基于充罐法的容積流量快速檢測(cè)裝置研發(fā)

黃增陽(yáng)，姜文雍，曾燕平，毛方，許忠琛

（1.衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)中心，浙江 衢州324000；2.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江衢州324000；3.浙江象睿機(jī)電設(shè)備有限公司，浙江 衢州324000）

0 引言

螺桿空氣壓縮機(jī)憑借其高效節(jié)能、寬廣的容量和工況范圍等優(yōu)勢(shì)，逐步替代了傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)的大部分市場(chǎng)，同時(shí)客戶對(duì)螺桿空氣壓縮機(jī)的質(zhì)量提出了更高的要求。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)企業(yè)必須在每臺(tái)產(chǎn)品出廠前對(duì)螺桿空氣壓縮機(jī)的能源效率和容積流量進(jìn)行檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)空壓機(jī)生產(chǎn)企業(yè)多采用ASME噴嘴法對(duì)螺桿空氣壓縮機(jī)進(jìn)行容積流量檢測(cè)。該方法是一種具有較高精確度的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法，但需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、人工查表、定時(shí)記錄，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)、耗能高，遠(yuǎn)不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)及在生產(chǎn)線末端逐臺(tái)檢測(cè)的要求[1]。林子良等對(duì)充罐法的測(cè)試原理和不確定度進(jìn)行了研究[2]，金海軍提出了針對(duì)車用空壓機(jī)的充罐法修正因子[3-5]，但都未明確給出冷凝水的收集和修正方法，且充罐法是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，測(cè)量誤差較大。因此本文基于充罐法，開(kāi)發(fā)研究一種集快速準(zhǔn)確測(cè)量、自動(dòng)監(jiān)控為一體的容積流量快速檢測(cè)裝置。

1 傳統(tǒng)充罐法存在問(wèn)題及改進(jìn)

本文將GB/T 15487-2015《容積式壓縮機(jī)流量測(cè)量方法》中的充罐法[6]稱為傳統(tǒng)充罐法，該方法在測(cè)試空氣壓縮機(jī)容積流量時(shí)存在以下缺點(diǎn)：

（1）充氣開(kāi)始時(shí)刻儲(chǔ)氣罐內(nèi)的溫度、壓力是不穩(wěn)定的；

（2）充氣過(guò)程中空氣壓縮機(jī)的排氣壓力控制誤差較大；

（3）容積流量計(jì)算時(shí)缺少對(duì)析出冷凝水量的計(jì)算；

（4）空氣壓縮機(jī)管道、測(cè)量裝置中的冷凝水無(wú)法收集。

由于存在上述問(wèn)題，導(dǎo)致充罐法測(cè)試誤差較大。本文提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施（見(jiàn)圖1）。

（1）在原充氣罐裝置的儲(chǔ)氣罐尾部增加一個(gè)管道，并安裝放空閥；

（2）空壓機(jī)的排氣壓力控制采用電磁閥控制，壓力控制精度達(dá)±1%；

圖1 快速檢測(cè)裝置測(cè)試原理圖

（3）容積流量計(jì)算考慮整個(gè)測(cè)試過(guò)程的冷凝水量；

（4）將所有測(cè)試儀表更換為傳感器，并在空壓機(jī)吸氣口處增加濕度傳感器。

2 快速檢測(cè)裝置測(cè)試原理

2.1 快速檢測(cè)裝置即快速充罐法的操作方法

流量測(cè)試時(shí)先將所有閥門打開(kāi)，使空氣壓縮機(jī)空載運(yùn)行不少于5分鐘，然后關(guān)閉排液閥3和放空閥4，調(diào)節(jié)電磁閥5，將排氣壓力調(diào)節(jié)至空壓機(jī)的額定排氣壓力。待儲(chǔ)氣罐中氣體的壓力變化小于±1%，溫度變化小于±1K，開(kāi)始讀取壓力和溫度，并記錄時(shí)間tk1，與此同時(shí)快速關(guān)閉儲(chǔ)氣罐尾部的節(jié)流閥9。

測(cè)試開(kāi)始后，空壓機(jī)的排氣壓力完全由電磁閥控制，當(dāng)儲(chǔ)氣罐中的氣體壓力為額定排氣壓力95%以上時(shí)可以停止充氣，記錄停止充氣的時(shí)間tk2，同理待儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力變化小于±1%，溫度變化小于±1 K時(shí)，再次讀取壓力和溫度。

2.2 快速檢測(cè)裝置流量計(jì)算公式

傳統(tǒng)充罐法測(cè)量壓縮機(jī)容積流量

式中 Q0——未計(jì)及冷凝水的壓縮機(jī)容積流量，m3/min

Vk——儲(chǔ)氣罐容積，m3

Tx1——壓縮機(jī)1級(jí)吸氣溫度，K

τ——充氣時(shí)間，min

px1——壓縮機(jī)1級(jí)吸氣壓力，Pa

pk2——充氣終止，熱平衡后儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力，Pa

Tk2——充氣終止，熱平衡后儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體溫度，K

pk1——充氣開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力，Pa

Tk1——充氣開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體溫度，K

快速檢測(cè)裝置流量（計(jì)及冷凝水）計(jì)算公式為

式中 Q1——計(jì)及冷凝水的壓縮機(jī)容積流量，m3/min

m0——冷凝水質(zhì)量，kg

Rv——水蒸氣氣體常數(shù)

傳統(tǒng)充罐法不能夠準(zhǔn)確測(cè)量空壓機(jī)后的冷卻器、儲(chǔ)氣罐、排氣法蘭與快速檢測(cè)裝置間的冷凝水量，本文通過(guò)分析氣體壓縮前后的狀態(tài)來(lái)計(jì)算冷凝水量。假設(shè)整個(gè)測(cè)試過(guò)程無(wú)泄漏，并且濕空氣為理想氣體。

由理想氣體狀態(tài)方程式

式中 p——理想狀態(tài)氣體壓力，Pa

V——理想狀態(tài)氣體體積，m3

m——理想狀態(tài)氣體質(zhì)量，kg

R——理想狀態(tài)氣體常數(shù)，8.314 kg/（mol·k）

T——理想狀態(tài)氣體溫度，K

可推出濕空氣的含濕量xf

式中 xf——濕空氣的含濕量

ψ——相對(duì)濕度

ps——飽和蒸汽壓力，Pa

則可求得單位質(zhì)量濕空氣體積

式中 V——單位質(zhì)量濕空氣體積

Rf——濕空氣混合氣體常數(shù)

根據(jù)道爾頓分壓定律，可求出濕空氣的混合氣體常數(shù)

式中 Rg——空氣氣體常數(shù)

t1時(shí)刻測(cè)量裝置內(nèi)的干空氣質(zhì)量

式中 m1——t1時(shí)刻測(cè)量裝置內(nèi)的干空氣質(zhì)量

達(dá)到熱平衡后，即t2時(shí)刻測(cè)量裝置的干空氣質(zhì)量

式中 m2——t2時(shí)刻測(cè)量裝置的干空氣質(zhì)量

整個(gè)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)入測(cè)量裝置內(nèi)的水蒸氣總質(zhì)量

式中 m3——整個(gè)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)入測(cè)量裝置內(nèi)的水蒸氣總質(zhì)量

ps1——吸氣狀態(tài)下飽和蒸汽壓力，Pa

達(dá)到熱平衡后，再對(duì)測(cè)量裝置中水蒸氣含量應(yīng)用狀態(tài)方程，最后求得測(cè)試裝置中冷凝水質(zhì)量

式中 xf2——熱平衡后，濕空氣的含濕量

得出快速充罐法流量公式

或者

3 容積流量測(cè)試

本文以一臺(tái)容積流量250 L、排氣壓力0.8 MPa（表壓）的空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，按照GB/T 3853-2017《容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)》[7]的測(cè)試要求，分別采用快速充罐法和ASME噴嘴法進(jìn)行容積流量測(cè)試，流量均修正至標(biāo)準(zhǔn)工況（吸氣溫度20℃、吸氣壓力0.1 MPa、排氣壓力0.9 MPa、轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速），測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 快速充罐法和ASME噴嘴法測(cè)試空氣壓縮機(jī)容積流量結(jié)果

4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)快速充罐法的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算相對(duì)誤差和測(cè)量不確定度。

式中 σ——相對(duì)誤差

由于ASME噴嘴法測(cè)量精確度比較高，所以本文以其測(cè)量平均值為參考值，計(jì)算出快速充灌法測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差σ為-1.63%。

將快速充罐法檢測(cè)裝置看做一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，由測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的相對(duì)不確定度Ur（）

式中 ur（）——相對(duì)不確定度

n——實(shí)驗(yàn)次數(shù)

經(jīng)計(jì)算，ur（）＝±0.2%

由重復(fù)性引入的相對(duì)不確定度僅為0.2%，同時(shí)相對(duì)誤差僅為1.63%，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的快速充罐法測(cè)試裝置具有較高的準(zhǔn)確度和較好的重復(fù)性，能夠很好地滿足企業(yè)檢測(cè)空氣壓縮機(jī)的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的快速檢測(cè)裝置與傳統(tǒng)充罐法相比，降低了測(cè)量過(guò)程中由不穩(wěn)定性導(dǎo)致的誤差；采用傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大大提高了測(cè)量精度和測(cè)試效率；提出的利用理想氣體狀態(tài)方程給出帶有冷凝水的容積流量計(jì)算公式，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠?？焖贆z測(cè)裝置能夠滿足企業(yè)出廠檢測(cè)要求，但仍然存在不足，裝置中缺少空氣壓縮機(jī)輸入功率測(cè)試功能，需待進(jìn)一步完善。