[摘要]針對(duì)目前教材中節(jie)流式流量計
原(yuan)理存在的問題(ti),詳細分析了節(jie)流現象,推導了(le)節流裝置的流(liu)量測量原理,并(bìng)比較了孔闆流(liú)量計、文丘裏流(liú)量計和轉子👈流(liu)量✉️計對于流量(liang)測量的異同👄點(diǎn)，以期糾正錯誤(wù)概念,引導學生(shēng)正确理解節流(liu)原理來解決相(xiang)關問題。
流量是(shi)化學工業生産(chǎn)過程和科學實(shi)驗中的重要參(can)數,物料流動介(jiè)質的流動、配比(bi)和輸送,都離不(bú)開流量的測量(liang)和控制。測量流(liu)量的方法和儀(yi)表很多,按作用(yòng)原理分有:節流(liu)🎯式流量😍計、容積(jī)式流量計、質量(liàng)式流量計等。其(qi)中，節流式流量(liang)計是使用曆史(shǐ)悠久的一種流(liu)量計,也是目前(qian)工業生産♻️中應(yīng)用最廣的一種(zhong)流量❤️測量儀表(biǎo)。
節流式流量計(ji)由節流裝置和(hé)壓差計所組成(cheng)，是利🌏用流體流(liú)🧑🏾🤝🧑🏼經節流裝置時(shí)産生的壓力差(cha)來實現.流量測(ce)量的✏️。通用的節(jiē)流裝置有孔闆(pan)、噴嘴、文丘裏管(guǎn)💔和文丘裏噴嘴(zuǐ)等。如圖🔴1所示噴(pēn)嘴,當連續流動(dòng)的流體經過管(guǎn)道内的節流裝(zhuāng)置時,流通面積(jī)突然縮小，流體(tǐ)的流速增大,擠(ji)過節流孔,形成(cheng)流束收縮。流體(tǐ)擠過節流孔後(hou)🆚,流通面積增大(da),流速降低。通常(cháng)🛀認爲,在這一過(guo)程中，節流裝置(zhì)前後的流體靜(jìng)壓力産生差👨❤️👨異(yì),形成靜壓差,該(gai)🏒靜壓差是因流(liú)道縮小引起動(dòng)能增大造成的(de),此即爲🈲節流現(xiàn)🈚象。
針對目前教(jiao)材和文獻資料(liao)中對于節流流(liu)量計原理存在(zài)🏒的問題,文章将(jiāng)詳細分析節流(liú)現象,并推導節(jie)流裝置的流量(liang)測量原量,以期(qi)糾正錯誤概念(nian)，以正确理😄解和(he)運用節流原理(lǐ)分析和解決相(xiang)
節流裝置本質(zhi)上是一種擾流(liu)元件,其作用是(shi)通過流🐉道的變(bian)化千擾流體流(liu)動,産生局部阻(zǔ)力，從而消🌍耗了(le)流體的機械能(néng)⭐,表現爲節流裝(zhuang)置前後出現壓(yā)差。當流體流速(su)🌏越大,則📞擾動作(zuo)💔用越強,局部阻(zǔ)力損失引起的(de)機械能消耗越(yuè)大,對于文丘裏(li)流量計或孔闆(pǎn)流量計來說,其(qí)壓差計指示值(zhí)就🈲越大。即:
可見(jiàn),壓差的産生是(shì)由于局部阻力(li)損失造成的,而(er)不是因流道變(biàn)化由動能轉換(huan)而來的。那麽，壓(ya)差指示值指示(shì)的是否是靜壓(ya)力呢?我們先看(kàn)一看U型壓差計(jì)的測壓原理。如(ru)圖2所示。U型壓差(cha)計測量均勻管(guǎn)内流體作定态(tai)流動時1、2兩點的(de)壓差。
ρi----U型壓差計(ji)中指示液的密(mì)度
R----U型壓差計的(de)指示值
(注:p和P意(yi)義不同,前者表(biǎo)示靜壓強,後者(zhě)表示虛拟壓強(qiáng),以下同)
可見,U型(xíng)壓差計指示值(zhí)R并不表示靜壓(ya)差,而是A、B兩點的(de)虛拟壓差📱△P,即總(zǒng)勢能差。隻有A.B兩(liang)點等高時,U型壓(yā)差計指示值R才(cái)是靜壓差。
由此(cǐ),我們利用上述(shù)結論,以孔闆流(liú)量計爲例來推(tui)導‼️流量測💛量原(yuan)理,如圖3所示。
其(qí)中:
ζ---局部阻力系(xì)數
Ci---以管道截面(miàn)積計算流量的(de)流量系數
C0---ƒf(Rea,m)-以孔(kong)口截面積計算(suàn)流量的流量系(xi)數
在推導孔闆(pan)流量計測量原(yuan)理時，假定1.2截面(miàn)機械能守恒，即(ji)
這種假設顯然(ran)是不合理的,因(yin)爲機械能守恒(héng),隻有在靜止流(liu)🈲體或阻力損失(shī)極小到可以忽(hū)略的情況下才(cai)成立,而此時U型(xíng)㊙️壓差✉️計的指示(shì)必爲零。節流裝(zhuang)置的測量原理(li)🚩在于:通過節流(liú)裝置幹擾流體(tǐ)流動,産生局部(bu)阻力,從而消耗(hao)了流體的機械(xie)🌈能,在等徑管中(zhōng),表現爲總勢能(néng)的減🌈小,而U型管(guǎn)壓😍差計指示的(de)恰是總勢能差(cha)的變化。當流體(ti)流速越大,則擾(rǎo)🏒動作用越強,局(ju)☂️部阻力損失引(yǐn)起的機械能消(xiāo)耗越大,壓差計(jì)指示值就越大(da),因此U型壓差指(zhi)示值正比于流(liú)量大小。
文丘裏(lǐ)流量計的測量(liàng)原理與孔闆流(liu)量計相同,隻是(shì)由于文丘㊙️裏流(liú)量計的節流結(jie)構采用了漸縮(suo)漸♌擴管,對流體(ti)擾🈚動較平緩,避(bì)免了孔闆流量(liang)計因突然縮小(xiao)和突然擴大造(zào)成嚴重的局部(bù)阻力損失，因而(er)能量消耗小。
對(duì)于轉子流量計(jì),其流量測量方(fang)式雖與孔闆流(liú)量計和文丘裏(lǐ)🔱流量計略有差(chà)異,但本質上仍(reng)是采用節流裝(zhuang)置一轉⚽子進行(hang)擾流(如圖4所示(shì))，産生局部阻力(lì),使機械能損失(shī),表現爲截面🔞1和(hé)2之間虛拟壓強(qiang)差的減小,産生(sheng)了對轉子有向(xiàng)上推.動作用的(de)升力,即曳力。該(gai)升力🍓大小與轉(zhuan)子自身重量相(xiang)等時,轉子則保(bǎo)持平衡,即:
轉子(zǐ)重力=轉子所受(shou)曳力
其中:
A2,A1---轉子(zǐ)上、下表面截面(miàn)積
Aƒ---轉子投影截(jie)面積
Vƒ---轉子體積(jī)
ρƒ--轉子密度
CR一以(yǐ)轉子上表面處(chù)的管道截面積(jī)計算的流量系(xì)數💁
準确地說,産(chǎn)生轉子上下端(duān)面的曳力是虛(xu)拟壓差P1-P2,而虛拟(ni)壓強差産生的(de)原因主要是由(you)于節流元件對(duì)流✊體進行幹🤟擾(rao)而造成的局部(bu)阻力損失引起(qǐ)的,與位差🥵無關(guān),而🚶♀️動能差
與局(jú)部阻力損失相(xiang)比可以忽略。
關(guān)于轉子流量計(jì)的推導是從機(ji)械能守恒人手(shǒu)的💃，即⛷️
這顯然不(bu)合理，節流元件(jian)的作用就是對(dui)流體.流動産生(shēng)擾動,造🏃♂️成局部(bù)阻力損失,形成(chéng)轉子上下截面(mian)間的虛拟壓強(qiang)差,由此産🔴生向(xiàng)上升力(曳力)。機(ji)械能守恒隻有(you)在靜止流體🌈中(zhong)或阻力損失✨極(ji)小以至可以忽(hū)略的情況下才(cai)成立。此時,轉子(zi)受到的向上的(de)💃🏻升力(曳力)爲零(ling),因而必然在重(zhòng)力作用下下沉(chén)至玻管底部。
轉(zhuǎn)子與其他節流(liú)裝置不同的是(shi),其位置不固定(ding),可以自由移⭐動(dong)。當流速增大時(shi),轉子在原位置(zhì)對流體造成的(de)局部阻🛀力損失(shi)必然增大,引起(qǐ)1-2截面間的虛拟(ni)壓強差增大。對(duì)轉子而言,虛拟(ni)壓強差形成的(de)向上曳力增大(dà),大于轉子重力(lì),轉子原位置🤞的(de)力平衡被破壞(huai),因而在向上的(de)曳力作用下在(zai)漸擴的管道中(zhōng)向上運動,直到(dao)在新位置中因(yīn)流道擴大使流(liú)速降低,對流體(ti)擾動造成的局(jú)部阻力引起的(de)曳力降低到與(yǔ)原平衡位置下(xià)相等時,轉子在(zai)新位置下其所(suǒ)受曳力Aƒ(P1-P2)與重力(li)ρƒrgVƒ相等,重新實現(xiàn)力平衡而保持(chí)穩定。
将文丘裏(lǐ)流量計、孔闆流(liu)量計和轉子流(liu)量計相比較,可(ke)以看出🙇♀️它們之(zhī)間的異同,相同(tóng)點是:它們均是(shi)節流🐇元件或稱(cheng)擾流元件,可以(yi)對流體流動産(chǎn)生幹🈲擾,造成🆚流(liú)體局部阻力能(néng)量損失。流速越(yuè)大,則千擾作用(yong)越強,局部阻力(li)損失引起的能(néng)量消越大。不同(tóng)點是:前者的節(jiē)流裝置是固定(dìng)不動的，節流元(yuan)件前後因局部(bù)阻力損失引起(qǐ)的壓降(虛拟壓(yā)強差)可以通過(guo)外置的U型壓差(chà)計指示出來。流(liu)速越大,阻力損(sǔn)失越大,則壓降(jiàng)越大☎️,U型壓差計(ji)的指示值也越(yuè)大，由此指示流(liú)體流量的大小(xiao)。後者的節流元(yuan)件一轉子其位(wei)置是不固定💃的(de),可以在由下而(ér)上漸擴的管道(dào)🥵中自由運動,局(jú)部阻力造成的(de)壓差(虛拟壓強(qiáng)差)對轉子🐪形成(cheng)向上的曳力,當(dāng)曳力與轉子重(zhong)力相等時,轉子(zǐ)保持平衡。當流(liu)速增大，則局部(bù)阻力損失形成(cheng)的壓差增大,轉(zhuan)子所受的上升(sheng)力增大,轉子向(xiàng).上運動,直至在(zài)新位置上達到(dao)平衡⭕。流速越大(dà),則轉子受到的(de)🤞上升力越大,其(qí)上升的高度也(ye)越大㊙️,直至實現(xiàn)新平衡。由此,轉(zhuǎn)子通過在🏃♀️漸擴(kuo)
管中的平衡位(wei)置指示流量大(dà)小。
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