摘要:依据能量守恒原理和流量测量原理,提出了一种新型热式气液质量流量的测量方法,并基于方法设计了相应的热式气液质量流量计。对其进行数值模拟,研究了流量计在不同流速下的温度分布情况,分析和比较了不同流速下的导热杆上下端温度传感器的温差值,获得了适用的量程值。最后,对流体管内湍流换热过程进行分析,并对测量方法进行了测量精度的定量分析,分析结果显示其测量精度可达到98%,符合工程应用要求。计算结果为该热式气液质量流量计的设计、优化、定型提供了重要的参考依据。
1 引言
现有的热式流量计基本上都是用于气体流量测量,国内外现仍没有工程上实用的既能测量气体、又能测量液体的热式流量计[1],使其具有实时测量、准确度高、寿命长、造价低、 维修方便的性能,原因是液体的对流换热系数远远高于气体的对流换热系数,所以在测量液体流量时就需要消耗比测量气体流量要大得多的电功率,所以热式流量计不适宜测量液体流量。所以研究新型热式质量流量测量的实用方法以及实用的热式气液流量计具有现实意义,本文将对此进行研究、解决。
热式流量测量方法采用流速传递热量的原理来测量流量[2]。热式流量计是在早期热线风速计的基础上发展起来的一种新型气体流量检测仪表,已广泛应用于航空、航天、能源、医学、汽车工业以及天然气管道运输等行业。然而,目前,国内有关热式流量计的研究和应用尚处在初级阶段,绝大多数产品都需要进口,尤其是针对大中型管道的流量测量的热式流量计。因此,研究热式流量计将对于我国国民经济的发展具有很大意义。
2 热式气液质量流量的测量原理
传统采用电加热方式热式质量流量测量方法[3-5],无论是恒温差法还是恒功率法,测量液体流量时需要消耗比测量气体流量要大得多的电功率,所以热式流量计不适宜测量液体流量。本文利用流体与环境之间存在的温度差的这一自然资源,形成一种新型的流体流量测量方法,该方法既能测量气体、又能测量液体的质量流量。根据牛顿冷却公式、傅里叶定律,建立起对流换热和导热关系式[6],并根据能量守恒定律建立等量关系,通过测量出温度差从而反映出流体的质量流量[7]。
图1为热式气液质量流量计流量测量原理的结构图,利用管道内的流体与环境之间的温度差,在流体与环境之间设置传热部件,并在该部件的上下端布置温度测点,测量该部件的传热量。由该传热量与管内流体流速之间的单调函数关系,确定出流体的流速,其中1为散热片; 2—导热杆上端温度传感器; 3—导热杆; 4—保温层; 5—绝热套筒; 6—导热杆下端温度传感器; 7—支架管道。
在式(1)至式(6)中,λ1为导热杆的导热系数,F1为导热杆的横截面积, L为导热杆下端温度传感器与上端温度传感器之间的长度,Nu为流体的努谢尔数,λ2为流体的导热系数,D为流体流过的管道内直径,F2为导热杆下端与流体接触的表面积,A、m和n为流量计标定系数,Re为流体的雷诺数,Pr为流体的普朗特数,V为流体的流速,ρ为流体的密度μ为流体的动力粘性系数,π为圆周率。
3 CFD数值计算
流场计算是采用热工软件SINDA/FLUIN和流体软件FLUENT来结合进行的。热工软件SINDA/FLUIN目的是对整场全局模拟计算,其集成了有限元强大前后处理功能、有限差分真实曲面(曲体)单元和自由指定的节点数目、等式求解器快速和逻辑控制等优点[8],擅长于对整场进行快速数值计算,针对本文,其缺点是不擅长计算管内流动分布,因此结合流体软件FLUENT对管内流场进行局部数值计算[9],目的是求解出管内流体与导热杆换热系数,从而代入SINDA/FLUIN模拟计算。结合两个CFD软件的优点使模拟更趋向于真实合理。
3. 1 FLUENT计算模型及边界条件
求解器选择:耦合求解器(coupled solver)
求解模型的选择: 2D; Steady; absolute; cell-based; k-epsilon(2 eqn)。
运行环境的选择环境温度: 300K
管内流体(水)温度: 333K
材料的选择水(管内流体);铜(导热杆及散热片);膨胀珍珠岩散料(保温材料)。
边界条件:
由于仿真使用的流体为水,为不可压流,故确定的进口用速度入口边界;又因为压力出口条件与自由出流条件相比更容易收敛,故出口设置为压力出口边界;流体与导热棒之间设为强迫对流换热;导热体与空气、保温层与空气之间设置为自然对流换热,换热系数为7。两个不同材料的壁面设置为耦合条件。
3. 2 SINDA /FLUINT计算模型及边界条件
为了研究方便,对模型作如下假设:①待测流体为水;②忽略管内流场不稳定性,定性认为流场温度分布均匀;③管子边界为:绝热固壁条件;④导热杆与散热片接触良好,无间隙。
根据实际装配,利用前处理器ThermalDesktop进行散热片、导热杆、保温层、管道及流道的造型。计算节点是计算域内存储各参数值得空间承载点。为了保证计算稳定和精度,节点生成应满足分布合理以及结构合理。由于导热杆与散热片接触良好,故设置其接触热阻为0,边界条件:管内待测流体(水)温度为333K;管内流体与导热杆换热系数由CFD软件FLUENT计算求出;环境(空气)温度为300K;空气与散热片换热为大空间自然对流换热。
3. 3 不同流动速度下的计算结果及分析
在设计状态下,针对具有不同流体流动速度的热式气液质量流量计的流场和性能进行了数值模拟。流体流动速度范围为: 0~2·0m /s。本文分别计算了流体流动速度V=0,0·1, 0·2, 0·3, 0·4, 0·5, 0·6, 0·7, 0·8, 0·9, 1·0, 1·1, 1·2, 1·3,1·4, 1·5, 1·6, 1·7, 1·8, 1·9, 2·0m /s的情形,分析了相应的温度分布和测量误差。
图6~图9给出了流体流动速度V=1·2m /s时,流量计温度分布云图及管道流场速度矢量图。导热杆与管内流体(水)发生强迫对流换热,热量由流体向导热杆下端传递,再经由导热杆导热传递给散热片,散热片与环境进行自然对流换热。
由图6,导热杆下端温度较高,那是与管内热流体换热的结果;由图7,与导热杆直接接触,故散热片中心处温度较高,然后向各个方向扩散。增加散热片的接触面积,可以改善散热性能;由图8,保温层温度分布为由内到外,由下到上温度逐渐降低,因为保温层内壁直接与高温的导热棒直接接触,而导热杆下端温度较高。改变保温层厚度和保温材料性能均可减小导热杆的热耗散;由图9,管道流场受导热杆探针影响很小,因此可以近似假设流场基本稳定。
图10给出了V=0·1 m /s, 0·5 m /s, 1·0 m /s, 1·5m /s时导热杆温度分布云图。通过比较,分析可以看出:流体流速越大,导热杆上下端温差越大;流体与导热杆下端强迫对流换热过程中,随着流速增大,导热杆下端温度上升较快。
图11给出了速度与温度关系图,从图上分布曲线可知,温度随速度成比例变化,因此通过测量温度的变化测量流量的方法可行,验证了该测量方法的可行性。图12给出了测量误差与速度关系图,可以看出流体流速在0·1~1·5m /s之间时,测量误差趋于平稳,分布于2%左右,即测量精度为98%。当流速小于0·1m /s或者大于1·5m /s时,测量误差曲线发生突变,原因在于流体流速太低,管内流动处于层流状态,换热不明显,导致误差分布失衡;流体流速太高,冲击管内测量探针,形成较大面积漩涡,导致测量不准。
综上所述,本测量方法有效量程范围为0·1~1·5m /s,量程比为15∶1,测量口径范围大,可以从20mm到2m以上,特别适合于1m以上口径的气液流量测量。
4 结论
1)在量程范围内,质量流量越大,导热杆上下端温差越大,导热量越大,即流体流速与换热量成比例关系,因此,通过温差的变化测流体流量方法可行;环境温度变化不影响测量精度,对安装环境要求不高;测量误差可控制在3%,符合工程应用要求。
2)为了提高流量计的测量精度,对其设计、安装提出以下要求。设计导热杆不能太粗短,也并非越长越好,而是存在一个最佳长度,约为65mm;为了充分整合湍流,安装热式液体质量流量计前方应有1·2米以上的管道长度。
3)目前市场上绝大部分的热式质量流量计都是国外进口的,价格昂贵,但本文所设计的热式液体质量流量计结构简单,加工方便,价格便宜,具有较好的推广应用前景。
参考文献:
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[作者简介]
蓝开伟(1983-),男(汉族),广西钦州人,硕士研究生,主要研究领域为航空宇航推进理论与工程。
李世武(1957-),男(汉族),四川开江人,教授,博士研究生导师,主要研究领域为航空发动机热力系统与热能工程。
