靶式流量计在火灾烟道气中应用优势显著
目前,火灾烟气主要采用测量气体流速的方法对烟气进行测速,包括气压法、机械法与散热率法等。气压法通过测量全压和静压的差值求得风速,如皮托管式风速传感器和双向微压差计;机械法利用流体的动压推动机械装置旋转求得风速,如叶轮风速仪;散热率法根据流速与散热率成对应关系的原理,通过测量相等散热量的时间,或温度变化,或保持原温度的加热电流量的变化来确定风速,如热线、热球风速仪。
1 传统的烟气流速测量方法
1.1 皮托管、双向微压差计测速法
皮托管根据流体流动引起的压差进行流速测定。标准皮托管是一根弯成直角的金属细管,它由感测头、外管、内管、管柱和全压、静压引出导管等组成。在皮托管头部的顶端,迎着来流开有一个小孔,小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方,环绕管壁的外侧又开有多个小孔,孔面与流动的方向相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入顶端小孔的气流压力为全压,而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅为流体的静压,根据全压和静压可求出动压,从而得到风速。
1.2 叶轮风速仪测速法
叶轮风速仪由叶片、传感器轴、传感器支架及磁感应线圈等组成。它利用流动空气的动能推动传感器的叶片旋转,然后通过转速求出流速。测速时,将风速仪探头与来流方向垂直,叶片在来流的作用下转动并由传感器将转速信号输出到纪录表进行读数。叶轮风速仪属于机械式测速设备,它不受重力的影响,可安装在任何位置并通过叶轮的转向识别气体流向。叶轮风速仪不像皮托管,测压孔可能被烟气中的颗粒堵塞而失去测速作用,可靠性高。但是,叶片的形状和表面光洁度,转子的质量以及转子轴承的阻力均影响其测量性能。
1.3 热线、热球风速仪测速法
热线、热球风速仪以电热丝(钨丝或铂丝)或球形玻璃体(电热丝包裹在其内部)为探头,裸露在被测空气中,并将热丝接入惠斯顿电桥,通过电桥的电阻或电流的平衡关系,检测出被测空气的流速。测量时,电热丝通恒定直流,气流吹过热丝或热球表面时,将从其表面带走热量。当产生的热量和散失的热量相等时,探头就稳定在某一温度,达到动态平衡,通过测量探头的温度即可确定气流的速度。
除了上述几种较为常用的风速仪外,还有激光多普勒测速仪、超声波旋涡式风速仪等气体流速测量装置,但这些装置存在价格昂贵、安装困难、使用不便等问题,不适于大型火灾实验中烟气流速的测量。
2 靶式流量计测速法
靶式流量计是为解决高粘度、低雷诺数的流量(流速)测量而发展起来的一种流量计。使用中,被测流体可以是液体、气体和蒸汽,尤其对低雷诺数、小流量(低速)、高湿度、含固体颗粒以及腐蚀性介质的流体有很强的适应性。通过温度补偿,靶式流量计还能对中高温的流体流速进行测量。目前,该流量计被广泛应用于重油、沥清、矿浆、有机酸、高温蒸汽等的测量中。
靶式流量计的靶板和靶杆均为铝合金材质,对高温、高粘、高湿度、多杂质、及强腐蚀性流体有极强的适应性。此外,由于采用了高敏的电容式力传感器,使得靶式流量计的灵敏度大大提高,配合加大靶板阻流面积的方法能使可测流速下限大大降低,理论上,靶式流量计可以测任意小的流体速度。靶式流量计属机械式测速设备,通过温度补偿可测不同温度、不同密度的流体。综合以上优点可知,当火灾烟气温度较高、流速较低及颗粒物杂质较多时,利用靶式流量计进行测速有较强的可靠性。
但是,靶式流量计也存在缺陷。当流速较低时,需要增加靶板面积以增大其作用力使传感器达到响应应变。由于流量计测的是平均流速,若靶板面积过大,其上各点的速度梯度可能很大,从而影响了测量的精度。这个问题随着传感器灵敏度的增加已大大改善,目前,0.1的气体(标准状态下)流速下限仅需0.05(直径约0.12)的靶板阻流面积,已能满足多数火灾实验的需要。另外,靶式流量计只能测一个方向的来流,当流体从靶板背面流过时,流量计没有读数,使其只能用于已知流向的测速工作。但是,正是由于这样的特性,使得靶式流量计在高湍流度、流动变化大的流场当中不会出现虚假读数。
3 结论
火灾烟气是一种中温、低速、多杂质的气体,有时还具有高湿度及一定腐蚀性的特征,传统的气体流速测量方法用于火灾烟气测速时存在不同的缺陷。以上比较后,很显然使用靶式流量计对低速、高湿度、多颗粒杂质的火灾烟气进行测速,其结果较皮托管和中温热线风速仪更具规律性,可靠度更高,具有更好的适用性和明显的优越性。总之,由于采用了高灵敏度的传感器且其探头(靶板)具有广泛的适用性,靶式流量计应能满足多种火灾烟道气的需要。