CN107121178B - 一种流量控制的气流测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流量控制的气流测量实验装置，包括气流生成装置、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统和流量控制系统以及流道；气流生成装置产生在流道中流动的气流，所述流量控制系统控制气流的大小，所述的皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统安装在流道上，用于测量流道中气流的流量，所述流量控制系统、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统分别与数据采集控制器进行数据连接，所述数据采集控制器与数据显示设备连接，其特征在于，所述流量控制系统为安装在气流通道末端的挡板及移动装置，通过控制挡板与通道出口的距离来控制气流大小。本发明通过设置新式的流量控制系统，使得测量过程中流量控制简单方便，容易操作。

Description

一种流量控制的气流测量实验装置

技术领域

本发明涉及一种气体换热器以及换热器中使用的气流测量实验装置，属于换热领域以及流体力学领域。

背景技术

气体换热器在进行换热的时候，因为热流体的入口温度不均匀而导致换热效果出现明显的不同，而且因为热流体流量的测量误差而导致换热效果没有达到理想的情况。

此外气体流速和流量的测量是流体力学的一项基本测量。在实验研究和工程应用的各个领域，都提出的各式各样的流速测量问题，例如确定ECU控制的进气歧管空气流量、测定飞机的空速等。通常我们对流体的流量进行测定时使用的流量计应用原理和方法各不相同，其中差压式流量计应用广泛，常用的种类有文丘里流量计、孔板流量计、皮托静压管等。不同种类的流量计使用方法及优势各有不同，甚至在不同气流流速时，不同的测量方式会呈现不同的精度，例如在锅炉等送风设备上都会有流量测量装置。通过本装置测量比较，可以为其提出指导意见，不同风量选用不同的流量测量装置，得到更准确的测量结果。因此在教学过程中需要发明一种能够直观比较各种测量方法异同的实验装置，方便学生学习。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种可以达到理想温度的气体换热器，同时还提供一种能够综合测量各种流量计的实验装置，以便在气体换热器中使用。

本发明的技术方案如下：

一种气体流动情况测量实验装置，包括气流生成装置、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统和流量控制系统以及流道；气流生成装置产生在流道中流动的气流，所述流量控制系统控制气流的大小，所述的皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统安装在流道上，用于测量流道中气流的流量，所述流量控制系统、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统分别与数据采集控制器进行数据连接，所述数据采集控制器与数据显示设备连接。

优选的，沿着气流的方向，在流道中依次设置气流生成装置、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统和流量控制系统。

优选的，气流生成装置包括离心式鼓风机、锥形进气管和气流通道，气流通道连接锥形进气管连接，所述的鼓风机与气流流道连接；其中皮托静压管系统所在的流道为方形截面，文丘里流量计系统、孔板流量计系统所在的流道均为圆形。

优选的，所述皮托静压管系统包括皮托静压管和皮托管移动装置，移动装置可以使皮托管在所测截面内自由移动。

优选的，所述的文丘里流量计系统中，文丘里流量计安装位置的前端气道长度大于五倍流道直径，后端长度大于三倍流道直径。

优选的，所述流量控制系统为安装在气流通道末端的挡板及移动装置，通过控制挡板与通道出口的距离来控制气流大小。

优选的，皮托静压管系统的正方形通道内截面边长为L，圆形通道的半径为R，则皮托静压管系统与文丘里流量计系统之间的最小距离S1>＝a*((R/2)2+L2)(1/2)，其中a是参数，22.54<a<32.18；

文丘里流量计系统、孔板流量计系统之间的距离S2>＝b*R,其中b是参数，10<b<23。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明通过设置新式的流量控制系统，使得测量过程中流量控制简单方便，容易操作。

2)通过在一个实验台上设置多个测量流速装置，能够同时多种流量计同时工作，并通过显示装置显示测量数据，方便数据的对比，可以快速选择不同流速下的误差小的测量装置。

3)实现了在一台实验设备上完成多种方法气流流速测量的目的，能直观的比较不同流量计的异同，操作简单，方便教学。

4)皮托管在移动装置的导轨上可以上下左右移动，增加了测量的不同位置的流量，提高测量的准确度，同时便于观察不同位置的流速变化，方便教学。

5)通过大量的实验，确定了各个测量装置之间的最佳的距离，避免了各个测量装置之间的气体扰动导致的误差增加，从而极大的增加了测量的准确性。

附图说明

图1是本发明的换热器结构示意图；

图2是本发明的实验装置示意图；

图3是本发明的实验装置整体俯视图；

图4是本发明皮托静压管系统的示意图；

图5是本发明皮托管移动装置的侧视图；

图6是本发明文丘里流量计系统的示意图；

图7是本发明孔板流量计系统的示意图；

图8是本发明可倾式压力计系统及数显系统的示意图；

图9是本发明控制系统的示意图；

图10是本发明气流生成装置的示意图。

附图标记如下：

1锥形进气管，2离心式风机，3皮托静压管系统，4文丘里流量计系统，5孔板流量计，6可倾式压力计，7流量控制系统，8皮托管，9皮托管移动装置，10气道，11高压测压管，12低压测压管，13文丘里流量计，14高压测压管，15低压测压管，16可倾式压力计，17温度计，18挡板，19控制旋钮，20数显设备，21数据采集控制器，22热管冷凝端，23热管蒸发端，24冷空气流道，25热气体流道，26凸块，27凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1展示了一种气体换热器，如图所示，所述气体换热器包括热气体流道25、冷空气流道24和热管，所述热管包括蒸发端23和冷凝端22，所述蒸发端23位于热气体流道25中，冷凝端22位于冷空气流道24中，所述热气体流道25入口设置温度传感器和流量传感器，用于测量进入热气体流道的气体温度和气体流量，所述冷空气流道24入口设置阀门，用于控制进入冷空气流道的冷空气流量，所述换热器还包括控制器，所述控制器与温度传感器、流量传感器、控制阀数据连接，所述控制器根据测量的气体温度和气体流量，自动控制阀门的开度。

所述的控制器是根据气体温度和气体流量的组合来进行阀门控制，具体控制方式如下：控制参数Q＝(气体温度-基准温度)*气体流量，如果测量的控制参数Q增加，则自动增加阀门的开度，如果测量的控制参数Q减少，则自动降低阀门的开度。

通过上述的智能控制，可以实现随着热流体的气流温度和流量变化来控制参与换热的冷空气的流量，从而实现冷冷空气出口温度保持一致，避免冷空气出口温度过高或者过低，从而影响使用效果。

作为优选，所述热气体为锅炉尾气。在锅炉烟道中使用，还可以避免低温腐蚀。通过控制冷空气的流量，避免排烟温度过高或者过低，从而造成热量浪费或者造成低温腐蚀。

作为优选，所述热气体为热空气。

作为优选，所述基准温度为20-30℃。

在换热器的运行实践中发现，并不是所有的其他测量装置都适合在换热器中测量流量，有一些测量装置在不同的环境中使用会产生很大的误差，尤其是因为气体速度而导致的误差差别更大，导致运行效果很差，因此为了保证好的运行效果，在不同的换热环境中必须选择合适的测量工具。因此有必要开发一种新的实验装置，以便测试不同的环境下的测量工具误差，以便选择误差小的测量工具。

图2展示了一种新的气流测量实验装置的简单示意图。如图2所示的气体流动情况测量实验装置，包括气流生成装置、皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5、流量控制系统7以及流道；气流生成装置产生在流道中流动的气流，所述流量控制系统7控制气流的大小，所述的皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5安装在流道上，用于测量流道中气流的流量，所述流量控制系统7、皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5分别与数据采集控制器21进行数据连接，所述数据采集控制器21与数据显示设备连接20。

通过上述流速测量实验装置，可以在一台实验设备上完成多种装置的气流流速测量，并能通过显示装置显示各个测量数据，便于比较给中测量工具的优劣，同时也方便教学，使得学生能够直观的观察各种不同的测速工具和测速方法。

作为优选，如图9所示，所述的流量控制系统7包括安装在气流通道末端的挡板18及移动装置控制旋钮19，挡板通过螺杆与气流通道出口连接，通过旋转控制旋钮改变挡板与通道出口的距离来控制气流大小。另外，也可通过其他合理方式控制气流流量，例如使用变频气泵或在进口处控制气流流量等。

作为优选，所述实验装置包括高精度气体流量计，作为优选，所述高精度气体流量计设置在气流通道10的挡板18与孔板流量计系统之间，所述高精度气体流量计与数据采集控制器21数据连接，所述流量控制系统7能够控制气体流量，并通过高精度气体流量计测量的气体流速在显示设备20上显示。所述高精度气体流量计测量的数据为对比数据，皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5测量的数据分别与高精度气体流量计测量的数据进行对比，确定出误差的大小，以便确定合适的流量计，提供给不同的适用环境使用。

因为作为对比数据，因此高精度气体流量计要求精度很高，即误差很小，测量的误差在0.5％以内，作为优选，误差在0.2％以内。

作为优选，高精度气体流量计可以设置在气流流道10的其他位置，例如设置在气流生成装置和皮托静压管系统之间。

作为优选，如图3所示，为保证每个测量装置之间互不影响，流道为分段式结构，共分四段，皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统依次安装在气道之间，各部分通过法兰连接。通过流道分段设置，可以保证各个流道出来的气流不会对后面的测量装置产生干扰。

如图3所示，所述的皮托静压管系统包括皮托管和可倾式压力计6，皮托管连接可倾式压力计6，所述可倾式压力计6与数据采集控制器21进行数据连接，通过数据采集控制器21得到气体的流速。

图3-4展示了装置的皮托静压管系统，皮托管移动装置9安装在气道壁面上，皮托管8在移动装置9辅助下可以在测量截面内自由移动，实现多点测量取均值的功能。

如图5所示，所述的移动装置9包括滑块，所述的皮托管设置在滑块中，所述的滑块包括凸块26，所述凸块26设置在气道管壁的凹槽27中，凸块26能够在凹槽27内移动，通过凸块26的移动来实现皮托管8的自由移动。

作为优选，在皮托管8的自由移动后采取密封措施进行密封，避免漏气。

如图5所示，为减小装置对气道内气流产生的影响，装所述移动装置采用在气道壁面上开滑动槽来实现横向移动，其中接触面上涂润滑油，在方便移动的同时达到增加气密性的目的。另外，皮托管在移动装置的导轨上可以上下移动，以实现纵向移动的功能。

图6展示了装置的文丘里系统，文丘里流量计13直接安装在两段气流通道之间，此处应注意的是文丘里流量计安装时，作为优选，前端直管段长度应大于5倍直径，后端直管段长度应大于2倍直径。在测量时，文丘里流量计的高压测量管11所测值较大，选择较大量程的可倾式压力计，低压测压管12与较小量程的压力计相连。

图7展示了装置的孔板流量计系统，孔板流量计10直接安装在气流通道上，与文丘里流量计类似，高压测量管14与较大量程的可倾式压力计连接，低压测压管15与较小量程的压力计相连。

如图8展示了装置的可倾式压力计系统及数显系统，所示可倾式压力计16分为量程不同的大小两只，可以方便读出皮托管等测量装置所测量的气流动、静压或压差。测量时可以通过增加可倾式压力计的倾角，以获得更高的灵敏度，但同时由于压力计量程随倾角增加而减小，故需要操作者根据所测气流流量调节使用。温度计17可在实验需要时测量当时的环境温度。

作为优选，数显设备20包括数字巡检仪及压差变送器，通过压差变送器可以将测量装置所测得的压差转变为电信号，送至巡检仪实现测量结果的数字显示。

可倾式压力计16与数据采集控制器21进行数据连接，通过数据采集控制器21得到气体的流速。

当然，为了表示方便，图3只是展示了一个可倾式压力计。但是作为优选，皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5分别与不同的可倾式压力计相连接，以便可以同时测量多组数据。

图10展示了一种气流测量装置的气流生成装置，离心式风机2与锥形进气管1连接，通过气道一段3向整个装置供气。气流通道连接锥形进气管1，所述的风机2与气流流道连接。

作为优选，其中皮托静压管系统所在的流道为方形截面，文丘里流量计系统、孔板流量计系统所在的流道均为圆形。

实践中发现，对于皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5，相互之间必须要大于一定距离，否则会导致从前一个测量工具出来的气体没有充分流动，从而导致测量结果失准，因此必须要在各个测量工具之间设定一个距离，使得流道内的气体充分流动，从而保证测量的准确性。

实验发现，皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5、流量控制系统7之间的距离与流道管径相关。正常情况下，各个测量工具之间的距离是越远越长，但是考虑到成本问题、空间问题以及考虑到距离越长，导致气体泄漏而产生的误差问题，因此本发明通过大量的实验，得到了最佳的距离公式。

皮托静压管系统所在的流道为正方形截面，文丘里流量计系统、孔板流量计系统所在的流道均为圆形，此种情况下，皮托静压管系统的正方形通道内截面边长为L，圆形通道的半径为R，则皮托静压管系统与文丘里流量计系统之间的最小距离S1>＝a*((R/2)²+L²)^(1/2)，其中a是参数，22.54<a<32.18。

作为优选，35.34*((R/2)²+L²)^(1/2)<＝S1<＝46.32*((R/2)²+L²)^(1/2)。

作为优选，所述的a随着(R/2)²+L²的增加而增加。作为优选，所述的a随着(R/2)²+L²的增加而增加的幅度越来越大。

通过实验发现，a的幅度随着(R/2)²+L²不断的变化，会导致结果更加准确，极大地提高了测量数据的准确性。

作为优选，25.52<a<28.24。

文丘里流量计系统、孔板流量计系统之间的距离S2>＝b*R,其中b是参数，10<b<23。作为优选，所述的b随着R的增加而增加。作为优选，所述的b随着R的增加而增加的幅度越来越大。

通过实验发现，b的幅度随着R不断的变化，会导致结果更加准确，极大地提高了测量数据的准确性。

作为优选，15.3<b<18.2。

孔板流量计系统与流量控制系统7之间的距离S3>＝c*R,其中c是参数，4<c<13。作为优选，所述的c随着R的增加而增加。作为优选，所述的c随着R的增加而增加的幅度越来越大。

通过实验发现，c的幅度随着R不断的变化，会导致结果更加准确，极大地提高了测量数据的准确性。

作为优选，7.2<c<9.2。

相邻皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5、流量控制系统7之间的距离是以流道上该系统的最后的位置与下一个系统的开始的位置之间的距离，作为优选，皮托静压管系统3、文丘里流量计系统4、孔板流量计系统5、流量控制系统7通过法兰固定在流道上，所述相邻系统的距离是以相邻的系统尾端法兰与下一个系统始端法兰之间的距离。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种气体流动情况测量实验装置，包括气流生成装置、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统和流量控制系统以及流道；气流生成装置产生在流道中流动的气流，所述流量控制系统控制气流的大小，所述的皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统安装在流道上，用于测量流道中气流的流量，所述流量控制系统、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统分别与数据采集控制器进行数据连接，所述数据采集控制器与数据显示设备连接，其特征在于，所述流量控制系统为安装在气流通道末端的挡板及移动装置，通过控制挡板与通道出口的距离来控制气流大小；

沿着气流的方向，在流道中依次设置气流生成装置、皮托静压管系统、文丘里流量计系统、孔板流量计系统和流量控制系统；

皮托静压管系统所在的流道为方形截面，文丘里流量计系统、孔板流量计系统所在的流道均为圆形；

皮托静压管系统的正方形流道内截面边长为L，圆形流道的半径为R，则皮托静压管系统与文丘里流量计系统之间的最小距离S1>＝a*((R/2)²+L²)^(1/2)，其中a是参数，22.54<a<32.18；

文丘里流量计系统、孔板流量计系统之间的距离S2>＝b*R,其中b是参数，10<b<23。

2.如权利要求1所述的气体流动情况测量实验装置，其特征在于，所述的流量控制系统包括安装在气流通道末端的挡板及移动装置控制旋钮，挡板通过螺杆与气流通道出口连接，通过旋转控制旋钮改变挡板与通道出口的距离来控制气流大小。

3.如权利要求1所述的气体流动情况测量实验装置，其特征在于，所述实验装置包括高精度气体流量计，所述高精度气体流量计设置在气流通道的挡板与孔板流量计系统之间，所述高精度气体流量计与数据采集控制器数据连接，所述流量控制系统能够控制气体流量，并通过高精度气体流量计测量的气体流速在显示设备上显示；

高精度气体流量计要求测量的误差在0.5％以内。