CN102121910A - 一种微型换热器的性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种微型换热器的性能测试装置属于换热器领域。本装置包含实验工质回路和电器控制单元两个部分；实验工质回路包括：进气管道，减压阀，单向节流阀，流量计，压力表，换热器以及温度检测系统；进气管道的一端与减压阀的进口连接，减压阀的出口与单向节流阀进口连接，单向节流阀的出口与流量计进口连接，流量计的出口与压力表相连，压力表的另一端与换热器的进气口段连接，换热器的出气口段直接与大气相通；换热器由测试片，进气口，出气口以及外壳构成；换热器进气口段和出气口段以及换热器的上下表面安装温度传感器，记录四个测试点的温度值；测试表明，微型换热面积的增大，换热效果得到明显加强；随着当量直径的减小，换热效果加强。

Description

一种微型换热器的性能测试装置

技术领域

本发明是用于一种微型换热器的换热性能测试装置，是以气体作为制冷剂使用时微型换热器的换热性能测试方法。

背景技术

微型换热器具有体积小、单位体积换热面积大、传热效率高、结构超紧凑等优点，其特征尺寸100μm～1mm之间，已广泛应用于微电子、航空航天、医疗、化学生物工程，以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合。早在二十世纪八十年代，Tuckerman和Pease等就提出“微型槽道换热器”的概念，并在芯片背面采用微矩形结构通道，通水冷却，较好地解决了热障瓶颈，随后很多学者致力于微型换热器及其流动与传热机理的研究。发现微通道中的换热机理不同于宏观(指尺寸＞1-2mm)通道，其原因主要包括通道壁面粗糙度的影响、通道界面形状排列以及通道尺寸之比的影响等。目前对于微通道的传热理论尚不成熟，还没有统一的分析研究理论模式，包括摩阻分析和传热分析。因此通过实验对微型换热器的换热性能研究变得十分必要。

国内一些类似的实验，比如压力的测量多采用U型管水银压差计，或者采用三通测量水柱的高度来计算压力；温度测量采用热电偶；流量测量采用质量称重法。由于测试段为微型换热器，压力，流量以及温度值都将在小范围内变化，常规的测试仪器及测量方法都将使数据误差过大，这样的研究将会变得没有意义。故本发明将采用精密压力表、精密流量计以及温度采集系统以确保实验数据的可靠性。

本发明基于以下的测试方法：电加热器作为模拟热源，通过调节加热器的电压和电流值改变加热功率，可根据要求模拟不同加热条件下换热器的换热性能。换热器换热性能通过气体的流量及温度从而得到换热效率。计算公式如下，

$\mathrm{\η}=\frac{Q_1}{Q_2}$

$Q_1=\stackrel{\·}{m}{c}_p\mathrm{\ΔT}$

Q₂＝Pt

其中

c_p-气体比热容KJ/(Kg·K)，ΔT-进出口气体的温差(K)

P-加热功率(W)，t-实验时间(s)

通过进出口压力差以及流量、温度值可以进一步得到流动特性曲线图(Re-f)以及传热特性曲线图(Re-Nu)。

$\mathrm{\ΔP}=\frac{8\mathrm{\ρ}{\mathrm{LM}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{d_n}^5}$

$\mathrm{Re}=\frac{2\mathrm{M\ρ}}{{\mathrm{\μd}}_n}$

$\mathrm{Nu}=\frac{Q_1}{\mathrm{\π\λL\Δt}}$

M：体积流量，dn：当量直径

发明内容：

本发明针对现有技术的不足之处，发明设计一种微型换热器性能测试装置。该装置只要测量的物理参数有：气体的进出口温度和压力，气体的流量以及微型换热器的进出口及上下表面温度。

一种换热器的性能测试装置，其特征在于：包含实验工质回路和电器控制单元两个部分；所述实验工质回路包括：进气管道，减压阀，单向节流阀，流量计，压力表，换热器以及温度检测系统；所述进气管道的一端与减压阀的进口连接，所述减压阀的出口与单向节流阀进口连接，所述单向节流阀的出口与流量计进口连接，流量计的出口与压力表相连，压力表的另一端与换热器的进气口段连接，换热器的出气口段直接与大气相通；所述换热器由测试片，进气口，出气口以及外壳构成，测试片放置在外壳里；换热器进气口段和出气口段以及换热器的上下表面安装温度传感器，记录四个测试点的温度值；

所述电器控制单元包括：空气开关，常开开关，常闭开关，电加热器，中间继电器，调压器，电流表，电压表，温度显示仪表，计时器；测试片放置在电加热器上，电加热器串联有电流表，并联电压表；电路上设有空气开关，中间继电器，常开开关，常闭开关，温度显示仪表和计时器；

空气开关作为总开关，测试片放置在电加热器上，电加热器两端的调压器改变电压表和电流表值，从而调节电加热器的功率；常开开关闭合，中间继电器的一个触点将调压器接通，并实现中间继电器的自锁；中间继电器的另外一个触点用于控制调压器的工作，常闭开关用于电路的停止；温度传感器分别安置在换热器进气口段和出气口段以及换热器的上下表面以及测试片的上下表面，通过导线连接到温度显示仪表上，从而记录四个测试点的温度；控制单元中的计时器用来记录实验操作时间。

本装置已经用于氮气及空气通过微管道换热器流动及传热研究中，通过测试表明，微型换热面积的增大，换热效果得到明显加强；随着当量直径的减小，换热效果加强，与之前利用仿真软件所作的模拟结果相同，说明本测试装置的合理性。

附图说明：

图1：测试实验平台的工作原理图

1.气瓶；2.进气管道；3.减压阀；4.单向节流阀；5.精密流量计；6.精密压力表；7.进气口段；8.微型换热器；9.出气口段；10.电加热器；11.调压器；12.中间继电器；13.温度显示仪表；14.计时器。

具体实施方式：

如图1所示，本发明包括两个回路，即实验工质回路和电器控制单元。其实验原理如下：氮气(N₂)经气源进气管道2以及减压阀3和单向节流阀4进入流量计5，由精密流量计流出后进入装有精密压力表6的进气口段7，进入微型换热器8，再由出气口段9流出后直接进入大气。各个部件的功能为：精密流量计5能测出进入微型换热器的气体体积流量，精密压力表能够测量气体进入微型换热器前的压力水平，被测微型换热器8的压力降即为精密压力表6的表压示值。电气控制单元中，K型热电偶分别安装在实验段的进出气口段，以及微型换热器测试片的上下表面，通过导线与温度显示仪表相连，记录温度数据。具有过载保护的空气开关DZ47为电源总开关，接通绿色指示灯，温度显示仪表13及计时器14。调压器上通过的为大电流，而开关上流经的为小电流，为此利用调压器的触点可以保证电器控制单元的安全性。按下常开开关SB1，中间继电器12接通，并实现了自锁的功能，中间继电器的另外一个触点使得调压器11工作，这时电加热器10开始工作，通过调压器11改变电压表和电流表值，从而调节电加热器的加热功率。

本发明中，管路连接以硬管为主，软管为辅。进气管道与减压阀的左端，减压阀的右端与单向节流阀左端，精密压力表的右端与微型换热器的进气口段，微型换热器的出气口段均采用硬度较高软管连接，减少泄压；单向节流阀的右端与精密流量计的左端，精密流量计的右端与压力表的左端均采用硬管螺纹连接，便于日后检查及维修。为了提高实验操作的方便性，实验台操作界面上安置气动双接头，航空插头以及插座。气动双接头将气源进气管道与实验工质回路以及换热器进气口和换热器相连接；K型热电偶则是通过航空插头连接到温度显示仪表上；电加热器通过插座与电源相接，安装简单，操作方便，避免冗长导线。

本发明中微型换热器测试段由测试片，进气口，出气口以及外壳构成，实验测试片放置在外壳里，以保证测试片具有可替换性。外壳及进出气口均采用铝制分体式模具通过热压成型，材料选用PP。外壳及进出口采用子母口密封：在外壳上加工母口，进出口上加工子口，在保证密封的同时节约不少空间。进出口与外壳采用螺纹连接，外壳与加热器同样采用螺纹连接。为确保塑料制件螺纹接连的可靠性，制品上的内螺纹直接通过模具成型得到。

本发明中采用温度采集系统对温度进行处理，基于VB开发数据采集系统，通过模拟数字转换采集卡(A/D卡)将模拟量转化为数字量，在VB中用文本格式(CSV格式)的文件对实验数据进行记录，或画图得到实时试验数据。通过VB中的时钟，可以根据测试需要设定采集频率。所开发的系统具有精度高、响应快等优点，保证了实验数据的可靠性。设备打开后，点击A/D采集，系统将显示所采集的温度。点击停止及关闭设备后则数据采集结束。

为了更好地实现实验段的连接和保温，本发明还设计了实验段外壳以及实验工质进出口段。外壳及进出口段均采用分体式铝制模具成型加工方法，将模具用电炉预热，在凹模中加入聚丙烯(PP)材料，粒料在70℃开始变软，持续加热，接近玻璃态转化温度时，将凸模压入，用螺栓紧固，将多余的PP料挤出，冷却之后就可以得到塑料制件。实验测试片外为聚丙烯(PP)材料外壳，导热率为0.22W/mK，保温效果良好，测试片置于其内，制件壁厚2mm。实验进气出口段设计为喇叭口状，以减小气阻，同时保证进出口气体温度测量的可靠性。塑料制件的设计主要是为了使得微型换热器测试片具有可替换性，测试的时候只要改变微型换热器测试片，就可以在此基础上进行不同结构，不同材质换热器性能的研究，使得实验装置具有通用性。各个塑料制件之间件采用子母口密封，方便简单，密封效果好。

本性能测试装置的操作步骤如下：实验前，调节减压阀使实验段工质发生变化之后，工作一段时间，驱除系统管道内的气体，并调节节流阀的开度，必须使系统稳定一段时间，约10-20分钟。为保证加热器的寿命，加热器工作之前，将调压器调节在阻值最小处，接通后，慢慢调节调压器的阻值，从而改变加热功率。实验时，加热与冷却同时进行，实验段达到平衡状态，保持10-15分钟温度不变后，测试结束。更换实验段测试片时候，首先将系统工质放空，从外壳里小心取下实验段，更换完毕后注意密封，并设定到与之前设定的实验条件相同时开始下一组对比实验。实验测试时，实验段的数据都是认为在稳定的情况下读取。工质的压力及流量在一段时间之内，有一定小幅度的波动，实验时可以进行微调，使得压力流量波动保持在2.0％以下，实验段温度传感器的压力信号波动处于0-10V，则认为稳定，数据是有效的。

本性能测试装置的功效为：通过测量微型换热器8中的气体流量，压力降，进出气口段温度以及微型换热器壁面温度，根据以上物理量推算出摩擦系数f、雷诺数Re、努谢尔特数Nu等数值，并绘制流动特性曲线图(Re-f)，传热特性曲线图(Re-Nu)，从而获得已知流量下微型换热器8的流动及传热特性，改变不同的测试实验段，可以找到换热器最佳设计参数。

Claims (1)

1.一种换热器的性能测试装置，其特征在于：包含实验工质回路和电器控制单元两个部分；所述实验工质回路包括：进气管道，减压阀，单向节流阀，流量计，压力表，换热器以及温度检测系统；所述进气管道的一端与减压阀的进口连接，所述减压阀的出口与单向节流阀进口连接，所述单向节流阀的出口与流量计进口连接，流量计的出口与压力表相连，压力表的另一端与换热器的进气口段连接，换热器的出气口段直接与大气相通；所述换热器由测试片，进气口，出气口以及外壳构成，测试片放置在外壳里；换热器进气口段和出气口段以及换热器的上下表面安装温度传感器， 记录四个测试点的温度值；

所述电器控制单元包括：空气开关，常开开关，常闭开关，电加热器，中间继电器，调压器，电流表，电压表，温度显示仪表，计时器；测试片放置在电加热器上，电加热器串联有电流表，并联电压表；电路上设有空气开关，中间继电器，常开开关，常闭开关，温度显示仪表和计时器；

空气开关作为总开关，测试片放置在电加热器上，电加热器两端的调压器改变电压表和电流表值，从而调节电加热器的功率；常开开关闭合，中间继电器的一个触点将调压器接通，并实现中间继电器的自锁；中间继电器的另外一个触点用于控制调压器的工作，常闭开关用于电路的停止；温度传感器分别安置在换热器进气口段和出气口段以及换热器的上下表面以及测试片的上下表面，通过导线连接到温度显示仪表上，从而记录四个测试点的温度；控制单元中的计时器用来记录实验操作时间。

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