低壓方形通風(fēng)管道流量計(jì)

插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用，從插入式熱式質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理、流量計(jì)算、應(yīng)用特點(diǎn)等方面來(lái)說(shuō)明其在環(huán)保和空調(diào)行業(yè)中的可用性, 并著重介紹了熱式質(zhì)量流量計(jì)如何選擇測(cè)量點(diǎn)和直管段, 以及在方形管道流量測(cè)量中的應(yīng)用。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng), 對(duì)生活、工業(yè)上廢水、廢氣排放的檢測(cè)和控制也越來(lái)越重視。對(duì)于廢液的監(jiān)控, 可以采用電磁流量計(jì);但是由于環(huán)保廢氣的多粉塵、混合組分及要求低壓損、防爆、防腐蝕的特點(diǎn), 監(jiān)控儀表相對(duì)難選。一般的流量?jī)x表有壓損, 要求氣體介質(zhì)相對(duì)純凈, 如果采用上等儀表, 價(jià)格偏高, 所以, 在精度要求不是很高的場(chǎng)合, 可以采用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

2 插入式熱式流量計(jì)測(cè)量原理及流量計(jì)算
熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用傳熱原理, 即流動(dòng)中的流體與熱源 (流體中加熱的物質(zhì)或測(cè)量管外加熱體) 之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表, 目前主要用于測(cè)量氣體。熱式流量?jī)x表用得*多有兩類, 一是利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì), 曾稱量熱式TMF;另外一類是利用熱消散 (冷卻) 效應(yīng)的金氏定律TMF, 又由于結(jié)構(gòu)上檢測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi), 也稱插入型或侵入型。插入型的工作原理及流量計(jì)算如下:
如圖所示, 插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)由兩個(gè)電阻溫度計(jì)組成傳感器, 一個(gè)測(cè)溫探頭, 感受流體溫度T2;另一個(gè)電阻溫度計(jì)由電路加熱到溫度T1, 用來(lái)測(cè)量流體帶走的熱量變化, 亦稱測(cè)速探頭。T1高于T2, 并保持ΔT恒定, 即ΔT=T1-T2。當(dāng)流體流經(jīng)傳感器時(shí), 由于測(cè)速探頭的自身溫度T1高于測(cè)溫探頭感受的溫度即流體溫度T2, 流體便帶走了測(cè)速探頭上的一部分熱量 (高溫向低溫傳遞) , 使T1下降。電路為保持ΔT恒定, 便增加對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率, 使ΔT=T1-T2恒定。流體帶走測(cè)速探頭上多少熱量, 電路便增加相應(yīng)數(shù)量的電功率, 兩者之間存在著一個(gè)函數(shù)關(guān)系[1]。設(shè)對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率為P, 流體的質(zhì)量流量為Q, 則根據(jù)流體流過(guò)測(cè)速探頭時(shí)所帶走的熱量與對(duì)測(cè)速探頭的加熱功率相對(duì)應(yīng)的原理, 得到下列關(guān)系式:

式 (1) 中,
因此, 可以通過(guò)測(cè)量加熱功率P, 來(lái)測(cè)量帶走這部分熱量的流體的質(zhì)量流量。由于帶走著部分熱量的是流體的分子, 所以, 測(cè)速探頭直接測(cè)量的是流體的質(zhì)量流速ρν, 此時(shí), 只要乘上管道的橫截面積, 就可以得到流體的質(zhì)量流量了。由于氣體流過(guò)探頭時(shí)帶走熱量和氣體的質(zhì)量流量成比例關(guān)系, 也和探頭間溫差有關(guān), 流量越大, 兩探頭之間溫差越小, 氣體質(zhì)量流量與溫差之間的聯(lián)系通過(guò)質(zhì)量流速ρν建立[1]。

式中:Qm—質(zhì)量流量, kg/s;
Κv—測(cè)量頭儀表系數(shù);
α—速度分布系數(shù);
β—阻塞系數(shù);
γ—干擾系數(shù);
Α—儀表表體 (測(cè)量管道) 的內(nèi)橫截面積, m2;
ρν—質(zhì)量流速, kg/ (m2·S) 。
基于上述原理, 對(duì)于大管徑的流量測(cè)量來(lái)說(shuō), 雖無(wú)相應(yīng)的大管徑標(biāo)定裝置來(lái)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定, 但只要在標(biāo)準(zhǔn)口徑的標(biāo)定裝置上測(cè)定相應(yīng)的質(zhì)量流速, 也就可方便地測(cè)量出大管徑中流體的質(zhì)量流量了。

圖 插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理圖
由于兩個(gè)傳感器都是用性能穩(wěn)定的金屬鉑材料通過(guò)特殊工藝密封在316L不銹鋼管或抗酸、堿腐蝕的K2760哈氏合金或鉑套管中制成, 因此極為堅(jiān)固, 并不會(huì)污染被測(cè)流體或受被測(cè)流體污染, 且其抗腐蝕性能相當(dāng)好。
3 熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)
當(dāng)前TMF大部分用于測(cè)量氣體, 只有少量用于測(cè)量微小液體流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)具有性能可靠、無(wú)可動(dòng)部件、安裝方便, 壓損小、量程比寬 (可達(dá)1000∶1) 、靈敏度高等特點(diǎn)[2], 特別適用于大管徑、低流速, 非圓截面管道、現(xiàn)場(chǎng)空間狹窄處測(cè)量等特殊工況, 在環(huán)境保護(hù)和過(guò)程工業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速, 例如:污水處理過(guò)程中發(fā)生的氣體, 燃料電池工廠各種氣體的流量測(cè)量及煤粉燃燒過(guò)程粉/氣配比控制等。
與常用的孔板、渦街和差壓式均速管、文丘里流量計(jì)相比較, 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)有如下特點(diǎn)[2,3]:
(1) 直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量, 不需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償;
(2) 一次元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 采用不銹鋼或特種合金外殼覆蓋, 不怕臟污或腐蝕, 不存在堵塞問(wèn)題, 且表面臟污極易**。帶不斷流裝拆裝置, 可實(shí)現(xiàn)不停氣裝拆, 清洗維修, 簡(jiǎn)便易行;
(3) 量程比特大, 可達(dá)1000∶1, 可測(cè)流速范圍0.1 m/s~60 m/s, *覆蓋一般工業(yè)廢氣及煤氣廠輸出總管中的流速范圍。因而只需在總管上裝一臺(tái)插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì), 就可滿足計(jì)量要求。大大地節(jié)省了投資, 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 方便了管理, 提高了系統(tǒng)工作的可靠性;
(4) 儀表**度高 (±1.0%FS) , 性能穩(wěn)定 (重復(fù)性±0.25%FS) , 幾無(wú)壓力損失, 對(duì)管道振動(dòng)不敏感。
此外, 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)靈敏度高, 尤其適合于大管徑、低流速的流量測(cè)量。且在大管徑中使用, 其性能價(jià)格比更顯優(yōu)勢(shì);防爆、防護(hù)、抗腐蝕設(shè)計(jì), 又使它能適應(yīng)惡劣工況, 危險(xiǎn)場(chǎng)合。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為一種插入式流量計(jì), 由上述插入式流量計(jì)的測(cè)量公式可見(jiàn)該流量計(jì)同樣方便適用于方形管道的氣體流量測(cè)量。環(huán)保管道一般用圓形, 而空調(diào)的管道很多地方為方形?？装宓群芏鄡x表沒(méi)有測(cè)量方形管道的數(shù)據(jù), 若使用插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì), 不論圓形或是方形管道均可通過(guò)計(jì)算獲得, 這也解決了低壓方形通風(fēng)管道的流量測(cè)量問(wèn)題。
4 測(cè)點(diǎn)位置的選擇
正確選擇測(cè)點(diǎn)位置是減少測(cè)量誤差的重要條件, 測(cè)點(diǎn)位置選擇不當(dāng), 會(huì)增加流量計(jì)的測(cè)量誤差, 對(duì)于熱式氣體質(zhì)量流量計(jì), 按相關(guān)資料小結(jié), 其測(cè)點(diǎn)位置的選擇應(yīng)滿足如下要求:
(1) 盡可能保證測(cè)點(diǎn)前后直觀段的長(zhǎng)度, 一般要求前≥20 D (D為被測(cè)管道內(nèi)徑) , 后≥10 D。管道內(nèi)的流場(chǎng)分布, 只與管道系統(tǒng)有關(guān), 因此, 測(cè)點(diǎn)前后均應(yīng)避開(kāi)“擾動(dòng)源”。
(2) 測(cè)點(diǎn)附近無(wú)“二次流”, 以避免擾亂流場(chǎng), 測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)優(yōu)良避免有“回流”情況, 如有, 可移位安裝或安裝“止回閥”。如安裝止回閥, 應(yīng)確保測(cè)點(diǎn)后直管段長(zhǎng)度≥10 D。
(3) 測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)避免被測(cè)氣體組分 (尤其是含水、含油、含塵量) 的起伏變化, 盡可能選擇具有“穩(wěn)定流”的測(cè)量點(diǎn)。
(4) 測(cè)點(diǎn)附近被測(cè)氣體的流速應(yīng)控制在<60 m/s的范圍內(nèi)。10 m/s~30 m/s為經(jīng)濟(jì)流速, 推薦使用。易燃易爆氣體應(yīng)控制在安全流速范圍內(nèi)。
5 測(cè)點(diǎn)前后直管段與測(cè)量精度
環(huán)保廢氣管道管徑大, 很多都無(wú)法保證直管段的要求, 那么, 測(cè)量精度會(huì)因?yàn)橹惫芏蔚臏p小而降低。如儀表廠的樣本注明熱式質(zhì)量流量計(jì)可達(dá)到±1%的精度, 直管段是前/后為20D/10D, 如果現(xiàn)場(chǎng)條件不允許, 無(wú)法選到滿足要求的測(cè)點(diǎn)時(shí), 精度會(huì)降低。我們建議其工程處理可以采用在允許誤差范圍內(nèi)適當(dāng)減少直管段的方案, 參考標(biāo)準(zhǔn)孔板直管段減少與誤差增加的原則來(lái)估算。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的直管段對(duì)誤差的影響沒(méi)有的數(shù)據(jù), 而標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘里等有數(shù)據(jù)。根據(jù)中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自控安裝圖冊(cè)HG/T 21581-2010的資料整理成表, 供大家參考。
環(huán)保工程目前因?yàn)殡y測(cè)量, 儀表價(jià)格貴, 很多地方?jīng)]有測(cè)量, 故我們認(rèn)為適當(dāng)增加誤差 (保證系統(tǒng)誤差在±1.5%~±2%之內(nèi)) , 選用性價(jià)比高的熱式質(zhì)量流量計(jì)還是可取的。

表 β (d/p) =0.5, 90℃彎頭時(shí)的直管段要求
注:x%為該流量檢測(cè)元件的原有誤差
當(dāng)然我們希望有關(guān)方面能做一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù), 以使用戶更放心, 亦可在很多行業(yè)推廣應(yīng)用。
6 用戶訂貨時(shí)要注意的問(wèn)題
如果熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的有關(guān)樣本比較簡(jiǎn)單, 用戶在選用時(shí)還要向制造廠了解清楚下列問(wèn)題:
(1) 傳感器探頭的插入深度與氣體管道的管徑有關(guān), 制造廠有什么建議長(zhǎng)度 (注:一般大管道要插入到1/4管徑處, 即平均流速點(diǎn);小管道要插入到管中心) 。
(2) 傳感器的探頭插入深度是否可調(diào)整, 用戶現(xiàn)場(chǎng)如何調(diào)整。
(3) 由于插入式氣體質(zhì)量流量計(jì)探頭的保護(hù)套用材較少, 對(duì)強(qiáng)腐蝕介質(zhì)可選用上等耐腐蝕金屬材料, 比起其它流量計(jì)價(jià)格升高較少, 以更好地發(fā)揮插入式氣體質(zhì)量流量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。