具有溫度補償的燃氣表環境溫度影響測試裝置設計

董艷妮,朱 云,謝程程

(1.中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018;2.西安鐵路職業技術學院 土木工程學院,陜西 西安 710026)

膜式燃氣表是利用柔性薄壁測量室進行測量的氣體體積流量計[1]。當前我國的燃氣表標定裝置普遍是按照舊國標設計、在實驗室溫度(20 ℃)對燃氣表進行示值誤差檢定,無法模擬介質實際溫度對帶有溫度補償的燃氣表進行檢定[2]。而在實際應用中,用于計量氣體的膜片形狀會受到環境溫度變化的影響,進而會對燃氣表性能造成較大的影響[3-4]。由于現存的技術問題,目前高低溫檢測法也是將被檢表放置在高低溫中靜置數小時,恢復室溫后復測。

本文所設計的測試裝置通過恒溫箱、換熱裝置來調節環境和燃氣溫度的變化,實現了環境溫度對燃氣表性能影響的測試,還具有現檢定裝置所不具備的檢定功能,即對具有溫補功能的燃氣表進行測量誤差的檢定。

目前恒溫槽的溫度控制有很多種,如基于PID的模糊控制與基于單片機的控制等[5-6],以上可實現溫度調節的方法僅需不斷地接受溫度傳感器的信號反饋,但其缺點是槽內介質溫度的波動過大。若用于換熱裝置中會使得換熱器出口氣體溫度波動較大,導致測試結果誤差較大。

本裝置恒溫槽的溫度控制采用基于PID短時斷電穩定傳熱法實現溫度的調節,在短時間內,通過換熱器的氣量是恒定的,將恒溫槽斷電后,恒溫槽中載熱體溫度只受實驗氣體的傳熱影響,載熱體的溫度變化很小,從而彌補了現有的恒溫槽溫度控制方法所帶來的溫度波動過大的缺點。

1 裝置設計指標及測量原理

1.1 裝置設計指標

本測試裝置是在原有燃氣表誤差檢定裝置的基礎上[7-8],按照《膜式燃氣表檢定規程》提出設計指標:1)裝置測量量程范圍上限為10 m3/h;2)試驗溫度范圍:-40～60 ℃;3)測試裝置不確定度0.5%;4)被檢對象:口徑為M30×2的1.5級以上溫補式燃氣表

1.2 裝置測量基本原理

本裝置對燃氣表進行性能測試時,通過換熱裝置達到介質溫度變化的目的。在換熱過程中,管內外流體以及管壁之間的熱能計算,涉及到的基本原理有傳熱方程和熱平衡方程。

熱平衡方程:

(1)

式(1)中:下標p1,p2為流體類型;m為流體質量流量,kg/s;cp為氣體定壓比熱容,J/kg·K;T、T′為流體換熱前后溫度,K。

傳熱方程式:

Φ=KAΔTm。

(2)

式(2)中:Φ為熱流量,W;K為傳熱系,W/(m·K);A為總換熱面積,m2;ΔTm為換熱流體平均溫度差,K。

(3)

式(3)中:di、do、dw分為換熱管內外徑及加保溫層后直徑,mm;λw為銅管的導熱系數,W/(m·K);βi、βo為管內外側的對流換熱系數,W/(m2·K)。

蛇管內對流換熱系數按下式計算:

(4)

式(4)中:βl為直管段內部的對流換熱系數,W/(m2·K)。

真空緩沖罐的體積大小影響罐壓力波動,進而影響氣體穩定性,罐體積可由理想氣體狀態方程進行分析決定:

pV=nRT。

(5)

式(5)中:p為罐壓強,Pa;V為罐體積,m3;n為氣體物質的量,mol;R為氣體常數,J/(mol·K);T為氣體溫度,K。

裝置整體的不確定度由下式計算:

(6)

式(6)中,uz、ui分別為裝置總體和各部分的不確定度,cri為裝置各部分靈敏系數。

采用標準表法檢定的被檢表示值誤差的計算公式如下:

(7)

式(7)中:E為被檢表的示值誤差,%;Q、QS分別為被檢表和標準表的累計流量值,L。

1.3 裝置結構及工作流程

裝置標定方法采用標準表法,即比對被檢表與標準表的測量信號,進而對被檢表進行誤差檢定。裝置的結構框圖和工作流程見圖1、2。

圖1 裝置的結構框圖Figure 1 Structure diagram of the device

圖2 裝置工作流程圖Figure 2 Flowchart of equipment operation

2 裝置各部分設計

2.1 標定系統設計

標準表選擇精度0.25級的干式氣體流量計,才能符合檢定精度為1.5級以上燃氣表的條件。在檢定過程當中,采取光電采樣器和流量積算儀確保被檢表和標準表數據測量的一致性。

2.2 恒溫箱的設計

恒溫實驗箱負責將被檢表的環境溫度維持在實驗所需的溫度,選擇空氣作為恒溫箱介質。由于裝置溫度范圍為-40～60 ℃,為留有余量,恒溫箱的溫度范圍為-70～90 ℃,溫度波動度±0.25 ℃,且體積要利于被檢表的安裝。

2.3 供氣系統設計

真空泵根據檢定要求,選取真空度可以調節但不超過50 kPa、最大排氣量大于被檢燃氣表的最大流量、工作平穩,噪音小的真空泵。根據式(5)分析可知,適當增大真空罐的體積會減小罐壓強,有利于提高流量的穩定性。確定了滿足裝置及負壓供氣系統的設計要求的真空緩沖罐,其工作壓力范圍為(-0.1～0)MPa、體積為0.6 m3、進出口直徑分別為38 mm和25 mm。

防止在低溫實驗中空氣濕度太大出現水滴凝結,影響換熱的準確性和檢定的連續性,因此,干燥機選擇無熱再生吸附式干燥機。

2.4 熱裝置的設計

2.4.1 換熱器設計

蛇管換熱器相較于其他換熱器具有體積小、換熱面積大等優點,因此選擇φ35×2 mm材料為銅的蛇管換熱器實現氣體溫度轉變。換熱器盤繞節距由仿真結果決定,換熱器面積計算見第4部分。

2.4.2 恒溫槽設計

用于燃氣換熱的恒溫槽,低溫時介質選用酒精，高溫時介質選用甲苯基硅油,且設計配有介質轉換通道。根據設計指標恒溫槽的溫度范圍要大于實驗溫度的范圍,按照工程經驗,溫度差約為30 ℃即能滿足換熱要求,即-70～90 ℃,且溫度波動度、均勻度均限制在±0.25 ℃以內。

依據檢定規程要求,以最大流量檢定時,單次測量所需的時間大約為32.4 s。假設恒溫槽體絕熱,換熱前后介質溫差為0.1 K,在最大流量、最大溫差計算,恒溫槽體積根據熱平衡方程(1)計算:

VcρcccΔTc=qscsΔτs。

(8)

式(8)中:下標c為恒溫槽;s為試驗氣體;單次檢定時間,s。

由式(8)計算結果可得,恒溫槽加熱氣體時最小體積為15 L,用于冷卻氣體時最小體積為34.5 L,則總體積為35 L。

2.4.3 溫度控制方式的設計

現有的恒溫槽通常采用PID或模糊PID方法對溫度進行調節[9]。本文為使實驗燃氣溫度快速且穩定地達到目標溫度,在PID控制的基礎上,提出短時斷電溫度控制方式來調節槽內介質溫度。

在某一流量點下,溫度控制原理如下式:

(9)

式(9)中:標示a為試驗氣體,f為恒溫槽內介質;T1、T2為試驗氣體換熱先后溫度、Th為槽內液體溫度,K。

控制過程為:先將恒溫槽通電待槽內介質達到可換熱溫度后,輸入氣體開始換熱,同時溫度傳感器檢測換熱器出口燃氣溫度,若出口燃氣溫度在目標溫度±0.2 ℃范圍內穩定,則恒溫槽立即斷電;反之,則給恒溫槽通電,直至出口溫度波動在允許范圍內。

溫度控制示意圖如圖3。

圖3 溫度控制示意圖Figure 3 Temperature control diagram

2.5 管路設計及保溫

連接管道選擇PVC鋼絲管,尺寸為φ35×2 mm。被檢表和標準表的前管段長度分別為2 m和1.5 m。

參與換熱的銅管位于第一臺換熱裝置與被檢表之間,因此需對此段管道進行保溫設計。由于裝置中管道的溫度差為100 ℃,管徑尺寸適中、傳輸路程較短且高低溫狀態較短,所以選擇5 mm玻璃毛氈作為管道保溫材料。

3 換熱器性能分析

換熱器需放置在恒溫槽內方能實現對氣體的換熱。由于試驗場地限制恒溫槽體積不宜過大,使得換熱器必須放置在一定空間內,且保證經換熱的氣體溫度滿足實驗溫度指標。故采用CFX軟件對換熱器的結構進行優化,以實現在既定條件下蛇管最佳換熱效果。

3.1 CFX仿真及結果分析

蛇型換熱器的主要尺寸包含螺距L、盤繞直徑D、高度H。由圖4可知,L和D決定了換熱器的體積。本文采用CFX軟件對蛇管的螺距和盤繞直徑進行換熱優化,考慮恒溫槽尺寸,取螺距為40 mm、45 mm、50 mm、60 mm、55 mm、65 mm、75 mm、85 mm、95 mm,并在相應的螺距下建立盤繞徑為180 mm、200 mm、250 mm、300 mm的蛇管換熱器模型,進行仿真計算,觀察出口平均溫度。

圖4 換熱器盤管示意圖Figure 4 Diagram of heat exchanger coil tube

建立三維模型,使用ANSYS-MESH軟件劃分六面體結構化網格,在流固耦合處逐漸加密網格,本次仿真中所有模型的網格數均在52 000以上。邊界條件設定為:1)速度入口u=3.68 m/s,t=20 ℃;2)出口為自由出流;管外流體為恒溫-70 ℃。求解器設置為:湍流模型采用標準的RNGk-ε模型[10]。

根據仿真結果,繪制了各盤繞直徑換熱器在不同節距下進出口溫差變化趨勢圖,如圖5?？芍?對于盤繞直徑180、200、250、300 mm的換熱器而言,在L≤55 mm時,隨著盤繞螺距的增大,進出口溫度差會逐漸變大;且55≤L≤60 mm時,各直徑的換熱器進出口溫差均會達到最大值,并在節距L=55 mm,換熱效果最佳;而此時繼續增加螺距,進出口溫差會緩慢下降,在L>70 mm時,各直徑的換熱器進出口溫差均趨于穩定。此外,螺距為55 mm時的仿真壓力云圖、溫度流線圖及截面溫度云圖見圖6、圖7。

表1為螺距55 mm時,不同盤繞直徑單位長度溫差。由表1可知,在管長度相同的情況下,單位長度的換熱溫差會隨盤繞直徑的增大而減小,在D=200 mm時單位長度換熱溫差最大。所以選用螺距L=55 mm,直徑D=200 mm作為換熱器的幾何尺寸,以提高換熱器的換熱效率,降低換熱偏差。

表1 螺距L=55 mm時,不同盤繞直徑換熱器單位長度溫差

Table 1 The temperature difference perunit length of heat exchanger with different coiling diameters for pitchL=55 mm

D/mm進口溫度/K出口溫度/K單位長度溫差/(K·m-1)180200250300293.15238.0136.76237.6637.00238.7736.25239.7335.61

圖5 換熱器進出口溫差變化趨勢圖Figure 5 Trend chart of inlet-outlet temperature difference of heat exchanger

圖6 盤繞直徑相異的換熱器壓力云圖Figure 6 Pressure contours of heat exchanger at different coiling diameters

3.2 數值計算

在進行熱交換面積計算時按照最大流量、最大溫差進行計算,管外對流換熱系數α取經驗值2 210 W/m2·K,則驗算后換熱器總傳熱系數K為36.599 W/m2·K。

假設氣體以最大流速流動,恒溫槽內203.15 K的酒精可將蛇型換熱器內的實驗氣體從293.15 K冷卻至233.15 K。由熱量守恒求出所需的換熱面積A為0.168 m2,經計算蛇管的盤繞圈數n=2.435,為保證換熱效果取三圈,總換熱面積為A為0.207 m2,換熱器的高度H為0.165 m。

圖7 不同盤繞直徑下溫度流線圖、進出口及XZ截面溫度云圖Figure 7 Temperature streamlines and temperature contours of inlet-outlet and XZ planes at different coiling diameters

4 裝置調試與運行

4.1 不確定度評定

依據JJG 643-2003和JJG 633-2005,標準裝置在標準狀態下的流量的數學模型[11]為

其中:Vs為標準表累積流量示值,L;Ts、Tm分別為標準表和被檢表處的氣體溫度,K;Ps、Pm分別為標準表和被檢表處的氣體絕對壓力,kPa。

4.1.1 不確定度來源分析及評定

1)標準表累積流量Vs示值的標準不確定度分量ur1,其中ur1又由下面兩項不確定度構成。

①由標準表的準確度引起的B類標準不確定度ur(Vs1)。

標準流量計的檢定證書給出流量計相對擴展不確定度為0.25%,k=2,則ur(Vs1)=0.001 25。

②流量重復測量引起的A類不確定度ur(Vs2)。

2)標準表處溫度Ts示值的標準不確定度分量ur2,其中ur2又由下面兩項不確定度構成。

①氣流溫度場波動引起的A類不確定度ur(Ts1)。

②溫度測量準確度引起的B類標準不確定度ur(Ts2)構成。

3)被檢表處溫度Tm示值的標準不確定度分量ur3,其中ur3又由下面兩項不確定度構成。

①氣流溫度場波動引起的A類不確定度ur(Tm1)。

②溫度測量準確度引起的B類標準不確定度ur(Tm2)構成。

5)被檢表處壓力測量Pm示值引起的B類標準不確定度分量ur5。壓力變送器的準確度等級為0.1級,按矩形分布考慮,則ur5=0.000 58。

4.1.1 不確定度合成

由數學模型求偏導數得到的靈敏系數為:

則擴展不確定度Ur=k×uz=2×0.001 6=0.003 2=0.32%<0.5%,所以本裝置能夠對1.5級以下的燃氣表進行檢定。

4.2 裝置調試

裝置調試過程中采用空氣代替易燃易爆的天然氣,調試步驟如下。

1)首先對恒溫試驗箱、恒溫槽進行溫度設置,待各溫度達到目標溫度且穩定后,調節流量點至某值,并使各閥門、空氣干燥器、真空泵處于工作狀態。

2)待溫度、流量、管壓、真空罐內的絕對壓力及壓力波動度均達到設計要求值時,打開流量積算儀和光電采樣器,開始檢測。

3)前一流量點檢測完畢后,按后續待測流量點調節流量閥繼續檢測,若檢測過程中溫度不穩定則停止檢測待溫度穩定后重新進行,直至所有流量點檢測完畢。

4)設置下一個溫度點,重復步驟1)。

4.3 實驗標定

選擇SZ-GW2.5系列一臺具有溫補功能的燃氣表,對其進行標定。實驗環境溫度為20.5 ℃,大氣壓為101.7 kPa,濕度為56%,工作壓力為0.5～20 kPa。實驗流量點取4 m3/h,1.6 m3/h,0.4 m3/h。試驗溫度點取-40～60 ℃,裝置壓力為20 kPa。檢定脈沖數分別為9、9、6,即檢測體積為脈沖數的10倍。在不同試驗溫度點下,每個流量點測量2次,將所得數據按式(7)計算并且繪制在不同流量點下的誤差曲線,見圖8。

圖8 SZ-GW2.5的示值誤差曲線圖Figure 8 Curve of indication error of SZ-GW2.5 diaphragm gas meters

如圖8,所選取的各流量點誤差變化與溫度變化趨勢相同;伴隨溫度的升高,誤差逐漸降低。這個誤差趨勢是燃氣表中的膜片由于熱脹冷縮原理形成的;此燃氣表總體誤差符合檢定條例中±2.5%誤差條件,可確認此燃氣表合格。

5 結 論

在現有的燃氣表標定裝置設計的基礎上增加了換熱裝置和恒溫箱,可實現對帶有溫度補償功能的燃氣表進行多種環境溫度和介質溫度變化的性能測試。本文著重采用CFX仿真軟件對蛇型換熱器進行幾何尺寸優化,分析盤繞直徑和節距對蛇型換熱器性能的影響,獲得了換熱器在一定體積范圍內換熱效率最優盤繞直徑和節距。本裝置整體不確定度為0.32%,表明設計增加換熱裝置和恒溫箱后的測試裝置仍可達到檢定要求的精度。

通過優化蛇型換熱器的幾何尺寸提高換熱器換熱效果,這也為蛇型換熱器在其他場合應用提高換熱效率提供了可行的參考方法。在真實場景使用中,本測試裝置的精度還受到流量閥門開合度的影響。因此,提升裝置精度未來還需對流量閥開合度對測試裝置的影響開展實驗,繼續做進一步的研究。