各种能量表、冷量表的结构特点

◆产品说明
    冷量表由流量计、配对温度传感器、积分仪三部分组成，在这三部分中配对温度传感器及积分仪的技术相对比较成熟、稳定性较高，因此目前冷量表的技术重点主要集中在流量计上，冷量表精度等级的分类、冷量表类型的区分都是以流量计为基础的。下面主要介绍各种结构的流量计在冷量表中的应用。（声明：本文中所涉及的产品图片及结构均采用我公司自有的产品，与其它公司的产品无关。）
一 、机械式冷量表
    机械式冷量表的基本原理是水流推动叶轮的转动，叶轮转动的圈数与流量成正比，积分仪通过采集叶轮转动的圈数计算流量，由于叶轮的转动存在机械磨损，因此叶轮轴及轴套材质的选择决定了冷量表的使用寿命，叶轮轴的材质主要有三种形式：1.纯不锈钢，主要应用于水表中，价格便宜，耐磨性很差；2.硬质合金，主要应用于单流或多流冷量表中，耐磨性很好；3.不锈钢+硬质合金头，主要应用于多流冷量表中，顶部耐磨性很好。
图片：


顶部镶嵌硬质合金的不锈钢轴
1．单流束冷量表
图片：

结构：

特点：
单流束流量计的冷量表，从流量计的进、出水端口能看到里边的叶轮。靠测定流量计中叶轮转动圈数来计算进户水量。流量计的水流是从单一方向直接冲击叶轮的，形成叶轮单向受力，因此要保证计量精度及耐久性必须要采用整只的硬质合金轴及宝石轴套，机芯成本要高于多流束冷量表。因通过同样体积的水叶轮转动圈数远少于多流束表，故机械磨损量等同于多流束表。制作技术难度大于多流束冷量表。
优点：
1）维护方便：由于表体进、出水端口能看到叶轮，故堵塞后可由物业管理人员在现场拆表后，通过水冲击叶轮、螺丝刀推动叶轮等方式排出杂质。
2）采购成本低：原材料成本等同于多流束热量表，低于超声波冷量表。
缺点：
1）综合使用成本高：叶轮转动产生机械磨损，造成冷表计量不准确，从而造成用户周期性换表或维修，冷表使用时要经常排污，后期使用、维护成本高；
2）计量可靠性差：穿过冷量表前端过滤器的细小杂质，会造成叶轮堵塞，致使冷量表不计量，且现在的供冷水质无法避免此现象的发生；
3）计量纠纷多：由于机械式冷量表使用时，在不同的阶段，存在叶轮随水量大小断续堵塞、一部分*堵塞、一部分可能不堵塞，从而增大相同户型之间冷量差值，致使用户难以理解而产生不满情绪，增加计量收费工作难度。
2．多流束冷量表
图片：

结构：

特点：
多流束流量计冷表，靠测定流量计中叶轮转动圈数来计算进户水量。工作时水是被分成多股从四周均衡地推动叶轮转动，因此叶轮轴的磨损主要集中在叶轮轴的顶部，可以使用镶嵌合金头的不锈钢轴及塑料轴套，可以相对降低成本。
优点：
采购成本低：原材料成本等同于单流束热量表，低于超声波冷量表。
缺点：
1）综合使用成本高：叶轮转动产生机械磨损，造成冷表计量不准确，从而造成用户周期性换表或维修，冷表使用时要经常排污，后期使用、维护成本高；
2）计量可靠性差：穿过冷量表前端过滤器的细小杂质，会造成叶轮堵塞，致使冷量表不计量，且现在的供冷水质无法避免此现象的发生；
3）计量纠纷多：由于机械式冷量表使用时，在不同的阶段，存在叶轮随水量大小断续堵塞、一部分*堵塞、一部分可能不堵塞，从而增大相同户型之间冷量差值，致使用户难以理解而产生不满情绪，，增加计量收费工作难度；
4）维护不方便：具备上述单束流表的缺点之外，多束流在实际使用中相对于单流表堵塞的比例较高。并且由于表体进出水端看不到叶轮，堵塞后必须拆解表体才能排污（此工作多数情况下需要返厂维修），造成很大使用麻烦。
在实际使用及实验的数据表明只要选用合适的轴和轴套，单流表可以有与多流表相同的使用寿命。

螺翼式冷量表
图片：

特点：适用于大口径冷量表，计量性能优于防堵式冷量表，防堵性能较差。这种结构普遍应用于目前的大口径冷量表中。

防堵式热量表
图片：

特点：适用于大口径冷量表，在机械式冷量表中防堵性能，但计量性能较差，启动流量高，流量范围小，一般只能达到1：25
机械式冷量表的共性：
1）采购成本低；2）综合使用成本高；3）计量可靠性差；4）计量纠纷多；5）维护不方便

二 、超声波式热量表
 超声波冷量表（Ultrasonic Heat meter）是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的冷量和供、回水温差来计算出向用户提供的冷量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法，如图1所示。

图1：超声波时差法原理示意图
    在图1，中我们看到有两个换能器，顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L，超声波顺流时间为T 上游，逆流时间为T 下游，超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ，流体的流动速度为V。由于流体流动的原因，使超声波顺流传播L 长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示： 
 
*其中C 为声音在水中传播的速度。
那么顺流时间和逆流时间的时间差为：

为了简化计算，我们可以假设流体的速度相对于声波在流体中传播的速度是非常微小的，那么我们可以将上式简化为： 
 
从而我们得到流体的速度与传播时间差的一个线性公式为：

需要特别强调的一点是，V 是流体沿着管道中心线的线速度，考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布情况，我们还需要加一个流速（分布）修正系数K。那么瞬时流量的公式为： 
 
求得瞬时流量后，那么在超声波冷量表中，冷量的积分计算采用欧洲流行的K 系数法：设测得进水管的水温为T1，出水管水温为T2，则进出水的温度差为△T，利用流量传感器对供水管道的瞬时冷水流量 Q 进行计量，经过一定时间的累计，便得到用户消耗的冷量值，其数学表达式为： 
 
式中，E 为冷交换系统输出冷量，单位J;t 为流量累积时间，单位h; K 为冷焙修正系数，单位J/ m3;Q 为瞬时冷水流量， 单位m3/h; △T 为进出水的温度差，单位℃。这样我们就可以通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量，进而获得消耗的冷量了 。

1．直射式超声波冷量表
图片：

大口径结构：

小口径结构：

特点：靠超声波顺水和逆水传播的时间差来测水量。适用于大口径冷量表。
缺点： 
1）压损较大：直射式超声波冷量表在小口径超声波冷量表的应用中，相对于反射式超声波冷量表压损较大；
2）易滞留杂质：小口径直射式超声波冷量表机构的特殊性，极易造成杂质在流量计中存留，致使压损增大和影响表计的正常计量；
3）使用寿命低：由于结构的原因有一只换能器正对着水流方向，特殊情况下可能会因水锤现象造成换能器寿命缩减；
4）采购成本高：原材料成本高于机械式冷量表。
优点：
1）综合使用成本低：无机械叶轮转动，不产生机械磨损，后期使用、维护成本低，使用寿命远远长于机械式冷量表；
2）计量可靠性好：穿过冷量表前端过滤器的细小杂质，对超声波冷量表精确计量不会造成影响；
3）计量纠纷少：超声波冷量表使用时，不堵塞，不磨损，计量精确，利于供冷计量工作的顺利进行；
4）维护方便：超声波冷量表基本属于免维护产品。

2．反射式超声波冷量表
图片：

原理结构：

特点：靠超声波顺水和逆水传播的时间差来测水量。适合用于小口径冷量表。是目前小口径冷量表的主流结构，压损较低。
缺点：
采购成本高：原材料成本高于机械式冷量表；
优点：
1）综合使用成本低：无机械叶轮转动，不产生机械磨损，后期使用、维护成本低，使用寿命远远长于机械式冷量表；
2）计量可靠性好：穿过冷量表前端过滤器的细小杂质，对超声波冷量表精确计量不会造成影响；
3）计量纠纷少：超声波冷量表使用时，不堵塞，不磨损，计量精确，利于供冷计量工作的顺利进行；
4）维护方便：超声波冷量表基本属于免维护产品：
5）压损较小：反射式超声波冷量表在小口径超声波冷量表的应用中，相对于直射式超声波冷量表压损较小。

三、关于超声波冷量表结垢的说法评断 
    积垢的说法大忧虑的是反射镜的结垢问题。实际上通过良好的设计，*可以避免结垢对反射镜的影响。
1.超声波自身具有清洗功能（高频振荡信号，通过超声波换能器转成高频机械振荡(超声波)而传播到介质(水)中，超声波在水中的辐射，使液体震动而产生数以万计的微小气泡,这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区产生、生长，而在正压区迅速闭合，在这种被称为空化效应的过程中，微小气泡闭合时可产生超过1000个大气压的瞬间高压.连续不断产生的瞬间高压，就像一连串小爆炸一样不断冲击物件表面，是物体表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到清洗物体的目的。）；
2.通过特殊的结构设计，使水流随时清洗换能器表面；
3.通过加大换能器发射电路的功率及提高接受电路的灵敏度使超声波信号的接受幅值远大于实际需要的幅值（至少保证3倍以上）；
4.计量*在实验中用胶布粘在超声波反射镜上，实验结果对测量精度没有影响；我公司在实际试验中使用已经结垢的反射镜(普通易结垢材质做成的)对超声波的接受幅值并没有产生影响。 

四、 冷能表计算冷量值的公式
总耗冷kwh=（进水温度℃—回水温度℃）×瞬时流量m3/h×K系数
从上面公式可看出：冷量值的计算必须知道三个数值：
1、K系数是指水在不同温度下所能携带冷量能力的函数值，是一个有规律定量；
2、进出户水的温差℃（依靠温度传感器测量）；
3、瞬时流量（依靠流量计测量）：可分为机械式流量计、超声波式流量计 。