基于充罐法的容積流量測量原理及修正

姜文雍

摘要：本文對充罐法測試容積流量的原理進行了詳細闡述，并利用理想氣體狀態方程和連續性方程推導出計算公式，提出了針對充罐法的冷凝水量修正方法，同時對吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、壓縮機轉速等容積流量的影響因素給出了具體的修正公式，為空壓機企業和檢驗檢測人員提供技術參考。

關鍵詞：充罐法;狀態方程;插值;冷凝水量;容積流量

0 ?引言

容積流量是空氣壓縮機的一項重要性能指標，可以直接反應出空壓機的性能好壞，所以在出廠之前必須對其逐臺檢測。目前，國內空壓機生產企業多采用ASME噴嘴法檢測空氣壓縮機的容積流量，該方法是一種具有較高精確度的穩態檢測方法，但需要現場手動控制、人工查表、定時記錄，耗費時間較長、耗能高，遠不能適應大批量生產及在生產線末端逐臺檢測的要求[1]。另外，林子良等對充罐法的的測試原理和不確定度進行了研究[2]，金海軍提出了針對車用空壓機的充罐法修正因子[3-5]，但都未明確給出冷凝水的收集和容積流量的具體修正方法。因此本文基于充罐法，討論了冷凝水量計算和容積流量修正方法，為行業內空氣壓縮機容積流量檢測提供技術參考和借鑒，保證產品的出廠質量。

1 ?充灌法測試裝置

充罐法測試裝置主要由溫濕度傳感器、壓力變送器、大氣壓力變送器、緩沖罐、儲氣罐、精密壓力表等組成，圖1為該測試裝置簡圖。

流量測試時，首先將所有閥門打開，使空氣壓縮機空載運行時間不低于5分鐘，然后關閉排液閥3和放空閥4，調節電磁閥5，將排氣壓力調節至空壓機的額定排氣壓力。待儲氣罐中氣體的壓力變化小于±1%，溫度變化小于±1K，開始讀取壓力和溫度，并記錄時間tk1，與此同時快速關閉儲氣罐尾部的節流閥9。

測試開始后，空壓機的排氣壓力完全由電磁閥控制，當儲氣罐中的氣體壓力為額定排氣壓力95%以上時可以停止充氣，記錄停止充氣的時間tk2，同理待儲氣罐內的壓力變化小于正負±1%，溫度變化小于±1K時，再次讀取壓力和溫度。

2 ?充罐法測試裝置測量原理

2.1 未計及冷凝水的容積流量Q0

2.2 計及冷凝水的容積流量Q1

在容積流量的實際測量過程中，測量結束后儲氣罐中會殘留一部分液態水。這是因為空氣中含有水蒸氣，當空氣被壓縮到一定壓力后，再經過降溫，水蒸氣達到飽和狀態，凝集出液態水。此時單獨對空氣應用連續性方程計算容積流量，已經不能滿足測量要求，所以需對凝水量進行計算，假設冷凝水量為m0。

采用充罐法測測量容積流量時，不能夠準確測量空壓機的后冷卻器、儲氣罐、排氣法蘭與快速檢測裝置間的冷凝水量，所以本文通過分析氣體壓縮前后的狀態來計算冷凝水量。同樣假設整個測試過程無泄漏，并且濕空氣亦為理想氣體。

3 ?容積流量的修正

采用充罐法所獲得的容積流量為實際工況容積流量，在相關產品標準中都明確規定：空氣壓縮機的容積流量為標準工況（吸氣溫度20℃、吸氣壓力0.1MPa、排氣壓力為額定排氣壓力、轉速為額定轉速）下的容積流量，所以須將實際工況的容積流量修正至標準工況。

3.1 轉速N修正

由重復性引入的相對不確定度僅為0.22%，同時與ASME噴嘴法相比較，相對偏差均小于±2.0%，說明本文設計的快充罐法測試裝置具有較高的準確度和較好的重復性，能夠很好地滿足空氣壓縮機企業檢測要求。

由表1可以看出，實際工況與標準工況流量數據的相對偏差均小于±0.3%，這與標準中規定容積流量應大于等于明示值95%的要求相比，影響并不明顯，說明對小型單級壓縮往復式空氣壓縮機進行容積容積流量測試時，冷凝水可忽略不計。

6 ?結論

本文對充罐法測試容積流量的原理進行了詳細闡述，并利用理想氣體狀態方程和連續性方程推導出計算公式，提出了針對充罐法的冷凝水量修正方法，同時對吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、壓縮機轉速等容積流量的影響因素給出了具體的修正公式，為空壓機企業和檢驗檢測人員提供技術參考。另外通過實驗可知：充罐法具有較好的穩定性，采用充罐法對小型單級壓縮往復式空氣壓縮機進行容積流量測試時，可以忽略冷凝水量的影響。文中研究仍然存在不足，由于實驗裝置所限，未能對大流量空氣壓縮機進行測試，需待進一步的研究。

參考文獻：

[1]李靜.礦用往復式空壓機遠程監測預警及性能測得系統的研發[D].北京：北京工業大學，2009.

[2]林子良，孫小明，鄧永清，俞志強.快速充氣修正法測量壓縮機流量的不確定度分析[J].通用機械，2007（04）.

[3]金海軍.車用空壓機性能試驗裝置的研制[D].安徽農業大學，2008：12-14.

[4]金海軍，王群京，張志勇，韓占華，孫曉明，林子良.壓縮機性能試驗裝置排氣壓力自動調節系統的設計與研究[J].流體機械，2009（02）.

[5]金海軍，王群京，張志勇，孫曉明，陳棟，孫斌.車用空壓機在線快速檢測的動態修正方法[J].流體機械，2012（02）.

[6]GB/T15487-2015，容積式壓縮機流量測量方法[S].

[7]GB/T3853-2017，容積式壓縮機驗收試驗[S].