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空气焓差法试验台技术难点和应对策略中国建筑科学研究院空调所魏峥王智超摘要焓差法是热交换设备换热量等热工特性测量的基本方法。焓差法试验台虽然技术相对成熟，并在国内的空调设备生产厂家得到广发应用，但在很多焓差试验台仍然存在大量的技术问题没有很好的解决，造成试验台测试结果的偏差，导致空调产品质量参差不齐。本文通过介绍空气焓差法试验台的基本原理，以风机盘管房间焓差法试验台为例，指出了焓差法试验台在技术上经常出现的一些问题，并针对技术难点提出相应的解决方案。关键词焓差试验台，湿球温度，漏热量，漏风量，不确定度0引言空气焓差试验台常常用来测试热交换设备的热工性能，由于其低成本、操作维护简便等特点，广泛地用于空调器的测试中。其中，用于风机盘管等空调器的焓差试验台国外早在五十年代就已经研制成功并投入使用。在我国，1972年开始研制生产风机盘管，但直到八十年代中期才开始设计用于检测的焓差法试验台。空气焓差法是利用测量室内侧空调器机组进风口、出风口干湿球温度和通过的空气质量流量来计算相应的空调器机组的制冷或制热能力。如图1所示，将被试机组5按实际工程安装状态安装在恒温恒湿小室内，与风量测量段连接好。调节变频风机8的风量，设定被试机组出口静压为所要求的静压值（由压差计4测量）。被试机组出口静压也可以采用电动执行器配合风阀来实现。此时，通过被试空调机组的风量，可由压差计3读取喷嘴6前后的静压差值和该点温度通过计算得到。采样风机13和15将被试机组进口、出口空气在一定风速（3.5－10m/s）下吸入干湿球温度测量装置，读取干湿球温度和大气压力计12的读数，就可算出进口、出口空气的焓差。空气预处理机组1用于保证小室维持在设定的温度和湿度的工作状态下，即保证被试机组进口空气稳定在设定的工作状态点。空气预处理机组从下到上依次由风机、表面空气冷却器、电加热器和加湿器组成，处理后的空气经过均流孔板2返回恒温恒湿小室，在保证小室内恒定的温度湿度外，还提供了稳定均匀的温度场。图1空气焓差法试验台基本原理1.空气预处理机组2.均流孔板3.喷嘴前后差压测量压差计4.静压测量压差计5.被试机组6.喷嘴7.混流器8.辅助风机9.出口温度采样风机10.出口温度采样风管11.进口温度采样风管12.大气压力计13.出口干湿球测量装置14.进口温度采样风机15.进口干湿球测量装置751115141012139684321PPB1.焓差试验台测量精度的影响因素1.1湿球温度测量的偏差从焓差试验台的基本原理可以看出，湿球温度的测量对焓差法精度的影响最为显著，因为湿球温度直接影响到对应空气状态点的焓值。以下是影响湿球温度测量的几个主要方面。1.1.1采样风速的影响湿球温度的测量必须在适当的吹向湿球的风速下进行，并且，只有在足够长的时间后，湿球蒸发达到平衡，测量才是准确的。采样的风速必须在一定范围之内。对于水银温度计和其他直径相近的温度探头，合适的风速为3.5m/s～10m/s，推荐值为5m/s，以保证精确的测量。对于直径较小的温度探头，比如热电偶和热敏电阻，风速应适当地减小，当然，这需要标定和校准。由图2[3]（在干球温度27.0℃，湿球温度19.0℃下测量）可知，当风速达到5m/s以上时，空气焓值随风速变化很小，并趋于稳定。而风速过大时，可能会把湿球纱布吹出，或容易吹干。所以，通常选用5m/s做推荐采样风速。图2风速对焓值的影响1.1.2湿球纱布的影响用作湿球纱布的材料最好是柔软、网纹整齐的纯棉纱布。使用之前，纱布必须整个清洗干净或在蒸馏水中煮沸。包裹时保证纱布与温度计表面接触良好。长期使用，由于水质不纯净，纱布表面会结垢，影响与温度计的换热。所以经常更换纱布非常重要。湿球纱布的包裹也非常重要，方法详见参考文献[2]。浸润湿球纱布的水，推荐使用没有杂质的二次蒸馏水或去离子水，而不宜使用市场上出售用来饮用的纯净水，因为纯净水中含有大量的矿物质，不是真正意义上的“纯净水”，容易在纱布上结垢。1.2风量测量的偏差试验室测量风量有很多种方法[4]，其中，通过测量喷嘴前后静压差来计算风量是公认比较准确而且操作方便的方法，其单个喷嘴风量的计算公式是：nnnPCALρΔ=2…………………（1）当采用多个喷嘴时，风量等于各单个喷嘴测量的风量总和。L其中：nL——流经每个喷嘴的风量，m³/s；C——流量系数，与喷嘴喉部空气的雷诺系数Re有关；nA——喷嘴喉部面积，m²；PΔ——喷嘴前后的静压差或喷嘴喉部的动压，Pa；nρ——喷嘴喉部处的空气密度，kg/m³。根据公式（1）可知，喷嘴前后的静压差PΔ和空气密度nρ的测量精度直接影响风量的计算，所以要求仪器有较高的精度。通常使用斜管微压计或补偿式微压计测量PΔ。以斜管微压计为例说明差压测量仪器的最小分辨率：仪器的最小刻度为1mm，那么最小分辨率为：0.001×0.04×0.8×9.81×1000=0.31392（Pa）。在斜管微压计中，使用纯度为100%的酒精由于工作环境温度的变化和与空气接触的影响，密度必然发生变化。必须定期标定仪器，并根据标定证书修正酒精的密度。喷嘴喉部的空气密度nρ可用下式计算：TBPtn287+=ρ………………………（2）其中：tP——机组出口空气全压，Pa；B——大气压力，Pa；T——喷嘴喉部热力学温度，K。密度nρ与空气的温度有关，该点温度由采样风管采集到干湿球温度测量装置中测量。温度采样点与喷嘴喉部有一定距离，风管热损失和采样风机散热等不确定因素的影响，测量温度与喷嘴喉部空气温度必有一定差距，影响到该点空气密度的计算，造成风量测量的不准确。在测量热工况时，漏热量会引起取样处的干球温度高于喷嘴处的干球温度，造成密度偏小，风量测量值偏小。反之，在测量冷工况的时候，漏热量会造成风量测量值偏大。漏热量和保温层的影响下面会进一步讨论。1.3风管保温层厚度1.3.1为了便于操作和观察，常常用采样风管把机组出风口的空气送入干湿球温度测量装置进行测量。在制冷工况下，出风口空气温度在10～15℃，在制热工况下，出风口空气温度45～50℃。试验室室内温度通常在25℃左右，与采样风管的热交换不可避免。温度采样点和测试点之间有一定距离，空气的温升或温降可由下式计算[1]：对于矩形风管：()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=Δ−cGRNlwgettt11………（3）温升（或温降）较小时，可近似地按下式计算：(1ttcGRNltwg−=Δ)………………（4）对于圆管：()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=Δ−cGRlwgettt11………（5）温升（或温降）较小时，可近似地按下式计算：(1ttcGRltwg−=Δ其中：gtΔ——管道的温升（负值时为温降），℃；wt——管外温度，℃；1t——管道内介质的初始温度，℃；c——管道内介质的定压比热容，kJ/(kg•℃)；N——管道保温后的平均周长，m；l——管长，m；G——介质的流量，kg/s；R——管子的热阻，（℃•m²）/kW。1.3.2漏热量的计算。漏热量可用下式计算：FtFKtqii×++×Δ=××Δ=∑21111αλδα…………（7）其中：tΔ——风管内外温差，最大取18℃（热工况下）；F——风管外表面面积，取出口到温度测量段的部分，20m²；1α——外侧自然对流换热系数，取1200W/(m²·℃)；2α——内侧强对流换热系数，取840W/(m²·℃)；iδ——风管保温材料厚度，取常用的0.050m；iλ——风管保温材料导热系数，对于性能较好的聚氨酯取0.028W/(m·℃)。经计算，漏热量q=279.7W。对于冷量在2000W左右较小的机组，279.7W的漏热量对冷量计算结果的影响就很明显，占冷量的10%以上，是比较大的比例。所以，国内现有的很多试验室使用的0.050m（即50mm）的风管保温层厚度远远不能达到要)………………（6）求，必须在冷量计算中加入修正系数，或在测试段加厚保温层。经计算，只有当导热系数iλ≤0.028W/(m·℃)的保温材料厚度iδ≥200mm时，漏热量才可能不大于机组换热量的1%。1.4风管漏风量根据焓差试验台的原理可知：风管在建成后必须做打压试验，检查漏风量是否在允许范围之内，否则，漏风量过大，会造成风量测量不准确，影响试验精度。使用国家空调质检中心自行研制的漏风量测量装置进行打压测量，结果可以拟合出如图3所示的曲线和公式。当风管工作静压为100Pa时，由拟合公式可以求得漏风量为1.91m³/(h•m²)。对于低压系统风管，图3风管漏风量sPaQ矩形风管的允许漏风量按下式计算[8]：65.01056.0saPQ≤…………………（8）其中，——漏风量，m³/(h•m²)；aQsP——风管系统的工作压力，Pa。经计算，允许漏风量为2.11m³/(h•m²)。所测量的漏风量小于允许漏风量。1.5小室温度场小室为待测空调机组提供稳定空气状态的环境。其中，空气的恒定干球、湿球温度由空气预处理机组提供。小室顶部的孔板可以稳定空气，提供均匀的温度场。如果待测机组入口处空气温度场不均匀，采样风管取样的空气温湿度就不均匀，与实际有偏差。卧式机组—距离地面1.4米测量立式机组—距离地面0.5米测量图4温度场测量如图4所示，在1.4m和0.5m两个不同高度上布点，使用水银温度计和国家空调质检中心自行研制的温湿度自记仪连续测量三次，各点温差在0.2℃以内，认为该试验室的温度场很均匀。1.6水流量的测量焓差试验台常常通过判断;冷媒侧的换热量和空气侧的焓差是否平衡来验证试验的准确性。在空调系统的末端设备中，常用水作为冷媒。精度较高测量水量的方法是称量法,用电子秤称量在单位时间内流入量筒中水的质量，就能通过计算得到水的质量流量。但是用这种方法调节水量就很不方便，不能即时地调节水量，而且还要保证秒表和切换装图5水密度修正曲线a)保证空气取样处的温度、湿度、速度场分布均匀：在风管进风口内特定距离处设置一套空气混流装置，由特定结构的取样器取得混合均匀的空气；置的同步性，仅适用于恒定流量水量的测量。此外，用电子秤称量水量时，如果水温较高（50℃），高温水在敞口量筒的蒸发散失就不能忽略了，必须加入防蒸发装置。工业中用电磁流量计测量水量。电磁流量计在标定后，精度可高达0.5%，动态调节水量也非常方便，瞬时显示水量，可以保证与水量控制保持同步。电磁流量计按原理可分为两种：质量电磁流量计和体积电磁流量计。质量流量计的读数可以直接使用，参与计算，但是价格昂贵；体积电磁流量计相对价格较低，不过计算时必须与密度相乘。在冷工况和热工况下，水的密度在高温和低温下有较大差别。10℃下，密度为999.7kg/m³；60℃下，密度为983.1kg/m³。可以按照如下方法进行修正。根据电子秤在0～100℃下称量的水的密度（考虑到循环水在开放式冷水箱与空气保持接触，不能直接使用纯水的密度），可以拟合出水的密度随温度变化的曲线和公式。同时在电磁流量计处安装温度计测量水温，在用电磁流量计测量体积流量时，用来修正质量流量。2结论空气焓差法由于价格低廉，建造方便，精度较高，可以测量机组动态特性等特点，在国内外得到广泛的应用。但是如果要求较高精度，必须保证如下要求。2.1严格按照相应的标准规定设计和搭建试验台。b)根据计算，确定保温层材料和厚度，应确保机组出口至流量喷嘴段之间的漏风量小于被试机组风量1%；保证采样风管尽量绝热；c)合理设计空气均流孔板，在恒温恒湿小室内提供稳定的温度场；d)风管的密闭性要保证在一定压力下漏风量不超过最大允许值；2.2遵守操作规程正确使用仪器和整理数据。a)严格遵守标准规定湿球温度测量的方法，及时维护湿球纱布；b)根据操作规程正确使用压差测量仪器（包括斜管微压计和补偿式微压计），定期标定仪器，并根据标定证书修正读数；c)电磁流量计与温度计配合使用，根据温度变化修正水流量。参考文献[1]电子工业部第十设计研究院主编．空气调节设计手册.中国建筑工业出版社，1995[2]ANSI/ASHRAE41.1－1986（RA91）．StandardMethodforTemperatureMeasurement，1991[3]邵双全等．空