CN110567674A - 板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发公开了一种能准确测定板翅式换热器流动阻力特性的测试装置及其控制方法，本发明包括稳压罐、翅片试件模具总成和差压变送器；在稳压罐进口与出口分别安装电动调节阀，稳压罐进口处电动调节阀通过设置在进口管道的压力传感器检测风道内空气压力实现空气压力的闭环控制；稳压罐出口处电动调节阀通过安装在出口管道的涡街流量计检测空气流量实现风道内风量的闭环控制。利用高压空气粘度较小，相同流量下较常压空气Re数更高的特性，通过所述的测试装置检测翅片试件在高背压下不同空气流量下的试件进出口压降，得到翅片阻力系数f关于Re数的特性曲线，以达到高Re数下翅片流动阻力特性测试的目的。

Description

板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于热工参数测量与控制技术领域，具体涉及一种板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置及其测试方法。

背景技术

板翅式换热器作为一种典型的紧凑式换热器，具有传热效率高、单位体积换热面大、结构紧凑、适应温度范围广等优点，已被广泛运用于石油化工、低温空气分离、航空航天等诸多领域。

翅片作为板翅式换热器最核心的传热单元，影响着板翅式换热器整体的流动及传热性能。不同翅片形式，如平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片和百叶窗翅片等，其流动及传热性能不尽相同。目前对于板翅式换热器翅片流阻特性测试主要利用高压风机方案，但该方案在实施过程中，受限于风机功率，测试Re数范围较小，无法准确模拟真实换热器在工作中高Re数环境，造成测试数据无法准确反映翅片真实流动阻力特性。

发明内容

本发明针对现有测试系统的不足，旨在提出一种快速准确测定板翅式换热器翅片流动阻力特性的测试装置，该装置以高压空气为输入气源，利用高压空气粘度较小的特点得到高Re数的测试环境。

为实现上述目的，本发明提出了一种板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置及其测试方法。

本发明中板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置包括稳压罐、翅片试件模具总成和差压变送器；所述的翅片试件模具总成进口管道通过第一中间管道串接第二电动调节阀出口，第一中间管道上设置有进口压力传感器和进口温度传感器；第二电动调节阀入口通过膨胀节接稳压罐出口；稳压罐入口通过第一连接管道接第一电动调节阀出口，第一连接管道上设置第一压力表；电动调节阀入口通过第二连接管道接截止阀出口，第二连接管道上设置第二压力表；截止阀入口接入口管道；

翅片试件模具总成出口管道通过第二中间管道接涡街流量计的入口，涡街流量计出口接出口管道，出口管道上设置出口压力传感器和出口温度传感器；差压变送器固定在第二中间管道上；翅片试件模具总成的测试风道入口与出口均作为差压变送器的取压口，与差压变送器相连，进行翅片压差测量。

所述的翅片试件模具总成，包括下模具、机架、液压油缸、滑动轴及上模具；下模具、液压油缸固定在机架上；上模具通过滑动轴与液压油缸连接，在液压油缸的带动下垂直移动；上模具与下模具形成测试试件风道。

所述的第一电动调节阀、第二电动调节阀分别安装在稳压罐进口与出口，稳压罐进口处第一电动调节阀的开度由测控计算机控制，测控计算机通过检测设置在第一中间管道的入口压力传感器的第一中间管道内的空气压力，利用嵌入在测控计算机内的PID算法调节第一电动调节阀的开度，实现第一中间管道内的空气压力闭环控制。

所述的稳压罐出口处第二电动调节阀的开度由测控计算机控制，测控计算机通过检测涡街流量计的空气流量，利用嵌入在测控计算机内的PID算法调节第二电动调节阀的开度，实现空气流量的闭环控制。

所述的进口压力传感器、进口温度传感器与出口压力传感器、出口温度传感器，用于检测进、出口空气压力与温度，以求计算空气物性参数；差压变送器，用于测量翅片试件模具进、出口两端压差；涡街流量计，用于测量风道内空气流量。

基于上述装置的板翅式换热器翅片流动阻力特性测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将测试试件放入翅片试件模具总成的下模具内，关闭上模具，打开第一电动调节阀和第二电动调节阀；

步骤二、打开截止阀，使高压空气依次经过第二电动调节阀、稳压罐、第一电动调节阀、翅片试件模具总成、涡街流量计，最后流出测试装置；

步骤三、根据测控计算机检测的第一中间管道压力以及涡街流量计流量，分别调节第一电动调节阀和第二电动调节阀开度，使装置工作在设定压力和流量下；

步骤四、检测翅片试件模具总成进出口温度和压力、试件前后压差以及空气流量，利用式(1)和式(2)计算Re数和f因子：

其中，Q_a为涡街流量计检测的空气体积流量(单位：m3/s)，A_free为翅片流通面积(单位：m2)，A为翅片迎风面面积(单位：m2)，ν是空气运动粘度(单位：m2/s)，D_h为被测翅片试件的水利直径(单位：m)，T₁、T₂测试试件进出口温度(单位：K)，P₁、P₂为测试试件进出口压力(单位：Pa)；u_a为通过最小自由流通面积进入换热器的流速(单位：m/s)u_a＝P₂T₁Q_a/(P₁T₂A_free)，ΔP为差压变送器测量得到的测试试件进出口压降(单位：Pa)，ρ₁、ρ₂、ρ_m为试件进出口空气密度和平均密度ρ_m＝(ρ₁+ρ₂)/2(单位：kg/m3)，L为被测翅片试件长度(单位m)，k_e、k_c为突扩、突缩段阻力损失系数，通过查询相关手册得到，计算得到阻力系数f，最后得到阻力系数f关于Re数的特性曲线；

步骤五、重复步骤三和四，得到足够数据点后，利用测控计算机绘制Re-f图，测试结束。

本发明利用高压空气粘度较小，相同流量下较常压空气Re数更高的特性，通过所述的测试装置检测翅片试件在高背压下不同空气流量下的试件进出口压降，得到翅片阻力系数f关于Re数的特性曲线，以达到高Re数下翅片流动阻力特性测试的目的。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明所述的翅片试件模具总成示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细介绍：

如图1所示，板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置，包括稳压罐9、翅片试件模具总成16和差压变送器18。

翅片试件模具总成16进口管道通过第一中间管道12串接第二电动调节阀11出口，第一中间管道12上设置有进口压力传感器14和进口温度传感器15；第二电动调节阀11入口通过膨胀节10接稳压罐9出口；稳压罐9入口通过第一连接管道7接第一电动调节阀6出口，第一连接管道7上设置第一压力表8；电动调节阀6入口通过第二连接管道4接截止阀3出口，第二连接管道5上设置第二压力表4；截止阀3入口接入口管道1。

翅片试件模具总成16出口管道通过第二中间管道17接涡街流量计20的入口，涡街流量计20出口接出口管道24，出口管道24上设置出口压力传感器22和出口温度传感器23。差压变送器18固定在第二中间管道17上。

第一电动调节阀6、第二电动调节阀11分别安装在稳压罐9进口与出口，稳压罐9进口处第一电动调节阀6的开度由测控计算机控制，测控计算机通过检测设置在第一中间管道12的入口压力传感器14的第一中间管道12内的空气压力，利用嵌入在测控计算机内的PID算法调节第一电动调节阀6的开度，实现第一中间管道12内的空气压力闭环控制；稳压罐9出口处第二电动调节阀11的开度由测控计算机控制，测控计算机通过检测涡街流量计20的空气流量，利用嵌入在测控计算机内的PID算法调节第二电动调节阀11的开度，实现空气流量的闭环控制

进口压力传感器14、进口温度传感器15与出口压力传感器22、出口温度传感器23，用于检测进、出口空气压力与温度，以求计算空气物性参数。差压变送器18，用于测量翅片试件模具进、出口两端压差。涡街流量计20，用于测量风道内空气流量。

如图2所示，翅片试件模具总成16，包括下模具1601、机架1602、液压油缸1603、滑动轴1604及上模具1605。下模具1601、液压油缸1603固定在机架1602上；上模具1605通过滑动轴1604与液压油缸1603连接，在液压油缸1603的带动下垂直移动；上模具1605与下模具1601形成测试试件风道；测试风道入口与出口均作为差压变送器18的取压口，与差压变送器18相连，进行翅片压差测量；

本发明所示测试装置的测试步骤如下：

步骤一、将测试试件放入翅片试件模具总成的下模具内，关闭上模具，打开第一电动调节阀和第二电动调节阀；

步骤二、打开截止阀，使高压空气依次经过第二电动调节阀、稳压罐、第一电动调节阀、翅片试件模具总成、涡街流量计，最后流出测试装置；

步骤三、根据测控计算机检测的第一中间管道压力以及涡街流量计流量，分别调节第一电动调节阀和第二电动调节阀开度，使装置工作在设定压力和流量下；

步骤四、检测翅片试件模具总成进出口温度和压力、试件前后压差以及空气流量，利用公式(1)和(2)计算Re数和f因子；

步骤五、重复步骤三和四，得到足够数据点后，利用测控计算机绘制Re-f图，测试结束。

本发明所述的测试装置的功能是为了快速得到翅片在高Re数下的流阻特性曲线。传统的翅片流阻特性测试装置主要利用风机作为气源，但受限于风机功率，所能达到的测试Re数范围较窄，无法准确反映翅片在空分系统中真实高Re运行情况。本发明以高压空气作为气源，利用空气在高压下粘度较小，相同空气流量下Re更高的特性，以小流量获得高Re数的测试条件，所得到的翅片流阻特性曲线更能准确反映翅片在真实工作中的阻力特性。

Claims (6)

1.板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置，包括稳压罐、翅片试件模具总成和差压变送器；其特征在于：所述的翅片试件模具总成进口管道通过第一中间管道串接第二电动调节阀出口，第一中间管道上设置有进口压力传感器和进口温度传感器；第二电动调节阀入口通过膨胀节接稳压罐出口；稳压罐入口通过第一连接管道接第一电动调节阀出口，第一连接管道上设置第一压力表；电动调节阀入口通过第二连接管道接截止阀出口，第二连接管道上设置第二压力表；截止阀入口接入口管道；

翅片试件模具总成出口管道通过第二中间管道接涡街流量计的入口，涡街流量计出口接出口管道，出口管道上设置出口压力传感器和出口温度传感器；差压变送器固定在第二中间管道上；翅片试件模具总成的测试风道入口与出口均作为差压变送器的取压口，与差压变送器相连，进行翅片压差测量。

2.如权利要求1所述的板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置，其特征在于：所述的翅片试件模具总成，包括下模具、机架、液压油缸、滑动轴及上模具；下模具、液压油缸固定在机架上；上模具通过滑动轴与液压油缸连接，在液压油缸的带动下垂直移动；上模具与下模具形成测试试件风道。

3.如权利要求1所述的板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置，其特征在于：所述的第一电动调节阀、第二电动调节阀分别安装在稳压罐进口与出口，稳压罐进口处第一电动调节阀的开度由测控计算机控制，测控计算机通过检测设置在第一中间管道的入口压力传感器的第一中间管道内的空气压力，利用嵌入在测控计算机内的PID算法调节第一电动调节阀的开度，实现第一中间管道内的空气压力闭环控制。

4.如权利要求1所述的板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置，其特征在于：所述的稳压罐出口处第二电动调节阀的开度由测控计算机控制，测控计算机通过检测涡街流量计的空气流量，利用嵌入在测控计算机内的PID算法调节第二电动调节阀的开度，实现空气流量的闭环控制。

5.如权利要求1所述的板翅式换热器翅片流动阻力特性测试装置，其特征在于：所述的进口压力传感器、进口温度传感器与出口压力传感器、出口温度传感器，用于检测进、出口空气压力与温度，以求计算空气物性参数；差压变送器，用于测量翅片试件模具进、出口两端压差；涡街流量计，用于测量风道内空气流量。

6.板翅式换热器翅片流动阻力特性测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、将测试试件放入翅片试件模具总成的下模具内，关闭上模具，打开第一电动调节阀和第二电动调节阀；

步骤二、打开截止阀，使高压空气依次经过第二电动调节阀、稳压罐、第一电动调节阀、翅片试件模具总成、涡街流量计，最后流出测试装置；

步骤三、根据测控计算机检测的第一中间管道压力以及涡街流量计流量，分别调节第一电动调节阀和第二电动调节阀开度，使装置工作在设定压力和流量下；

步骤四、检测翅片试件模具总成进出口温度和压力、试件前后压差以及空气流量，利用式(1)和式(2)计算Re数和f因子：

其中，Q_a为涡街流量计检测的空气体积流量(单位：m3/s)，A_free为翅片流通面积(单位：m2)，A为翅片迎风面面积(单位：m2)，ν是空气运动粘度(单位：m2/s)，D_h为被测翅片试件的水利直径(单位：m)，T₁、T₂测试试件进出口温度(单位：K)，P₁、P₂为测试试件进出口压力(单位：Pa)；u_a为通过最小自由流通面积进入换热器的流速(单位：m/s)u_a＝P₂T₁Q_a/(P₁T₂A_free)，ΔP为差压变送器测量得到的测试试件进出口压降(单位：Pa)，ρ₁、ρ₂、ρ_m为试件进出口空气密度和平均密度ρ_m＝(ρ₁+ρ₂)/2(单位：kg/m3)，L为被测翅片试件长度(单位m)，k_e、k_c为突扩、突缩段阻力损失系数，通过查询相关手册得到，计算得到阻力系数f，最后得到阻力系数f关于Re数的特性曲线；

步骤五、重复步骤三和四，得到足够数据点后，利用测控计算机绘制Re-f图，测试结束。