Nel sistema di produzione industriale, la misurazione del flusso è un collegamento fondamentale per garantire la stabilità della produzione, la qualità del prodotto e il controllo dei costi. Che si tratti del trasporto preciso di materie prime e prodotti nel settore petrolchimico, dell'impatto diretto del flusso di vapore e acqua sull'efficienza della generazione di energia nell'industria energetica, o del monitoraggio dello scarico di acque reflue e gas di scarico nell'industria della protezione ambientale, l'accuratezza dei dati di flusso determina direttamente la qualità operativa del processo produttivo.
Tra le varie apparecchiature di misurazione del flusso, i misuratori di flusso a vortice sono diventati l'apparecchiatura principale per la misurazione del flusso industriale grazie ai loro vantaggi tecnici unici. Sono ampiamente utilizzati in scenari industriali in diversi settori e forniscono un supporto dati chiave per le operazioni di produzione. Il seguente articolo condurrà un'analisi dettagliata sul principio di funzionamento, le caratteristiche tecniche, le specifiche di utilizzo e gli scenari applicativi dei misuratori di flusso a vortice, rivelando l'essenza tecnica della loro misurazione efficiente.
Il funzionamento dei misuratori di flusso a vortice si basa sul fenomeno della Strada di Vortici di Karman nella meccanica dei fluidi. Quando il fluido scorre attraverso il generatore di vortici integrato (di solito un corpo tozzo non aerodinamico) del misuratore di flusso a una velocità specifica, si formano vortici rotanti alternati su entrambi i lati del corpo tozzo a causa degli effetti della viscosità e dell'inerzia del fluido. Questi vortici formano due file regolari di vortici con direzioni di rotazione opposte a valle, note come "Strada di Vortici di Karman".
La formazione di questo fenomeno è un risultato inevitabile dell'interazione tra la separazione dello strato limite e la stabilità del fluido. Quando il fluido si avvicina al corpo tozzo, si forma uno strato limite sulla sua superficie. Mentre il fluido scorre, lo strato limite si separa in una posizione specifica sul corpo tozzo, formando vortici indipendenti che si staccano alternativamente a valle, formando infine la Strada di Vortici di Karman.
La legge fondamentale del fenomeno della Strada di Vortici di Karman è che la frequenza di distacco dei vortici è direttamente correlata alla velocità del fluido. Maggiore è la velocità del fluido, più vortici si staccano da entrambi i lati del corpo tozzo per unità di tempo e maggiore è la frequenza di distacco dei vortici. Misurando accuratamente questa frequenza, è possibile calcolare inversamente la velocità del fluido.
La relazione di cui sopra è descritta quantitativamente dalla formula: f = StV/d. Nella formula:
- f è la frequenza del vortice di Karman su un lato del generatore di vortici (unità: Hz), che riflette la velocità di distacco dei vortici;
- V è la velocità media del fluido (unità: m/s), che è il parametro di misurazione principale;
- d è la larghezza del generatore di vortici (unità: m), un parametro geometrico chiave del corpo tozzo;
- St è il numero di Strouhal (adimensionale), che rimane costante all'interno di un intervallo specifico del numero di Reynolds (Re).
Per i misuratori di flusso a vortice convenzionali, quando Re è nell'intervallo di 10²~10⁵, il valore di St è approssimativamente 0,2. All'interno di questo intervallo, se la frequenza del vortice f e la larghezza del generatore di vortici d sono note, la velocità del fluido V può essere derivata attraverso la formula.
Dopo aver ottenuto la velocità del fluido V, la portata volumetrica o la portata massica possono essere ulteriormente calcolate combinandole con l'area della sezione trasversale della tubazione.
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Calcolo della Portata Volumetrica: Se l'area della sezione trasversale della tubazione è A (unità: m²), la formula di calcolo per la portata volumetrica Qv (unità: m³/s) è Qv = V×A. Questa formula indica che quando la velocità del flusso è costante, maggiore è l'area della sezione trasversale della tubazione, maggiore è il volume di fluido che passa per unità di tempo; quando l'area della sezione trasversale della tubazione è costante, maggiore è la velocità del flusso, maggiore è la portata volumetrica.
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Calcolo della Portata Massica: Per gli scenari in cui è richiesta la misurazione della portata massica, la portata volumetrica viene moltiplicata per la densità del fluido ρ (unità: kg/m³). La formula di calcolo è Qm = Qv×ρ = V×A×ρ (unità di Qm: kg/s).
Attraverso i calcoli di cui sopra, il misuratore di flusso a vortice può convertire il segnale di frequenza di distacco dei vortici nei dati di flusso richiesti per la produzione industriale, fornendo supporto dati per il monitoraggio e l'ottimizzazione della produzione.
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