CN100495005C - 基于换热器翅片单元的性能试验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于换热器翅片单元的性能试验装置，属于能源及化工技术领域，测试装置包括油路管道系统、恒温油浴、测试段、保温水箱和数据测试/采集系统组成。测试段包括测试翅片、翅片框、第一紫铜基板、第二紫铜基板、第一薄膜加热片、第二薄膜加热片、第一绝热框、第二绝热框、第一绝热板、第二绝热板、第一密封垫、第二密封垫、夹具、进油管、出油管、热电偶、进口铂电阻、出口铂电阻、第一引压管、第二引压管、进口压力传感器、出口压力传感器和数字功率表。本发明测试段置于保温水箱中降低热平衡误差，使用电加热片提供热源，并采用单层翅片为测试对象，避免换热器内部物流不均匀而导致的测量误差，具有测试精度高、操作简单、试验成本低的优点。

Description

基于换热器翅片单元的性能试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种试验装置，具体是一种基于换热器翅片单元的性能试验装置，属于能源及化工技术领域。

背景技术

国内外生产换热器的厂家众多，对换热器进行换热及阻力的测定是较为常见的试验手段。传统的试验是以多层换热单元组成的整体换热器为研究对象，通过水冷或风冷方式来测定强化传热表面侧的流动及传热特性。这种测试方法较为常见，但也带来一些缺点。以板翅式机油冷却器为例，该换热器由多层芯片钎焊而成，机油流过冷却器的各层芯片，冷却水逆向流过芯片外侧，从而进行换热。每层芯片的结构紧凑且流通截面小；油道入口的导流设计与制造精度的影响使各层芯片的结构不尽相同，各方面因素综合导致各层芯片内的机油流量和换热量并不相同。

经对现有技术的文献检索发现，《上海交通大学学报》，2005，2，板翅式机油冷却器性能仿真与优化，报道：某型12层芯片的油冷器，各层流量分布呈“S”型分布，而各层换热量呈“浴盆”状分布，各层换热量最大差异为64％。如果改变试验工况、芯片层数或翅片几何参数，推广换热器的试验结论并不可行，因此设计新产品时必须进行重复试验。此外，传统试验采用水冷或风冷方式进行冷却，通过分离法分离冷侧热阻从而得到热侧换热系数，这种方法会将冷侧测定的误差以及分离法的计算误差引入到热侧的测试结果中。检索中还发现，《内燃机学报》，1998，16(12)，不同错开位置的锯齿翅片的热力特性研究，报道的试验测试装置是针对多层换热单元钎焊而成的换热器为研究对象的，存在各通道内流动不均的现象。

发明内容

为了克服已有技术的局限性，本发明设计一种基于换热器翅片单元的性能试验装置。本发明为避免换热器各层单元换热的不均匀，采用单层翅片作为研究对象；为避免冷侧测定引入的误差，采用电加热方式直接测定表面的流动及传热特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明由油路管道系统、恒温油浴、测试段、保温水箱和数据测试/采集系统组成。其中油路管道系统包括齿轮油泵、第一管路调节阀、第二管路调节阀、质量流量计和板式换热器。测试段包括测试翅片、翅片框、第一紫铜基板、第二紫铜基板、第一薄膜加热片、第二薄膜加热片、第一绝热框、第二绝热框、第一绝热板、第二绝热板、第一密封垫、第二密封垫、夹具、进油管、出油管、热电偶、进口铂电阻、出口铂电阻、第一引压管、第二引压管、进口压力传感器、出口压力传感器和数字功率表。数据测试/采集系统包括一台数据采集仪及计算机。

油路管道系统连接齿轮油泵，齿轮油泵另一端连接两个调节阀，第一管路调节阀通入恒温油浴，第二管路调节阀另一端连接质量流量计，质量流量计另一端连接测试段的进油管，测试段的出油管连接板式换热器的进油口，板式换热器出油口连接到恒温油浴中，完成一个油路循环系统。

测试段置于保温水箱中，其中，测试翅片和翅片框构成翅片组件；翅片组件上方的第一紫铜基板、第一薄膜加热片、第一绝热框、第一绝热板和第一密封垫构成测试段的上组件；翅片组件下方的第二紫铜基板、第二薄膜加热片、第二绝热框、第二绝热板和第二密封垫构成测试段的下组件。采用夹具将翅片组件、测试段上组件和下组件安装夹紧。

所述的翅片组件中，测试翅片安装于翅片框内，翅片框两端开有“V”型孔与翅片侧连通。

所述的测试段的上组件中，第一密封垫设置在翅片组件上方，第一密封垫上方设有与翅片框外形尺寸相同的第一紫铜基板，第一紫铜基板上表面钻有15个小孔，分别安装热电偶；第一紫铜基板上侧覆盖粘贴与测试翅片尺寸相同的第一薄膜加热片，第一薄膜加热片也有相同位置的小孔，热电偶从小孔内穿出；与翅片框相同尺寸的第一绝热框嵌套于第一薄膜加热片外侧，第一绝热框上开有加热片电源线及热电偶引线的引出槽；加热片电源线连接数字功率表；第一绝热框上方是与紫铜基板相同尺寸的第一绝热板。

所述的测试段下组件中，第二密封垫设置在翅片组件下方，第二密封垫下方设有与翅片框外形尺寸相同的第二紫铜基板，第二紫铜基板下表面钻有15个小孔，分别安装热电偶；第二紫铜基板下侧覆盖粘贴与测试翅片尺寸相同的第二薄膜加热片，第二薄膜加热片也有相同位置的小孔，热电偶从小孔内穿出；与翅片框相同尺寸的第二绝热框嵌套于第二薄膜加热片外侧，第二绝热框上开有加热片电源线及热电偶引线的引出槽；加热片电源线连接数字功率表；第二绝热框下方是与第二紫铜基板相同尺寸的第二绝热板。

下组件的第二绝热框和第二绝热板两端都开有两通孔，第二紫铜基板两端钻有两螺纹孔，进油管和出油管通过两螺纹孔与第二紫铜基板连接。进口铂电阻、出口铂电阻分别与进油管和出油管连接。进油管和出油管上采用第一引压管、第二引压管分别连接进口压力传感器、出口压力传感器。

所述的数据测试/采集系统，采用吉时利数据采集仪，主机型号为2700，采集卡的型号为7708。测试段中热电偶和铂电阻直接通过引线与吉时利数据采集仪的采集卡连接，其它设备通过屏蔽线与采集卡连接。吉时利数据采集仪通过RS232端口数据线与计算机连接，计算机作为各信号的输出端。

本发明的有益效果是：测试精度高，采用保温水箱为测试段保温以减少热平衡误差；利用电加热方式测量油侧换热量方便快捷；测试件是一定尺寸的翅片单元，勿需钎焊加工成换热器，故具有加工成本低的特点；测试件为单层翅片，避免换热器内部物流不均匀而导致的测量误差。

附图说明

图1本发明的原理结构图

图2本发明测试段的示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施进行描述。

如图1、2所示，本发明由油路管道系统1、恒温油浴2、测试段7、保温水箱8和数据测试/采集系统23组成。其中油路管道系统1包括齿轮油泵3、第一管路调节阀4，第二管路调节阀5、质量流量计6和板式换热器10；其中测试段7包括测试翅片24、翅片框25、第一紫铜基板26、第二紫铜基板27、第一薄膜加热片28、第二薄膜加热片29、第一绝热框30、第二绝热框31、第一绝热板32、第二绝热板33、第一密封垫34、第二密封垫35、夹具36、进油管19、出油管20、热电偶12、进口铂电阻17、出口铂电阻18、第一引压管13、第二引压管14、进口压力传感器15、出口压力传感器16和数字功率表11。其中数据测试/采集系统23包括一台吉时利数据采集仪21及计算机22。

由于本发明的测试对象是单层翅片，属于小流量范围，油路管道系统1采用1/2英寸的不锈钢管连接各个元件。恒温油浴2由两级加热管加热，其中大功率加热管采用自动控制方式，小功率加热管采用手动控制其功率。油路管道系统1从恒温油浴2开始连接，连接齿轮油泵3，齿轮油泵3另一端连接两个调节阀4，5，第一管路调节阀4作为旁通阀通过旁路直接通入恒温油浴2，第二管路调节阀5在主管路上连接质量流量计6，质量流量计6另一端连接测试段7的进油管19，测试段的出油管20连接板式换热器10的进口，板式换热器10出口连接到恒温油浴2中，板式换热器10的作用是避免回路油温过高，这样完成一个油路循环系统。

测试段7置于保温水箱8中，保温水箱8外层是通有恒定温度的循环水层9，测试段7置于保温水箱8的空气层，降低测试段7与外界环境的温差，以减少其向外界的散热。

如图2所示，测试翅片24和翅片框25构成翅片组件；翅片组件上方的第一紫铜基板26、第一薄膜加热片28、第一绝热框30、第一绝热板32和第一密封垫34构成测试段的上组件；翅片组件下方的第二紫铜基板27、第二薄膜加热片29、第二绝热框31、第二绝热板33和第二密封垫35构成测试段的下组件。采用夹具36将翅片组件、测试段上组件和下组件安装夹紧。

测试段的翅片组件的连接关系是测试翅片24安装于翅片框25内，翅片框25两端开有“V”型孔与测试翅片24侧连通。

测试段的上组件的连接关系是：第一密封垫34设置在翅片组件上方，第一密封垫34上方设有与翅片框外形尺寸相同的第一紫铜基板26，紫铜基板26经过精加工以保证其平面度及平行度，第一紫铜基板26上表面钻有15个小孔，分别用导热胶安装15只热电偶12，将热电偶12镶嵌、压实于小孔内，以减小其接触热阻；第一紫铜基板26上侧覆盖粘贴与测试翅片24尺寸相同的第一薄膜加热片28，采用导热硅脂保证第一薄膜加热片28与第一紫铜基板26的紧密贴合，第一薄膜加热片28也开有与第一紫铜基板26相同位置的小孔，热电偶12从小孔内穿出；与翅片框25相同尺寸的第一绝热框30嵌套于第一薄膜加热片28外侧，第一绝热框30上开有第一薄膜加热片28电源线及热电偶12引线的引出槽；第一绝热框30上方是与第一紫铜基板26相同尺寸的第一绝热板32。

测试段下组件的连接关系是：第二密封垫35设置在翅片组件下方，第二密封垫35下方设有与翅片框25外形尺寸相同的第二紫铜基板27，第二紫铜基板27下表面钻有15个小孔，分别安装热电偶12；第二紫铜基板27下侧覆盖粘贴与测试翅片24尺寸相同的第二薄膜加热片29，第二薄膜加热片29也有相同位置的小孔，热电偶12从小孔内穿出；与翅片框25相同尺寸的第二绝热框31嵌套于第二薄膜加热片29外侧，第二绝热框31上开有第二薄膜加热片29电源线及热电偶12引线的引出槽；第二绝热框31下方是与第二紫铜基板27相同尺寸的第二绝热板33。

第一薄膜加热片28与第二薄膜加热片29并联连接同一调压器控制壁面的加热温度，并连接数字功率表11测量两加热片的加热功率。

下组件的第二绝热框31和第二绝热板33两端都开有两通孔，第二紫铜基板27两端钻有两螺纹孔，进油管19和出油管20通过两螺纹孔与第二紫铜基板27连接。两支铂电阻17、18通过螺纹分别与进油管19和出油管20连接。进油管19和出油管20上通过第一引压管13和第二引压管14分别连接进口压力传感器15及出口压力传感器16。测试段上组件和下组件都通过螺栓分别固定。夹具36将翅片组件，上、下组件三部分安装夹紧。

数据测试/采集系统23的吉时利数据采集仪21，主机型号是2700，采集卡型号是7708。测试段7中热电偶12和铂电阻17、18直接通过引线与吉时利数据采集仪21的采集卡连接，其它设备通过屏蔽线与采集卡连接。吉时利数据采集仪21通过RS232端口数据线与计算机22进行连接。由计算机22作为信号输出端，各信号可以通过采集界面即时监控。

本发明测试翅片阻力特性，试验工作介质是CD15W/40机油，按照内燃机板翅式机油冷却器的常见工作范围，单层翅片的机油流量从100kg/h变化到1000kg/h。在一定的进口机油温度下，当加热壁面温度恒定时，测试不同流量下的试件压降。求得翅片的摩擦因子。通过一系列测量得到不同翅片雷诺数与油侧压降的关系；得到雷诺数、几何参数与摩擦因子的试验关联式。

本发明测试翅片传热特性，机油流量从100kg/h变化至1000kg/h，维持机油进口温度不变，加热壁温不变的情况下，测量机油流量，进出口温度，壁面温度及加热片加热功率。可得到测试翅片的换热系数及传热因子。通过一系列测量得到雷诺数与换热系数的关系，得到雷诺数、翅片几何参数与传热因子的关系，从而拟合得到试验关联式。

本发明装置的工作过程：对保温水箱8注水，并使水循环，控制水箱水侧温度至80℃。打开恒温油浴2的温度控制，温度控制为90℃。打开第二管路调节阀5至最大，打开第一管路调节阀4至最大，开启齿轮油泵3，通过质量流量计6的仪表观察流量，逐渐关闭第一管路调节阀4调节流量至试验流量。根据数据采集界面实时监控进口温度及加热壁面温度，通过调压器调节第一薄膜加热片28和第二薄膜加热片29的功率以调整加热壁面的温度，调节恒温油浴2的小功率加热管功率以调整测试段7进口油温。待机油流量、进出口温度、进出口压力、壁面温度各信号都稳定时采集数据，并读取数字功率表11读数记录加热功率。试验完毕时，关闭第一薄膜加热片28和第二薄膜加热片29的加热电源，关闭恒温油浴2和保温水箱8的加热管电源，关闭齿轮油泵3，将第二管路调节阀5全开，而第一管路调节阀4全关，开启齿轮油泵3逆转，将油道管路系统1中的机油全抽回至恒温油浴2，全开第一管路调节阀4，将保温水箱8内的水排空。

试验过程中测试段7的工作状态是：开启齿轮油泵3后，机油从进油管19进入测试段7的测试翅片24侧，从出油管20流出。安装在进油管19位置的进口铂电阻17和由第一引压管13引出的进口压力传感器15分别测定测试段进口的机油温度和压力；安装在出油管20位置的出口铂电阻18和由第二引压管14引出的出口压力传感器16分别测定测试段出口的机油温度和压力。

第一紫铜基板26和第二紫铜基板27在翅片组件两侧起到均匀加热的作用，通过调整第一薄膜加热片28和第二薄膜加热片29的加热功率，来控制第一紫铜基板26和第二紫铜基板27的壁面温度；壁面温度由第一紫铜基板26和第二紫铜基板27外侧的热电偶12测得；第一绝热框30和第二绝热框31起到固定第一薄膜加热片28与第二薄膜加热片29位置的作用；最外层的第一绝热板32和第二绝热板33起到阻止第一薄膜加热片28与第二薄膜加热片29向外侧散热的作用。

Claims (5)

1、一种基于换热器翅片单元的性能试验装置，由油路管道系统(1)、恒温油浴(2)、测试段(7)、保温水箱(8)和数据测试/采集系统(23)组成，其特征在于：测试段(7)置于保温水箱(8)中，油路管道系统(1)连接恒温油浴(2)，恒温油浴(2)连接到测试段(7)，测试段(7)再连接到数据测试/采集系统(23)，其中：

测试段(7)包括数字功率表(11)、热电偶(12)、第一引压管(13)、第二引压管(14)、进口压力传感器(15)、出口压力传感器(16)、进口铂电阻(17)、出口铂电阻(18)、进油管(19)、出油管(20)、测试翅片(24)、翅片框(25)、第一紫铜基板(26)、第二紫铜基板(27)、第一薄膜加热片(28)、第二薄膜加热片(29)、第一绝热框(30)、第二绝热框(31)、第一绝热板(32)、第二绝热板(33)、第一密封垫(34)、第二密封垫(35)和夹具(36)，测试翅片(24)设于翅片框(25)内，翅片框(25)开孔与测试翅片(24)侧连通，测试翅片(24)和翅片框(25)构成翅片组件；第一密封垫(34)设置在翅片组件上方，第一密封垫(34)上方设有第一紫铜基板(26)，第一紫铜基板(26)上表面有小孔，热电偶(12)设置于小孔内；第一紫铜基板(26)上侧覆盖粘贴第一薄膜加热片(28)，第一薄膜加热片(28)也开有与第一紫铜基板(26)相同位置的小孔，热电偶(12)从小孔内穿出；第一绝热框(30)嵌套于第一薄膜加热片(28)外侧；第一绝热框(30)上方设有第一绝热板(32)，第一绝热框(30)和第一绝热板(32)构成测试段(7)上组件；第二紫铜基板(27)、第二薄膜加热片(29)、第二绝热框(31)、第二绝热板(33)和第二密封垫(35)构成测试段(7)下组件，下组件结构与上述的测试段(7)上组件结构相同，另外，进油管(19)和出油管(20)与第二紫铜基板(27)连接，两支铂电阻(17、18)分别与进油管(19)和出油管(20)连接，进油管(19)和出油管(20)上通过第一引压管(13)和第二引压管(14)分别连接进口压力传感器(15)及出口压力传感器(16)。

2、根据权利要求1所述的基于换热器翅片单元的性能试验装置，其特征是：第二绝热框(31)和第二绝热板(33)两端都开有两通孔，第二紫铜基板(27)两端钻有两螺纹孔，进油管(19)和出油管(20)通过两螺纹孔与第二紫铜基板(27)连接，两支铂电阻(17、18)通过螺纹分别与进油管(19)和出油管(20)连接。

3、根据权利要求1所述的基于换热器翅片单元的性能试验装置，其特征是：测试段(7)上组件和下组件通过螺栓分别固定，翅片组件，测试段(7)上组件和下组件三部分通过夹具(36)安装夹紧。

4、根据权利要求1所述的基于换热器翅片单元的性能试验装置，其特征是：所述油路管道系统(1)包括齿轮油泵(3)、第一管路调节阀(4)，第二管路调节阀(5)、质量流量计(6)和板式换热器(10)，油路管道系统(1)连接齿轮油泵(3)，齿轮油泵(3)的另外两端分别连接第一管路调节阀(4)和第二管路调节阀(5)，第一管路调节阀(4)作为旁通阀通过旁路直接通入恒温油浴(2)，第二管路调节阀(5)连接质量流量计(6)，质量流量计(6)另一端连接测试段(7)的进油管(19)，测试段的出油管(20)连接板式换热器(10)的进口，板式换热器(10)出口连接到恒温油浴(2)中。

5、根据权利要求1所述的基于换热器翅片单元的性能试验装置，其特征是：数据测试/采集系统(23)包括一台数据采集仪(21)及计算机(22)，测试段(7)中热电偶(12)和两个铂电阻(17、18)直接通过引线与数据采集仪(21)的采集卡连接，数据采集仪(21)通过RS232端口数据线与计算机(22)进行连接，由计算机(22)作为信号输出端，各信号通过采集界面即时监控。

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