板式换热器传热性能瞬态测试装置及方法与流程

本发明涉及一种传热性能瞬态测试装置及方法，具体涉及一种板式换热器传热性能瞬态测试装置及方法。

背景技术：

板式换热器由经过压制的金属薄板片叠加组装而成，具有传热系数高、换热效率高、占地面积小、多种介质换热、对数平均温差大、进出口温度端差小、维护使用方便的优点，在食品、医药、化学、电力、制冷、空调、冶金、机械等多种工业领域得到了广泛应用，如牛奶灭菌、合成氨、炼钢工艺冷却、动力循环回热过程等。

板式换热器的传热系数大小直观反映了其传热性能的优劣，是一个重要性能指标。准确测量板式换热器传热系数是衡量其传热性能的基本方法，是开展相关传热理论研究及工艺技术开发的先决条件，也是检验和优化设计、提高板式换热器性能水平的重要手段。

目前，测量换热器板片与工质间传热系数的主要方法是稳态实验技术。该技术以牛顿冷却定律为理论基础，它采用稳定热源持续加热传热板片表面，通过测量稳态传热量、工质流量、工质温度和板片温度来计算传热系数大小。由于板式换热器的板片紧密贴合，板片间的流动空间狭小且形状复杂，加之板片厚度很薄，为获取板片壁温而埋设测温探头、引线等装置的难度很大，而且所设置的壁温测量设备会对换热器内部流场、温度场产生干扰和影响，导致传热系数测试出现偏差，降低了实验精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种板式换热器传热性能瞬态测试装置及方法，该装置及方法能够准确测量板式换热器的传热系数。

为达到上述目的，本发明所述的板式换热器传热性能瞬态测试装置包括入口段、收缩段、加热段、稳定段、实验段、排出段及数据采集系统，其中，入口段、收缩段、加热段、稳定段、实验段及排出段依次相连通，加热段内设有加热器，稳定段的出口处设有第一组温度传感器，待测板式换热器位于实验段内，排出段的入口处设有压力传感器及第二组温度传感器，排出段的中部设有流量计，排出段的出口连通有风机，数据采集系统的输入端与压力传感器、流量计、各温度传感器的输出端相连接。

入口段内沿工质流通的方向依次设有蜂窝器及若干层丝网。

收缩段的收缩比为2～25。

稳定段的长度与直径的比例为0.5～10。

第一组温度传感器呈网状结构分布；

第二组温度传感器呈网状结构分布。

排出段上设置有调节阀，调节阀位于流量计与排出段的出口之间。

本发明所述的板式换热器传热性能瞬态测试方法包括以下步骤：

1)开启风机，风机导引工质依次流经入口段、收缩段、加热段、稳定段、实验段、排出段及风机；

2)设定流量，当流量计、第一组温度传感器、第二组温度传感器及压力传感器检测得到的数据稳定时，数据采集系统通过第一组温度传感器采集实验段进口处的工质温度tin，数据采集系统通过第二组温度传感器采集实验段出口处的工质温度tout，数据采集系统通过流量计采集流经排出段的工质流量，数据采集系统通过压力传感器采集实验段出口处的工质压力；

3)对实验段进行能量守恒分析，根据牛顿冷却定律及傅里叶定律建立待测板式换热器内板片与工质之间的传热微分方程，采用控制容积积分法将传热微分方程离散化为代数方程，设定实验段平均传热系数h的初值为h0，将h0、实验段进口处的工质温度tin、排出段的工质流量及实验段出口处的工质压力代入上述代数方程中并求解方程，得实验段出口处的工质温度计算值tout^*，调整h值重复求解代数方程并更新tout^*，直到计算值tout^*与温度测量值tout之间的偏差满足计算精度要求为止，最终的h值即为设定流量下实验段平均传热系数测量结果；

4)通过风机调整实验段工质的流量，然后再重复步骤2)及步骤3)，完成不同流量下实验段中板式换热器的传热性能瞬态测试。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的板式换热器传热性能瞬态测试装置及方法在具体操作时，工质在风机的引导下依次经入口段、收缩段、加热段、稳定段、实验段及排出段排出，其中，通过加热段内的加热器对工质进行加热，通过第一组温度传感器测量实验段入口处的工质温度，通过压力传感器测量实验段出口处的工质压力，通过第二组温度传感器测量实验段出口处的工质温度，通过流量计测量排出段内工质的流量，然后依据牛顿冷却定律及傅里叶定律对实验段进行能量守恒分析，建立并求解传热方程，得到实验段出口处的工质温度计算值tout^*，根据计算值tout^*与测量值tout之间的偏差调整实验段的平均传热系数h，重复求解传热方程并更新tout^*，直到tout^*与tout之间的偏差满足计算精度要求为止，此时得到的h值即为对应流量下实验段平均传热系数的测量结果。与现有的稳态测试技术相比，本发明无需测量板式换热器的板片壁温即可完成瞬态测试，能够避免在板式换热器内部狭小、复杂结构空间内布置壁温测量设备的难题，同时能够消除壁温测量设备对换热器内部流场、温度场的干扰及影响，从而有效的提高测量的精度；另外，本发明的瞬态测试周期短，运行时间短，运行成本低；最后，本发明的实验系统简单，设备投资小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中实验段8中波纹板式换热器的结构示意图；

图3为本发明中波纹板式换热器内的能量守恒分析示意图；

图4为本发明的测试结果图。

其中，1为入口段、2为蜂窝器、3为丝网、4为收缩段、5为加热段、6为稳定段、7a为第一组温度传感器、7b为第二组温度传感器、8为实验段、9为压力传感器、10为排出段、11为流量计、12为调节阀、13为风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的板式换热器传热性能瞬态测试装置包括入口段1、收缩段4、加热段5、稳定段6、实验段8、排出段10及数据采集系统14，其中，入口段1、收缩段4、加热段5、稳定段6、实验段8及排出段10依次相连通，加热段5内设有加热器，稳定段6的出口处设有第一组温度传感器7a，待测板式换热器位于实验段8内，排出段10的入口处设有压力传感器9及第二组温度传感器7b，排出段10的中部设有流量计11，排出段10的出口连通有风机13，数据采集系统14的输入端与压力传感器9、流量计11、第一组温度传感器7a、第二组温度传感器7b的输出端相连接。

入口段1内沿工质流通的方向依次设有蜂窝器2及若干层丝网3；收缩段4的收缩比为2～25；稳定段6的长度与直径的比例为0.5～10；第一组温度传感器7a呈网状结构分布；第二组温度传感器7b呈网状结构分布；排出段10上设置有调节阀12，调节阀12位于流量计11与排出段10的出口之间。

本发明所述的板式换热器传热性能瞬态测试方法包括以下步骤：

1)开启风机13，风机13导引工质依次流经入口段1、收缩段4、加热段5、稳定段6、实验段8、排出段10及风机13；

2)设定流量，当流量计11、第一组温度传感器7a、第二组温度传感器7b及压力传感器9检测得到的数据稳定时，数据采集系统14通过第一组温度传感器7a采集实验段8进口处的工质温度tin，数据采集系统14通过第二组温度传感器7b采集实验段8出口处的工质温度tout，数据采集系统14通过流量计11采集流经排出段10的工质流量，数据采集系统14通过压力传感器9采集实验段8出口处的工质压力；

3)对实验段进行能量守恒分析，根据牛顿冷却定律及傅里叶定律建立待测板式换热器内板片与工质之间的传热微分方程，采用控制容积积分法将传热微分方程离散化为代数方程，设定实验段8平均传热系数h的初值为h0，将h0、实验段8进口处的工质温度tin、排出段10的工质流量及实验段8出口处的工质压力代入上述代数方程中并求解方程，得实验段8出口处的工质温度计算值tout^*，调整h值重复求解代数方程并更新tout^*，直到计算值tout^*与温度测量值tout之间的偏差满足计算精度要求为止，最终的h值即为设定流量下实验段平均传热系数测量结果；

4)通过风机13调整实验段8工质的流量，然后再重复步骤2)及步骤3)，完成不同流量下实验段8中板式换热器的传热性能瞬态测试。

蜂窝器2由若干正方形薄壁小管道并列组成，蜂窝器2的作用为导直气流、降低气流紊流度、改善气流速度分布。丝网3为3层100目不锈钢丝网，其作用为降低气流的紊流度以及使气流均匀分布。收缩段4内壁的截面光滑渐变，收缩段4的作用为加速气流。加热器为管翅式电加热器，加热器的总功率为60kw。稳定段6为等截面管道，稳定段6的作用为衰减小漩涡，使气流均匀分布，保证实验段8流场的品质。

风机13提供的空气雷诺数re范围为500-10000。数据采集系统14的采集频率为0.5hz，测试周期为60s。

本发明中波纹板式换热器内部长度为dx的微元体内固体、流体能量守恒分析如图3所示，微元体内波纹板-空气间瞬态传热微分方程为：

其中，ρ为密度；δ为厚度，c为比热容，t为温度，t为时间，k为导热系数，x为长度，h为平均对流传热系数，u为流速，下标s表示固体波纹板，下标f表示流体工质。

本发明的典型实验结果如图4所示，从图4中可见实验段8入口空气温度从初始时刻的19℃开始迅速上升，到20s时基本稳定在59℃。实验段8出口空气温度则从t＝0s时的19℃增至t＝60s时的26℃。通过迭代求解，最终求得re＝4709时波纹板换热器的平均对流传热系数值为h＝73.87w·m^-2·k^-1。

以上详细说明仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即凡是依据本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。