基于充罐法的容积流量测量原理及修正

姜文雍

摘要：本文对充罐法测试容积流量的原理进行了详细阐述，并利用理想气体状态方程和连续性方程推导出计算公式，提出了针对充罐法的冷凝水量修正方法，同时对吸气压力、排气压力、吸气温度、压缩机转速等容积流量的影响因素给出了具体的修正公式，为空压机企业和检验检测人员提供技术参考。

关键词：充罐法;状态方程;插值;冷凝水量;容积流量

0  引言

容积流量是空气压缩机的一项重要性能指标，可以直接反应出空压机的性能好坏，所以在出厂之前必须对其逐台检测。目前，国内空压机生产企业多采用ASME喷嘴法检测空气压缩机的容积流量，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]。另外，林子良等对充罐法的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容积流量的具体修正方法。因此本文基于充罐法，讨论了冷凝水量计算和容积流量修正方法，为行业内空气压缩机容积流量检测提供技术参考和借鉴，保证产品的出厂质量。

1  充灌法测试装置

充罐法测试装置主要由温湿度传感器、压力变送器、大气压力变送器、缓冲罐、储气罐、精密压力表等组成，图1为该测试装置简图。

流量测试时，首先将所有阀门打开，使空气压缩机空载运行时间不低于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正负±1%，温度变化小于±1K时，再次读取压力和温度。

2  充罐法测试装置测量原理

2.1 未計及冷凝水的容积流量Q0

2.2 计及冷凝水的容积流量Q1

在容积流量的实际测量过程中，测量结束后储气罐中会残留一部分液态水。这是因为空气中含有水蒸气，当空气被压缩到一定压力后，再经过降温，水蒸气达到饱和状态，凝集出液态水。此时单独对空气应用连续性方程计算容积流量，已经不能满足测量要求，所以需对凝水量进行计算，假设冷凝水量为m0。

采用充罐法测测量容积流量时，不能够准确测量空压机的后冷却器、储气罐、排气法兰与快速检测装置间的冷凝水量，所以本文通过分析气体压缩前后的状态来计算冷凝水量。同样假设整个测试过程无泄漏，并且湿空气亦为理想气体。

3  容积流量的修正

采用充罐法所获得的容积流量为实际工况容积流量，在相关产品标准中都明确规定：空气压缩机的容积流量为标准工况（吸气温度20℃、吸气压力0.1MPa、排气压力为额定排气压力、转速为额定转速）下的容积流量，所以须将实际工况的容积流量修正至标准工况。

3.1 转速N修正

由重复性引入的相对不确定度仅为0.22%，同时与ASME喷嘴法相比较，相对偏差均小于±2.0%，说明本文设计的快充罐法测试装置具有较高的准确度和较好的重复性，能够很好地满足空气压缩机企业检测要求。

由表1可以看出，实际工况与标准工况流量数据的相对偏差均小于±0.3%，这与标准中规定容积流量应大于等于明示值95%的要求相比，影响并不明显，说明对小型单级压缩往复式空气压缩机进行容积容积流量测试时，冷凝水可忽略不计。

6  结论

本文对充罐法测试容积流量的原理进行了详细阐述，并利用理想气体状态方程和连续性方程推导出计算公式，提出了针对充罐法的冷凝水量修正方法，同时对吸气压力、排气压力、吸气温度、压缩机转速等容积流量的影响因素给出了具体的修正公式，为空压机企业和检验检测人员提供技术参考。另外通过实验可知：充罐法具有较好的稳定性，采用充罐法对小型单级压缩往复式空气压缩机进行容积流量测试时，可以忽略冷凝水量的影响。文中研究仍然存在不足，由于实验装置所限，未能对大流量空气压缩机进行测试，需待进一步的研究。

参考文献：

[1]李静.矿用往复式空压机远程监测预警及性能测得系统的研发[D].北京：北京工业大学，2009.

[2]林子良，孙小明，邓永清，俞志强.快速充气修正法测量压缩机流量的不确定度分析[J].通用机械，2007（04）.

[3]金海军.车用空压机性能试验装置的研制[D].安徽农业大学，2008：12-14.

[4]金海军，王群京，张志勇，韩占华，孙晓明，林子良.压缩机性能试验装置排气压力自动调节系统的设计与研究[J].流体机械，2009（02）.

[5]金海军，王群京，张志勇，孙晓明，陈栋，孙斌.车用空压机在线快速检测的动态修正方法[J].流体机械，2012（02）.

[6]GB/T15487-2015，容积式压缩机流量测量方法[S].

[7]GB/T3853-2017，容积式压缩机验收试验[S].