（热能工程专业论文）低温辐射供冷空调水系统除气的试验与模拟研究.pdf

中文摘要 近年来，随着经济的迅猛发展，我国的能源消耗呈现逐年增加趋势，尤其建 筑能耗及其中空调能耗更是呈急剧增长的趋势。针对空调系统中能耗、环境污染、 健康等问题，如何降低空调能耗、研究“节能、健康、舒适”的空调设备和系统成 为建筑节能研究领域的关注点和当今空调技术研究发展的主题。低温辐射供冷空 调系统( l h r c a s s ) 迎合了这样的背景，是一种节能、环保、舒适度高的新型 理想空调方式。 低温辐射供冷系统结构比较复杂，管路长、大部分为水平布置且水流速较低， 循环水中溶解气体的存在对系统负面影响更加明显，传统排气阀的功效受到限制 或很难达到放气作用。本论文旨在研究一种简便、易操作、高效的除气系统。该 系统根据亨利定律( h e n r y sl a w ) 的原理，使水循环系统中的水通过低压或真 空除去溶解气体，除气后的不饱和水重新回到循环系统。由于要达到气水平衡， 这部分被注回系统的水具有很强的吸收能力，像“海绵 吸水一样吸收系统中的 气体( 包括游离气体和溶解气体) ，在不断循环的过程中最终达到良好除气效果。 本文对除气系统的动态物理过程进行分析，建立合理的简化模型，采用 i “i a t l a b 中的s i m u li n k 软件包对模型进行简单的模拟。根据仿真模拟结果，分析 了各种影响因素下，系统中压力、除气状况变化的规律。 为了验证模型及分析实际除气系统的规律，搭建简单除气系统试验台，并对 不同进水高度、真空度、流量等状态下除气的规律进行研究和分析，得出各种因 素对除气的影响规律。 在此基础上，对比试验结果和理论分析数据，采用数学 方法得出优化的组合及各因素影响程度的大小。本论文的研究对低温辐射供冷系 统的不断完善和改进，从细微处实现建筑节能与空调系统的安全运行有着重要的 现实意义，并对低温供冷系统除气设备的实际推广应用有指导作用。 关键词：低温辐射供冷空调水系统亨利定律除气模拟试验 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a p i dg r o w t ho fe c o n o m yi nc h i n ah a sl e dt ot h es i g n i f i c a n t i n c r e a s eo fe n e r g yc o n s u m p t i o np a r t i c u l a r l yi nb u i l d i n gs e c t o rs u c h 嬲a i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m s t h er e d u c t i o no fe n e r g yc o n s u m e db ya i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m si st h e r e f o r e i m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y i na d d i t i o n ，t r a d i t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi su n a b l et o p r o v i d ep e o p l ew i t hc o m f o r t a b l ei n d o o re n v i r o n m e n t i nt h i sc a s e ，r e s e a r c ho n “e n e r g y - s a v i n g ，h e a l t h y , a n dc o m f o r t a b l e a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m si sb e i n gp a i d i n c r e a s i n ga t t e n t i o n l o w - t e m p e r a t u r eh y d r o n i er a d i a n tc o o l i n ga i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m s ( l h r c a s s ) i so n eo fs u c hs y s t e ma n di st h e r e f o r et h ef o c u so ft h i sw o r k t h el h r c a s si sc h a r a c t e r i z e db yt h ec o m p l e xs t r u c t u r e ，l o n g - d i s t a n c ep i p e l i n e ， a n dm o s to ft h es y s t e m sa r eh o r i z o n t a la r r a n g e m e n tw i t hl o wv e l o c i t yo fw a t e rf l o w u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，i ti sv e r ys e n s i t i v i t yt od i s s o l v e dg a sa n dt h ef u n c t i o no f t r a d i t i o n a le x h a u s tv a l v ei ss u b j e c tt ol i m i t a t i o n t h i sp a p e ri sa i m i n ga td e v e l o p i n ga n e wd e a e r a t i o ns y s t e mw h i c hs h o u l db eo fc o n v e n i e n tu s e ，e a s yo p e r a t i o n ，a n dh i 【g h e f f i c i e n c e a c c o r d i n gt oh e n r y sl a w , t h ed i s s o l v e dg a si nt h ew a t e ri sr e l e a s e dw h e n w a t e ru n d e r g o e sl o wp r e s so rv a c u u mc o n d i t i o n s t h ed e a e r a t e dw a t e ri su n s a t u r a t e d a n dh a sv e r ys t r o n ga b s o r b e n c ye i t h e rt od i s s o l v e dg a so rt on o n - d i s s o l v e dg a s ( f r e e g a s ) t h i st h e s i sa n a l y s e d ，i nt h ep h y s i c a ln a t u r e ，t h ed y n a m i cp r o c e s so fd e a e r a t i o n s y s t e m ，a n da f t e r w a r d sb u i l tar a t i o n a lr e d u c e dm o d e l u s i n gs i m u l i n k s o f t w a r e p a c k a g eo fm a t l a b ，s i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ta n db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ee f f e c to fo p e r a t i n gv a r i a b l e so ns y s t e mp r e s s u r ea n dd e a e r a t e dc a p a b i l i t yw a s a n a l y s e d a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fd e a e r a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e di no r d e rt ov a l i d a t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s as e r i e so fe x p e r i m e n t a lt e s t i n gw a ss u b s e q u e n t l ym a d e ， i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo fi n c o m i n gw a t e rh e i g h t 、v a c u u md e g r e ea n df l u x e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a lm o d e lr e s u l t s ，s h o w i n gag o o d a c c o r d a n c e b a s e do nt h o s er e s u l t s ，t h eo p t i m i z e do p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e d r e s u l t so ft h i sp a p e rh a v eav e r yp o s i t i v ei n f l u e n c eo ni m p r o v i n gl h r c a s si n p a r t i c u l a ri nt e r m so fe n e r g yp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fl o n g - d u r a t i o no p e r a t i o n k e yw o r d s ：l h r c a s s ，h e n r y sl a w ，d e a e r a t i o n ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： i 淞签字日期：鲫7 年 j 92 - 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：亩淞 签字日期：劢呷年月2 2 日 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 低温辐射供冷空调系统除气研究背景 近年来，随着经济的迅猛发展，我国的能源消耗呈现逐年增加的趋势。目前， 工业能耗、交通能耗和建筑能耗已经成为我国能源消耗的三大猛虎。人们对居住 环境舒适度要求的不断提高，导致建筑能耗总量不断攀升，而在建筑能耗中又以 空调能耗比例为最重。传统的空调设备和空调系统存在着两个主要问题：一是系 统耗能严重，由此带来了一系列的能源、环境问题，不利于社会可持续发展；二 是对于长期工作和生活在这种空调环境中的人，由于空调房间的新鲜空气较少， 空气品质差，对身体健康产生不良影响，越来越多的人患上“空调病”、“军团 病”、哮喘等，此外还有吹风感等热舒适性问题。因此，降低空调能耗成为建筑 节能研究领域的关注点，研究“节能、健康、舒适”的空调设备和系统，提供更加 舒适的空调环境和节能降耗就成为当今空调技术研究发展的主题。 低温辐射供冷空调系统( l o w t e m p r e t u r eh y d r o n i cr a d i a n tc o o l i n ga i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，l h r c a s s ) 就是在这种形势下出现的。这种空调系统主要 以辐射为主，提供了一种舒适、健康的供冷方式，同时还可以显著降低系统能耗。 辐射供冷暖空调方式节能、环保，室内环境品质好、舒适度高，是新型理想的 空调方式，是绿色建筑流行的空调方案，近年来在空调行业中的应用比例日益增 加。 低温辐射供冷系统结构比较复杂，大部分结构为长管路、水平布置而且水的 流速较低，这种结构特点使系统对水中的溶解气体更加敏感。因此，传统排气阀 的使用受到局限或很难达到放气作用，并且使用期限短，给系统带来安全问题。 为解决这个问题，本论文研究了一种简便、易操作、高效的除气系统。该除气器 接入水循环系统中，先将除气器抽成低压或真空，根据亨利定律( h e n r y sl a w ) 的原理，水中的溶解气体在容器中被除去。这部分不饱和水重新回到循环系统， 由于气水平衡原因，具有很强的吸收能力，像“海绵”吸水一样，吸收系统中的 游离气体和溶解气体。通过这种不断循环的过程，最终达到除气效果。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 1 我国空调能耗现状 我国现有房屋建筑面积约4 0 0 亿平方米，在这些既有建筑中，9 5 以上是高 耗能建筑。近几年节能建筑已经逐渐走入寻常住宅，然而在每年我国新竣工建筑 约1 5 - 2 0 亿平方米中，8 0 仍是高耗能建筑【l 卅。建筑业迅猛发展，使得建筑能 耗占全国耗能的比重也越来越大。统计表明，我国建筑能耗所占能源总消费量的 比例在1 9 7 8 年为1 0 ，n 2 0 0 1 年上升到2 7 4 5 ，伴随着我国城市化程度不断提 高，第三产业占g d p e l 重的加大以及制造业结构的调整，建筑能耗的比例将继续 提高，最终接近发达国家目前的3 3 的水平【6 1 。建筑能耗不仅是消费过程的运行 能耗，还应包括建造房屋生产环节的能耗。据估算，加上这部分间接能耗，建筑 能耗的总量应占到社会总能耗的4 6 7 【6 】，建筑已经成为我国第一耗能大户。 在建筑能耗中空调能耗所占比例最大。据统计，空调能耗约占建筑能耗的二 分之一【2 j 。我国已经成为空调生产和使用大国，2 0 0 3 年我国房间空调器的产量已 达4 0 0 0 多万台、商用空调产量达n 2 0 多万套。我国房间空调拥有量己在1 亿台左 右；全国商用空调拥有量在1 2 0 万套左右【5 】。空调作为住宅能耗的大户，每年正 在以1 1 0 0 万台的惊人速度增长，在建筑能耗中所占的比例迅速上升。空调的大量 使用也加大了峰谷电量的差距。这些都给城市供配电造成了巨大的压力。在夏季 空调集中使用时段，京、津、沪等超大城市空调负荷占到城市尖峰负荷的4 0 左 右。2 0 0 1 年全国新增空调装机容量1 6 0 0 万k w ，已超过三峡竣工后的发电总装机容 量；2 0 0 2 年全国各电网空调制冷负荷近4 5 0 0 万k w ，相当于2 5 个三峡电站的满负 荷工作 6 1 。预计至l j 2 0 1 0 年，全国制冷电力高峰负荷将增加一倍以上。建筑能耗的 持续增加为我国的能源短缺增加压力。因此，寻求节能、健康的空调方式是缓解 我国能源问题的有效途径之一。现代建筑节能技术已从单纯一味抑制需求，降低 舒适性，发展成为提高能量利用率且同时保持良好的室内舒适度，即以最小的能 源消费取得最大的经济和社会效益。此外，传统的对流式空调系统由于其供冷方 式局限性，难以满足人类更高舒适要求。在这种情况下，更节能、更舒适的空调 方式一低温辐射供冷方式开始成为人们关注的重点并逐渐步入人们的生活中。 1 1 2 空调循环水除气处理现状 随着工业和经济的迅速发展，我国能源资源和水资源形势越来越严峻。从国 家政策制定到各单位具体工作都体现了节能节水工作的重要性。中央空调水处理 工作的不当产生水垢、细菌和藻类，形成油性粘泥，导致设备不能正常运转、热 效率低、能源浪费。同时系统与大气进行热交换时，会带入大量的空气，引起氧 天津大学硕士学位论文第一章绪论 腐蚀，导致管网漏水，维修量大，浪费水资源。因此，必须对空调系统的水处理 给予足够的重视，通过进行适当的水处理，降低能源浪费并减少系统的漏水。 在工业锅炉水质标准( g b l 5 7 6 - 2 0 0 1 ) 中规定：炉外化学处理时给水溶氧量 郢1 m g l ，额定功率 0 ，z = 0 ，c = c w 当f 0 ，x 寸r ，c = c f 。 2 6 本章小结 本章简单介绍了低温辐射空调除气系统的机理一亨利定律的发展状况及内 容，对斐克定律的内容做了简单介绍，分析了试验的物理过程，结合实际试验条 件，建立了低温辐射除气系统的物理、数学模型。根据实际试验状态，考虑进水 阶段的过程和进水结束后静置状态两种情况，分别对两种不同情况进行分析并建 立了数学模型，为进一步的试验和模拟提供理论依据。 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 第三章除气系统的试验设计及结果分析 根据查阅文献及调研分析，本课题首次针对低温辐射空调水系统除气进行了 理论分析，为了研究真空除气的过程特性，总结系统运行中各种影响参数之间的 基本规律，需要搭建试验台对一些参数进行测量。本论文根据查阅文献及相关资 料，在此领域首次搭建了真空除气小型试验台，进行了一系列的试验研究。本章 主要通过试验研究真空除气过程各影响参数，并对试验数据结果进行了整理与分 析，论证了除气过程中的各种影响因素及除气系统的规律。 3 1 试验目的与内容 鉴于试验条件的限制，本试验系统对真空除气系统中静态除气的各种影响参 数进行试验测定，对各种影响参数之间、各参数对除气效率的影响的基本规律进 行探讨与研究。本试验在常温下进行，暂时未对加热情况进行研究，因此，忽略 温度的影响，进一步的试验研究将考虑高温下气体的排除。 除气容器内真空压力( 即真空度) 和水量不同时，对于气体的析出影响是不 同的。本试验改变各种参数，其目的是对气体析出的规律进行分析，并将试验结 果和通过计算机仿真获得的结论进行比较，旨在找出真空度、温度、在容器内的 停留时间、流量等参数之间的关系及最优化组合，为实际应用提供依据： ( 1 ) 通过试验测试的数据验证系统物理数学模型的可靠性； ( 2 ) 测试不同真空度和流量下，容器中气体除去的量，分析除气效率； ( 3 ) 测试不同水量和进入容器内的时间与除气效率之间的关系； ( 4 ) 分析各种参数之间的关系，最终找出经济、方便、有效的除气参数组 合，为此真空除气设备投入商业化提供可靠的试验数据。 试验中通过改变上述参数中的一个或几个，以便观察其他参数的变化情况。 主要集中分析如下几个问题： ( 1 ) 真空度不同，进水量、温度、水在容器内静止的时间相同，室外温度 为夏季室外温度时j 游离气体及溶解气体排出的规律； ( 2 ) 进水量不同，真空度、温度、水在容器内静止的时间相同，室外温度 为夏季室外温度时，游离气体及溶解气体排出的规律； 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 ( 3 ) 水在容器内静止的时间不同，真空度、温度、进水量相同，室外温度为夏 季室外温度时，游离气体及溶解气体排出的规律。 3 2 试验系统设计 由于场地所限，本试验建立小型除气系统，在天津大学第八教学楼后面的暖 通实验室内建立小型的真空除气系统试验台，并于2 0 0 6 年9 月 - - 2 0 0 6 年1 1 月 进行了相关的初步试验研究。 3 2 1 试验外部环境 本试验首先在常温环境下进行，天津地区夏季空调室外干球温度3 3 4 ，室 外平均风速2 6 m s ，室内设计温度定为2 8 ，相对湿度为5 0 。以常温自来水 为研究对象，因此容器暂时未采取保温隔热措施。 天津地区气象参数如下： 室外日平均温度为2 9 2 0 ，室外干球温度为3 3 4 。c ，室外湿球温度为2 6 9 ，室外平均风速为2 6 m s 。 室内设计参数如下：室内设计温度为2 8 ，相对湿度为5 0 。 试验运行时室内参数：室内温度为2 5 ，相对湿度为5 0 。 3 2 2 试验主体容器的确定 根据有关冷却顶板，地板采暖供冷，整体性空调墙系统的资料，这些系统 中水的流速一般都不高。对于地板采暖在低温热水地板辐射供暖应用技术规程 ( d b j t 0 1 4 9 _ - 2 0 0 0 ) 推荐流量为：o 0 2 0 1 5 l s ；流速：不应小于0 2 5 m s ， 不超过0 5 m s ；回路长度：6 0 - - - 1 2 0n l 。g b j l 3 8 6 室外给水设计规范中认为 在管道公称直径小于2 5 0 m m 时，水泵吸入管：1 o 1 2 m s ；水泵出水管：1 5 2 0 m s 。简明空调设计手册推荐流速：排水管1 2 - 2 1 m s ；主干管1 2 - 4 5m s ； 冷却水：1 - - 2 4 m s ：一般管道：1 5 3 0 m s 。 考虑该除气设备应适用于不同的低温辐射空调系统，水的流速范围选择控制 在0 2 5 一- 1 5 m s 之间，设计的容器大小根据试验需要选择3 0 l 左右。经过各种比 较现选用不锈钢管来制作容器主体。具体尺寸如下： 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 容器规格：0 3 2 5 6 m m ： 容器高度：3 9 0 r a m ： 容器上下底面：6 m m 不锈钢板。 容器简图如下图3 1 所示。制作完成后的容器图片如图3 2 。 韭# ： 1 一镕气设i # 5 一日钿 2 一甜6 一摘 3 一蚺口7 - 馘螺 4 一虹口 筒图 隔 图3 2 制作完成后的容器图片 主体容器制作完成后需要进行打压试验，以便澳i 试容器的密封性能是否良 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 好。本试验打压压力为0 2 m p a 。右边为打压试验完成后打磨完毕的图片。 3 2 3 试验系统 完成主体容器的制作之后，将需要的各种设备连接在一起。本试验采用自来 水作为研究的对象，采用实验室原有的高位水箱作为水源，以此来模拟实际低温 辐射空调系统中的循环水。由于本试验用水箱和大气相通，这样可以保证系统水 源的稳定性，为该除气设备应用到实际系统中提供可靠的数据。试验系统流程图 如3 3 所示，实验室具体安装的试验系统见图3 - 4 。 1 主体容器；2 液位计；3 进水阀门；4 - 出水口；5 - 出气口：6 - 真空表；7 - 真空泵接口 图3 3 系统流程图 供水系统由水箱、水泵、阀门等组成，夏季工况水温采用自来水的水温作模 拟工况，冬季水温由电加热器提供需要的热量，使水温升高满足试验要求。实际 空调系统中均保持一定的正压，因此本研究采用高位水箱，在一定程度上满足了 这种正压模拟的需要。水经高位水箱送入真空容器，除去游离气体和溶解气体后 经水泵加压重新送回水箱中。 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 3 3 试验所用的设备及选型 图3 - 4 试验安装系统图 3 3 4 试验所用的设备及仪器 试验所用的设备、仪器有：真空泵、循环水泵、流量计、液位计等，具体如下表 3 l 。图3 5 为试验系统所用的部分设备。 髻 ：津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 图3 - 5 部分设备及管道安装图 表3 - 1 试验用仪器及设备 设备或仪器名称单位数量用途备注 阀门个 3 控制开关 真空泵个 3 抽真空 调节阀个l 调节真空度精度较高 水泵f 备用1个 l 系统水循环扬程：3 0 m ： 流量：”m 3 m 五力衰( 真空表)个 2 压力测量量程：一0i o m p a 液体流量计个 1 流量测量 l o l o ol h 水箱个 1 储存水模拟水源体积约12 i 1 1 3 统管道0 3 2 5 4 0 0 不锈钢 器 管道e p 2 5 5 0 0 制作客器 不锈钢 管道0 1 0 8 0 0 制作容器不锈钢 容器支座 不锈钢 数字式温湿度计个 2 测量室内温湿度及水温t m w s a 2 型 液位计个 】 测量容器内液位高低 电加热嚣个 l 模拟要求高温循环水功率：8 0 0 w ( 备用) 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 3 3 5 设备的选型 ( 1 ) 真空泵 在本试验中真空泵的选择是最重要的。 真空泵对密闭容器抽真空时，容器内部真空度的提高与抽气时间的函数关系 如下： p = k 3 + k ie x p ( 一k 2 f ) ( 3 1 ) 式中：p 一一容器内的压力( 即：绝对真空度) ，p a ； t 一一自变量，是抽气时间，s ； a 3 一一泵的极限真空度值，p a ； k - 、k 2 一一与泵、容器大小、环境压力等相关的常数。 由此公式可以得到压力与抽气时间之间关系的函数曲线，函数曲线示意图如 下图3 - 6 所示： 容 器 内 的 压 力 抽气时间 图3 - 6 压力与抽气时间关系曲线 由此可以看出，在抽气初期，容器内压力下降( 即：真空度的提高) 很快， 而后呈指数关系衰减，越来越慢，并无限逼近泵的极限真空度值。 可以通过下面的公式来计算达到指定的真空度所需要的抽气时间t ： t = - 6 0 一vxl n 生! ( 3 2 ) a e o p 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 其中：一一容器的容积，l ； 一一一指定真空度( 须大于极限真空度) ，k p a ； 尸一一极限真空度，k p a ； d 10 一一大气压力，k p a ； a 一一泵的抽气速率，l m i n 。 由于本研究中水源的温度已经假定为外界温度保持恒温，因此考虑通过控制 容器中不同的真空度来研究除气的效率。在选择真空泵时，必须要有确定的调节 真空泵真空度的方法。经过各种方案的比较，本研究选择成都锐意机械设计中心 研发的微型真空泵系列，通过调节气路系统来改变容器中的真空度，符合试验的 要求，可以使实验中的参数变化范围更加灵活。 通过调节放气回路中的节流阀可以改变气体泄漏量，从而改变气端回路的真 空度，当然流量也会改变。这样，我们就可以控制容器中的真空度，但必须注意， 放气回路一定要放在抽气口一端，放气回路中的节流阀，其安装具有方向性。具 体操作如下图3 7 所示。 吸气端排气端 图3 - 7 真空度调节示意图 试验选定的真空泵型号2 ) 【z - o 5 ，具体参数如下： 型号：2 x z 0 5 ；抽气速率：o 5l s ； 极限真空：6 1 0 p a ：转速：1 4 0 0r m i n ； 电动机功率：0 1 8k w 。 ( 2 ) 循环水泵 本试验采用原有水箱来模拟水源，由于水箱处于高位，在容器进口端可不必 设置循环水泵，因此仅在处理除气后的水时采用循环水泵将水重新打回高位水 箱。因为实验还没有将除气设备连接到实际的空调系统中去，根据现有的试验条 件及需要，只需要选择相应扬程的水泵便可达到要求。本课题仅对系统静态进行 测试，试验中水泵未投入使用。下一步试验中应检查水泵和流量计的匹配问题， 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 更换流量计或水泵以符合设备要求。 ( 3 ) 流量计 正确的选择流量计需要从仪表生产供应的实际情况出发，综合地考虑测量的安 全、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式 和测量仪表的型式和规格。由于试验条件和时间的限制，本试验仅对系统静态进 行测试，根据系统的液体性质及所处的环境，选取普通l z b 系列转子流量计， 其技术参数如下： 型号：l z b 1 0 ；公称通径( i n m ) ：中1 0 ： 测量范围：1 0 - - 1 0 0 1 h ；精度等级：2 5 ： 工作压力：1m p a 。 ( 4 ) 试验水样 由于本研究目前仅限于实验室阶段，真空除气设备还未接入实际低温辐射空 调系统中去，因此，无法完全采用空调系统中的循环水。试验采用实验室原有配 备的高位水箱，将里面储存的水作为研究水样，以此来代替实际低温辐射系统中 的循环水。水箱与大气相通，在一定程度上可以保证试验模拟系统水源的稳定性。 在进行实验时应记录水的温度，尽量保持系统恒温性。 ( 4 ) 其他设备 其他设备如液位计、调节阀等根据系统及实验室条件进行相应的配备与安 装，符合实际试验的要求。 3 4 试验系统结果分析 实验于2 0 0 6 年9 月1 4 日到2 0 0 6 年1 0 月2 5 日完成。该段时间内室内气温 变化范围为1 9 2 7 ，相对湿度变化范围为4 5 - - 6 0 。由于室内近似于密闭温 湿度变化波动较小，因此忽略室内温湿度对试验可能的影响。根据亨利定律可知， 在温度不变时，容器内压力的变化情况正是水中气体逸出多少的反映，为方便起 见，本章仅对容器空间压力的影响因素进行分析对比。 实验共测试2 0 个工况，其中包括5 个容器内无水存在的工况和系统中存在 不同水量静态工况1 5 个。每个工况测试时间为2 6 个小时，由于未采用自动记录 系统，因此尽量在白天多取数据，避免夜间间隔太大影响数据的直观性。整理实 测数据初步得到影响系统运行的参数基本规律，下面将对几个主要的参数进行分 析。 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 3 4 1 试验容器特性测试分析 3 。4 1 1 试验容器密闭性测试分析 本试验系统中的除气容器采用不锈钢管截取后焊接而成，由于人为因素的影 响，系统难免会存在漏气的情况，因此，首先对容器进行了密闭性测试，以验证 容器泄露的误差是否对试验造成影响。 测试的数据见附录中表1 所示。 测试曲线如下图3 8 所示。共测试四十小时，从图中所示曲线可以看出，压 力在前五个小时内压力几乎没有变化。在以后的时间内压力的下降趋势也是十分 缓慢的，约o 0 0 1 m p a - - - o 0 0 2 5 m p a h ，相对于系统的真空表量程0 1 m p a ，其误 差最大为2 5 。 图3 8 容器密闭性测试曲线 为了进行对比分析，除单独进行密闭性测试之外，还对有水和无水两种情况 下进行了对比测试，测试结果如下图所示。 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 图3 - 9 容器内有水和无水时压力变化曲线 从上图对比可以看出有水存在时的曲线斜率明显要大于无水时曲线的斜率， 因此，可以说明由于水的存在致使容器空间的压力有所变化，这种变化也在一定 程度上说明本课题研究的可行性，为下一步工作的开展提供了事实依据。 3 4 1 2 容器进水高度和体积的对应关系 对于本试验系统，由于设备的底面积为固定值，一定的高度对应于一定的进 水体积。在试验中不同的进水高度可以直观的在液位计上读出，因此，在试验过 程中通过进水高度来反映进水量的多少。本节给出进水高度和进水体积之间的一 一对应关系。 3 0 2 5 ，、2 0 n e 。1 5 器 故1 0 5 0 进水高度和体积的对应关系 。 _ 0 5 01 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 进水高度h ( 蛐) 图3 1 0 进水高度和进水体积的对应关系 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 3 4 2 真空度对容器内压力的影响分析 根据亨利定律内容可知，真空度的大小是影响低温辐射空调系统循环水中溶 解气体含量多少的一个至关重要的因素。因此，需要对不同真空度对系统容器中 压力的影响进行试验测试。为方便起见，本试验选取3 0 k p a ，6 0 k p a ， 9 0 k p a 三个真空度，对不同水位高度情况下进行了测试，选取进水高度为1 0 0 m m ， 1 5 0 m m ，2 0 0 m m ，2 5 0 m m ，3 0 0 m m 分别进行试验，试验数据见附录4 、附录5 中表格所示。测试结果绘制成曲线图如下3 1 1 ( a f ) 所示。 ( b ) ( d ) 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 图3 1 l 不同进水高度时容器内压力的变化 由于试验条件及时间的限制，本课题仅就基础部分进行了测试与分析。从上 面一系列测试曲线可以明显看出真空度的不同对容器内压力变化的规律。由图 3 1 1 中可以看到，真空度分别为3 0 k p a ，6 0 k p a ，9 0 k p a 时，相同进水高度下容 器内压力各曲线遵循的变化趋势大致相同。但是对比不同进水高度时各图结果可 以看出，容器内压力变化曲线所遵循的规律有所不同。 图3 1 1 ( a ) 为无水状况时容器内压力在不同真空度下变化情况。( b f ) 为 不同进水高度时容器内压力在不同真空度下的变化曲线。从以上各图可以看出， 随着真空度的增加，曲线的斜率明显加大。在不同高度的进水情况下曲线的变化 也有所不同。由上图3 1 1 ( a f ) 可知，随着进水高度的增加，各真空度下的曲 线斜率逐渐增大的同时，其变化规律由直线变化逐渐向函数曲线转变，进水量越 大，这种变化趋势越明显。分析其原因为：在温度不变的情况下，气体在水中的 溶解度随压力的降低而降低，因此，随着真空度的提高，气体在水中的溶解度逐 渐下降，析出的气体逐渐增加，相应的容器空间压力增加。 3 4 3 进水高度对容器内压力的影响分析 进水高度即进水量的多少也是影响容器内压力变化的一个主要因素。如下图 3 1 2 图3 1 4 为真空度3 0 k p a ，6 0 k p a ，9 0 k p a 下不同进水高度时容器内压力变 化曲线。在不同高度的进水情况下可以看出曲线的变化明显有所不同。结合上图 3 1 1 ( a f ) 可知，随着进水高度的增加，各真空度下的曲线斜率逐渐增大，而 且其变化规律由直线变化逐渐向函数曲线转变，进水量越大，这种变化趋势越明 显。分析其原因可知：由于本试验采用与外界大气相同的水箱中的水样，水中充 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 分溶解了气体。图中的结果表明水中游离的气体和溶解的气体在一定的真空度 下，由于气体在水中的溶解度降低而从水中逸出到容器上部空间，因此造成容器 空间中压力的上升，且气体的含量与容器中的水量成正比，进水越多则逸出的气 体量相对较多，因此表现在图中则为进水量大时容器内压力变化曲线的斜率要远 大于进水量小是变化曲线的斜率。 图3 1 23 0 k p a 时不同进水高度容器内压力变化曲线 图3 1 36 0 k p a 时不同进水高度容器内压力变化曲线 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 图3 1 49 0 k p a 时不同进水高度容器内压力变化曲线 3 4 4 进水流量对容器内压力的影响 为测试进水流量是否会对容器内压力的变化产生影响，本试验选取真空度 6 0 k p a ，进水2 0 0 r a m 时进行测试，选取三个典型进水流量1 0 l h ，5 0 l m ，1 0 0 l h 来分析，测试结果曲线如下图3 1 5 所示。从图中曲线可以看出，三个流量下容 器内压力的变化曲线几乎重合，因此可以认为进水流量的大小对静置容器内压力 的变化没有影响。由于条件的限制本试验未对动态情况进行测试，另外，试验容 器容积较小，测试设备较为简陋，仪器误差等都对结论的得出产生影响。 图3 1 5 进水流量对容器内压力的影响( 真空度6 0 k p a ，进水2 0 0 r a m ) 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 3 4 5 影响因素的正交分析 以上章节所做的分析只是根据结果图进行的定性分析，无法对进水高度、真 空度、流量的作用对压力变化即气体排出作用的大小进行比较。本小节将利用正 交试验比较三者对气体排出效果的影响。正交试验设计法是研究与处理多因素实 验的一种重要的数学科学方、法【5 4 1 。1 9 2 6 年美国农业科研工作开始运用该种方法， 二十世纪五十年代，日本质量管理专家田口玄一提出，称为国际标准型正交试验 法。七十年代，我国对日本的方法进一步加以改进、简化，并进行了推广。中国 数学家张里千教授发明了中国型正交试验设计法。正交试验设计法在我国工业企 业特别是化工、纺织、医药、电子、机械行业得到了有效的应用。正交试验设计 是利用“正交表”进行科学地安排与分析多因素试验的方法。其主要优点是能在 很多试验方案中挑选出代表性强的少数几个试验方案，并且通过这少数试验方案 的试验结果的分析，推断出最优方案，同时还可以作进一步的分析，得到比试验 结果本身给出的还要多的有关各因素的信息，大大有利于缩短试验周期，节约时 间。 本试验的试验因子及水平数见下表3 1 所示。由于各因子的水平数不相同， 因此采用部分追加法设计。本研究采用l 9 ( 3 4 ) 正交分析表根据实际情况形成追 加表。本试验的影响因素分别为进水高度、真空度、流量。进水高度共有五个水 平，各参数数值依次为：1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 ，真空度、流量各有三个水 平，各参数数值依次为：3 0 、6 0 、9 0 ，1 0 、5 0 、1 0 0 。依据容器内的压力变化来 进行分析。正交实验计划表见表3 2 ，正交试验分析表见表3 3 。 表3 - 2 正交试验计划表 所在列l234x 因子 进水高度真空度流量试验结果 1 0 0 0 试验11 0 03 01 0 12 4 试验21 0 06 05 02 - 4 8 试验3 1 0 09 01 0 037 2 试验41 5 03 01 03 2 2 试验5 1 5 06 05 01- 4 8 试验61 5 09 01 0 0 27 4 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 试验72 0 03 01 02- 2 1 试验82 0 06 05 034 5 试验92 0 09 01 0 016 8 试验1 02 5 03 01 032 0 试验1 12 5 06 05 013 5 试验1 22 5 09 01 0 026 3 试验1 33 0 0 3 0 1 0 2 - 1 5 试验1 43 0 06 05 033 4 试验1 53 0 0 9 01 0 0 15 5 表3 3 正交试验分析表 所在列l234x 因子进水高度真空度流量试验结果1 0 0 0 试验11l112 4 试验21222- 4 8 试验313337 2 试验42l232 2 试验52231_ 4 8 试验623127 4 试验7 3l322 1 试验83213_ 4 5 试验9 3321 6 8 试验1 041232 0 试验1 14231 3 5 试验1 243126 3 试验1 35l321 5 试验1 452133 4 试验1 553215 5 k 1 1 4 4 1 0 22 4 02 3 0 t = x = - 7 8 8 k 2 1 4 42 1 0- 2 1 32 2 1 t 2 = 6 2 0 9 4 4 k 3 1 4 33 3 2- 1 9 11 9 3 c t = t 2 1 8 = 3 4 4 9 7 k 4 1 1 8 l a = t 1 8 = - 4 3 8 k 5 1 0 4 x 2 = ( x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 ) 4 1 天津大学硕士学位论文 第三章除气系统的试验设计及其结果分析 k 1 2 2 0 7 3 6 1 0 4 0 45 7 6 0 05 2 9 0 0 x2 + ) r + + k 2 2 2 0 7 3 64 4 1 0 0 4 5 3 6 94 8 8 4 1 x a 5 2 - = 4 1 4 8 2 k 3 2 2 0 4 4 91 1 0 2 2 43 6 4 8 13 7 2 4 9 k 4 2 1 3 9 2 4 k 5 21 0 8 1 6 上衣甲k 值为备夕u 甲水平值乙利，从上回阴止父分析农甲备凼于阴k 值大小 来看，因子a 以a 6 为最高，因子b 以b l 最高，因子c 以c l 为最高。由此看来，组合 进水高度3 0 0 m m ，真空度3 0 k p a ，进水流量1 0 l h 为好。 为分析各影响因素的影响程度大小，需要进行各因素的方差分析，各种离均 差平方和( s ) 和各因子的自由度值见下表所示。所用的相关公式为【5 5 】： 墨= x 2 一c t ( 3 3 ) j j 、， = m - 1z = 水平数一l ( 3 - 4 ) 墨：等一c t 、(3-5) l m i = 鲁瓦专j ( 3 - 6 ) ，因o ，：拿( 3 - 7 ) s ， 因为追加法的离均差平方和不是真正独立进行试验的结果，所以在进行显著 性测验前，应对各离均差平方和进行修正。修正k 值公式为： 丢=手i型(p目-1)+乜l(3-8)n 一= 一l 一l 一l j 十1 厄l 四 四j 亡= 砉 2 一下3 n - m 一各因子修正值自由度之和 ( 3 9 ) 其中n _ 未追加前试验次数( 基础试验次数) ； m 实际做的试验次数； p 因相应因子基础试验中的水平数； k 因相应因子追加的水平数。 根据上述各种数据，列出表3 4 方差分析表。 表3 - 4 方差分析表 天津大学硕士学位论文第三章除气系统的试验设计及其结果分析 方差来源离均差平修正值修正后s自由度均方f 值显著性 方和s a9 0 6 66 77 7 7 l41 4 9 30 2 91