基于电阻应变式高压传感器的水锤压力测量

基于电阻应变式高压传感器的水锤压力测量

1缓闭断阀增加了管道的使水锤出现水锤在不同的行业，防止流量流失的针头被放置在安装位置上，密封性能较差。梭式止回阀密封性能较好(泄漏量小),其软密封泄漏量为零。消防止回阀是贮罐消防系统的替代产品。由于结构特殊和不受安装位置限制,流阻损失小,结构紧凑,节省安装空间,根据需要可以设计成缓闭止回阀,关闭时不产生水锤,使管道在运行中安全可靠。止回阀在关闭的瞬间,液体的流速产生急剧变化,靠近阀的一层液体便停止流动,它的动能全部变为势能,以波的形态向上游方向传播,引起液体压力的急剧升高或降低,这一现象称为水锤(或水击)。水锤能对输送管道造成破坏事故。缓闭止回阀能减缓关闭时间,使水锤产生的压力降低到管道允许的压力。试验给出水锤压力波形与时间关系曲线。2试验设备及其性能测量2.1试验设备及回路实验回路为闭式回路,水循环流动。管道直径ϕ68mm×4mm,工作压力1.5MPa,工作温度25℃,工作介质为水。装置示意图见图1。试验回路按图1所示流向。水由循环泵驱动,通过压力表→试验模型→水锤压力传感器→稳压器→压力表→调节阀→流量计进入泵进口,形成一个循环流动。2.2测量的特点(1)关闭循环水泵回路正常运行后,模拟输送流体管道,当关闭调节阀时,同时关闭循环水泵,稳压器的水向水泵方向倒流,此时止回阀迅速自动关闭,水停止倒流。阀前压力因水泵停止运行压力下降至零。打开排液阀测量出止回阀的泄漏量。(2)大流量和小流量回路正常运行后,打开调节阀,使流量值从小流量向大流量变化,再从大流量向小流量变化,记录每个流量值和对应的阀前后压力值。将测量参数输入到计算机系统,经过程序计算给出量ξ-Q的流阻特性曲线。(3)压力传感器系统当梭式止回阀关闭时,由于瞬时关闭形成水锤压力冲击波,引起的压力增加是以声速C向上游方向传播,压力传感器测量出水锤值。阀前压力因泵停止运行压力下降至零。由于水锤的发生是一个瞬间的动态过程,梭式止回阀后采用了CYYB-G2电阻应变式压强传感器,测量其水锤。测量系统见图2。传感器的动态响应时间为0.026s,瞬间能测量出水锤压力波动值,其电压输出正比于作用在传感器上的被测压力。压力传感器的讯号通过动态应变仪和数录系统,输入到微机。经过程序计算,给出压力与时间关系曲线即ΔP～t的关系曲线。整套测量动态响应快,能够可靠地测量出水锤压力波的瞬时动态特性和参数。3阀瓣关闭、缓闭断梭式止回阀采用双重密封结构,克服了一般止回阀低压密封效果差的缺点。阀瓣关闭采用弹簧压紧力,即使在阀门背压很低的情况下、也能关闭严密。同时不受安装位置的限制。缓闭止回阀,在阀的内腔设有缓冲结构,减缓阀瓣运动的速度,从而减缓水锤压力的增高。梭式止回阀结构见示意图3。4试验结果及分析4.1全国一般可泄漏的阀泄漏量试验共做2种型号。第1种为消防止回阀ZSXH41X-16C,DN50,阀座密封为软密封(橡胶阀座),试验结果泄漏量为零,在低背压下密封良好,无泄漏。用于消防系统常闭管道上使用,可靠的运行3年。在国内代替了常用的保护膜封闭消防液出口。第2种为普通止回阀ZSH41W-16C,DN50,阀座密封为金属密封。泄漏量试验结果见表1。第2种试验分2次测量,第1次测量后,将阀瓣转动180°再进行第2次测量。试验结果每分钟最大泄漏量为10滴,最小泄漏量为1滴。国家标准ZBJ16006-90规定,止回阀金属密封最大允许泄漏量(参照国际标准)为DN25×3cm3/min即通径50mm止回阀液体试验最大允许泄漏量为6cm3/min。该阀最大泄漏量小于1cm3/min,是国标规定中最大合格值的1616。密封性能高于国内外一般止回阀标准。4.2流动动力相似选用梭式止回阀DN80试验,管内流速为1～6m/s,做每个流速下的流阻系数值(图4)。最大Re=4.8×105当Re=2.5×105时流动已达到自模拟。据流体流动特性已知,达到某个雷诺数以后,流体呈惯性流动,欧拉数变得与雷诺数无关,即流动的自模拟。根据相似理论原理,在自模拟区中不必保持模型与原型雷诺数相等,亦可得到动力相似,则在模型中所得数据可用于原型。即本次试验数据,可以用于其他梭式止回阀中。从图4看出,Re达到自模拟后ξ=1.83。升降式止回阀ξ=4.3～6,该阀阻力损失小。4.3种结构形式梭式断裂试验结果共做2种结构形式的水锤试验。第1种为无缓闭梭式止回阀水锤试验,(图5)。第2种为有缓闭梭式止回阀水锤试验。(图6)。2种结构形式梭式止回阀水锤试验结果见表2。从表2中数据可以看出,有缓闭止回阀产生水锤压力降到最低值。在工业系统中使用安全可靠。4.4弹性系数k的确定根据理论力学的动量定律推导得ΔΡ=ΡC(V0-V)(1)ΔP=PC(V0−V)(1)式中P——液体密度C——波速V——管内流速这是一般的水锤动力学关系式。波速C可由液体的体积弹性系数E0和管子材料的弹性系数E、管壁厚度b、管子直径D以及支承管子的方式确定。当管子坚固性绝对大时,C=C0=1425m/s,C0为声速。即C=√E0ρ√1+DE0bE(2)即C=E0ρ√1+DE0bE√(2)如果管内介质流速从V突然变到零,将式(2)代入式(1)得ΔΡ=V0√ρE01+DE0bE(3)ΔP=V0ρE01+DE0bE−−−−−√(3)根据式(3)计算出来的水锤压力值比试验结果大几倍(小流速则反之)。应用它来作为设计的依据显然保守,小流速误差也大。式(3)主要受速度变化、D/b、ρ和管内波速C的影响。(1)声波旋转并c0向核心流体传播的压力波模型水锤压力ΔP与速度变化V0成线性关系,这一点在大流速时与试验结果是吻合的。然而冲击所引起的压力增加是以声波速C0向管子的2个方向传播,受压力波影响的流体所获得的速度大小、应该是原先速度的算术平均值。所以,当冲击通过时,每一液柱质点速度的改变应为V0/2,按ΔP=ρCV0/2计算,则式(3)的计算值可以下降一半。(2)小口径管d与小口径比d的比对一般水的弹性系数E0=2.28GPa,管子材料的弹性系数E=196GPa,若管径D与管壁厚度b之比15/1和30/1,代入式(3)中得ΔΡ≈0.92V0√ρE0(Db=151)ΔΡ≈0.86V0√ρE0(Db=301)虽然薄的管壁比厚的管壁会带来稍小的水锤压力,但对ΔP的计算结果影响不大。(3)管内部的气泡从式(3)看出ρ与ΔP是1/2次方关系,当水锤发生时,则管内部会有极小的气泡产生。汽化对水锤产生“缓冲”作用,使水锤压力降低。因此采用平均密度ρm计算更理想。式(3)方程可以乘以系数0.71ρm=(ρ气+ρ水)2√ρm√ρ水=0.71(4)平滑流动的阻断在水锤过程中,出现汽化而逸出气体,除影响密度变化外,还会带来一种气垫式的缓冲效应,从而使平滑的流动有断断续续的趋势,并降低了波速C。这种管系瞬变过程中存在的波速易变性,给水锤计算带来误差。据文献,若有占管子中容积0.1%的空气,则可使波速降低一半。有关气泡回到溶液中对波速的影响需进一步的研究