具有溫度補(bǔ)償?shù)娜細(xì)獗憝h(huán)境溫度影響測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

董艷妮,朱 云,謝程程

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710026)

膜式燃?xì)獗硎抢萌嵝员”跍y(cè)量室進(jìn)行測(cè)量的氣體體積流量計(jì)[1]。當(dāng)前我國(guó)的燃?xì)獗順?biāo)定裝置普遍是按照舊國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)、在實(shí)驗(yàn)室溫度(20 ℃)對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行示值誤差檢定,無(wú)法模擬介質(zhì)實(shí)際溫度對(duì)帶有溫度補(bǔ)償?shù)娜細(xì)獗磉M(jìn)行檢定[2]。而在實(shí)際應(yīng)用中,用于計(jì)量氣體的膜片形狀會(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響,進(jìn)而會(huì)對(duì)燃?xì)獗硇阅茉斐奢^大的影響[3-4]。由于現(xiàn)存的技術(shù)問(wèn)題,目前高低溫檢測(cè)法也是將被檢表放置在高低溫中靜置數(shù)小時(shí),恢復(fù)室溫后復(fù)測(cè)。

本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置通過(guò)恒溫箱、換熱裝置來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境和燃?xì)鉁囟鹊淖兓?實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)獗硇阅苡绊懙臏y(cè)試,還具有現(xiàn)檢定裝置所不具備的檢定功能,即對(duì)具有溫補(bǔ)功能的燃?xì)獗磉M(jìn)行測(cè)量誤差的檢定。

目前恒溫槽的溫度控制有很多種,如基于PID的模糊控制與基于單片機(jī)的控制等[5-6],以上可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的方法僅需不斷地接受溫度傳感器的信號(hào)反饋,但其缺點(diǎn)是槽內(nèi)介質(zhì)溫度的波動(dòng)過(guò)大。若用于換熱裝置中會(huì)使得換熱器出口氣體溫度波動(dòng)較大,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果誤差較大。

本裝置恒溫槽的溫度控制采用基于PID短時(shí)斷電穩(wěn)定傳熱法實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié),在短時(shí)間內(nèi),通過(guò)換熱器的氣量是恒定的,將恒溫槽斷電后,恒溫槽中載熱體溫度只受實(shí)驗(yàn)氣體的傳熱影響,載熱體的溫度變化很小,從而彌補(bǔ)了現(xiàn)有的恒溫槽溫度控制方法所帶來(lái)的溫度波動(dòng)過(guò)大的缺點(diǎn)。

1 裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)及測(cè)量原理

1.1 裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)

本測(cè)試裝置是在原有燃?xì)獗碚`差檢定裝置的基礎(chǔ)上[7-8],按照《膜式燃?xì)獗頇z定規(guī)程》提出設(shè)計(jì)指標(biāo):1)裝置測(cè)量量程范圍上限為10 m3/h;2)試驗(yàn)溫度范圍:-40～60 ℃;3)測(cè)試裝置不確定度0.5%;4)被檢對(duì)象:口徑為M30×2的1.5級(jí)以上溫補(bǔ)式燃?xì)獗?/p>

1.2 裝置測(cè)量基本原理

本裝置對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行性能測(cè)試時(shí),通過(guò)換熱裝置達(dá)到介質(zhì)溫度變化的目的。在換熱過(guò)程中,管內(nèi)外流體以及管壁之間的熱能計(jì)算,涉及到的基本原理有傳熱方程和熱平衡方程。

熱平衡方程:

(1)

式(1)中:下標(biāo)p1,p2為流體類型;m為流體質(zhì)量流量,kg/s;cp為氣體定壓比熱容,J/kg·K;T、T′為流體換熱前后溫度,K。

傳熱方程式:

Φ=KAΔTm。

(2)

式(2)中:Φ為熱流量,W;K為傳熱系,W/(m·K);A為總換熱面積,m2;ΔTm為換熱流體平均溫度差,K。

(3)

式(3)中:di、do、dw分為換熱管內(nèi)外徑及加保溫層后直徑,mm;λw為銅管的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);βi、βo為管內(nèi)外側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)。

蛇管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)按下式計(jì)算:

(4)

式(4)中:βl為直管段內(nèi)部的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)。

真空緩沖罐的體積大小影響罐壓力波動(dòng),進(jìn)而影響氣體穩(wěn)定性,罐體積可由理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行分析決定:

pV=nRT。

(5)

式(5)中:p為罐壓強(qiáng),Pa;V為罐體積,m3;n為氣體物質(zhì)的量,mol;R為氣體常數(shù),J/(mol·K);T為氣體溫度,K。

裝置整體的不確定度由下式計(jì)算:

(6)

式(6)中,uz、ui分別為裝置總體和各部分的不確定度,cri為裝置各部分靈敏系數(shù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)表法檢定的被檢表示值誤差的計(jì)算公式如下:

(7)

式(7)中:E為被檢表的示值誤差,%;Q、QS分別為被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)流量值,L。

1.3 裝置結(jié)構(gòu)及工作流程

裝置標(biāo)定方法采用標(biāo)準(zhǔn)表法,即比對(duì)被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)量信號(hào),進(jìn)而對(duì)被檢表進(jìn)行誤差檢定。裝置的結(jié)構(gòu)框圖和工作流程見(jiàn)圖1、2。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Structure diagram of the device

圖2 裝置工作流程圖Figure 2 Flowchart of equipment operation

2 裝置各部分設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)表選擇精度0.25級(jí)的干式氣體流量計(jì),才能符合檢定精度為1.5級(jí)以上燃?xì)獗淼臈l件。在檢定過(guò)程當(dāng)中,采取光電采樣器和流量積算儀確保被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)測(cè)量的一致性。

2.2 恒溫箱的設(shè)計(jì)

恒溫實(shí)驗(yàn)箱負(fù)責(zé)將被檢表的環(huán)境溫度維持在實(shí)驗(yàn)所需的溫度,選擇空氣作為恒溫箱介質(zhì)。由于裝置溫度范圍為-40～60 ℃,為留有余量,恒溫箱的溫度范圍為-70～90 ℃,溫度波動(dòng)度±0.25 ℃,且體積要利于被檢表的安裝。

2.3 供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空泵根據(jù)檢定要求,選取真空度可以調(diào)節(jié)但不超過(guò)50 kPa、最大排氣量大于被檢燃?xì)獗淼淖畲罅髁?、工作平穩(wěn),噪音小的真空泵。根據(jù)式(5)分析可知,適當(dāng)增大真空罐的體積會(huì)減小罐壓強(qiáng),有利于提高流量的穩(wěn)定性。確定了滿足裝置及負(fù)壓供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求的真空緩沖罐,其工作壓力范圍為(-0.1～0)MPa、體積為0.6 m3、進(jìn)出口直徑分別為38 mm和25 mm。

防止在低溫實(shí)驗(yàn)中空氣濕度太大出現(xiàn)水滴凝結(jié),影響換熱的準(zhǔn)確性和檢定的連續(xù)性,因此,干燥機(jī)選擇無(wú)熱再生吸附式干燥機(jī)。

2.4 熱裝置的設(shè)計(jì)

2.4.1 換熱器設(shè)計(jì)

蛇管換熱器相較于其他換熱器具有體積小、換熱面積大等優(yōu)點(diǎn),因此選擇φ35×2 mm材料為銅的蛇管換熱器實(shí)現(xiàn)氣體溫度轉(zhuǎn)變。換熱器盤(pán)繞節(jié)距由仿真結(jié)果決定,換熱器面積計(jì)算見(jiàn)第4部分。

2.4.2 恒溫槽設(shè)計(jì)

用于燃?xì)鈸Q熱的恒溫槽,低溫時(shí)介質(zhì)選用酒精，高溫時(shí)介質(zhì)選用甲苯基硅油,且設(shè)計(jì)配有介質(zhì)轉(zhuǎn)換通道。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)恒溫槽的溫度范圍要大于實(shí)驗(yàn)溫度的范圍,按照工程經(jīng)驗(yàn),溫度差約為30 ℃即能滿足換熱要求,即-70～90 ℃,且溫度波動(dòng)度、均勻度均限制在±0.25 ℃以內(nèi)。

依據(jù)檢定規(guī)程要求,以最大流量檢定時(shí),單次測(cè)量所需的時(shí)間大約為32.4 s。假設(shè)恒溫槽體絕熱,換熱前后介質(zhì)溫差為0.1 K,在最大流量、最大溫差計(jì)算,恒溫槽體積根據(jù)熱平衡方程(1)計(jì)算:

VcρcccΔTc=qscsΔτs。

(8)

式(8)中:下標(biāo)c為恒溫槽;s為試驗(yàn)氣體;單次檢定時(shí)間,s。

由式(8)計(jì)算結(jié)果可得,恒溫槽加熱氣體時(shí)最小體積為15 L,用于冷卻氣體時(shí)最小體積為34.5 L,則總體積為35 L。

2.4.3 溫度控制方式的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的恒溫槽通常采用PID或模糊PID方法對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。本文為使實(shí)驗(yàn)燃?xì)鉁囟瓤焖偾曳€(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)溫度,在PID控制的基礎(chǔ)上,提出短時(shí)斷電溫度控制方式來(lái)調(diào)節(jié)槽內(nèi)介質(zhì)溫度。

在某一流量點(diǎn)下,溫度控制原理如下式:

(9)

式(9)中:標(biāo)示a為試驗(yàn)氣體,f為恒溫槽內(nèi)介質(zhì);T1、T2為試驗(yàn)氣體換熱先后溫度、Th為槽內(nèi)液體溫度,K。

控制過(guò)程為:先將恒溫槽通電待槽內(nèi)介質(zhì)達(dá)到可換熱溫度后,輸入氣體開(kāi)始換熱,同時(shí)溫度傳感器檢測(cè)換熱器出口燃?xì)鉁囟?若出口燃?xì)鉁囟仍谀繕?biāo)溫度±0.2 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定,則恒溫槽立即斷電;反之,則給恒溫槽通電,直至出口溫度波動(dòng)在允許范圍內(nèi)。

溫度控制示意圖如圖3。

圖3 溫度控制示意圖Figure 3 Temperature control diagram

2.5 管路設(shè)計(jì)及保溫

連接管道選擇PVC鋼絲管,尺寸為φ35×2 mm。被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的前管段長(zhǎng)度分別為2 m和1.5 m。

參與換熱的銅管位于第一臺(tái)換熱裝置與被檢表之間,因此需對(duì)此段管道進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)。由于裝置中管道的溫度差為100 ℃,管徑尺寸適中、傳輸路程較短且高低溫狀態(tài)較短,所以選擇5 mm玻璃毛氈作為管道保溫材料。

3 換熱器性能分析

換熱器需放置在恒溫槽內(nèi)方能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的換熱。由于試驗(yàn)場(chǎng)地限制恒溫槽體積不宜過(guò)大,使得換熱器必須放置在一定空間內(nèi),且保證經(jīng)換熱的氣體溫度滿足實(shí)驗(yàn)溫度指標(biāo)。故采用CFX軟件對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)在既定條件下蛇管最佳換熱效果。

3.1 CFX仿真及結(jié)果分析

蛇型換熱器的主要尺寸包含螺距L、盤(pán)繞直徑D、高度H。由圖4可知,L和D決定了換熱器的體積。本文采用CFX軟件對(duì)蛇管的螺距和盤(pán)繞直徑進(jìn)行換熱優(yōu)化,考慮恒溫槽尺寸,取螺距為40 mm、45 mm、50 mm、60 mm、55 mm、65 mm、75 mm、85 mm、95 mm,并在相應(yīng)的螺距下建立盤(pán)繞徑為180 mm、200 mm、250 mm、300 mm的蛇管換熱器模型,進(jìn)行仿真計(jì)算,觀察出口平均溫度。

圖4 換熱器盤(pán)管示意圖Figure 4 Diagram of heat exchanger coil tube

建立三維模型,使用ANSYS-MESH軟件劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在流固耦合處逐漸加密網(wǎng)格,本次仿真中所有模型的網(wǎng)格數(shù)均在52 000以上。邊界條件設(shè)定為:1)速度入口u=3.68 m/s,t=20 ℃;2)出口為自由出流;管外流體為恒溫-70 ℃。求解器設(shè)置為:湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的RNGk-ε模型[10]。

根據(jù)仿真結(jié)果,繪制了各盤(pán)繞直徑換熱器在不同節(jié)距下進(jìn)出口溫差變化趨勢(shì)圖,如圖5?？芍?對(duì)于盤(pán)繞直徑180、200、250、300 mm的換熱器而言,在L≤55 mm時(shí),隨著盤(pán)繞螺距的增大,進(jìn)出口溫度差會(huì)逐漸變大;且55≤L≤60 mm時(shí),各直徑的換熱器進(jìn)出口溫差均會(huì)達(dá)到最大值,并在節(jié)距L=55 mm,換熱效果最佳;而此時(shí)繼續(xù)增加螺距,進(jìn)出口溫差會(huì)緩慢下降,在L>70 mm時(shí),各直徑的換熱器進(jìn)出口溫差均趨于穩(wěn)定。此外,螺距為55 mm時(shí)的仿真壓力云圖、溫度流線圖及截面溫度云圖見(jiàn)圖6、圖7。

表1為螺距55 mm時(shí),不同盤(pán)繞直徑單位長(zhǎng)度溫差。由表1可知,在管長(zhǎng)度相同的情況下,單位長(zhǎng)度的換熱溫差會(huì)隨盤(pán)繞直徑的增大而減小,在D=200 mm時(shí)單位長(zhǎng)度換熱溫差最大。所以選用螺距L=55 mm,直徑D=200 mm作為換熱器的幾何尺寸,以提高換熱器的換熱效率,降低換熱偏差。

表1 螺距L=55 mm時(shí),不同盤(pán)繞直徑換熱器單位長(zhǎng)度溫差

Table 1 The temperature difference perunit length of heat exchanger with different coiling diameters for pitchL=55 mm

D/mm進(jìn)口溫度/K出口溫度/K單位長(zhǎng)度溫差/(K·m-1)180200250300293.15238.0136.76237.6637.00238.7736.25239.7335.61

圖5 換熱器進(jìn)出口溫差變化趨勢(shì)圖Figure 5 Trend chart of inlet-outlet temperature difference of heat exchanger

圖6 盤(pán)繞直徑相異的換熱器壓力云圖Figure 6 Pressure contours of heat exchanger at different coiling diameters

3.2 數(shù)值計(jì)算

在進(jìn)行熱交換面積計(jì)算時(shí)按照最大流量、最大溫差進(jìn)行計(jì)算,管外對(duì)流換熱系數(shù)α取經(jīng)驗(yàn)值2 210 W/m2·K,則驗(yàn)算后換熱器總傳熱系數(shù)K為36.599 W/m2·K。

假設(shè)氣體以最大流速流動(dòng),恒溫槽內(nèi)203.15 K的酒精可將蛇型換熱器內(nèi)的實(shí)驗(yàn)氣體從293.15 K冷卻至233.15 K。由熱量守恒求出所需的換熱面積A為0.168 m2,經(jīng)計(jì)算蛇管的盤(pán)繞圈數(shù)n=2.435,為保證換熱效果取三圈,總換熱面積為A為0.207 m2,換熱器的高度H為0.165 m。

圖7 不同盤(pán)繞直徑下溫度流線圖、進(jìn)出口及XZ截面溫度云圖Figure 7 Temperature streamlines and temperature contours of inlet-outlet and XZ planes at different coiling diameters

4 裝置調(diào)試與運(yùn)行

4.1 不確定度評(píng)定

依據(jù)JJG 643-2003和JJG 633-2005,標(biāo)準(zhǔn)裝置在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量的數(shù)學(xué)模型[11]為

其中:Vs為標(biāo)準(zhǔn)表累積流量示值,L;Ts、Tm分別為標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表處的氣體溫度,K;Ps、Pm分別為標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表處的氣體絕對(duì)壓力,kPa。

4.1.1 不確定度來(lái)源分析及評(píng)定

1)標(biāo)準(zhǔn)表累積流量Vs示值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur1,其中ur1又由下面兩項(xiàng)不確定度構(gòu)成。

①由標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度引起的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Vs1)。

標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的檢定證書(shū)給出流量計(jì)相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.25%,k=2,則ur(Vs1)=0.001 25。

②流量重復(fù)測(cè)量引起的A類不確定度ur(Vs2)。

2)標(biāo)準(zhǔn)表處溫度Ts示值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur2,其中ur2又由下面兩項(xiàng)不確定度構(gòu)成。

①氣流溫度場(chǎng)波動(dòng)引起的A類不確定度ur(Ts1)。

②溫度測(cè)量準(zhǔn)確度引起的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Ts2)構(gòu)成。

3)被檢表處溫度Tm示值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur3,其中ur3又由下面兩項(xiàng)不確定度構(gòu)成。

①氣流溫度場(chǎng)波動(dòng)引起的A類不確定度ur(Tm1)。

②溫度測(cè)量準(zhǔn)確度引起的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Tm2)構(gòu)成。

5)被檢表處壓力測(cè)量Pm示值引起的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ur5。壓力變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí),按矩形分布考慮,則ur5=0.000 58。

4.1.1 不確定度合成

由數(shù)學(xué)模型求偏導(dǎo)數(shù)得到的靈敏系數(shù)為:

則擴(kuò)展不確定度Ur=k×uz=2×0.001 6=0.003 2=0.32%<0.5%,所以本裝置能夠?qū)?.5級(jí)以下的燃?xì)獗磉M(jìn)行檢定。

4.2 裝置調(diào)試

裝置調(diào)試過(guò)程中采用空氣代替易燃易爆的天然氣,調(diào)試步驟如下。

1)首先對(duì)恒溫試驗(yàn)箱、恒溫槽進(jìn)行溫度設(shè)置,待各溫度達(dá)到目標(biāo)溫度且穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)流量點(diǎn)至某值,并使各閥門(mén)、空氣干燥器、真空泵處于工作狀態(tài)。

2)待溫度、流量、管壓、真空罐內(nèi)的絕對(duì)壓力及壓力波動(dòng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求值時(shí),打開(kāi)流量積算儀和光電采樣器,開(kāi)始檢測(cè)。

3)前一流量點(diǎn)檢測(cè)完畢后,按后續(xù)待測(cè)流量點(diǎn)調(diào)節(jié)流量閥繼續(xù)檢測(cè),若檢測(cè)過(guò)程中溫度不穩(wěn)定則停止檢測(cè)待溫度穩(wěn)定后重新進(jìn)行,直至所有流量點(diǎn)檢測(cè)完畢。

4)設(shè)置下一個(gè)溫度點(diǎn),重復(fù)步驟1)。

4.3 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

選擇SZ-GW2.5系列一臺(tái)具有溫補(bǔ)功能的燃?xì)獗?對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為20.5 ℃,大氣壓為101.7 kPa,濕度為56%,工作壓力為0.5～20 kPa。實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)取4 m3/h,1.6 m3/h,0.4 m3/h。試驗(yàn)溫度點(diǎn)取-40～60 ℃,裝置壓力為20 kPa。檢定脈沖數(shù)分別為9、9、6,即檢測(cè)體積為脈沖數(shù)的10倍。在不同試驗(yàn)溫度點(diǎn)下,每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)量2次,將所得數(shù)據(jù)按式(7)計(jì)算并且繪制在不同流量點(diǎn)下的誤差曲線,見(jiàn)圖8。

圖8 SZ-GW2.5的示值誤差曲線圖Figure 8 Curve of indication error of SZ-GW2.5 diaphragm gas meters

如圖8,所選取的各流量點(diǎn)誤差變化與溫度變化趨勢(shì)相同;伴隨溫度的升高,誤差逐漸降低。這個(gè)誤差趨勢(shì)是燃?xì)獗碇械哪て捎跓崦浝淇s原理形成的;此燃?xì)獗砜傮w誤差符合檢定條例中±2.5%誤差條件,可確認(rèn)此燃?xì)獗砗细瘛?/p>

5 結(jié) 論

在現(xiàn)有的燃?xì)獗順?biāo)定裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了換熱裝置和恒溫箱,可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶有溫度補(bǔ)償功能的燃?xì)獗磉M(jìn)行多種環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度變化的性能測(cè)試。本文著重采用CFX仿真軟件對(duì)蛇型換熱器進(jìn)行幾何尺寸優(yōu)化,分析盤(pán)繞直徑和節(jié)距對(duì)蛇型換熱器性能的影響,獲得了換熱器在一定體積范圍內(nèi)換熱效率最優(yōu)盤(pán)繞直徑和節(jié)距。本裝置整體不確定度為0.32%,表明設(shè)計(jì)增加換熱裝置和恒溫箱后的測(cè)試裝置仍可達(dá)到檢定要求的精度。

通過(guò)優(yōu)化蛇型換熱器的幾何尺寸提高換熱器換熱效果,這也為蛇型換熱器在其他場(chǎng)合應(yīng)用提高換熱效率提供了可行的參考方法。在真實(shí)場(chǎng)景使用中,本測(cè)試裝置的精度還受到流量閥門(mén)開(kāi)合度的影響。因此,提升裝置精度未來(lái)還需對(duì)流量閥開(kāi)合度對(duì)測(cè)試裝置的影響開(kāi)展實(shí)驗(yàn),繼續(xù)做進(jìn)一步的研究。