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采用压缩空气流量计法测量压缩机排气量
点击次数:837 发布时间:2015-03-23

0、引言
气体压缩机是压缩气体的机械设备。气体压缩机排气量的检测是压缩机性能检测中zui重要的检测技术之一。压缩机排气量的实测数据决定着压缩机的合格与否,决定着压缩机的能效等级,即决定着压缩机的能源比耗。
现在国际上通用的压缩机性能试验方法给出了检测在不同海拔地区,不同使用温度运行的压缩机的排气量、功率和比功率的试验方法。我国也根据该国际标准,编制了相应的国家标准。这两个标准除了介绍功率、比功率测量之外,排气量测量方法是zui重要的内容。国际标准ISO1217和我国国家标准GB/T3853的实施极大方便了国内外压缩机制造商和压缩机用户之间的对压缩机产品性能的评定。
1、常用的排气量测量方法
国际标准和中国国家标准中虽然介绍了各种排气量的测量方法,但并没有介绍各种排气量测量方法的优缺点及应用场合。从而造成许多压缩机制造商和用户没有根据所测压缩机的特点选用合适的排气量测量方法。
压缩机排气量测量方法种类繁多,常见的测量方法分为节流法及充气法。
1.1 节流法
节流法是在流体管道中放置孔板、喷嘴等节流元件,流体流过节流元件时会在节流元件两侧产生压差。流体的流量与节流元件两端压差成正比。也就是说通过测量压差的大小,可以得出流量的大小。
1)ISA1932喷嘴
这种喷嘴要求在喷嘴前后有相应的整流装置。这种装置的zui大好处是测量的气体不用放空,没有浪费压缩空气。
2)ASME喷嘴
ASME喷嘴是美国机械工程师学会所推荐使用的节流元件。由于中国zui早的压缩机试验方法标准时参照ASME PTC9进行制定的。所以ASME喷嘴在中国各压缩机制造单位得到了广泛的应用。该喷嘴也同样要求管路具有整流装置。但由于该喷嘴后面直接将空气排向大气,故下游压力为大气压,测量工况易于稳定。同样,由于直接将被测气体直接排向大气,一是浪
费了压缩气体、而是不适用于贵重气体或易燃易爆有毒气体的测量。
3)文丘里喷嘴
文丘里喷嘴与ASME喷嘴的共同之处都是将被测气体直接排向大气。测量工况易于稳定。同样也具有浪费压缩气体及不适用于贵重气体或易燃易爆有毒气体的测量的缺点。文丘里喷嘴要求流过喷嘴喉部的流速要达到音速以上。这使其具有更适用于大流量气体测量的特点。
1.2 充气法
充气法也是国家标准GB/T15487《容积式压缩机流量试验方法》推荐的排气量试验方法之一。该方法的好处是不需要将被测气体排向大气,当测量贵重或有毒气体时,该方法具有显著的优越性。但由于充气法要求准确测量充气前后的温度和压力及充气时间,当充气容积相对压缩机的排气量较小时,其测量精度也就较差了。换言之,如果充气容积相对压缩机的排气量足够大时,可以取得理想的测量精度。
以上是国际标准和国内标准推荐的几种压缩机排气量试验方法。这些方法的共同之处是当对节流元件的几何尺寸及有关的热工传感器精度进行严格控制时,可以取得理想的测量精度。
采用节流元件法进行排气量测量的缺点是:
(1)节流元件的几何尺寸复杂,检验难度大;
(2)检验数据需要进一步进行计算,对测量人员的技术能力有一定的要求;
(3)测量结果不直观,无法直接显示。
那么有没有更好的方法来检测压缩机的排气量呢?zui近笔者与有关企业进行了采用压缩空气流量计法进行压缩机流量测量的尝试。
2、压缩空气流量计工作原理
压缩空气流量计也称之为旋涡流量计或卡门压缩空气流量计。可以适用于管道内多种流体(气体、液体、蒸气)的流量测量。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时可以对流体的压力和温度参数自动进行修订。该流量计可以将测量结果进行模拟标准信号或数字脉冲信号的输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的测量仪器。
在流体中设置非流线型漩涡发声体时,在涡街流量变送器中的三角柱形的旋涡发生体后会上下交替产生正比于流速的两列旋涡,这种旋涡称为卡门旋涡(见图1)。旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关,用下式表示:
f= Stv/d
式中f——旋涡的释放频率,单位为Hz;
    v——流过旋涡发生体的流体平均速度,单位为m/s;
    d——旋涡发生体特征宽度,单位为m;
   St ——斯特劳哈尔数(Strouhal number),无量纲,它的数值范围为0.14~0.27。
St 是雷诺数的函数,

当雷诺数Re在2×104至7×106范围内时,St 值约为0.15(参见图2)

通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度v,再由公式
q=vA (4)
求出流体流过流量计的流量q。(式中A 为流体流过旋涡发生体的截面积。)
3、采用压缩空气流量计进行排气量实测试验
压缩空气流量计的安装较为方便,但希望能确保气体在流经流量计之前的流动状态为稳定的层流状态,且避免流量计后的弯头或阀门对涡街的产生造成干扰。
安装流量计时,应确保流量计上游应有长度不小于25D的等径直管段,下游应有不小于5D的等径直管段。现场测量时采用通径为DN65的压缩空气流量计,其测量范围为:0.75至6.3m3/min。
现场对一台额定功率为11kW、排气压力为0.8MPa的螺杆压缩机进行了实测。实测排气压力为:
0.790MPa,测得的排气量为:1.51m3/min。实测机组输入功率为:11.93kW。
同样一台螺杆压缩机在国家制冷设备制冷监督检验中心采用ASME喷嘴节流的方法再次进行了对比试验。其主要性能数据为:实测排气压力0.807MPa,测得排气量为:1.50 m3/min。
两种方法相比,实测排气量的误差为:0.67%。也就是说,在企业产品出厂试验时,采用压缩空气流量计可以取得与ASME喷嘴节流法相近的测量结果。如有必要时,可以对流量测量的不确定度进行分析,参见《压缩机性能数据的相对标准不确定度分析》。
4、涡流流量计的精度校准
为了严格确定所用压缩空气流量计的测量精度。将所用压缩空气流量计送到专业校准机构按照国家校准规程进行了校准,采用的计量标准器具为音速喷嘴流量标准装置。其校准数据见表1。

  流量计示值误差:0.36%,重复性误差:0.16%,由此可以看出,在实验室条件下,压缩空气流量计具有非常理想的测量精度。
由于测量技术的发展,有越来越多的排气量测量仪器供压缩机制造厂选择,压缩空气流量计是较理想的选择之一。压缩空气流量计具有价格低廉、安装方便、使用简单、对压力温度参数自动进行修订的优点。特别是压缩空气流量计可以对压缩机的排气量进行累计测量的特点,对压缩机使用过程的能效测量具有非常独特的意义。随着压缩空气流量计的应用,将来有可能根据压缩空气流量计记录的累计流量及电度表记录的累计用电量来评价压缩机的效率。必将进一步推动有关标准的修订。

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