微通道换热器流量分配特性测量装置、方法、设备和介质与流程

1.本发明涉及流量测量技术领域，具体涉及一种微通道换热器流量分配特性测量装置、方法、设备和介质。


背景技术：

2.换热器是调配不同物流之间能量、完成热量输运的通用工艺设备，广泛应用于发电、化工、动力、冶金等大量行业中，尤其是在以超临界二氧化碳为工质的动力循环系统中，换热器对于传递、调配工质之间的能量有着重要作用。
3.随着科技水平的不断提升，人们对核电站、火电站、航空发动机所涉及的动力系统的特殊应用场景越来越重视，缩小设备体积、提高效率、降低设备制造运行成本和自然资源消耗是换热器未来发展的方向之一。目前在常规工业领域在用的换热器主要包括管壳式换热器、套管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等，它们不能同时满足换热比表面积大、焊接强度高、体积小的要求。近年来，随着工业制造水平的提升，以高精度化学蚀刻和真空扩散焊为工艺核心的微通道换热器逐渐走向应用阶段，其微通道尺寸小、紧凑程度高，焊接方式无焊渣、连接处强度接近母材强度，具有明显优势。但是在实际测试微通道换热器的过程中发现，由于此类换热器通道微小且数量庞大，运行工况下工质流速较高，可以观察到工质对换热器的磨损程度与位置有关，可见不同位置的流量分配并不均匀，甚至会影响传热性能。
4.然而，微通道紧凑换热器通过扩散焊接一体成型，往往截面积较大、微通道数量非常多，现有出现的实验装置仅能测量汇总后的流量，无法实现对不同位置流量的测量。


技术实现要素：

5.为了研究微通道换热器不同位置的流量分配对传热性能的影响，从而提高微通道换热器的传热性能，本发明提供了一种微通道换热器流量分配特性测量装置。本发明通过测量并得到微通道换热器不同位置的流量分配情况，为微通道换热器的传热性能的研究提供了技术支撑。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种微通道换热器流量分配特性测量装置，包括控制机构、夹持机构、摄像机构和稳压机构；所述控制机构，用于控制热工参量以保证待测换热器进口处在设计工况；所述夹持机构，用于固定待测换热器，并进行可视化流量分配测量；所述摄像机构，用于拍摄待测换热器下游示踪粒子运动情况并计算待测换热器流量分配情况；所述控制机构和夹持机构通过管路连接构成回路，作为实验支路；所述稳压机构作为充气支路，连接到所述实验支路，为所述实验支路提供工质并稳定实验支路的整体压力。
7.相较于传统的总流量测量装置，本发明提出的测量装置通过模块化设计、可视化流量分配测量技术，能够实现不同结构的微通道换热器流量分配特性测量。同时本发明采用模块化设计，便于安装和维护。本发明通过夹持机构，可实现不同种类待测本体的快速更换，能够适用于多种类型微通道换热器的流量分配特性测量，适用范围广；另外，仅通过拆装夹持机构，即可实现待测换热器本体的更换，而其他模块装置无需重新拆装，从而提高了测量效率。
8.作为优选实施方式，本发明的控制机构包括冷却器、驱动泵、粒子发生器、预热器、调节阀和截止阀；所述冷却器、驱动泵、粒子发生器和预热器通过管道连接；所述调节阀安装在所述预热器的下游位置；所述截止阀安装在所述冷却器和驱动泵之间以控制实验支路开关；所述冷却器还通过管道连接冷却液体；所述粒子发生器用于向实验支路管路中投入示踪粒子；所述预热器用于对流经的工质进行加热。
9.本发明通过设置包括预热器、调节阀等设备的控制机构，能够实现工质温度、压力等参数可调，提高了测量装置的可控性，从而保证测量的准确性和可靠性。
10.作为优选实施方式，本发明的夹持机构包括待测换热器、可视化夹持装置和夹持螺栓螺母；所述可视化夹持装置为采用透明材料制成的空腔容器，由上游部分和下游部分组成，其中，所述上游部分模拟换热器封头呈半圆形，所述下游部分的长度大于湍流影响距离，且两部分和待测换热器的截面大小相同；所述夹持螺栓螺母将待测换热器和可视化夹持装置固定为整体，该整体的上游部分通过管道连接所述控制机构的下游，该整体的下游部分通过管道连接所述控制机构的上游。
11.本发明通过设置可拆卸的夹持机构，便于待测换热器本体的拆装，可根据实际要求更换不同种类的待测换热器本体，可广泛应用多种类型结构的换热器流量分配测量。
12.作为优选实施方式，本发明的摄像机构包括光源和摄像机；所述光源和摄像机分别设置在所述夹持机构的相对两侧；所述光源用于产生脉冲激光，脉冲激光通过光学反射系统后形成片光源照射所述夹持机构；所述摄像机用于拍摄所述夹持机构下游待测截面上的粒子位置，从而得到待测换热器下游流体的运动速度场以及流量分配情况。
13.本发明采用高速摄像技术，能够获取更加准确可靠的流体运动速度场，进而提高测量的准确性和可靠性。
14.作为优选实施方式，本发明的稳压机构包括顺次连接的稳压器、稳压气瓶和截止阀；所述稳压机构通过所述截止阀接入所述实验支路；所述稳压气瓶用于为所述稳压器提供稳压气体。
15.本发明实施例通过稳压装置，保证了系统内部压力的稳定性，保证测量的准确性
和可靠性。
16.作为优选实施方式，本发明的工质采用二氧化碳、氦气、氩气、水、血液或氯化钠。
17.作为优选实施方式，本发明的夹持机构至少部分采用透明材料制成，所述透明材料为亚克力或玻璃。
18.作为优选实施方式，本发明的示踪粒子采用玻璃微珠或烟尘颗粒，且直径为1μm-1mm。
19.第二方面，本发明还提出了基于上述测量装置的测量方法，该方法包括：通过充气支路向所述实验支路充入工质后，再充入稳压气体使工质达到预设压力；启动所述控制机构，控制工质在所述夹持机构入口的温度、压力、流量和示踪粒子浓度达到预设值；启动所述摄像机构，对所述夹持机构内工质中示踪粒子的运动状态进行拍摄；通过拍摄结果得到待测换热器下游粒子速度分布，从而计算得到待测换热器的流量分配情况。
20.作为优选实施方式，本发明在充入工质步骤之前还包括：对所述测量装置进行密封性检查：检测所述测量装置的密封性是否符合要求；对所述摄像机构进行标定试验：检测所述摄像机构各设备是否正常运行；对所述控制机构进行功能性测试：确定所述控制机构各设备的基本功能是否完好，是否满足试验中的运转要求。
21.第三方面，本发明提出了基于上述测量装置的数据处理方法，该方法包括：通过摄像机构获取待测截面上所有区域的流量；根据所有区域的平均流量计算得到待测截面的平均流量；根据待测截面上所有区域的流量以及计算得到的待测截面的平均流量，计算得到流量分配系数；通过改变试验参数，能够得到待测换热器的流量分配特性曲线。
22.作为优选实施方式，本发明通过下式计算得到一种待测换热器结构的流量分配系数：式中，lf（re，μ）为re和μ下的流量分配系数；为待测截面的流量平均值；q(i,j)为小区域(i,j)的流量大小，re代表流体湍流程度大小；μ代表流体粘性大小；其中，re和μ与工质的流速、温度、压力和种类相关；m为待测截面离散的每行的小区域数量，n为待测截面离散的行数。
23.第四方面，本发明提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述数据处理方法的步骤。
24.第五方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述数据处理方法的步骤。
25.本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明相较于传统的总流量测量技术，可以测量不同结构的微通道换热器流量分配情况，广泛适用于不同结构的微通道换热器的性能研究。
26.本发明具备结构简单、方便安装、测量快速等优点。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明实施例的测量装置结构示意图。
28.附图中标记及对应的零部件名称：1-待测本体，2-可视化夹持装置3-冷却器，4-驱动泵，5-粒子发生器，6-调节阀，7-预热器，8-光源，9-摄像机，10-稳压器，11-稳压气瓶，12-夹持螺栓螺母，13-截止阀。
具体实施方式
29.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
30.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
31.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
32.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
33.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
35.实施例：为了研究微通道紧凑换热器不同位置处的流量分配情况对其传热性能的影响，本发明实施例提供了一种微通道换热器流量分配特性测量装置，该装置包括：控制机构，用于控制示踪粒子浓度、工质流量、温度和压力等热工参量以保证进口处在设计工况。
36.夹持机构，用于将待测本体与测量装置整体固定，并通过可视化部分进行流量分配测量。
37.摄像机构，用于拍摄待测本体下游示踪粒子运动情况并计算流量分配情况。
38.稳压机构，用于稳定测量装置整体压力不随运行温度和流量发生较大变化，保证测量装的安全稳定和测量准确。
39.本实施例的控制机构、夹持机构、稳压机构之间全部通过管道连接。其中，控制机构和夹持机构构成测量装置的实验支路，稳压机构作为充气支路连接到实验支路。
40.具体如图1所示，本实施例的控制机构包括冷却器3、驱动泵4、粒子发生器5、预热器7、调节阀6、截止阀13；其中，冷却器3、驱动泵4、粒子发生器5和预热器7沿工质流向依次通过管道连接并固定，调节阀6安装在预热器7下游位置以精确控制测量装置的流量大小，在冷却器3和驱动泵4之间安装截止阀13以控制实验支路开关，在稳压器10和驱动泵4之间安装截止阀13以控制充气支路开关，故本发明实施例通过控制机构可实现工质的流量、压力、温度等参数的调节，保证测量的准确性和可靠性。
41.本实施例的控制机构在具体应用时，冷却器3通过管道连接冷却液体。粒子发生器5在上部投入示踪粒子。预热器7通过电缆连接两端电极，从而实现对工质进行加热。调节阀6连接在预热器7和夹持机构之间以控制测量装置的总流量大小。
42.本实施例的夹持机构包括待测本体1、可视化夹持装置2、夹持螺栓螺母12。其中，待测本体1为微通道紧凑换热器，根据待测微通道结构可以实现简单更换测量。可视化夹持装置2为由透明材料制成的空腔容器，可视化夹持装置2由上游部分和下游部分两部分组成，上游部分模拟换热器封头呈半圆形，下游部分的长度远大于湍流影响距离，且两部分和待测本体1的截面大小相同。夹持螺栓螺母12为带螺母的双端螺柱，将待测本体1设置在上游部分和下游部分之间，通过拧紧螺母压紧可视化夹持装置2的上游部分和下游部分以固定待测本体1。
43.本实施例的摄像机构包括光源8、摄像机9。其中，光源8可发出固定能量的脉冲激光，通过光学系统反射后形成片光源照亮可视化夹持装置2内部空间，摄像机9能够拍摄照亮区域的位置。光源8和摄像机9分别安装在可视化夹持装置2的两侧，实验时，光源8发出的单脉冲激光通过反射、散射后形成片状光源照射可视化夹持装置2内一个截面上的全部示踪粒子，而摄像机9通过短时间内连续拍摄光源截面上的粒子位置，即可推算出待测本体下游流体的运动速度场以及流量分配情况。
44.本实施例的稳压机构包括稳压器10和稳压气瓶11。 其中，稳压器10和稳压气瓶之间通过管道连接，由稳压气瓶11向稳压器10充入稳压气体。在测量装置内充满待测工质后
再充入稳压气体保证测量装置内的压力基本稳定，稳压器10通过截止阀和管道连接至实验支路。
45.进一步的，本发明实施例可测量的工质包括二氧化碳、氦气、氩气等气体以及水、血液、氯化钠溶液等液体。
46.在另外的优选实施方式中，上述测量装置中各个设备的连接顺序可以在不影响正常使用的前提下更改、增加或减少，例如截止阀和调节阀的数量及位置，且连接管道的材料可采用金属、非金属等。
47.进一步的，本发明实施例的待测本体包括各种内部结构、各种尺寸且截面形状包括矩形、正方形或圆形等各种形状的微通道紧凑换热器。
48.进一步的，本发明实施例的可视化夹持机构2所采用的透明材料可以是亚克力、玻璃等。
49.进一步的，本发明实施例采用的冷却器包括但不限于蛇形管换热器或套管式换热器等多种冷却设备，且冷却液体包括但不限于水或油等。
50.进一步的，本发明实施例采用的驱动泵包括但不限于离心泵或磁力泵等流体驱动设备。
51.进一步的，本发明实施例采用的示踪粒子包括但不限于玻璃微珠或烟尘颗粒等多种跟随性好的粒子，且直径在1μm-1mm范围附近。
52.进一步的，本发明实施例采用的预热器包括但不限于直接加热或间接加热等多种形式的加热设备。
53.进一步的，本发明实施例采用的稳压气体包括但不限于氮气或氦气等多种惰性气体。
54.进一步的，本发明实施例的光源和摄像机可分布采用单脉冲红宝石激光器和高速摄像仪。
55.基于上述测量装置实现不同位置的流量分配情况测量，具体过程包括：将夹持机构、冷却器3、截止阀13、驱动泵4、粒子发生器5、预热器7和调节阀6顺次连接构成回路，作为实验支路；将稳压气瓶11、稳压器10和截止阀13顺次连接构成充气支路连接至实验支路的冷却器3和截止阀13之间；将光源8和摄像机9分别安装在可视化夹持装置2两侧。
56.通过充气支路向实验支路中充入测量用工质后，再充入稳压气体使工质达到设计压力（充气步骤如下：首先使用含有工质的容器11经过稳压器10，向整个回路内充气，直至系统压力升高到接近设计压力；其次更换为含有稳压气体的容器11，同样经过稳压器10向回路内注气，由于两种气体不会混溶，因此稳压气体从稳压器10的上端入口向下压缩工质，使系统压力达到设计压力，完成充气）；启动驱动泵直至测量装置内工质运行稳定；启动并调节预热器7、粒子发生器5，控制待测工质在可视化夹持装置2入口的温度、压力、流量和示踪粒子浓度达到预设值；开启摄像机构，对可视化夹持装置2内流体中示踪粒子的运动状态进行拍摄；最后，通过拍摄的示踪粒子的运动状态得到待测截面的粒子速度分布，即可计算获得待测本体的流量分配情况。
57.另外，本发明实施例还可在充入待测工质之前检查测量装置的密封性，即检测测
量装置的密封性是否符合测量要求，以保证测量的准确性和可靠性。
58.本发明实施例还可在充入待测工质之前对摄像机构进行标定试验，即检测高速摄像仪和光源是否正常运行，可采用固定的粒子浓度和水工质进行测量，通过高速摄像仪拍摄的结果，并判断根据拍摄结果计算出粒子浓度和投放的浓度是否相同，从而检测高速摄像仪和光源是否正常运行。
59.本发明实施例还可在充入待测工质之前对控制机构进行功能性测试，即确定控制机构中驱动泵、预热器等设备的基本功能是否完好，能否满足试验中的运转要求。
60.本发明实施例中，一种待测本体的流量分配特性计算过程如下：流量分配数lf的计算公式为：
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（1）其中，为待测截面的流量平均值。
61.q代表某一小区域的流量大小。
62.re代表流体湍流程度大小。
63.μ代表流体粘性大小。
64.待测本体的待测截面为尺寸m*n的矩形，而摄像机构的空间分辨率为a*a，因此整个待测截面能够离散为m*n（m为待测截面离散的每行的小区域数量，n为待测截面离散的行数）个小区域，其中m=m/a, n=n/a。使用一种工质，调节驱动泵改变流量，通过摄像机构可以获得待测截面上所有区域的流量q(i,j)，其中1≤i≤m，1≤j≤n。根据式（1）所示公式，通过流量测量可以获得某一固定re和μ（其中，re和μ与工质的流速、温度、压力和种类相关）下的流量分配数lf，改变试验参数，就能获得一族曲线，即为该待测本体的流量分配特性。
65.本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的流量分配特性计算过程。
66.计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(rom)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(ram)，ram通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。
67.计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型sd卡)，cd-rom，数字通用光盘(dvd)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。
68.计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通
过网络接口（局域网lan接口）与网络终端相连接。局域网(lan)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。wifi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。
69.应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。
70.如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行流量分配特性计算过程的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。