CN111103144A - 一种蒸发量测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸发量测试装置，核心思想是采用流量计前后加装稳压箱，降低流量计单元对直管段需求，便于小型化，采用高温循环***保持初级稳压箱中的被测介质温度减少沉积，采用低温循环***析出次级稳压箱中溶胶状或液态介质，利用计算模型获取被测介质中气、液含相率，最终修正到在线流量测试单元。本发明提出一种简单可靠、经济实用的在线蒸发量的测试方法，不限制冷却***中冷却液的牌号和浓度，满足现有车用柴油机在试验室不同工况条件下快速评估冷却***性能，同时该装置还可作为曲轴箱通风***中的废气溶胶态机油含量测试，结构简单准确度高。

Description

一种蒸发量测试装置

技术领域

本发明属于发动机测试技术领域，尤其是涉及一种蒸发量测试装置。

背景技术

受到车辆动力舱空间的限制，柴油机辅助运行***的体积不能无限制匹配，为保证整机动力运行的可靠性，一般采用常用转速工况作为辅助***设计匹配点，以致车辆动力仅能在有限时间内运行在额定转速功率点工况。而车辆位于高海拔区运行时，由于所处地域空气稀薄气压低，柴油机冷却***中的冷却水沸点低，***散热能力下降，降低了柴油机***平衡点，容易表现出过热和冷却液蒸发汽化等问题，影响整机额定功率点运行时间和动力可靠性。而通过试验台架复现车辆在行驶地域运行边界，并针对使用地域进行匹配标定，冷却***的蒸发量参数为必要评估参数。

现有的流量测试技术主要面向单相流体介质，由于单相流体密度均匀，不论通过质量计、间接容积计测量，都可利用直接密度法和折合密度法获得相对高准确度的流量结果。

但是，柴油机冷却***蒸发量参数需要对应到运行工况，满足实时测试。且冷却液蒸发量参数的被测介质以蒸汽和冷却液滴为主，属于气液两相流动的一种特殊形式，其内的气相表现为连续相，液相为离散相，单相流量检测会使得测量结果偏低或偏高。

由于柴油机冷却***具备一定功率范围内的平衡能力，燃油产生的热能30％左右被冷却***带走，在加上冷却***的散热和蒸汽口直接连通大气，冷却液的蒸汽量流量较低，经过模拟计算，现阶段2MW以下车用柴油机最大负荷工况的蒸汽流量小于12L/min，属于低压微流量测量范畴。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种蒸发量测试装置，以提供柴油机应用在不同地域条件下对冷却***性能进行评估，便于匹配和优化冷却参数；还可以实现柴油机曲轴箱通风***机油蒸发参数检测，检测准确度高、设备便于维护。

本发明的发明构思为：设计了物理相分计，采用孔板流量计测量纯气态支路的质量流量；采用微重传感器测量纯液态支路的质量流量，将二者组合形成物理相分计，提炼混合密度和流量比标定混合支路中的测量混合相质量流量的孔板流量计，达到瞬时蒸汽量的测量；

本设计方案还采用孔板流量计前后加装稳压箱，降低孔板流量计单元对直管段需求，便于小型化。采用高温循环***保持初级稳压箱(高温稳压箱)中的被测介质温度减少沉积，采用低温循环***分析出次级稳压箱(低温稳压箱)中溶胶状或液态介质，利用计算模型获取被测介质中气、液含相率，最终修正到在线流量测试单元，达到准确的测试冷却***蒸发量和曲轴箱通风***中的机油含量的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种蒸发量测试装置，包括冷却水箱、高温稳压箱、第一孔板流量计、两位三通阀、低温稳压箱、第二孔板流量计、加温温控单元、节流元件、冷却温控单元、中央控制器和显示器；

所述冷却水箱通过管路依次连接高温稳压箱、第一孔板流量计、两位三通阀、低温稳压箱、第二孔板流量计和调压结构，所述两位三通阀的另一个出口通过节流元件连接调压结构；

所述冷却水箱通过第三温度传感器连接高温稳压箱，所述高温稳压箱内的加温器电连接加温温控单元，高温稳压箱上还设有湿度传感器、第一压力传感器和第一温度传感器；

所述低温稳压箱内从下至上依次布置称重单元、锥形冷凝单元和过滤单元，所述锥形冷凝单元连接冷却温控单元，且锥形冷凝单元上还设有第二温度传感器和第二压力传感器；所述锥形冷凝单元的底部布置有密度传感器17；

所述第一孔板流量计和第二孔板流量计上分别连接有第一微压差传感器和第二微压差传感器；

所述中央控制器信号连接两位三通阀、加温温控单元、冷却温控单元、湿度传感器、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、密度传感器、称重单元、第三温度传感器、第一微压差传感器和第二微压差传感器和显示器。

进一步的，所述调压结构包括并联的电磁阀与手动调压阀，所述中央控制器电连接电磁阀；所述蒸发量测试装置可用于柴油机冷却***蒸发量测试或者柴油机曲轴箱通风***机油蒸发量测试；当用于柴油机冷却***蒸发量测试时，且电磁阀处于常闭状态；而当用作曲轴箱通风***的机油蒸发参数检测时，电磁阀处于常开状态。

进一步的，所述节流元件的内壁孔径与第二孔板流量计的节流截面的面积相同。

进一步的，所述高温稳压箱还连接循环风机。

相对于现有技术，本发明有以下优势：

(1)本发明既可用于冷却***蒸发量测试，还可作为曲轴箱通风***中的废气溶胶态机油含量测试，结构简单准确度高；

(2)本发明提出一种简单可靠、经济实用的在线蒸发量的测试方法，满足柴油机在试验室不同工况条件下快速评估冷却***性能；

(3)本发明操作简单，复杂的计算过程集成在中央控制器中，无需人为干预，可直接获得读数。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实例所述一种蒸发量测试装置的结构图；

图2为本发明实例所述一种蒸发量测试装置控制器的结构图；

附图标记说明：

1-冷却水箱，2-高温稳压箱，3-第一孔板流量计，4-两位三通阀，5-低温稳压箱，6-第二孔板流量计，7-手动调压阀，8-湿度传感器，9-第一压力传感器，10-第一温度传感器，11-加温温控单元，12-循环风机，13-节流元件，14-第二温度传感器，15-第二压力传感器，16-冷却温控单元，17-密度传感器，18-称重单元，19-过滤单元，20-锥形冷凝单元，21-第三温度传感器，22-第一微压差传感器，23-第二微压差传感器，24-电磁阀，25-中央控制器，26-显示器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种蒸发量测试装置，如图1、2所示，包括冷却水箱1、高温稳压箱2、第一孔板流量计3、两位三通阀4、低温稳压箱5、第二孔板流量计6、加温温控单元11、节流元件13、冷却温控单元16、中央控制器25和显示器26；

所述冷却水箱1通过管路依次连接高温稳压箱2、第一孔板流量计3、两位三通阀4、低温稳压箱5、第二孔板流量计6和调压结构，所述两位三通阀4的另一个出口通过节流元件13连接调压结构；

所述冷却水箱1通过第三温度传感器21连接高温稳压箱2，所述高温稳压箱2内的加温器电连接加温温控单元11，高温稳压箱2上还设有湿度传感器8、第一压力传感器9和第一温度传感器10；其中，所述第三温度传感器21用来检测冷却液蒸汽温度，并将结果传输给中央控制器25，中央控制器25据此判断高温稳箱2的温控需求；加温温控单元11根据第一温度传感器10反馈的结果，闭环控制高温稳压箱2内加热单元；第一压力传感器9用于采集柴油机冷却水***中的蒸汽压力参数，并传输给中央控制器25，作为计算蒸发量的参数之一；所述湿度传感器8用于将柴油机冷却水***中的蒸汽湿度参数传输给中央控制器25，作为计算蒸发量的参数之一；第一温度传感器10安装在经由冷却水箱1到高温稳压箱2的通路中，用来测介质流出温度，靠近冷却水箱1连接出口测；高温稳压箱2安装的第三温度传感器21用来恒定蒸汽在高温稳压箱2中的温度，避免蒸汽在该单元凝胶，故有温控要求；

所述低温稳压箱5内从下至上依次布置称重单元18、锥形冷凝单元20和过滤单元19，所述锥形冷凝单元20连接冷却温控单元16，且锥形冷凝单元20上还设有第二温度传感器14和第二压力传感器15，所述锥形冷凝单元20的底部布置有密度传感器17；其中，所述第二压力传感器15用于将降温后的蒸汽压力参数传输给中央控制器25，作为气液分离后气相密度修正参数；冷却温控单元16根据第二温度传感器14反馈的温度结果，闭环控制低温稳压箱5的内冷却温度；所述密度传感器17满足少量液体密度测量需求，所述称重单元18利用中空结构避免与密度传感器17安装干涉，用于称量柴油机一个性能循环下的分离后的液态介质质量；所述过滤单元19用于将溶胶状颗粒或大液滴收集在低温稳压箱5内；

所述第一孔板流量计(3)和第二孔板流量计(6)上分别连接有第一微压差传感器(22)和第二微压差传感器(23)；所述第一微压差传感器22用来计算蒸汽流量结果；第二微压差传感器23用来计算分相后的气体流量结果；通过此第二微压差传感器23计算的气相流量采用的公式与式1相同，仅有密度参数采用了；

所述中央控制器25信号连接两位三通阀4、加温温控单元11、冷却温控单元16、湿度传感器8、第一压力传感器9、第一温度传感器10、第二温度传感器14、第二压力传感器15、密度传感器17、称重单元18、第三温度传感器21、第一微压差传感器22和第二微压差传感器23和显示器26。

所述调压结构包括并联的电磁阀24与手动调压阀7，所述中央控制器25电连接电磁阀24，当用作曲轴箱通风***的机油蒸发参数检测时，电磁阀24处于常开状态；当用作冷却***的蒸发参数检测时，电磁阀24处于常闭状态。

所述节流元件13的内壁孔径与第二孔板流量计6的节流截面的面积相同。

所述高温稳压箱2还连接循环风机12，循环风机12在高温稳压箱2加热时预先开启，在关机时最后关闭，保证高温稳压箱2内加热均匀。

本发明的蒸发量测试装置既可以实现柴油机冷却***蒸发量测试，也可以实现柴油机曲轴箱通风***机油蒸发量测试。下面以柴油机冷却***蒸发量测试原理为例进行说明。

本发明蒸发量测试装置的工作原理如下：

本方案中第一孔板流量计3为混合相流量计，对应测量的质量流量满足液态质量流量+气态质量流量的结果，若偏差超过2％，则记为分相检测不准确或混合相流量计检测故障。本设计方案主要说明的是：由第二孔板流量计6和低温稳压箱5全部辅助机构构成物理相分计，用来修正测量混合相流量的第一孔板流量计3的密度，即按照式2计算公式计算混合相密度，支撑第一孔板流量计3直接获取瞬态混合相质量流量。

电磁阀24与手动调压阀7并联，当用作冷却***蒸发量测量时，电磁阀24处于常闭状态，根据柴油机运行规范要求调整手动调压阀7，保证水泵前后压力达到规定的压力范围；而当用作曲轴箱通风***机油蒸发参数检测，电磁阀24处于常开状态。

当进行柴油机冷却***的蒸发量测试时，冷却液蒸汽依次通过冷却水箱1、高温稳压箱2、第一孔板流量计3、两位三通阀4、低温稳压箱5、第二孔板流量计6、手动调压阀7形成冷却***蒸发量在线测试回路；

当柴油机冷却***不满足测试状态时，柴油机冷却***的蒸汽依次通过冷却水箱1、高温稳压箱2、第一孔板流量计3、两位三通阀4、节流元件13、手动调压阀7形成旁通回路，用于不进行测量时，旁通过滤单元，避免由于两位三通阀4换相引起阻力变化，影响流量扰动；

当需要进行柴油机冷却***的蒸发量测试时，***切换到在线测量回路，蒸汽经过低温稳压箱5，将冷却液蒸汽冷凝并利用过滤单元19过滤悬浮颗粒，在一段时间后凝结为5g左右的液面，同时累积第二孔板流量计6的流量，凝结液体满足称重单元18和密度传感器17的检测响应。

根据干度计算公式(式3)和气液两相混合密度公式(式2)的计算结果，再根据公式1计算得第一孔板流量计3的质量流量：

气液两相混合物的总质量流量的计算公式1如下：

式中：W_m-气液两相混合物的总质量流量,kg/s；

ΔP-第一微压差传感器差压,Pa；

ρ_m-气液两相混合密度,按式2计算，kg/m3；

A_T-喉部截面积,m²；

β-喉部内径d与管道内径D之比,喉部收缩率；

C-文丘里管或孔板的流出系数；

ε-流体热膨胀系数

气液两相混合密度公式2如下：

式中：χ-干度；

ρ_m-气液两相混合密度,kg/m3；

ρ_G-气相密度,kg/m3，

气相密度按下式4计算：

ρ_L-液相密度,kg/m3，由密度传感器17直接测量获得；

干度计算公式3如下：

式中：

液体质量为低温稳压箱5中的称重单元18测的结果；

气体质量为：

引入第二温度传感器14、第二压力传感器15，按照以下通用公式求出气相密度：

其中T为本方案第二温度传感器14测量结果；ρ₀为0摄氏度时压力为101.3kPa状态干空气的密度，1.293kg/s；p为第二压力传感器15测的压力；

为相对湿度，本方案取1；p_a为水蒸气分压，查表获得；再引入第二微压差传感器23参数，按照公式1带入以上计算的空气密度(即气液两相混合密度)，求出气相流量即气体质量。

孔板测的是体积流量，通过温压修正到质量流量，对于气用气态密度，对于液体用液态密度。

将第三温度传感器21、第一压力传感器9、湿度传感器8采集的数据结果作为输入参数，按式5算出含水率或者含湿率H；

计算含水率H的公式5如下：

其中P_a＝604.8346+T₁×(A+T₁×(B+T₁×(C+T₁×(D+T₁×E))))

T₁为第三温度传感器的数据，A＝45.9058；B＝1.2444；C＝0.352248；D＝0.0000932206；E＝0.00000418128；

最终依据式5结果与第一孔板流量计3质量流量结果的乘积求得冷却***蒸发量参数即冷却液蒸发量Qw，计算公式如下：

Q_w＝H·W_m。

当进行曲轴箱废气中的机油含量测量时，两位三通阀4换相至测量回路，打开电磁阀24，曲轴箱废气依次通过高温稳压箱2、第一孔板流量计3、两位三通阀4、低温稳压箱5、第二孔板流量计6、电磁阀24排到大气；废气不经过冷却水箱1，冷却水箱1仅在蒸发测试时才有；

低温稳压箱5中的称重单元18累积凝结的机油，第二孔板流量计6累积低温废气质量流量，利用第二孔板流量计6累积的质量除以第二孔板流量计6与称重单元18的累积质量和，求得曲轴箱废气中的机油含量；

即当用作曲轴箱通风***中废气中的油液含量测试时，χ干度指示便为测量结果。

本发明的蒸发量测量装置应用于柴油机冷却***蒸发量测量时的方法，包括以下步骤：

第一步，***开机前更换低温稳压箱5中的过滤单元19，清洗低温稳压箱5的锥形冷凝单元20底部；

第二步，***上电，循环风机12开机、高温稳压箱2内加温器延迟3s通电，***通过两位三通阀4切换到旁通回路，手动复位低温稳压箱5中的称重单元18；

第三步，中央控制器25判别第三温度传感器21测得蒸汽是否大于60℃，若不超过，指令加温温控单元11驱动高温稳压箱2内的加热器加温到60℃，低温稳压箱5处于待机工况；

第四步，待第三温度传感器21检测蒸汽温度大于60℃，加温温控单元11驱动高温稳压箱2跟随第三温度传感器21加温，低温稳压箱5驱动冷却温控单元16开机并控制温度在30℃。当第一温度传感器10值超过第三温度传感器21的值0.5℃时，停止加温温控单元11工作，当第一温度传感器10值低于第三温度传感器21的值0.5℃时，加温温控单元11工作；

第五步，当进入柴油机冷却蒸发量测试工况，手动触发测量，两位三通阀4切换到在线检测回路；

第六步，中央控制器25累积第二孔板流量计6流量，并记录低温稳压箱5中的液体重量，待称重单元18质量增加大于5g后，计算气液两相混合密度，并以此作为依据计算被测介质的蒸气流量，再根据湿度结果和饱和气压计算介质蒸发质量，结果指示在显示器26上；

第七步，柴油机冷却***温度降低至55℃时，***识别为柴油机准备停机状态，通过两位三通阀4切换到旁通回路，并打开电磁阀24，加温温控单元11和冷却温控单元16停止工作；

第八步，待加温温控单元11和制冷温控单元16停止30s以上时间后，指示可关机状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种蒸发量测试装置，其特征在于：包括冷却水箱(1)、高温稳压箱(2)、第一孔板流量计(3)、两位三通阀(4)、低温稳压箱(5)、第二孔板流量计(6)、加温温控单元(11)、节流元件(13)、冷却温控单元(16)、中央控制器(25)和显示器(26)；

所述冷却水箱(1)通过管路依次连接高温稳压箱(2)、第一孔板流量计(3)、两位三通阀(4)、低温稳压箱(5)、第二孔板流量计(6)和调压结构，所述两位三通阀(4)的另一个出口通过节流元件(13)连接调压结构；

所述冷却水箱(1)通过第三温度传感器(21)连接高温稳压箱(2)，所述高温稳压箱(2)内的加温器电连接加温温控单元(11)，高温稳压箱(2)上还设有湿度传感器(8)、第一压力传感器(9)和第一温度传感器(10)；

所述低温稳压箱(5)内从下至上依次布置称重单元(18)、锥形冷凝单元(20)和过滤单元(19)，所述锥形冷凝单元(20)连接冷却温控单元(16)，且锥形冷凝单元(20)上还设有第二温度传感器(14)和第二压力传感器(15)；所述锥形冷凝单元(20)的底部布置有密度传感器17；

所述第一孔板流量计(3)和第二孔板流量计(6)上分别连接有第一微压差传感器(22)和第二微压差传感器(23)；

所述中央控制器(25)信号连接两位三通阀(4)、加温温控单元(11)、冷却温控单元(16)、湿度传感器(8)、第一压力传感器(9)、第一温度传感器(10)、第二温度传感器(14)、第二压力传感器(15)、密度传感器(17)、称重单元(18)、第三温度传感器(21)、第一微压差传感器(22)和第二微压差传感器(23)和显示器(26)。

2.根据权利要求1所述的蒸发量测试装置，其特征在于：所述调压结构包括并联的电磁阀(24)与手动调压阀(7)，所述中央控制器(25)电连接电磁阀(24)；

所述蒸发量测试装置可用于柴油机冷却***蒸发量测试或者柴油机曲轴箱通风***机油蒸发量测试；

当用于柴油机冷却***蒸发量测试时，且电磁阀(24)处于常闭状态；而当用作曲轴箱通风***的机油蒸发参数检测时，电磁阀(24)处于常开状态。

3.根据权利要求1所述的蒸发量测试装置，其特征在于：所述节流元件(13)的内壁孔径与第二孔板流量计(6)的节流截面的面积相同。

4.根据权利要求1所述的蒸发量测试装置，其特征在于：所述高温稳压箱(2)还连接循环风机(12)。

5.应用权利要求1所述的装置检测蒸发量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)初始化结束后，***上电，通过两位三通阀(4)切换到旁通回路，所述旁通回路为依次连通的所述冷却水箱(1)、高温稳压箱(2)、第一孔板流量计(3)、两位三通阀(4)、节流元件(13)和调压结构形成；

2)中央控制器(25)判别第三温度传感器(21)测得蒸汽温度是否大于第一温度阈值(60℃)，若不超过，指令所述加温温控单元(11)驱动高温稳压箱(2)加温到第一温度阈值，低温稳压箱(5)处于待机工况；

3)待第三温度传感器(21)检测蒸汽温度大于第一温度阈值，加温温控单元(11)驱动高温稳压箱(2)跟随第三温度传感器(21)加温，冷却温控单元(16)驱动低温稳压箱(5)并控制温度在第二温度阈值(30℃)；

当第一温度传感器(10)采集的温度值超过第三温度传感器(21)采集为温度值A℃(A为0.5)时，停止加温温控单元(11)工作，当第一温度传感器(10)值低于第三温度传感器(21)的值A℃时，加温温控单元(11)工作；

4)当进入蒸发量测试工况时，触发测量，两位三通阀(4)切换到在线检测回路；所述在线检测回路为所述冷却水箱(1)、高温稳压箱(2)、第一孔板流量计(3)、两位三通阀(4)、低温稳压箱(5)、第二孔板流量计(6)、调压结构依次连通形成；

5)中央控制器(25)累积第二孔板流量计(6)的流量数据，并记录低温稳压箱(5)中的液体重量，当称重单元(18)的数据增加到大于第一重量阈值(5g)后，计算气液两相混合密度，并以此作为依据计算被测介质的蒸气流量，再根据湿度结果和饱和气压计算介质蒸发质量，将结果指示在显示器(26)上；

6)柴油机冷却***的温度降低至第二阈值温度(55℃)时，识别为发动机准备停机状态，通过两位三通阀(4)切换到旁通回路，并打开调压结构，加温温控单元(11)和冷却温控单元(16)停止工作；待加温温控单元(11)和冷却温控单元(16)停止超过第一时间(30s)后，指示可关机状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤5中计算气液两相混合密度的公式2如下：

式中：χ-干度；

ρ_G-气相密度,kg/m3；

ρ_L-液相密度,kg/m3，由密度传感器(17)直接测量获得；

其中，干度按下式3计算：

其中，气相密度按下式4计算：

当用作曲轴箱通风***中废气中的油液含量测试时，χ干度指示便为测量结果。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤5中被测介质的蒸气流量W_m的计算公式如下：

式中：W_m-气液两相混合物的总质量流量,kg/s；

ΔP-第一微压差传感器差压,Pa；

ρ_m-气液两相混合密度,kg/m3；

A_T-喉部截面积,m²；

β-喉部内径d与管道内径D之比,喉部收缩率；

C-文丘里管或孔板的流出系数；

ε-流体热膨胀系数。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：根据湿度结果和饱和气压计算介质蒸发质量Qw的公式如下：

Q_w＝H·W_m

其中P_a＝604.8346+T₁×(A+T₁×(B+T₁×(C+T₁×(D+T₁×E))))

T1为为第三温度传感器的数据，A＝45.9058；B＝1.2444；C＝0.352248；D＝0.0000932206；E＝0.00000418128。

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