（制冷及低温工程专业论文）风室型自动化风机性能试验系统的研究.pdf

a thesis submitted in partial of fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering study on chamber style automatic testing system for fan performance candidate : miao zaikui major : refrigeration meanwhile because of the superiority of series and parallel fans technology, single exhaust centrifugal fan will be replaced by this technology. based on experimental analysis of the series and parallel fans characteristics, the optimal structure of the series fans are found out. 200-5000 m / h air volume testing system is compared with prototype. the stability and precision accuracy of the testing system are high, which fully meet the test requirements. in order to construct testing system better, this paper uses computational fluid dynamics software to simulate the testing system. the author analyses the internal flow of the measuring section of variable range small air volume testing system, which shows that the larger distortion degree flow exists in nozzle downstream. improving perforation type of downstream settling means can increase the quality of the flow field, which provides theory for the optimization work. at the same time the simulation have verified static pressure taps and upper air supply interface in the middle of the static pressure chamber walls of 200-5000 m / h air volume testing system are reasonable, and it is accurate to use static pressure taps in both sides when the top taps is shut down. meanwhile simulation results show that in the upper air supply test, there is large area of vortex in the bottom of static pressure chamber near the upper air supply interface, where it is unsuitable to set up static pressure taps. according to introducing the theoretical model and structures, testing and numerical 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 iii simulation analysis of the three testing systems, point out that what details should be attention to in the construction process, have solved the problems existing in the systems, and put forward some further improving schemes. the designs of the three testing systems have mutual reference value. and some of the common and differences provide beneficial references for similar testing system construction. keywords: air volume testing system air throttle pressure differential method fan performance settling means static pressure chamber 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 iv 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪 论 1.1 背景 . (1) 1.2 目的和意义 . (2) 1.3 国内外研究概况 . (2) 1.4 本文主要工作 . 5 2 风量测试系统构建 2.1 差压式流量测试方法 . (6) 2.2 系统方案 . (7) 2.3 本章小结 . (16) 3 风量测试系统出气试验验证 3.1 系统实验验证与分析 . (17) 3.2 风室泄漏率测试方法 . (30) 3.3 本章小结 . (32) 4 风量测试系统内流特性分析 4.1 数值仿真模型 . (34) 4.2 0.4-6m/h 小风量测试系统测量段 . (37) 4.3 200-5000m/h 风量测试系统静压室 . (42) 4.4 本章小结 . (46) 5 全文总结与展望 5.1 总结 . (48) 5.2 展望 . (49) 致 谢 . (51) 参考文献 . (52) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 1 - 1 绪绪 论论 1.1 背景背景 风机是应用广泛的通用流体机械。大至矿井通风、化机流程和锅炉引风，小至工 业炉鼓风、建筑通风、空调、冰箱，甚至电子部件散热等都离不开风机。合理科学的 设计制造和使用风机，对节能降噪有着重要意义，因而通风机的性能参数对于生产厂 商和用户来说都至关重要，包括压力、流量、功率、效率、转速、噪音等，而性能试 验是获得这些参数的主要手段。 流量测量是风机性能测试的重点之一，虽然流量计的种类繁多，包括差压式、容 积式、涡轮式、动量式、变面积式、流体振荡式、电磁式、帕尔贴式、超声波式、质 量式、激光式、热线式等，但至今还没找到一种能适用于任何流体、任何量程、任何 流动状态的流量计1。在各个工业部门中，节流差压式流量计是应用面最广、应用量最 大的流量计，节流差压式流量计已有一百多年的历史，至今已开发出 30 多种类型2。 节流式差压流量计应用于封闭管道中各种对象的流量测量，对于不同温度、压力、 洁净度、粘性、管径、速度的满管、单相、定常、无相变、无旋流均适用3, 4。节流式 差压流量计之所以有如此广泛的应用，除有悠久的历史外，还因为它具有以下优势： 具有较好的适应性（相对的） ；轻微流动脉动无明显影响；检定方便；流量计口径较大 时，较便宜；变更测量范围较方便；结构简单易于复制，性能稳定使用寿命长；无需 实流校准， 只要按照相关标准设计、 制造、 安装和使用就能得到足够的测量精确度等5,6。 近年来，由于各种新型流量计的迅猛发展，节流差压式流量计的使用比例逐渐下 降，但仍然占流量计全部用量的 1/41/3。据 flowresearch 的网络调查，虽然 2002 年到 2007 年国际经济增速缓慢，流量仪表仍达到了 2.6%年均增长率（cagr） ，销售额从 31 亿美元增长到 35 亿美元。 虽然从国际市场来看节流式差压流量计出现了负增长， 但 由于它有较好的精度，在贸易结算上，仍为中小客户所青睐。我国工程中选用节流式 差压流量计主要立足于国内产品，年销售额在 6 亿元人民币以上，据统计，2005 年在 国内自动化仪表市场中，约 5 亿元的差压变送器用于差压流量计，约占压力变送器总 销售额的 28%7, 8。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 2 - 1.2 目的和意义目的和意义 能源计量水平对我国实现节能、降耗与减排具有重要的意义，同时，能源计量是 企业节能工作的基础。能源计量器具中流量计是其重要组成部分，因而流量计在节能 减排、工业生产和过程控制中占有重要的地位。所以说，流量仪表的应用能有效提高 企业管理水平和发挥经济效益。 流量测量的主要目的包括两个方面：一、计量目的；二、监控目的。计量目的主 要用于贸易结算和总量的控制；监控目的主要用于获得产品的流量参数，提高产品品 质。本课题，就是研制出用于风机或风道等性能试验的风量测试系统，及时准确的获 得各种性能参数值以达到监控目的。 1.3 国内外研究国内外研究概况概况 节流差压法经历了近一百年的发展，按节流件的标准化程度分为标准型和非标准 型两大类。早在 20 世纪 20 年代，美国（美国国家标准局 nbs、美国机械工程师协会 asme、美国煤气协会 aga）和欧洲就开始对节流装置进行大规模的实验研究；30 年 代标准化的 isa1932 喷嘴和 isa1932 孔板，对节流装置结构形式的发展有着深远的影 响；1967 年和 1968 年，iso（国际标准化组织）结合美国和欧洲的研究数据，分别颁 布了关于孔板和喷嘴的规定 iso/r541 和关于文丘里管的规定 iso/r781；1980 年诞生 了第一个流量测量节流装置的国际标准 iso5167；20 世纪 80 年代，美国 api 试验计划 （api experimental program）和欧洲共同体的 eec 试验计划（eec experimental program）对孔板流量计进行了大规模的实验研究，为修订 iso5167 做出了贡献；1999 年 iso 发布了 iso5167 的修订稿（iso/cd 516714）4, 9。 amca（美国通风与空调协会）和 ashrae（美国采暖、制冷和空调工程师学会） 八十多年里一直致力于节流差压流量测量法的改进，最新出版的 ansi/amca210-07 （以下称 amca210）较之前的版本主要改动包括： （1）增加了测试风室泄漏的检验方 法； （2）引进了星形整流器； （3）精确了压力换算过程中 in.wg（英寸水柱）到 pa 的 转换，对采用英制单位的公式中常量修正有重要意义； （4）增加了气流稳流装置的有 效性检验要求10。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 3 - 我国于 1981 年出版了流量测量节流装置的国家标准 gb2624-1981； 1982 年制定了 计量检测规程 jjg267-1982；1983 年制定了计量检定规程 jjg311-1983；1985 年出版了 国家标准 gb/t 12361985通风机空气动力性能试验方法 ；1989 年制定了检定规程 jjg621-1989；1989 年开始对国家标准 gb2624-1981 进行了修订，于 1993 年出版国家 标准 gb2624-1993；1994 年出版了统一的节流式流量计检定规程 jjg64019944；我 国最新出版的 gb/t 12362000 在内容和编写规则上等同采用 iso 5801:1997工业通 风机 用标准化风道进行性能试验 ，提高了我国通风机产品的质量水平，缩短了与国 际标准和国外先进标准间的差距11。 amca210-07 中的规定使用的喷嘴是三个半径近似成的椭圆喷嘴； gb/t 1236-2000 既可采用标准的椭圆喷嘴，也可采用在任何点法线方向上与标准椭圆行相差不大于 0.015d(d 为喷嘴喉径)，两个或三个半径近似成的椭圆喷嘴。 随着风量测试技术的不断发展，在标准化风量测试系统基础上，许多研究人员也 提出了一些改进和优化方案。 周拨等12, 13对自行设计的出气风室试验台进行数值模拟，得到侧送风和顶送风都 会在静压箱上部和下部形成涡旋，侧送风的涡旋相对稳定，可通过提高辅助风机做功 能力消除涡旋产生的阻力损失，顶送风的气流在静压箱和测量段交界处产生分离，堵 塞流道，因而送风流量测量精度更高；不论来流是层流的上送风，还是存在明显涡旋 的上送风，沿气流方向通流面积分别为 60%、50%和 45%三层整流网都能起到明显的 整流效果。 朱正林等14, 15通过实验分析了进气风室试验中，被测风机前安装不同形式引风道 对风机性能影响；进气风管试验中，被测轴流风机出口障碍物距离大小对风机性能的 影响。得出风机进口安装圆弧形喇叭口能改变风机的气动性能，低压风机性能随喇叭 口的圆弧半径的增大有较大改变，而高压风机性能改变不明显。当进气风管实验受场 地限制时，为保证测试数据的准确性，障碍物距轴流风机出口距离至少为 5 倍风机出 口直径。 汪建文等16对出口单喷嘴风室型风机性能实验装置中的气流稳定性影响因素做了 理论分析，指出风室出口端面不平整度对气流速度稳定性有较大影响。当截面急剧缩 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 4 - 小时，流动在端面缩小进口附近发生分离，在再度附着壁面前产生涡流，同时端面不 平整使流动在端面附近发生涡流猝发，涡流在边界层出现高剪切区域，该区域内速度 变化较大，湍流速度脉动也较大，并在流动方向上产生纵涡，这种脉动和纵涡导致风 室端面附近的取压面的压力出现紊乱，是影响气流速度不稳定的主要因素。 蒋啸等17通过对不同形式风量测量用整流器整流效果和阻力特性的实验研究，指 出矩形栅格和蜂窝状整流器在消除管道内涡流方面优于不等距圆孔板，蜂窝状整流器 的整流效果优于同高度的矩形整流栅格，蜂窝状整流器长度越长、变长越短整流效果 越好，但阻力系数也会增加，所以应根据实际需要，确定整流效果和阻力系数均较理 想的方案。 陈明涛等18分析了空气相对湿度对通风机性能测试结果的影响，指出随着湿度的 增大，最大风机效率点向流量减小的方向移动，由于湿度仪表对风机性能测试结果的 影响在gb/t1236-2000允许范围之内， 建议风机性能试验台只需安装基本精度为2% 的 湿度仪表即可，对控制试验台成本有积极意义。 nikuradse 发现流体在矩形管道中的流动存在涡流；brundrett 等认为矩形管道中的 涡流是横截面上的雷诺力引起的，并指出湍流运动是形成涡流的基础19；lander 等20 指出涡流使矩形管道应力趋于均匀，并会改变摩擦因子的大小。 thomas 等21利用整流器以缩短孔板流量计的安装长度；beck 和 mazille22通过实 验证明，在节流孔板上游加装旋流器可有效消除因管道中部分堵塞和上游旋涡引起的 上游气流扰动对流量测量产生的影响，同时针对特定的旋涡器，提出了相应的流量修 正公式。 确定流量计安装形式对流量测试准确度的影响非常重要，许多学者对此进行了研 究， mattingly 和 yeh 研究了弯管和管束对流量计的影响23， hakansson 和 j. delsing24 以及 heritage25探究了不同流动状态下超声流量计的运行特性； 而安装形式影响的全尺 度模拟较多地应用于孔板流量计，langsholt 和 thomassen 26以及 reader-harris27发展 了针对孔板流量计的数值方法；holm28等通过 cfd 软件模拟了不同管道安装形式下 超声流量计的校准系数，通过与试验值和计算值的对比，发现数值模拟的方法能有效 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 5 - 预测不同安装形式对流量计的影响，并指出计算流体动力学软件可以用于新型流量计 的设计。 1.4 本文主要工本文主要工作作 目前，我国建筑能耗约占社会总能耗的 1/3，随着生活水平的提高，建筑能耗有继 续增长的趋势，在欧洲工业国家，建筑能耗占社会总能耗的 40%，建筑能耗的主要部 分是空调能耗，约占总能耗的 60%以上，而空调能耗中的风机能耗大约在 20%29，因 此风机节能的潜力较大。空调系统中的风机包括冷却风机、送风机和排风机等，在科 学合理地选用风机的同时，也应注意风道设计对风机压力利用和效率上的影响。 本文以空调系统和冰箱系统中的风机为主要测试对象，参照 ansi/amca210-07 （ansi/ashrae51-07） 、gb/t1236-2000 等标准，根据技术指标的要求，自主研制了 0.4-6m/h 的小风量测试系统、30-450m/h 可移动式风量测试系统和 200-5000m/h 风 量测试系统。 试验验证了这三个系统的测试性能，对 30-450m/h 可移动式风量测试系统存在的 辅助离心风机喘振问题，提出了改进和优化方案，并对辅助风机采用多台多组轴流小 风扇串并联方案进行了论证分析；同时介绍了 amca210-07 有关风室泄漏率的测试方 法；并借助计算流体动力学软件 fluent 对 0.4-6m/h 的小风量测试系统的测量段和 200-5000m/h 风量测试系统的静压室进行了内流分析，提出了针对喷嘴下游流场畸变 度较大的优化方案，为更好的建设测试系统，提供更多有意义的参考。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 6 - 2 风量测试系统构建风量测试系统构建 2.1 差压式流量测试差压式流量测试方法方法 满管流流经管道内的节流件时，会在节流处形成局部收缩，从而使流速增大，静 压降低，在节流前后产生了一定的静压差，该静压差与流量有确定的数值关系，在流 体的物理性质和节流装置形式等条件已知情况下，通过一系列关系式就可计算得到流 量值，这种测量方法是以能量守恒和质量守恒为基础的12。使用节流差压法时，流体 必须是单相流体，流动是定常的、满管连续流动，流经节流件前流束是无漩的，流经 节流件时不发生相变。图 2-1 给出了流体经过节流孔板的流动特性。 （a）流动情况 （b）压力分布 （c）速度分布 图 2-1 孔板前后流动特性 节流差压法的流量计算公式是根据伯努利方程和连续性方程推导出来的4， 其中流 量系数是节流装置中最为重要的一个系数，它与采压方式、节流件形式、直径比、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 7 - 流动雷诺数及管壁粗糙度等有关。尽管节流装置总类很多，但是对于各种形式的节流 装置，流量测试都是基于节流件前后的压差p与流量存在确定的函数关系这一理论、 且流量计算公式形式类似，仅仅是其中的修正系数不同，对于本测试系统采用的长径 比 l/d=0.6 流量喷嘴，流量系数11为： 4 4 7.006134.61 0.9986 rere1 1ddau au c (2-1) 其中： red出口直径雷诺数 6 2 re0.9510 17.1 0.04 u d u p d t (2-2) au 喷嘴上游动能系数，对于管道内喷嘴为 1.043，对于风室中喷嘴和 多喷嘴或自由进口喷嘴为 1； /d d（对于风室，可以取为 0） （对于管道内喷嘴0.525） c喷嘴排出系数； 膨胀系数。 2.2 系统系统方案方案 2.2.1 技术指标技术指标 本课题参照 ansi/amca210-07（ansi/ashrae51-07） 、gb/t1236-2000（等效 iso-5801） 、ansi/amca210-99（ansi/ashrae51-99） 、gb/t 2624-2003 等标准，采 用节流差压法， 自行研制出 0.4-6m/h 的小风量测试系统， 30-450m/h 可移动式风量测 试系统和 200-5000m/h 风量测试系统。 其主要技术指标见表 2-1： 表 2-1 技术指标表 名称 静压（pa） 压差（pa） 大气压 （kpa） 温度（） 湿度 测试范围 -50450 01000 80110 -1040 0100 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 8 - 其主要测试参数精度见表 2-2： 表 2-2 测试参数精度 参数 重复性 准确性 静压测试 差压测试 精度 1.0 2.0 2pa 2pa 2.2.2 参数测量和参数测量和仪表仪表选型选型 测试系统需要测量的参数包括：大气压力；被测风机出口静压和流量喷嘴前后压 差；喷嘴上游气体温湿度。 （1） 大气压力传感器 忽略风机和其他传感器性能的影响，在标准温湿度下，对于压差为 180pa 的 3mm 喷嘴，大气压每升高 1hpa，流量升高 0.0002m/h 左右，对于压差为 190pa 的 25mm 喷 嘴，大气压每升高 1hpa，流量升高 0.016m/h 左右，可见，大气压对流量的影响相对 较小。 因而选用西特 model 278 大气压力传感器， 量程： 8001100hpa， 工作温度： -40 60，在-2050的精度：1hpa，工作电压：9.528vdc，输出：05vdc，分辨 率 0.01hpa，长期稳定性：0.1hpa/年，响应时间：100ms。 （2） 差压变送器 风量测试系统需要两台差压变送器，一台用于静压室静压测量，一台用于喷嘴前 后压差的测量。根据技术指标要求，同时考虑到以下几点：1）静压室设置有静压测点， 静压测点值反映了风机的出口工况，一般情况下测试工况为 0pa 或 0pa 以上，但当差 压变送器的量程从 0pa 开始时， 即使被测风机出口背压小于 0pa， 差压变送器显示值仍 为 0pa，为了避免这种情况，通常差压变送器会选择一段负量程，同时为了便于换算， 将此差压变送器量程选为-50pa450pa；2）流量计算过程中，最为重要的参数是喷嘴 前后的压差，在节流过程中，喷嘴前后产生的压差一般在 140pa800pa 之间；3）仪 表工作在满量程 1/32/3 之间的精度最高。 综上所述， 选用两台日本横河 eja110a 差压变动器， 量程分别为： -50450pa， 0 1000pa，环境温度：-4085，环境湿度：5100%rh，精度等级：0.1 级，输出 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 9 - 电流：420ma。 （3） 温湿度传感器 温湿度对流量测量均有一定的影响，相比较而言，温度对流量的影响较湿度要大 一些。忽略风机和其他传感器性能的影响，在标准湿度和大气压下，对于压差为 180pa 的 3mm 喷嘴，温度每升高 1，流量下降 0.001m/h 左右，对于压差为 190pa 的 25mm 喷嘴，温度每升高 1，流量下降 0.0592m/h 左右；在标准温度和大气压下，对于压 差为 180pa 的 3mm 喷嘴，湿度的变化时流量几乎不变，对于压差为 190pa 的 25mm 喷 嘴，湿度每升高 1%，流量下降 0.0013m/h 左右。陈明涛等18研究了相对湿度对风机 性能的影响，结果表明，相同温度下，湿度从 0 变化到 100%时，流量的最大相对变化 为 0.59%，因而建议风机性能试验台选用的湿度计精度在 2%以内即可。 综上所述，200-5000m/h 风量测试系统的选用芬兰维萨拉 hmd60 温湿度传感器， 温度量程：-2080，精度：0.8，湿度量程：0-100%，精度：2%，工作电 压：1035vdc，输出电流：420ma，探头工作温度：-4080。 （a）大气压力传感器 （b）差压变送器 （c）温湿度传感器 图 2-2 测试仪表 2.2.3 定静压和定流量定静压和定流量调节调节 200-5000m/h 风量测试系统为了实现工况的自动调节， 采用日本横河的 ut55a 数 字指示调节器，利用内置的 pid 调节功能，控制变频器输出，调节辅助风机转速，以 达到设定的静压或喷嘴前后压差工况。 控制系统分为开环控制和闭环控制，闭环控制系统包括正反馈和负反馈，正反馈 是指当反馈信号与系统给定值信号相同，负反馈(negative feedback)则极性相反。本测 试系统采用双回路负反馈控制：变频器控制辅助风机转速调节静压或流量的大小，与 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 10 - 设定的静压值或流量值进行比较，如果偏差在设定范围内，则输出测试结果，反之， 通过反馈信号来进一步控制，静压和流量控制回路通过 di 输入进行切换。值得指出的 是 ut55a 控制器有加热和制冷两种模式，即正作用和反作用，在进行定静压或定流量 控制时，要注意选择正确的模式：当设定值为静压时，应选择加热模式，因为反馈静 压值大于设定静压时，应增大辅助风机的转速，反之，降低辅助风机转速；当设定值 为流量时，则应选择制冷模式。 （1） pid 控制算法 在工程过程中，pid 控制是最常用的控制方法，有算法简单、鲁棒性好、可靠性 高等优点，常规 pid 控制系统原理如图 2-330, 31。 图 2-3 pid 控制系统原理图 pid 控制器是线性控制，通过对设定值( )r t与实际测量值( )c t进行比较，得出控制 偏差： ( )( )( )e tr tc t (2-3) 控制量由偏差的比例环节（p） 、积分环节（i）和微分环节（d）通过组合构成， 对被控对象的控制规律为： 0 1 ( )1 ( ) ( )( ) t d p t de t u tk e te t dt tdt (2-4) 传递函数形式： ( )1 ( )1 ( ) pd i u s g skt s e st s (2-5) 其中： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 11 - p k比例系数 i t积分时间常数 d t微分时间常数 本测试系统采用 pi 调节， 当定静压测试时，( )e t为设定静压值与反馈值的差值，( )e t 经过 pi 计算后，控制变频器输出电压信号调节辅助风机的转速，若响应速度较慢，可 增大 p k，反之，则减小 p k，但仅有比例控制，系统会产生一定的静差，此时要引入 积分环节，由于测试系统内气流分布本身需要一定的稳定时间，不需要太高的响应速 度，因而不采用微分控制，同时可以避免微分环节引入的不稳定因素。 （2） pid 控制器自整定技术 适宜的 pid 参数是控制系统实现“稳、快、准”控制要求的前提，因而 pid 控制 器的参数整定是控制系统设计的关键内容。ut55a 内置了 pid 参数自整定功能，大大 减了工程技术人员在参数设定过程中的工作量，具有十分重大的工程实践意义。 图 2-4 pid 参数自整定过程原理图32 自整定是一种根据设定值，控制器通过自动测量响应特性，选择最优的 pid 参数 的过程。其基本原理是通过对控制系统输入脉冲信号激励，得到系统响应特性，并根 据响应特性曲线的周期、振幅、上升时间等特性参数计算出较优的 pid 参数值，自整 定过程原理如图 2-4。本测试系统通过 ut55a 的自整定功能得到了两组 pid 参数，分 别进行定静压和定流量控制，试验证明，自整定的 pid 参数能够实现较优的控制效果。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 12 - 2.2.4 总体总体结构和测试流程结构和测试流程 测试系统主要由静压室、测量段和辅助风机三个部分组成，各个部分间通过软管 连接，静压室接口的开度具有一定的伸缩性，能满足被测风口尺寸、结构多样性的需 求。测试系统可实现风机、风道等的性能测试。 0.4-6m/h 的小风量测试系统采用单喷嘴矩形风室型式，根据实际测量需要，更换 节流喷嘴以改变量程，为实现喷嘴的快捷更换，测量段采用多段设计（喷嘴上游段、 喷嘴安装板、喷嘴下游段） ，通过密封机构保证连接部位的密封性，可选用的最大喷嘴 喉径为 8mm，理论流量测量上限可达 6.22 m/h，可选用的最小喷嘴喉径为 3mm，理论 流量测量下限为 0.38 m/h，喷嘴喉部气流速度应控制在 15-35m/s 以内 33。测试系统 利用辅助风机克服流道阻力，调整被测风机出口的背压，以达到不同的测试工况，同 时由于节流差压法的节流损失较大34， 采用两个风扇串联的方式提高辅助风机的压头。 通过直流稳压电源调节辅助风机转速，控制被测风机或风道的出口背压。直流稳压电 源的最小调节间隔为 0.1v，以保证背压调节的连续性和稳定性。 30-450m/h 移动式风量测试系统采用多喷嘴矩形风室型式 （25mm 喷嘴、 30mm 喷 嘴、40mm 喷嘴、50mm 喷嘴各一个） ，通过电动推杆开关喷嘴，改变喷嘴组合，辅助 风机采用高压头，小流量离心风机，通过变频器调节风机转速，变频器最小调节间隔 为 0.1hz。 200-5000m/h 风量测试系统采用多喷嘴矩形风室型式，通过气缸改变喷嘴组合， 辅助风机采用高压头变频离心风机，利用 pid 调节技术，根据设定的被测风机出口静 压或流量，实现自动识别与测量，大大减少了实验人员的工作量。 因为流体流过节流装置会在节流件前后形成涡流，同时实际流体具有粘性，在流 动过程中存在沿程摩擦，使得流体的总机械能有一部分不可逆的转化成热能而散失， 为减小节流差压法的节流损失， 本测试系统采用喷嘴作为节流件， 以尽量消除涡流区 4。 一般情况下，风量测试系统的测量段不可能有太长的直管段，为保证在测试段给 流量喷嘴提供均匀的逼近速度，喷嘴上下游各设置三层整流网，上游整流网是确保进 入测量平面前气流的均与性，下游整流网为了吸收喷嘴射流的动能，并让射流在似乎 不受限制的空间内正常膨胀，沿气流方向整流网的有效面积分别为 60%、50%、45%。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 13 - （a） amca210-0710 （b）gb/t1236-2000 图 2-5 喷嘴上下游壁测孔位置 amca210-07 和 gb/t1236-2000 关于喷嘴上下游壁测孔位置的规定有差异，如图 2-5，图 2-5（b）gb/t1236-2000 没有考虑喷嘴安装板的厚度影响，选择喷嘴安装板的 中间平面为基准面，为消除这种影响，本测试系统采用图 2-5（a）amca210-07 的推 荐结构，在距离流量喷嘴安装板上下游端面 38mm 处各布置四个壁测孔，以得到静压 均值。同时 amca210-07 中规定壁测孔的直径最大为 3mm，gb/t1236-2000 规定孔径 不小于 1.5mm，不大于 5mm 且不大于 0.04d（d 为风道直径） ，amca210-99 推荐壁 测孔的直径首选 2mm，最大为 3mm35。富兰克林和华莱士36经过试验证明，壁测孔 的测量误差随孔径的增加而增加，虽然通常认为垂直于流动边界的无限小直角边缘小 孔能准确测出静压，但孔径越小加工越困难且容易被微小颗粒堵塞。因而本文将壁测 孔直径选为 2mm。 试验时，首先应确保被测风机正对接入静压室转接口，以避免应安装不当，造成 风机出口堵塞；然后打开测试软件，根据试验要求选择定静压或定流量的测试间隔， 在使用非全自动测试系统时，要根据流量测试范围手动更换喷嘴或利用电动旋钮选择 适当的喷嘴组合，在使用全自动测试系统时，测试软件会根据设定的测试工况，实现 工况的自动调节和判定，软件窗口会实时显示测试结果，便于试验人员观察；测试结 束后，软件会自动保存试验数据，绘制静压-流量曲线。 根据功能性、可实施性以及工程经验，确定小风量测试系统总体方案流程，如图 2-6 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 14 - 图 2-6 0.4-6m/h 小风量测试系统总体方案 1 被测风机 2 静压室 3 温湿度传感器 4 整流板 5 流量喷嘴 6 测量段 7 辅助风机 8 大气压传感器 9 微差压变送器 10 微差压变送器 11 数据采集模块 12 辅助风机调速模块 13 接口转换模块 14 计算机 15 打印机 图 2-7 0.4-6m/h 小风量测试系统测量段实物图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 15 - 图 2-8 30-450m/h 移动式风量测试系统实物图 图 2-9 200-5000m/h 风量测试系统实物图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 16 - 图 2-10 0.5-4、3-240 m/h 风量测试系统实物图 2.3 本章小结本章小结 本章首先介绍了节流差压式流量计的测量原理，以孔板流量计为例，给出了流量 计算的解析式和推导过程，并补充了流量喷嘴的对应关系式；然后根据技术指标的要 求，介绍了测试系统主要用到的测量仪表及选择原则，工况调节使用的 pid 控制技术； 最后主要参照 ansi/amca210-07（ansi/ashrae51-07） 、gb/t1236-2000 等标准， 对 0.4-6m/h 的小风量测试系统、30-450m/h 可移动式风量测试系统和 200-5000m/h 风量测试系统进行了结构论述，指出系统构建过程中应注意的细节，并对测试流程予 以说明。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 17 - 3 风量测试系统风量测试系统出气出气试验验证试验验证 风机性能试验一般包括出气试验和进气试验两种，对于冰箱和空调风机经常采用 出气试验，因而本章只验证风量测试系统的出气试验性能，值得指出的是 200-5000m /h 风量测试系统在设计之初，考虑到部分风机的特殊测试要求，采用了分体式设计， 通过调整静压室和辅助风机的位置，可以进行风机的进气试验。 3.1 系统系统实验实验验证与分析验证与分析 3.1.1 0.4-6m /h 小小风量风量测试系统测试系统 0.4-6m/h 的小风量测试系统采用单喷嘴矩形风室型式，通过直流稳压电源调节辅 助风机转速，控制被测风机或风道的出口背压达到测试工况。由于节流差压法的节流 损失较大，辅助风机采用两个风扇串联方式以提高压头。 （1） 风机串联的性能特性试验 （a）流量对比 （b）功率对比 图 3-1 单台风扇与两台风扇串联对比 为满足小风量测量时辅助风机的高压头需求，采用两台台达 pfb0812dhe 轴流风 扇串联作为 0.4-6m/h 小风量测试系统的辅助风机。一般认为，同种风机串联时，流量 不变，压头和功率是单台风机的叠加，但是这种叠加并非简单的算术相加37。通过自 行研制的 30-450m/h 移动式风量测试系统的测试，得到单台风扇与两台风扇无间隙串 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 18 - 联在不同工作电压下流量和功率对比曲线，如图 3-1。同一工作电压下，单台风扇的流 量虽和两台风扇串联的流量非常接近，但还是略大一点；而串联风扇的功率明显小于 单台风扇功率的简单算术叠加，这是因为采用两级风扇无间隙串联方案时，由于前一 级风扇排气会对后一级风扇进气产生较强扰动38，导致后一级风机的流动恶化，进而 表现为风机的功率下降。因此在风量系统设计的时候，采用两台轴流风机串联作为辅 助风机时，需要考虑这种功率损失对压头产生的影响。 （2） 辅助风机可行性试验 测试系统选用 5mm 喷嘴，流量测试范围 1.06-2.43 m/h，静压室不接被测风机， 直接通大气，通过对辅助风机不同电压下的流量测量，评估辅助风机采用两台风扇无 间隙串联方案的可行性， 如图 3-2。 两次测量的流量值非常接近， 绘制的曲线几乎重合， 说明辅助风机在电压 5-13.2v 间工作非常稳定， 同时测试系统的重复性精度非常高； 测 试得到的流量范围从 0.95-2.50 m/h，说明在理论流量测试范围内，辅助风机完全能够 达到克服流道阻力的要求。 图 3-2 辅助风机流量重复性试验 （3） 测试系统实测试验 选用 5mm 喷嘴测试某小风扇的性能曲线，如图 3-3。被测小风扇在不同出口背压 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 19 - 下，流量值都非常稳定，波动非常小。为了