CN105067661B - 气-液换热器传热系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气‑液换热器传热系数测定装置。该装置由风机、调节阀门、气体流量计、两个异径通、气体加热器、气‑液换热器、三通等通过管道相连接，构成气相流体的流道。气‑液换热器的液体进口端与一异径通小端相连，异径通的大端与气‑液换热器相连，异径通的小端与液体流量计相连；在气‑液换热器的液体出口端安装有另一异径通，异径通的大端与气‑液换热器相连，构成液相的流体流道。换热器的气体进出口安装有温度、压力传感器，换热器的液体进出口安装有温度传感器。本发明用于气‑液换热器的传热系数测试，以获得高效传热所需的数据。采用气体侧流体循环利用，少量补充气体通过放空口调节阀门进行调节，节约了实验过程的能量损失。

Description

气-液换热器传热系数测定装置

技术领域

本发明涉及换热器传热系数测试装置，尤其是涉及一种气-液换热器传热系数测定装置。

背景技术

换热器因为换热对象的不同、使用场合的不同、传热介质的不同，导致换热器的种类繁多，从介质物理状态不同来分，主要由气-气换热、气-液换热、液-液换热，中间还有一些涉及相变的换热，对于不同性质、不同相介质之间的换热器，其结构形式是不同的，如液态相的导热系数很高，但是气态相的导热系数很低，这样热阻主要集中在气态侧，为了提高传热系数，增加传热效率，气态侧需要采用翅片扩展表面积、提高气体流速、强制湍流扰动等降低气态侧热阻，以提高传热效率；然后增加气流扰动会引起压降增加，所以需要合理取舍多个参数之间的取值范围。因此，对于这样的结构就需要专门的传热系数测试评价装置，以获得高效传热所需的数据，而不能用一般的传热系数测试装置进行测定，因此对于不同换热器，会有不同的传热系数测试装置，以获得需要的性能参数。

国内外对换热器传热系数测试的研究较多，如北京钢铁学院的张克强提出的申请号为86102931“传热系数测定仪”，利用计算机控制，连续测量连铸二冷水和铸坯表面间的传热系数和热流密度，通过传热系数的测定，可设计和改进二冷喷嘴的结构，提高铸坯质量和产量。如哈尔滨工程大学范广铭等提出的申请号为201010587371.6“多功能宽流程单相对流换热试验装置”，公开了一种多功能宽流程的单相流换热实验装置，包括循环水系统、电加热系统、测量系统、实验段四部分组成。循环水系统由热水循环系统和冷水循环系统两部分组成；电加热系统主要由电加热器和相应的控制系统构成；测量系统包括温度测量、流量测量、压差测量及相应的数据采集系统；实验段由一套管式换热器和一管束换热器并联组成；集传热管和管束换热器单相对流换热和流动阻力测试于一体，可以在层流区、过渡区和紊流区的很宽的雷诺数范围内对不同形状、不同几何尺寸的传热管和不同布管方式的换热器进行传热特性及流动阻力特性的试验研究。东北电力学院的杨善让等提出的申请号为200510088762.2“管侧对流换热强化技术动态模拟综合评价方法及装置”，公开了一种用于动态模拟综合评价管侧对流换热强化技术的换热效果、流动阻力、污垢特性和清洗特性的方法和监测、评价装置。该装置主要由管式模拟换热器、循环水冷却装置、补水箱、集水槽、水泵、恒温调节器、耐垢性强的流量测量装置、胶球清洗模拟装置以及计算机监测评价系统等部分组成；该监测、评价方法以强化换热管和普通光管的换热过程的基本影响因素相同为基础，采用除实验目标参数外其余参数(管径、长度、工质、Re数)全部相同的强化管和光管平行置于同一温度恒定的水浴槽中，以进行强化换热和光管换热的类比分析；本发明中还包括评价实验工况选择、实验条件、实验程序、强化技术设计优化等内容。北京航空航天大学的徐国强等提出的申请号为200410074334.X“一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器”，该发明公开了一种能够直接测量对流换热表面对流换热系数的传感器，该发明是基于传热学的基本理论而设计的对流换热系数传感器，它可以直接得到被测物体表面的对流换热系数数据，也可以用于测量对流换热表面的对流换热热流，可广泛用于工业生产中。正如前面指出的，换热器传热系数测定装置与换热器结构具有很强的针对性，申请号为86102931只适用于铸坯传热系数的测定；申请号为201010587371.6适用于光管传热系数测定，由于是通过水作为介质进行测量，不适用于气体介质的测量；申请号为200510088762.2同样只适用于液相介质传热系数的测定；申请号为200410074334.X虽然没有限定传热介质，但是对于带翅片扩展的气-液换热器的传热系数测定也不适用，因为它不能测量到气相压降这一重要指标，压降对功耗、满足后续工艺需求十分重要。因此目前虽然有多重传热系数测试、评价装置，但是没有一种传热系数测定、评价装置能够用于对气-液换热器进行综合测试、评价的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气-液换热器传热系数测定装置，可用于对不同气相侧翅片扩展形式和管子排列方式进行传热系数测试、压降测试和优化结构传热效率评价的装置。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的风机的出风口安装有调节阀门，调节阀门的出口的管道内装有气体流量计，带90°弯头管道的一端与气体流量计的出口端连接，另一端与第一异径通的小端连接；气体加热器的进口端与第一异径通的大端连接，气体加热器的出口端与气-液换热器的进口端相连，气-液换热器的出口端与第二异径通的大端连接，第二异径通的小端通过带二个90°弯头管道与三通的第一端连接，三通的第二端与风机的进风口相连，三通的第三端放空口装有放空口调节阀门，以上构成气相的流体流道；气-液换热器的液体进口端与第三异径通小端相连，大端与气-液换热器相连，第三异径通的小端装有液体流量计和液体进口侧温度传感器；在气-液换热器的液体出口端与第四异径通大端相连，第四异径通的小端孔内装有液体出口侧温度传感器，大端与气-液换热器相连，以上构成液相的流体流道；气体加热器的出口端管内装有气体进口侧压力传感器和多个气体进口侧温度传感器，第二异径通的大端管内装有气体出口侧压力传感器和多个气体出口侧温度传感器。

所述气体进口侧温度传感器在同一圆周截面上均布；所述气体出口侧温度传感器在在同一圆周截面上均布。

所述气体加热器，是电加热或带有自动温度控制系统的蒸汽加热器。

所述气-液换热器由一系列换热管排列和安装于管子外侧的各种翅片构成。

所述气-液换热器由一系列管子排列的方式呈正三角形、转正三角形或矩形排列。

所述翅片是平面的翅片、波浪形的翅片、带孔的翅片或是带突翼的翅片。

本发明具有的有益效果是：

气-液换热器是一种热阻主要集中于气体一侧的换热结构，因此需要对气体一侧进行强化传热，包括扩展翅片、增加气体扰流、增加气体流速。但是增加气流扰动会引起压降增加；增加气体流速会增加功耗，如何合理取舍多个参数之间的取值范围是设计这类结构的关键。本发明可以通过对传热系数的测定和压降、流体阻力等参数的测定和评价，优化各参数之间的取值，达到所需要的换热效果。

本测试评价装置采用气体侧流体循环利用，少量补充气体通过放空口调节阀门进行调节，大大节约了实验过程的能量损失。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是气-液换热器的换热元件布置图。

图3是气-液换热器的换热元件的侧视图。

图中：1、风机，2、调节阀门，3、气体流量计，4、带90°弯头管道，5、第一异径通，6、气体加热器，7、气体进口侧压力传感器，8、气体进口侧温度传感器，9、气-液换热器，10、第三异径通，11、液体进口端，12、液体流量计，13、液体进口侧温度传感器，14、气体出口侧温度传感器，15、气体出口侧压力传感器，16、带二个90°弯头管道，17、液体出口侧温度传感器，18、液体出口端，19、放空口，20、放空口调节阀门，21、三通，22、进风口，23、翅片，24、换热管子，25、第二异径通，26、第四异径通。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的风机1的出风口安装有调节阀门2，调节阀门2的出口的管道内装有流量计3，带90°弯头管道4的一端与流量计3的出口端连接，另一端与第一异径通5的小端连接；气体加热器6的进口端与第一异径通5的大端连接，气体加热器6的出口端与气-液换热器9的进口端相连，气-液换热器的出口端与第二异径通25的大端连接，第二异径通25的小端通过带二个90°弯头管道16与三通21的第一端连接，三通21的第二端与风机1的进风口22相连，三通21的第三端放空口19装有放空口调节阀门20，以上构成气相的流体流道；气-液换热器的液体进口端11与第三异径通10小端相连，大端与气-液换热器相连，第三异径通10的小端装有液体流量计12和液体进口侧温度传感器13；在气-液换热器的液体出口端18与第四异径通26大端相连，第四异径通26的小端孔内装有液体出口侧温度传感器17，大端与气-液换热器6相连，以上构成液相的流体流道；气体加热器6的出口端管内装有气体进口侧压力传感器7和多个气体进口侧温度传感器8，第二异径通25的大端管内装有气体出口侧压力传感器15和多个气体出口侧温度传感器14。气相的流体走翅片一侧，液相的流体走管子内。

所述气体进口侧温度传感器8在同一圆周截面上均布；所述气体出口侧温度传感器14在在同一圆周截面上均布。

所述气体加热器6，是电加热或带有自动温度控制系统的蒸汽加热器。

如图2所示，所述气-液换热器9由一系列换热管24排列和安装于管子外侧的翅片23构成。

如图3所示，所述气-液换热器9由一系列管子排列的方式呈正三角形、转正三角形或矩形排列，管子排列可以是单一的正三角形、转正三角形或矩形排列，或者是任意的二种和多种形状的排列。

所述翅片23是平面的翅片、波浪形的翅片、带孔的翅片或是带突翼的翅片，翅片可以是单一的排列，或者是任意的二种和多种形状的排列。

本发明的实施例：

本实施例采用5KW的高压离心风机，针对空分设备压缩机水冷系统换热器的传热系数进行测试和优化设计，气体流道的管子直径为159mm，液体流道的管子直径为31mm，换热器尺寸为300×250×400mm，加热器为功率15KW的电加热器，带有温度自动控制器，气-液换热器的液体相为水，气体相为空气，水流的管子为19mm，翅片为平直铜质翅片，管子排列为转正三角形排列，翅片间距为2.5mm，翅片厚度为0.2mm。空气流速从0-20m/s之间可调，水的流速在0-10m/s之间可调，可以模拟真实空分设备冷却器的工作环境。换热器气体进出口处各设有2个温度传感器，计算时候取其平均值作为计算值，换热器进出口处各设有压力传感器，用以测量压力降；流体进出口各设有一个温度传感器和流量计。

其中一个测试例子如下：

空气侧：空气流量q＝600m³/h，进口温度t_h1＝82℃，出口温度t_h2＝44.5℃。空气的平均温度为63℃，以此为定性温度，查表得空气密度ρ＝1.051kg/m3，空气的比热C_p＝1.006kJ/(kg·K)，水侧进口温度t_c1＝25℃，出口温度t_c2＝33℃

通过对气-液换热器的换热管子排列、安装于管子外侧的各种扩展翅片构成，如管子的排列可以呈正方形、正三角形，也可以是其他排列方式，翅片可以是平面的翅片，也可以是波浪形的翅片，还可以是带孔、带突翼的翅片，并通过与不同流量、风压的变化组合，通过对换热器进出口温度、流量的测定，可以按照以上实施例相同的方法方便地测得传热系数，并根据实际工程需求，对换热器综合性能进行评价，以得到理想的换热器结构与运行参数。

Claims (6)

1.一种气-液换热器传热系数测定装置，其特征在于：风机(1)的出风口安装有调节阀门(2)，调节阀门(2)的出口的管道内装有气体流量计(3)，带90°弯头管道(4)的一端与气体流量计(3)的出口端连接，另一端与第一异径通(5)的小端连接；气体加热器(6)的进口端与第一异径通(5)的大端连接，气体加热器(6)的出口端与气-液换热器(9)的进口端相连，气-液换热器(9)的出口端与第二异径通(25)的大端连接，第二异径通(25)的小端通过带二个90°弯头管道(16)与三通(21)的第一端连接，三通(21)的第二端与风机(1)的进风口(22)相连，三通(21)的第三端放空口(19)装有放空口调节阀门(20)，以上构成气相的流体流道；气-液换热器(9)的液体进口端(11)与第三异径通(10)小端相连，大端与气-液换热器(9)相连，第三异径通(10)的小端装有液体流量计(12)和液体进口侧温度传感器(13)；在气-液换热器(9)的液体出口端(18)与第四异径通(26)大端相连，第四异径通(26)的小端孔内装有液体出口侧温度传感器(17)，大端与气-液换热器(9)相连，以上构成液相的流体流道；气体加热器(6)的出口端管内装有气体进口侧压力传感器(7)和多个气体进口侧温度传感器(8)，第二异径通(25)的大端管内装有气体出口侧压力传感器(15)和多个气体出口侧温度传感器(14)。

2.根据权利要求1所述的一种气-液换热器传热系数测定装置，其特征在于：所述多个气体进口侧温度传感器(8)在同一圆周截面上均布；所述多个气体出口侧温度传感器(14)在在同一圆周截面上均布。

3.根据权利要求1所述的一种气-液换热器传热系数测定装置，其特征在于：所述气体加热器(6)，是电加热或带有自动温度控制系统的蒸汽加热器。

4.根据权利要求1所述的一种气-液换热器传热系数测定装置，其特征在于：所述气-液换热器(9)由一系列换热管(24)排列和安装于管子外侧的各种翅片(23)构成。

5.根据权利要求4所述的一种气-液换热器传热系数测定装置，其特征在于：所述气-液换热器(9)由一系列管子排列的方式呈正三角形、转正三角形或矩形排列。

6.根据权利要求4所述的一种气-液换热器传热系数测定装置，其特征在于：所述各种翅片(23)是平面的翅片、波浪形的翅片、带孔的翅片或是带突翼的翅片。