设计说明——王茜

名称：节流式流量计设计说明书题目：标准节流装置的设计计算院系：自动化系
班级：自动实1101
学号：201102030222
学生姓名：王茜
指导教师：苏杰
成绩：
日期：2013年11月16日
一、设计目的
应用课堂所讲的专业知识，针对实际的标准节流装置设计要求，按照标准计算过程，计算并设计出符合规定的节流装置。

要求熟练标准节流装置的设计计算过程，能够针对实际生产中的被测流体及实际工作情况，设计能够在实际中得到很好应用的节流装置。

二、设计题目
已知条件：流体为过热蒸汽，最大流量h kg q m /102303
max ⨯=，常用流量
h kg q m ch /102003⨯=，最小流量h kg q m /101003min ⨯=；工作压力MPa p 13=，工作
温度550=t ℃；管道mm D 22120=，材料为12CrMoV 钢轧制的新无缝管，允许压力损失
kPa y 60≤∆ω；管道阻力件：上游第一阻力件为单个90°弯头，上游第二阻力件为全开闸
阀。

（1）确定标准节流件形式；（2）选定差压计；（3）计算20d C 、、、εβ；（4）确定最小直管段长度210l l l 、、；（5）计算压力损失并进行核算；（6）计算基本误差。

三、计算设计过程
解 题目中要求压力损失kPa y 60≤∆ω，因此，可以选取的节流件为标准喷嘴，采用角接取压，材料为1189Cr Ni Ti 。

（1）求工作状态下各参数
1）过热蒸汽的工作压力（绝对）：113.00.113.1a b MPa p p p =+=+=
2）查附录Ⅱ中的相应表格得到相关工作状态下的过热蒸汽的密度及动力粘度参数，如表1所示。

表1 过热蒸汽相关参数表
经过线性变换，可以得到13.1
,550p MPa t ==℃时过热蒸汽的密度，计算过程如下：
1
211
21
t t t t ρρρρ--=--
121
121
p p p p ρρρρ--=-- 代入数据,经过Matlab 编程计算，得到工作状态下的过热蒸汽密度为37.2960ρ=，动力
t/℃
ρ/(kg/m 3) p/MPa 13.0 14.0
t/℃ η×106
Pa ·s
p/MPa 10.0 15.0 540 37.922 41.152 540 30.59 30.96 550
36.670
39.761
560
31.38
31.75
粘度为631.2610Pa s η-=⨯⋅ 。

3）查附录Ⅱ中的相应表格得到管道的线膨胀系数1613.65/10D λ--=⨯℃ ，取过热蒸汽的等熵指数 1.3κ= 。

（2）求工作状态下管道直径
206[1(20)]
221[113.65(55020)]222.60mm
10t D t D D λ-=+-=+⨯-=
（3）计算常用流量下的雷诺数Re D
670.354/0.354230000/(222.6031.44) 1.0171010Re t Dch mch q D η-==⨯⨯⨯=⨯
（4）选取差压计。

从用户对压力损失的要求出发，取
max 3360180y kPa p p δ==⨯=∆
选取最靠近的差压系列值，取max 160kPa p =∆。

参考附录Ⅱ，可选用1151DP 电容式差
压变送器。

变送器量程调整在0~160kPa 。

题目中流体的最大流量为230/t h ，所以流量计流量刻度上限*
max q 定为250/t h 。

验算36max 1/160/13.650.01220.251010p p =⨯⨯=<∆ ,符合规定。

（5）计算常用流量下的差压值
2
2
max 160102.40kPa *max 200250ch mch m q p p q ===⎛⎫⎛⎫ ⎪∆∆ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
（6）迭代计算β值和d 值
1）求不变量A ，得
22
1200000
0.51630.00437.30102400
0.004222.60mch
t
A p
q D
ρ=
=
=⨯⨯⨯∆
2）设001,1C ε== 。

3）据公式
14
(1)
42
24 1.15
4.1
2
4.15
/()
221111160.99000.2262(0/001750.0033)()
1(/)
10Re n n n n n n n n
A n n
C D A C X X X C X κκκ
κκεκτεββτ
τβτβ
ββ
δε-==--=---=---=-+
进行迭代计算，从n=3起，n X 用快速弦截法公式
1211
12
n n n n n n n X X X X δδδ-------=-- 进行迭代计算，进度判别公式为/n n A E δ= ，假设判别条件为
10||5(1,2,)10n n E -≤⨯=… ，则n n n n n n C X E βεδ、、、、、 的计算结果列于表2。

表2 迭代计算中间结果
当n=5时，求得的E 小于预定精度，因此得
550.6958941
0.93883====33
C C ββ
4）求t d ，得
154.905211mm t t d D β==
（7）验算压力损失。

根据公式可得正常流量下的压力损失为
4
23
42
132.4101y
ch ch C Pa p C P P ββδδββ
--=
=⨯<-+∆
压力损失验算合格。

（8）验算流量
214
0.004
200.0/1t m C p kg h q d ερβ
=∆=-
（9）确定20d 。

喷嘴材料为1189Cr Ni Ti ，查表得618.210d λ-=⨯，则
[]
20153.793mm 1(20)t
d t d d λ==+-
（10）确定安装位置。

根据0.7β= 和管路系统，查表可得
0121
20 2.226228 6.2337 1.558D m
D m D m
l l l =⨯=====
（11）计算流量测量总不确定度。

对于标准喷嘴，由于0.6β> ，则
n 1 2 3 4 5 X 0.5163488 0.5502269 0.5534779 0.5535008 0.5535009 β 0.6773456 0.6943136 0.6958831 0.6958941 0.6958941 C 0.9441951 0.9393078 0.9388367 0.9388333 0.9388333 ε 0.9938929
0.9936782
0.9936568
0.9936567
0.9936567
δ 2
3.17922103-⨯
3
2.78364610-⨯
51.95356310-⨯ 81.20433410-⨯ 85.21804810-⨯ E
2
6.15712210-⨯
3
5.39101810-⨯
5
3.78341710-⨯ 8
2.33240410-⨯
131.01056710-⨯
1
/(20.4)%0.99179%
/2
% 0.0156%
C C p
p εβεδδ=±-=±∆=±=±
按置信概率95%估算，设/0.2%,/0.03%D d D d δδ=±=±，选定的差压变送器为0.2级，则
213m
m
q
p q δ=⨯⨯∆（差压计允许绝对误差）=210.2%160000=0.2083%3102400
⨯⨯⨯
查阅表7-9，假设温度，压力的测量不确定度为1%±，则=1%ρρδ± 。

因此，总部确定度为
12
2
22
2422
22
1.1277%44
2112()[]()()()()()()(
)44
11m
m
q
p C d D q p C d D ρεδδδβ
δδδδρ
βε
β∆=±=±+++++-∆-
附录
计算程序
程序1：密度、粘度线性变换的子程序
%线性变化程序
%参数说明：midu,niandu是两个数组。

num=2时，数组长度为2，num=4时，数组长度为4.midu （1）,midu（2）为p1下t1,t2
%对应的工作参数，midu（3），midu（4）是p2下t1,t2对应的工作参数.niandu同理。

%[midu0,niandu0]=xianxingbh(550,13.1,2,4,540,560,[13,10],[14,15],[37.922,36.670,41.152,39.7 61],[30.59,30.96,31.38,31.75])
function [midu0,niandu0]=xianxingbh(t,p,num1,num2,t1,t2,p1,p2,midu,niandu)
midu01=0;midu02=0;
if num1==2
midu0=(t-t1)/((t2-t1)/(midu(2)-midu(1)))+midu(1);
end
if num1==4
midu01=(t-t1)/((t2-t1)/(midu(2)-midu(1)))+midu(1);
midu02=(t-t1)/((t2-t1)/(midu(4)-midu(3)))+midu(3);
midu0=(p-p1(1))/((p2(1)-p1(1))/(midu02-midu01))+midu01;
end
niandu01=0;niandu02=0;
if num2==2
niandu0=(t-t1)/((t2-t1)/(niandu(2)-niandu(1)))+niandu(1);
end
if num2==4
niandu01=(t-t1)/((t2-t1)/(niandu(2)-niandu(1)))+niandu(1);
niandu02=(t-t1)/((t2-t1)/(niandu(4)-niandu(3)))+niandu(3);
niandu0=(p-p1(2))/((p2(2)-p1(2))/(niandu02-niandu01))+niandu01; end
程序2：计算过程主程序
clear all
close all
%通过线性变化计算相应工作状态下的流体密度、粘度
[midu0,niandu0]=xianxingbh(550,13.1,2,4,540,560,[13,10],[14,15],[37.922,36.670,41.152,39.761 ],[30.59,30.96,31.38,31.75])
%计算工作状态下的管道直径
lamd=13.65;D20=221;t=550;
Dt=D20*(1+lamd*10^(-6)*(t-20));
Dt
%计算常用流量下的雷诺数
qm=200;
Red=0.354*qm*10^3/Dt/niandu0*10^6;
Red
%选取差压计，从用户对压力损失的要求出发psunshi=60;
psunshi_=3*psunshi;
psunshi_
nn=0;psunshi2=0;
m=0;qmmax2=0;qmmax=230;
%测量psunshi1是几位数（n）
for i=1:9999
if psunshi_>=1
%a(i)=10^(i);
psunshi2(i)=psunshi_/10;
nn=nn+1;
psunshi_=psunshi2(i);
end
if qmmax>=1
qmmax2(i)=qmmax/10;
m=m+1;
qmmax=qmmax2(i);
end
end
%选定最大压力损失
psunshi_1=psunshi_*10;
psunshinum=[1,1.6,2.5,4,6];
n1=size(psunshinum);n2=n1(2);
for i=1:(n2-1)
if psunshi_1>=psunshinum(i)
if psunshi_1<=psunshinum(i+1)
psunshi_1=psunshinum(i)*10^(nn-1);
end
end
end
psunshi_1 %表示根据要求选取的压力损失值
%选定最大流量
qmmax=qmmax*10;
qmmaxnum=[1,1.2,1.6,2,2.5,3,4,5,6,8];
n3=size(qmmaxnum);n4=n3(2);
%for i=(n4-1):-1:2
for i=n4:-1:2
if qmmax==qmmaxnum(i)
qmmax=qmmaxnum(i);
end
if qmmax<qmmaxnum(i)
if qmmax>qmmaxnum(i-1)
qmmax=qmmaxnum(i)*10^(m-1);
end
if qmmax==qmmaxnum(i-1)
qmmax=qmmaxnum(i-1)*10^(m-1);
end
end
end
if qmmax<qmmaxnum(1)
qmmax=qmmaxnum(1);
end
qmmax
%验算选取的差压变送器是否满足规定：psushi2/p<0.25。

%如果比值小于0.25，则符合规定；否则不符合规定
p=13.1;
bizhi=psunshi_1/p/10^3;
bizhi
%计算常用流量下的差压值
chayazhi=(qm/qmmax)^2*psunshi_1;
chayazhi
%计算直径比和节流件直径
%一定要注意单位！！！！！！！！！！
A=qm*1000/(0.004*(Dt^2)*((midu0*chayazhi*1000)^(1/2)));
A
c0=1;e0=1;k=1.3;
tao=1-chayazhi*10^3/(p*10^6)
x(1)=A/c0/e0;
b(1)=(x(1)*x(1)/(1+x(1)*x(1)))^(1/4);
e(1)=sqrt(k*tao^(2/k)/(k-1)*(1-b(1)^4)/(1-b(1)^4*tao^(2/k))*(1-tao^((k-1)/k))/(1-tao)); c(1)=0.99-0.2262*b(1)^4.1-(0.00175*b(1)^2-0.0033*b(1)^4.15)*(10^6/Red)^1.15;
d(1)=A-x(1)*c(1)*e(1);
E(1)=d(1)/A;
x(2)=A/c(1)/e(1);
b(2)=(x(2)*x(2)/(1+x(2)*x(2)))^(1/4);
e(2)=sqrt(k*tao^(2/k)/(k-1)*(1-b(2)^4)/(1-b(2)^4*tao^(2/k))*(1-tao^((k-1)/k))/(1-tao));
c(2)=0.99-0.2262*b(2)^4.1-(0.00175*b(2)^2-0.0033*b(2)^4.15)*(10^6/Red)^1.15;
d(2)=A-x(2)*c(2)*e(2);
E(2)=d(2)/A;
n=3;
while(abs(E(n-1))>5*10^(-10))
x(n)=x(n-1)-d(n-1)*(x(n-1)-x(n-2))/(d(n-1)-d(n-2));
b(n)=(x(n)*x(n)/(1+x(n)*x(n)))^(1/4);
e(n)=sqrt(k*tao^(2/k)/(k-1)*(1-b(n)^4)/(1-b(n)^4*tao^(2/k))*(1-tao^((k-1)/k))/(1-tao));
c(n)=0.99-0.2262*b(n)^4.1-(0.00175*b(n)^2-0.0033*b(n)^4.15)*(10^6/Red)^1.15;
d(n)=A-x(n)*c(n)*e(n);
E(n)=abs(d(n)/A);
n=n+1;
end
x=vpa(x,7)
b=vpa(b,7)
e=vpa(e,7)
c=vpa(c,7)
d=vpa(d,7)
E_=vpa(E,7)
n=n-1
%求dt
dt=Dt*b(n);
dt
%验算压力损失
psunshi_=((sqrt(1-b(n)^4)-c(n)*b(n)^2)/(sqrt(1-b(n)^4)+c(n)*b(n)^2))*chayazhi;
psunshi_
%判断压力损失是否合格
if psunshi_<psunshi
yansuan=1;
else
yansuan=0;
end
yansuan %单位：KPa
if yansuan==1
qm_=0.004*c(n)/sqrt(1-b(n)^4)*e(n)*dt*dt*sqrt(chayazhi*10^3)*midu0;%注意chayazhi的单位
%确定d20
d20=dt/(1+lamd*10^(-6)*(t-20));
qm=vpa(qm,4)
d20
end
%计算流量测量总不确定度
cbqdd=2*b(n)-0.4
ebqdd=2*chayazhi*10^3/(p*10^6)%！！！！！一定要注意单位
%选定差压计等级
chayaji=0.2;
pbqdd=2/3/(chayazhi*1000)*chayaji*psunshi_1*1000
%计算总不确定度
Dbqdd=0.2;dbqdd=0.03;midubqdd=1;
qmbqdd=sqrt(cbqdd^2+ebqdd^2+Dbqdd^2*(2*b(n)^4/(1-b(n)^4))+dbqdd^2*(2/(1-b(n)^4))+1/4*p bqdd^2+1/4*midubqdd^2)
程序3：标准喷嘴尺寸参数计算程序
clear all
close all
%程序说明：绘图参数的计算
%采用标准喷嘴，角接取压
%计算入口平面A
D=222.6;d=154.905211;%单位：mm
b=0.6958941;b0=2/3;
if b<b0
A=1/2*(D-1.5*d);
end
if b>b0
L=(0.2-sqrt(0.75/b-0.25/b/b-0.5225))*d
r=D
R=D+L
end
%计算圆弧曲面B:R1和C:R2
if b<0.5
R11=0.2+0.02*d
R12=0.2-0.02*d
R21=d/3+0.03*d
R22=d/3-0.03*d
else
R11=0.2*d+0.006*d
R12=0.2*d-0.006*d
R21=d/3+0.01*d
R22=d/3-0.01*d
end
%圆筒形喉部E
LE=0.3*d
%出口边缘f和保护槽F
C=1.06*d%保护槽直径
LF=0.003*d%保护槽轴向长度
HF=(C-d)/2
%喷嘴轴向长度
%if语句的条件不能两边同时判断，即一边大于，一边小于if (0.3<b)&&(b<=2/3)
PL=0.6041*d
end
if (2/3<b)&&(b<=0.8)
PL=(0.4041+sqrt(0.75/b-0.25/b/b-0.5225))*d
end
tao =
0.9884
e =
[ .9916855, .9915120, .9914993, .9914992, .9914992]
[ .9572006, .9541202, .9538972, .9538961, .9538961]
d =
[ .2148353e-1, .1435854e-2, .6795532e-5, .2169296e-8, .3275158e-14]
E_ =
[ .5075806e-1, .3392419e-2, .1605546e-4, .5125286e-8, .7738051e-14]
n =
5
dt =
142.26785043185390403290853100771
psunshi_ =
61.212562542981755412507276010953
qm =
200.
d20 =
141.24600619999999943642265471321
cbqdd =
.87824440000000000000000000000000
ebqdd =
0.0233
pbqdd =
0.1400
qmbqdd =
1.0222208119659118191226435053113
R11 =
29.3072
R12 =
27.6000
R21 =
48.8453
R22 =
45.9999
LE =
42.6804
C =
150.8039 LF =
0.4268 HF =
4.2680 PL =
85.9440
⨯
3-
3.1792210。