專利名稱：多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單相對流換熱試驗(yàn)裝置，特別是一種多功能寬流程單相對流換熱 試驗(yàn)裝置，屬于傳熱學(xué)和強(qiáng)化換熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著世界能源危機(jī)的不斷加深，能源的高效利用和轉(zhuǎn)化已成為社會可持續(xù)發(fā)展所 面臨的重要課題。隨著“節(jié)能”概念的提出，人們對換熱設(shè)備緊湊化、高效化和低成本化的 要求越來越高。近年來人們研究開發(fā)出不少強(qiáng)化換熱管，如螺紋槽管、波浪管、扁管、微肋管 等。這些強(qiáng)化換熱管性能如何？使用這些強(qiáng)化管制成的換熱器是否比現(xiàn)有的光管管殼式換 熱器具有更高的換熱能力？適合哪些工作介質(zhì)？這些都是值得我們認(rèn)真研究的問題。傳熱和流動阻力特性不僅是考查換熱元件和換熱器綜合傳熱能力的重要指標(biāo)，而 且也是進(jìn)行傳熱管優(yōu)化設(shè)計(jì)和換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)。試驗(yàn)是獲得換熱元件和換熱器傳熱與阻力性能的根本手段，而試驗(yàn)裝置則是保障 試驗(yàn)條件、獲取可靠數(shù)據(jù)必須倚靠的硬件設(shè)施。目前市場上銷售的相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)僅能用作 教學(xué)和演示，無法達(dá)到科研試驗(yàn)的要求。而從已公開的專利設(shè)計(jì)來看，以水為介質(zhì)進(jìn)行換 熱器傳熱與阻力性能研究的試驗(yàn)裝置很少，且研究對象具有單一性(僅針對“板翅式換熱 器，，，專利申請?zhí)?200810093929. 8)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū)的很寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)研究 單管和管束換熱器傳熱及流動阻力特性的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置。為了解決上述問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案—種多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，主要由水池、自吸式高壓泵、過濾器、 高位水箱、穩(wěn)壓器、渦輪流量計(jì)、試驗(yàn)段、電加熱水箱、高壓管道泵、溫度測量系統(tǒng)、壓差測量 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。所述的試驗(yàn)段分為單管換熱器和管束換熱器，換熱器均采用逆流換熱方式，兩換 熱器冷、熱水的進(jìn)、出口均連接相同管路，相互間用閥門隔開。所述換熱器的冷水入口分為兩個支路，其中一條支路通過管線依次連接渦輪流量 計(jì)、穩(wěn)壓器、過濾器、自吸式高壓泵和水池，另一條支路通過管線連接高位水箱，高位水箱的 進(jìn)水管依次連接過濾器、自吸式高壓泵和水池，溢流管直接連接水池。所述的換熱器冷水出口分為兩個支路，其中一條支路通過管線連接水池，另一條 支路直接向環(huán)境排放。所述換熱器的熱水入口通過管線依次連接渦輪流量計(jì)、穩(wěn)壓器、過濾器、高壓管道 泵和電加熱水箱。所述換熱器的熱水出口通過管線連接電加熱水箱。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是自吸式高壓泵和高壓管道泵均設(shè)有旁通 回路，其中自吸式高壓泵的旁通回路與水池連接，高壓管道泵的旁通回路與電加熱水箱連接，旁通回路通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)壓頭與流量。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，冷水渦輪流量計(jì)和熱水渦輪流量計(jì)均采用流量計(jì) 組，其中，冷水渦輪流量計(jì)組由三臺渦輪流量計(jì)組成，測量范圍可達(dá)0. 4m3/h 40m3/h，流 量大小由調(diào)節(jié)閥控制，熱水渦輪流量計(jì)組由兩臺渦輪流量計(jì)組成，測量范圍可達(dá)0. 4m3/h 20m3/h，流量大小由調(diào)節(jié)閥控制。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)要求的冷水流量低于流量計(jì)的最小測量值 時，可采用高位水箱提供穩(wěn)定的壓頭，并由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)冷水流量的大小，流量測量 采用稱重法。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，電加熱水箱內(nèi)設(shè)有加熱棒，單根加熱棒的額定電壓 為380V，功率為4kW，總功率可達(dá)200kW，所有加熱棒共分為17組，其中16組為12kW，1組 為8kW，由專門的控制系統(tǒng)控制，試驗(yàn)中，通過控制電加熱器的開啟個數(shù)來調(diào)節(jié)電加熱水箱 內(nèi)熱水的升溫速度。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)段冷、熱水的進(jìn)出口溫度均由銅-康銅鎧裝熱 電偶進(jìn)行精確測量。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，單管換熱器14在進(jìn)行傳熱計(jì)算時，試驗(yàn)管外壁溫度 由點(diǎn)焊在管壁上的鎳鎘-鎳硅熱電偶進(jìn)行精確測量，測量截面為3 5個，根據(jù)試驗(yàn)管的截 面形狀不同，使用不同數(shù)量的熱電偶和不同的分布方式，壁溫計(jì)算時采用所有熱電偶測量 結(jié)果的平均值，并通過導(dǎo)熱計(jì)算得到試驗(yàn)管的內(nèi)壁溫度，再由對流換熱計(jì)算最終得到試驗(yàn) 管的管內(nèi)對流換熱系數(shù)。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，所述試驗(yàn)裝置可進(jìn)行管束換熱器和單管換熱器的流 動阻力特性的試驗(yàn)研究。其中，管束換熱器的管側(cè)壓降通過壓差變送器進(jìn)行測量，殼側(cè)壓降 通過壓差變送器進(jìn)行測量；單管換熱器的管內(nèi)壓降通過壓差變送器進(jìn)行測量。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，當(dāng)試驗(yàn)要求的冷水流量低于流量計(jì)的有效測量范圍 時，流動驅(qū)動壓頭由高位水箱提供，流量使用稱重法測量，管內(nèi)壓降改用傾斜微壓水柱壓差 計(jì)進(jìn)行測量，為了保證試驗(yàn)在穩(wěn)定的壓頭下進(jìn)行，高位水箱設(shè)置了溢流管，使水箱液位保持 一個固定的高度。所述單相對流換熱試驗(yàn)裝置，傳熱和阻力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時，除水柱壓差計(jì)和稱重法流 量測量值外，其余溫度、流量和壓降數(shù)據(jù)均由IMP分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入PC機(jī)，采用專門 編制的軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、顯示的操作，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)工況的實(shí)時監(jiān)測，同時還 可以對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤、處理、打印，以供后期深入研究使用。本發(fā)明的有益效果是可實(shí)現(xiàn)單相對流換熱情況下，單管和管束換熱器傳熱及流 動阻力特性的試驗(yàn)研究，是換熱管開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及換熱器技術(shù)革新必不可少的重要試 驗(yàn)裝置。該裝置可試現(xiàn)(1)對不同形狀和不同幾何尺寸的強(qiáng)化管進(jìn)行傳熱和流動阻力的 試驗(yàn)研究。( 對不同布管方式和不同結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器進(jìn)行傳熱和流動阻力的試驗(yàn)研 究。( 試驗(yàn)流程寬，可以在層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū)很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行單管和管束 換熱器的試驗(yàn)研究，并試時記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。(4)測量精度高，試驗(yàn)裝置配備的測量和采集系 統(tǒng)精度均在0. 5級以上；此外，為了保證低雷諾數(shù)下測量的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)裝置還設(shè)有專門的 管路，以便采用稱重法提高流量測量精度。本發(fā)明的試驗(yàn)裝置可以對不同形狀、不同幾何尺寸的單管，以及不同布管方式的管殼式換熱器進(jìn)行單相水_水換熱的試驗(yàn)研究。從而為換熱元件的開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及換 熱器的技術(shù)革新提供可靠的技術(shù)支持。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中采用的單管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a是本發(fā)明中采用的圓管管束換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3b是圖3a的A-A剖視圖。圖4是本發(fā)明中采用的扁管管束換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述圖1-5中各符號的含義為1、水池，2、自吸式高壓泵，3、過濾器，4、高位水箱，5、穩(wěn) 壓器，6、渦輪流量計(jì)，7、調(diào)節(jié)閥，8、熱電偶，9、管束換熱器，10、熱電偶，11、壓差變送器，12、 熱電偶，13、熱電偶，14、單管換熱器，15、壓差變送器(或傾斜微壓水柱壓差計(jì))，16、調(diào)節(jié) 閥，17、電加熱水箱，18、電加熱器，19、高壓管道泵，20、過濾器，21、穩(wěn)壓器，22、渦輪流量計(jì)， 23、調(diào)節(jié)閥，24、熱電偶，25、熱電偶，26、壓差變送器，27、熱電偶，28、熱電偶。29、傳熱管，30、 套管，31、密封墊，32、套管焊接法蘭，33、測壓環(huán)，34、密封法蘭，35、壓緊法蘭，36、螺栓，37、 螺釘，38、密封墊圈，39、密封墊，40、卡套活接，41、套管連接法蘭，42、螺栓。43、接口法蘭， 44、測壓接管，45、封頭，46、管板，47、筒體，48、拉桿，49、折流板。50、接口法蘭，51、測壓接 管，52、封頭，53、管板，54、筒體，55、拉桿，56、折流板。實(shí)施例1 結(jié)合附圖1 整體結(jié)構(gòu)主要由水池1、自吸式高壓泵2、過濾器3、穩(wěn)壓器5、渦輪流量計(jì)6、調(diào)節(jié) 閥7、熱電偶8、管束換熱器9、熱電偶10、壓差變送器11、熱電偶12、熱電偶13、單管換熱器 14、壓差變送器(或傾斜微壓水柱壓差計(jì))15、電加熱水箱17、電加熱器18、高壓管道泵19、 過濾器20、穩(wěn)壓器21、渦輪流量計(jì)22、調(diào)節(jié)閥23、熱電偶24、熱電偶25、壓差變送器26、熱電 偶27、熱電偶28連接組成。用于單管單相對流換熱試驗(yàn)，其技術(shù)方案1是冷水側(cè)，啟動自吸式高壓泵2使冷 水經(jīng)過濾器3、穩(wěn)壓器5、渦輪流量計(jì)6，流量由調(diào)節(jié)閥7進(jìn)行調(diào)節(jié)后進(jìn)入試驗(yàn)段，冷水在試驗(yàn) 段內(nèi)經(jīng)過換熱后，再流經(jīng)出口管路流回到水池1內(nèi)。冷水進(jìn)出口溫度由熱電偶12、熱電偶 13進(jìn)行測量。熱水側(cè)，首先控制電加熱器18將電加熱水箱17內(nèi)的水加熱到指定的溫度，打 開高壓管道泵19將熱水經(jīng)過濾器20、穩(wěn)壓器21、渦輪流量計(jì)22，通過調(diào)節(jié)閥23調(diào)節(jié)流量后 進(jìn)入試驗(yàn)段，熱水在試驗(yàn)段內(nèi)經(jīng)過換熱后，再流經(jīng)出口管路流回到電加熱水箱17。熱水進(jìn)出 口溫度由熱電偶28、熱電偶27進(jìn)行測量。當(dāng)試驗(yàn)要求的冷水流量低于流量計(jì)的有效測量范圍時，單管單相對流換熱試驗(yàn)采 用技術(shù)方案2 自吸式高壓泵2將冷水經(jīng)過濾器3送入高位水箱4，由高位水箱提供壓頭，使 冷水進(jìn)入試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段內(nèi)經(jīng)過換熱后，直接向收集容器排放，由調(diào)節(jié)閥16調(diào)節(jié)流量，采 用稱重法測量流量，熱水循環(huán)方式不變。
用于單管冷態(tài)阻力試驗(yàn)時，其技術(shù)方案是當(dāng)試驗(yàn)要求的冷水流量達(dá)到流量計(jì)的 有效測量范圍時，采用方案1的冷水循環(huán)方式，當(dāng)試驗(yàn)要求的冷水流量低于流量計(jì)的有效 測量范圍時，采用方案2的冷水循環(huán)方式，冷水進(jìn)出口溫度由熱電偶12、熱電偶13進(jìn)行測 量，管內(nèi)壓降由壓差變送器(或傾斜微壓水柱壓差計(jì))15測量。關(guān)閉熱水循環(huán)。用于管束單相對流換熱和阻力試驗(yàn)，其技術(shù)方案是冷水與熱水循環(huán)方式與單管 試驗(yàn)方案1基本相同，只是把單管換熱器14換成管束換熱器9，冷水進(jìn)出口溫度改由熱電偶 8、熱電偶10進(jìn)行測量，熱水進(jìn)出口溫度改由熱電偶25、熱電偶24進(jìn)行測量，管程壓降由壓 差變送器11測量，殼程壓降由壓差變送器26測量。以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)試驗(yàn)管的特點(diǎn)和管束結(jié) 構(gòu)型式的不同，試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)可作出相應(yīng)調(diào)整，在此并未一一列舉。另外，對于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改 進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是主要由水池(1)、自吸式高 壓泵O)、第一過濾器(3)、第二過濾器(20)、高位水箱G)、第一穩(wěn)壓器(5)、第二穩(wěn)壓器 (21)、第一渦輪流量計(jì)(6)、第一渦輪流量計(jì)(22)、試驗(yàn)段、電加熱水箱(17)、高壓管道泵 (19)、溫度測量系統(tǒng)、壓差測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，所述的試驗(yàn)段分為單管換熱器 (14)和管束換熱器(9)，單管換熱器(14)和管束換熱器(9)均采用逆流換熱方式，單管換 熱器(14)和管束換熱器(9)冷、熱水的進(jìn)、出口均連接相同管路，相互間用閥門隔開，所述 單管換熱器(14)和管束換熱器(9)的冷水入口分為兩個支路，其中一條支路通過管線依次 連接第一渦輪流量計(jì)(6)、第一穩(wěn)壓器( 、第一過濾器C3)、自吸式高壓泵( 和水池(1)， 另一條支路通過管線連接高位水箱G)，高位水箱的進(jìn)水管依次連接第一過濾器(3)、 自吸式高壓泵( 和水池(1)，溢流管直接連接水池(1)，所述的單管換熱器(14)和管束換 熱器(9)冷水出口分為兩個支路，其中一條支路通過管線連接水池(1)，另一條支路直接向 環(huán)境排放，所述單管換熱器(14)和管束換熱器(9)的熱水入口通過管線依次連接第二渦輪 流量計(jì)(22)、第二穩(wěn)壓器(21)、第二過濾器(20)、高壓管道泵(19)和電加熱水箱(17)，所 述換熱器的熱水出口通過管線連接電加熱水箱(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是自吸式高 壓泵( 和高壓管道泵(19)均設(shè)有旁通回路，其中自吸式高壓泵O)的旁通回路與水池 (1)連接，高壓管道泵(19)的旁通回路與電加熱水箱(17)連接，旁通回路通過調(diào)節(jié)閥門開 度來調(diào)節(jié)壓頭與流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是第一渦輪 流量計(jì)(6)和第二渦輪流量計(jì)0 均采用流量計(jì)組，其中，第一渦輪流量計(jì)組由三臺渦輪 流量計(jì)組成，測量范圍可達(dá)0. 4m3/h 40m3/h，流量大小由調(diào)節(jié)閥控制，第二渦輪流量計(jì)組 由兩臺渦輪流量計(jì)組成，測量范圍可達(dá)0. 4m3/h 20m3/h，流量大小由調(diào)節(jié)閥控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是在試驗(yàn)要 求的冷水流量低于流量計(jì)的最小測量值時，采用高位水箱(4)提供穩(wěn)定的壓頭，并由調(diào)節(jié) 閥調(diào)節(jié)管束換熱器(9)內(nèi)冷水流量的大小，流量測量采用稱重法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是電加熱水 箱(17)內(nèi)設(shè)有加熱棒，單根加熱棒的額定電壓為380V，功率為4kW，總功率為200kW，所有加 熱棒共分為17組，其中16組為12kW，1組為8kW，由控制系統(tǒng)控制，通過控制電加熱器的開 啟個數(shù)來調(diào)節(jié)電加熱水箱內(nèi)熱水的升溫速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是試驗(yàn)段冷、 熱水的進(jìn)出口溫度均由銅-康銅鎧裝熱電偶進(jìn)行測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是單管換熱 器(14)在進(jìn)行傳熱計(jì)算時，試驗(yàn)管外壁溫度由點(diǎn)焊在管壁上的鎳鎘-鎳硅熱電偶進(jìn)行測 量，測量截面為3 5個，根據(jù)試驗(yàn)管的截面形狀不同，使用不同數(shù)量的熱電偶和不同的分 布方式，壁溫計(jì)算時采用所有熱電偶測量結(jié)果的平均值，并通過導(dǎo)熱計(jì)算得到試驗(yàn)管的內(nèi) 壁溫度，再由對流換熱計(jì)算最終得到試驗(yàn)管的管內(nèi)對流換熱系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置，其特征是管束換熱 器的管側(cè)壓降通過第一壓差變送器(11)進(jìn)行測量，殼側(cè)壓降通過壓差變送器06)進(jìn)行測 量；單管換熱器(14)的管內(nèi)壓降通過第二壓差變送器(1 進(jìn)行測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能寬流程單相對流換熱試驗(yàn)裝置。包括循環(huán)水系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段四部分組成。循環(huán)水系統(tǒng)由熱水循環(huán)系統(tǒng)和冷水循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成；電加熱系統(tǒng)主要由電加熱器和相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成；測量系統(tǒng)包括溫度測量、流量測量、壓差測量及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)段由一套管式換熱器和一管束換熱器并聯(lián)組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活方便；設(shè)備體積小，數(shù)量少、測量精度高；集傳熱管和管束換熱器單相對流換熱和流動阻力測試于一體，可以在層流區(qū)、過渡區(qū)和紊流區(qū)的很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)對不同形狀、不同幾何尺寸的傳熱管和不同布管方式的換熱器進(jìn)行傳熱特性及流動阻力特性的試驗(yàn)研究。
文檔編號G01N25/20GK102081060SQ20101058737
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者孫中寧, 朱升, 王鸞, 范廣銘, 閻昌琪 申請人:哈爾濱工程大學(xué)