课程设计报告( 2013—2014年度第一学期 )课程：过程参数检测及仪表题目：标准节流装置的设计与计算院系：自动化系班级：学号：学生姓名：Acceler指导教师：**设计周数：一周成绩：日期：2014 年1 月15 日一、课程设计目的与要求本课程设计为检测技术与仪器、自动化专业《过程参数检测及仪表》专业课的综合实践环节。
通过本课程设计，使学生加深过程参数检测基本概念的理解，掌握仪表的基本设计方法和设计步骤。
二、设计正文 第一类命题：已知条件：流体为水，工作压力MPa p 7.14=，工作温度215=t ℃；管道mm D 23320=，材料为20号钢新无缝钢管；节流件为法兰取压标准孔板，材料为1Cr18Ni9Ti ；mm d 34.11720=；差压kPa p 91.156=∆，求（1）给定差压值p ∆下的水流量m q ；（2）计算测量时的压力损失。
解：（1）辅助计算：查表得到水和水蒸气密度1ρ=856.85kg/3m ，动力粘度η=127.3610-⨯Pa ·s ，管道线膨胀系数D λ=12.78610-⨯/℃，节流件线膨胀系数d λ=17.2610-⨯/℃，可膨胀性系数ε=1。
mm t D D D t 58.233)]20(1[20=-+=λ mm t d dt d 73.117)]20(1[20=-+=λ（2）查表可知，新无缝钢管的绝对粗糙度K=0.05~0.1mm ，(410K/D)max =4.29<4.9，所以直管段粗糙度符合要求。
（3）迭代计算水流量m q ： 由Stolz 方程，得：令式中0Re D = ∞，此时流出系数初始值为0C =0.60274。
取精密度判据6101-⨯=z ，利用Matlab 进行迭代计算，程序代码如下： A=7912885.84;yita=127.3e-6; b=0.504;Dt=233.58;c0=0.5959+0.0312*b^2.1-0.184*b^8+2.286*b^4/Dt/(1-b^4)-0.856*b^3/Dt; c=c0;z=1; % 初值预设5040.0==tt D d β84.79128851004.0354.0412=-∆⨯=βηρεt t D pd A )62.58,:(856.0)1(286.2)Re 10(0029.0184.00312.05959.02034475.065.281.2mm D mm D D D C D ≥--++-+=ββββββwhile z>1e-6 % 迭代计算 c1=c; Re=A*c;c=c0+0.0029*b^2.5*(1e6/Re)^0.75; z=abs((c-c1)/c); end cqm=A*Dt*yita*c/0.354迭代2次后，8104.5-⨯=z ，精密度符合要求。
此时C=0.602902，m q =400721.5kg/h 。
对于标准孔板，其压力损失的计算式为p p ∆-=)1(9.1βδ，将β与p ∆值代入，得p δ=114.23kPa 。
答：给定差压值p ∆下的水流量m q 约为400721.5kg/h ；测量时的压力损失约为114.23kPa 。
第二类命题：已知条件：流体为锅炉给水，最大流量h kg q m /102303max ⨯=，常用流量h kg q mch /101903⨯=，最小流量h kg q m /101003min ⨯=；工作压力MPa p 15=，工作温度215=t ℃；管道mm D 19920=，材料为20号钢新无缝钢管，节流件为角接取压标准孔板，材料为1Cr18Ni9Ti ；允许压力损失kPa y 40≤∆ω，上游第一阻力件为全孔球阀，上游第二阻力件为同一平面上两个90°弯头。
（1）选定差压计；（2）计算20d C 、、、εβ；（3）确定最小直管段长度210l l l 、、；（4）计算压力损失并进行核算；（5）计算基本误差。
本题设计任务书如下：1、准备计算根据锅炉给水工作状态下的压力1p =15MPa 和温度t=215°C ，查表得流体密度ρ1=857.17kg/m 3,动力粘度η=127.4⨯106-Pa ·s ，管道线膨胀系数D λ=12.78610-⨯/℃，节流件线膨胀系数d λ=17.2610-⨯/℃。
可膨胀系数ε=1。
计算D t ：mm t D D D t 496.199)]20(1[20=-+=λ计算正常流量和最小流量下雷诺数：Re Dch =ηπt D 4mch q =3600104.12710199.496π190000463-⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=2.644×106Re min D =ηπt min D 4m q =3600104.12710496.991π100000463-⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=1.392⨯1062、选定差压计由于采用角接取压标准孔板，最大差压的计算为：ΔP m ax ≤（2~2.5）y p δΔP m ax =2y p δ=2×40=80 kPaΔp ch =Δp m ax （q mch / q m m ax ）2=80×103×（331023010190⨯⨯）2=54.594kPa 流量指示仪表的流量刻度上限是有规定的，即为1，1.2，1.6，2，2.5，3，4，5，6，8×10n其中n 为任意整数。
题中最大流量为230t/h ，流量计流量刻度上限为m m ax q =250t/h 。
故选用1151HP 型差压变送器，其量程范围为0～186.8kPa ，耐静压为31.5MPa ，仪表基本误差为±0.25%。
变送器差压量程调整在0～80kPa 。
3.计算β，C ，ε，20d 流量公式：q mch =41β-C ε4πβ2D t 2ch p ∆12ρ，其中q mch 、4π、D t 2ch p ∆12ρ已知，所以不变量A=chtchp D q ∆12m 24ρπ 得迭代方程为：A=421βεβ-C ，令X=421ββ-=εC A 。
精密度判据为：n E =AXC A ε-<1⨯106-。
β=25.0211-⎪⎭⎫ ⎝⎛+X ，d t =βD t = D t 25.0221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+X Xq m ch =190×103kg ／h ；D t =199.496mm ；ρ=857.17kg/m 3；Δp ch =54.594kPa 计算A 值：A =chtchp D q ∆ρπ242m =32310594.5417.8572)10496.199(43600/190000⨯⨯⨯⨯⨯-π=0.1745经以上初步计算后，用Matlab 进行迭代计算，程序代码如下：A=0.1745;yita=127.3e-6;Re=2.644e6;i=2;Dt=199.496; xn(1:30)=0;b(1:30)=0;c(1:30)=0;dta(1:30)=0;en(1:30)=1; c(1)=0.5959; % 初值预设 while (abs(en(i-1))>1e-6)&&(i<4) % 开始迭代计算 xn(i)=A/c(i-1);b(i)=(xn(i)*xn(i)/(1+xn(i)*xn(i)))^0.25;c(i)=0.5959+0.0312*b(i)^2.1-0.184*b(i)^8+0.0029*b(i)^2.5*(1e6/Re)^0.75; dta(i)=A-xn(i)*c(i); en(i)=dta(i)/A; i=i+1; endwhile abs(en(i-1))>1e-6 % 快速弦截法xn(i)=xn(i-1)-dta(i-1)*(xn(i-1)-xn(i-2))/(dta(i-1)-dta(i-2)); b(i)=(xn(i)*xn(i)/(1+xn(i)*xn(i)))^0.25;c(i)=0.5959+0.0312*b(i)^2.1-0.184*b(i)^8+0.0029*b(i)^2.5*(1e6/Re)^0.75;dta(i)=A-xn(i)*c(i); en(i)=dta(i)/A; i=i+1; enddt=b(i-1)*Dt;得：β=0.5271；C=0.6032；t d =105.1605mm 。
又由)]20(1[20-+=t d dt d λ得，20d =104.809mm 。
综上，β=0.5271；C=0.6032；ε=1；20d =104.809mm 。
4. 确定最小直管段长度和对管道粗糙度的要求管道布置如下图所示：上游第一阻力件为全孔球阀，上游第二阻力件为同一平面上两个90°弯头。
最小直管段L 由三段长度（L1，L2，L0）组成，L1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度，由第一阻流件形式和β值决定。
L0是上游第一阻流件与第二阻流件之间的直管段，由第二阻流件和β=0.7决定，按表中给出值的一半计算。
L2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度，与下游节流件的形式无关，只与β值有关。
根据β约等于0.55，查表并计算可得210、、l l l ：0l =1/2⨯36⨯20D =3582mm1l =14⨯20D =2786mm 2l =6⨯20D =1194mm标准孔板对管道相对粗糙度的限值可查表得到，管道相对粗糙度上限值为4.9×104-，所以要求节流件上游侧10D 以内管道的绝对粗糙度K s 为 K s <199.496×4.9×104-=0.0978mm新无缝钢管的绝对粗糙度K s =0.05~0.1mm ，符合粗糙度要求。
5. 计算压力损失并进行核算ch p δ=(1-9.1β）Δp ch =（1-0.52719.1）×54.594=38.42kPa ＜40kPa即ch p δ＜y p δ，压力损失验算合格。
6.计算基本误差及测量结果的不确定度求取流量值相对不确定度的计算公式为：21212224224422])(41)(41)()12()()12()()[(1ρδδδβδββεδδδρε+∆+-+-++±=∆P d D C q P d D c m qm因为β=0.5271，所以有Ccδ =±0.6%；锅炉给水为不可压缩流体，则ε=1，0=εδε；DDδ与ddδ是与量具的误差，λD 、λd 值误差和工作温度t 值有关。
在节流件工作在设计工作温度时，主要取决于量具的误差。
按置信概率95%估算，ddδ=±0.07％，DDδ=±0.4％；11ρδρ=±0.06％；由于的选择差压变送器为0.25级，选择显示仪表为1级，则p p ∆∆δ=594.54125.0803222+⨯⨯%=1.01％，综上： %643.0]%06.04101.14107.0)5271.012(4.0)5271.015271.02(06.0[2222422442±=⨯+⨯+⨯-+⨯-⨯++±=m qm q δ7. 结论（1）差压计选用1151HP 电容式差压变送器； （2）β=0.5271，C=0.6032，ε=1，20d =104.809mm ； （3）最小直管段l 0=3582mm ，l 1=2786mm ，l 2=1194mm ； （4）压力损失ch p δ=38.42kPa ＜40kPa ，压力损失验算合格； （5）不确定度mq qmδ=±0.643%。
