李昊然 李 瀟 魏 兵

(1.華北電力大學(保定),保定;2.華北電力大學(北京),北京)

0 引言

通風空調系統(tǒng)通風管道壓力的準確測量是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要保障。測壓管作為壓力測量的探頭裝置,其形式、數(shù)量和測壓管上的開孔數(shù)量和位置直接關系到壓力測量的便捷性和準確性,對測量結果的可靠性尤為關鍵[1]。本文采用理論分析和實驗研究的方法對測壓管進行深入研究,根據(jù)研究結果提出了一種便捷而準確的通風管道測壓方法,以期為通風管道壓力的準確測量提供更便捷而可靠的方法。

迄今為止,常用的通風管道壓力測量方法有:中間矩形法、切比雪夫法、對數(shù)一線法及等面積法等[2]。我國標準化通風管道實驗要求管道截面測點數(shù)量不少于24個[3]。葛晨晨等人通過實驗發(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)測點分布對出風均勻性有較大影響,其中,6×6中心分布法測量誤差較小[5]。Wen等人利用中間矩形法測量管道內平均風速,配合均流裝置將測量誤差控制在了±5%內[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得的平均速度和湍流流量,發(fā)現(xiàn)四孔探針測得的壓力與速度的相關性在勢流中表現(xiàn)更準確[7]。Rummens等人提出了一種滑動探頭來測量核燃料組件的軸向壓力,對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合,設計了一種多流道明渠測流系統(tǒng)方案,提高了測流效率[9]。陶素華等人采用2根測壓管設計了一種一體式通風管道風量測量裝置[10]。上述文獻表明,為了實現(xiàn)通風管道全壓的準確測量,需要在同一截面大量選取測壓點,而且各測壓點的選取必須準確得當,實驗結果才能更接近平均壓力的真實值,但這會導致壓力測量操作過程煩瑣,而且測量結果也不一定非常準確。

本文分析對比了幾種常用的測壓管開孔方式,提出了一種更加便捷、準確的測壓管開孔方式,并進行了多工況實驗測試和驗證,結果表明,與常用測壓管開孔方式相比,本文提出的方法更加簡便,測量結果也更加準確。

1 實驗裝置

本文用于研究測壓管的實驗裝置如圖1所示,由送風機段、靜壓箱段、全壓測量段構成。送風機段為1臺變頻離心式風機,型號為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,主軸轉速為2 900 r/min。在實驗過程中可根據(jù)不同風速要求改變風機頻率來實現(xiàn)風量的改變。通過拆卸更換管道,可對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行測量。實驗裝置結構尺寸如圖2所示。實驗選用的壓差傳感器型號為QBM2030-5。

圖1 實驗裝置實物圖

圖2 實驗裝置結構尺寸(單位:mm)

2 常用測壓管測點布置方法

常用的測壓管測點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]。矩形管道壓力測量常用中間矩形法,該方法將測量截面等分為若干個小矩形,每個矩形的中心點作為測壓點,對所有測壓點讀數(shù)求平均值得出管道平均全壓[12-13]。圓形管道壓力測量常用等面積法,該方法將圓形截面分為多個面積相同的圓環(huán),然后將每個圓環(huán)分成面積相等的兩部分,最后將測點布置于圓環(huán)等分線與水平直徑和豎直直徑的交點處[14-15]。中間矩形法和等面積法測壓點布置如圖3所示,這2種方法的測壓管數(shù)量多、測壓點開孔多,操作過程比較煩瑣[16]。

圖3 中間矩形法和等面積法測點布置示意圖

針對中間矩形法和等面積法存在的問題,本文試圖找到減少測壓管和測壓孔數(shù)量,且測量結果更準確的測壓方法。

3 通風管道截面全壓分布理論分析

3.1 通風管道截面全壓表達式

通風管截面壓力分布可以用普朗特假設來進行分析,普朗特假設的表達式為

(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為管道內氣流流動方向;y為垂直于管道中心線的方向。

由普朗特假設可知,風管內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,同一截面內各個點的全壓只與該點的流速有關,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 通風管道截面的全壓分布

工程中的風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的風管進行管道全壓分布分析。

取風機出口5 m豎直截面處為測量截面,測量時管道內風速為4.3 m/s,將630 mm×300 mm截面的長邊和短邊分別進行21等分和10等分,依次測量長邊20條等分線與短邊9條等分線180個交點的全壓,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,依次測量水平等分線和豎直等分線81個交點的全壓,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,依次測量水平等分線和豎直等分線49個交點的全壓,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風道截面全壓分布云圖

圖5 300 mm×300 mm風道截面全壓分布云圖

圖6 直徑為300 mm風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 一種便捷而準確的測壓管方式及其實驗驗證

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

(5)

此時管道的平均全壓pa一定小于管道中心點的全壓,大于管壁附近的全壓。

如果可以測得管道的平均全壓pa和管道中心點的全壓pm,則可以求得全壓等于p0的2個點的位置,即可確定第2個和第3個測壓點。

4.1 測壓點數(shù)量與pm點位置的確定

根據(jù)對630 mm×300 mm、300 mm×300 mm、直徑為300 mm截面的測量結果可以得出管道截面中心線上各點的全壓,如圖7～9所示。通過式(5)可求出p0,p0線與中心線全壓分布曲線的交點即為所求對稱測壓點(第2個和第3個測壓點)。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,中心點的全壓為189.00 Pa,根據(jù)式(5)可求得2個對稱點的全壓為182.25 Pa。將此對稱點的全壓設為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,若將該中心線進行8等分,則78.9、539.3 mm所在的點位于第1和第7等分點附近。對于300 mm×300 mm管道截面,其平均全壓為175.60 Pa,中心點的全壓為179.80 Pa,根據(jù)式(5)可求得2個對稱點的全壓(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,若將該中心線進行8等分,則41.0、263.5 mm所在的點也位于第1和第7等分點附近。對于直徑300 mm的管道截面,其平均全壓為172.60 Pa,中心點的全壓為174.50 Pa,根據(jù)式(5)可求得2個對稱點的全壓(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,若將該中心線進行8等分,則45.3、259.4 mm所在的點也位于第1和第7等分點附近。第1和第7等分點即為所選取的對稱測壓點。因此,對測壓管進行8等分,其中的第1、4、7等分點即為測點,測量此3點的全壓,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風道截面中心線全壓分布

下面通過實驗對此簡便壓力測量方法進行準確性驗證,并與傳統(tǒng)方法如中間矩形法進行準確度對比,以證明本文所提出的壓力測量方法更為簡便、準確。

4.2 實驗驗證

1) 測量某截面平均全壓的準確值。

為了能夠得到截面平均全壓的準確值,應在截面上盡可能多地取點,然后對各個點的全壓讀數(shù)求平均值[20]。取點數(shù)越多,所有點的平均值越接近平均全壓的準確值。將管道截面分為180個面積相等的小矩形,用1根測壓管(靠近頂部開1個測壓孔),依次測量180個小矩形中心點處的全壓,然后求取180個全壓的平均值,此值被認為是該截面平均全壓的準確值。

2) 截面中心線上各種測點分布方式測量對比。

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

表1 測壓孔布置方式

圖10 矩形管道和圓形管道測壓孔位置示意圖

5 實驗結果

1根測壓管、6種測壓孔布置方式的測量結果如圖11～16所示,圖中虛線表示對應風速下的截面全壓準確值。

圖11 630 mm×300 mm管道6種測壓孔布置方式的全壓

圖12 600 mm×200 mm管道6種測壓孔布置方式的全壓

圖13 400 mm×200 mm管道6種測壓孔布置方式的全壓

圖14 300 mm×300 mm管道6種測壓孔布置方式的全壓

圖15 直徑500 mm圓形管道6種測壓孔布置方式的全壓

圖16 直徑300 mm圓形管道6種測壓孔布置方式的全壓

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

表2 147開孔法與中間矩形法誤差對比

(6)

式中E為測量誤差;pe為壓力讀數(shù),Pa。

此外,對于矩形管道,將測壓管放置于與短邊平行的中心線位置和與長邊平行的中心線位置分別測量,結果如圖11～13所示。在3種風速下,采用方式1,630 mm×300 mm管道的全壓測量誤差

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根測壓管、開孔方式1在與長邊平行的中心線位置進行測量,結果更為便捷、可靠、準確。

6 結束語

本文提出了一種便捷而更為準確的通風管道測壓管設置方式,通過對多種管徑的通風管道進行多工況實驗表明:用1根測壓管、開孔方式1測量管道截面的平均壓力更為準確。

具體方法為:取1根測壓管,一端封口,另一端接至管道外側接儀表或壓力傳感器進行壓力數(shù)據(jù)顯示,對測壓管進行8等分,取1、4、7等分點的位置為測壓點開3個孔,測壓管放置在矩形(或圓形)管道截面中心線位置(矩形管道應與長邊平行),即可測得準確的截面平均全壓值。

與目前常用的測壓管設置方式相比,本文提出的測壓管設置方式更加便捷,并且測量風管截面全壓的準確度更高。