板式換熱器傳熱性能瞬態測試裝置及方法與流程

本發明涉及一種傳熱性能瞬態測試裝置及方法，具體涉及一種板式換熱器傳熱性能瞬態測試裝置及方法。

背景技術：

板式換熱器由經過壓制的金屬薄板片疊加組裝而成，具有傳熱系數高、換熱效率高、占地面積小、多種介質換熱、對數平均溫差大、進出口溫度端差小、維護使用方便的優點，在食品、醫藥、化學、電力、制冷、空調、冶金、機械等多種工業領域得到了廣泛應用，如牛奶滅菌、合成氨、煉鋼工藝冷卻、動力循環回熱過程等。

板式換熱器的傳熱系數大小直觀反映了其傳熱性能的優劣，是一個重要性能指標。準確測量板式換熱器傳熱系數是衡量其傳熱性能的基本方法，是開展相關傳熱理論研究及工藝技術開發的先決條件，也是檢驗和優化設計、提高板式換熱器性能水平的重要手段。

目前，測量換熱器板片與工質間傳熱系數的主要方法是穩態實驗技術。該技術以牛頓冷卻定律為理論基礎，它采用穩定熱源持續加熱傳熱板片表面，通過測量穩態傳熱量、工質流量、工質溫度和板片溫度來計算傳熱系數大小。由于板式換熱器的板片緊密貼合，板片間的流動空間狹小且形狀復雜，加之板片厚度很薄，為獲取板片壁溫而埋設測溫探頭、引線等裝置的難度很大，而且所設置的壁溫測量設備會對換熱器內部流場、溫度場產生干擾和影響，導致傳熱系數測試出現偏差，降低了實驗精度。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種板式換熱器傳熱性能瞬態測試裝置及方法，該裝置及方法能夠準確測量板式換熱器的傳熱系數。

為達到上述目的，本發明所述的板式換熱器傳熱性能瞬態測試裝置包括入口段、收縮段、加熱段、穩定段、實驗段、排出段及數據采集系統，其中，入口段、收縮段、加熱段、穩定段、實驗段及排出段依次相連通，加熱段內設有加熱器，穩定段的出口處設有第一組溫度傳感器，待測板式換熱器位于實驗段內，排出段的入口處設有壓力傳感器及第二組溫度傳感器，排出段的中部設有流量計，排出段的出口連通有風機，數據采集系統的輸入端與壓力傳感器、流量計、各溫度傳感器的輸出端相連接。

入口段內沿工質流通的方向依次設有蜂窩器及若干層絲網。

收縮段的收縮比為2～25。

穩定段的長度與直徑的比例為0.5～10。

第一組溫度傳感器呈網狀結構分布；

第二組溫度傳感器呈網狀結構分布。

排出段上設置有調節閥，調節閥位于流量計與排出段的出口之間。

本發明所述的板式換熱器傳熱性能瞬態測試方法包括以下步驟：

1)開啟風機，風機導引工質依次流經入口段、收縮段、加熱段、穩定段、實驗段、排出段及風機；

2)設定流量，當流量計、第一組溫度傳感器、第二組溫度傳感器及壓力傳感器檢測得到的數據穩定時，數據采集系統通過第一組溫度傳感器采集實驗段進口處的工質溫度tin，數據采集系統通過第二組溫度傳感器采集實驗段出口處的工質溫度tout，數據采集系統通過流量計采集流經排出段的工質流量，數據采集系統通過壓力傳感器采集實驗段出口處的工質壓力；

3)對實驗段進行能量守恒分析，根據牛頓冷卻定律及傅里葉定律建立待測板式換熱器內板片與工質之間的傳熱微分方程，采用控制容積積分法將傳熱微分方程離散化為代數方程，設定實驗段平均傳熱系數h的初值為h0，將h0、實驗段進口處的工質溫度tin、排出段的工質流量及實驗段出口處的工質壓力代入上述代數方程中并求解方程，得實驗段出口處的工質溫度計算值tout^*，調整h值重復求解代數方程并更新tout^*，直到計算值tout^*與溫度測量值tout之間的偏差滿足計算精度要求為止，最終的h值即為設定流量下實驗段平均傳熱系數測量結果；

4)通過風機調整實驗段工質的流量，然后再重復步驟2)及步驟3)，完成不同流量下實驗段中板式換熱器的傳熱性能瞬態測試。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述的板式換熱器傳熱性能瞬態測試裝置及方法在具體操作時，工質在風機的引導下依次經入口段、收縮段、加熱段、穩定段、實驗段及排出段排出，其中，通過加熱段內的加熱器對工質進行加熱，通過第一組溫度傳感器測量實驗段入口處的工質溫度，通過壓力傳感器測量實驗段出口處的工質壓力，通過第二組溫度傳感器測量實驗段出口處的工質溫度，通過流量計測量排出段內工質的流量，然后依據牛頓冷卻定律及傅里葉定律對實驗段進行能量守恒分析，建立并求解傳熱方程，得到實驗段出口處的工質溫度計算值tout^*，根據計算值tout^*與測量值tout之間的偏差調整實驗段的平均傳熱系數h，重復求解傳熱方程并更新tout^*，直到tout^*與tout之間的偏差滿足計算精度要求為止，此時得到的h值即為對應流量下實驗段平均傳熱系數的測量結果。與現有的穩態測試技術相比，本發明無需測量板式換熱器的板片壁溫即可完成瞬態測試，能夠避免在板式換熱器內部狹小、復雜結構空間內布置壁溫測量設備的難題，同時能夠消除壁溫測量設備對換熱器內部流場、溫度場的干擾及影響，從而有效的提高測量的精度；另外，本發明的瞬態測試周期短，運行時間短，運行成本低；最后，本發明的實驗系統簡單，設備投資小。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明中實驗段8中波紋板式換熱器的結構示意圖；

圖3為本發明中波紋板式換熱器內的能量守恒分析示意圖；

圖4為本發明的測試結果圖。

其中，1為入口段、2為蜂窩器、3為絲網、4為收縮段、5為加熱段、6為穩定段、7a為第一組溫度傳感器、7b為第二組溫度傳感器、8為實驗段、9為壓力傳感器、10為排出段、11為流量計、12為調節閥、13為風機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：

參考圖1，本發明所述的板式換熱器傳熱性能瞬態測試裝置包括入口段1、收縮段4、加熱段5、穩定段6、實驗段8、排出段10及數據采集系統14，其中，入口段1、收縮段4、加熱段5、穩定段6、實驗段8及排出段10依次相連通，加熱段5內設有加熱器，穩定段6的出口處設有第一組溫度傳感器7a，待測板式換熱器位于實驗段8內，排出段10的入口處設有壓力傳感器9及第二組溫度傳感器7b，排出段10的中部設有流量計11，排出段10的出口連通有風機13，數據采集系統14的輸入端與壓力傳感器9、流量計11、第一組溫度傳感器7a、第二組溫度傳感器7b的輸出端相連接。

入口段1內沿工質流通的方向依次設有蜂窩器2及若干層絲網3；收縮段4的收縮比為2～25；穩定段6的長度與直徑的比例為0.5～10；第一組溫度傳感器7a呈網狀結構分布；第二組溫度傳感器7b呈網狀結構分布；排出段10上設置有調節閥12，調節閥12位于流量計11與排出段10的出口之間。

本發明所述的板式換熱器傳熱性能瞬態測試方法包括以下步驟：

1)開啟風機13，風機13導引工質依次流經入口段1、收縮段4、加熱段5、穩定段6、實驗段8、排出段10及風機13；

2)設定流量，當流量計11、第一組溫度傳感器7a、第二組溫度傳感器7b及壓力傳感器9檢測得到的數據穩定時，數據采集系統14通過第一組溫度傳感器7a采集實驗段8進口處的工質溫度tin，數據采集系統14通過第二組溫度傳感器7b采集實驗段8出口處的工質溫度tout，數據采集系統14通過流量計11采集流經排出段10的工質流量，數據采集系統14通過壓力傳感器9采集實驗段8出口處的工質壓力；

3)對實驗段進行能量守恒分析，根據牛頓冷卻定律及傅里葉定律建立待測板式換熱器內板片與工質之間的傳熱微分方程，采用控制容積積分法將傳熱微分方程離散化為代數方程，設定實驗段8平均傳熱系數h的初值為h0，將h0、實驗段8進口處的工質溫度tin、排出段10的工質流量及實驗段8出口處的工質壓力代入上述代數方程中并求解方程，得實驗段8出口處的工質溫度計算值tout^*，調整h值重復求解代數方程并更新tout^*，直到計算值tout^*與溫度測量值tout之間的偏差滿足計算精度要求為止，最終的h值即為設定流量下實驗段平均傳熱系數測量結果；

4)通過風機13調整實驗段8工質的流量，然后再重復步驟2)及步驟3)，完成不同流量下實驗段8中板式換熱器的傳熱性能瞬態測試。

蜂窩器2由若干正方形薄壁小管道并列組成，蜂窩器2的作用為導直氣流、降低氣流紊流度、改善氣流速度分布。絲網3為3層100目不銹鋼絲網，其作用為降低氣流的紊流度以及使氣流均勻分布。收縮段4內壁的截面光滑漸變，收縮段4的作用為加速氣流。加熱器為管翅式電加熱器，加熱器的總功率為60kw。穩定段6為等截面管道，穩定段6的作用為衰減小漩渦，使氣流均勻分布，保證實驗段8流場的品質。

風機13提供的空氣雷諾數re范圍為500-10000。數據采集系統14的采集頻率為0.5hz，測試周期為60s。

本發明中波紋板式換熱器內部長度為dx的微元體內固體、流體能量守恒分析如圖3所示，微元體內波紋板-空氣間瞬態傳熱微分方程為：

其中，ρ為密度；δ為厚度，c為比熱容，t為溫度，t為時間，k為導熱系數，x為長度，h為平均對流傳熱系數，u為流速，下標s表示固體波紋板，下標f表示流體工質。

本發明的典型實驗結果如圖4所示，從圖4中可見實驗段8入口空氣溫度從初始時刻的19℃開始迅速上升，到20s時基本穩定在59℃。實驗段8出口空氣溫度則從t＝0s時的19℃增至t＝60s時的26℃。通過迭代求解，最終求得re＝4709時波紋板換熱器的平均對流傳熱系數值為h＝73.87w·m^-2·k^-1。

以上詳細說明僅為本發明的較佳實施例，不能以此限定本發明的范圍。即凡是依據本發明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬于本發明專利涵蓋的范圍之內。