基于传热原理的高温蒸汽流量测量研究

　　1　引　言

　　在热力发电、石油化工等诸多领域,人们都必须进行流体的流量测量,以便了解流动过程,进行生产工艺的自动控制和能源程序管理。由于流量测量技术的复杂性,以及科学技术的迅速发展,对流量计量提出了更新、更高的要求,流量计量的现状远不能满足生产的需要[1],因此,研究新的流量测量方法就显得很重要。目前蒸汽流量的计量仍然以孔板和喷嘴为节流件的流量测量装置为主[2],其不足之处是流量测量范围小,最大流量与最小流量之比(量程比)仅为(3~4)∶1[3,4]。而在实际应用中,特别是测量高温高压蒸汽的流量时,由于生产工艺的影响造成蒸汽压力、温度、流量的波动较大,并且热用户的热负荷受季节及生产状况的影响,流量量程比往往会远远大于(3~4)∶1,最有普遍性的是冬季流量大,夏季流量小,给流量测量带来较大的困难。因此,研究和开发新型的流量测量范围较大的蒸汽流量测量装置是目前亟待解决的问题。

　　2　测试原理—数学模型

　　当高温流体流过圆形截面肋片时(如图1所示),导热与对流联合作用于肋片上,一方面高温流体与肋片之间存在对流换热;另一方面,端部和根部之间通过肋片导热,高温流体与肋片之间对流换热的强弱直接影响肋片端部与根部间的导热。等截面直肋导热的基本公式为[5]

　　式(1)~(7)中:Θh、Θ0分别为肋端、肋根的过余温度,℃;H、P、d分别为肋片的高度、截面周长和直径,m;h为流体与肋片间的对流换热系数,W/(m2·K);Ac为肋片的截面面积,m2;λs、λf分别为肋片材料的导热系数和流体的导热系数,W/(m·k);th、t0、tf分别为肋端、肋根和流体的温度,℃;v为流体的运动粘度,m2/s;f为流体的流通截面积,m2;ρ为流体的密度,kg/m3;c、n为常数。从式(6)可见,肋端和肋根温度的变化间接地反映了流体流速(质量流量)的变化,从而可根据肋端和肋根的温度及流体的温度间接地求得流体的流量。由此可见,基于传热原理的流量测量方法将流量测量问题转化为温度测量问题,流体的流量难于准确测量,而流体和固体壁面温度的测量则相对较容易且测量精确度较高。尤其对于高温、高压蒸汽流量的测量,热用户的热负荷受季节及生产状况的影响,流量变化幅度很大,用基于传热原理的流量测量方法测量蒸汽的流量,蒸汽流量的变化将影响管路中蒸汽的对流换热系数,并且通过肋端与肋根温度的变化间接地反应蒸汽流量的变化,而不受流量比的限制。

　　该流量测量方法所依据的测试原理不同于热线风速仪的测速原理。热线风速仪测量速度所依据的是热平衡原理[6],利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速,流体流速的变化会使金属丝的温度产生变化,从而产生电信号而获得流速。本文提出的流量测试原理基于对流换热和肋片导热原理,实验件内无需加热电流。