实验室空气测量装置设计论文

摘要：根据高温行车空调器热工性能测试的特殊要求，提出了一套适用于空气焓值法实验系统的空气取样及测量装置设计方法，着重讨论了取样风机、温湿度测量箱、空气接收混合箱和循环风量测量箱的设计问题。该方法在提高特种空调热工性能测试精度方面作了一些尝试。

关键词：行车空调空气焓值法取样风机空气混合箱流量箱

0前言

在冶金企业的炼钢、焦化、初轧、炼铁等工厂中，通常采用高温行车空调对高温车间行车操纵室进行局部空气调节，以改善操作人员的工作条件，提高劳动效率。高温行车空调的工作环境比较恶劣，具有环境温度高、空气污染较为严重、行车运行时振动大等特点。环境温度可达45℃，甚至达到60℃以上，这些都对空调器的性能和可靠性提出了更高要求。因此，有必要建立高温行车空调专用的热工性能实验室，根据相关标准的要求对其各项性能指标进行严格测试，以达到优化产品质量，提高竞争力的目的[1～3]。

空气焓值法实验装置主要由绝热库房，空气再处理装置，空气取样装置，空气接受混合装置，风量测量装置及电气控制等部分组成。高温行车空调作为特种空调的一种，目前我国尚无专门的测试规范。根据一些生产厂家的技术资料，行车室内的空气干球温度一般取28～30℃。且根据文献[4]，本文采用空气焓值法测定高温行车空调的制冷量，着重探讨空气取样测量装置的设计方法，通过对取样风机、温湿度测量箱、空气接收混合箱和循环风量测量箱的合理设计，达到尽可能高的测试精度。

用空气焓值法测量空调器性能，需要测量空调器室内侧进出口处空气焓值及空调器的循环风量。因为目前无直接测量焓值的设备，只能靠间接测量获得，即需通过测量当地的大气压力、空气干球温度和湿球温度求得。空调器循环风量测试采用差压法，即通过测量空气经过喷嘴的压力降及喷嘴前的空气参数间接计算出空气流量[4，5]。

1空气取样及测量装置设计

1.1总体设计

空气取样及测量装置主要由取样风机、取样笛管及温湿度测量箱组成。利用取样风机及取样笛管引入空调器进出口的典型样本空气，将其送入温湿度测量箱测量。要求如下：

（1）取样风机与取样笛管相互独立，两者间用铝箔软管连接，无需保温；

（2）温湿度测量箱采用有机玻璃胶合而成，主要由风道、水盒（用于测量湿球温度）、补水杯组成。其标准流通截面尺寸为100mm×100mm，长250mm；

（3）取样笛管采用不锈钢管焊接而成，包括汇合管和笛管。每根笛管开有吸风口，两边等量交错开孔。

1.2取样风机的选择

（1）风量计算

取样风机的风量V可按公式（1）计算：

（1）

式中：vt为温湿度测量箱内垂直于温度传感器方向的风速，取5m/s；At为测量箱内流通截面积，取0.01m2。计算结果为0.05m3/s（180m3/h）。

（2）风压计算

空气取样装置的风阻包括取样笛管到风机进口的沿程阻力及局部阻力。可用图1的模型表示。为计算简便，对空气取样系统的各段风管作如下简化：

A．1-2为取样笛管段：1-2的阻力由三部分组成：笛管吸风阻力，笛管合流阻力及汇合管合流阻力；

图1空气取样系统风道压力损失模型?

B．2-3为连接软管段：在此按最不利管路情况模拟：有四个90°的弯头，中心弯曲半径为ф100，同时管长按拉伸计算。2-3的阻力由两部分组成：风管沿程阻力和四个弯头阻力；

C．3-4为温湿度测量箱段：3-4阻力由两部分组成：风管到测量箱的突然扩大与测量箱到风机入口的突然缩小阻力；

D．4-5为风机段：空气从风机出口排出时存在阻力，因风机尚未选定，故暂不做考虑。

根据以上分析，计算结果汇总于表1。风机所需的风压为：

（2）

式中：P为风机所需全压，Pa；v为出风口的风速，m/s；P为总风阻，Pa；ρ为空气密度，取1.2kg/m3。计算结果为P=247Pa。

（3）风机选择

由于整个装置的风阻较大，且希望风机出口具有较大的全压，以减小对被测空调器回风口的影响，同时也使安装方便，根据所需风量180m3/h及风压247Pa（全压），可按相关风机样本的风量和全压参数选择风机型号。取样风机选用意大利NICOTRA公司的离心风机，型号为DD146/190，其主要参数为风量300m3/h，全压410Pa。

2空气混合箱和流量箱的一体化设计

2.1空气混合箱设计

空气混合箱用于接收并精确测量被测空调器室内侧出风温湿度。因为空调器出风温度与环境温度相差较大，为了减少出风温湿度测量装置的漏热量，将温湿度测量装置置于混合箱内。具体要求如下：

表1空气取样系统风阻汇总管段号构件名称重要参数局部阻力系数ξ压力损失P=ξρv2/2

1-2侧孔吸风支面积比：0.106风量比：0.125支风速：4.8m/s支风速：4m/s0.050.69

主0.98.64

总9.33

笛管合流（选取最不利管路a）支通道面积比：0.25风量比：1主风速：1m/s支风速：4m/s11.82113.47

主0.3250.2

总113.67

汇合管合流支汇合管风速：5m/s出口风速：6.4m/s1.319.5

主0.819.66

2-3风管内沿程阻力空气流量：0.05m3/s管径：100mm查得Rm=8.5Pa管长：4m中心弯曲半径等于管直径的90°弯风速：6.4m/s34

四个弯头0.2221.64

3-4突然扩大面积比：0.79计算风速：6.4m/s0.051.23

突然缩小0.143.44

总计222.5

（1）箱体采用δ=100mm双面彩钢聚氨酯保温板，以使漏热量不大于5%；

（2）取样管采用φ100mm不锈钢开孔圆管，开孔率为4%，均匀开孔，引风管为φ400mm不锈钢管；

（3）混合箱进口处静压测量采用壁面测压法。取压板结构尺寸如图2所示，材质为青铜，压力出管尾部有螺纹，用于连接带螺帽的三通接头；

（4）为了提高气流均匀性，需要增加各气流间的相互扰动，故我们考虑在接受室出口前设置混合器，其形式如图3所示。

根据混合箱内的风速小于0.77m/s[4]以及最大接受风量，可计算出箱体空气流动方向的最小截面积。对于制冷量范围为2000～20000kW，风量范围为400～4000m3/h的高温行车空调器[6]，可求得箱体最小截面积为1.44m2，取35%的安全余量，则为0.507m2。最后确定箱体截面尺寸为1300×1500（宽×高）。

2.2流量箱总体设计

流量测量箱主要包括喷嘴、喷嘴前后的整流板及取压板。其用不锈钢板焊接而成，并与混合箱合为一体，这样既节省了材料又增强了系统的紧凑性，其结构如图4所示。喷嘴前后箱壁设有取压板，将四周的取压管汇合后接到压差变送器，以测量喷嘴前后压差P。

图3混合器示意图

在喷嘴后正壁面上开设操作门，用来手动开关喷嘴及检查喷嘴开关状态。具体要求如下：

（1）箱体采用δ=50mm双面不锈钢聚氨酯保温板；

（2）为使喷嘴前后空气充分混合均匀，在喷嘴前后各设置一块整流板，整流板由不锈钢板加工，开孔率为50%左右；

（3）为防止因风机震动影响风量测量，流量箱与调零风机分离放置，两者之间采用铝箔软管连接。

图4空气测量装置总体结构示意图

2.3喷嘴的选择计算

根据高温行车空调器的风量范围、设计要求及相关标准[4～6]，选用长径低比值标准喷嘴4只（0.20<B<0.50，β=d/D，d为喷嘴喉部直径，D为上游管道内径），其中d为ф80的喷嘴1只，ф110的喷嘴3只。喷嘴的结构尺寸见图5，其技术数据如表2所示。喷嘴的选择遵循了使设计风量范围400～4000m3/h处于喷嘴组合中间范围内的原则，各喷嘴风量范围相互之间有一定的迭加，总的风量测试范围为271～4254m3/h。

表2喷嘴的技术数据dmm材料流量范围m3/hD1mmD2mmHmmhmmLmmn

80铸铝L104271-6631962261571314

110515-11972662961871806

图5喷嘴的结构尺寸?

3结论

作为一个完整的空调器热工性能测试系统，每一部分的准确严格设计都十分关键，直接关系到测量结果的准确性和可靠性。本文仅就处于核心地位的空气取样装置、温湿度测量装置及风量测量装置的设计问题进行了讨论。本设计以常规空调测试标准为参考，在设计中充分考虑高温行车空调的工作条件及特点，在系统设计、标准件选择、运行操作等方面均以可靠、方便、降低成本为出发点，在提高特种空调器热工性能测试精度及可靠性方面做了一些有益的尝试。

参考文献

1.李安桂.特种空调机.北京：科学出版社，2001.

2.陆甘华，茅清希，吴利瑞.某大型钢铁企业炼钢车间行车电气室空调系统现状的调查研究.建筑热能通风空调，2002，（6）：12-14.

3.何立江，邬志敏，周大汉.R134a工质用于高温空调器的理论及实验研究.流体机械，2003，31（10）：41-43.

4.中国国家标准化管理委员会.房间空调器（GB/T7725-2004）.中华人民共和国标准，2004.

5.中国国家标准化管理委员会.流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量（GB/T2624-93）.中华人民共和国标准，1993.