差压孔板计算课程设计课件.docx
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差压孔板计算课程设计课件
热工测量及仪表
课程设计指导书
适用专业：
生产过程自动化技术
编者：
程蓓
安徽电气工程职业技术学院
第一章概论
第一节课程设计的目的和要求
一、课程设计的目的
设计课程设计是热工测量及仪表课程的最后一个教学环节，总体来说，目的有三个：
总体来说，目的有三个：
（1）综合运用热工测量及仪表及其他有关课程，如机械制图及CAD、机械基础、热工自动控制系统等的理论和生产实际知识进行设计训练，使理论和实际结合起来，使这些知识得到进一步巩固、加深和拓展。
（2）学习和掌握设计的一般步骤和方法，培养综合运用已经学过的理论知识去分析和解决工程实际问题的能力。
（3）进行基本技能的训练，对计算、制图、正确运用设计资料（如手册、图册、技术标准、规范文件等）以及进行流量测量总误差估算等设计方面的基本技能得到一次综合训练，提高技能水平。
二、课程设计的要求
根据设计的目的，要求学生掌握标准节流装置的设计计算方法和步骤；正确地查阅资料和手册；根据有关标准，正确地绘制工程图纸。
关于热工测量及仪表课程设计的内容要求具体体现在指导教师所下达的设计任务书中，学生应按任务书的要求正确地进行设计计算和图纸的绘制。
在设计过程中，提倡独立思考，深入钻研的学习精神和严肃认真，一丝不苟有错必改，精益求精的工作态度。
反对不求甚解，照抄照搬、敷衍塞责、容忍错误的作法。
第二节课程设计的内容
热工测量及仪表课程设计的内容主要是进行标准节流装置的设计，并建议最好结合实际课题。
设计工作在学生学完热工测量及仪表课程流量测量内容后进行，设计的主要工作有标准节流装置的设计计算及节流装置工程图纸的设计和绘制两部分。
一、标准节流装置的设计计算
设计计算的主要内容为；根据设计任务书所给的已知条件，选择适当流量标尺和差压上限系列值，选择差压计或差压变送器的型号，计算节流件开孔直径，确定节流件前、后直管段长度，计算节流装置最大的压力损失；估算节流装置流量测量总误差。
二、节流装置工程图纸的设计和绘制
根据设计任务书所给出的有关条件以及设计计算的结果查阅与工程图纸有关的资料和标准，进行图纸的设计与绘制。
图纸的内容包括节流件加工制造图、取压装置加工制造图、标准节流装置安装总图。
考虑热工测量及仪表课程设计内容时应注意以下几点：
（1）学生学过的与本课程设计相关的课程有机械制图及CAD、机械基础，相关的实践环节有制图测绘练习，绘制装配图和零件加工图。
因此从内容上看，本课程设计工程图纸的设计与绘制与上述所学的内容联系密切，因此应注意复习上述环节内容，严格按制图要求准确进行图纸的设计与绘制。
（2）节流装置的使用与自动测量及自动调节过程紧密相连，因此在设计时也应考虑到后续课程特别是毕业设计环节上的需要。
对于本专业，标准节流装置的设计是毕业环节进行的自控工程设计内容中的一个部分。
所以在设计过程中，根据介质条件，掌握仪表选型原则和安装材料的选用原则；根据现场条件，了解流量测量系统配管布线的方法和要求，并在设计计算说明书或图纸技术要求内容中加以简要说明，为以后的毕业设计环节打下基础。
第三节热工测量及仪表课程设计的一般步骤
热工测量及仪表课程设计按教学计划集中安排在2周（10天）时间内完成，内容安排上应尽量避免不必要的重复性。
在设计中应以标准节流装置的设计为主，根据学生设计进度的具体情况对课程设计要求的内容可适当的增减。
如计算的题目可适当增减。
但必须保证设计内容的完整性；保证学生能得到一次系统的训练。
在进行课程设计前应由指导教师给定设计课题，并给出设计任务书，设计课题和任务书提供了课程设计的依据和设计时深度要求。
节流装置设计计算所需的工艺条件可由指导教师提供，也可根据设计课题要求由学生自己到现场实地收集有关的数据资料，以利学生提高现场调查分析能力，提高设计的实用价值。
热工测量及仪表课程设计的一般步骤如下。
（1）阅读设计任务书和设计指导书，详细研究设计题目，复习《热工测量及仪表》课程教材有关内容和阅读本指导书的主要内容，对设计的目的和方法做到心中有数；收集和整理与课程设计有关的资料。
（2）标准节流装置的设计计算
根据已知条件进行设计计算：
确定流量标尺刻度上限值；选择差压计或差压变送器刻度上限值，计算节流件开孔直径d20值；估算所设计的节流装置的流量测量误差。
（3）绘制节流件加工制造图、取压装置制造图和标准节流装置安装总图。
根据计算结果，根据管道的公称直径DN和公称压力PN，查得有关数据，按规定要求绘制节流件加工制造图和取压装置制造图，在此基础上选择合适的法兰、紧固件和其它的安装材料，按要求绘制标准节流装置安装总图。
（4）整理和编写以标准节流装置设计计算为主要内容的设计计算说明书。
设计计算说明书以专用纸书写并加上封面装订成册，设计任务书应工整抄写或打印，并附于说明书封面后首页，设计图纸要求附在说明书后一并装订。
时间安排：
序号
授课章节及内容标题摘要
作业布置
备注
1
1概述
1．1课程设计的目的和要求
1．2课程设计的内容
1．3热工测量及仪表课程设计的一般步骤
课程设计任务书
借资料
领课程设计纸
2
2标准节流装置的设计计算
2．1流量测量的基本知识
复习热工测量课程中的相关内容
课程设计说明书
3
补充校核计算命题
课程设计说明书
4
2．2设计计算原始参数
2．3设计计算
2．3．1流量计选型比较
2．3．2节流件选型、选材
2．3．3节流件计算
课程设计说明书
5
2．3．4取压装置选型设计
2．3．5节流装置其他附件设计计算
课程设计说明书
6
2．3．6节流装置布置管路设计
2．3．7节流装置布置管路计算
课程设计说明书
7
2.4节流装置误差估计
对设计的整套节流装置自行总结
课程设计说明书
8
3设计图纸的绘制
3．1标准节流件加工制造图
3．2取压装置加工制造图
图纸
9
3．3标准节流装置安装图
完善课程设计论文、准备答辩
图纸
课程设计说明书
10
答辩
上午一批
下午一批
附：
参考资料
①《热工参数测量及仪表》华北电力大学何适生主编
②《热工测量及仪表》电力出版社吴永生，方可人主编
③《检测技术及仪表》武汉理工大学出版社王俊杰主编
④《热能与动力工程测试技术》西安交通大学出版社王子延主编
⑤《热工参数测量与处理》清华大学出版社吕崇得主编
⑥《热工测量仪表》冶金工业出版社高奎明主编
⑦《工业自动化仪表手册》机械工业出版社
⑧《实用热工手册》机械工业出版社
⑨其他相关文献
第二章标准节流装置的设计计算
第一节流量测量方法概述
流量能反映生产过程中物料、工质或能量的产生和传输的量，流量测量仪表是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，又称流量计。
流量可利用各种物理现象来间接测量，所以流量测量仪表种类繁多。
按测量方法分，流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。
各种方法的选用应考虑到流体的种类（相态、参数、流动状态、性能）、测量范围、显示形式（指示、报警、记录、积算、控制等）、测量准确度、安装条件、使用条件、经济性等等。
差压式流量计（以下简称DPF或流量计）是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。
DPF由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。
通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计等。
二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。
节流式DPF的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。
所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件。
标准型节流式DPF的发展经过漫长的过程，早在1738年，瑞士人丹尼尔第一·伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。
20世纪20年代，美国和欧洲即开始进行大规模的节流装置试验研究。
用得最普遍的节流装置——孔板和喷嘴开始标准化。
现在标准喷嘴的一种型式ISAl932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的，而标准孔板亦曾称为ISAl932孔板。
节流装置结构形式的标准化有很深远的意义，因为只有节流装置结构形式标准化了，才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起，它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。
1980年ISO（国际标准化组织）正式通过国际标准ISO5167，至此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。
20世纪80年代美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计试验研究，欧洲为欧共体实验计划（EECExperimentalProgram），美国为API实验计划（APIExperimentalProgram）。
试验的目的是用现代最新测试设备及试验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的试验研究，为修订ISO5167打下技术基础。
1999年ISO发出ISO5167的修订稿（ISO/CD5167-1-4），该文件为委员会草案，它在技术内容与编辑上都有很大改动，是一份全新的标准。
本来预定于1999年7月在美国丹佛举行的ISO/TC30/SC2会议上审查通过为DIS（标准草案），但是会议认为尚有细节问题应再商榷而未能通过。
新的ISO5167标准何时正式颁布尚不得而知。
ISO5167新标准在标准的两个核心内容皆有实质性变化，一是孔板的流出系数公式，另一为节流装置上游侧直管段长度的规定以及流动调整器的使用等。
我们通常称ISO5167（GB/T2624）中所列节流装置为标准节流装置，其他的都称为非标准节流装置，应该指出，非标准节流装置不仅是指那些节流装置结构与标难节流装置相异的，如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置，例如，标准孔板在混相流或标准文丘里喷嘴在临界流下工作的都是。
节流装置分类
1）标准节流装置ISO5167或GB/T2624中所包括的节流装置称为标准节流装置，它们是标准孔板、标准喷嘴、经典文丘里管和文丘里喷嘴。
在设计、制造、安装及使用方面皆遵循标准规定，可不必个别校准而使用。
2）低雷诺数节流装置如1/4圆孔板、锥形入口孔板和双重孔板等。
3）脏污流节流装置如圆缺孔板、偏心孔板和楔形孔板等。
4）低压损节流装置如道尔管、罗洛斯管、弯管及环形管等。
5）小管径节流装置如整体（内藏）孔板和一体式流量变送器等。
6）宽范围度节流装置如线性孔板等。
7）临界流节流装置如临界流文丘里喷嘴等。
20世纪50年代以前在过程控制工程中DPF几乎是惟一的流量计，后来各种类型流量计相继登场，打破了其一统天下的局面。
20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF销售量在流量仪表总量中台数占50%-60%（每年约百万台）。
附：
其他形式的流量计特点
叶轮式流量计：
典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计。
一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差约±2％，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。
电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为±0.2％~0.5％。
容积式流量计：
适于测量高粘度、低雷诺数的流体。
电磁流量计：
其测量精度和灵敏度都较高。
工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。
可测最大管径达2m，而且压损极小。
但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。
电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰。
超声波流量计：
由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。
表1某些流量变送器和流量仪表的分类及性能简表
第二节标准节流装置设计和计算
一、计算命题
实际工作中，标准节流装置计算命题通常有两类，它们都以节流装置的流量方程式为依据。
1）已知管道内径D及现场布置情况，已知流体的性质和工作参数，给出流量测量范围，标准节流装置。
为此要进行以下几个方面的工作：
选择节流件型式，选择差压计型式及量程范围；计算确定节流件开孔尺寸，提出加工要求；建议节流件在管道上的安装位置；估算流量测量误差。
制造厂家多已将这个设计计算过程编制成软件，用户只需提供原始数据。
由于节流式流量计经过长期的研究和使用，手册数据资料齐全，根据规定的条件和设计方法设计的节流装置可以直接投产使用，不必经过标定。
2）已知管道内径D及节流件开孔尺寸d、取压方式、被测流体参数等必要条件，要求根据差压值计算流量。
这一般是试验工作需要，为了准确地求得流量，需同时准确地测温度、压力参数。
二、实用计算公式
1．实用流量计算式
为了应用方便，将基本流量公式中系数的数值代入，统一单位，得到实用的流量计算公式。
或
式中qm——kg/h；Δp——Pa；dt——mm；Dt——mm；ρ1——kg/m3
近年来推行使用流出系数C，α和C的关系
2．实用雷诺数计算式
式中η——Pa·s
三、计算举例
1．第一类命题
根据表2任务书计算流量。
表2第一类命题计算任务书
序号
项目
符号
单位
数值
1
被测介质名称
过热蒸汽
2
流体状态参数：
工作压力
p
MPa
3.2874（绝对压力）
3
工作温度
t
℃
420
4
管道直径（20℃下实测值）
D20
mm
258.017
5
管道材料
12CrMo新热拉无缝钢管
6
节流装置的型式
角接取压标准孔板
7
节流件的材料
1Cr18Ni9Ti
8
节流件的孔径（20℃下实测值）
d20
mm
195.04
9
差压计的型式
差压变送器
10
差压值
Δp
kPa
147.15
11
管路敷设情况
球阀
v4m10m3m
计算步骤：
（1）准备计算：
求Dt：
根据附表1，按管道材料和温度，查λD=12.96*10-61/℃。
（线性插值）
Dt=D20[1+λD（t-25）]=259.3378mm
求dt：
根据附表1，按管道材料和温度，查λd=17.58*10-61/℃。
（线性插值）
dt=d20[1+λd（t-25）]=259.3378mm
求β：
β=dt/Dt=0.75735
求过热蒸汽密度ρ1：
根据附表3，按介质绝对压力和温度，查ρ1=10.8678kg/m3
求过热蒸汽动力粘度η1：
根据附表2，按介质绝对压力和温度，查η1=25.5*10-6Pa·s
求过热蒸汽流束膨胀系数ε：
根据附表12，按к=1.3，Δp=147.15，p=3.2874，β4=0.32899，查ε=0.9772；也可根据公式计算ε
检验Δp/p：
为了限制流体的可压缩性对流量测量的影响，规定检验Δp/p<0.25
（2）检查直管段是否符合要求
根据附表13，按β=0.75735和全开球阀，l1=36D=9.3m<10m符合
根据附表13，按β=0.7和1个90o弯头，l0=1/2*28D=3.6m<4m符合
根据附表13，按β=0.75735，l2=8D=2.0m<3m符合
（3）计算雷诺数ReD
先假设ReD=106。
根据附表16，按ReD=106和β4=0.32899，查光管流量系数α0=0.728
先假设粗糙度修正系数Fk=1。
求得第一个试算值qm1=138785.592kg/h
根据qm1计算ReD=7.4292*106
（4）计算α
根据附表16，按ReD=106和β4=0.32899，查光管流量系数α0=0.7280
根据
；当ReD≥106时，Fk=r0。
根据附表7，查绝对粗糙度Ks=0.10；根据附表7，按D/Ks和β，查r0=1.001；α=α0Fk=0.726475
（5）计算qm2=138501.953kg/h
偏差小于0.2%，迭代结束（否则继续）。
得qm=qm2
注：
在第3步也可先求出一个Fk近似值，得到第一个试算值
2．第二类命题（以朱祖涛书为例p140）
表2第二类命题计算任务书
序号
项目
符号
单位
数值
1
被测介质名称
过热蒸汽
2
流量范围：
正常
qmch
kg/h
220000
最大
qmmax
kg/h
240000
最小
qmmin
kg/h
150000
3
流体状态参数：
工作压力
p1
MPa
8.829（绝对压力）
工作温度
t
℃
500
5
管道直径（20℃下实测值）
D20
mm
216.84
6
管道材料
12CrMoV新热拉无缝钢管
7
节流装置的型式
由设计者定
8
差压计的型式
由设计者定
9
在正常流量下的允许压损
δp
MPa
0.06
10
管路敷设情况
4m温度计
10m
四、节流装置设计计算书
课程设计计算书中应包括下述内容。
（1）已知条件：
同设计任务书有关内容。
（2）辅助计算：
确定流量标尺上限；补充或换算有关数据和参数；确定差压上限值和差压变送器型号及精度等级。
（3）计算节流件开孔直径。
（4）决定节流装置上下游直管段长度。
（5）计算流量测量总误差。
设计计算书要求计算正确，论述清楚，文字精练，插图简明，书写整洁。
对所引用的计算公式和数据资料，应注明来源——参考资料的名称编号和页码。
资料来源应书写在每页右侧留出的约20～30mm的范围内，可用表格形式书写或用设计专用纸书写。
设计计算书的格式题头如下：
计算过程
资料来源
……
……
设计计算根据实用流量计算式进行，由于未知数较多，需用迭代计算。
标准节流装置设计计算过程主要有两步，第一步是确定差压标尺刻度上限；第二步是确定节流件开孔直径d20。
计算步骤
序号
类别
名称和内容
备注
1
已知条件
见任务书
2
辅助计算
①查表5-4，确定ρ1
②查表5-8，确定η1
③查表5-5，确定λ；计算Dt
④计算ReD
⑤选择节流装置类型
⑥选择差压计量程，确定差压上限Δpmax，求出Δpch
推荐查何始生书附表
取正常流量
圆整到系列值
3
计算
①令ε=1,Fk=1,求（α0β2）1值
②由（α0β2）1和ReD，查表5-17，求β1值
③确定ε1和Fk1
④求p2/pl
⑤再求（α0β2）2值，求β2，ε2和Fk2
⑥当迭代结束时，确定β
⑦求d
⑧验算流量
⑨校核压损
⑩选节流件材料，确定d20
⑾根据管路图，查表5-3，确定l0,l1,l2
线性插值
ro——粗糙度原始校正系数
须<0.2%，否则重算
参考表5-5
标准节流件及其取压装置
关于标准节流件的形状和取压方式，国家标准规定如下：
孔板：
角接取压，法兰取压，
标准喷嘴（国际上也称ISA喷嘴）：
角接取压。
国际上还有一些其他的已标准化了的节流件，如缩流取压标准孔板，长径喷嘴（也称ASME喷嘴），古典文丘利管和文丘利喷嘴等。
1．标准孔板
标准孔板在采用角接取压时适用于直径D=50～1000毫米的管道，节流件开孔直径d与管道直径D之比β=d/D=0.22～0.8，雷诺数ReD=5000～107。
在采用法兰取压时，可用于D=50～760毫米的管道，β=d/D=0.1～0.75，ReD=8000～107，法兰取压标准孔板ReD限值见附录所列。
标准孔板是用不锈钢或其他金属材料制造，具有圆形开孔、开孔人口边缘尖锐的薄板。
标准孔板的开孔直径d是一个重要尺寸，应实际测量。
测量在上游端面进行，最好是在四个大致相等的角度上测量直径，求其平均值。
要求各个单测值与平均值之差应在0.05%范围之内。
标准孔板的结构最简单，体积小，加工方便，成本低，因而在工业上应用最多。
但其测量准确度较低，压力损失较大，而且只能用于清洁的流体。
2．标准喷嘴
角接取压标准喷嘴适用于D=50～1000毫米，直径比0.32~0.8，ReD=2*104～108。
标准喷嘴的形状：
其型线由进口端面、收缩部分第一圆弧面、第二圆弧面、圆筒形喉部和圆筒形出口边缘保护槽等五部分组成。
圆筒形喉部长度为0.3d，其直径就是节流件开孔直径d，d值应是不少于8个单测值的算术平均值，其中4个是在圆筒形喉部的始端测得，另4个是在其终端测得，并且是在大致相距45o角的位置上测得的，要求任何一个单测值与平均值的差不得超过±0.05%。
各段型线之间必须相切，不得有不光滑部分。
标准孔板与标准喷嘴的选用，除了应考虑加工易难、静压损失（孔板比喷嘴大）多少外，尚须考虑使用条件满足与否。
标准喷管的形状适应流体收缩的流型，所以压力损失较小，测量准确度较高。
但它的结构比较复杂，体积大，加工困难，成本较高。
*选择节流件形式和取压方式时，可从以下几方面考虑：
1）考虑加工方便，选择角接取压标准孔板
2）考虑有压力损失限制要求，考虑采用喷嘴。
3）介质温度较高时，孔板可能有变形问题且有入口边缘变钝带来的误差。
4）对于角接取压的标准节流装置，由于环室结构具有均压作用，有利于提高测量精度，应尽可能采用。
*差压上限值的选择
关于差压上限值的选择要求选择合理，其值的选择不是唯一的，在满足压力损失要求和最小雷诺数推荐值的条件下，选择较大的差压上限值则计算出的开孔直径比略小，这样可以提高精度和减少对节流件前后直管段长度的要求。
而在满足测量精度和节流件前后直管长度的条件下，选择较小的差压上限值又可以尽量减少压力损失。
确定差压上限值是标准节流装置设计计算中的重要步骤，希望学生在设计时独立思考，合理选择并加以适当论证。
差压计标尺上限，流量标尺上限和节流件开孔直径是节流装置设计计算中三个相互关联的变量。
流量标尺可根据工艺条件中最大流量值圆整到较大的流量标尺系列值，当进一步定差压标尺上限后，节流件的开孔直径比和节流件开孔直径d和d20就可以通过计算求出。
现将差压上限值的选择方法简述如下:
（1）如果对压力损失、直管段长度有特别规定时，可通过查速算图求得差压上限值。
对于角接取压标准节流装置，根据允许的压力损失、直管段长度和实际最小雷诺数这三个特别规定的数据，在角接取压速算图上查得差压上限值。
对于法兰取压标准孔板，当允许压力损失和直管段长度有特别规定时，可从法兰取压标准孔板速算图上查出差压上限值。
用速算图查出的差压上限值，当被测流体为气体时，要验证是否符合p2/pl≥0.75的要求，否则要放宽这些特别规定的要求，直到p2/pl≥0.75为止。
（2）如果对压力损失，直管段长度等无特别规定时，可以根据流量公式通过计算求出差压上限值。
对于角接取压标准节流装置计算公式，可根据实际最小雷诺数作为推荐使用的最小雷诺数，由推荐表查得β值：
若β≥0.5时取β＝0.5；若β<0.5时，使用表中的β值。
并令ReD＝106，在α0关系表查得a0β2
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