液體流量標準裝置變溫系統(tǒng)設(shè)計

王俊濤，蒲莉萍，桑培勇，崔春桃

(新鄉(xiāng)航空工業(yè) (集團)有限公司，河南新鄉(xiāng)453049;2．洛陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，河南洛陽471003)

0 引言

流量標準裝置是對流量計性能進行測試、復(fù)現(xiàn)流量量值并最終溯源到國家基準的測試設(shè)備。科學技術(shù)的快速發(fā)展，對流量計量也有了更高的要求。如對環(huán)境條件、系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)的要求，實流計量、現(xiàn)場計量、變溫實驗等?？勺儨匾后w流量標準的建設(shè)已經(jīng)成為液體流量標準建設(shè)的趨勢。本文以靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標準裝置為基礎(chǔ)，對其變溫系統(tǒng)進行簡要設(shè)計，以期對以后可變溫液體流量標準裝置的建設(shè)提供一些思路［1－3］。

1 液體流量標準裝置

圖1是靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標準裝置基本原理圖。介質(zhì)存儲于儲油箱1內(nèi)，工作時在油泵2的作用下被壓入試驗管路系統(tǒng)，經(jīng)變溫系統(tǒng)3、指示流量計4、被檢流量計5到達換向器6。換向器在未工作狀態(tài)時，介質(zhì)直接流回存儲箱，換向器進入工作狀態(tài)，介質(zhì)經(jīng)換向器后進入稱重箱7，完成一次檢定后，打開電動放油閥8，介質(zhì)流回儲油箱。

圖1 靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標準裝置原理圖

液體流量標準工作時，介質(zhì)不斷地在管路系統(tǒng)中循環(huán)，管壁及閥門、整流器等部件與介質(zhì)產(chǎn)生摩擦而將介質(zhì)動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。同時，流動介質(zhì)并不對外做功，流動介質(zhì)除了抵消系統(tǒng)阻力損耗其余動能在介質(zhì)進入稱重箱或流回儲油箱時因沖擊而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在大流量狀態(tài)時這些能量將會使介質(zhì)溫度快速升高而達到某個平衡點。為保證工作過程中溫度處于要求范圍內(nèi)，常溫實驗時需對介質(zhì)進行散熱處理。高溫實驗時，要對介質(zhì)進行加熱和保持高溫點的平衡。低溫試驗時，要對介質(zhì)進行制冷和保持低溫點的平衡。

2 變溫方案

2.1 加熱系統(tǒng)方案

在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中，對液體物質(zhì)的加熱方式多種多樣，如鍋爐加熱、電磁加熱、電加熱管加熱、蒸汽管路加熱等。鍋爐加熱適合于大量液體的加熱，但不便于自動化控制;電磁加熱迅速，便于自動化控制，但目前加熱功率還較小;電加熱器加熱能夠做到較大功率加熱，能實現(xiàn)自動化控制;蒸汽管路利用熱交換加熱，將熱蒸汽熱量傳遞給被加熱液體，加熱溫度范圍有限，不利于實現(xiàn)自動控制［4－5］。

根據(jù)以上分析，結(jié)合流量標準自身條件，液體流量標準裝置選擇以電加熱器加熱為主導(dǎo)的加熱方式，有條件時可輔以蒸汽管路加熱。其它加熱方式只在加熱量較大的情況下，在加熱初期輔助加熱;當溫度達到要求溫度點即停止，只留下電加熱器加熱。這樣，既合理利用資源，又提高了工作效率。

2.2 制冷系統(tǒng)方案

在工業(yè)生產(chǎn)中，制冷方式可采用低溫室制冷、液氮制冷、制冷機制冷等方式。低溫室制冷相當于空調(diào)制冷，利用空調(diào)使空間內(nèi)溫度降低，從而達到使室內(nèi)物品降溫的目的，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中都有廣泛應(yīng)用。低溫制冷比較適合物質(zhì)的低溫保存，但內(nèi)部物質(zhì)溫度變化均勻性較差，不能很好地滿足液體流量標準裝置要求。液氮制冷多用于保護升溫較快的精密電子元器件，具有機構(gòu)精巧、快速等特點，但不易于溫度的精確控制，不能很好地滿足液體流量標準裝置要求。制冷機制冷采用熱交換方式對介質(zhì)進行降溫，技術(shù)比較成熟，效率高，介質(zhì)溫度變化均勻，且易于實現(xiàn)溫度的自動控制［6－7］，能夠很好地滿足液體流量標準裝置需要。

結(jié)合以上分析，本裝置選用制冷機組制冷，通過制冷機組內(nèi)介質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱的方式對裝置介質(zhì)進行降溫。制冷機組包括冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機等部件。

3 變溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點分析

本文所選加熱及制冷方案均采用熱交換方式改變介質(zhì)溫度，結(jié)合加熱及制冷方案的特點設(shè)計變溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。高溫試驗時，制冷機組通過閥門隔離，系統(tǒng)溫度的變化主要靠電加熱器和熱交換器控制，加熱初期全負荷啟動電加熱器，熱交換器與熱水或水蒸氣相連通輔助加熱。當溫度接近試驗要求溫度時，斷開熱交換器，僅保留電加熱器，電加熱器采用PID智能控制，調(diào)整加熱功率及加熱器的開關(guān)。常溫試驗時，電加熱器及制冷機組通過閥門隔離，由于試驗過程中介質(zhì)快速循環(huán)產(chǎn)生大量熱量使介質(zhì)升溫，為穩(wěn)定介質(zhì)溫度需將循環(huán)過程中所產(chǎn)生的能量排出。將熱交換器與主管路接通，熱交換器側(cè)口與水路散熱器連通，通過熱交換保持介質(zhì)溫度在常溫狀態(tài)。低溫試驗時，熱交換器及電加熱器通過閥門隔離，制冷機組與主管路連通。試驗開始時全速啟動制冷機組。制冷機組亦采用PID智能控制，變頻調(diào)速，能夠滿足系統(tǒng)低溫試驗的要求。

圖2 變溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從機構(gòu)及布局上分析，此變溫系統(tǒng)具有以下特點:變溫系統(tǒng)與主系統(tǒng)共用動力系統(tǒng) (泵及其控制系統(tǒng))，有效節(jié)約了成本，減小了所占空間;電加熱器、熱交換器、制冷機組并聯(lián)使用，減少了管路長度，布局更合理;熱交換器可在多種狀態(tài)下使用，提高了試驗效率;系統(tǒng)可獨立或串入主管路使用，試驗初期主試驗管路隔離，油箱、泵、加熱器或制冷機組組成小閉合系統(tǒng)，獨立循環(huán)加熱或制冷，保證了效率，減小了能量損失，當介質(zhì)溫度達到試驗要求溫度時，主試驗管路接通，形成大的試驗循環(huán);電加熱器及制冷機組采用PID智能控制，保證介質(zhì)溫度處于設(shè)定范圍內(nèi)，滿足了試驗過程對溫度的要求;采用分體式油箱，大油箱由隔板按1:2的比例一分為二，可單獨使用也可整體使用，提高了工作效率。

對于單獨升溫和降溫的流量標準裝置，可采用以上只具有相應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)。

4 變溫系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

變溫試驗時，介質(zhì)質(zhì)量、性質(zhì)、時間要求等條件不同，所需加熱或制冷功率也不同，功率計算可據(jù)公式 (1)計算［8］。

式中:H為加熱器的發(fā)熱功率，W;C為油的比熱，取C=(1675～2093)J/(kg·oC);ρ為油液密度，一般取ρ=900 kg/m3;V為油液體積，m3;δΔt為油液變溫前后溫差，oC;T為加熱所需時間，s。

單獨采用電加熱器加熱時，電加熱器的功率依據(jù)公式 (2)計算。

式中:N為電加熱器功率，kW;η為加熱效率，電加熱取0.6～0.8。

熱交換器內(nèi)部采用蛇形管結(jié)構(gòu)式，蛇形管加熱面積依據(jù)公式 (3)計算。

式中:H為加熱器發(fā)熱功率，W;K為蛇形蒸汽管傳熱系數(shù)，W/(m2·K);Δtm為油液與蒸汽之間的平均溫差，K。

蛇形管長度計算公式:

式中:A1為蛇形蒸汽管加熱面積，m2;L為蛇形蒸汽管長度，m;d為蛇形蒸汽管內(nèi)徑，m，通常取20～28 mm。

制冷機組制冷機功率為

式中:η為制冷機組效率，取0.8;t為時間，h。

5 實例分析

我單位承建的潤滑油流量標準裝置中應(yīng)用了以上設(shè)計結(jié)構(gòu)和方法。潤滑油流量標準設(shè)計變溫范圍－35～150oC，流量范圍0.1～80 m3/h。介質(zhì)為4050航空潤滑油，介質(zhì)比熱約為C=2071 J/(kg·oC)，密度約為ρ=969.2 kg/m3。根據(jù)計算，該裝置共需要2 m3介質(zhì)油。

高溫試驗時，以150oC為標準，常溫取20oC，加熱時間取為4h，將以上各值代入公式 (1)可得，H≥36242 W。

單獨采用電加熱器加熱時，電加熱器功率N=52.676 kW。

蒸汽管路加熱時，加熱溫度只能達100oC，取加熱管內(nèi)徑d=25mm，經(jīng)計算可得H≥22302 W

蛇形管加熱面積為

蛇形管長度為:

低溫試驗時，以－35oC為標準，常溫取20oC，制冷時間取為3h，經(jīng)計算得制冷機組功率為

裝置安裝完成后依據(jù)設(shè)計指標要求和檢定規(guī)程對裝置進行了試驗測試，對變溫系統(tǒng)的測試方案是:確定變溫范圍 (能夠達到溫度極限點);確定變溫效率(能否達到變溫效率要求);溫控進度能否達到設(shè)計要求 (±1℃)。

部分測試結(jié)果如表1～3所示，從記錄數(shù)據(jù)可知試驗過程最高溫度達150.5℃，最低溫度達－35.4℃，全部介質(zhì)加熱到150℃所用時間為3h57min，全部介質(zhì)制冷到－35℃所用時間為3h5min。在高溫、低溫及常溫狀態(tài)試驗時，都能滿足±1℃的溫控誤差;各項指標也能夠達到設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的并行復(fù)合式變溫系統(tǒng)，能夠滿足液體流量標準變溫需求。同時，總結(jié)了主要變溫方式的計算方法。最后通過實例驗證了以上設(shè)計方案及方法正確可靠。此系統(tǒng)具有較高的可復(fù)制性，對液體流量標準變溫系統(tǒng)的實施具有一定的借鑒意義。

表1 低溫時某LWGY-15渦輪流量計檢定數(shù)據(jù)

表2 高溫時某LWGY-80渦輪流量計檢定數(shù)據(jù)

表3 常溫時某LWGY-40渦輪流量計檢定數(shù)據(jù)

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