實(shí)驗(yàn)室空氣測量裝置設(shè)計(jì)論文

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摘要：根據(jù)高溫行車空調(diào)器熱工性能測試的特殊要求，提出了一套適用于空氣焓值法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的空氣取樣及測量裝置設(shè)計(jì)方法，著重討論了取樣風(fēng)機(jī)、溫濕度測量箱、空氣接收混合箱和循環(huán)風(fēng)量測量箱的設(shè)計(jì)問題。該方法在提高特種空調(diào)熱工性能測試精度方面作了一些嘗試。

關(guān)鍵詞：行車空調(diào)空氣焓值法取樣風(fēng)機(jī)空氣混合箱流量箱

0前言

在冶金企業(yè)的煉鋼、焦化、初軋、煉鐵等工廠中，通常采用高溫行車空調(diào)對高溫車間行車操縱室進(jìn)行局部空氣調(diào)節(jié)，以改善操作人員的工作條件，提高勞動效率。高溫行車空調(diào)的工作環(huán)境比較惡劣，具有環(huán)境溫度高、空氣污染較為嚴(yán)重、行車運(yùn)行時(shí)振動大等特點(diǎn)。環(huán)境溫度可達(dá)45℃，甚至達(dá)到60℃以上，這些都對空調(diào)器的性能和可靠性提出了更高要求。因此，有必要建立高溫行車空調(diào)專用的熱工性能實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格測試，以達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高競爭力的目的[1～3]。

空氣焓值法實(shí)驗(yàn)裝置主要由絕熱庫房，空氣再處理裝置，空氣取樣裝置，空氣接受混合裝置，風(fēng)量測量裝置及電氣控制等部分組成。高溫行車空調(diào)作為特種空調(diào)的一種，目前我國尚無專門的測試規(guī)范。根據(jù)一些生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料，行車室內(nèi)的空氣干球溫度一般取28～30℃。且根據(jù)文獻(xiàn)[4]，本文采用空氣焓值法測定高溫行車空調(diào)的制冷量，著重探討空氣取樣測量裝置的設(shè)計(jì)方法，通過對取樣風(fēng)機(jī)、溫濕度測量箱、空氣接收混合箱和循環(huán)風(fēng)量測量箱的合理設(shè)計(jì)，達(dá)到盡可能高的測試精度。

用空氣焓值法測量空調(diào)器性能，需要測量空調(diào)器室內(nèi)側(cè)進(jìn)出口處空氣焓值及空調(diào)器的循環(huán)風(fēng)量。因?yàn)槟壳盁o直接測量焓值的設(shè)備，只能靠間接測量獲得，即需通過測量當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Α⒖諝飧汕驕囟群蜐袂驕囟惹蟮谩？照{(diào)器循環(huán)風(fēng)量測試采用差壓法，即通過測量空氣經(jīng)過噴嘴的壓力降及噴嘴前的空氣參數(shù)間接計(jì)算出空氣流量[4，5]。

1空氣取樣及測量裝置設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)

空氣取樣及測量裝置主要由取樣風(fēng)機(jī)、取樣笛管及溫濕度測量箱組成。利用取樣風(fēng)機(jī)及取樣笛管引入空調(diào)器進(jìn)出口的典型樣本空氣，將其送入溫濕度測量箱測量。要求如下：

（1）取樣風(fēng)機(jī)與取樣笛管相互獨(dú)立，兩者間用鋁箔軟管連接，無需保溫；

（2）溫濕度測量箱采用有機(jī)玻璃膠合而成，主要由風(fēng)道、水盒（用于測量濕球溫度）、補(bǔ)水杯組成。其標(biāo)準(zhǔn)流通截面尺寸為100mm×100mm，長250mm；

（3）取樣笛管采用不銹鋼管焊接而成，包括匯合管和笛管。每根笛管開有吸風(fēng)口，兩邊等量交錯(cuò)開孔。

1.2取樣風(fēng)機(jī)的選擇

（1）風(fēng)量計(jì)算

取樣風(fēng)機(jī)的風(fēng)量V可按公式（1）計(jì)算：

（1）

式中：vt為溫濕度測量箱內(nèi)垂直于溫度傳感器方向的風(fēng)速，取5m/s；At為測量箱內(nèi)流通截面積，取0.01m2。計(jì)算結(jié)果為0.05m3/s（180m3/h）。

（2）風(fēng)壓計(jì)算

空氣取樣裝置的風(fēng)阻包括取樣笛管到風(fēng)機(jī)進(jìn)口的沿程阻力及局部阻力。可用圖1的模型表示。為計(jì)算簡便，對空氣取樣系統(tǒng)的各段風(fēng)管作如下簡化：

A．1-2為取樣笛管段：1-2的阻力由三部分組成：笛管吸風(fēng)阻力，笛管合流阻力及匯合管合流阻力；

圖1空氣取樣系統(tǒng)風(fēng)道壓力損失模型?

B．2-3為連接軟管段：在此按最不利管路情況模擬：有四個(gè)90°的彎頭，中心彎曲半徑為ф100，同時(shí)管長按拉伸計(jì)算。2-3的阻力由兩部分組成：風(fēng)管沿程阻力和四個(gè)彎頭阻力；

C．3-4為溫濕度測量箱段：3-4阻力由兩部分組成：風(fēng)管到測量箱的突然擴(kuò)大與測量箱到風(fēng)機(jī)入口的突然縮小阻力；

D．4-5為風(fēng)機(jī)段：空氣從風(fēng)機(jī)出口排出時(shí)存在阻力，因風(fēng)機(jī)尚未選定，故暫不做考慮。

根據(jù)以上分析，計(jì)算結(jié)果匯總于表1。風(fēng)機(jī)所需的風(fēng)壓為：

（2）

式中：P為風(fēng)機(jī)所需全壓，Pa；v為出風(fēng)口的風(fēng)速，m/s；△P為總風(fēng)阻，Pa；ρ為空氣密度，取1.2kg/m3。計(jì)算結(jié)果為P=247Pa。

（3）風(fēng)機(jī)選擇

由于整個(gè)裝置的風(fēng)阻較大，且希望風(fēng)機(jī)出口具有較大的全壓，以減小對被測空調(diào)器回風(fēng)口的影響，同時(shí)也使安裝方便，根據(jù)所需風(fēng)量180m3/h及風(fēng)壓247Pa（全壓），可按相關(guān)風(fēng)機(jī)樣本的風(fēng)量和全壓參數(shù)選擇風(fēng)機(jī)型號。取樣風(fēng)機(jī)選用意大利NICOTRA公司的離心風(fēng)機(jī)，型號為DD146/190，其主要參數(shù)為風(fēng)量300m3/h，全壓410Pa。

2空氣混合箱和流量箱的一體化設(shè)計(jì)

2.1空氣混合箱設(shè)計(jì)

空氣混合箱用于接收并精確測量被測空調(diào)器室內(nèi)側(cè)出風(fēng)溫濕度。因?yàn)榭照{(diào)器出風(fēng)溫度與環(huán)境溫度相差較大，為了減少出風(fēng)溫濕度測量裝置的漏熱量，將溫濕度測量裝置置于混合箱內(nèi)。具體要求如下：

表1空氣取樣系統(tǒng)風(fēng)阻匯總管段號構(gòu)件名稱重要參數(shù)局部阻力系數(shù)ξ壓力損失P=ξρv2/2

1-2側(cè)孔吸風(fēng)支面積比：0.106風(fēng)量比：0.125支風(fēng)速：4.8m/s支風(fēng)速：4m/s0.050.69

主0.98.64

總9.33

笛管合流（選取最不利管路a）支通道面積比：0.25風(fēng)量比：1主風(fēng)速：1m/s支風(fēng)速：4m/s11.82113.47

主0.3250.2

總113.67

匯合管合流支匯合管風(fēng)速：5m/s出口風(fēng)速：6.4m/s1.319.5

主0.819.66

2-3風(fēng)管內(nèi)沿程阻力空氣流量：0.05m3/s管徑：100mm查得Rm=8.5Pa管長：4m中心彎曲半徑等于管直徑的90°彎風(fēng)速：6.4m/s34

四個(gè)彎頭0.2221.64

3-4突然擴(kuò)大面積比：0.79計(jì)算風(fēng)速：6.4m/s0.051.23

突然縮小0.143.44

總計(jì)222.5

（1）箱體采用δ=100mm雙面彩鋼聚氨酯保溫板，以使漏熱量不大于5%；

（2）取樣管采用φ100mm不銹鋼開孔圓管，開孔率為4%，均勻開孔，引風(fēng)管為φ400mm不銹鋼管；

（3）混合箱進(jìn)口處靜壓測量采用壁面測壓法。取壓板結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，材質(zhì)為青銅，壓力出管尾部有螺紋，用于連接帶螺帽的三通接頭；

（4）為了提高氣流均勻性，需要增加各氣流間的相互擾動，故我們考慮在接受室出口前設(shè)置混合器，其形式如圖3所示。

根據(jù)混合箱內(nèi)的風(fēng)速小于0.77m/s[4]以及最大接受風(fēng)量，可計(jì)算出箱體空氣流動方向的最小截面積。對于制冷量范圍為2000～20000kW，風(fēng)量范圍為400～4000m3/h的高溫行車空調(diào)器[6]，可求得箱體最小截面積為1.44m2，取35%的安全余量，則為0.507m2。最后確定箱體截面尺寸為1300×1500（寬×高）。

2.2流量箱總體設(shè)計(jì)

流量測量箱主要包括噴嘴、噴嘴前后的整流板及取壓板。其外圍用不銹鋼板焊接而成，并與混合箱合為一體，這樣既節(jié)省了材料又增強(qiáng)了系統(tǒng)的緊湊性，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。噴嘴前后箱壁設(shè)有取壓板，將四周的取壓管匯合后接到壓差變送器，以測量噴嘴前后壓差△P。

圖3混合器示意圖

在噴嘴后正壁面上開設(shè)操作門，用來手動開關(guān)噴嘴及檢查噴嘴開關(guān)狀態(tài)。具體要求如下：

（1）箱體采用δ=50mm雙面不銹鋼聚氨酯保溫板；

（2）為使噴嘴前后空氣充分混合均勻，在噴嘴前后各設(shè)置一塊整流板，整流板由不銹鋼板加工，開孔率為50%左右；

（3）為防止因風(fēng)機(jī)震動影響風(fēng)量測量，流量箱與調(diào)零風(fēng)機(jī)分離放置，兩者之間采用鋁箔軟管連接。

圖4空氣測量裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3噴嘴的選擇計(jì)算

根據(jù)高溫行車空調(diào)器的風(fēng)量范圍、設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4～6]，選用長徑低比值標(biāo)準(zhǔn)噴嘴4只（0.20<B<0.50，β=d/D，d為噴嘴喉部直徑，D為上游管道內(nèi)徑），其中d為ф80的噴嘴1只，ф110的噴嘴3只。噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸見圖5，其技術(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。噴嘴的選擇遵循了使設(shè)計(jì)風(fēng)量范圍400～4000m3/h處于噴嘴組合中間范圍內(nèi)的原則，各噴嘴風(fēng)量范圍相互之間有一定的迭加，總的風(fēng)量測試范圍為271～4254m3/h。

表2噴嘴的技術(shù)數(shù)據(jù)dmm材料流量范圍m3/hD1mmD2mmHmmhmmLmmn

80鑄鋁L104271-6631962261571314

110515-11972662961871806

圖5噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸?

3結(jié)論

作為一個(gè)完整的空調(diào)器熱工性能測試系統(tǒng)，每一部分的準(zhǔn)確嚴(yán)格設(shè)計(jì)都十分關(guān)鍵，直接關(guān)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本文僅就處于核心地位的空氣取樣裝置、溫濕度測量裝置及風(fēng)量測量裝置的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了討論。本設(shè)計(jì)以常規(guī)空調(diào)測試標(biāo)準(zhǔn)為參考，在設(shè)計(jì)中充分考慮高溫行車空調(diào)的工作條件及特點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件選擇、運(yùn)行操作等方面均以可靠、方便、降低成本為出發(fā)點(diǎn)，在提高特種空調(diào)器熱工性能測試精度及可靠性方面做了一些有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)

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