蒸汽和冷凝水系统手册-第4章流量计量

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3434.1.2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：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；3444.1.3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(ρ)和比容(Vg)互为倒数：密度(ρ)=比容(Vg)=kg/m3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(ρ)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(ρ)=质量(m)kg=1体积(V)m3比容(Vg)图4.1.1饱和水(ρf)和饱和蒸汽(ρg)的密度(ρ)随温度的变化饱和水饱和蒸汽050100150200250300050100150200250300700010203040508009001000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(ρ)(kg/m3)密度(ρ)(kg/m3)3454.1.4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：µ=绝对(或动力)粘度(Pa·s)；∆ρ=小球和流体的密度差(kg/m3)；g=重力加速度(9.81m/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(µ)=2∆ρgr29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(Pa·s)。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（Pa·s）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）：1cP=10-3Pas例4.1.1直径20mm的钢球（密度=7800kg/m3），在20℃的油里(密度=920kg/m3)，下落1米所需的时间是0.7s。确定油的黏度值：∆ρ=钢球密度(7800)和液体密度(920)之间的差值；g=重力加速度=9.81m/s2；r=钢球半径=0.01m；u=速度d=1=1.43m/s；t0.7动力黏度(µ)=2∆ρgr29u；动力黏度(µ)=2x6880x9.81x0.012=1.05Pas。9x1.43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。3464.1.5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4.1.2不同温度下饱和水(µf)和饱和水蒸汽(µg)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：υ=运动黏度，单位是m2/s；µ=动力黏度，单位是Pa·s；ρ=密度，单位是kg/m3。例4.1.2在例4.1.1中，油的密度是920kg/m3-这样可计算出它的运动：运动黏度(υ)=1.05x103=1.14m2/s920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(υ)=动力黏度(µ)x103密度(ρ)������������������������������������������������������������������������������������������������������������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(μ)×10－6kg/m动力黏度(μ)×10－6kg/m4.1.6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：ρ=密度(kg/m3)；u=管道内流体的平均流速(m/s)；D=管道内径(m)；µ=动力黏度(Pa·s)。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：ρ=920kg/m3µ=1.05Pas式4.1.3雷诺数(Re)=ρuDµ式4.1.3雷诺数(Re)=ρuDµ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)=920x20x0.1=17521.05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：3484.1.7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3494.1.8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。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(µ)和密度(ρ)。因此，下面的信息和饱和蒸汽系统密切相关。例4.1.410barg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：10barg下Tsat=184℃密度(ρ)=5.64kg/m3184℃时蒸汽的动力黏度(µ)=15.2x10-6Pa·s式4.1.3雷诺数(Re)=ρuDµ3504.1.9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：ρ=密度=5.64kg/m3；u=流体在管道内的平均流速=25m/s；D=管道内径=100mm=0.1m；µ=动力黏度=15.2x10-6Pa·s。Re=5.64x25x0.115.2x10-6Re=927631=0.9x106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）1x105=100000。相反，当雷诺数超过（Re）1x106，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：ρ=密度=5.64kg/m3Vg=1=0.177m3/kg；5.64u=管道内的平均速度m/s；D=管道直径=100mm(0.1m)；µ=动力黏度=15.2x10-6Pa·s。在湍流流动的最低点，雷诺数为1x105。Re=5.64xux0.1=1x10515.2x10-6U=1x105x15.2x10-6=2.695m/s5.64x0.1体积流量可根据公式4.1.4计算式4.1.4式4.1.5式中:qv=体积流量(m3/s)；A=管道流通面积(m2)；u=速度(m/s)。质量流量可根据公式4.1.5和4.1.6计算。qv=Auqm=qvVg雷诺数(Re)=ρuDµ3514.1.10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4.1.6式中:qm=质量流量(kg/s)；qv=体积流量(m3/s)；vg=比容(m3/kg)。根据公式4.1.4和4.1.5可以推导出公式4.1.6：式中:qm=质量流量(kg/s)；A=管道流通面积(m2)；u=速度(m/s)；vg=比容(m3/kg)。返回公式4.1.5，并将计算值代入公式4.1.6：qm=AuA=πD2Vg4qm=πD2u4Vgqm=πx0.12x2.695=430kg/h(0.120kg/s)4x0.177同样，对于湍流流动的最大雷诺数，Re=1x106Re=5.64xux0.1=1