基于充罐法的容积流量快速检测装置研发

黄增阳，姜文雍，曾燕平，毛方，许忠琛

（1.衢州市质量技术监督检测中心，浙江 衢州324000；2.衢州职业技术学院机电工程学院，浙江衢州324000；3.浙江象睿机电设备有限公司，浙江 衢州324000）

0 引言

螺杆空气压缩机凭借其高效节能、宽广的容量和工况范围等优势，逐步替代了传统空气压缩机的大部分市场，同时客户对螺杆空气压缩机的质量提出了更高的要求。为保证产品的质量，生产企业必须在每台产品出厂前对螺杆空气压缩机的能源效率和容积流量进行检测。目前，国内空压机生产企业多采用ASME喷嘴法对螺杆空气压缩机进行容积流量检测。该方法是一种具有较高精确度的稳态检测方法，但需要现场手动控制、人工查表、定时记录，耗费时间较长、耗能高，远不能适应大批量生产及在生产线末端逐台检测的要求[1]。林子良等对充罐法的测试原理和不确定度进行了研究[2]，金海军提出了针对车用空压机的充罐法修正因子[3-5]，但都未明确给出冷凝水的收集和修正方法，且充罐法是一种动态测量方法，测量误差较大。因此本文基于充罐法，开发研究一种集快速准确测量、自动监控为一体的容积流量快速检测装置。

1 传统充罐法存在问题及改进

本文将GB/T 15487-2015《容积式压缩机流量测量方法》中的充罐法[6]称为传统充罐法，该方法在测试空气压缩机容积流量时存在以下缺点：

（1）充气开始时刻储气罐内的温度、压力是不稳定的；

（2）充气过程中空气压缩机的排气压力控制误差较大；

（3）容积流量计算时缺少对析出冷凝水量的计算；

（4）空气压缩机管道、测量装置中的冷凝水无法收集。

由于存在上述问题，导致充罐法测试误差较大。本文提出以下几点改进措施（见图1）。

（1）在原充气罐装置的储气罐尾部增加一个管道，并安装放空阀；

（2）空压机的排气压力控制采用电磁阀控制，压力控制精度达±1%；

图1 快速检测装置测试原理图

（3）容积流量计算考虑整个测试过程的冷凝水量；

（4）将所有测试仪表更换为传感器，并在空压机吸气口处增加湿度传感器。

2 快速检测装置测试原理

2.1 快速检测装置即快速充罐法的操作方法

流量测试时先将所有阀门打开，使空气压缩机空载运行不少于5分钟，然后关闭排液阀3和放空阀4，调节电磁阀5，将排气压力调节至空压机的额定排气压力。待储气罐中气体的压力变化小于±1%，温度变化小于±1K，开始读取压力和温度，并记录时间tk1，与此同时快速关闭储气罐尾部的节流阀9。

测试开始后，空压机的排气压力完全由电磁阀控制，当储气罐中的气体压力为额定排气压力95%以上时可以停止充气，记录停止充气的时间tk2，同理待储气罐内的压力变化小于±1%，温度变化小于±1 K时，再次读取压力和温度。

2.2 快速检测装置流量计算公式

传统充罐法测量压缩机容积流量

式中 Q0——未计及冷凝水的压缩机容积流量，m3/min

Vk——储气罐容积，m3

Tx1——压缩机1级吸气温度，K

τ——充气时间，min

px1——压缩机1级吸气压力，Pa

pk2——充气终止，热平衡后储气罐内气体压力，Pa

Tk2——充气终止，热平衡后储气罐内气体温度，K

pk1——充气开始时储气罐内气体压力，Pa

Tk1——充气开始时储气罐内气体温度，K

快速检测装置流量（计及冷凝水）计算公式为

式中 Q1——计及冷凝水的压缩机容积流量，m3/min

m0——冷凝水质量，kg

Rv——水蒸气气体常数

传统充罐法不能够准确测量空压机后的冷却器、储气罐、排气法兰与快速检测装置间的冷凝水量，本文通过分析气体压缩前后的状态来计算冷凝水量。假设整个测试过程无泄漏，并且湿空气为理想气体。

由理想气体状态方程式

式中 p——理想状态气体压力，Pa

V——理想状态气体体积，m3

m——理想状态气体质量，kg

R——理想状态气体常数，8.314 kg/（mol·k）

T——理想状态气体温度，K

可推出湿空气的含湿量xf

式中 xf——湿空气的含湿量

ψ——相对湿度

ps——饱和蒸汽压力，Pa

则可求得单位质量湿空气体积

式中 V——单位质量湿空气体积

Rf——湿空气混合气体常数

根据道尔顿分压定律，可求出湿空气的混合气体常数

式中 Rg——空气气体常数

t1时刻测量装置内的干空气质量

式中 m1——t1时刻测量装置内的干空气质量

达到热平衡后，即t2时刻测量装置的干空气质量

式中 m2——t2时刻测量装置的干空气质量

整个测试过程中进入测量装置内的水蒸气总质量

式中 m3——整个测试过程中进入测量装置内的水蒸气总质量

ps1——吸气状态下饱和蒸汽压力，Pa

达到热平衡后，再对测量装置中水蒸气含量应用状态方程，最后求得测试装置中冷凝水质量

式中 xf2——热平衡后，湿空气的含湿量

得出快速充罐法流量公式

或者

3 容积流量测试

本文以一台容积流量250 L、排气压力0.8 MPa（表压）的空气压缩机为研究对象，按照GB/T 3853-2017《容积式压缩机验收试验》[7]的测试要求，分别采用快速充罐法和ASME喷嘴法进行容积流量测试，流量均修正至标准工况（吸气温度20℃、吸气压力0.1 MPa、排气压力0.9 MPa、转速为额定转速），测试结果如表1所示。

表1 快速充罐法和ASME喷嘴法测试空气压缩机容积流量结果

4 数据分析

通过对快速充罐法的测试数据进行分析，计算相对误差和测量不确定度。

式中 σ——相对误差

由于ASME喷嘴法测量精确度比较高，所以本文以其测量平均值为参考值，计算出快速充灌法测量结果的相对误差σ为-1.63%。

将快速充罐法检测装置看做一个测试系统，由测量重复性导致的相对不确定度Ur（）

式中 ur（）——相对不确定度

n——实验次数

经计算，ur（）＝±0.2%

由重复性引入的相对不确定度仅为0.2%，同时相对误差仅为1.63%，说明本文设计的快速充罐法测试装置具有较高的准确度和较好的重复性，能够很好地满足企业检测空气压缩机的要求。

5 结论

本文设计的快速检测装置与传统充罐法相比，降低了测量过程中由不稳定性导致的误差；采用传感器技术进行数据采集，大大提高了测量精度和测试效率；提出的利用理想气体状态方程给出带有冷凝水的容积流量计算公式，使测量结果更加准确、可靠。快速检测装置能够满足企业出厂检测要求，但仍然存在不足，装置中缺少空气压缩机输入功率测试功能，需待进一步完善。