一种双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统的制作方法

本实用新型涉及一种测试系统，特别涉及一种双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统。

背景技术：

换热器是现代工业中重要的用能设备、能量转换设备以及能量运输设备，在众多工业领域中发挥着重要作用，而工业中往往需要根据现实需求对换热器的结构和面积进行特定构建，因此需要对构建的换热器的热力性能进行测试。现有的基于制冷循环的换热器测试系统存在以下一个或者多个不足：功能单一、工况范围较窄、调节过程缓慢、实验过程能源浪费较严重以及相变换热测试严重依赖非相变侧进行热负荷计算等。

因此，如何构建一个方便、高效、精确以及节能的能对多种类型换热器的热力性能进行测试实验的综合测试系统意义重要，以上是本领域技术人员需要解决的重要问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在提供一种结构优化、测试精确，调节迅速、节约能源的双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统，该换热器性能测试系统能有效改善现有换热器测试系统结构，并提升系统整体能量的利用。

按此目的设计的一种双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统，包括冷凝器测试循环、蒸发器测试循环、第一测试风道系统和第二测试风道系统，其特征在于：所述冷凝器测试循环包括循环方向相反、且反向耦合的冷凝器测试主测试制冷循环和冷凝器测试调节计量制冷循环，蒸发器测试循环包括循环方向相反、且反向耦合的蒸发器测试主测试制冷循环和蒸发器测试调节计量制冷循环；冷凝器测试主测试制冷循环和蒸发器测试主测试制冷循环通过干度调配的方式进行测试段进口状态的快速任意调节，冷凝器测试调节计量制冷循环和蒸发器测试调节计量制冷循环在测试段前后设置若干气液分离器，通过分离获得测试段前后单相工质的流量、温度、压力、干度以及相关物性参数，从而精确计算测试段热负荷；此测试系统通过构建两个循环方向相反的耦合制冷循环，可同时进行冷凝器性能测试和蒸发器性能测试。

冷凝器测试主测试制冷循环包括依次连接的第一压缩机、第一调节换热器、第一气液分离器、第一冷凝器、第二蒸发器和第二气液分离器，第二气液分离器与第一压缩机连接，第一气液分离器分别通过第一气相支路、第一液相支路与第一冷凝器连接；冷凝器测试调节计量制冷循环包括依次连接的第二压缩机、第二冷凝器、第三气液分离器、第一蒸发器、第四气液分离器和第五气液分离器，第五气液分离器与第二压缩机连接；通过第一调节换热器冷却调节以及第一气液分离器出口的第一气相支路和第一液相支路的干度调配，精确调节被测的第一冷凝器进口的制冷剂流量及状态。

蒸发器测试主测试制冷循环包括依次连接的第一压缩机、第一冷凝器、第二调节换热器、第六气液分离器、第二蒸发器和第二气液分离器，第二气液分离器与第一压缩机连接，第六气液分离器分别通过第二气相支路、第二液相支路与第二蒸发器连接；蒸发器测试调节计量制冷循环包括依次连接的第二压缩机、第二冷凝器、第七气液分离器、第一蒸发器和第四气液分离器，第四气液分离器与第二压缩机连接，第七气液分离器分别通过第三气相支路、第三液相支路与第一蒸发器连接；通过第六气液分离器出口的第二气相支路和第二液相支路的干度调配，精确调节被测的第二蒸发器进口的制冷剂流量及状态。

第一冷凝器和第一蒸发器设置在第一测试风道系统内，第二冷凝器和第二蒸发器设置在第二测试风道系统内。

在冷凝器测试循环中，所述第一气相支路包括第一气相开度阀和第一气相流量计，第一气液分离器的上端口、第一气相开度阀、第一气相流量计和第一冷凝器依次连接，第一液相支路包括第一液相开度阀和第一液相流量计，第一气液分离器的下端口、第一液相开度阀、第一液相流量计和第一冷凝器依次连接。

在冷凝器测试循环中，所述第一冷凝器通过第一节流开度阀与第二蒸发器连接。

在冷凝器测试循环中，所述第二冷凝器通过第二节流开度阀与第三气液分离器连接，第三气液分离器的上端口与第五气液分离器的上端口连接，第三气液分离器的下端口分两路，一路通过第三节流开度阀与第一调节换热器连接，另一路与第一蒸发器连接。第一调节换热器由冷凝器测试调节计量制冷循环中第二节流开度阀后的第三气液分离器提供饱和液相冷却工质，调节冷凝器测试主测试制冷循环的第一压缩机出口工质温度。

在冷凝器测试循环中，所述第四气液分离器的上端口通过第二气相流量计与第五气液分离器的上端口连接，第一调节换热器与第五气液分离器的上端口连接。

冷凝器性能测试段的热负荷计算，由冷凝器测试调节计量制冷循环中第三气液分离器提供饱和液相冷却工质，通过第一蒸发器与被测的第一冷凝器进行全程饱和相变换热，即第一蒸发器出口为两相工质，并由第四气液分离器进行气液分离，第四气液分离器出口气相流量由第二气相流量计测量，结合工质气液相变潜热求得测试段热负荷。

被测的第一冷凝器的热负荷计算基于冷凝器测试调节计量制冷循环，按照以下公式：

qc＝hlv×mr

其中，qc为被测冷凝器的热负荷,w；hlv为调节计量制冷循环中蒸发器工质相变潜热，kj﹒kg^-1；mr为调节计量制冷循环中蒸发器液相工质蒸发为气相的质量流量，kg﹒s^-1。

在蒸发器测试循环中，所述第一冷凝器通过第一节流开度阀与第二调节换热器连接。

在蒸发器测试循环中，所述第二气相支路包括第二气相开度阀和第三气相流量计，第六气液分离器的上端口、第二气相开度阀、第三气相流量计和第二冷凝器依次连接，第二液相支路包括第二液相开度阀和第二液相流量计，第六气液分离器的下端口、第二液相开度阀、第二液相流量计和第二冷凝器依次连接。

在蒸发器测试循环中，所述第三气相支路包括第四气相流量计和第二调节换热器，第七气液分离器的上端口、第四气相流量计和第二调节换热器依次连接，第二调节换热器通过第二节流开度阀与第一蒸发器连接，第三液相支路包括第三液相流量计，第七气液分离器的下端口与第三液相流量计连接，第三液相流量计通过第二节流开度阀与第一蒸发器连接。第二调节换热器由蒸发器测试主测试制冷循环中的第一节流开度阀后获得的低温工质，完全冷却蒸发器测试调节计量制冷循环中的第二冷凝器未冷凝的气相工质，使得第二节流开度阀进口为全液相工质，提升测试循环热效率。

在蒸发器测试循环中，所述第四气液分离器的上端口通过第二气相流量计与第二压缩机连接。

蒸发器性能测试段的热负荷计算，由蒸发器测试调节计量制冷循环中第二冷凝器进口获得的气相工质焓值与第二冷凝器出口获得的工质焓值，由第七气液分离器ⅶ、第三液相流量计、第四气相流量计获得的气相和液相流量，综合计算工质气相比热容、液相比热容以及气液相变潜热求得测试段热负荷。

被测的第二蒸发器的热负荷计算基于蒸发器测试调节计量制冷循环，按照以下公式：

qe＝cv×(tin-tsat)×(mr,v+mr,l)+hlv×mr,l+cl×(tsat-tout,l)×mr,l

其中，qe为第二蒸发器(16)的热负荷,w；cv、cl分别为冷凝器中过热气相工质比热容、过冷液相工质比热容，j/(kg﹒k)；tin、tsat、tout,l分别为冷凝器进口温度、冷凝器饱和温度、气液分离器ⅶ液相支路出口温度，k；mr,v、mr,l分别是气液分离器ⅶ液相支路出口工质质量流量、气液分离器ⅶ气相支路出口工质质量流量，kg﹒s^-1；hlv为调节计量制冷循环中蒸发器工质相变潜热，kj﹒kg^-1。

所述第一测试风道系统包括风机、第一均流器和第二均流器，第一均流器和第二均流器分别设置在第一冷凝器的迎风前后侧，第二测试风道系统包括风机、第三均流器和第四均流器，第三均流器和第四均流器分别设置在第二蒸发器的迎风前后侧；第一测试风道系统和第二测试风道系统内均设有物理参数测量仪表，通过风道中空气换热量进行计算，可对测试段热负荷进行验算。

测试段热负荷采用风道验算按照以下公式：

qc＝cp,a×ma×(ta,o-ta,i)

qe＝cp,a×ma×(ta,i-ta,o)

其中，qc、qe分别为被测冷凝器和被测蒸发器的热负荷，w；cp,a为空气比热容，j/(kg﹒k)；ma为风道中空气质量流量，kg﹒s^-1；ta,i,ta,o分别为被测冷凝器或蒸发器进口处空气和出口处空气温度，k。

本实用新型的换热器性能测试系统通过构建两个循环方向相反的耦合制冷循环，主测试制冷循环采用气液分离，干度调配的新方法进行蒸发器和冷凝器的性能测试，调节计量制冷循环采用气液分离精确测量相流量，利用工质气-液相转换潜热以及工质比热容特性，与主测试制冷循环耦合构建成结构简洁、调节和测量准确的多功能换热器测试系统；此换热器性能测试系统克服了现有基于制冷循环的换热器测试系统存在的功能单一、调节时间长，工况范围较窄、实验过程能源浪费较严重等若干不足，与现有技术相比，此换热器性能测试系统能方便、高效、精确以及节能地在一个测试综合系统对多种类型换热器的热力性能进行精确的测试实验，扩展测试工况范围。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中换热器性能测试系统的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例中冷凝器测试循环的结构示意图。

图3为本实用新型一实施例中蒸发器测试循环的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

参见图1-图3，本双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统，包括冷凝器测试循环a、蒸发器测试循环b、第一测试风道系统3和第二测试风道系统4，冷凝器测试循环a包括循环方向相反、且反向耦合的冷凝器测试主测试制冷循环a和冷凝器测试调节计量制冷循环b，蒸发器测试循环b包括循环方向相反、且反向耦合的蒸发器测试主测试制冷循环c和蒸发器测试调节计量制冷循环d；

冷凝器测试主测试制冷循环a包括依次连接的第一压缩机11、第一调节换热器27、第一气液分离器121、第一冷凝器15、第二蒸发器16和第二气液分离器122，第二气液分离器122与第一压缩机11连接，第一气液分离器121分别通过第一气相支路、第一液相支路与第一冷凝器15连接；冷凝器测试调节计量制冷循环b包括依次连接的第二压缩机21、第二冷凝器26、第三气液分离器223、第一蒸发器25、第四气液分离器222和第五气液分离器221，第五气液分离器221与第二压缩机21连接；

蒸发器测试主测试制冷循环c包括依次连接的第一压缩机11、第一冷凝器15、第二调节换热器17、第六气液分离器123、第二蒸发器16和第二气液分离器122，第二气液分离器122与第一压缩机11连接，第六气液分离器123分别通过第二气相支路、第二液相支路与第二蒸发器16连接；蒸发器测试调节计量制冷循环d包括依次连接的第二压缩机21、第二冷凝器26、第七气液分离器224、第一蒸发器25和第四气液分离器222，第四气液分离器222与第二压缩机21连接，第七气液分离器224分别通过第三气相支路、第三液相支路与第一蒸发器25连接；

第一冷凝器15和第一蒸发器25设置在第一测试风道系统3内，第二冷凝器26和第二蒸发器16设置在第二测试风道系统4内。

在冷凝器测试循环a中，第一气相支路包括第一气相开度阀131和第一气相流量计141，第一气液分离器121的上端口、第一气相开度阀131、第一气相流量计141和第一冷凝器15依次连接，第一液相支路包括第一液相开度阀132和第一液相流量计142，第一气液分离器121的下端口、第一液相开度阀132、第一液相流量计142和第一冷凝器15依次连接。

在冷凝器测试循环a中，第一冷凝器15通过第一节流开度阀133与第二蒸发器16连接。

在冷凝器测试循环a中，第二冷凝器26通过第二节流开度阀231与第三气液分离器223连接，第三气液分离器223的上端口与第五气液分离器221的上端口连接，第三气液分离器223的下端口分两路，一路通过第三节流开度阀232与第一调节换热器27连接，另一路与第一蒸发器25连接。

在冷凝器测试循环a中，第四气液分离器222的上端口通过第二气相流量计241与第五气液分离器221的上端口连接，第一调节换热器27与第五气液分离器221的上端口连接。

在蒸发器测试循环b中，第一冷凝器15通过第一节流开度阀133与第二调节换热器17连接。

在蒸发器测试循环b中，第二气相支路包括第二气相开度阀134和第三气相流量计143，第六气液分离器123的上端口、第二气相开度阀134、第三气相流量计143和第二冷凝器26依次连接，第二液相支路包括第二液相开度阀135和第二液相流量计144，第六气液分离器123的下端口、第二液相开度阀135、第二液相流量计144和第二冷凝器26依次连接。

在蒸发器测试循环b中，第三气相支路包括第四气相流量计243和第二调节换热器17，第七气液分离器224的上端口、第四气相流量计243和第二调节换热器17依次连接，第二调节换热器17通过第二节流开度阀231与第一蒸发器25连接，第三液相支路包括第三液相流量计242，第七气液分离器224的下端口与第三液相流量计242连接，第三液相流量计242通过第二节流开度阀231与第一蒸发器25连接。

在蒸发器测试循环b中，第四气液分离器222的上端口通过第二气相流量计241与第二压缩机21连接。

第一测试风道系统3包括风机、第一均流器31和第二均流器32，第一均流器31和第二均流器32分别设置在第一冷凝器15的迎风前后侧，第二测试风道系统4包括风机、第三均流器41和第四均流器42，第三均流器41和第四均流器42分别设置在第二蒸发器16的迎风前后侧；第一测试风道系统3和第二测试风道系统4内均设有物理参数测量仪表。

本双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统的工作原理：

冷凝器测试循环

冷凝器测试主测试制冷循环a的工作原理如下：高温气态制冷剂从第一压缩机11排出后，进入第一调节换热器27进行冷却调节，与冷凝器测试调节计量制冷循环b节流膨胀后的低温液相制冷剂进行换热，此时主测试侧制冷剂可调节为设定过热态或者两相状态，当调节为两相状态时，进入第一气液分离器121后，通过第一气相支路的第一气相开度阀131和第一气相流量计141精确控制饱和气相流量，通过第一液相支路的第一液相开度阀132和第一液相流量计142精确控制饱和液相流量，然后根据被测的第一冷凝器15入口干度要求精确调配，随后调配后的两相制冷剂进入被测的第一冷凝器15进行换热，随后依次通过第一节流开度阀133、第二蒸发器16以及第二气液分离器122后完成循环。

冷凝器测试调节计量制冷循环b的工作原理如下：第二压缩机21排出气相制冷剂后经过第二冷凝器26进行冷凝，随后由第二节流开度阀231进行节流，节流后两相制冷剂进入第三气液分离器223，其中的气相制冷剂全部从第三气液分离器223上端出口排至第五气液分离器221，第三气液分离器223其中的部分液相制冷剂由下端出口输送至第一调节换热器27对冷凝器测试主测试制冷循环a的制冷剂进行状态调节，而剩下的流量过盈的饱和液相制冷剂进入第一蒸发器25与冷凝器测试主测试制冷循环a的被测第一冷凝器15进行换热，随后流量过盈的饱和两相制冷剂(即第一蒸发器25出口处制冷剂仍然是两相态)进入第四气液分离器222进行气液分离，随后气相制冷剂从第四气液分离器222上端排出，并经第二气相流量计241进行标定实时流量，由于进入第一蒸发器25的仅是饱和液相制冷剂，第一蒸发器25内进行的换热只有制冷剂的蒸发气化，因此，第一蒸发器25内液相转化为气相部分制冷剂吸收的热量即为第一蒸发器25的吸收热量，也等于被测的第一冷凝器15的放热热量，此热负荷计算为：

qc＝hlv×mr

其中，qc为被测冷凝器的热负荷,w；hlv为调节计量制冷循环中蒸发器工质相变潜热，kj﹒kg^-1；mr为调节计量制冷循环中蒸发器液相工质蒸发为气相的质量流量，kg﹒s^-1。

蒸发器测试循环

蒸发器测试主测试制冷循环c的工作原理如下：高温气态制冷剂从第一压缩机11排出后，进入第一冷凝器15进行换热，随后由第一节流开度阀133节流，节流后的两相制冷剂进入第二调节换热器17对蒸发器测试调节计量制冷循环d的第二冷凝器26尚未冷凝工质进行冷却液化，此时，主测试侧制冷剂为两相状态，随即进入第六气液分离器123进行气液分离，第六气液分离器123出口分第二气相支路和第二液相支路，其中，第二气相支路的第二气相开度阀134和第三气相流量计143精确控制饱和气相流量，第二液相支路的第二液相开度阀135和第二液相流量计144精确控制饱和液相流量，然后根据被测的第二蒸发器16入口干度要求精确调配，随后调配后的两相制冷剂进入被测的第二蒸发器16换热后，进入第二气液分离器122后完成循环。

蒸发器测试调节计量制冷循环d的工作原理如下：第二压缩机21排出气相制冷剂后经过第二冷凝器26与蒸发器测试主测试制冷循环c的被测第二蒸发器16进行换热，随后进入第七气液分离器224进行气液分离，其中液相制冷剂进入第七气液分离器224下端出口的第三液相支路，由第三液相流量计242测定流量，气相制冷剂进入第七气液分离器224上端出口的第三气相支路，由第四气相流量计243测定流量，同时，第四气相支路尚未冷凝的气相制冷剂由第二调节换热器17进行冷却液化，并进入第二节流开度阀231进行节流，节流后的制冷剂进入第一蒸发器25换热后进入第四气液分离器222进行气液分离，随后气相制冷剂返回第二压缩机21完成循环。被测的第二蒸发器16的换热量通过测量第二冷凝器26进、出口处气、液相的制冷剂流量和物性参数，即可计算出：

qe＝cv×(tin-tsat)×(mr,v+mr,l)+hlv×mr,l+cl×(tsat-tout,l)×mr,l

其中，qe为被测蒸发器的热负荷,w；cv、cl分别为冷凝器中过热气相工质比热容、过冷液相工质比热容，j/(kg﹒k)；tin、tsat、tout,l分别为冷凝器进口温度、冷凝器饱和温度、气液分离器ⅶ液相支路出口温度，k；mr,v、mr,l分别是气液分离器ⅶ液相支路出口工质质量流量、气液分离器ⅶ气相支路出口工质质量流量，kg﹒s^-1；hlv为调节计量制冷循环中蒸发器工质相变潜热，kj﹒kg^-1。

此外，双制冷循环反向耦合换热器性能测试系统中的第一测试风道系统3和第二测试风道系统4，通过风道中空气换热量进行计算，可对测试段热负荷进行验算：

qc＝cp,a×ma×(ta,o-ta,i)

qe＝cp,a×ma×(ta,i-ta,o)

其中，qc、qe分别为被测冷凝器和被测蒸发器的热负荷，w；cp,a为空气比热容，j/(kg﹒k)；ma为风道中空气质量流量，kg﹒s^-1；ta,i,ta,o分别为被测冷凝器或蒸发器进口处空气和出口处空气温度，k。

上述为本实用新型的优选方案，显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。