具有温度补偿的燃气表环境温度影响测试装置设计

董艳妮,朱 云,谢程程

(1.中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州 310018;2.西安铁路职业技术学院 土木工程学院,陕西 西安 710026)

膜式燃气表是利用柔性薄壁测量室进行测量的气体体积流量计[1]。当前我国的燃气表标定装置普遍是按照旧国标设计、在实验室温度(20 ℃)对燃气表进行示值误差检定,无法模拟介质实际温度对带有温度补偿的燃气表进行检定[2]。而在实际应用中,用于计量气体的膜片形状会受到环境温度变化的影响,进而会对燃气表性能造成较大的影响[3-4]。由于现存的技术问题,目前高低温检测法也是将被检表放置在高低温中静置数小时,恢复室温后复测。

本文所设计的测试装置通过恒温箱、换热装置来调节环境和燃气温度的变化,实现了环境温度对燃气表性能影响的测试,还具有现检定装置所不具备的检定功能,即对具有温补功能的燃气表进行测量误差的检定。

目前恒温槽的温度控制有很多种,如基于PID的模糊控制与基于单片机的控制等[5-6],以上可实现温度调节的方法仅需不断地接受温度传感器的信号反馈,但其缺点是槽内介质温度的波动过大。若用于换热装置中会使得换热器出口气体温度波动较大,导致测试结果误差较大。

本装置恒温槽的温度控制采用基于PID短时断电稳定传热法实现温度的调节,在短时间内,通过换热器的气量是恒定的,将恒温槽断电后,恒温槽中载热体温度只受实验气体的传热影响,载热体的温度变化很小,从而弥补了现有的恒温槽温度控制方法所带来的温度波动过大的缺点。

1 装置设计指标及测量原理

1.1 装置设计指标

本测试装置是在原有燃气表误差检定装置的基础上[7-8],按照《膜式燃气表检定规程》提出设计指标:1)装置测量量程范围上限为10 m3/h;2)试验温度范围:-40～60 ℃;3)测试装置不确定度0.5%;4)被检对象:口径为M30×2的1.5级以上温补式燃气表

1.2 装置测量基本原理

本装置对燃气表进行性能测试时,通过换热装置达到介质温度变化的目的。在换热过程中,管内外流体以及管壁之间的热能计算,涉及到的基本原理有传热方程和热平衡方程。

热平衡方程:

(1)

式(1)中:下标p1,p2为流体类型;m为流体质量流量,kg/s;cp为气体定压比热容,J/kg·K;T、T′为流体换热前后温度,K。

传热方程式:

Φ=KAΔTm。

(2)

式(2)中:Φ为热流量,W;K为传热系,W/(m·K);A为总换热面积,m2;ΔTm为换热流体平均温度差,K。

(3)

式(3)中:di、do、dw分为换热管内外径及加保温层后直径,mm;λw为铜管的导热系数,W/(m·K);βi、βo为管内外侧的对流换热系数,W/(m2·K)。

蛇管内对流换热系数按下式计算:

(4)

式(4)中:βl为直管段内部的对流换热系数,W/(m2·K)。

真空缓冲罐的体积大小影响罐压力波动,进而影响气体稳定性,罐体积可由理想气体状态方程进行分析决定:

pV=nRT。

(5)

式(5)中:p为罐压强,Pa;V为罐体积,m3;n为气体物质的量,mol;R为气体常数,J/(mol·K);T为气体温度,K。

装置整体的不确定度由下式计算:

(6)

式(6)中,uz、ui分别为装置总体和各部分的不确定度,cri为装置各部分灵敏系数。

采用标准表法检定的被检表示值误差的计算公式如下:

(7)

式(7)中:E为被检表的示值误差,%;Q、QS分别为被检表和标准表的累计流量值,L。

1.3 装置结构及工作流程

装置标定方法采用标准表法,即比对被检表与标准表的测量信号,进而对被检表进行误差检定。装置的结构框图和工作流程见图1、2。

图1 装置的结构框图Figure 1 Structure diagram of the device

图2 装置工作流程图Figure 2 Flowchart of equipment operation

2 装置各部分设计

2.1 标定系统设计

标准表选择精度0.25级的干式气体流量计,才能符合检定精度为1.5级以上燃气表的条件。在检定过程当中,采取光电采样器和流量积算仪确保被检表和标准表数据测量的一致性。

2.2 恒温箱的设计

恒温实验箱负责将被检表的环境温度维持在实验所需的温度,选择空气作为恒温箱介质。由于装置温度范围为-40～60 ℃,为留有余量,恒温箱的温度范围为-70～90 ℃,温度波动度±0.25 ℃,且体积要利于被检表的安装。

2.3 供气系统设计

真空泵根据检定要求,选取真空度可以调节但不超过50 kPa、最大排气量大于被检燃气表的最大流量、工作平稳,噪音小的真空泵。根据式(5)分析可知,适当增大真空罐的体积会减小罐压强,有利于提高流量的稳定性。确定了满足装置及负压供气系统的设计要求的真空缓冲罐,其工作压力范围为(-0.1～0)MPa、体积为0.6 m3、进出口直径分别为38 mm和25 mm。

防止在低温实验中空气湿度太大出现水滴凝结,影响换热的准确性和检定的连续性,因此,干燥机选择无热再生吸附式干燥机。

2.4 热装置的设计

2.4.1 换热器设计

蛇管换热器相较于其他换热器具有体积小、换热面积大等优点,因此选择φ35×2 mm材料为铜的蛇管换热器实现气体温度转变。换热器盘绕节距由仿真结果决定,换热器面积计算见第4部分。

2.4.2 恒温槽设计

用于燃气换热的恒温槽,低温时介质选用酒精，高温时介质选用甲苯基硅油,且设计配有介质转换通道。根据设计指标恒温槽的温度范围要大于实验温度的范围,按照工程经验,温度差约为30 ℃即能满足换热要求,即-70～90 ℃,且温度波动度、均匀度均限制在±0.25 ℃以内。

依据检定规程要求,以最大流量检定时,单次测量所需的时间大约为32.4 s。假设恒温槽体绝热,换热前后介质温差为0.1 K,在最大流量、最大温差计算,恒温槽体积根据热平衡方程(1)计算:

VcρcccΔTc=qscsΔτs。

(8)

式(8)中:下标c为恒温槽;s为试验气体;单次检定时间,s。

由式(8)计算结果可得,恒温槽加热气体时最小体积为15 L,用于冷却气体时最小体积为34.5 L,则总体积为35 L。

2.4.3 温度控制方式的设计

现有的恒温槽通常采用PID或模糊PID方法对温度进行调节[9]。本文为使实验燃气温度快速且稳定地达到目标温度,在PID控制的基础上,提出短时断电温度控制方式来调节槽内介质温度。

在某一流量点下,温度控制原理如下式:

(9)

式(9)中:标示a为试验气体,f为恒温槽内介质;T1、T2为试验气体换热先后温度、Th为槽内液体温度,K。

控制过程为:先将恒温槽通电待槽内介质达到可换热温度后,输入气体开始换热,同时温度传感器检测换热器出口燃气温度,若出口燃气温度在目标温度±0.2 ℃范围内稳定,则恒温槽立即断电;反之,则给恒温槽通电,直至出口温度波动在允许范围内。

温度控制示意图如图3。

图3 温度控制示意图Figure 3 Temperature control diagram

2.5 管路设计及保温

连接管道选择PVC钢丝管,尺寸为φ35×2 mm。被检表和标准表的前管段长度分别为2 m和1.5 m。

参与换热的铜管位于第一台换热装置与被检表之间,因此需对此段管道进行保温设计。由于装置中管道的温度差为100 ℃,管径尺寸适中、传输路程较短且高低温状态较短,所以选择5 mm玻璃毛毡作为管道保温材料。

3 换热器性能分析

换热器需放置在恒温槽内方能实现对气体的换热。由于试验场地限制恒温槽体积不宜过大,使得换热器必须放置在一定空间内,且保证经换热的气体温度满足实验温度指标。故采用CFX软件对换热器的结构进行优化,以实现在既定条件下蛇管最佳换热效果。

3.1 CFX仿真及结果分析

蛇型换热器的主要尺寸包含螺距L、盘绕直径D、高度H。由图4可知,L和D决定了换热器的体积。本文采用CFX软件对蛇管的螺距和盘绕直径进行换热优化,考虑恒温槽尺寸,取螺距为40 mm、45 mm、50 mm、60 mm、55 mm、65 mm、75 mm、85 mm、95 mm,并在相应的螺距下建立盘绕径为180 mm、200 mm、250 mm、300 mm的蛇管换热器模型,进行仿真计算,观察出口平均温度。

图4 换热器盘管示意图Figure 4 Diagram of heat exchanger coil tube

建立三维模型,使用ANSYS-MESH软件划分六面体结构化网格,在流固耦合处逐渐加密网格,本次仿真中所有模型的网格数均在52 000以上。边界条件设定为:1)速度入口u=3.68 m/s,t=20 ℃;2)出口为自由出流;管外流体为恒温-70 ℃。求解器设置为:湍流模型采用标准的RNGk-ε模型[10]。

根据仿真结果,绘制了各盘绕直径换热器在不同节距下进出口温差变化趋势图,如图5。可知,对于盘绕直径180、200、250、300 mm的换热器而言,在L≤55 mm时,随着盘绕螺距的增大,进出口温度差会逐渐变大;且55≤L≤60 mm时,各直径的换热器进出口温差均会达到最大值,并在节距L=55 mm,换热效果最佳;而此时继续增加螺距,进出口温差会缓慢下降,在L>70 mm时,各直径的换热器进出口温差均趋于稳定。此外,螺距为55 mm时的仿真压力云图、温度流线图及截面温度云图见图6、图7。

表1为螺距55 mm时,不同盘绕直径单位长度温差。由表1可知,在管长度相同的情况下,单位长度的换热温差会随盘绕直径的增大而减小,在D=200 mm时单位长度换热温差最大。所以选用螺距L=55 mm,直径D=200 mm作为换热器的几何尺寸,以提高换热器的换热效率,降低换热偏差。

表1 螺距L=55 mm时,不同盘绕直径换热器单位长度温差

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

D/mm进口温度/K出口温度/K单位长度温差/(K·m-1)180200250300293.15238.0136.76237.6637.00238.7736.25239.7335.61

图5 换热器进出口温差变化趋势图Figure 5 Trend chart of inlet-outlet temperature difference of heat exchanger

图6 盘绕直径相异的换热器压力云图Figure 6 Pressure contours of heat exchanger at different coiling diameters

3.2 数值计算

在进行热交换面积计算时按照最大流量、最大温差进行计算,管外对流换热系数α取经验值2 210 W/m2·K,则验算后换热器总传热系数K为36.599 W/m2·K。

假设气体以最大流速流动,恒温槽内203.15 K的酒精可将蛇型换热器内的实验气体从293.15 K冷却至233.15 K。由热量守恒求出所需的换热面积A为0.168 m2,经计算蛇管的盘绕圈数n=2.435,为保证换热效果取三圈,总换热面积为A为0.207 m2,换热器的高度H为0.165 m。

图7 不同盘绕直径下温度流线图、进出口及XZ截面温度云图Figure 7 Temperature streamlines and temperature contours of inlet-outlet and XZ planes at different coiling diameters

4 装置调试与运行

4.1 不确定度评定

依据JJG 643-2003和JJG 633-2005,标准装置在标准状态下的流量的数学模型[11]为

其中:Vs为标准表累积流量示值,L;Ts、Tm分别为标准表和被检表处的气体温度,K;Ps、Pm分别为标准表和被检表处的气体绝对压力,kPa。

4.1.1 不确定度来源分析及评定

1)标准表累积流量Vs示值的标准不确定度分量ur1,其中ur1又由下面两项不确定度构成。

①由标准表的准确度引起的B类标准不确定度ur(Vs1)。

标准流量计的检定证书给出流量计相对扩展不确定度为0.25%,k=2,则ur(Vs1)=0.001 25。

②流量重复测量引起的A类不确定度ur(Vs2)。

2)标准表处温度Ts示值的标准不确定度分量ur2,其中ur2又由下面两项不确定度构成。

①气流温度场波动引起的A类不确定度ur(Ts1)。

②温度测量准确度引起的B类标准不确定度ur(Ts2)构成。

3)被检表处温度Tm示值的标准不确定度分量ur3,其中ur3又由下面两项不确定度构成。

①气流温度场波动引起的A类不确定度ur(Tm1)。

②温度测量准确度引起的B类标准不确定度ur(Tm2)构成。

5)被检表处压力测量Pm示值引起的B类标准不确定度分量ur5。压力变送器的准确度等级为0.1级,按矩形分布考虑,则ur5=0.000 58。

4.1.1 不确定度合成

由数学模型求偏导数得到的灵敏系数为:

则扩展不确定度Ur=k×uz=2×0.001 6=0.003 2=0.32%<0.5%,所以本装置能够对1.5级以下的燃气表进行检定。

4.2 装置调试

装置调试过程中采用空气代替易燃易爆的天然气,调试步骤如下。

1)首先对恒温试验箱、恒温槽进行温度设置,待各温度达到目标温度且稳定后,调节流量点至某值,并使各阀门、空气干燥器、真空泵处于工作状态。

2)待温度、流量、管压、真空罐内的绝对压力及压力波动度均达到设计要求值时,打开流量积算仪和光电采样器,开始检测。

3)前一流量点检测完毕后,按后续待测流量点调节流量阀继续检测,若检测过程中温度不稳定则停止检测待温度稳定后重新进行,直至所有流量点检测完毕。

4)设置下一个温度点,重复步骤1)。

4.3 实验标定

选择SZ-GW2.5系列一台具有温补功能的燃气表,对其进行标定。实验环境温度为20.5 ℃,大气压为101.7 kPa,湿度为56%,工作压力为0.5～20 kPa。实验流量点取4 m3/h,1.6 m3/h,0.4 m3/h。试验温度点取-40～60 ℃,装置压力为20 kPa。检定脉冲数分别为9、9、6,即检测体积为脉冲数的10倍。在不同试验温度点下,每个流量点测量2次,将所得数据按式(7)计算并且绘制在不同流量点下的误差曲线,见图8。

图8 SZ-GW2.5的示值误差曲线图Figure 8 Curve of indication error of SZ-GW2.5 diaphragm gas meters

如图8,所选取的各流量点误差变化与温度变化趋势相同;伴随温度的升高,误差逐渐降低。这个误差趋势是燃气表中的膜片由于热胀冷缩原理形成的;此燃气表总体误差符合检定条例中±2.5%误差条件,可确认此燃气表合格。

5 结 论

在现有的燃气表标定装置设计的基础上增加了换热装置和恒温箱,可实现对带有温度补偿功能的燃气表进行多种环境温度和介质温度变化的性能测试。本文着重采用CFX仿真软件对蛇型换热器进行几何尺寸优化,分析盘绕直径和节距对蛇型换热器性能的影响,获得了换热器在一定体积范围内换热效率最优盘绕直径和节距。本装置整体不确定度为0.32%,表明设计增加换热装置和恒温箱后的测试装置仍可达到检定要求的精度。

通过优化蛇型换热器的几何尺寸提高换热器换热效果,这也为蛇型换热器在其他场合应用提高换热效率提供了可行的参考方法。在真实场景使用中,本测试装置的精度还受到流量阀门开合度的影响。因此,提升装置精度未来还需对流量阀开合度对测试装置的影响开展实验,继续做进一步的研究。