通風(fēng)管道測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)分布方法的實(shí)驗(yàn)研究*

李昊然 李 瀟 魏 兵

(1.華北電力大學(xué)(保定),保定;2.華北電力大學(xué)(北京),北京)

0 引言

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管道壓力的準(zhǔn)確測(cè)量是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。測(cè)壓管作為壓力測(cè)量的探頭裝置,其形式、數(shù)量和測(cè)壓管上的開(kāi)孔數(shù)量和位置直接關(guān)系到壓力測(cè)量的便捷性和準(zhǔn)確性,對(duì)測(cè)量結(jié)果的可靠性尤為關(guān)鍵[1]。本文采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)測(cè)壓管進(jìn)行深入研究,根據(jù)研究結(jié)果提出了一種便捷而準(zhǔn)確的通風(fēng)管道測(cè)壓方法,以期為通風(fēng)管道壓力的準(zhǔn)確測(cè)量提供更便捷而可靠的方法。

迄今為止,常用的通風(fēng)管道壓力測(cè)量方法有:中間矩形法、切比雪夫法、對(duì)數(shù)一線法及等面積法等[2]。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化通風(fēng)管道實(shí)驗(yàn)要求管道截面測(cè)點(diǎn)數(shù)量不少于24個(gè)[3]。葛晨晨等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等環(huán)面法能夠較好地反映流速分布[4]。徐佳佳等人利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)分布對(duì)出風(fēng)均勻性有較大影響,其中,6×6中心分布法測(cè)量誤差較小[5]。Wen等人利用中間矩形法測(cè)量管道內(nèi)平均風(fēng)速,配合均流裝置將測(cè)量誤差控制在了±5%內(nèi)[6]。Guo等人綜合比較了四孔壓力探針和X形探針在平面混合層中測(cè)得的平均速度和湍流流量,發(fā)現(xiàn)四孔探針測(cè)得的壓力與速度的相關(guān)性在勢(shì)流中表現(xiàn)更準(zhǔn)確[7]。Rummens等人提出了一種滑動(dòng)探頭來(lái)測(cè)量核燃料組件的軸向壓力,對(duì)減小壓力損失效果明顯[8]。賀日升等人將皮托管與壓差傳感器相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種多流道明渠測(cè)流系統(tǒng)方案,提高了測(cè)流效率[9]。陶素華等人采用2根測(cè)壓管設(shè)計(jì)了一種一體式通風(fēng)管道風(fēng)量測(cè)量裝置[10]。上述文獻(xiàn)表明,為了實(shí)現(xiàn)通風(fēng)管道全壓的準(zhǔn)確測(cè)量,需要在同一截面大量選取測(cè)壓點(diǎn),而且各測(cè)壓點(diǎn)的選取必須準(zhǔn)確得當(dāng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能更接近平均壓力的真實(shí)值,但這會(huì)導(dǎo)致壓力測(cè)量操作過(guò)程煩瑣,而且測(cè)量結(jié)果也不一定非常準(zhǔn)確。

本文分析對(duì)比了幾種常用的測(cè)壓管開(kāi)孔方式,提出了一種更加便捷、準(zhǔn)確的測(cè)壓管開(kāi)孔方式,并進(jìn)行了多工況實(shí)驗(yàn)測(cè)試和驗(yàn)證,結(jié)果表明,與常用測(cè)壓管開(kāi)孔方式相比,本文提出的方法更加簡(jiǎn)便,測(cè)量結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文用于研究測(cè)壓管的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,由送風(fēng)機(jī)段、靜壓箱段、全壓測(cè)量段構(gòu)成。送風(fēng)機(jī)段為1臺(tái)變頻離心式風(fēng)機(jī),型號(hào)為4-68-4A,流量范圍為3 984～7 281 m3/h,全壓范圍為1 431～2 069 Pa,功率為4 kW,主軸轉(zhuǎn)速為2 900 r/min。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)不同風(fēng)速要求改變風(fēng)機(jī)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的改變。通過(guò)拆卸更換管道,可對(duì)630 mm×300 mm、600 mm×200 mm、400 mm×200 mm、300 mm×300 mm、直徑500 mm、直徑300 mm等多種尺寸的管道進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。實(shí)驗(yàn)選用的壓差傳感器型號(hào)為QBM2030-5。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)

2 常用測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)布置方法

常用的測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)布置方法有中間矩形法和等面積法,其中中間矩形法使用最為廣泛[11]。矩形管道壓力測(cè)量常用中間矩形法,該方法將測(cè)量截面等分為若干個(gè)小矩形,每個(gè)矩形的中心點(diǎn)作為測(cè)壓點(diǎn),對(duì)所有測(cè)壓點(diǎn)讀數(shù)求平均值得出管道平均全壓[12-13]。圓形管道壓力測(cè)量常用等面積法,該方法將圓形截面分為多個(gè)面積相同的圓環(huán),然后將每個(gè)圓環(huán)分成面積相等的兩部分,最后將測(cè)點(diǎn)布置于圓環(huán)等分線與水平直徑和豎直直徑的交點(diǎn)處[14-15]。中間矩形法和等面積法測(cè)壓點(diǎn)布置如圖3所示,這2種方法的測(cè)壓管數(shù)量多、測(cè)壓點(diǎn)開(kāi)孔多,操作過(guò)程比較煩瑣[16]。

圖3 中間矩形法和等面積法測(cè)點(diǎn)布置示意圖

針對(duì)中間矩形法和等面積法存在的問(wèn)題,本文試圖找到減少測(cè)壓管和測(cè)壓孔數(shù)量,且測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確的測(cè)壓方法。

3 通風(fēng)管道截面全壓分布理論分析

3.1 通風(fēng)管道截面全壓表達(dá)式

通風(fēng)管截面壓力分布可以用普朗特假設(shè)來(lái)進(jìn)行分析,普朗特假設(shè)的表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中vx為沿管道方向的流速,m/s;vy為垂直管道方向的流速,m/s;ρ為空氣密度,kg/m3;p為靜壓,Pa;pt為全壓,Pa;v為流體流速,m/s;x為管道內(nèi)氣流流動(dòng)方向;y為垂直于管道中心線的方向。

由普朗特假設(shè)可知,風(fēng)管內(nèi)速度邊界層厚度與管道半徑相同[17],因此管道截面中心位置處流速最大,并向四周邊緣方向遞減。普朗特方程組表明流體邊界層內(nèi)接觸面法向上靜壓變化率為零[18],即靜壓恒定。由式(4)也可知,同一截面內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的全壓只與該點(diǎn)的流速有關(guān),所以管道截面中心位置處全壓最大,并向四周邊緣方向遞減。

3.2 通風(fēng)管道截面的全壓分布

工程中的風(fēng)管一般為矩形和圓形[19],本文選取截面尺寸為630 mm×300 mm、300 mm×300 mm和直徑為300 mm的風(fēng)管進(jìn)行管道全壓分布分析。

取風(fēng)機(jī)出口5 m豎直截面處為測(cè)量截面,測(cè)量時(shí)管道內(nèi)風(fēng)速為4.3 m/s,將630 mm×300 mm截面的長(zhǎng)邊和短邊分別進(jìn)行21等分和10等分,依次測(cè)量長(zhǎng)邊20條等分線與短邊9條等分線180個(gè)交點(diǎn)的全壓,繪制得到該截面的全壓分布云圖,如圖4所示;將300 mm×300 mm截面的水平和豎直方向都10等分,依次測(cè)量水平等分線和豎直等分線81個(gè)交點(diǎn)的全壓,繪制得到該截面的全壓分布云圖,如圖5所示;將直徑為300 mm管道截面的水平和豎直直徑都10等分,依次測(cè)量水平等分線和豎直等分線49個(gè)交點(diǎn)的全壓,繪制得到該截面的全壓分布云圖,如圖6所示。

圖4 630 mm×300 mm風(fēng)道截面全壓分布云圖

圖5 300 mm×300 mm風(fēng)道截面全壓分布云圖

圖6 直徑為300 mm風(fēng)道截面全壓分布云圖

由圖4～6可以看出:630 mm×300 mm、300 mm×300 mm、直徑300 mm管道截面全壓分布均為中心區(qū)域全壓最大,并向四周遞減,截面邊緣處全壓最小;3種尺寸管道截面中心點(diǎn)的最大全壓分別為189.00、179.80、174.50 Pa,平均全壓分別為186.50、175.60、172.60 Pa。

4 一種便捷而準(zhǔn)確的測(cè)壓管方式及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

壓力測(cè)量的便捷和準(zhǔn)確是本文研究測(cè)壓管的目的。減少測(cè)壓管和測(cè)壓孔的數(shù)量最理想的情況是測(cè)壓管數(shù)量為1根,且放置此測(cè)壓管時(shí)必須通過(guò)管道截面中心點(diǎn);1根測(cè)壓管上的測(cè)壓孔數(shù)量最少為3個(gè),其中管道截面的中心點(diǎn)為必選測(cè)點(diǎn)。管道測(cè)量段一般選擇長(zhǎng)直管段,因此管道內(nèi)的氣流為穩(wěn)態(tài)流動(dòng),且沿管軸對(duì)稱,因此一定可以找到另外2個(gè)以管道中心點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)位置,使得管道截面中心點(diǎn)的全壓pm加上2個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的全壓p0的平均值等于這個(gè)管道截面的平均全壓pa,如式(5)所示。

(5)

此時(shí)管道的平均全壓pa一定小于管道中心點(diǎn)的全壓,大于管壁附近的全壓。

如果可以測(cè)得管道的平均全壓pa和管道中心點(diǎn)的全壓pm,則可以求得全壓等于p0的2個(gè)點(diǎn)的位置,即可確定第2個(gè)和第3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。

4.1 測(cè)壓點(diǎn)數(shù)量與pm點(diǎn)位置的確定

根據(jù)對(duì)630 mm×300 mm、300 mm×300 mm、直徑為300 mm截面的測(cè)量結(jié)果可以得出管道截面中心線上各點(diǎn)的全壓,如圖7～9所示。通過(guò)式(5)可求出p0,p0線與中心線全壓分布曲線的交點(diǎn)即為所求對(duì)稱測(cè)壓點(diǎn)(第2個(gè)和第3個(gè)測(cè)壓點(diǎn))。具體確定方法如下。

圖7 630 mm×300 mm管道截面中心線全壓分布

630 mm×300 mm管道截面的平均全壓為186.50 Pa,中心點(diǎn)的全壓為189.00 Pa,根據(jù)式(5)可求得2個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的全壓為182.25 Pa。將此對(duì)稱點(diǎn)的全壓設(shè)為p0,由圖7可知,p0線與中心線全壓分布曲線相交于中心線78.9、539.3 mm處,若將該中心線進(jìn)行8等分,則78.9、539.3 mm所在的點(diǎn)位于第1和第7等分點(diǎn)附近。對(duì)于300 mm×300 mm管道截面,其平均全壓為175.60 Pa,中心點(diǎn)的全壓為179.80 Pa,根據(jù)式(5)可求得2個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的全壓(p0)為173.50 Pa。由圖8可知,p0線與全壓曲線相交于中心線41.0、263.5 mm處,若將該中心線進(jìn)行8等分,則41.0、263.5 mm所在的點(diǎn)也位于第1和第7等分點(diǎn)附近。對(duì)于直徑300 mm的管道截面,其平均全壓為172.60 Pa,中心點(diǎn)的全壓為174.50 Pa,根據(jù)式(5)可求得2個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的全壓(p0)為171.65 Pa。由圖9可知,p0線與全壓曲線相交于中心線45.3、259.4 mm處,若將該中心線進(jìn)行8等分,則45.3、259.4 mm所在的點(diǎn)也位于第1和第7等分點(diǎn)附近。第1和第7等分點(diǎn)即為所選取的對(duì)稱測(cè)壓點(diǎn)。因此,對(duì)測(cè)壓管進(jìn)行8等分,其中的第1、4、7等分點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn),測(cè)量此3點(diǎn)的全壓,并求取平均值,即可得到該截面的平均全壓。

圖8 300 mm×300 mm管道截面中心線全壓分布

圖9 直徑300 mm風(fēng)道截面中心線全壓分布

下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)此簡(jiǎn)便壓力測(cè)量方法進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證,并與傳統(tǒng)方法如中間矩形法進(jìn)行準(zhǔn)確度對(duì)比,以證明本文所提出的壓力測(cè)量方法更為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1) 測(cè)量某截面平均全壓的準(zhǔn)確值。

為了能夠得到截面平均全壓的準(zhǔn)確值,應(yīng)在截面上盡可能多地取點(diǎn),然后對(duì)各個(gè)點(diǎn)的全壓讀數(shù)求平均值[20]。取點(diǎn)數(shù)越多,所有點(diǎn)的平均值越接近平均全壓的準(zhǔn)確值。將管道截面分為180個(gè)面積相等的小矩形,用1根測(cè)壓管(靠近頂部開(kāi)1個(gè)測(cè)壓孔),依次測(cè)量180個(gè)小矩形中心點(diǎn)處的全壓,然后求取180個(gè)全壓的平均值,此值被認(rèn)為是該截面平均全壓的準(zhǔn)確值。

2) 截面中心線上各種測(cè)點(diǎn)分布方式測(cè)量對(duì)比。

在管道截面中心線放置1根測(cè)壓管,并對(duì)其進(jìn)行8等分,7條等分線與測(cè)壓管存在7個(gè)交點(diǎn),依次編號(hào)為1～7,如圖10所示。將測(cè)壓管的一端密封,另一端連接至壓力傳感器的正壓口,壓力傳感器負(fù)壓口接大氣環(huán)境,即可進(jìn)行全壓數(shù)據(jù)的讀取。用此種方法測(cè)量矩形和圓形管道截面全壓的測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示,6種測(cè)點(diǎn)開(kāi)孔方式如表1所示。用表1中6種開(kāi)孔方式測(cè)得的全壓分別與全壓準(zhǔn)確值進(jìn)行比較,哪種方式測(cè)量得到的全壓值更接近準(zhǔn)確值,哪種方式就更為可靠。

表1 測(cè)壓孔布置方式

圖10 矩形管道和圓形管道測(cè)壓孔位置示意圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1根測(cè)壓管、6種測(cè)壓孔布置方式的測(cè)量結(jié)果如圖11～16所示,圖中虛線表示對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的截面全壓準(zhǔn)確值。

圖11 630 mm×300 mm管道6種測(cè)壓孔布置方式的全壓

圖12 600 mm×200 mm管道6種測(cè)壓孔布置方式的全壓

圖13 400 mm×200 mm管道6種測(cè)壓孔布置方式的全壓

圖14 300 mm×300 mm管道6種測(cè)壓孔布置方式的全壓

圖15 直徑500 mm圓形管道6種測(cè)壓孔布置方式的全壓

圖16 直徑300 mm圓形管道6種測(cè)壓孔布置方式的全壓

由圖11～16可知,無(wú)論是矩形還是圓形管道,6種測(cè)量方式中,第1種方式測(cè)量的全壓值與截面全壓的準(zhǔn)確值最為接近,此方法的測(cè)量結(jié)果比中間矩形法(截面面積9等分法)更加準(zhǔn)確。147開(kāi)孔法和中間矩形法的測(cè)量誤差如表2所示。誤差計(jì)算方法如式(6)所示。由表2可以看出,147開(kāi)孔法的全壓讀數(shù)誤差顯著小于傳統(tǒng)的中間矩形法。

表2 147開(kāi)孔法與中間矩形法誤差對(duì)比

(6)

式中E為測(cè)量誤差;pe為壓力讀數(shù),Pa。

此外,對(duì)于矩形管道,將測(cè)壓管放置于與短邊平行的中心線位置和與長(zhǎng)邊平行的中心線位置分別測(cè)量,結(jié)果如圖11～13所示。在3種風(fēng)速下,采用方式1,630 mm×300 mm管道的全壓測(cè)量誤差

由與短邊平行的中心線位置的0.87%、0.83%、0.66%下降至與長(zhǎng)邊平行的中心線位置的0.25%、0.39%、0.27%;600 mm×200 mm管道的全壓測(cè)量誤差由與短邊平行的中心線位置的0.91%、1.00%、0.75%下降至與長(zhǎng)邊平行的中心線位置的0.29%、0.58%、0.37%;400 mm×200 mm管道的全壓測(cè)量誤差由與短邊平行的中心線位置的0.87%、0.61%、0.76%下降至與長(zhǎng)邊平行的中心線位置的0.36%、0.26%、0.28%。由以上分析可知,1根測(cè)壓管、開(kāi)孔方式1在與長(zhǎng)邊平行的中心線位置進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果更為便捷、可靠、準(zhǔn)確。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種便捷而更為準(zhǔn)確的通風(fēng)管道測(cè)壓管設(shè)置方式,通過(guò)對(duì)多種管徑的通風(fēng)管道進(jìn)行多工況實(shí)驗(yàn)表明:用1根測(cè)壓管、開(kāi)孔方式1測(cè)量管道截面的平均壓力更為準(zhǔn)確。

具體方法為:取1根測(cè)壓管,一端封口,另一端接至管道外側(cè)接儀表或壓力傳感器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)顯示,對(duì)測(cè)壓管進(jìn)行8等分,取1、4、7等分點(diǎn)的位置為測(cè)壓點(diǎn)開(kāi)3個(gè)孔,測(cè)壓管放置在矩形(或圓形)管道截面中心線位置(矩形管道應(yīng)與長(zhǎng)邊平行),即可測(cè)得準(zhǔn)確的截面平均全壓值。

與目前常用的測(cè)壓管設(shè)置方式相比,本文提出的測(cè)壓管設(shè)置方式更加便捷,并且測(cè)量風(fēng)管截面全壓的準(zhǔn)確度更高。