一种热式气液流量测量技术的仿真与研究

　　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。