出口側(cè)多噴嘴風(fēng)室A型試驗(yàn)裝置的制作及性能計(jì)算

崔廣新 郭孟報(bào) 姜楠

德州市產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究院 山東德州 253000

通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)是通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)中必不可少的項(xiàng)目，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，越來越多的企業(yè)和使用方逐漸形成了良好的質(zhì)量意識(shí)，主動(dòng)尋求高效的質(zhì)量檢測手段和產(chǎn)品改進(jìn)的方法。但是對于大量的中小型企業(yè)來說，購置一套通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，是一筆不小的投入，本文所論述的出口側(cè)多噴嘴風(fēng)室試驗(yàn)裝置（以下簡稱風(fēng)室）的制作及性能計(jì)算，主要針對民用低壓通風(fēng)機(jī)，依據(jù)GB/T1236-2017《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，主要目的是幫助企業(yè)自行設(shè)計(jì)及制作通風(fēng)機(jī)試驗(yàn)裝置[1]。

1 適用的安裝類型和裝置

在通風(fēng)機(jī)安裝現(xiàn)場應(yīng)用中可有4種安裝類型：A型：自由進(jìn)口和自由出口；B型：自由進(jìn)口和管道出口；C型：管道進(jìn)口和自由出口；D型：管道進(jìn)口和管道出口。試驗(yàn)安裝類型應(yīng)盡可能模擬這些工作條件，為此定義了4種試驗(yàn)裝置。本文所論述的試驗(yàn)裝置，屬于A型裝置，即通風(fēng)機(jī)在試驗(yàn)中應(yīng)不加設(shè)任何輔助裝置，諸如弧形進(jìn)口或出口管道，但隨通風(fēng)機(jī)一起供貨的附件，如防護(hù)網(wǎng)、弧形進(jìn)口等，應(yīng)安裝在一起。

2 風(fēng)室結(jié)構(gòu)的確定及制作

按照企業(yè)生產(chǎn)的通風(fēng)機(jī)規(guī)格尺寸的大小和風(fēng)量風(fēng)壓的大小確定風(fēng)室的測量范圍，本文以通風(fēng)機(jī)出口當(dāng)量直徑為1m和最大風(fēng)量為80000m3/h，最大風(fēng)壓為2000Pa的被測風(fēng)機(jī)為例，來確定風(fēng)室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)要求“噴嘴外形應(yīng)為軸對稱、出口邊緣為直角、銳邊，無毛刺、刻痕或倒圓，噴嘴軸線與其所安裝的風(fēng)室軸線應(yīng)互相平行，噴嘴喉部長度應(yīng)為0.6d±0.005d?！薄霸趪娮於ㄎ粫r(shí)，各噴嘴中心線與風(fēng)室壁的距離不小于1.5d，任意兩個(gè)同時(shí)使用的噴嘴的最小中心距為3d，其中d為較大噴嘴的直徑?！薄皩τ谛D(zhuǎn)軸與排出氣流方法相垂直的通風(fēng)機(jī)，出口試驗(yàn)風(fēng)室的截面積應(yīng)至少等于9倍通風(fēng)機(jī)出口面積或出口管道面積（A6≥9A2）;對于旋轉(zhuǎn)軸平行于排出氣流方向的通風(fēng)機(jī)，出口風(fēng)室截面積應(yīng)至少等于16倍的通風(fēng)機(jī)出口面積或出口管道面積（A6≥16A2）”根據(jù)這些要求，結(jié)合出口側(cè)多噴嘴風(fēng)室的質(zhì)量流量計(jì)算公式（標(biāo)準(zhǔn)GB/T1236-2017第30.3.1.1），可以通過假設(shè)噴嘴數(shù)量的方法確定噴嘴的喉口直徑，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)室的截面尺寸[2]。為便于計(jì)算，在上述公式中，可以將膨脹系數(shù)和排出系數(shù)近似為1，空氣密度近似為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.2，為便于制作，各噴嘴喉口直徑也可設(shè)計(jì)為同樣的直徑尺寸。在此基礎(chǔ)上，可以制作簡單的Excel計(jì)算表格，將上述公式簡化為噴嘴數(shù)量和喉口直徑的關(guān)系式，如圖1所示：

圖1 噴嘴數(shù)量和喉口直徑的關(guān)系

隨著噴嘴數(shù)的增加，噴嘴喉口直徑將變小，對于同一臺(tái)測試風(fēng)機(jī)，使用噴嘴較多的風(fēng)室進(jìn)行測試時(shí)，有利于使氣流均勻的通過風(fēng)量測試面。但過多的噴嘴，會(huì)帶來成本增加、工作效率降低和存在氣體泄漏隱患的可能性增加。本文以選擇10個(gè)噴嘴為例，則噴嘴喉口直徑應(yīng)至少為0.222m。因此，可以確定各噴嘴之間的距離應(yīng)至少為0.666m，噴嘴與風(fēng)室壁應(yīng)至少為0.333m。按照噴嘴盡量集中均勻的方式在正方形截面布置，需要的最小風(fēng)室邊長約為0.222×4+0.666×3+0.333×2=3.552m。

按照風(fēng)室截面積不小于風(fēng)機(jī)出口面積16倍的關(guān)系計(jì)算（A6≥16A2），風(fēng)室截面積至少應(yīng)為16×πr2/2，約12.56平方米。按照正方形風(fēng)室計(jì)算，風(fēng)室邊長至少約為3.544m。

為減少安裝難度和避免在安裝過程中引起不必要的誤差，可將噴嘴與噴嘴之間的距離設(shè)計(jì)為700mm，與風(fēng)室壁之間的距離設(shè)計(jì)為350mm，這樣風(fēng)室的邊長可確定為0.222×4+0.7×4+0.35×2=4.388m。

確定了噴嘴的喉口直徑、數(shù)量，風(fēng)室的截面尺寸，就可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中出口側(cè)多噴嘴試驗(yàn)風(fēng)室的示意圖確定各結(jié)構(gòu)具體的尺寸了。

3 風(fēng)室制作過程中重要環(huán)節(jié)

3.1 管壁壓力測孔的結(jié)構(gòu)及位置

每一個(gè)測孔的孔形均為通過風(fēng)道壁的孔（直徑為a），應(yīng)仔細(xì)的鉆孔，使孔與風(fēng)道內(nèi)表面垂直、平齊，并除去內(nèi)部所有突出物。孔的邊緣應(yīng)倒圓，最大允許值為0.1a，孔徑a應(yīng)不小于1.5mm，不大于5mm，及不大于0.1D（D:圓形風(fēng)道直徑或矩形風(fēng)道的當(dāng)量直徑）。

當(dāng)采用圓柱型風(fēng)道時(shí)，四個(gè)測孔應(yīng)在圓周上均布，當(dāng)采用矩形風(fēng)道時(shí)，測孔應(yīng)位于四條邊的中點(diǎn)。四個(gè)相似的測孔可連接至單個(gè)壓力計(jì)上[3]。本文中所列舉的風(fēng)室，可選擇孔徑為3mm，這樣可將測孔的外壁直徑設(shè)計(jì)為8mm，方便后續(xù)的管路連接。

3.2 噴嘴的要求

標(biāo)準(zhǔn)對噴嘴有如下要求：①噴嘴的規(guī)格可以不同，但在其規(guī)格和半徑上，安裝位置相對風(fēng)室中心應(yīng)為對稱。②噴嘴應(yīng)為橢圓狀，但也可近似使用二、三段不同半徑的圓弧，只要在任意點(diǎn)的法線方向與橢圓的差異不大于0.015d（d：噴嘴的喉部直徑）即可。③噴嘴喉部直徑d應(yīng)在橢圓的短軸和噴嘴出口處測量，測量精度為0.001d；應(yīng)在間隔45°測得四個(gè)值，與平均值的偏差不得大于±0.002d。④噴嘴內(nèi)表面應(yīng)平整光滑，直尺在其表面不會(huì)擦出刮痕，表面不平整的峰-峰值不大于0.001d。

3.3 PL4截面位置的確定

通風(fēng)機(jī)出口平面與測試裝置中最近的溫流裝置之間的距離為J，距離PL4截面為0.5J，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸垂直于排出氣流方向時(shí)，距離J應(yīng)至少等于出口管道直徑；通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸平行于排出氣流方向時(shí)，距離J應(yīng)至少等于兩倍的出口管道直徑。為增加測試裝置的通用型和適用范圍，應(yīng)將距離J至少按兩倍出口管道直徑確定[4]。

3.4 穩(wěn)流裝置

三層金屬絲或多孔板濾網(wǎng)、充分支撐并密封與風(fēng)室壁面，相距0.1Dh（圓形管道界面的水力學(xué)直徑），按流動(dòng)方向各自流通面積依次為60%、50%和45%排列。

3.5 可變供氣與排氣系統(tǒng)

通過節(jié)流裝置或輔助通風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制試驗(yàn)通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，節(jié)流裝置應(yīng)裝設(shè)在管道或風(fēng)室的端部并關(guān)于管道或風(fēng)室軸線對稱。輔助通風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)成在所需流量時(shí)能夠產(chǎn)生足夠的壓力以克服流經(jīng)試驗(yàn)裝置的損失，可要求使用流量調(diào)節(jié)裝置，如風(fēng)閥、節(jié)距控制或轉(zhuǎn)速控制等，在試驗(yàn)過程中，輔助風(fēng)機(jī)不應(yīng)產(chǎn)生喘振或流量脈沖等情況[5]。

4 用excel對測試性能過程和結(jié)果進(jìn)行編程設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)的性能測試和計(jì)算過程中用到的參數(shù)很多，主要可概括為試驗(yàn)條件、裝置參數(shù)、被測樣品參數(shù)和工況點(diǎn)測試參數(shù)。

試驗(yàn)條件參數(shù)主要包括：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣密度、等熵指數(shù)k，圓周率π。

裝置參數(shù)主要包括：噴嘴喉口直徑、噴嘴數(shù)量。

被測樣品參數(shù)主要包括：風(fēng)機(jī)進(jìn)口面積、風(fēng)機(jī)出口面積、額定轉(zhuǎn)速、葉輪實(shí)際直徑、葉輪換算直徑、傳動(dòng)系數(shù)。

工況點(diǎn)測試參數(shù)：PL4截面靜壓Pe4，PL6截面靜壓Pe6，PL6截面和PL8截面壓差△P，試驗(yàn)環(huán)境大氣壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)室內(nèi)PL6截面溫度、葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)噪聲、電機(jī)輸入功率、電機(jī)效率。

在用excel表格進(jìn)行設(shè)計(jì)編程時(shí)，通過規(guī)定的算法計(jì)算出結(jié)果的參數(shù)。本文以一組測試數(shù)據(jù)為例，對上述參數(shù)進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)，各參數(shù)的程序如圖2所示：

圖2 excel表格進(jìn)行設(shè)計(jì)編程

飽和蒸汽壓力=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；水蒸氣分壓=D5*H13/100；濕空氣常數(shù)=287/(1-0.378*D4/I13)；膨脹系數(shù)=D6*D7^(2/D6)/(D6-1)*(1-D7^((D6-1)/D6))/(1-D7)；上游密度=(D13+I13)/D3/(J13+273.15)；雷諾數(shù)=0.95*B15*B3*SQRT(2*B16*B13)/(17.1+0.048*J13)*10^6；噴嘴流量系數(shù)=0.9986-7.006/SQRT(B17)+134.6/B17；質(zhì)量流量=B15*D8*B18*B3*B3/4*SQRT(2*B16*B13)*B4；環(huán)境密度=(I13-0.378*D4)/287/(G13+273.15)；體積流量=H19/B20；出口壓力：=C13+(H19/B5)^2/2/B20；進(jìn)口壓力0；通風(fēng)機(jī)壓力=B23-B24；通風(fēng)機(jī)靜壓=C13；空氣功率=B21*B25；空氣靜功率=B21*B26；軸功率=E13*F13/100；葉輪功率=E24*D9;軸效率=E22/1000/E24*100;軸靜效率=E23/1000/E24*100;單位質(zhì)量功=E22/H19;單位質(zhì)量靜功=E23/H19;體積流量=B21*B7/K13*(B8/B9)^3;指定條件體積流量=B28*3600;通風(fēng)機(jī)壓力=B25*(B7/K13)^2*(B8/B9)^2*D2/B20;通風(fēng)機(jī)靜壓=B26*(B7/K13)^2*(B8/B9)^2*D2/B20;空氣靜功率=B29*B30/3600;空氣靜功率=B29*B31/3600;

如果在編制excel表格時(shí)對各參數(shù)的相對位置進(jìn)行調(diào)整，則在編制程序里也需要對參數(shù)對應(yīng)的位置符號進(jìn)行改變即可。

5 結(jié)語

中小企業(yè)自行設(shè)計(jì)制作通風(fēng)機(jī)試驗(yàn)裝置，不僅能節(jié)約成本，更能幫助企業(yè)系統(tǒng)的了解檢測過程中的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，把握好影響檢測結(jié)果的各個(gè)因素，從而對企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量狀況做到有效的控制。