CN113791115B - 一种板式换热器传热性能测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板式换热器传热性能测试方法及装置，装置包括板式换热器、冷通道离心泵、热通道离心泵、冷水储存装置、热水发生装置及流量调节阀；热通道离心泵、板式换热器的热通道、热水发生装置通过管炉依次闭环串联；热通道离心泵和板式换热器之间的管路上设有恒流阀、流量表Ⅰ及温度表Ⅰ，板式换热器的热通道出口处设有温度表Ⅱ；冷水储存装置、冷通道离心泵、板式换热器的冷通道及流量调节阀通过管路依次串联，冷通道离心泵与板式换热器之间的管路上设有流量表Ⅱ，板式换热器的冷通道的进出口处设有温度表Ⅲ、温度表Ⅳ。本发明降低了测试的实现难度，简化了测试装置，提高了数据的测试精度，使得测试过程更加便捷，降低了测试成本。

Description

一种板式换热器传热性能测试方法及装置

技术领域

本发明涉及板式换热器领域，具体涉及一种板式换热器传热性能测试方法及装置。

背景技术

板式换热器传热性能测试的主要目的，是获得换热器换热表面单侧流体与换热面的对流传热关联式，以便于用户根据板式换热器的对流传热关联式进行选型计算等，因此板式换热器传热性能测试是板式换热器生产厂家在板式换热器出厂前必须完成的一项测试。板式换热器出厂前的传热性能测试，一般采用冷、热水作为介质，并且不考虑污垢热阻，而整个测试中的关键环节在于测试数据的处理，不同数据处理方式所需测试参数和测试条件并不相同。

依据数据处理方式的不同，目前公知的换热器测试方法主要有：壁面温度测定法、修正威尔逊法、等雷诺数法和等流速法。对于板式换热器这类紧促式换热器，由于空间限制，很难在板片壁面布置温度测点，因而难以准确测量壁面温度，因此壁面温度测定法难以应用板式换热器的传热性能测试。而修正威尔逊法则要求换热表面一侧的对流换热系数与实际变量的方次关系必须已知，这一条件在板式换热器的传热性能测试中也难以满足。

板式换热器因其冷、热通道具有几何相似特征，适于采用等雷诺数法和等流速法，这两种方法也是当前板式换热器出厂时传热性能测试的主要方法。然而等雷诺数法要求板式换热器冷、热通道内流体的雷诺数相等，等流速法要求板式换热器冷、热通道内流体的流速相等，这些测试条件对于存在多个流体通道的板式换热器而言，实现难度非常大，从而导致这两种方法的测试精度较低、测试装置复杂、测试费用高昂、测试效率不高。

发明内容

为解决上述板式换热器出厂传热性能测试中存在的技术问题，本发明提供一种测试的实现难度低，数据的测试精度高，测试过程更加便捷的板式换热器传热性能测试方法及装置。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种板式换热器传热性能测试方法，包括如下顺序的步骤：

(1)保持板式换热器热通道的水流量Q_h为固定值，通过改变冷通道的水流量Q_c，测量多组板式换热器冷通道的进口处的温度TC_i、冷通道的出口处的温度TC_o、热通道的进口处的温度TH_i、热通道的出口处的温度TH_o；

(2)计算不同的冷通道水流量Q_c下的冷通道、热通道内水的物性参数v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c和Pr_h，其中，v_c为冷通道内水的运动黏度、v_h为热通道内水的运动黏度，λ_c为冷通道内水的导热系数、λ_h为热通道内水的导热系数，Pr_c为冷通道内水的普朗特数、Pr_h分别为热通道内水的普朗特数；

(3)计算不同的冷通道水流量Q_c下的冷通道内的水流速u_c、热通道内的水流速u_h，冷、热通道的对数平均温差Δt_m，总传热系数k，冷通道内水流的雷诺数Re_c，计算公式如下：

u_c＝Q_C/S (1)

u_h＝Q_h/S (2)

k＝(Q_c+Q_h)/(2AΔt_m) (4)

Re_c＝du_c/v_c (5)

其中：S为板式换热器单通道的横截面积，d为板式换热器单通道的当量直径，A为板式换热器的总传热面积；

(4)给式(6)和(7)中的n一个初始值n′，计算冷、热通道内对流传热特性参数的组合参数对(x、y)，获得不同的冷通道水流量Q_c下的多组组合参数对(x、y)；x、y的计算公式如下：

其中，λ为板片材质的导热系数，B为板片的厚度，n为冷、热通道内对流传热关联式中雷诺数的指数，且为常数；x为组合参数对中的自变项，y为组合参数对中的因变项；

(5)根据步骤4)中获得的不同的冷通道水流量Q_c下的x、y值，利用线性拟合得到拟合曲线方程，并得到拟合曲线方程的斜率c和y轴截距的相反数b，拟合曲线方程为：

cx＝b+y (8)

其中，b＝(du_h)^-n、c均为常数；

(6)利用步骤(5)中得到的b，计算n，得到其计算值n″，并与n的初始值n′比较，若n′与n″的误差在许可范围内，则取n″为n的值，否则，将n″赋给n′作为n的初始值，返回步骤(4)，直至n′与n″的误差在许可范围内；n的计算公式如下：

n＝-ln b/ln(du_h) (9)

(7)计算冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数，冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数的计算公式如下：

其中，Nu_c和Nu_h分别冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数。

上述板式换热器传热性能测试方法中，步骤(2)中，单个的冷通道水流量Q_c下的冷通道、热通道内水的物性参数v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c和Pr_h计算，包括如下步骤：

(2.1)计算冷通道内水的定性温度t_c、热通道内水的定性温度t_h：

t_c＝(TC_i+TC_o)/2 (12)

t_h＝(THi+TH_o)/2 (13)

(2.2)根据冷通道内水的定性温度t_c查询水的物性数据表，确定表中与定性温度最靠近的两个温度点T_{c min}和T_{c max}；

根据热通道内水的定性温度t_h查询水的物性数据表，确定表中与定性温度最靠近的两个温度点T_{h min}和T_{h max}；

(2.3)从水的物性数据表中获取温度点T_{c min}、T_{c max}、T_{h min}和T_{h max}时的水物性参数p_{c min}、p_{c max}、p_{h min}和p_{h max}，其中：p_{c min}∈(温度点T_{c min}时的v_c、λ_c、Pr_c)，p_{c max}∈(温度点T_{c max}时的v_c、λ_c、Pr_c)；p_{h min}∈(温度点T_{h min}时的v_h、λ_h、Pr_h)，p_{h max}∈(温度点T_{h max}时的v_h、λ_h、Pr_h)；

(2.4)计算定性温度t下水的物性数据P_t，P_t∈(v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c、Pr_h)，

P_t＝Pmin+(P_max-P_min)(t-T_min)/(T_max-T_min)，

式中：p_min∈(p_{c min}、p_{h min})，p_max∈(p_{c max}、p_{h max})。

一种用于实现上述板式换热器传热性能测试方法的板式换热器传热性能测试装置，包括板式换热器、冷通道离心泵、热通道离心泵、冷水储存装置、热水发生装置及流量调节阀；热通道离心泵、板式换热器的热通道、热水发生装置通过管炉依次闭环串联；热通道离心泵和板式换热器之间的管路上设有恒流阀、流量表Ⅰ及温度表Ⅰ，温度表Ⅰ设置在板式换热器的热通道进口处，板式换热器的热通道出口处设有温度表Ⅱ；冷水储存装置、冷通道离心泵、板式换热器的冷通道及流量调节阀通过管路依次串联，冷通道离心泵与板式换热器之间的管路上设有流量表Ⅱ，板式换热器的冷通道的进口处设有温度表Ⅲ，冷通道的出口处设有温度表Ⅳ。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明结合板式换热器的冷、热通道几何相似特征与出厂测试特点，通过固定被测试板式换热器热通道内的水流速，成功分离出了对流换热系数，实现了板式换热器传热性能的出厂测量；

2)本发明的测试条件仅需稳定被测试板式换热器热通道内的水流速，降低了测试的实现难度，从而有利于提高数据的测试精度，并使得测试过程更加便捷；

3)本发明仅需采用恒流阀稳定被测试板式换热器热通道内的水流速，无需复杂的控制系统，极大地降低了测试装置的复杂程度，从而降低了测试成本，并提高了测试效率。

附图说明

图1为本发明板式换热器传热性能测试方法的流程图。

图2为本发明板式换热器传热性能测试装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的板式换热器传热性能测试方法，包括如下步骤：

(1)保持板式换热器热通道的水流量Q_h为固定值，通过改变冷通道的水流量Q_c，测量多组板式换热器冷通道的进口处的温度TC_i、冷通道的出口处的温度TC_o、热通道的进口处的温度TH_i、热通道的出口处的温度TH_o；

(2)确定不同的冷通道水流量Q_c下的冷通道、热通道内水的物性参数v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c和Pr_h，其中，v_c为冷通道内水的运动黏度、v_h为热通道内水的运动黏度，λ_c为冷通道内水的导热系数、λ_h为热通道内水的导热系数，Pr_c为冷通道内水的普朗特数、Pr_h分别为热通道内水的普朗特数；

单个的冷通道水流量Q_c下的冷通道、热通道内水的物性参数v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c和Pr_h计算，具体操作如下：

(2.1)计算冷通道内水的定性温度t_c、热通道内水的定性温度t_h：

t_c＝(TC_i+TC_o)/2 (12)

t_h＝(TN_i+TH_o)/2 (13)

(2.2)根据冷通道内水的定性温度t_c查询水的物性数据表，确定表中与定性温度最靠近的两个温度点T_{c min}和T_{c max}；

根据热通道内水的定性温度t_h查询水的物性数据表，确定表中与定性温度最靠近的两个温度点T_{h min}和T_{h max}；

(2.3)从水的物性数据表中获取温度点T_{c min}、T_{c max}、T_{h min}和T_{h max}时的水物性参数p_{c min}、p_{c max}、p_{h min}和p_{h max}，其中：p_{c min}∈(温度点T_{c min}时的v_c、λ_c、Pr_c)，p_{c max}∈(温度点T_{c max}时的v_c、λ_c、Pr_c)；p_{h min}∈(温度点T_{h min}时的v_h、λ_h、Pr_h)，p_{h max}∈(温度点T_{h max}时的v_h、λ_h、Pr_h)；

(2.4)计算定性温度t下水的物性数据P_t，P_t∈(v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c、Pr_h)，

P_t＝P_min+(P_max-P_min)(t-T_min)/(T_max-T_min)，

式中：p_min∈(p_{c min}、p_{h min})，p_max∈(p_{c max}、p_{h max})。

(3)计算不同的冷通道水流量Q_c下的冷通道内的水流速u_c、热通道内的水流速u_h，冷、热通道的对数平均温差Δt_m，总传热系数k，冷通道内水流的雷诺数Re_c，计算公式如下：

u_c＝Q_c/S (1)

u_h＝Q_h/S (2)

k＝(Q_c+Q_h)/(2AΔt_m) (4)

Re_c＝du_c/v_c (5)

其中：S为板式换热器单通道的横截面积，d为板式换热器单通道的当量直径，A为板式换热器的总传热面积；

(4)给式(6)和(7)中的n一个初始值n′，计算冷、热通道内对流传热特性参数的组合参数对(x、y)，获得不同的冷通道水流量Q_c下的多组组合参数对(x、y)；x、y的计算公式如下：

其中，λ为板片材质的导热系数，B为板片的厚度，n为冷、热通道内对流传热关联式中雷诺数的指数，且为常数；x为组合参数对中的自变项，y为组合参数对中的因变项；

(5)根据步骤4)中获得的不同的冷通道水流量Q_c下x、y值，利用线性拟合得到拟合曲线方程，并得到拟合曲线方程的斜率c和y轴截距的相反数b＝(du_h)^-n，拟合曲线方程为：

cx＝b+y (8)

其中，b＝(du_h)^-n、c均为常数；

(6)利用步骤(5)中得到的b，计算n，得到其计算值n″，并与n的初始值n′比较，若n′与n″的误差在许可范围内，则取n″为n的值，否则，将n″赋给n′作为n的初始值，返回步骤(4)，直至n′与n″的误差在许可范围内；

n的计算公式如下：

n＝-ln b/ln(du_h) (9)

(7)计算冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数，冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数的计算公式如下：

其中，Nu_c和Nu_h分别冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数。

如图2所示，本发明的用于实现以上所述板式换热器传热性能测试方法的装置，包括板式换热器1、冷通道离心泵10、热通道离心泵11、冷水储存装置12、热水发生装置13及流量调节阀3；热通道离心泵11、板式换热器1的热通道、热水发生装置13通过管炉依次闭环串联；热通道离心泵11和板式换热器1之间的管路上设有恒流阀2、流量表5及温度表8，温度表8设置在板式换热器1的热通道进口处，换热器1的热通道出口处设有温度表9。冷水储存装置12、冷通道离心泵10、板式换热器1的冷通道及流量调节阀3通过管路依次串联，冷通道离心泵10与板式换热器1之间的管路上设有流量表4，板式换热器1的冷通道的进口处设有温度表6，冷通道的出口处设有温度表7。

实施例

以某厂生产的某台板式换热器为被测试板式换热器。采用本发明方法，测试得到的原始数据如表1所示。

表1测量数据

将表1中的数据进行处理，最终得到这台被测试板式换热器的对流传热关联式如式(15)和(16)所示：

Claims (3)

1.一种板式换热器传热性能测试方法，包括如下步骤：

(1)保持板式换热器热通道的水流量Q_h为固定值，通过改变冷通道的水流量Q_c，测量多组板式换热器冷通道的进口处的温度TC_i、冷通道的出口处的温度TC_o、热通道的进口处的温度TH_i、热通道的出口处的温度TH_o；

(2)计算不同的冷通道水流量Q_c下的冷通道、热通道内水的物性参数v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c和Pr_h，其中，v_c为冷通道内水的运动黏度、v_h为热通道内水的运动黏度，λ_c为冷通道内水的导热系数、λ_h为热通道内水的导热系数，Pr_c为冷通道内水的普朗特数、Pr_h分别为热通道内水的普朗特数；

(3)计算不同的冷通道水流量Q_c下的冷通道内的水流速u_c、热通道内的水流速u_h，冷、热通道的对数平均温差Δt_m，总传热系数k，冷通道内水流的雷诺数Re_c，计算公式如下：

u_c＝Q_c/S (1)

u_h＝Q_h/S (2)

k＝(Q_c+Q_h)/(2AΔt_m) (4)

Re_c＝du_c/v_c (5)

其中：S为板式换热器单通道的横截面积，d为板式换热器单通道的当量直径，A为板式换热器的总传热面积；

(4)给式(6)和(7)中的n一个初始值n′，计算冷、热通道内对流传热特性参数的组合参数对(x、y)，获得不同的冷通道水流量Q_c下的多组组合参数对(x、y)；x、y的计算公式如下：

其中，λ为板片材质的导热系数，B为板片的厚度，n为冷、热通道内对流传热关联式中雷诺数的指数，且为常数；x为组合参数对中的自变项，y为组合参数对中的因变项；

(5)根据步骤4)中获得的不同的冷通道水流量Q_c下的x、y值，利用线性拟合得到拟合曲线方程，并得到拟合曲线方程的斜率c和y轴截距的相反数b，拟合曲线方程为：

cx＝b+y (8)

其中，b＝(du_h)^-n、c均为常数；

(6)利用步骤(5)中得到的b，计算n，得到其计算值n″，并与n的初始值n′比较，若n′与n″的误差在许可范围内，则取n″为n的值，否则，将n″赋给n′作为n的初始值，返回步骤(4)，直至n′与n″的误差在许可范围内；n的计算公式如下：

n＝-ln b/ln(du_h) (9)

(7)计算冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数，冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数的计算公式如下：

其中，Nu_c和Nu_h分别冷通道内水流的努塞尔数、热通道内水流的努塞尔数。

2.根据权利要求1所述板式换热器传热性能测试方法，步骤(2)中，单个的冷通道水流量Q_c下的冷通道、热通道内水的物性参数v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c和Pr_h计算，包括如下步骤：

(2.1)计算冷通道内水的定性温度t_c、热通道内水的定性温度t_h：

t_c＝(TC₁+TC_o)/2 (12)

t_h＝(TH₁+TH_o)/2 (13)

(2.2)根据冷通道内水的定性温度t_c查询水的物性数据表，确定表中与定性温度最靠近的两个温度点T_{c min}和T_{c max}；

根据热通道内水的定性温度t_h查询水的物性数据表，确定表中与定性温度最靠近的两个温度点T_{h min}和T_{h max}；

(2.3)从水的物性数据表中获取温度点T_{c min}、T_{c max}、T_{h min}和T_{h max}时的水物性参数p_{c min}、p_{c max}、p_{h min}和p_{h max}，其中：p_{c min}∈(温度点T_{c min}时的v_c、λ_c、Pr_c)，p_{c max}∈(温度点T_{c max}时的v_c、λ_c、Pr_c)；p_{h min}∈(温度点T_{h min}时的v_h、λ_h、Pr_h)，p_{h max}∈(温度点T_{h max}时的v_h、λ_h、Pr_h)；

(2.4)计算定性温度t水的物性数据P_t，P_t∈(v_c、v_h、λ_c、λ_h、Pr_c、Pr_h)，

P_t＝P_min+(P_max-P_min)(t-T_min)/(T_max-T_min)，

式中：p_min∈(p_{c min}、p_{h min})，p_max∈(p_{c max}、p_{h max})。

3.一种用于实现权利要求1或2所述板式换热器传热性能测试方法的板式换热器传热性能测试装置，其特征在于：包括板式换热器、冷通道离心泵、热通道离心泵、冷水储存装置、热水发生装置及流量调节阀；热通道离心泵、板式换热器的热通道、热水发生装置通过管炉依次闭环串联；热通道离心泵和板式换热器之间的管路上设有恒流阀、流量表I及温度表I，温度表I设置在板式换热器的热通道进口处，板式换热器的热通道出口处设有温度表II；冷水储存装置、冷通道离心泵、板式换热器的冷通道及流量调节阀通过管路依次串联，冷通道离心泵与板式换热器之间的管路上设有流量表II，板式换热器的冷通道的进口处设有温度表III，冷通道的出口处设有温度表IV。