CN204330647U - 一种用于测量管束换热特性的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于测量管束换热特性的系统，包括进风管道，进风管道左侧为进风口，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，文丘里段右侧连接第一直管段，第一直管段内部设有皮托管，皮托管与微压计相连，第一直管段右侧连接有可更换的换热管束试验段，换热管束试验段右侧接有第二直管段，第二直管段右侧为排风口，换热管束试验段的左右两侧均设有温度传感器Ⅰ，温度传感器Ⅰ与数据采集器Ⅰ相连。本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，系统有通用性；系统测点选取满足测量装置的使用需要，测量精确；保证热平衡，试验结果误差较小。

Description

一种用于测量管束换热特性的系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量管束换热特性的系统。

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。

实用新型内容

本实用新型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，本实用新型采用下述技术方案：

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。

本实用新型的有益效果为：本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，系统有通用性；系统测点选取满足测量装置的使用需要，测量精确；系统保证热平衡，试验结果误差较小。

附图说明

图1为本实用新型测量管束换热特性系统的结构示意图；

图2为整体换热系数和空气侧对流换热系数随风速变化趋势图；

图中，1为进风口，2为轴流风机，3为风道闸门，4为文丘里段，5为皮托管，6为微压计，7为换流管束试验段，8为数据采集器，9为温度传感器，10为排风口，11为转子流量计，12为离心水泵，13为恒温水浴，14为第一直管段，15为第二直管段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，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1，进风管道1内部从左至右依次设有轴流风机2、风道闸门3和文丘里段4，文丘里段4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14，第一直管段14内部设有皮托管5，皮托管5与微压计6相连，第一直管段14右侧连接有可更换的换热管束试验段7(可按照不同工况进行更换)，换热管束试验段7右侧接有一定长度的第二直管段15，第二直管段15右侧为排风口10，换热管束试验段7的左右两侧均设有温度传感器9，温度传感器9与数据采集器8相连，数据采集器8逐时测定换热管束试验段7进风口1和排风口10的风温。换热管束试验段7的下端连接进水管，换热管束试验段7的上端连接出水管，进水管通过转子流量计11和离心水泵12与可设置温度和记录加热时间的电加热恒温水浴13相接。换热管束试验段7的出水管与恒温水浴13相连。

换热管束试验段7的进水管和出水管上均设有温度传感器，温度传感器与数据采集器相连，数据采集器逐时测定换热管束试验段的进水口和出水口水温。

进水管末端连接有放气阀，放气阀与换热管束试验段7连接。恒温水浴13、进水管、换热管束试验段7和出水管构成水环路，其中换热管束试验段7内为流动的水侧；进风口1、轴流风机2、文丘里段4、第一直管段14、换热管束外侧风道、第二直管段15构成空气环路，其中换热管束外侧风道为空气侧。

可更换的换热管束试验段与风道进行法兰连接，采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得稳流横截面的平均风速，并在换热管束试验段先后两侧设置温度传感器，用数据采集器逐时测定试验段进、出口风温。

“九宫格”法，即对被测管束前后稳流的矩形风道横截面进行十六等分，分别在横向四等分、纵向四等分定点，进行9个定点的测量。矩形风道横截面上的风速不均匀，单点的测量误差较大，为了减小测量误差，采用“九宫格”法进行测量，得到横截面的平均风速。

可设置温度和记录加热时间的自制电加热恒温水浴与换热管束相连并经过离心水泵、转子流量计向所述换热管束供水，在恒温水浴于换热管束之间的连接进出水管上安装进水、出水温度传感器，用数据采集器逐时测定试验段进、出口水温。

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℃。

实施例1：

直接测量包括8排8列并联的矩形椭圆翅片管束的冷却水流量、进水温度、出水温度、空气进口温度、出口温度、矩形风道的风速。

矩形椭圆翅片管束的基本尺寸如表1所示。

实际测量中，按照如下步骤进行测量：

(1)恒温水浴充水，并加热到设定温度；

(2)开启水泵，低速运行，直到试验管束中的空气排空，放气阀处溢出水，高速运行水泵，直至工况稳定(水侧进出口管段测温相同)；

(3)开启风机，并全开闸板，最大风速运行半小时，待工况稳定，并读取恒温水浴的加热装置频繁开启的时间段，用于校核水侧吸热量和加热量的热平衡；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)；

(4)读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截面的平均风速；

(5)调节闸板的开度，待工况稳定后(30min)，重复(4)步骤得到不同风速下，水侧和空气侧的进出口温度，以及横截面的平均风速；

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

根据系统热平衡，可计算得到试验管段的总体换热系数、空气侧的对流换热系数。

热量平衡：Q＝Q₁＝Q₂＝Q₃，

水侧换热量：Q₁＝c₁m(t'₁-t″₁)，

空气侧换热量：Q₂＝c₂m'(t'₂-t″₂)，

电加热量：Q₃＝PT(用于校核热平衡，超过10％的试验坏点应剔除)，其中，c₁表示水侧的比热容，c₂表示空气侧的比热容；m表示水侧的质量流量，m'表示空气侧的质量流量；t′₁表示水侧的进水口水温，t″₁表示水侧的出水口水温；t′₂表示空气侧的进风口风温，t″₂表示空气侧的排风口风温；P为恒温水浴加热管功率，T为加热时间。

1)总体换热系数

根据总体换热量：Q＝KAΔt，

得到总体换热系数：

$K=\frac{Q}{\mathrm{A\Δt}}$

其中，面积A为实验管段总面积：

A＝A1+A2＝翅片总面积+裸管总面积。

对数平均温差Δt要根据叉流对逆流对数平均温差进行修正，求得：

逆流对数平均温差：其中Δt_max为两种流体的进出口的最大温差，Δt_min为两种流体的进出口的最小温差，

根据无量纲参数： $P=\frac{t_2^{\′\′}-t_2^{\′}}{t_1^{\′}-t_2^{\′}},R=\frac{t_1^{\′}-t_1^{\′\′}}{t_2^{\′\′}-t_2^{\′}},$

并查“一次叉流，一种流体混合、另一种流体不混合时”温差修正系数图得到修正ψ值，得到叉流的对数平均温差：

Δt＝ψ·Δt_m。

2)空气侧对流换热系数

首先计算水侧流态满足Seider-Tate关联式的适用条件，可计算得到努谢尔数Nu_f，物理意义表示壁面附近的流体的无量纲温度梯度，它表示流体对对流换热的强弱。并根据其中d为管径，h_f为流体侧对流换热系数，λ为导热系数，可计算得到水侧的对流换热系数

$h_1=\frac{\mathrm{\λ}\×N{u}_1}{d}=\frac{\mathrm{\λ}\×1.86{(R{e}_{1}P{r}_{1}d/L)}^{1/3}{({\mathrm{\η}}_1/{\mathrm{\η}}_w)}^{0.14}}{d},$

其中h₁为水侧的对流换热系数，λ为导热系数，Nu₁为水侧努谢尔数，d为管径，Re₁为换热管水侧雷诺数，Pr₁为普朗特数，d为管径，L为管长，η₁为流体温度下的动力粘度系数，η_w为壁面温度下的动力粘度系数；

矩形椭圆翅片管的材质为钢管，取其导热系数λ＝45W/(m﹒K)，根据

$\frac{1}{K}=\frac{1}{h_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{h_2},$

其中K为总体换热系数，h₁为水侧的对流换热系数，δ为换热管束壁面厚度，λ为导热系数，h₂为空气侧的对流换热系数，可求得空气侧的对流换热系数：

$h_2=\frac{1}{\frac{1}{K}-\frac{1}{h_1}-\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}}.$

按照上述方法，在本实施例中获得的主要计算结果如表2所示。

表2 试验段实验数据汇总表

序号	平均风速	整体换热系数	空气侧对流换热系数
					m/s	W/(m2﹒K)	W/(m2﹒K)
1	11.24	25.41	29.09
				2	10.67	24.25	27.63
3	9.68	23.37	26.43
				4	9.06	23.23	26.23
5	8.69	22.86	25.75
				6	8.39	22.22	25
7	7.63	21.86	24.55
				8	7.21	21.65	24.27
9	6.19	18.88	20.82
				10	5.41	17.85	19.59

根据表2中的数据绘制成的曲线图得到图2整体换热系数和空气侧对流换热系数随风速变化趋势图，该图直观地反映了换热器的换热性能随风速变化的情况。如图2所示，不同风速下整体换热系数和空气侧对流换热系数呈现相同的变化规律，整体趋势为随着风速升高换热效果增强，这与风侧扰流增大，空气侧对流换热增强有关，也表明了增加低温侧的扰流可以强化传热效果。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于测量管束换热特性的系统，其特征是，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，所述换热管束试验段右侧接有第二直管段，所述第二直管段右侧为排风口。

2.如权利要求1所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，所述换热管束试验段的左右两侧均设有温度传感器Ⅰ。

3.如权利要求2所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。

4.如权利要求1所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。

5.如权利要求4所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。

6.如权利要求4所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。

7.如权利要求6所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。

8.如权利要求4所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。

9.如权利要求5所述的测量管束换热特性的系统，其特征是，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。