模块式微通道换热器标准化实验平台、方法、设备及介质与流程

1.本发明涉及热交换设备测量技术领域，具体涉及一种模块式微通道换热器标准化实验平台、方法、设备及介质。


背景技术：

2.换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，广泛应用于核能、化学、动力、冶金等工业部门中。特别是在舰船、潜艇、飞行器的动力循环系统中，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、航空发动机内动力系统的环保友好性越来越重视，提高效率、降低成本和自然资源消耗是该领域未来发展的方向之一，同时为了使动力系统具备适用于各种复杂环境下的能力，小型化和模块化同样是它发展的目标。目前工业应用中在用的换热器类型主要包括管壳式换热器、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紧凑换热器受到广泛关注，其流道尺寸小、紧凑程度高、焊接方式无焊渣、连接处强度接近母材，具有明显优势。
4.但是在应用微通道紧凑换热器的过程中发现，由于此类换热器一体成型加工，工艺复杂且耗时长，同时常规测试平台占地面积大、系统连接繁杂不易改造，导致测量一种结构的微通道紧凑换热器费时费力。


技术实现要素：

5.为了解决现有测试设备占地面积大、不易改造的问题，本发明提供了一种模块式微通道换热器标准化实验平台。本发明采用模块化结构，能够实现拆装迅速简便。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种模块式微通道换热器标准化实验平台，包括连接成实验回路的测量模块、冷却模块、驱动模块和加热模块，以及连接在驱动模块和加热模块之间作为充气旁路的稳压模块；其中，测量模块，用于对不同结构的待测换热器进行测量，获得待测换热器的进出口热工参数；冷却模块，用于冷却流出待测换热器的实验工质以维持实验平台正常运转；驱动模块，用于驱动实验工质以固定流量运转，保证实验平台的稳定运行；加热模块，用于提前加热实验工质，以保证在待测换热器进口前，提供达到预设温度值的实验工质；稳压模块，用于消纳实验平台内由于加热或冷却使实验工质膨胀或收缩带来的压力波动，维持实验平台的稳定和测量准确。
7.作为优选实施方式，本发明的测量模块包括待测换热器；所述待测换热器热侧的进出口分别与接口法兰焊接固定，所述待测换热器冷侧的
进出口通过管道与提供冷却水的冷源连接；实验工质通过所述待测换热器热侧进入微通道与冷却水之间发生流动换热；所述测量模块整体固定在模块外壳中。
8.作为优选实施方式，本发明的冷却模块包括冷却器；所述冷却器热侧的进出口分别与接口法兰焊接固定，所述冷却器冷侧的进出口通过管道与提供冷却水的冷源连接，实验工质通过热侧进入冷却器进行冷却后达到环境温度后流出所述冷却器；所述冷却模块整体固定在模块外壳中。
9.作为优选实施方式，本发明的驱动模块包括调节阀和驱动泵；所述调节阀与所述驱动泵通过管道并联连接构成实验旁路，并联后的进出口分别与接口法兰焊接固定；实验工质经过所述调节阀并受其调节；所述驱动模块整体固定在模块外壳中。
10.作为优选实施方式，本发明的加热模块包括预热器；所述预热器的进出口分别与接口法兰焊接固定；所述预热器两端的加热电极通过电缆和电源连接并与环境绝缘；所述加热模块整体固定在模块外壳中。
11.作为优选实施方式，本发明的稳压模块包括稳压器；所述稳压器的顶部接口通过软管与气源连接，所述稳压器的底部接口与接口法兰焊接固定；所述稳压模块整体固定在模块外壳中。
12.作为优选实施方式，本发明的模块外壳和接口法兰为标准化器件；且各个模块的模块外壳尺寸相同。
13.作为优选实施方式，本发明的模块外壳采用集装箱或压力容器；所述接口法兰采用平法兰或对焊法兰。
14.作为优选实施方式，本发明的测量模块和/或冷却模块和/或加热模块能够根据实际需要进行更改和/或增减。
15.作为优选实施方式，本发明的各个模块之间能够任意增加测量仪表或调节阀门。
16.作为优选实施方式，本发明的实验平台仅通过拆装测量模块，即可实现不同待测换热器的更换。
17.第二方面，本发明还提出了基于如上所述的模块式微通道换热器标准化实验平台的性能测量方法，包括：完成标准化实验平台的搭建；通过稳压模块向所述实验平台内充入预设量的实验工质，随后再冲入稳压气体，使实验回路稳定到预设压力；启动实验平台，通过调整冷却模块、驱动模块和加热模块，使待测换热器热侧进口处的实验工质的热工参数达到预设值；测量待测换热器冷热两侧进出口实验工质的热工参数，计算获得该换热器的流动传热性能。
18.第三方面，本发明提出了基于上述模块式微通道换热器标准化实验平台的数据处
理方法，包括：获取待测换热器热侧实验工质的参考温度和压力；根据所述参考温度和压力，得到热侧实验工质的雷诺数和普朗特数；根据待测换热器的换热面积、换热量和平均温差，计算得到待测换热器的传热系数；计算得到待测换热器的沿程压降；重复上述步骤，即可测量得到传热系数以及沿程压降随雷诺数和普朗特数变化的值。
19.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。
20.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。
21.本发明具有如下的优点和有益效果：常规换热器性能实验平台系统庞大难以拆装运输，并且更换待测换热器时所需工装较多，不便于操作。本发明与之相比，一方面采用模块化结构，拆装迅速简便，可以快速实现多种微通道换热器的性能测量，甚至可以将多个测量模块进行并联，同时测量多种微通道换热器的性能；另一方面各个结构采用标准化部件，增减简单，可以根据不同的环境参数要求串联连接加热模块或冷却模块，简化了测试环境，提高了实验平台的复用性和标准化程度，广泛应用于微通道换热器性能测量。
22.本发明基于提出的标准化实验平台以及相应的换热器性能测量方法，可快速获取不同结构的微通道紧凑换热器流动传热性能，为建立微通道紧凑换热器实验数据库和优化微通道紧凑换热器提供了技术支撑和数据支撑。
附图说明
23.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为本发明的实验平台结构示意图。
24.附图中标记及对应的零部件名称：1-待测换热器，2-冷却器，3-调节阀，4-驱动泵，5-稳压器，6-预热器，7-模块外壳，8-接口法兰，9-电源，10-冷源，11-气源。
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.实施例：针对传统的微通道紧凑换热器性能实验平台，其存在占地面积大，系统复杂，不便于更换改装等问题，本发明实施例提供了一种模块式微通道换热器标准化实验平台，其主要包括测量模块a、冷却模块b、驱动模块c、加热模块d和稳压模块e，且测量模块a、冷却模块b、驱动模块c和加热模块d通过管路和接口法兰顺次连接成实验回路，稳压模块e作为充气旁路通过管道和三通连接在驱动模块c和加热模块d之间。具体的：测量模块a，用于提供多种不同结构的微通道紧凑换热器待测样机，测量待测换热器的进出口热工参数。
32.冷却模块b，用于冷却流出待测换热器的实验工质，避免工质温度过高损伤驱动模块c，维持系统正常运转。
33.驱动模块c，用于驱动实验工质，保持固定的流量运转，保证系统的稳定运行。
34.加热模块d，用于提前加热实验工质，以保证在待测换热器进口前，提供从室温到500℃之间的任意温度的实验工质。
35.稳压模块e，用于消纳实验平台内由于加热或冷却使实验工质膨胀或收缩带来的压力波动，维持实验平台的稳定和测量准确。
36.本发明实施例提出的标准化实验平台按功能进行模块化并采用标准化部件，便于拆装和更换，提高了实验平台的复用性和标准化程度，解决了现有实验平台系统复杂，不便
于更换和拆装，适用范围窄的问题。
37.具体如图1所示，本发明实施例的测量模块a包括待测换热器1。其中待测换热器1为具有冷热两侧进出口共四个接口的换热设备，待测换热器1热侧的进出口分别与接口法兰8通过焊接固定，待测换热器1冷侧的进出口通过管道与提供冷却水的冷源10连接，整体固定在模块外壳7中。实验工质通过待测换热器1热侧进入微通道与冷却水之间发生流动换热。
38.本发明实施例的冷却模块b包括冷却器2。其中冷却器2为具有冷热两侧进出口共四个接口的换热设备，冷却器2热侧的进出口分别与接口法兰8通过焊接固定，冷却器2冷侧的进出口通过管道与冷源10连接，整体固定在模块外壳7中。温度较高的实验工质通过热侧进入冷却器进行冷却后达到环境温度附近后流出冷却模块。
39.本发明实施例的驱动模块c包括调节阀3、驱动泵4，其中调节阀3与驱动泵4通过管道并联连接构成实验旁路，并联后的进出口分别与接口法兰8通过焊接固定，整体固定在模块外壳7中。实验时，实验工质经过调节阀3并受其调节，以精确调节整个实验平台的流量大小。
40.本发明实施例的加热模块d包括预热器6，其中，预热器6的进出口分别和接口法兰8通过焊接固定，预热器6采用两端加电直接加热方式，两端电极通过电缆和电源9连接并与环境绝缘，整体固定在模块外壳7中。
41.本发明实施例的稳压模块e包括稳压器5，其中，稳压器5的顶部接口与气源11通过软管连接，稳压器5的底部接口与接口法兰8通过焊接固定，整体固定在模块外壳7中。
42.本发明实施例中的模块外壳和接口法兰为标准化器件，模块外壳用于容纳各模块，接口法兰用于提供各个模块之间的连接接口。因为各个模块的模块外壳尺寸完全相同，便于加工制造和模块化组装，大幅减少实验平台的占地面积。具体的，本发明实施例的模块外壳可采用集装箱、压力容器等壳体，且规格完全相同易于模块化拆装以及运输，所有模块上的接口法兰可使用包括平法兰、对焊法兰等种类的法兰。
43.本发明实施例图1仅给出了包括一个测量模块a、一个冷却模块b、一个驱动模块c、一个加热模块d和一个稳压模块e的结构实例，但不对此进行限制，在另外的优选实施例中，还可根据实际需求且不影响平台正常运行的前提下对各模块进行更改、增加或减少，例如，增加测量模块的数量用来同时测量多个微通道紧凑换热器；或者可根据实验平台所测参数范围的要求，对冷却模块b和加热模块d进行增减以改变实验平台的热负荷和冷却能力，即通过管道串联多个冷却模块b和/或加热模块d来增加实验平台的冷却能力和/或加热能力。
44.本发明实施例还可在实验平台的各个模块之间任意增加测量仪表或者调节阀门，例如可在测量模块前后增加热电偶和压力变送器以测量微通道紧凑换热器的进出口温度和压力，或者在实验回路增加调节阀以控制流量。
45.本发明实施例的实验平台各个模块之间的连接管道采用金属或非金属等结构材料。
46.本发明实施例的实验平台可适用的待测换热器包括多种内部结构和尺寸的微通道紧凑换热器、板式换热器、套管式换热器等各类换热设备，可采用的实验工质包括二氧化碳、水、氦气等不同流体。
47.本发明实施例的冷却模块b中的冷却器可采用蛇形管换热器、套管式换热器等多
种冷却设备，冷却液体可采用水、油等液体。
48.本发明实施例的驱动模块c中的驱动泵可采用离心泵、磁力泵等驱动流体的设备。
49.本发明实施例的加热模块d中的加热器可采用直接加热、间接加热等形式的加热设备。
50.本发明实施例的稳压模块e中的稳压器所用稳压气体可采用氮气、氦气等惰性气体。
51.本发明实施例还提出了基于上述标准化实验平台的换热器性能测量方法，该方法包括如下步骤：（1）根据待测微通道换热器的参数范围，选择所需的冷却模块b和加热模块d数量，分别完成每个模块的内部连接和固定，包括选择待研究的待测微通道紧凑换热器，将其装入测量模块a中。
52.（2）将各个模块通过金属支架固定在模块外壳7内，将相应接口连接至尺寸统一的接口法兰8上，完成各个模块之间的连接和固定，并根据实际需要设置测量仪表（包括温度、压力、流量等参数测量仪表），将各个模块通过管道连接至对应接口法兰8，将电气、仪控、气体、冷却管道连接至相应的电源9、冷源10和气源11上，从而完成实验平台的搭建。
53.（3）利用气源11通过稳压器5向实验平台内充入预设量的实验工质，随后再充入稳压气体，使系统稳定到预设压力。
54.（4）启动实验平台，通过调整冷却模块b、驱动模块c和加热模块d（即调整模块中的预热器6、调节阀3和冷却器2），使待测换热器1热侧进口处的实验工质的温度、压力、流量等参数达到某一预设值，分别为t、p、m；调整待测换热器1冷侧实验工质的温度、压力、流量等参数达到某一预设值，分别为t、p、m。
55.（5）通过测量待测换热器1热侧实验工质出口的温度和压力，分别为t’、p’；同时测量待测换热器1冷侧实验工质出口的温度和压力，分别为t’、p’，即可根据下式计算获得该换热器热侧实验工质的流动传热性能：首先获得热侧实验工质的参考温度和压力，分别为（t+ t’）/2和（p+ p’）/2，根据实验工质的物性表，查找计算可得热侧实验工质的雷诺数re和普朗特数pr：
56.下一步计算待测换热器1的传热系数k，定义式如下所示：
57.其中a为待测换热器1的换热面积，为已知值，q为待测换热器1的换热量，由任一侧工质的进出口焓值之差乘以流量获得，如下所示：
58.其中h(t,p)和h(t’,p’)分别为热侧实验工质的进口和出口焓值。
59.其中δt为待测换热器1的平均温差，定义如下所示：
60.综上，可以获得在某一re和pr下，待测换热器1的传热系数k以及沿程压降δp=p-p’。完成该预设值下参数的测量后，继续调整冷却模块b、驱动模块c和加热模块d以进行下一个测量点，重复上述步骤，即可测量获得待测换热器1在热侧实验工质下的流动换热性能，即传热系数k以及沿程压降δp随re和pr变化的变化值。
61.本发明实施例基于上述提出的标准化实验平台，如果想改变待测微通道紧凑换热器结构，只需要拆除法兰断开测量模块a、切除待测换热器1的进出口管线，更换换热器后再将该模块重新连接即可。
62.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动换热性能计算过程。
63.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。
64.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。
65.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。
66.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。
67.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动换热性能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。
68.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。