水嘴流量检测装置的设计*

程云斌 郑 蓉 唐敏俊

(1 上海市质量监督检验技术研究院 上海 200000)(2 钛和检测认证集团股份有限公司 上海 200042)

目前低碳生活、节约用水已经成为整个卫浴行业的共识,大多数居民意识到节约用水的重要性,在家庭中的水嘴、坐便器、淋浴器这用水“三大件”上,对节约用水“指标”要求越来越高。

国家标准GB 25501-2010水嘴用水效率限定值及用水效率等级于2011年7月1日实施,并于2019年对其进行修订。2021年1月1日GB 25501-2019水嘴水效限定值及水效等级作为强制标准实施,为水效标识制度提供进一步的标准支持,更好地适应水嘴行业的技术发展。

水嘴流量是一项强制性节水指标,流量偏大浪费水资源,流量偏小影响正常使用,因此流量不符合要求会造成不必要的水资源浪费,达不到节能效果且失去产品本身的意义。

1 概述

目前,国内外有很多关于水嘴的检测设备,现有的水嘴检测设备虽然具备流量参数的检测功能,但数据稳定性差,偏离较大,会造成测量审核、能力验证、实验室之间对比结果误差很大,无法给出让人信服的数据和结论。因此设计一套高精度的水嘴检测设备,使得所测数据具有较高的可重复性(即稳定性),来解决水嘴机械性能无法验证、实验室监测数据不确定度大等问题。

水嘴流量检测设备的系统误差、检测人员的个人操作水平,都会影响水嘴流量的检测结果。在开展检验检测、测量审核、能力验证、实验室间比对时,由于各设备间的一致性不好,容易造成比对结果误差很大。目前我国行业内的水嘴检测设备流量偏差基本在5%以上,重复性偏差较大,数据准确性不高,导致水嘴机械性能检测水平在水暖行业中得不到有效的提高,难以支持GB 25501-2019水嘴水效限定值及水效等级实行下的水嘴行业技术发展。因此提高检测设备的精度,保证检测结果的重复性势在必行。

检测装置中的液体介质由于受压而流动,并始终处于运动或不稳定的状态,因而液体本身不能作为一种标准物质来进行检测和溯源。水嘴流量的检测都是借助于流量测试工作原理开展的。

2 工作原理

目前使用的水嘴流量检测方法有以下很多种类:(1)检测原理不同。质量法、容积法、标准法。

(2)液体介质状态不同。动态法、静态法。

目前最常用的两种水嘴流量检测方法为静态质量法和标准表法。不同的检测方法,其原理、结构及应用场景等均有所不同。

2.1 静态质量法

静态质量法又被称为静态称重法,在流体处于静止状态时,读取液体介质的质量,结合检测时间,换算相应的质量流量。其典型结构如图1 所示。

图1 静态质量法水嘴测试装置

工作时,首先启动水泵,将其作为动力源抽取水箱中的水,经过调节阀后流入试验管路中,中间连接被测水嘴,其中换向阀安装在实验管路的出口处。试验开始时,确定称重容器的初始重量M0,选择换向器使流体流入旁通管。待流量达到稳定后,改变换向器使流体进入称重容器,同时,启动计时器。当满足预定的水量或时间时,换向器自动换向,再次使流体流入旁通管。分别确定并记录称重容器中流体的质量Mt,计时器显示的测量时间t,依据下式计算流体的质量流量Qm,体积流量Qv:

2.2 标准表法

标准表法是根据流体力学的原理,在同一时间间隔内,串联在同一管道上的流量计通过的累积流量是相等的,那么当流量稳定时,比较标准表和被检水嘴的流量值,就能确定被检流量计的计量参数。在水嘴流量的检测中,标准表法一般采用串联形式,其典型结构如图2所示。

图2 标准表法

设通过标准表和被检流量计的流体密度为ρ,如果标准表、被检水嘴的体积流量分别为QVS和QVN,质量流量分别为Qms和Qmn。则计算得到通过标准表、被检水嘴的体积流量分别为:

2.3 两种方法比较分析

2.3.1 准确度比较

静态质量法属于原始法测量。所以综合测量精度非常高;主要的误差来自于检测时间和换向器带来的不确定度影响。标准表法由于标准表的准确度、配套计时器准确度较高,配合以稳定的液体流量源,同样能获得较高的准确度等级。

2.3.2 结构比较

由于换向器的使用,使静态质量法管线相对复杂,称重容器和体积容器占地面积相对较大,所以这两种方法一次性投资相对较高,而且操作复杂。而标准表法结构简单,且操作方便。

2.3.3 效率比较

静态质量法的核心是度量收集到的液体流量,在低流速的情况下,因为累积流量较小,为了提高测量的准确度,必须提高测量时间,则检测效率就大大降低;而标准表法操作简单,直接可以从标准流量计上读取检测结果,所以操作时间短、检测效率高。

3 流量稳定性分析

由上述分析可知,采用标准表法原理的,其液体流量源的稳定性是研究的一个重点,也是技术难点所在,所以在设计标准表法时,要提高装置的流量稳定性。

为了分析影响流量稳定性的因素,笔者以简化的形式进行分析,其标准表法水嘴流量测试装置如图3所示。

图3 简化的标准表法水嘴流量测试装置

3.1 数学模型

在整个装置管路中的水流阻力有两种,即沿程阻力和局部阻力。

根据流体力学的推导,沿程阻力损失为:

式中:n—水泵转速,r/min;ns—水泵比转数;

qb—水泵体积流量,m/s。

然后取两个计算断面,假设断面A 取在水箱内,断面B 取在管路出口处;P1、P2分别为断面A、B 的中心点压力;V1、V2分别为断面A、B 中心点的平均流速;Z1、Z2分别为断面A、B 的位置头。对A、B 两个断面建立伯努利方程为:

假设为出水口截面积、为液体密度,由此可以推导出水口的流量为:

3.2 结果分析

由上述公式可知,流量标准装置的流量变化与s、ρ、g、p1、p2、z1、z2、λ、L、D、vw、ε、vj、n、ns、qb等参数有关。其中ρ、g 是定值,管道的尺寸是提前设计好的,所以s、z2、L、D 也是定值,其余参数与其之间的关系如下:

(1)λ、vw、ε、vj四个参数与管道阀门有关。装置的管路中肯定会安装弯头、阀门等阻流件。当流体在高雷诺数时会产生明显的二次流,引起局部流速剧增。由于液体介质和管道都是弹性体,因此在受到外来的强烈冲击会产生震动和噪声,λ、ε、vj等参数会变得不稳定,进而引起水流的波动。

(2)n、ns、qb三个参数与水泵有关。电网电压长时间的波动会使n 变化,长时间运转的水泵在气蚀、水击等影响下,其密封性会变差,进而影响qb,这样会导致水泵出口流量的波动。

(3)z1与水箱有关。水箱水面高度z1在整个检测过程中一直处于快速变动的状态,水泵吸水口可能会导致水面产生旋涡,水管的排水口会对水面造成明显冲击。

(4)p1、p2与流量压力有关。p1、p2的值来源于管道阀门、水泵、水箱等。水泵电机电源电压和频率的稳定、管道的水流稳定、水箱的结构设计等都决定了p1、p2是否稳定。

4 结语

综上所述,流量的稳定性与水泵、管道、阀门、水箱有着密切关系。其中管道、阀门、水箱反映了的工艺设计,而流量稳定的核心则取决于压力源的稳定,反映在水泵和管路是否稳定。

稳定流量源的常规方法主要有水塔、稳压容器、变频法等。考虑其特殊性,需要从各个方面考虑,从装置平台的搭建、标准表选型、控制算法的编写、控制方案的实施都需要探究,各种控制方案和不同工况条件下的流量稳定性,从而最终得出最佳工作条件。