出口侧多喷嘴风室A型试验装置的制作及性能计算

2021-04-21崔广新郭孟报姜楠

商品与质量 2021年22期

崔广新郭孟报姜楠

德州市产品质量标准计量研究院山东德州 253000

通风机性能试验是通风机设计、生产、检验中必不可少的项目，随着我国经济和科技的发展，越来越多的企业和使用方逐渐形成了良好的质量意识，主动寻求高效的质量检测手段和产品改进的方法。但是对于大量的中小型企业来说，购置一套通风机性能试验系统，是一笔不小的投入，本文所论述的出口侧多喷嘴风室试验装置（以下简称风室）的制作及性能计算，主要针对民用低压通风机，依据GB/T1236-2017《工业通风机用标准化风道性能试验》进行设计和计算，主要目的是帮助企业自行设计及制作通风机试验装置[1]。

1 适用的安装类型和装置

在通风机安装现场应用中可有4种安装类型：A型：自由进口和自由出口；B型：自由进口和管道出口；C型：管道进口和自由出口；D型：管道进口和管道出口。试验安装类型应尽可能模拟这些工作条件，为此定义了4种试验装置。本文所论述的试验装置，属于A型装置，即通风机在试验中应不加设任何辅助装置，诸如弧形进口或出口管道，但随通风机一起供货的附件，如防护网、弧形进口等，应安装在一起。

2 风室结构的确定及制作

按照企业生产的通风机规格尺寸的大小和风量风压的大小确定风室的测量范围，本文以通风机出口当量直径为1m和最大风量为80000m3/h，最大风压为2000Pa的被测风机为例，来确定风室的设计结构。标准要求“喷嘴外形应为轴对称、出口边缘为直角、锐边，无毛刺、刻痕或倒圆，喷嘴轴线与其所安装的风室轴线应互相平行，喷嘴喉部长度应为0.6d±0.005d。”“在喷嘴定位时，各喷嘴中心线与风室壁的距离不小于1.5d，任意两个同时使用的喷嘴的最小中心距为3d，其中d为较大喷嘴的直径。”“对于旋转轴与排出气流方法相垂直的通风机，出口试验风室的截面积应至少等于9倍通风机出口面积或出口管道面积（A6≥9A2）;对于旋转轴平行于排出气流方向的通风机，出口风室截面积应至少等于16倍的通风机出口面积或出口管道面积（A6≥16A2）”根据这些要求，结合出口侧多喷嘴风室的质量流量计算公式（标准GB/T1236-2017第30.3.1.1），可以通过假设喷嘴数量的方法确定喷嘴的喉口直径，进而计算风室的截面尺寸[2]。为便于计算，在上述公式中，可以将膨胀系数和排出系数近似为1，空气密度近似为标准空气密度1.2，为便于制作，各喷嘴喉口直径也可设计为同样的直径尺寸。在此基础上，可以制作简单的Excel计算表格，将上述公式简化为喷嘴数量和喉口直径的关系式，如图1所示：

图1 喷嘴数量和喉口直径的关系

随着喷嘴数的增加，喷嘴喉口直径将变小，对于同一台测试风机，使用喷嘴较多的风室进行测试时，有利于使气流均匀的通过风量测试面。但过多的喷嘴，会带来成本增加、工作效率降低和存在气体泄漏隐患的可能性增加。本文以选择10个喷嘴为例，则喷嘴喉口直径应至少为0.222m。因此，可以确定各喷嘴之间的距离应至少为0.666m，喷嘴与风室壁应至少为0.333m。按照喷嘴尽量集中均匀的方式在正方形截面布置，需要的最小风室边长约为0.222×4+0.666×3+0.333×2=3.552m。

按照风室截面积不小于风机出口面积16倍的关系计算（A6≥16A2），风室截面积至少应为16×πr2/2，约12.56平方米。按照正方形风室计算，风室边长至少约为3.544m。

为减少安装难度和避免在安装过程中引起不必要的误差，可将喷嘴与喷嘴之间的距离设计为700mm，与风室壁之间的距离设计为350mm，这样风室的边长可确定为0.222×4+0.7×4+0.35×2=4.388m。

确定了喷嘴的喉口直径、数量，风室的截面尺寸，就可以根据标准中出口侧多喷嘴试验风室的示意图确定各结构具体的尺寸了。

3 风室制作过程中重要环节

3.1 管壁压力测孔的结构及位置

每一个测孔的孔形均为通过风道壁的孔（直径为a），应仔细的钻孔，使孔与风道内表面垂直、平齐，并除去内部所有突出物。孔的边缘应倒圆，最大允许值为0.1a，孔径a应不小于1.5mm，不大于5mm，及不大于0.1D（D:圆形风道直径或矩形风道的当量直径）。

当采用圆柱型风道时，四个测孔应在圆周上均布，当采用矩形风道时，测孔应位于四条边的中点。四个相似的测孔可连接至单个压力计上[3]。本文中所列举的风室，可选择孔径为3mm，这样可将测孔的外壁直径设计为8mm，方便后续的管路连接。

3.2 喷嘴的要求

标准对喷嘴有如下要求：①喷嘴的规格可以不同，但在其规格和半径上，安装位置相对风室中心应为对称。②喷嘴应为椭圆状，但也可近似使用二、三段不同半径的圆弧，只要在任意点的法线方向与椭圆的差异不大于0.015d（d：喷嘴的喉部直径）即可。③喷嘴喉部直径d应在椭圆的短轴和喷嘴出口处测量，测量精度为0.001d；应在间隔45°测得四个值，与平均值的偏差不得大于±0.002d。④喷嘴内表面应平整光滑，直尺在其表面不会擦出刮痕，表面不平整的峰-峰值不大于0.001d。

3.3 PL4截面位置的确定

通风机出口平面与测试装置中最近的温流装置之间的距离为J，距离PL4截面为0.5J，标准规定，通风机旋转轴垂直于排出气流方向时，距离J应至少等于出口管道直径；通风机旋转轴平行于排出气流方向时，距离J应至少等于两倍的出口管道直径。为增加测试装置的通用型和适用范围，应将距离J至少按两倍出口管道直径确定[4]。

3.4 稳流装置

三层金属丝或多孔板滤网、充分支撑并密封与风室壁面，相距0.1Dh（圆形管道界面的水力学直径），按流动方向各自流通面积依次为60%、50%和45%排列。

3.5 可变供气与排气系统

通过节流装置或辅助通风机来实现控制试验通风机的工况点，节流装置应装设在管道或风室的端部并关于管道或风室轴线对称。辅助通风机应设计成在所需流量时能够产生足够的压力以克服流经试验装置的损失，可要求使用流量调节装置，如风阀、节距控制或转速控制等，在试验过程中，辅助风机不应产生喘振或流量脉冲等情况[5]。

4 用excel对测试性能过程和结果进行编程设计

通风机的性能测试和计算过程中用到的参数很多，主要可概括为试验条件、装置参数、被测样品参数和工况点测试参数。

试验条件参数主要包括：标准状态下的大气压力、标准状态温度、标准状态空气密度、等熵指数k，圆周率π。

装置参数主要包括：喷嘴喉口直径、喷嘴数量。

被测样品参数主要包括：风机进口面积、风机出口面积、额定转速、叶轮实际直径、叶轮换算直径、传动系数。

工况点测试参数：PL4截面静压Pe4，PL6截面静压Pe6，PL6截面和PL8截面压差△P，试验环境大气压力、环境温度、环境湿度、风室内PL6截面温度、叶轮转速、风机噪声、电机输入功率、电机效率。

在用excel表格进行设计编程时，通过规定的算法计算出结果的参数。本文以一组测试数据为例，对上述参数进行了编程设计，各参数的程序如图2所示：

图2 excel表格进行设计编程

饱和蒸汽压力=610.8+44.442*G13+1.4133*G13*G13+0.02 768*G13^3+2.55667*10^(-4)*G13^4+2.89166*10^(-6)*G13^5；水蒸气分压=D5*H13/100；湿空气常数=287/(1-0.378*D4/I13)；膨胀系数=D6*D7^(2/D6)/(D6-1)*(1-D7^((D6-1)/D6))/(1-D7)；上游密度=(D13+I13)/D3/(J13+273.15)；雷诺数=0.95*B15*B3*SQRT(2*B16*B13)/(17.1+0.048*J13)*10^6；喷嘴流量系数=0.9986-7.006/SQRT(B17)+134.6/B17；质量流量=B15*D8*B18*B3*B3/4*SQRT(2*B16*B13)*B4；环境密度=(I13-0.378*D4)/287/(G13+273.15)；体积流量=H19/B20；出口压力：=C13+(H19/B5)^2/2/B20；进口压力0；通风机压力=B23-B24；通风机静压=C13；空气功率=B21*B25；空气静功率=B21*B26；轴功率=E13*F13/100；叶轮功率=E24*D9;轴效率=E22/1000/E24*100;轴静效率=E23/1000/E24*100;单位质量功=E22/H19;单位质量静功=E23/H19;体积流量=B21*B7/K13*(B8/B9)^3;指定条件体积流量=B28*3600;通风机压力=B25*(B7/K13)^2*(B8/B9)^2*D2/B20;通风机静压=B26*(B7/K13)^2*(B8/B9)^2*D2/B20;空气静功率=B29*B30/3600;空气静功率=B29*B31/3600;

如果在编制excel表格时对各参数的相对位置进行调整，则在编制程序里也需要对参数对应的位置符号进行改变即可。