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有色金属加工厂设计中如何选用热式气体质量流量计

时间:2018/06/29来源:未知

摘要:本文针对有色金属加工行业气体流量测量装置热式气体质量流量计原理 、应用、选型进行了说明。
 近年来随着有色金属行业对成本及生产过程各个环节控制要求渐渐提高 , 对于生产过程中使用的公辅设施 ,如氮气站 、压缩空气站 、可燃气体站、保护性气体站等业绩考核也逐步严格 、细化, 因此要求在设计过程中使用高效、便捷 、准确的计量装置, 对这些资源实时计量 ,准确记录 。热式质量流量计 (简称 TMF)是利用传热原理, 即流动中的流体与热源 (流体中加热的物体或测量管外加热体)之间热量交换关系来测量流量的仪表,过去我国习称量热式流量计。当前主要用于测量气体 。热式气体质量流量计是目前***先进的气体流量仪表之一, 它从原理上是一种直接测量气体质量流量的仪表 ,不需要常规的温度、压力补偿 ,它是目前流量界公认的气体流量仪表发展趋势 。

1、热式流量计分类:
热式流量仪表用得***多有两类, 1)利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布式流量计 (thermalprofileflowmeter)曾称量热式 TMF;2)利用热消散 (冷却 )效应的金氏定律 (Kingslaw)TMF。又由于结构上检测元件伸入测量管内, 也称 浸入型 (immersion type )或 侵入型 (intrusiontype)。有些在使用时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式(insertiontype)。
① 热分布式 TMF热分布式 TMF的工作原理如图 1所示, 薄壁测量管 3外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组 2,组成惠斯登电桥, 由恒流电源 5 供给恒定热量, 通过线圈绝缘层 、管壁 、流体边界层传导热量给管内流体 。边界层内热的传递可以看作热传导方式实现的。在流量为零时, 测量管上的温度分布如图 1虚线所示, 相对于测量管中心的上下游是对称的, 由线圈和电阻组成的电桥处于平衡状态 ;当流体流动时, 流体将上游的部分热量带给下游, 导致温度分布变化如图 1实线所示, 由电桥测出两组线圈电阻值的变化, 求得两组线圈平均温度差 ΔT。便可按 (1)式导出质量流量qm, 即  A
qm =K
cF
T (1)

式中cp———被测气体的定压比热容;
A———测量管绕组 (即加热系统)与周围环境热交换系统之间的热传导系数;
K———仪表常数。
图1热分布式下MF工作原理

图1热分布式下MF工作原理

    在总的热传导系数A中,因测量管壁很薄且具有相对较高热导率,仪表制成后其值不变,因此A的变化可简化认为主要是流体边界层热导率的变化。当使用于某一特定范围的流体时,则acp匀视为常量,则质量流量仅与绕组平均温度差成正比,如图2段所示。Qz段为仪表正常测量范围,仪表出口处流体不带走热量,或者说带走热量极微;超过a点流量增大到有部分热量被带走而呈现非线性流量超过b点则大量热量被带走。
图2质量流量与绕组温度关系

图2质量流量与绕组温度关系

  测量管加热方式大部分产品采用两绕组或三绕组线绕电阻 ;除管外电阻丝绕组加热方式外还有利用管材本身电阻加热方式, 如表 1所示。测量管形状有直管形, 还有 ∏字形结构 , 三绕组中一组在中间加热, 两组分绕两臂测量温度。
表 1 测量管加热和检测方式

表 1 测量管加热和检测方式
  为了获得良好的线形输出, 必须保持层流流动, 测量管内径 D设计得很小而长度 L很长, 即有很大L/D比值, 流速低, 流量小。为扩大仪表流量, 还可采用在管道内装管束等层流阻流件;扩大更大流量和口径还常采用分流方式, 在主管道内装层流阻流件 (见图 3)以恒定比值分流部分流体到流量传感部件 。有些型号仪表也有用文丘里喷嘴等代替层流阻流件。
图3分流式下MF

图3分流式下MF
  市场上热分布式 TMF按测量管内径分为细管型(也有称毛细管型 )和小型两大类, 结构上有较大区别。小型测量管仪表只有直管型, 内径为 4mm;细管型测量管内径仅 0.2 ~ 0.5mm。稍大者为 0.8 ~ 1mm,极容易堵塞, 只适用于净化无尘气体。细管型仪表还有一种带有调节单元和控制阀等组成一体的热式质 量流量控制器, 结构如图 4所示。
② 基于金氏定律的浸入型 TMF金氏定律的热丝热散失率表述各参量间关系, 如式2所示。
H/L=■T[ λ+2(πλcvρUd] 1/2 (2)
图4热式质量流量计控制器示器图

图4热式质量流量计控制器示器图
图5浸入型下MF原理
图5浸入型下MF原理
式中H/L———单位长度热散失率 , J/m· h;
ΔT———热丝高于自由流束的平均升高温

度, K;
λ———流体的热导率, J/h· m· K;
cV———定容比热容, J/kg· k;
ρ———密度 , kg/m3 ;
U———流体的流速 , m/h;
d———热丝直径 , m.
  如图 5所示, 两温度传感器 (热电阻 )分别置于气流中两金属细管内, 一热电阻测得气流温度 T;另一细管经功率恒定的电热加热, 其温度 Tv高于气流温度 , 气体静止时 Tv***高 , 随着质量流速 ρU增加 , 气流带走更多热量, 温度下降, 测得温度差 ΔT=Tv-T.这种方法称作“温度差测量法”或“温度测量法 ”。
消耗功率 P和温度差 ΔT如式(3)所示比列关系 ,式中 B, C, K均为常数 。从式 (2)便可算出质量流
速, 乘上点流速于管道平均流速间系数和流通面积的质量流量 qm, 再将式(3)变换成式 (4)。
P=[ B+C(ρU)] ■T (3)
P/■T=D+Eqk
(4)
  式 (4)中 E是与所测气体物性如热导率、比热容 、粘度等有关的系数, 如果气体成分和物性恒定则视为常数。 D则是与实际流动有关的常数。若保持 ΔT恒定 , 控制加热功率随着流量增加而增加功率, 这种方法称作“功率消耗测量法”。正确选用 TMF首先应该了解它的应用范围 、适合的介质 、环境以及原理 。 TMF适用于除乙炔气体外的所有气体。测量介质温度一般在 -40 ~ 200℃, ***高压力在 20MPa以下 , 管径 Υ6 ~ Υ2000mm, 如:燃气计量 、配气、气体质量分析、管道气体 、氮气、锅炉进气 、干燥空气等。
  由于加热元件上的热量主要是由气体分子流动带走的, 而不是热传导的作用。所以这种流量计在一定工况范围内几乎与流体的成份无关。热式气体质 量流量计的表头 (转换及输出显示部分)见图 6所示。
图 6 热式质量流量计表头(转换及输出显示部分)
图 6 热式质量流量计表头(转换及输出显示部分)
 表2待料测温记录

2热式流量计选择:
①类型选择 。一般口径在 Υ6 -Υ200 选用管道式为好 ;如果流量计在现场安装时, 不容许管道停气情况下或者口径大于 Υ200, 选用插入式为好。
②通径确定。首先选择传感器的口径与连接的工艺管道口径相同。这种选择安装方便, 不需异径管, 但它的前提是管内的使用上限流速应在 0.5m/s~ 60m/ s范围内 。管道内流速偏高 (大于 60m/s), 就应选择传感器通径大于工艺配管。图 6热式质量流量计表头(转换及输出显示部分 )
③防爆等级 。防爆等级分为两种 :普通型和隔爆型, 正常工作状态下电路中存在故障时, 电路元件发生燃爆, 对现场不产生任何事故, 则选用普通型, 反之则选用隔爆型。
④安装形式选择 。安装形式有三种 :一体型、分离型和潜水分离型。一体型是将流量计的传感部分和转换部分 (表头 )装于一体, 这种形式便于安装使用 ;分离型是将流量计的传感部分安装在被测现场管道上, 转换部分安装在便于操作的地点, 这种方式适用于现场环境差的场合, 分离长度一般不超过 15m; 潜水分离型是将传感器部分安装在水下的被测现场管道上, 分离长度不超过 5m。
⑤输出形式。输出形式是电流信号 (4 ~ 20mA)如有上位机通讯要求则可选择带通讯输出。
⑥防腐 材质选择。 一般 材质选 择不锈钢(1Cr18Ni9Ti) , 介质腐蚀性较强的场合选用进口316L(0G18Ni9Ti)或不粘纳米材料。
⑦防护等级选择。按照国标 GB4208 -84 标准分为:IP65为防喷水型 , 即可允许水龙头以任何方向对仪表喷水, 喷水压力为 30Kpa(0.3bar)。
出水量为 12.5升 /分 , 喷口离仪表距离为 3米。
IP68为潜水型 , 可长期在水中工作, 其浸入的***大深度由制造厂与用户协商决定。
⑧压力等级选择 。根据工作介质压力大小不同分为两类:工作介质压力小于 2.5Mpa为普通型;工作介质压力在 2.5Mpa至 6Mpa之间为高压型。 6Mpa以上为超高压型。
⑨电源。 电源采用直流 24VDC供 电和交流220VAC供电, 可选择其中一种方式作为仪表的供电方式。
⑩通讯方式。 可选择 RS485 通讯接口, 采用MODBUS通讯协议 , 也可以选择 HART通讯 。
 11测量精度 。可以根据需要选择 ±0.5 , 1 。在型号参数表中还应该加入介质名称及压力 、温度 、工艺管径 、正常流量 、***大流量、测量单位等 。同时要求流量计前端应有 15 倍工艺管径的直管段, 如不满足要求, 在订货是应注明加整流器字样, 直管段只需 3倍工艺管径。应该尽可能详细说明流量计工作环境温度、湿度 、气压、日照、雷电等情况 , 以便于订货查询, 避免订货错误。

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