通风管道测压管测点分布方法的实验研究*

李昊然 李 潇 魏 兵

(1.华北电力大学(保定),保定;2.华北电力大学(北京),北京)

0 引言

通风空调系统通风管道压力的准确测量是系统安全、稳定运行的重要保障。测压管作为压力测量的探头装置,其形式、数量和测压管上的开孔数量和位置直接关系到压力测量的便捷性和准确性,对测量结果的可靠性尤为关键[1]。本文采用理论分析和实验研究的方法对测压管进行深入研究,根据研究结果提出了一种便捷而准确的通风管道测压方法,以期为通风管道压力的准确测量提供更便捷而可靠的方法。

迄今为止,常用的通风管道压力测量方法有:中间矩形法、切比雪夫法、对数一线法及等面积法等[2]。我国标准化通风管道实验要求管道截面测点数量不少于24个[3]。葛晨晨等人通过实验发现等环面法能够较好地反映流速分布[4]。徐佳佳等人利用数值模拟发现测点分布对出风均匀性有较大影响,其中,6×6中心分布法测量误差较小[5]。Wen等人利用中间矩形法测量管道内平均风速,配合均流装置将测量误差控制在了±5%内[6]。Guo等人综合比较了四孔压力探针和X形探针在平面混合层中测得的平均速度和湍流流量,发现四孔探针测得的压力与速度的相关性在势流中表现更准确[7]。Rummens等人提出了一种滑动探头来测量核燃料组件的轴向压力,对减小压力损失效果明显[8]。贺日升等人将皮托管与压差传感器相结合,设计了一种多流道明渠测流系统方案,提高了测流效率[9]。陶素华等人采用2根测压管设计了一种一体式通风管道风量测量装置[10]。上述文献表明,为了实现通风管道全压的准确测量,需要在同一截面大量选取测压点,而且各测压点的选取必须准确得当,实验结果才能更接近平均压力的真实值,但这会导致压力测量操作过程烦琐,而且测量结果也不一定非常准确。

本文分析对比了几种常用的测压管开孔方式,提出了一种更加便捷、准确的测压管开孔方式,并进行了多工况实验测试和验证,结果表明,与常用测压管开孔方式相比,本文提出的方法更加简便,测量结果也更加准确。

1 实验装置

本文用于研究测压管的实验装置如图1所示,由送风机段、静压箱段、全压测量段构成。送风机段为1台变频离心式风机,型号为4-68-4A,流量范围为3 984～7 281 m3/h,全压范围为1 431～2 069 Pa,功率为4 kW,主轴转速为2 900 r/min。在实验过程中可根据不同风速要求改变风机频率来实现风量的改变。通过拆卸更换管道,可对630 mm×300 mm、600 mm×200 mm、400 mm×200 mm、300 mm×300 mm、直径500 mm、直径300 mm等多种尺寸的管道进行测量。实验装置结构尺寸如图2所示。实验选用的压差传感器型号为QBM2030-5。

图1 实验装置实物图

图2 实验装置结构尺寸(单位:mm)

2 常用测压管测点布置方法

常用的测压管测点布置方法有中间矩形法和等面积法,其中中间矩形法使用最为广泛[11]。矩形管道压力测量常用中间矩形法,该方法将测量截面等分为若干个小矩形,每个矩形的中心点作为测压点,对所有测压点读数求平均值得出管道平均全压[12-13]。圆形管道压力测量常用等面积法,该方法将圆形截面分为多个面积相同的圆环,然后将每个圆环分成面积相等的两部分,最后将测点布置于圆环等分线与水平直径和竖直直径的交点处[14-15]。中间矩形法和等面积法测压点布置如图3所示,这2种方法的测压管数量多、测压点开孔多,操作过程比较烦琐[16]。

图3 中间矩形法和等面积法测点布置示意图

针对中间矩形法和等面积法存在的问题,本文试图找到减少测压管和测压孔数量,且测量结果更准确的测压方法。

3 通风管道截面全压分布理论分析

3.1 通风管道截面全压表达式

通风管截面压力分布可以用普朗特假设来进行分析,普朗特假设的表达式为

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中vx为沿管道方向的流速,m/s;vy为垂直管道方向的流速,m/s;ρ为空气密度,kg/m3;p为静压,Pa;pt为全压,Pa;v为流体流速,m/s;x为管道内气流流动方向;y为垂直于管道中心线的方向。

由普朗特假设可知,风管内速度边界层厚度与管道半径相同[17],因此管道截面中心位置处流速最大,并向四周边缘方向递减。普朗特方程组表明流体边界层内接触面法向上静压变化率为零[18],即静压恒定。由式(4)也可知,同一截面内各个点的全压只与该点的流速有关,所以管道截面中心位置处全压最大,并向四周边缘方向递减。

3.2 通风管道截面的全压分布

工程中的风管一般为矩形和圆形[19],本文选取截面尺寸为630 mm×300 mm、300 mm×300 mm和直径为300 mm的风管进行管道全压分布分析。

取风机出口5 m竖直截面处为测量截面,测量时管道内风速为4.3 m/s,将630 mm×300 mm截面的长边和短边分别进行21等分和10等分,依次测量长边20条等分线与短边9条等分线180个交点的全压,绘制得到该截面的全压分布云图,如图4所示;将300 mm×300 mm截面的水平和竖直方向都10等分,依次测量水平等分线和竖直等分线81个交点的全压,绘制得到该截面的全压分布云图,如图5所示;将直径为300 mm管道截面的水平和竖直直径都10等分,依次测量水平等分线和竖直等分线49个交点的全压,绘制得到该截面的全压分布云图,如图6所示。

图4 630 mm×300 mm风道截面全压分布云图

图5 300 mm×300 mm风道截面全压分布云图

图6 直径为300 mm风道截面全压分布云图

由图4～6可以看出:630 mm×300 mm、300 mm×300 mm、直径300 mm管道截面全压分布均为中心区域全压最大,并向四周递减,截面边缘处全压最小;3种尺寸管道截面中心点的最大全压分别为189.00、179.80、174.50 Pa,平均全压分别为186.50、175.60、172.60 Pa。

4 一种便捷而准确的测压管方式及其实验验证

压力测量的便捷和准确是本文研究测压管的目的。减少测压管和测压孔的数量最理想的情况是测压管数量为1根,且放置此测压管时必须通过管道截面中心点;1根测压管上的测压孔数量最少为3个,其中管道截面的中心点为必选测点。管道测量段一般选择长直管段,因此管道内的气流为稳态流动,且沿管轴对称,因此一定可以找到另外2个以管道中心点为对称点的测点位置,使得管道截面中心点的全压pm加上2个对称点的全压p0的平均值等于这个管道截面的平均全压pa,如式(5)所示。

(5)

此时管道的平均全压pa一定小于管道中心点的全压,大于管壁附近的全压。

如果可以测得管道的平均全压pa和管道中心点的全压pm,则可以求得全压等于p0的2个点的位置,即可确定第2个和第3个测压点。

4.1 测压点数量与pm点位置的确定

根据对630 mm×300 mm、300 mm×300 mm、直径为300 mm截面的测量结果可以得出管道截面中心线上各点的全压,如图7～9所示。通过式(5)可求出p0,p0线与中心线全压分布曲线的交点即为所求对称测压点(第2个和第3个测压点)。具体确定方法如下。

图7 630 mm×300 mm管道截面中心线全压分布

630 mm×300 mm管道截面的平均全压为186.50 Pa,中心点的全压为189.00 Pa,根据式(5)可求得2个对称点的全压为182.25 Pa。将此对称点的全压设为p0,由图7可知,p0线与中心线全压分布曲线相交于中心线78.9、539.3 mm处,若将该中心线进行8等分,则78.9、539.3 mm所在的点位于第1和第7等分点附近。对于300 mm×300 mm管道截面,其平均全压为175.60 Pa,中心点的全压为179.80 Pa,根据式(5)可求得2个对称点的全压(p0)为173.50 Pa。由图8可知,p0线与全压曲线相交于中心线41.0、263.5 mm处,若将该中心线进行8等分,则41.0、263.5 mm所在的点也位于第1和第7等分点附近。对于直径300 mm的管道截面,其平均全压为172.60 Pa,中心点的全压为174.50 Pa,根据式(5)可求得2个对称点的全压(p0)为171.65 Pa。由图9可知,p0线与全压曲线相交于中心线45.3、259.4 mm处,若将该中心线进行8等分,则45.3、259.4 mm所在的点也位于第1和第7等分点附近。第1和第7等分点即为所选取的对称测压点。因此,对测压管进行8等分,其中的第1、4、7等分点即为测点,测量此3点的全压,并求取平均值,即可得到该截面的平均全压。

图8 300 mm×300 mm管道截面中心线全压分布

图9 直径300 mm风道截面中心线全压分布

下面通过实验对此简便压力测量方法进行准确性验证,并与传统方法如中间矩形法进行准确度对比,以证明本文所提出的压力测量方法更为简便、准确。

4.2 实验验证

1) 测量某截面平均全压的准确值。

为了能够得到截面平均全压的准确值,应在截面上尽可能多地取点,然后对各个点的全压读数求平均值[20]。取点数越多,所有点的平均值越接近平均全压的准确值。将管道截面分为180个面积相等的小矩形,用1根测压管(靠近顶部开1个测压孔),依次测量180个小矩形中心点处的全压,然后求取180个全压的平均值,此值被认为是该截面平均全压的准确值。

2) 截面中心线上各种测点分布方式测量对比。

在管道截面中心线放置1根测压管,并对其进行8等分,7条等分线与测压管存在7个交点,依次编号为1～7,如图10所示。将测压管的一端密封,另一端连接至压力传感器的正压口,压力传感器负压口接大气环境,即可进行全压数据的读取。用此种方法测量矩形和圆形管道截面全压的测点布置如图10所示,6种测点开孔方式如表1所示。用表1中6种开孔方式测得的全压分别与全压准确值进行比较,哪种方式测量得到的全压值更接近准确值,哪种方式就更为可靠。

表1 测压孔布置方式

图10 矩形管道和圆形管道测压孔位置示意图

5 实验结果

1根测压管、6种测压孔布置方式的测量结果如图11～16所示,图中虚线表示对应风速下的截面全压准确值。

图11 630 mm×300 mm管道6种测压孔布置方式的全压

图12 600 mm×200 mm管道6种测压孔布置方式的全压

图13 400 mm×200 mm管道6种测压孔布置方式的全压

图14 300 mm×300 mm管道6种测压孔布置方式的全压

图15 直径500 mm圆形管道6种测压孔布置方式的全压

图16 直径300 mm圆形管道6种测压孔布置方式的全压

由图11～16可知,无论是矩形还是圆形管道,6种测量方式中,第1种方式测量的全压值与截面全压的准确值最为接近,此方法的测量结果比中间矩形法(截面面积9等分法)更加准确。147开孔法和中间矩形法的测量误差如表2所示。误差计算方法如式(6)所示。由表2可以看出,147开孔法的全压读数误差显著小于传统的中间矩形法。

表2 147开孔法与中间矩形法误差对比

(6)

式中E为测量误差;pe为压力读数,Pa。

此外,对于矩形管道,将测压管放置于与短边平行的中心线位置和与长边平行的中心线位置分别测量,结果如图11～13所示。在3种风速下,采用方式1,630 mm×300 mm管道的全压测量误差

由与短边平行的中心线位置的0.87%、0.83%、0.66%下降至与长边平行的中心线位置的0.25%、0.39%、0.27%;600 mm×200 mm管道的全压测量误差由与短边平行的中心线位置的0.91%、1.00%、0.75%下降至与长边平行的中心线位置的0.29%、0.58%、0.37%;400 mm×200 mm管道的全压测量误差由与短边平行的中心线位置的0.87%、0.61%、0.76%下降至与长边平行的中心线位置的0.36%、0.26%、0.28%。由以上分析可知,1根测压管、开孔方式1在与长边平行的中心线位置进行测量,结果更为便捷、可靠、准确。

6 结束语

本文提出了一种便捷而更为准确的通风管道测压管设置方式,通过对多种管径的通风管道进行多工况实验表明:用1根测压管、开孔方式1测量管道截面的平均压力更为准确。

具体方法为:取1根测压管,一端封口,另一端接至管道外侧接仪表或压力传感器进行压力数据显示,对测压管进行8等分,取1、4、7等分点的位置为测压点开3个孔,测压管放置在矩形(或圆形)管道截面中心线位置(矩形管道应与长边平行),即可测得准确的截面平均全压值。

与目前常用的测压管设置方式相比,本文提出的测压管设置方式更加便捷,并且测量风管截面全压的准确度更高。