基于電阻應變式高壓傳感器的水錘壓力測量

1緩閉斷閥增加了管道的使水錘出現水錘在不同的行業，防止流量流失的針頭被放置在安裝位置上，密封性能較差。梭式止回閥密封性能較好(泄漏量小),其軟密封泄漏量為零。消防止回閥是貯罐消防系統的替代產品。由于結構特殊和不受安裝位置限制,流阻損失小,結構緊湊,節省安裝空間,根據需要可以設計成緩閉止回閥,關閉時不產生水錘,使管道在運行中安全可靠。止回閥在關閉的瞬間,液體的流速產生急劇變化,靠近閥的一層液體便停止流動,它的動能全部變為勢能,以波的形態向上游方向傳播,引起液體壓力的急劇升高或降低,這一現象稱為水錘(或水擊)。水錘能對輸送管道造成破壞事故。緩閉止回閥能減緩關閉時間,使水錘產生的壓力降低到管道允許的壓力。試驗給出水錘壓力波形與時間關系曲線。2試驗設備及其性能測量2.1試驗設備及回路實驗回路為閉式回路,水循環流動。管道直徑?68mm×4mm,工作壓力1.5MPa,工作溫度25℃,工作介質為水。裝置示意圖見圖1。試驗回路按圖1所示流向。水由循環泵驅動,通過壓力表→試驗模型→水錘壓力傳感器→穩壓器→壓力表→調節閥→流量計進入泵進口,形成一個循環流動。2.2測量的特點(1)關閉循環水泵回路正常運行后,模擬輸送流體管道,當關閉調節閥時,同時關閉循環水泵,穩壓器的水向水泵方向倒流,此時止回閥迅速自動關閉,水停止倒流。閥前壓力因水泵停止運行壓力下降至零。打開排液閥測量出止回閥的泄漏量。(2)大流量和小流量回路正常運行后,打開調節閥,使流量值從小流量向大流量變化,再從大流量向小流量變化,記錄每個流量值和對應的閥前后壓力值。將測量參數輸入到計算機系統,經過程序計算給出量ξ-Q的流阻特性曲線。(3)壓力傳感器系統當梭式止回閥關閉時,由于瞬時關閉形成水錘壓力沖擊波,引起的壓力增加是以聲速C向上游方向傳播,壓力傳感器測量出水錘值。閥前壓力因泵停止運行壓力下降至零。由于水錘的發生是一個瞬間的動態過程,梭式止回閥后采用了CYYB-G2電阻應變式壓強傳感器,測量其水錘。測量系統見圖2。傳感器的動態響應時間為0.026s,瞬間能測量出水錘壓力波動值,其電壓輸出正比于作用在傳感器上的被測壓力。壓力傳感器的訊號通過動態應變儀和數錄系統,輸入到微機。經過程序計算,給出壓力與時間關系曲線即ΔP～t的關系曲線。整套測量動態響應快,能夠可靠地測量出水錘壓力波的瞬時動態特性和參數。3閥瓣關閉、緩閉斷梭式止回閥采用雙重密封結構,克服了一般止回閥低壓密封效果差的缺點。閥瓣關閉采用彈簧壓緊力,即使在閥門背壓很低的情況下、也能關閉嚴密。同時不受安裝位置的限制。緩閉止回閥,在閥的內腔設有緩沖結構,減緩閥瓣運動的速度,從而減緩水錘壓力的增高。梭式止回閥結構見示意圖3。4試驗結果及分析4.1全國一般可泄漏的閥泄漏量試驗共做2種型號。第1種為消防止回閥ZSXH41X-16C,DN50,閥座密封為軟密封(橡膠閥座),試驗結果泄漏量為零,在低背壓下密封良好,無泄漏。用于消防系統常閉管道上使用,可靠的運行3年。在國內代替了常用的保護膜封閉消防液出口。第2種為普通止回閥ZSH41W-16C,DN50,閥座密封為金屬密封。泄漏量試驗結果見表1。第2種試驗分2次測量,第1次測量后,將閥瓣轉動180°再進行第2次測量。試驗結果每分鐘最大泄漏量為10滴,最小泄漏量為1滴。國家標準ZBJ16006-90規定,止回閥金屬密封最大允許泄漏量(參照國際標準)為DN25×3cm3/min即通徑50mm止回閥液體試驗最大允許泄漏量為6cm3/min。該閥最大泄漏量小于1cm3/min,是國標規定中最大合格值的1616。密封性能高于國內外一般止回閥標準。4.2流動動力相似選用梭式止回閥DN80試驗,管內流速為1～6m/s,做每個流速下的流阻系數值(圖4)。最大Re=4.8×105當Re=2.5×105時流動已達到自模擬。據流體流動特性已知,達到某個雷諾數以后,流體呈慣性流動,歐拉數變得與雷諾數無關,即流動的自模擬。根據相似理論原理,在自模擬區中不必保持模型與原型雷諾數相等,亦可得到動力相似,則在模型中所得數據可用于原型。即本次試驗數據,可以用于其他梭式止回閥中。從圖4看出,Re達到自模擬后ξ=1.83。升降式止回閥ξ=4.3～6,該閥阻力損失小。4.3種結構形式梭式斷裂試驗結果共做2種結構形式的水錘試驗。第1種為無緩閉梭式止回閥水錘試驗,(圖5)。第2種為有緩閉梭式止回閥水錘試驗。(圖6)。2種結構形式梭式止回閥水錘試驗結果見表2。從表2中數據可以看出,有緩閉止回閥產生水錘壓力降到最低值。在工業系統中使用安全可靠。4.4彈性系數k的確定根據理論力學的動量定律推導得ΔΡ=ΡC(V0-V)(1)ΔP=PC(V0?V)(1)式中P——液體密度C——波速V——管內流速這是一般的水錘動力學關系式。波速C可由液體的體積彈性系數E0和管子材料的彈性系數E、管壁厚度b、管子直徑D以及支承管子的方式確定。當管子堅固性絕對大時,C=C0=1425m/s,C0為聲速。即C=√E0ρ√1+DE0bE(2)即C=E0ρ√1+DE0bE√(2)如果管內介質流速從V突然變到零,將式(2)代入式(1)得ΔΡ=V0√ρE01+DE0bE(3)ΔP=V0ρE01+DE0bE?????√(3)根據式(3)計算出來的水錘壓力值比試驗結果大幾倍(小流速則反之)。應用它來作為設計的依據顯然保守,小流速誤差也大。式(3)主要受速度變化、D/b、ρ和管內波速C的影響。(1)聲波旋轉并c0向核心流體傳播的壓力波模型水錘壓力ΔP與速度變化V0成線性關系,這一點在大流速時與試驗結果是吻合的。然而沖擊所引起的壓力增加是以聲波速C0向管子的2個方向傳播,受壓力波影響的流體所獲得的速度大小、應該是原先速度的算術平均值。所以,當沖擊通過時,每一液柱質點速度的改變應為V0/2,按ΔP=ρCV0/2計算,則式(3)的計算值可以下降一半。(2)小口徑管d與小口徑比d的比對一般水的彈性系數E0=2.28GPa,管子材料的彈性系數E=196GPa,若管徑D與管壁厚度b之比15/1和30/1,代入式(3)中得ΔΡ≈0.92V0√ρE0(Db=151)ΔΡ≈0.86V0√ρE0(Db=301)雖然薄的管壁比厚的管壁會帶來稍小的水錘壓力,但對ΔP的計算結果影響不大。(3)管內部的氣泡從式(3)看出ρ與ΔP是1/2次方關系,當水錘發生時,則管內部會有極小的氣泡產生。汽化對水錘產生“緩沖”作用,使水錘壓力降低。因此采用平均密度ρm計算更理想。式(3)方程可以乘以系數0.71ρm=(ρ氣+ρ水)2√ρm√ρ水=0.71(4)平滑流動的阻斷在水錘過程中,出現汽化而逸出氣體,除影響密度變化外,還會帶來一種氣墊式的緩沖效應,從而使平滑的流動有斷斷續續的趨勢,并降低了波速C。這種管系瞬變過程中存在的波速易變性,給水錘計算帶來誤差。據文獻,若有占管子中容積0.1%的空氣,則可使波速降低一半。有關氣泡回到溶液中對波速的影響需進一步的研究