[发明专利]一种用于测量管束换热特性的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量管束换热特性的系统和方法。

背景技术

在工程实践中，换热器在动力、化工、冶金、航天、空调、制冷、机械、轻纺、建筑等行业都应用广泛，换热器根据不同的用途及换热环境有相应的不同形式，其中换热管束广泛应用于两种介质的间接对流换热过程。为了强化对流传热效果，在传统换热圆管的基础上，进行再加工，主要有涂层或多孔表面等处理表面、粗糙表面、翅片等扩展表面、扰流元件、扭曲带或螺旋叶片等旋流元件、螺旋管等。

在两种介质的间接换热器中，单位时间内的换热量与冷热流体的温度差及换热面积成正比，即Q＝KAΔt，式中，K——换热系数为反映换热器传热效果强弱的指标。管束的总体换热系数K的与管束的导热、两种介质的对流换热系数相关，不同的管束由于其外部换热面结构不同，其总体换热系数和对流换热系数也不同。因此，针对不同强化传热管束，测定不同风速下的实验段总体换热系数、风侧的对流换热系数进行验证，对指导实际工程中不同换热管束的设计应用十分重要。

目前没有能够精确地对不同换热管束的换热系数进行测量的系统。主要存在的问题有：针对不同设计工况，需要设置配套的风道及水侧管道，实验平台没有通用性；实验平台受搭建位置限制，测量不精确；换热影响因素较多，试验热平衡难以保证，试验结果误差较大。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于测量管束换热特性的系统，该系统只需要更换设计换热管束的试验段，配套的风道及水侧管道不用更换，具有通用性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于测量管束换热特性的系统，包括进风管道，所述进风管道左侧为进风口，所述进风管道内部从左至右依次设有轴流风机、风道闸门和文丘里段，所述文丘里段右侧连接满足皮托管等测量仪表精度的一定长度的第一直管段，所述第一直管段内部设有皮托管，皮托管与微压计相连，所述第一直管段右侧连接有可更换的换热管束试验段(可按照不同工况进行更换)，所述换热管束试验段右侧接有一定长度的第二直管段，所述第二直管段右侧为排风口，所述换热管束试验段的左右两侧均设有温度传感器Ⅰ，所述温度传感器Ⅰ与数据采集器Ⅰ相连，数据采集器Ⅰ逐时测定换热管束试验段进风口和排风口的风温。所述换热管束试验段的下端连接进水管，所述换热管束试验段的上端连接出水管，所述进水管通过转子流量计和离心水泵与恒温水浴相接。所述出水管与恒温水浴相连。

所述换热管束试验段的进水管和出水管上均设有温度传感器Ⅱ，所述温度传感器Ⅱ与数据采集器Ⅱ相连，数据采集器Ⅱ逐时测定换热管束试验段的进水口和出水口水温。

所述进水管末端连接有放气阀，放气阀与换热管束试验段连接。

所述恒温水浴为可设置温度和记录加热时间的电加热恒温水浴。恒温水浴采用电加热的方式，有内置加热管束运行计时的功能，可准确计算电加热功率，用于热平衡计算；可自行调节恒温水温度，精度可达±0.5℃。

恒温水浴、进水管、换热管束试验段和出水管构成水环路，其中换热管束试验段内为流动的水侧；进风口、轴流风机、文丘里段、第一直管段、换热管束外侧风道、第二直管段构成空气环路，其中换热管束外侧风道为空气侧。

一种用于测量管束换热特性的方法，包括以下步骤：

步骤1：将恒温水浴进行充水，设定温度并加热；

步骤2：开启离心水泵，低速运行，直到换热管束试验段中的空气排空，进水管末端的放气阀处溢出水；再高速运行离心水泵，直至工况稳定，即换热管束试验段进水管和出水管数据采集器Ⅱ测定的水温相同。

步骤3：开启轴流风机，并将风道闸板全开，最大风速运行，待工况稳定，读取恒温水浴的加热装置频繁开启的时间段，用于校核换热管束试验段的水侧吸热量和加热量的热平衡；

步骤4：读取数据采集器Ⅰ的进风口和排风口的风温，读取数据采集器Ⅱ的进水口和出水口水温，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到进风管道横截面的平均风速；

步骤5：调节风道闸板的开度大小，待工况稳定后，重复步骤4，得到不同风速下进风口和排风口的风温和进水口和出水口水温，以及进风管道横截面的平均风速；

步骤6：处理实验数据，去除试验坏点，即热平衡误差超过10％的试验点，计算换热管束的换热系数。

加热量是恒温水浴的加热量；吸热量是用公式计算的，即cm(t₁-t₂)＝4.187×水的质量流量×(入口水温-出口水温)。