东北大学节流装置课程设计.

标准节流装置的设计

作者姓名:

作者学号：

指导教师：

学院名称：信息科学与工程学院专业名称：测控技术与仪器

东北大学

2015年6月

课程设计（论文）任务书

课程设计（论文）题目：

标准节流装置设计

基本内容：

本次课程设计的是学会使用国家标准及技术规范；进行标准节流装置设计，培养理论联系实际的学习方法以及独立解决工程实际问题的能力。任务有三个，第一：结合教材及参考资料，针对第二类命题，根据工艺要求，设计经典文丘里管。第二：写出标准节流装置的设计说明书。第三：根据已知参数和计算参数，使用CAXA(或其它类似软件)绘制标准节流装置的加工图和装配图。

课程设计（论文）专题部分：

题目：文丘里管节流装置设计

基本内容：

本课题是标准节流装置（文丘里喷嘴）设计命题，命题类型属于新装设节流

ρ、μ、管道布装置的设计计算。设计命题中已知管道内径D、被测流体参数

置条件，选择流量测量范围，差压测量上限，节流装置型式等条件，计算节流件开孔直径d。本设计命题被测对象介质为：水。在压损限制、不确定度限定等条件下，通过迭代算法，获取最重要的参数孔径比β，合理选取节流件喉部直径d。考虑综合因素，设计一个标准节流（文丘里管）装置。

学生接受课程设计（论文）题目日期

第19周

指导教师签字：

2015年6月29日

i

ii

摘要

节流装置可分为标准型和非标准型两大类。所谓标准型是指按照标准文件（如节流装置国际标准ISO5167-1：1991或我国标准GB/T2624-1993）进行设计、制造、安装和使用，无需实流校验即可确定输出信号与流量的关系并估算其测量误差的节流装置。标准节流装置由于它具有结构简单并已标准化，使用寿命长和适用性广，因而在流量测量仪表中占据重要地位。标准节流装置的设计从而也具有广泛实用意义。

标准节流装置的流量测量原理为：在管道内部装有断面变化的孔板或喷嘴节流件，当流体流经节流件时，由于流束收缩，则在节流件前后产生静压差，利用压差与流量的关系可进一步测出流量。对于未经标定的节流装置，只要他与已经经过充分实验标定的节流装置几何相似和动力学相似，则在已知有关参数的条件下，可以认为节流件前后的静压力差与所流过流体的流量间有确定的数值关系。

本课题是标准节流装置（文丘里喷嘴）设计命题，命题类型属于新装设节流装置的设计计算。设计命题中已知管道内径D 、被测流体参数ρ、μ、管道布置条件，选择流量测量范围，差压测量上限，节流装置型式等条件，计算节流件开孔直径d 。本设计命题被测对象介质为水。在压力损失限制、测量上限、压差上限等条件下，通过迭代算法，获取最重要的参数孔径比β，合理选取节流件喉部直径d 。本组设计命题一共进行了两次迭代，最终结果为0.5342β=，0.1794d D m β==。流量验证与压差损失验证均符合条件，最后我们求取了本组流量测量不确定 2.7914%qm E =±。

在绘图制作中，我们分别设计和绘制了截尾式文丘里喷嘴和非截尾式文丘里喷嘴本体结构图,其主要区别在于扩散段出口直径与管道直径的关系。对于取压方式，我们采取了环室取压。接着通过查阅相关标准，我们设计法兰结构用于节流装置的固定。上述两种元件我们同样也绘制出来了。最后，我们绘制出了整体的标准节流装置装配图。

关键词：标准节流装置；文丘里喷嘴；水；环室取压；法兰

目录

课程设计（论文）任务书 (i)

摘要.................................................................................................................................... i i 第1章绪论............................................................................................................... - 1 -

1.1 背景介绍........................................................................................................ - 1 -

1.2设计依据......................................................................................................... - 2 -

1.3 设计目的........................................................................................................ - 2 -

1.4 设计任务........................................................................................................ - 3 -第2章标准节流装置的设计原理........................................................................... - 4 -

2.1 标准节流装置测量原理................................................................................ - 4 -

2.2标准节流装置的结构..................................................................................... - 4 -

2.2.1文丘里喷嘴.......................................................................................... - 4 -

2.2.2 流体条件和管道条件......................................................................... - 5 -第3章标准节流装置设计计算................................................................................. - 7 -

3.1 已知条件........................................................................................................ - 7 -

3.1.1题目条件.............................................................................................. - 7 -

3.1.2查表条件.............................................................................................. - 8 -

3.2 辅助计算...................................................................................................... - 10 -

3.3迭代计算....................................................................................................... - 12 -

3.3.1计算2A.............................................................................................. - 13 -

β............................................................................................... - 14 -

3.3.2计算

β................................................................................... - 15 -

3.3.3迭代1计算

1

β................................................................................... - 17 -

3.3.4迭代2计算

2

3.4后续计算....................................................................................................... - 18 -

- 1 -

3.5流量测量不确定度计算............................................................................... - 20 -

3.5.1不确定度公式.................................................................................... - 21 -

3.5.2不确定度分量计算............................................................................ - 21 -第4章文丘里管节流装置设计............................................................................... - 24 -

4.1平面入口部分设计....................................................................................... - 24 -

4.2 BC两弧收缩段设计..................................................................................... - 24 -

4.3扩散段设计................................................................................................... - 25 -

4.4测量环室设计............................................................................................... - 25 -

4.5法兰设计....................................................................................................... - 26 -第5章差压流量计的安装和使用........................................................................... - 28 -

5.1 导压管路的安装.......................................................................................... - 28 -

5.1.1 取压口............................................................................................... - 28 -

5.1.2 导压管............................................................................................... - 28 -

5.1.3 截断阀............................................................................................... - 28 -

5.1.4 冷凝器............................................................................................... - 28 -

5.1.5 集气器和沉降器............................................................................... - 29 -

5.1.6 隔离器和隔离液............................................................................... - 29 -

5.1.7 清洗装置........................................................................................... - 29 -

5.1.8 差压信号管路的安装....................................................................... - 29 -

5.2 差压计的安装和使用.................................................................................. - 31 -参考文献..................................................................................................................... - 32 -结束语......................................................................................................................... - 33 -附录............................................................................................................................. - 35 -

一、Labview迭代结果...................................................................................... - 35 -

二、法兰和环室内............................................................................................. - 35 -

三、截尾式文丘里喷嘴本体图......................................................................... - 36 -

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四、非截尾式文丘里喷嘴本体图..................................................................... - 37 -

五、节流装置安装图......................................................................................... - 38 -

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第1章绪论

1.1 背景介绍

随着科学技术和生产的发展，对流量检测的要求越来越高，例如生产工艺条件有高压高温、低压低温；介质由高粘度、低粘度以及强腐蚀等；流动状态有层流、紊流和脉动流；检测对象有单相、多相之分；检测范围从每秒数滴到每小时数百吨；流体流动管道直径有数毫米到1米以上等。

30余年来节流装置发生了巨大的变化。1980年ISO颁布第一部ISO5167节流装置国际标准，是节流装置发展史上的一个里程碑。紧接着整个80年代国际上进行了大规模的孔板流量计研究实验，虽然它从标准节流装置的角度看，可以认为流量计的成熟程度已居各类流量计之首，但作为一大类差压式流量计，他的发展是无限的。2003年ISO颁布ISO5167:2003（E），是节流装置发展史上的第二里程碑，它总结了20世纪80、90年代国际上对孔板流量计的大规模的实验研究。新版ISO5167:2003（E）内容有实质性的重大变化，它反映了节流装置的几个品种当代的科学与生产的技术水平。

节流式差压流量计是以节流装置为检测件的差压式流量计。它是历史悠久，使用成熟，应用最广泛的一类流量计。节流式差压流量计计由3部分组成：节流装置、差压变送器和流量显示仪，亦可以由节流装置配以差压计自称。

节流装置可分为标准型和非标准型两大类。所谓标准型是指按照标准文件（如节流装置国际标准ISO5167-1：1991或我国标准GB/T2624-1993）进行设计、制造、安装和使用，无需实流校验即可确定输出信号与流量的关系并估算其测量误差的节流装置。标准节流装置由于它具有结构简单并已标准化，使用寿命长和适用性广，因而在流量测量仪表中占据重要地位。标准节流装置的设计从而也具有广泛实用意义。

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1.2设计依据

实际工作中，常常会遇到许多属于标准节流装置的设计计算问题，但主要的是两类命题形势。第一类命题为现场核对偷用流量计的测量值。命题形式为：已知节流装置型式，管道内径D ，节流开孔直径d ，被测流体参数ρ、μ，根据测得的差压值p ?，计算被测流体流量m

q 或v q 。 第二类命题新装设节流装置的设计计算。命题形式为：已知管道内径D 、被测流体参数ρ、μ、管道布置条件，选择流量测量范围，差压测量上限，节流装置型式等条件，计算节流件开孔直径。一般节流装置设计计算就是指此命题。

从工艺方面的愿望来看，可大致归纳为4点：

①测量的准确度尽可能高；

②在所要求的测量范围内，流量系数具有平稳的数值，以便在测量范围内流量值和差压值之间是简单的对应关系；

③节流件前后所需要的直管段尽可能短；

④节流件的压力损失尽可能小，要注意降低能耗。

在设计进行中往往会发现上述4点希望之间存在着矛盾。设计中应该根据现场的具体情况和标准节流装置的各项规定与要求，统一考虑，妥善的处理好其中的矛盾，确定出合理的方案。

标准节流装置的设计依据是工艺方面给出的原始数据和要求，以及标准节流装置的国家标准中的各项规定。

1.3 设计目的

(1)充分理解和掌握标准节流装置的工作原理，通过一步步的设计计算，掌握设计时的许多细节和技巧，如选材要求等。

(2)熟悉国家标准如节流装置国际标准ISO5167-1；1991或我国标准GB/T2624-1993的内容。熟练掌握如何查找相应的国家标准的图表，查阅、使用图表。

(3)将理论知识与实践相结合，提高利用已学知识分析解决实际问题的能力。

(4)复习和熟练使用caxa画图的技能。

1.4 设计任务

(1)结合教材及参考资料，针对第二类命题，根据工艺要求，计算节流装置的各项参数，确定节流装置的构造。

(2)写明标准节流装置的设计原理，具体的计算步骤，并标注出查表参数的来源，以设计说明书的形式体现。

(3)根据已知参数，使用CAXA(或其它类似软件)绘制标准节流装置的加工图和装配图(需要进一步计算一些参数。

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第2章标准节流装置的设计原理

2.1 标准节流装置测量原理

标准节流装置用于测量流量，其原理如下：

在管道内部装有断面变化的孔板或喷嘴节流件，当流体流经节流件时，由于流束收缩，则在节流件前后产生静压差，利用压差与流量的关系可进一步测出流量。对于未经标定的节流装置，只要他与已经经过充分实验标定的节流装置几何相似和动力学相似，则在已知有关参数的条件下，可以认为节流件前后的静压力差与所流过流体的流量间有确定的数值关系。因此可以通过差压来测量流量。

2.2标准节流装置的结构

标准节流装置是由节流件、取压装置和节流件上游第一个阻力件、第二个阻力件、下游第一个阻力件以及他们间的直管段所组成的。同时它也规定了所适应的流体种类、流体流动条件以及对管道条件、安装条件、流体参数的要求。

国际标准节流件有三种：标准孔板（同角接取压口、D、D/2取压口和法兰取压口）、喷嘴（ISA 1932 喷嘴、长径喷嘴）、文丘里管（文丘里喷嘴、经典文丘里管）。在本次设计命题中我们使用文丘里喷嘴。

2.2.1文丘里喷嘴

(1)喷嘴结构设计

本次设计中我们设计并绘制了截尾式文丘里喷嘴和非截尾式文丘里喷嘴。文丘里喷嘴的型线如图2.1，它由圆弧廓形收缩段、圆筒喉部，和扩散段组成。

收缩段与ISA1932相同，喉部是由0.3d的部分E和长度0.4~0.5d的部分'E所组成。扩散的夹角应小于或等于30 o。当扩散段出口直径小于D时，称为截尾式文丘里喷嘴；如果扩散段出口直径等于D时，称为非截尾式文丘里喷嘴。扩散段的夹角大小对压力损失有影响。

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图2.1 文丘里喷嘴结构图

(2)取压设计

文丘里喷嘴的上游取压口的位置可以再管道本身，管道法兰上或夹持环上，参考设计手册和国标的介绍，我们选择利用环室取压的方式进行取压，取压环室的结构如下图2.2所示

图2.2环室取压结构图

2.2.2 流体条件和管道条件

流经节流装置的流量和差压得关系，实在特定的流体与流动条件下，以及在节流件上游侧1D处已形成典型的紊流流速分布且无涡流的条件下通过试验获得的。因此适用于节流装置的流体、流动条件、管道条件和安装条件必须符合要求。

(1)流体条件

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标准节流装置只适用于圆管中单相、均质的流体或高度分散的胶体溶液。要求流体必须充满管道，在流经节流装置时流体不发生变化。流速小于声速，同时流速应是恒定的或只随时间缓慢变化的。液体流经节流件前，其流束必须与管道轴线平行，不再有漩涡。

(2)管道条件

节流装置的前后直管段、上游侧第一与第二个局部阻力件间的直管段以及差压信号管路，如图2.3所示。

图2.3 节流装置的管道和管件

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第3章 标准节流装置设计计算

3.1 已知条件

3.1.1题目条件

1) 被测流体： 水

2) 被测流体流量

最大体积流量33max 300/0.083/s v h q m m ==

常用体积流量33240/0.067/s vcom h q m m ==

最小体积流量33min 110/0.031/s v h q m m ==

3) 节流件上游取压孔处工作压力（绝对压力）：113P MPa

= 4) 节流件上游取压孔处工作温度：180t C ?=，1353.15T K =

5) 20C ?时管道内径：203360.336D mm m ==

6) 材料特性：

管道材料：45钢

节流件孔板材料：10CrMo910

7) 允许压力损失 4.5p KPa ≤δ

8) 压差上限值：max 5.0P KPa ?=

9) 选用文丘里喷嘴，配DBC 型电动差压变送器

10) 阻力件形式

上游第一阻力件：闸阀全开

上游第二件阻力件：同一平面上两个90°弯头

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()

3010a D S D ≥≥

3.1.2查表条件 ①查阅流量测量节流装置设计手册(P302（第二版），如图 3.1水在工作状态下（13MPa,80）的密度：

3Pa =977.4216kg/m ?13M ρ水（80C ，）

（）

图3.1工作状态下水的密度

②被测流体质量流量

m v q q =?ρ

则：

最大质量流量mmax 81.126kg /s q =

常用质量流量m 65.487kg /s com q =

最小质量流量mmin 30.3kg /s q =

③查阅流量测量节流装置设计手册（第二版） P326，如图 3.2水在工作状态下

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（13MPa,80）的动力粘度：

6Pa =35410Pa s ?-13M ??μ水（80C ，）

（）

图3.2工作状态下水的动力粘度

④查阅流量测量节流装置设计手册（第二版） P218），如图3.3管道和喷嘴的线胀系数：

611.5910/D C λ-=??

6d 12.5010/C λ-=??