包括： 设备效率； 能源效率； 过程控制； 成本核算。 设备效率 高品质的流量计能够在设备的整个工作范围内监测其蒸汽用量，即从零负荷到满负荷。通过分析设备 蒸汽用量和产量的关系，可以确定设备的最佳工作点。流量计同样可以对设备的老化进行监测，这样可以 在最佳时间对设备进行清洗和更换。流量计同样可以用作：

3、记录蒸汽用量及其变化趋势； 记录峰值负荷时间； 确定工厂内主要用汽设备。 这些可能会导致生产方式的改变以确保最经济的蒸汽使用方法。同样，可以降低由于锅炉峰值负荷而 引起的问题。 能源效率 蒸汽流量计可以用来监测节能计划的效果，并且可以在相关设备之间作比较。 制程控制 高品质蒸汽流量计的输出信号可以用来控制供应给工艺制程的蒸汽用量，并显示其温度和压力的正确 性。同样，通过监测启动时的蒸汽流量，蒸汽流量计可以和控制阀相连，以达到缓慢暖管的目的。 成本核算 蒸汽流量计可以在总管或分支管道上计量蒸汽用量（进而计算蒸汽成本）。蒸汽可以作为生产工艺不 同阶段的原料进行计算，这样就可以计量出每条生产线的真正

4、成本。 为了更好地理解流量计量，就需要深入了解一些流体力学的基本知识、被测流体的物理性质以及其在 管道内的流动方式。 流体物性 每种流体都有其独特的物理性质，包括： 密度； 344 4.1.3 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 在蒸汽表里一般都提供蒸汽在不同压力和温度下的比容(Vg)，比容是指单位质量所占的体积： 比容(Vg) = 体积(V) = m3/kg 质量(m) 从上面的定义可以看出密度()和比容(Vg)互为倒数： 密度() = 比容(V g) = kg/m 3 饱和水和饱和蒸汽的密度都随着温度的变化而变化，如图4.1.1。 动力粘度； 运动粘度。 密度

5、 密度在第2章“蒸汽工程和传热”中已作了介绍，但由于它的重要性，这里再强调一下。密度()是指单 位体积(V)内物质的质量(m) (见公式2.1.2)。 式2.1.2密度() = 质量(m) kg = 1 体积(V) m3 比容(Vg) 图4.1.1 饱和水(f)和饱和蒸汽(g)的密度()随温度的变化 饱和水 饱和蒸汽 050100150200250300 050100150200250300 700 0 10 20 30 40 50 800 900 1000 温度() 温度() 注：饱和蒸汽的密度随温度上升而增加(它是一种可压缩性气体)，而饱和水的密度随温度上升而下降 (液体会膨胀)。 密度(

6、)( kg/m3)密度() (kg/m3) 345 4.1.4 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 动力黏度 动力黏度是流体抵制流动的固有特性。如果流体的动力黏度较高（如重油），那么其流动特性很差。 同样，在管道中输送高黏度的流体比低黏度的流体需要更多的能量。 测量流体黏度的方法有很多种，包括将扭矩扳手装在叶轮上并在流体中转动，或者测量流体流经固定 孔的时间。 简单的实验室设备可以用来演示黏度及其单位： 小球在重力的作用下在流体中下落。通过测量球下落的距离(d)及下落的时间(t)，可计算下落的速度 (u)。 式4.1.1 式中： = 绝对(或动力) 粘度(Pas)

7、； = 小球和流体的密度差 (kg /m3)； g = 重力加速度 (9.81 m/s2)； r = 球的半径 (m)； u = 速度 = d-小球下落的距离(m) t-下落的时间(s) 动力黏度() = 2 g r 2 9 有三点需要强调： 1. 根据公式4.1.1得出的是流体的绝对或动力黏度，其单位是帕秒(Pas)。动力黏度也可以称为 “黏性力”。 2. 上述公式的计量单位为kg/m。在将转换单位为（Pas）时必需考虑常数（公式4.1.1中的“2” 和“9”）。 3. 在有一些文章或杂志上，绝对/动力粘度的单位是厘帕（cP）：1 cP = 10-3 Pa s 例 4.1.1 直径20mm的

8、钢球（密度=7800 kg/m3），在20的油里 (密度= 920 kg/m3)，下落1米所需的时间是 0.7s。 确定油的黏度值： = 钢球密度(7800)和液体密度(920)之间的差值； g = 重力加速度 = 9.81 m/s2； r = 钢球半径 = 0.01 m； u = 速度 d = 1 = 1.43 m/s； t 0.7 动力黏度() = 2 g r2 9u ； 动力黏度() = 2 x 6880 x 9.81 x 0.012 = 1.05 Pas。 9 x 1.43 水和饱和蒸汽的动力黏度可从蒸汽性质表中查得，见图4.1.2。 346 4.1.5 第4章流量计量 章节4.1 流

9、体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 图4.1.2 不同温度下饱和水(f)和饱和水蒸汽(g)的动力黏度 运动黏度 运动黏度是流体的绝对黏度（或动力）与其密度的比值（见公式4.1.2）。 式中： = 运动黏度，单位是m2/s； = 动力黏度，单位是Pas； = 密度，单位是kg/m3。 例 4.1.2 在例4.1.1中，油的密度是920 kg/m3 - 这样可计算出它的运动： 运动黏度() = 1.05 x 10 3 = 1.14m2/s 920 雷诺数 (Re) 上述参数对流体在管道内的流动影响很大，将它们组合在一起即可得到描述流体特性的无量纲，雷诺 数(Re)。 式4.1.2运动黏度() =

10、动力黏度() x 10 3 密度() 注：饱和水的动力黏度随温度的增大而减小，而饱和蒸汽的动力黏度随温度的增大而增大。 347 动力黏度()106kg/m 动力黏度()106kg/m 4.1.6 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 式中： = 密度 (kg/m3)； u = 管道内流体的平均流速 (m/s)； D = 管道内径 (m)； = 动力黏度 (Pas)。 分析上面的公式就可以发现，所有的单位都消去了，因此雷诺数（Re）是无量纲数。 分析雷诺数的性质： 对于特定的流体，如果流速较低，那么雷诺数也较低。 如果两种流体密度相似，两者在管道内的流动速度相等，那么

11、高动力黏度的流体雷诺数较低。 对于一个给定的系统，如果管径、动力黏度保持不变（即温度也保持不变），雷诺数与速度成线性关 系。 例4.1.3 例4.1.1和4.1.2中的流体以每小时20m/s的速度在100mm直径的管内流动。 利用公式4.1.3计算雷诺数（Re） 式中： = 920 kg/m3 = 1.05 Pa s 式4.1.3 雷诺数 (Re) = u D 式4.1.3 雷诺数 (Re) = u D 图4.1.3 忽略摩擦和黏度的速度剖面图 但是，上述情况是非常理想的工况。实际上，流体的黏度和管道的摩擦一起减低管壁附近流体的速 度。这可以从图4.1.4中看出： 流动 雷诺数(Re) = 9

12、20 x 20 x 0.1 = 1752 1.05 从雷诺数的计算结果可以看出该流体处于层流状态（见图4.1.7）。 流动特性 如果忽略流体的黏度和管道摩擦力，流体流经管道时，各个断面的速度将完全一致。其“速度剖面”图 如图4.1.3所示： 348 4.1.7 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 在低雷诺数下（=2300），流体的流动一般为“层流”，即流体的运动都沿管道轴向。在这种情况 下，管道壁面的摩擦作用使管道中心的流体速度最高（见图4.1.5）。 图4.1.5 流体流动的抛物面图 流动 图4.1.4 有黏度和摩擦的流体速度分布 流动 当流体速度增加时，雷诺数

13、超过2300，流体的流动逐渐变为湍流并产生更多的漩涡，当雷诺数达到 10000时，流体的流动完全为湍流（见图4.1.6） 饱和蒸汽及其它大部分流体在管道内的流动方式都是“湍流”。 流动 图4.1.6 湍流示意图 349 4.1.8 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 图4.1.7 雷诺数 湍流区域 (Re: 高于10000) 过渡流区域 (Re: 在2300-10000之间) 层流区域 (Re: 在100-2300之间) 滞止流区域 图4.1.3到图4.1.7的示例可以帮助我们更好地理解流体在管道内的流动。但是，本书的主要目的是提供 蒸汽和水（或冷凝水）的具体信息

14、。 当同一种流体具有两种状态时，它们的特性完全不同，如前面介绍的绝对黏度()和密度()。因此，下 面的信息和饱和蒸汽系统密切相关。 例 4.1.4 10barg的饱和蒸汽以25m/s的流速在100mm的管道内流动。 计算雷诺数。 从蒸汽表中查得下列数据： 10 bar g下Tsat = 184 密度 () = 5.64 kg/m3 184时蒸汽的动力黏度() = 15.2 x 10-6 Pas 式4.1.3 雷诺数 (Re) = u D 350 4.1.9 第4章流量计量 章节4.1 流体及流动型式 蒸汽和冷凝水系统手册 式中： = 密度 = 5.64 kg/m3； u = 流体在管道内的平均

15、流速 = 25 m/s； D = 管道内径 = 100 mm = 0.1 m； = 动力黏度 = 15.2 x 10-6 Pas。 R e = 5.64 x 25 x 0.1 15.2 x 10-6 Re = 927631 = 0.9 x 106 如果饱和蒸汽系统的雷诺数（Re）小于10000，那么流体可能处于层流或过度流阶段。 在层流状态时，流体的压力降与其流量成线性关系。 当雷诺数（Re）大于10000时，流体的流动为湍流。 在湍流状态时，流体的压力降与其流量的平方根成正比。 为了精确计量蒸汽流量，一致性条件非常重要，对于饱和蒸汽通常规定其最小雷诺数为（Re）1 x 105 = 100000。 相反，当雷诺数超过（Re） 1 x 106，由于管道摩擦引起的压力损失非常明显，因此这通常也是流体流 动的最大雷诺数。 例 4.1.5 根据以上信息，计算10barg饱和蒸汽在100mm管道内湍流流动时的最大和最小流量。 式4.1.3 式中： = 密度 = 5.64 kg/m 3