流量计之量测原理应用Word文档下载推荐.docx
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設
(3)
則
(4)
根據質量流量守恆
u1ρA1=u2ρA2(5)
u1=u2(A2/A1)(6)
其中A1:
點1處截面積(m2)
A2:
細腰管喉口截面積(m2)
ρ:
流體密度(kg/m3)
定義噴喉直徑(D2)與管內徑(D1)之比值為β,即
,則
u1=u2β2(7)
式(7)帶入式(4),
(8)
設
,Cv為一修正常數,則
(9)
差壓計測量兩點間之壓降(-∆P)可由差壓計讀出,其關係如式(10):
-∆P=P1-P2=(ρm-ρ)g∆h(10)
其中∆h:
壓差計讀數高度差(m)
ρm:
差壓計填充液的密度(kg/m3)
流體密度(kg/m3)
式(9)簡化為
(11)
(3)孔口流量計(Orificeflowmeter)
孔口流量計或稱小孔計,結構上為一差壓式流量計,主要部分為平板上之小孔,其構造及按裝最為簡單,因此是最普遍被採用的流量計。
流體流經孔口計時有收縮現象,面積最小處(點2)一般距孔口板(點0)下流約一倍或兩倍管徑,此點稱為束縮面積(venacontracta,A2),位於壓力計接口正上方。
圖3孔口流量計構造
孔口流量計壓差的產生,係流體流經孔口時,流經截面突然縮小,壓力值突然降低,之後通過的截面積又回復到原來大小,同時壓力漸漸回升,但已無法完全恢復到原來的壓力值,如圖3所示,流體流經孔口會有壓力落差(Pressuredrop),壓力落差的平方根與流體的流量成正比。
圖4孔口板管線靜壓分佈圖
點1至點2之流動頗似文氏計,一般而言,束縮面積不易測定,該處之流體速度亦不易計算。
孔口流速(u0)可由u0代替u2,其誤差以放洩常數C0替代Cv,另定義孔口口徑(D0)對管內徑的比值
,則式(4)改寫成
(12)
故得
(13)
(14)
由實驗知,放洩係數C0與雷諾數有關,當Re>20,000時,C0約為0.61;
當Re<20,000時,C0則必須由實驗決定。
(4)水平直管的摩擦損失
不可壓縮流體在一直圓管內流動時的表面摩擦損失(Skinfrictionloss),可由式(15)計算得之:
(15)
D:
管徑(m)
f:
泛寧摩擦因數(fanning'
sfrictionfaction)
L:
管長(m)
(16)
合併(10)、(15)、(16)式
(17)
上式中ρm、ρ、D、L及黏度μ皆可由實驗測得。
由式(16)得:
(18)
(5)閥附件的摩擦損失
流體流經管件的摩擦損失為:
(19)
式中Leq為管閥件之相當管長(EquivalentLength),表此管閥件之摩擦阻力約當於多長直管長度所造成之摩擦阻力,理論值可由相關書籍查得,代入(15)式可得管閥件之摩擦損失,總管長(L)應為該系統直管長度及文獻上管/閥件相當管長的總和。
(6)擴大及縮小之摩擦損失
擴大及縮小摩擦損失如式(20)與式(22)或可由式(19)以相當管長求出。
圖5管截面突然擴大
圖6管截面突然縮小
擴大:
管流之擴大損耗(EnlargementLoss)隨擴大之方式而異,如管流逐漸擴大,則流體所受動力損耗甚微。
若管流突然擴大,則流體發生渦旋現象,流體之損耗能量頗大,此擴大損耗可由式(20)計算:
(20)
(21)
其中A1、A2
:
較小管與較大管之截面積(m2)
Ke
擴大損耗係數(EnlargementLossCoefficient)
lwe
因管流擴大之能量損耗(kgf-m/kg)
u1
流體在較小管中之平均速度(m/sec)
縮小:
若管流突然縮小,亦足以發生旋渦現象,此種機械能之損耗乃所謂縮小損耗(ContractionLoss),可由式(22)計算:
(22)
其中lwc
因管流縮小之能量損耗(kgf-m/kg)
u2
Kc
縮小損耗係數(EnlargementLossCoefficient)
A1為較大管截面積,A2為較小管截面積,而縮小損耗係數與面積比A2/A1之關係如表1,可由A2/A1內差求出Kc。
表1管流縮小之損失係數
A2/A1
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.50
0.47
0.43
0.38
0.34
0.30
0.26
0.21
0.16
0.09
三、實驗裝置
請以色筆標示流體流向。
圖6流體流動裝置圖
四、實驗步驟
關閉洩水閥V1,儲水槽裝水至八分滿,啟動電源與水泵,校正浮子流量計,排除系統中空氣後,將水差壓計通大氣歸零。
浮子流量計校正
浮子流量計出廠是以20℃的水或20℃、0.1MPa的空氣做流量標定,並將流量值刻在玻璃管上。
當操作條件與標定條件不同時,應予以校正。
1.V2、V12全開,V3(bypass)、V10固定45°
,V4~V9關閉,水由V12以水桶盛取。
2.利用碼錶與水桶,調整浮子的流量(10~50L/min),由小而大,在V12量取固定時間(20~60秒)收集之體積,收集時間愈長,誤差愈小。
3.記錄體積於表2,每一浮子位置做3次取平均,繪製流量校正曲線。
90肘管
1.V3、V10固定45°
,開啟V4,關V5~V9、V12,水差壓計歸零。
2.調整流量10L/min,開90肘管活栓。
3.當系統壓力穩定時,記錄差壓計讀數於表3。
4.水差壓計重新通大氣歸零。
5.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉上90肘管活栓。
直管(1"
管)
1.調整流量10L/min,開直管活栓。
2.當系統壓力穩定時,記錄差壓計讀數後,水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉上直管活栓。
T型管
1.開V5,關V4,調整流量10L/min,開啟T型管活栓。
2.當系統壓力穩定時,記錄差壓計讀數後,將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉T型管活栓。
突縮管
1.調整流量10L/min,開啟突縮管活栓。
2.當系統壓力穩定時,記錄差壓計讀數,當壓力太大時,以汞差壓計量測壓力,並扣除系統內壓。
3.將水/汞差壓計重新通大氣歸零。
4.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉突縮管活栓。
突擴管
1.開V6,關V5,調整流量10L/min,開啟突擴管活栓。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉突擴管活栓。
球閥
1.開V7,關V6,調整流量10L/min,開啟球閥活栓。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉球閥活栓。
逆止閥
1.調整流量10L/min,開啟差壓計逆止閥活栓。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉逆止閥活栓。
針閥
1.開V8,關V7、V11,調整流量5L/min。
2.將汞差壓計通大氣歸零,之後需扣除系統內壓。
3.開啟針閥活栓,當系統壓力穩定時,記錄汞差壓計讀數後,汞差壓計重新通大氣歸零。
4.改變流量10L/min,重覆上述步驟,關閉針閥活栓。
閘閥
1.調整流量10L/min,開V11及閘閥活栓。
2.當系統壓力穩定時,記錄差壓計讀數。
將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉閘閥活栓。
球型閥
1.調整流量10L/min,開V11及球型閥活栓。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉計球型閥活栓。
文氏計
1.開V9,關V8,調整流量10L/min,開啟文氏計活栓。
4.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉文氏計活栓。
孔口流量計
1.調整流量10L/min,開孔口計活栓。
將水/汞差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量(20~50L/min),重覆上述步驟,關閉孔口流量計活栓。
4.關閉幫浦及總電源後,將槽內的水由閥V1排掉。
五、注意事項
1.流體循環經相當時間後,流體溫度會上升,造成泵效率降低,須加入冷水降低水溫,同時保持儲水槽之液位。
2.實驗前須先除去管路中所有的空氣,先以小流量流通所有的大小管,同時打開所流經活栓板上閥件通路,逐一趕掉管中之空氣。
3.實驗中隨時保持地板乾燥。
六、實驗結果
(1)數據紀錄:
a.流體密度ρH2O=1000kg/m3
空氣密度ρair=1.2kg/m3
流體粘度μH2O=1×
10-3kg/m.s
b.Hg差壓封閉液之密度ρHg=1.36×
104kg/m3
H2O差壓封閉液之密度ρH2O=1.00×
103kg/m3
c.管內徑:
(1"
)0.028m
突擴1/2"
(0.016m)→1"
(0.028m)
突縮1"
(0.028m)→1/2"
(0.016m)
d.孔口流量計之孔口內徑(擴散45°
):
0.014m
e.文氏流量計之噴喉內徑(前縮25°
,後擴7°
0.009m
f.水平直管之長度:
1m
表2浮子流量計校正表
流量計讀數(L/min)
10
20
30
40
50
實驗次數
1
2
3
時間(sec)
60
體積(L)
平均體積(L)
平均流率(L/min)
線性回歸方程式
校正流率(L/min)
表3管閥件之流量壓差表
流量計讀數
∆h壓差(L/min)
(mm)
90°
肘管
直管(1”管)
孔口計
5
壓差(mm)
※使用汞壓差計測量者需註記Hg
(2)結果整理
1.做圖求出浮子流量計校正後之線性回歸方程式。
(需含原點校正)
2.計算各管閥件不同流量下的各項數值,參考表4管閥件計算總表。
3.以流量係數C(C0,Cv)對logRe作圖。
(孔口計、文氏計)
4.管件:
直管、90°
肘管、T型管,以Leq(相當管長)對logRe合併作圖,並說明討論。
5.閥件:
球閥、逆止閥、針閥、閘閥、球型閥,以Leq對logRe合併作圖,並說明討論。
6.將Leq實驗值與經驗數據(查圖)比較討論。
(3)誤差分析
表4管閥件之計算總表
文氏計、孔口計
(L/min)
差壓(N/m2)
(m/s)
β
Re2
CvorCo
突縮管、突擴管
KeorKc
lweorlwc
(Nm/kg)
直管
lwf
u
Re
f
(查圖)
L
實驗值
肘管、T型管、球閥、逆止閥、針閥、閘閥、球型閥
(Nm/kg)
查圖
Leq
理論值
(查表)
七、討論
1.列舉3種常用流體流量計,說明其應用原理。
2.說明本實驗中為何需校正浮子流量計的流量?
3.流量計浮子讀取點該如何取決,請列舉不同浮子形狀下之讀取點。
4.試由式
(1)推導出式(14)。
5.如何分辨何時該用水柱差壓計,何時該用汞差壓計?
6.為何差壓計讀數會持續跳動,無法穩定讀取?
7.說明針閥適用情況,為何針閥只做流量5與10L/min測量壓差?
8.比較球閥、針閥、閘閥、球型閥四個閥件構造上的差異與用途。
9.V3、V10、V11、V12閥件之功能為何?
10.手繪圖示說明水差壓計之校正步驟程序。
11.說明儲水槽內擋板功能為何?
12.分別討論為何V3、V10需固定45°
?
13.討論V10閥開度大小與差壓讀數有何相關?
14.比較孔口計與文氏計之優缺點。
15.摩擦損失的產生可能有哪些因素造成?