CN102135511A - 一种板翅式换热器翅片表面传热性能的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板翅换热器翅片的传热特性的测试方法及测试装置。该装置由加热容器、泵、阀门、流量计、实验样件、用于冷却液体的冷却器、连接管路、液体介质、数据采集仪和计算机构成循环回路；通过实时测试液体介质流过换热器内流量和4个进出口温度，利用高低温两侧表面热阻相等和热阻分离的原理，分离出一侧的传热热阻，并根据结构参数计算出翅片表面传热系数h和流动雷诺数Re；进而得到两者的函数关系，作为换热器设计计算的基础数据；同时，将新翅片所获得函数关系作为基准，用于对比和判断模具磨损和使用寿命以及修复模具的依据，同时用来比较不同结构参数翅片之间的性能差异。本发明测量参数较少，测量装置简单，且测量精度高。

Description

一种板翅式换热器翅片表面传热性能的测试方法及装置

技术领域

本发明涉及属于传热学和换热器的技术领域，具体地说是一种板翅换热器翅片的传热特性的测试方法及测试装置。

背景技术

板翅换热器因其结构紧凑、传热高效等特点，广泛应用汽车、化工、航天等领域。板翅换热器是利用两种具有不同进口温度的工作流体，在换热器内部进行流动，实现热量的传递。其中，对板翅换热器传热性能影响最为关键的参数就是板翅换热器内部的各种翅片的结构形式。不同结构的形式和结构参数，在不同流体流速下，其传热特性差异非常大。如何获得更加高效紧凑板翅换热器翅片以及如何定量的获得不同结构参数的翅片的表面传热系数，这是传热学领域研究重要内容之一，同时这也是不同换热器厂家努力追求的内容。获得各种翅片表面传热系数，是进行换热器开发过程中，进行性能计算与分析的基础和前提。目前，尽管不少结构形式的翅片表面传热系数与流动状态的关系式从文献中可以获得；但是考虑到不同厂家的生产工艺的不同，以及不同研究者的测试方法和精度不同，在应用这些公式时，受到很大的限制。同时，随着新翅片的不断开发，各个换热器厂家大都在结合自己的工艺条件，测试不同结构形式的翅片的传热性能与流动状态的关系，以建立对换热器性能计算分析能力。

如何进行测试和分析各种翅片传热性能与其流体的流动状态的关系，是换热器研究者和换热器厂家设计人员面对重要课题之一。目前，在业界广泛应用的测试方法由以下几种：

第一种，是利用威尔逊图解法或修正的威尔逊图解法。其主要的原理是利用两种流体进行热交换，保持一侧流体流量不变，改变另外一侧流体的流量，并分别测量两侧流体的流量、进出口温度；再根据热阻分离方法，假定流体流量变化一侧的传热怒赛尔数与雷诺数的幂指数的函数关系并作为绘图的横坐标，绘制不同流量点与总换热系数对应关系(总传热系数为纵坐标)，进一步利用最小二乘数法拟合为一次函数，其一次函数直线在纵坐标轴的截距为固定流体的换热系数。

第二种，是利用热阻分离的方法。两种流体在换热器实验样件内进行热交换，通过对实验样件的特殊设计和加工，使一侧流体的表面换热系数可以通过经典的传热学公式获得，进而利用热阻分离的原理，获得未知侧的表面传热系数。其中，该方法一般采用一侧流体可以为光滑规则通道，或者是利用一侧流体发生相变，保持该侧通道表面温度不变。

对于上述两种方法，都有很大局限性，尤其是在实际换热器工业生产过程中，存在很大的局限性，都是用两种工作介质进行热交换，分别测试两种流体的质量流量、进出口温度等，测试量比较多，并且两侧换热系数不容易分离。具体表现为：

第一种的威尔逊图解法存在的不足之处，在于需要假定一侧流体雷诺数Re与奴赛尔数Nu的固定幂指数表达形式，这个往往是不容易获得的；并且为了获得较好的拟合精度，必须在测试过程中进行很多试验数据点进行测试；而且整个实验测试设备比较复杂，需要两个流量计、6个温度传感器等

第二种所采用的热阻分离的方法，其不足之处在于，必须已知一侧流体的表面换热系数，才能进行热阻的分离方法。这就要求一侧流体的通道必须设计加工成标准通道或光滑通道，而这在换热器的设计过程中往往是困难的。尤其是对板翅换热器的产品而言。

发明内容

本发明要解决的是现有求解板翅换热器翅片的表面换热系数两种通用方法存在的不足之处，旨在提供一种针对板翅换热器翅片表面传热系数快速的分离的方法，以及其相应的测试装置。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，包括加热容器、泵、阀门、流量计、实验样件、用于冷却液体的冷却器、连接管路、液体介质、数据采集仪和计算机，其特征在于所述的液体介质在加热容器中被加热器装置加热到设定温度，再依次经过泵、阀门、流量计和试验样件的高温侧，从试验样件的高温侧流出的高温液体经冷却器进行冷却后，再回到实验样件低温侧，与实验样件内的高温侧液体进行热交换后，再回到加热容器内，构成一个循环回路；所述实验样件的高温侧和低温侧的结构相同，两侧的进出口处均设有温度传感器。

根据本发明，所述的冷却器优选空气冷却器，采用电子风扇冷却，电子风扇的转速是由测试样件低温侧液体进口温度控制，根据实际测试要求中高温侧和低温侧液体温差，控制电子风扇的转速。

根据本发明，所述的液体介质为水或油，优选前者。

根据本发明，高温和低温两侧液体介质逆向流动。

本发明还是提供一种板翅式换热器翅片表面传热性能的测试方法，实验样件的高温侧和低温侧的结构和液体介质的流量相同，其特征在于按以下步骤进行：

1)计算实验样件总的换热量

Q₁＝m*C_p*(t₂-t₁)，Q₂＝m*C_p*(T₁-T₂)，

当

时，进入步骤2)；当时，结束测量；

其中：(此处表达式的大于号错误，已经进行修正)

Q₁为低温侧的换热量，Q₂为高温侧的换热量，

m为液体介质的体积流量，单位为kg/s，

C_p为液体介质的比热，

T1为高温侧液体介质的进口温度，

T2为高温侧液体介质的出口温度，

t1为低温侧液体介质的出口温度，

t2为低温侧液体介质的进口温度；

2)计算实验样件散热效率ε

$\mathrm{\ϵ}=\frac{t_1-t_2}{T_1-t_2}$ 或 $\mathrm{\ϵ}=\frac{T_1-T_2}{T_1-t_2}$

3)计算实验样件的传热单元数NTU

$\mathrm{NTU}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{1-\mathrm{\ϵ}}$

4)计算翅片表面总传热系数KA

KA＝m*c_p*NTU

5)计算翅片表面传热系数h

$h=\frac{2}{(\frac{1}{\mathrm{KA}}-\mathrm{\δ})*A}$ 式中：

A为翅片表面传热面积

δ为中间金属壁面的导热热阻

6)计算翅片流动状态参数Re和传热无量纲参数Nu

$\mathrm{Re}=\frac{u*\mathrm{De}}{v},$ $\mathrm{Nu}=\frac{h*\mathrm{De}}{\mathrm{\λ}},$ 式中：

u为液体介质在翅片间的流动速度

De为翅片的水力直径

v为液体介质的粘度

λ为液体介质的导热系数

7)拟合翅片怒赛尔数Nu和雷诺数Re的函数关系

通过改变实验样件的液体介质的流量，获得其不同流量下的传热系数，进而获得不同Re和Nu的对应关系，通过最小二乘法拟合Re和Nu的函数关系。

本发明利用具有计算控制和计算功能的板翅换热器翅片传热性能的测试装置，实时测试液体介质流过换热器内流量和4个进出口温度，利用高温侧和低温侧表面热阻相等和热阻分离的原理，分离出一侧的传热热阻，进一步根据结构参数计算出翅片表面传热系数h和流动雷诺数Re；得到传热系数h和流动Re的函数关系，作为换热器设计计算的基础数据；同时，将新翅片所获得函数关系作为基准，用于对比和判断模具磨损和使用寿命以及修复模具的依据，同时用来比较不同结构参数翅片之间的性能差异。本发明测量参数较少，测量装置简单，且测量精度高。

附图说明

下面结合附图首先对本发明的测试装置进行详细的介绍，然后再详细介绍翅片表面传热系数的数据分析处理方法。

图1是本发明的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明所述的板翅换热器翅片传热特性测试装置，是由液体加热容器1，电加热器以及其相对应由可控硅控制的加热功率调节装置8、液体泵2、调节阀门3、质量流量计4、板翅换热器翅片测试样件5、空气冷却器6、电子风扇7以及相对应各种管路、4个温度传感器，高精度数据采集仪以及计算机测控软件组成。所述实验样件5的高温侧和低温侧的结构相同，4个温度传感器分别设置在高温侧和低温侧的进出口处。其工作液体介质采用水。

工作介质(水)的工作循环流程是：首先是水在加热容器1中被加热器装置8加热到设定温度(在加热器内设置温度传感器用于控制电加热器的输入)，再经过泵2和阀门3(其中阀门3是用来调节流体流量)，经过流量计4测试其流过的实验样件5的质量流量，在试验样件5中，高温侧分别测试进出口温度T1和T2；从实验样件5流出的高温流体，再经过空气冷却器6进行冷却后，再从新回到实验样件5低温侧通道进口，与实验样件5内的高温流体进行热交换后，温度降低再回到加热容器8内，完成整个循环。其中，与空气冷却器相连接的是一个电子风扇7，通过调节电子风扇的转速来实现对实验样件5中低温侧流体的温度控制，也即使用t2的温度测试信号作为电子风扇转速的控制信号。

本发明中，所述传感器的用途是：

温度传感器，用来测试实验样件高温侧和低温侧液体工作介质的进出口温度；

质量流量计，用来测试实验样件中工作介质的质量流量。

板翅式换热器翅片表面传热性能的测试方法，利用上述带有计算机控制和计算功能的翅片传热性能测试装置，实时测试进入实验样件的水的流量V和高温侧液体的进出口温度T1和T2以及低温液体侧进出口温度t1和t2，并按以下步骤进行：

1)计算实验样件总的换热量

Q₁＝m*C_p*(t₂-t₁)，Q₂＝m*C_p*(T₁-T₂)，

当

时，进入步骤2)；当

时，结束测量；

其中：

Q₁为低温侧的换热量，Q₂为高温侧的换热量，

m为液体介质的体积流量，单位为kg/s，

C_p为液体介质的比热，

T1为高温侧液体介质的进口温度，

T2为高温侧液体介质的出口温度，

t1为低温侧液体介质的出口温度，

t2为低温侧液体介质的进口温度；

2)计算实验样件散热效率ε

$\mathrm{\ϵ}=\frac{t_1-t_2}{T_1-t_2}$ 或 $\mathrm{\ϵ}=\frac{T_1-T_2}{T_1-t_2}$

3)计算实验样件的传热单元数NTU

由于本发明中所描述的实验是高温和低温两侧液体介质为逆流形式，并且水当量(m*C_p)相等，因此NTU的计算公式为：

$\mathrm{NTU}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{1-\mathrm{\ϵ}}$

4)计算翅片表面总传热系数KA

KA＝m*cp*NTU

5)计算翅片表面传热系数h

$\frac{1}{\mathrm{KA}}=\frac{1}{h_1*A_1}+\frac{1}{h_2*A_2}+\mathrm{\δ}$

式中，h₁为低温侧翅片表面传热系数，h₂为高温侧翅片表面传热系数，A₁为低温侧翅片表面传热面积，A₂为高温侧翅片表面传热面积，δ为中间金属壁面的导热热阻。由于实验样件高温和低温两侧结构参数完全相同，在其相同的流动速度下，其表面传热系数相同。因此h₁＝h₂＝h，A₁＝A₂＝A，上述公式简化可得

$h=\frac{2}{(\frac{1}{\mathrm{KA}}-\mathrm{\δ})*A}$

6)计算翅片流动状态参数Re和传热无量纲参数Nu

$\mathrm{Re}=\frac{u*\mathrm{De}}{v},$ $\mathrm{Nu}=\frac{h*\mathrm{De}}{\mathrm{\λ}},$ 式中：

u为液体介质在翅片间的流动速度

De为翅片的水力直径

v为液体介质的粘度

λ为液体介质的导热系数

7)拟合翅片怒赛尔数Nu和雷诺数Re的函数关系

通过改变实验样件的液体介质的流量，获得其不同流量下的传热系数，进而获得不同Re和Nu的对应关系，通过最小二乘法拟合Re和Nu的函数关系。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，包括加热容器(1)、泵(2)、阀门(3)、流量计(4)、实验样件(5)、用于冷却液体的冷却器(6)、连接管路、液体介质、数据采集仪和计算机，其特征在于所述的液体介质在加热容器(1)中被加热器装置(8)加热到设定温度，再依次经过泵(2)、阀门(3)、流量计(4)和试验样件(5)的高温侧，从试验样件(5)的高温侧流出的高温液体经冷却器(6)进行冷却后，再回到实验样件(5)低温侧，与实验样件(5)内的高温侧液体进行热交换后，再回到加热容器(6)内，构成一个循环回路；所述实验样件(5)的高温侧和低温侧的结构相同，两侧的进出口处均设有温度传感器。

2.如权利要求1所述的板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，其特征在于所述的冷却器(6)为空气冷却器。

3.如权利要求2所述的板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，其特征在于采用电子风扇(7)冷却。

4.如权利要求3所述的板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，其特征在于所述的电子风扇(7)的转速是由测试样件(5)低温侧液体进口温度控制，根据实际测试要求中高温侧和低温侧液体温差，控制电子风扇的转速。

5.如权利要求1所述的板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，其特征在于所述的介质为水。

6.如权利要求1-5任何一项所述的板翅式换热器翅片表面传热性能的测试装置，其特征在于高温和低温两侧液体介质逆向流动。

7.一种板翅式换热器翅片表面传热性能的测试方法，实验样件(5)的高温侧和低温侧的结构和液体介质的流量相同，其特征在于按以下步骤进行：

1)计算实验样件总的换热量

Q₁＝m*C_p*(t₂-t₁)，Q₂＝m*C_p*(T₁-T₂)，

当

时，进入步骤2)；当

时，结束测量；

其中：

Q₁为低温侧的换热量，Q₂为高温侧的换热量，

m为液体介质的体积流量，单位为kg/s，

C_p为液体介质的比热，

T1为高温侧液体介质的进口温度，

T2为高温侧液体介质的出口温度，

t1为低温侧液体介质的出口温度，

t2为低温侧液体介质的进口温度；

2)计算实验样件散热效率ε

$\mathrm{\ϵ}=\frac{t_1-t_2}{T_1-t_2}$ 或 $\mathrm{\ϵ}=\frac{T_1-T_2}{T_1-t_2}$

3)计算实验样件的传热单元数NTU

$\mathrm{NTU}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{1-\mathrm{\ϵ}}$

4)计算翅片表面总传热系数KA

KA＝m*cp*NTU

5)计算翅片表面传热系数h

$h=\frac{2}{(\frac{1}{\mathrm{KA}}-\mathrm{\δ})*A}$ 式中：

A为翅片表面传热面积

δ为中间金属壁面的导热热阻

6)计算翅片流动状态参数Re和传热无量纲参数Nu

$\mathrm{Re}=\frac{u*\mathrm{De}}{v},$ $\mathrm{Nu}=\frac{h*\mathrm{De}}{\mathrm{\λ}},$ 式中：

u为液体介质在翅片间的流动速度

De为翅片的水力直径

v为液体介质的粘度

λ为液体介质的导热系数

7)拟合翅片怒赛尔数Nu和雷诺数Re的函数关系

通过改变实验样件的液体介质的流量，获得其不同流量下的传热系数，进而获得不同Re和Nu的对应关系，通过最小二乘法拟合Re和Nu的函数关系。

8.如权利要求7所述的板翅式换热器翅片表面传热性能的测试方法，其特征在于高温和低温两侧液体介质逆向流动。

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