气体流量的测量和计算技术

时间：2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：气体流量是压缩机性能试验测量中的一项重要参数。气体流量的大小，在离心压缩机装置中一般采用如图8-2所示的孔板流量测量装置。孔板流量测量装置是利用气流通过节流孔板后的速度增高，所引起的孔板前后压力差Δp来测量流量。在管内孔板设计时，孔板比应不超过0.8，否则容易引起流量系数α的不稳定。

气体流量的测量和计算技术

气体流量是压缩机性能试验测量中的一项重要参数。气体流量的大小，在离心压缩机装置中一般采用如图8-2所示的孔板流量测量装置。其中图8-2a所示为将孔极设置在吸气管道的进气端，称为端孔板流量测量装置。图8-2b所示为设置在压缩机后的输气管道中的孔板，称为管内孔板流量测量装置。孔板流量测量装置是利用气流通过节流孔板后的速度增高，所引起的孔板前后压力差Δp来测量流量。随着流量越大，压力差Δp也就越高。流量大小可按下列关系式进行计算：

式中 α——流量系数；

e——可压缩性修正值；

d——孔板的孔径（m）；

ρ_前——孔板前的气体密度（kg/m³），；

Δ_p——孔板前后的压力差（mmH₂O或kgf/m²）。

图8-2 孔板流量测量装置简图

a）端孔板 b）管内孔板

（1）端孔板流量测量装置在离心压缩机性能试验中，端孔板广泛地用于测量压缩机的进口流量，这种测量装置的显著优点是端孔板前的气体状态参数ρ_前=ρ大气等不受压缩机试验时工况变化的影响。因此，它在试验工况变化后，可以比较迅速而稳定地测量出压缩机流量的大小。此外，它还具有结构简单、测量方便的特点。端孔板的流量系数α为

α=α₀β_Reβ_边

式中 α₀——端孔板的原始流量系数，α₀可表示为

D——管道内径（m）；

β_Re、β_边——流动判别数修正值及进口边缘尖锐度的修正值。若管道流动判别数

Re＞55000及管道内径D≥0.25m，则β_Re=β_边=1。

这里所讨论的管道流动判别数Re可表示为

其中，动力黏度（通称为黏度）10⁶μ可从图6-5查取。管道流动判别数Re＞55000的情况，就相当于在管道内径D=0.25m、空气温度为25℃的空气的质量流量q_m＞0.2kg/s时的情况。

关于端孔板的孔径比应不大于0.85～0.9，否则会引起流量系数α值的不稳定。

端孔板的可压缩性修正值e可表示为

在气体等熵指数K=1.4时，可表示为

（2）管内孔板流量测量装置管内孔板是用于测量各种流体（气体、液体）流量的一种应用非常广泛的流量测量装置。在离心压缩机装置中，这种管内孔板一般是设置在压缩机后，输往空气装置的输气管道中，用以测量压缩机运转时输往空分装置的实际流量q_m实。这种测量方法的研究工作做得比较完整，它可以在比较大的流量变化范围内进行测量工作。

管内孔板的流量系数α可表示为

α=α₀β_Reβ_粗β_边

式中 α₀——管内孔板的原始流量系数，如图8-3和表8-1所示，可按孔径比的大小查取（D为管道内径，d为孔板的孔径）；

β_Re——流量判别数修正值，图8-4所示为不同孔径比时的临界流动判别数

Re_临界；在一般情况下，管道流动判别数Re=m≥Re_临界，这时β_Re=1；如果Re=＜Re_临界，则可按图8-5查取不同孔径比和Re数时的流动判别数修正值β_Re；

β_粗——管壁粗糙度影响的修正值，在管径D＞0.3m的情况下，β_粗=1，当管径D＜0.3m时，β阻值可以从图8-6查取；

β_边——孔板的进口边缘的尖锐度修正值，在管径D≥0.3m时，可认为β_边=1，对于管径D≤0.3m时，可按图8-7查取。

在管内孔板设计时，孔板比应不超过0.8，否则容易引起流量系数α的不稳定。

管内孔板的可压缩性修正值e可表示为

式中 K——气体等熵指数。

图8-3 管内孔板的原始流量系数α0

当K=1.4时可表示为

e值还有其他经验公式，如（日本）公式为

其中，；p₂为孔板后压力；p₁为孔板前压力。

图8-4 管内孔板的临界流动判别数Re临界

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图8-5 管内孔板的流动判别数修正值βRe

图8-6 管内孔板管壁粗糙度修正值β粗

图8-7 管内孔板进口边缘尖锐度修正值β边

（3）孔板孔径d的计算在进行孔板孔径d的计算时，应预先知道管道内径D（m），质量流量q_m（kg/s），孔板前的气流压力p_前（kgf/m²），孔板前的气流温度t_前，孔板前的气流密度（kg/m³）和预先估计的孔板前后压力差Δp（Pa）。为了保证流量测量的精确性，在设计流量时孔板压力差Δp一般可取为Δp=2500～5000Pa，在孔板孔径比允许的条件下，压力差Δp可选用其中较小值，以减少气流流过测量装置的流动阻力损失。

表8-1 管内孔板的原始流量系数（α₀）

注：如给出D=0.254m，d=0.1432m，=0.5638。按表可得0.5611＜＜0.5649，因此α₀=0.638。

1）端孔板孔径d的计算。当管道流动判别数＞55000及管道内径D≥0.25m时，端孔板的流量系数α=α₀≈0.6，流量q_m（kg/s）可表示为

按照式（8-7）可以推导得出端孔板的孔径d（m）为

其中，可压缩性修正值e=1-0.312（K=1.4）。

2）管内孔板孔径d的计算。可以从流量计算式（8-1）推导出下列关系：

由于在一般情况下，α≈α₀，e≈1-0.312，因此可将式（8-9）近似地表示为

这样，就可以在知道q_m、D、ρ_前、Δ_p和p_前参数的条件下，求出系数=的值。然后可按照图8-8所示的与孔径比的关系曲线，由值的大小查出求取的孔径比，进而求得孔径。

图8-8 系数与孔径比的关系曲线

（4）压缩机装置的实际输出气量q_m实和压缩机的工作气量q_m工作在空气压缩机流量测量过程中，存在着压缩机高压密封端的气体漏出和低压密封端的气体漏入等漏气问题。低压端密封的漏入气量一般情况下都比较小，可以忽略不计；而高压端密封的气体漏出量，则应按计算出来的漏气量q_m漏加以考虑。因此，压缩机装置的实际输出气量q_m实（kg/s）和压缩机的工作气量q_m工作（kg/s）可表示为如下。

用端孔板测得气量为q_m端时

q_m实=q_m端-q_m漏

q_m工作=q_m端

用压缩机后的输气管道的管内孔板测得气量为q_m管内，有

q_m实=q_m管内

q_m工作=q_m管内+q_m漏

[例题8-1] DA200-61型压缩机试验用的端孔板孔径计算。

已知：质量流量q_m=3.833kg/s；大气密度ρ_B=1.141kg/m³；大气压力p_B=10150kgf/m²；管道直径D=0.450m；大气温度t_B=250℃；端孔板压力差Δp=300kgf/m²