专利名称：多功能宽流程单相对流换热试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单相对流换热试验装置，特别是一种多功能宽流程单相对流换热 试验装置，属于传热学和强化换热技术领域。
背景技术：
随着世界能源危机的不断加深，能源的高效利用和转化已成为社会可持续发展所 面临的重要课题。随着“节能”概念的提出，人们对换热设备紧凑化、高效化和低成本化的 要求越来越高。近年来人们研究开发出不少强化换热管，如螺纹槽管、波浪管、扁管、微肋管 等。这些强化换热管性能如何？使用这些强化管制成的换热器是否比现有的光管管壳式换 热器具有更高的换热能力？适合哪些工作介质？这些都是值得我们认真研究的问题。传热和流动阻力特性不仅是考查换热元件和换热器综合传热能力的重要指标，而 且也是进行传热管优化设计和换热器结构设计的根本依据。试验是获得换热元件和换热器传热与阻力性能的根本手段，而试验装置则是保障 试验条件、获取可靠数据必须倚靠的硬件设施。目前市场上销售的相关试验系统仅能用作 教学和演示，无法达到科研试验的要求。而从已公开的专利设计来看，以水为介质进行换 热器传热与阻力性能研究的试验装置很少，且研究对象具有单一性(仅针对“板翅式换热 器，，，专利申请号:200810093929. 8)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在层流区、过渡区和紊流区的很宽雷诺数范围内研究 单管和管束换热器传热及流动阻力特性的多功能宽流程单相对流换热试验装置。为了解决上述问题，本发明采取以下技术方案—种多功能宽流程单相对流换热试验装置，主要由水池、自吸式高压泵、过滤器、 高位水箱、稳压器、涡轮流量计、试验段、电加热水箱、高压管道泵、温度测量系统、压差测量 系统和数据采集系统组成。所述的试验段分为单管换热器和管束换热器，换热器均采用逆流换热方式，两换 热器冷、热水的进、出口均连接相同管路，相互间用阀门隔开。所述换热器的冷水入口分为两个支路，其中一条支路通过管线依次连接涡轮流量 计、稳压器、过滤器、自吸式高压泵和水池，另一条支路通过管线连接高位水箱，高位水箱的 进水管依次连接过滤器、自吸式高压泵和水池，溢流管直接连接水池。所述的换热器冷水出口分为两个支路，其中一条支路通过管线连接水池，另一条 支路直接向环境排放。所述换热器的热水入口通过管线依次连接涡轮流量计、稳压器、过滤器、高压管道 泵和电加热水箱。所述换热器的热水出口通过管线连接电加热水箱。所述单相对流换热试验装置，其特征是自吸式高压泵和高压管道泵均设有旁通 回路，其中自吸式高压泵的旁通回路与水池连接，高压管道泵的旁通回路与电加热水箱连接，旁通回路通过调节阀门开度来调节压头与流量。所述单相对流换热试验装置，冷水涡轮流量计和热水涡轮流量计均采用流量计 组，其中，冷水涡轮流量计组由三台涡轮流量计组成，测量范围可达0. 4m3/h 40m3/h，流 量大小由调节阀控制，热水涡轮流量计组由两台涡轮流量计组成，测量范围可达0. 4m3/h 20m3/h，流量大小由调节阀控制。所述单相对流换热试验装置，在试验要求的冷水流量低于流量计的最小测量值 时，可采用高位水箱提供稳定的压头，并由调节阀调节换热器内冷水流量的大小，流量测量 采用称重法。所述单相对流换热试验装置，电加热水箱内设有加热棒，单根加热棒的额定电压 为380V，功率为4kW，总功率可达200kW，所有加热棒共分为17组，其中16组为12kW，1组 为8kW，由专门的控制系统控制，试验中，通过控制电加热器的开启个数来调节电加热水箱 内热水的升温速度。所述单相对流换热试验装置，试验段冷、热水的进出口温度均由铜-康铜铠装热 电偶进行精确测量。所述单相对流换热试验装置，单管换热器14在进行传热计算时，试验管外壁温度 由点焊在管壁上的镍镉-镍硅热电偶进行精确测量，测量截面为3 5个，根据试验管的截 面形状不同，使用不同数量的热电偶和不同的分布方式，壁温计算时采用所有热电偶测量 结果的平均值，并通过导热计算得到试验管的内壁温度，再由对流换热计算最终得到试验 管的管内对流换热系数。所述单相对流换热试验装置，所述试验装置可进行管束换热器和单管换热器的流 动阻力特性的试验研究。其中，管束换热器的管侧压降通过压差变送器进行测量，壳侧压降 通过压差变送器进行测量；单管换热器的管内压降通过压差变送器进行测量。所述单相对流换热试验装置，当试验要求的冷水流量低于流量计的有效测量范围 时，流动驱动压头由高位水箱提供，流量使用称重法测量，管内压降改用倾斜微压水柱压差 计进行测量，为了保证试验在稳定的压头下进行，高位水箱设置了溢流管，使水箱液位保持 一个固定的高度。所述单相对流换热试验装置，传热和阻力实验进行时，除水柱压差计和称重法流 量测量值外，其余温度、流量和压降数据均由IMP分散式数据采集系统输入PC机，采用专门 编制的软件对实验数据进行采集、计算、显示的操作，实现对实验工况的实时监测，同时还 可以对所有的数据进行存盘、处理、打印，以供后期深入研究使用。本发明的有益效果是可实现单相对流换热情况下，单管和管束换热器传热及流 动阻力特性的试验研究，是换热管开发、优化设计以及换热器技术革新必不可少的重要试 验装置。该装置可试现(1)对不同形状和不同几何尺寸的强化管进行传热和流动阻力的 试验研究。( 对不同布管方式和不同结构的管壳式换热器进行传热和流动阻力的试验研 究。( 试验流程宽，可以在层流区、过渡区和紊流区很宽的雷诺数范围内进行单管和管束 换热器的试验研究，并试时记录试验数据。(4)测量精度高，试验装置配备的测量和采集系 统精度均在0. 5级以上；此外，为了保证低雷诺数下测量的准确性，试验装置还设有专门的 管路，以便采用称重法提高流量测量精度。本发明的试验装置可以对不同形状、不同几何尺寸的单管，以及不同布管方式的管壳式换热器进行单相水_水换热的试验研究。从而为换热元件的开发、优化设计以及换 热器的技术革新提供可靠的技术支持。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明中采用的单管换热器结构示意图。图3a是本发明中采用的圆管管束换热器结构示意图。图3b是图3a的A-A剖视图。图4是本发明中采用的扁管管束换热器结构示意图。图5是本发明中采用的数据采集系统结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细的描述图1-5中各符号的含义为1、水池，2、自吸式高压泵，3、过滤器，4、高位水箱，5、稳 压器，6、涡轮流量计，7、调节阀，8、热电偶，9、管束换热器，10、热电偶，11、压差变送器，12、 热电偶，13、热电偶，14、单管换热器，15、压差变送器(或倾斜微压水柱压差计)，16、调节 阀，17、电加热水箱，18、电加热器，19、高压管道泵，20、过滤器，21、稳压器，22、涡轮流量计， 23、调节阀，24、热电偶，25、热电偶，26、压差变送器，27、热电偶，28、热电偶。29、传热管，30、 套管，31、密封垫，32、套管焊接法兰，33、测压环，34、密封法兰，35、压紧法兰，36、螺栓，37、 螺钉，38、密封垫圈，39、密封垫，40、卡套活接，41、套管连接法兰，42、螺栓。43、接口法兰， 44、测压接管，45、封头，46、管板，47、筒体，48、拉杆，49、折流板。50、接口法兰，51、测压接 管，52、封头，53、管板，54、筒体，55、拉杆，56、折流板。实施例1 结合附图1 整体结构主要由水池1、自吸式高压泵2、过滤器3、稳压器5、涡轮流量计6、调节 阀7、热电偶8、管束换热器9、热电偶10、压差变送器11、热电偶12、热电偶13、单管换热器 14、压差变送器(或倾斜微压水柱压差计)15、电加热水箱17、电加热器18、高压管道泵19、 过滤器20、稳压器21、涡轮流量计22、调节阀23、热电偶24、热电偶25、压差变送器26、热电 偶27、热电偶28连接组成。用于单管单相对流换热试验，其技术方案1是冷水侧，启动自吸式高压泵2使冷 水经过滤器3、稳压器5、涡轮流量计6，流量由调节阀7进行调节后进入试验段，冷水在试验 段内经过换热后，再流经出口管路流回到水池1内。冷水进出口温度由热电偶12、热电偶 13进行测量。热水侧，首先控制电加热器18将电加热水箱17内的水加热到指定的温度，打 开高压管道泵19将热水经过滤器20、稳压器21、涡轮流量计22，通过调节阀23调节流量后 进入试验段，热水在试验段内经过换热后，再流经出口管路流回到电加热水箱17。热水进出 口温度由热电偶28、热电偶27进行测量。当试验要求的冷水流量低于流量计的有效测量范围时，单管单相对流换热试验采 用技术方案2 自吸式高压泵2将冷水经过滤器3送入高位水箱4，由高位水箱提供压头，使 冷水进入试验段，在试验段内经过换热后，直接向收集容器排放，由调节阀16调节流量，采 用称重法测量流量，热水循环方式不变。
用于单管冷态阻力试验时，其技术方案是当试验要求的冷水流量达到流量计的 有效测量范围时，采用方案1的冷水循环方式，当试验要求的冷水流量低于流量计的有效 测量范围时，采用方案2的冷水循环方式，冷水进出口温度由热电偶12、热电偶13进行测 量，管内压降由压差变送器(或倾斜微压水柱压差计)15测量。关闭热水循环。用于管束单相对流换热和阻力试验，其技术方案是冷水与热水循环方式与单管 试验方案1基本相同，只是把单管换热器14换成管束换热器9，冷水进出口温度改由热电偶 8、热电偶10进行测量，热水进出口温度改由热电偶25、热电偶24进行测量，管程压降由压 差变送器11测量，壳程压降由压差变送器26测量。以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，根据试验管的特点和管束结 构型式的不同，试验段的结构可作出相应调整，在此并未一一列举。另外，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是主要由水池(1)、自吸式高 压泵O)、第一过滤器(3)、第二过滤器(20)、高位水箱G)、第一稳压器(5)、第二稳压器 (21)、第一涡轮流量计(6)、第一涡轮流量计(22)、试验段、电加热水箱(17)、高压管道泵 (19)、温度测量系统、压差测量系统和数据采集系统组成，所述的试验段分为单管换热器 (14)和管束换热器(9)，单管换热器(14)和管束换热器(9)均采用逆流换热方式，单管换 热器(14)和管束换热器(9)冷、热水的进、出口均连接相同管路，相互间用阀门隔开，所述 单管换热器(14)和管束换热器(9)的冷水入口分为两个支路，其中一条支路通过管线依次 连接第一涡轮流量计(6)、第一稳压器( 、第一过滤器C3)、自吸式高压泵( 和水池(1)， 另一条支路通过管线连接高位水箱G)，高位水箱的进水管依次连接第一过滤器(3)、 自吸式高压泵( 和水池(1)，溢流管直接连接水池(1)，所述的单管换热器(14)和管束换 热器(9)冷水出口分为两个支路，其中一条支路通过管线连接水池(1)，另一条支路直接向 环境排放，所述单管换热器(14)和管束换热器(9)的热水入口通过管线依次连接第二涡轮 流量计(22)、第二稳压器(21)、第二过滤器(20)、高压管道泵(19)和电加热水箱(17)，所 述换热器的热水出口通过管线连接电加热水箱(17)。
2.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是自吸式高 压泵( 和高压管道泵(19)均设有旁通回路，其中自吸式高压泵O)的旁通回路与水池 (1)连接，高压管道泵(19)的旁通回路与电加热水箱(17)连接，旁通回路通过调节阀门开 度来调节压头与流量。
3.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是第一涡轮 流量计(6)和第二涡轮流量计0 均采用流量计组，其中，第一涡轮流量计组由三台涡轮 流量计组成，测量范围可达0. 4m3/h 40m3/h，流量大小由调节阀控制，第二涡轮流量计组 由两台涡轮流量计组成，测量范围可达0. 4m3/h 20m3/h，流量大小由调节阀控制。
4.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是在试验要 求的冷水流量低于流量计的最小测量值时，采用高位水箱(4)提供稳定的压头，并由调节 阀调节管束换热器(9)内冷水流量的大小，流量测量采用称重法。
5.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是电加热水 箱(17)内设有加热棒，单根加热棒的额定电压为380V，功率为4kW，总功率为200kW，所有加 热棒共分为17组，其中16组为12kW，1组为8kW，由控制系统控制，通过控制电加热器的开 启个数来调节电加热水箱内热水的升温速度。
6.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是试验段冷、 热水的进出口温度均由铜-康铜铠装热电偶进行测量。
7.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是单管换热 器(14)在进行传热计算时，试验管外壁温度由点焊在管壁上的镍镉-镍硅热电偶进行测 量，测量截面为3 5个，根据试验管的截面形状不同，使用不同数量的热电偶和不同的分 布方式，壁温计算时采用所有热电偶测量结果的平均值，并通过导热计算得到试验管的内 壁温度，再由对流换热计算最终得到试验管的管内对流换热系数。
8.根据权利要求1所述的多功能宽流程单相对流换热试验装置，其特征是管束换热 器的管侧压降通过第一压差变送器(11)进行测量，壳侧压降通过压差变送器06)进行测 量；单管换热器(14)的管内压降通过第二压差变送器(1 进行测量。
全文摘要
本发明公开了一种多功能宽流程单相对流换热试验装置。包括循环水系统、电加热系统、测量系统、实验段四部分组成。循环水系统由热水循环系统和冷水循环系统两部分组成；电加热系统主要由电加热器和相应的控制系统构成；测量系统包括温度测量、流量测量、压差测量及相应的数据采集系统；实验段由一套管式换热器和一管束换热器并联组成。本发明结构简单，操作灵活方便；设备体积小，数量少、测量精度高；集传热管和管束换热器单相对流换热和流动阻力测试于一体，可以在层流区、过渡区和紊流区的很宽的雷诺数范围内对不同形状、不同几何尺寸的传热管和不同布管方式的换热器进行传热特性及流动阻力特性的试验研究。
文档编号G01N25/20GK102081060SQ20101058737
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者孙中宁, 朱升, 王鸾, 范广铭, 阎昌琪 申请人:哈尔滨工程大学