CN105372082A - 一种节能环保多功能智能化换热器性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开换热器性能测试领域的一种节能环保多功能智能化换热器性能测试系统。它设水源热泵机组、一、二次高位水箱，冷水高位水箱和冷水机组，二次高位水箱与冷水高位水箱水经温度流量调节入被测换热器冷侧，水源热泵机组蒸发器冷却水与冷水机组混合入冷水高位水箱，被测换热器热侧入口设补偿加热器，由出口所设快速加热器对特殊介质容箱中介质加热再入被测换热器热侧，而特殊介质容箱外夹层与热侧循环水相联。将温度、压力传感器、蜗轮流量计组输出接入测量控制器输入，经数据转换送入控制计算机，控制计算机输出再接设备控制器，直接控制水源热泵机组、补偿加热器、循环泵、控制阀的开启与自动调节阀的开度。其节能环保、测试精度高、速度快、范围广。

Description

一种节能环保多功能智能化换热器性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种测试系统，具体说是涉及一种对换热器热工与流体性能进行测试的测试系统。

背景技术

目前，换热器广泛应用在石油、化工、医药、食品等不同领域，对换热器工作性能与流体阻力的测定是开发高效节能产品和检验产品质量特性的重要依据。同时也是对换热器新产品的进一步开发利用提供可靠技术参数和质量保障。为此，国内外科研单位、大专院校以及有关单位为适应科研、教学和工程设计的需要，都在研究与开发类似检测系统或设备，但其结构、功能、测试能力与技术水平仍不能满足换热器应用领域快速发展的需求。

例如中国铁道科学院车辆研究所机车用换热器性能的测试系统，实验过程中，靠人工直读仪表，换热器两种流体、流量由两个人观察流量计，读出并记录；四个人观察换热器四个进出口的压力、温度，读出并记录。反复三次平均之，由一人统一指挥下达指令，油加热系统采用电加热、电功率必须大于换热器的换热功率。实验过程的冷却水被加热后，带温排放，耗能费水，系统只能做水－油换热测试。准则式的推导靠人工利用最小二乘法，找出直线的截距和斜率作为传热方程式的系数和指数。

北京清华大学热能工程系的换热器性能测试系统，换热器实验用一次水加热采用大电流加热器，投入的电功率必须大于换热功率；二次水换热后带温排放，能耗大，水耗多，数据整理和传热公式、流阻公式导出、曲线的描绘均为代培研究生利用最小二乘法，找出直线的截距和斜率作为传热方程式的系数和指数。测试是水－水换热测试。

国家石油钻采检测中心的换热器测试系统，换热器一次侧换热用水是用蒸汽（燃煤锅炉生产的蒸汽）加热取得，二次侧用的冷却水换热后需经冷却塔凉水塔降温，再补以新鲜冷水，使进水温达到标准要求，这种系统能耗、水耗也比较大，燃煤有污染，二次水排水温度高亦损失能量，系统只能进行水－水测试。据现场看到某国外已有换热器的性能测试系统同我国国内结构基本相同，能耗也基本相似。以上所述已有换热器性能测试系统尽管在换热器热工与流体性能的测试方面发挥了一定积极作用，为推进技术进步奠定了基础，但还存在着一般只能适用水－水介质换热测试应用范围窄、测试过程中能耗损失大、对于数据读出、记录、计算以及数据的整理推导、曲线的描绘等等全部依靠人工来实现，速度慢、精度低的问题。

发明内容

本发明的任务在于提供一种节能环保多功能智能化换热器性能测试系统，主要是解决现有技术存在的测试应用范围窄、测试过程中能耗损失大、测试过程对环境有污染、对于数据读出、记录、计算以及数据的整理、准则式推导、曲线的描绘等依靠人工操作速度慢、精度低问题，以弥补所述之不足。

本发明的换热器性能测试系统是通过设置水源热泵机组，在水源热泵机组与水处理机之间的热侧设置一次高位水箱，冷侧设置二次高水箱、冷水高位水箱和冷水机组，将二次高位水箱与冷水高位水箱的水混合，经两自动调节阀分别对温度、流量进行调节后送入被测换热器冷侧，再返回二次高位水箱，同时将水源热泵机组中的蒸发器冷却水与冷水机组混合后接入冷水高位水箱，另在被测换热器热侧入口设补偿加热器，出口增设快速加热器，由所述快速加热器对特殊介质容箱中特殊类介质加热，加热后的特殊类介质再接入被测换热器热侧，而特殊介质容箱外夹层中介质与热侧循环水管路相联通。并将温度传感器、压力传感器、蜗轮流量计组、输出信号分别接入测量控制器输入，经数据转换后分别送入控制计算机，所述控制计算机输出的控制信号再接入设备控制器，由设备控制器直接控制水源热泵机组、补偿加热器、循环泵、控制阀的开启与自动调节阀的开度。

所述的特殊介质容箱是由外夹层、内腔体、内腔体的搅拌器和底部电加热器组成，所述外夹层与内腔体分别通入两种不同的流体介质。

所述被测换热器的热侧出口及冷侧入口分别设置蜗轮流量计组，所述蜗轮流量计组是由三种不同管径直管段与三种规格蜗轮流量计相联组成的分级式流量测定的组合仪表。

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1、以水源热泵机组为热源，能量转换系数高，清洁无污染，它将热媒和冷媒有机地结合在一起，热泵冷凝器做为热媒的加热器，热泵的蒸发器做为冷媒的冷却器，为实现能源的综合利用创造了良好途径；

2、由于采取了一、二次和冷水三个高位水箱组成的供水循环回路，能够确保供水压力的稳定，为测试的精准性提供了前提条件；

3、由于采取了二次高位水箱与冷水高位水箱中水经自动调节阀调节控制送入被测换热器，并将水源热泵机组中的蒸发器冷却水直接与冷水机组混合接入冷水高位水箱的结构方式，热介质在冷凝器内被加热，使其投入的功率转化系数COP达到4，实现节能。热泵蒸发器内冷却水同被加热的二次高位水箱水以及冷水机组与冷水高位水箱水的互相混合利用，不仅避免了二次水换热后带温排放对能源造成的损失，而且使测试用水得以循环利用，真正达到节能环保、降耗减排和能源高效综合利用之目的；

4、由于采取了快速加热器且利用快速加热器对特殊介质容箱中特殊介质加热，可在对水—水换热性能测试基础上实现对特殊类介质的性能测试，使系统对特殊的工艺介质传热与流阻的模拟测试变成现实。系统的测试水平和工作范围得以明显拓宽，为高效节能产品的开发、特殊介质在不同领域的应用提供可靠依据。从而满足不同行业对特殊类介质换热的需求和系统多功能的实现；

5、由于本系统使用同一个热源，在增设快速加热器和特殊介质容箱对特殊类介质进行加热时，可利用水源热泵机组热侧对特殊类介质加热到规定温度后，再自动切换为外夹套对特殊类介质的保温，从而进一步减少热侧的热损失，提高热效率；

6、由于采取了蜗轮流量计组的结构，采用分级流量测量，在测试过程中可保证不同流量采用不同支路（3~45m³/h）流量计测量，进而确保整个系统的测量精度；

7、由于设置了在被测换热器进口的补偿加热器，可实现温升微调，保证一次供水参数符合设计标准；

8、由于本系统采取了计算机自动检测、数据采集、数据处理加上设备控制器、测量控制器的有机配合，可靠实现了对水温、压力、流量的自动测试控制并由控制计算机的模拟运算，自动导出传热与流阻两个准则方程式及描绘流速与传热、流阻间关系曲线，并自动描绘三种定性温度的传热与流阻曲线。从而完成整个系统的智能化，它一改过去人工直读、记录与计算推导、曲线描绘的烦锁工作过程，具有测试精度高、速度快、数据准确、实时性好的突出特点。且最大程度地减轻试验测试人员的劳动强度，显著提高工作效率；

9、本系统不受地理位置和时节气候环境的限制，随时都可对换热器进行测试，具有使用方便灵活，操作简便易行、适合行业推广等优点。

附图说明

图1是本发明的换热器性能测试系统结构示意图。

具体实施方式

图1所示的一种节能环保多功能智能化换热器性能测试系统，是以水源热泵机组5为被测换热器6提供热源与冷源对换热器进行水－水介质换热，且利用同一热源增设快速加热器7对特殊类介质加热，然后将被加热的特殊介质接入被测换热器6对换热器进行特殊类介质换热。测定其热工与流体性能。该系统的测试用水即自动水处理机1是美国制造的软水处理机（SZ398811）它为一、二次高位水箱2、3提供洁净水。其热侧由循环泵13-1将一次高位水箱2的水打入水源热泵机组5的冷凝器入口，水源热泵机组5的冷凝器出口经自动调节阀15-1同一次高位水箱2的水进行流量调节后经控制阀14-5接入被测换热器6入口，被测换热器6出口经控制阀14-2接至快速加热器7入口，快速加热器7出口与特殊介质容箱8的外夹层相联通，出口最后经控制阀14-1和蜗轮流量计组16-1返回至一次高位水箱2。同时在被测换热器6出口经控制阀14-7与控制阀14-1、蜗轮流量计组16-1之间连接的管路相联。其冷侧是将二次高位水箱3和冷水高位水箱4的水进行混合，经自动调节阀15-2实现温度调节后，由循环泵13-2至另一自动调节阀15-3，再同冷水高位水箱4的水进行流量调节经另一蜗轮流量计组16-2接入被测换热器6入口，由被测换热器6出口返回二次高位水箱3。同时将冷水高位水箱4经循环泵13-3与水源热泵机组5蒸发器冷却水入口连接，而将水源热泵机组5蒸发器冷却水与冷水机组9混合后返回冷水高位水箱4。其中所述的蜗轮流量计组16-1、16-2是由三种不同管径（DN25、DN50、DN80）及其对应的三种规格蜗轮流量计相联组成的分级式流量测定的组合仪表。为了实现对特殊类介质的性能测试，本系统设置了特殊介质容箱8，所述的特殊介质容箱8是由外夹层、内腔体、内腔体的搅拌器和底部电加热器组成，所述的外夹层与内腔体分别通入两种不同介质。所述特殊介质容箱8内腔体中特殊介质经由循环泵13-4、控制阀14-4、快速加热器7、至特殊介质容箱8组成特殊介质循环回路。所述特殊介质容箱8中的特殊介质还经另一控制阀14-3送入被测换热器6热侧，然后经控制阀14-6返回特殊介质容箱8中。而特殊介质容箱8外夹层经控制阀14-1与热侧循环水管路相连接。

本系统在被测换热器6热侧入口设有补偿加热器17，冷、热侧两出口、快速加热器7热侧进、出口以及特殊介质容箱8的出口均设置温度传感器T、压力传感器P，并将所述温度传感器T、压力传感器P及以上所述的蜗轮流量计组16-1、16-2输出信号分别接入测量控制器12输入，经数据转换后分别送入控制计算机11，所述控制计算机11对采集的数据进行处理，输出控制信号再接入设备控制器10，由设备控制器10直接控制循环泵13-1—13-4、控制阀14-1—14-7的开启、自动调节阀15-1—15-3的开度以及水源热泵机组5、补偿加热器17、特殊介质容箱8等设备的自动控制，以满足被测点的温度、压力、流量保持在设计的要求范围内。

本系统工作时，首先通液试运行，确保各部分运行畅通无渗漏，对管路及附件、一、二次高位水箱2、3和冷水高位水箱4进行全面保温，以降低操作过程的热损失。运行时由控制计算机11进行控制。在对水－水介质换热的换热器进行性能测试时，循环泵13-1、13-2、13-3打开，循环泵13-4关闭，而控制阀14-1、14-2、14-3、14-4、14-6关闭，且控制阀14-5、14-7为打开状态。被测换热器6热侧出口经控制阀14-7、蜗轮流量计组16-1至一次高位水箱2、经循环泵13-1、水源热泵机组5形成循环水回路构成被测换热器6热侧介质通道。所述冷侧循环水回路由二次高位水箱3和冷水高位水箱4的水进行混合，经自动调节阀15-2、循环泵13-2、自动调节阀15-3、蜗轮流量计组16-2接入被测换热器6，由被测换热器6出口返回二次高位水箱3。构成被测换热器6冷侧介质通道。使冷、热两介质均通过被测换热器6。在实施特殊类介质换热的换热器进行性能测试时，所述循环泵和控制阀的运行状态恰恰相反，即循环泵13-1、13-2、13-3关闭，循环泵13-4打开，而控制阀14-1、14-2、14-3、14-4、14-6打开，且控制阀14-5、14-7为关闭状态。在此状态下热侧被测换热器6出口不经过控制阀14-7，而是经控制阀14-2、快速加热器7、特殊介质容箱8的外夹层，再由控制阀14-1和蜗轮流量计组16-1返回一次高位水箱2形成循环。并使用同一热源对特殊介质容箱8内的特殊类介质进行加热，此时特殊介质容箱8内的特殊类介质还经循环泵13-4、控制阀14-4进入快速加热器7冷介质通道，使冷、热两种介质在快速加热器7内进行快速加热，当特殊介质容箱8内的特殊类介质达到设定的温度后，控制阀14-2、14-4、14-5关闭，控制阀14-3、14-6打开，快速加热器7停止加热，特殊介质容箱8外夹层中热介质对内腔体中的特殊类介质进行保温，循环泵13-4将特殊介质容箱8内的特殊类介质经控制阀14-3送入被测换热器6，再经控制阀14-6进入特殊介质容箱8中形成热侧循环。而冷侧循环则仍与前述相同。使特殊类介质和冷介质均通过被测换热器6进行换热。

本系统采用C++Buider编程软件为本控制计算机11的专用软件，进行数据采集计算与分析，并且根据智能控制实现对水源热泵机组5、自动调节阀15-1－15-3、控制阀（14-1－14-7）、循环泵13-1－13-4、补偿加热器17等设备的自动控制，从而保证测试精度情况下完成所规定的每一工况下的测试，所有工况完毕后，通过软件计算自动形成测试数据报告，实现换热器测试实验自动化、智能化的目标。

具体操作方法如下：

1、对于水－水换热测试；首先是打开计算机，点击桌面上相关图标，打开运行界面，点击开始实验的按钮，按提供信息分别输入：测试单位、测试时间地点；被测产品名称、规格型号、板型、板片材质、板厚、波深、波纹夹角、法向节距、板间距、夹紧尺寸、单片换热面积、片数、总换热面积、单通道截面积、总通道截面积、当量直径、接管形式、接管尺寸、板片外形尺寸等几何参数。按规定将板间流速从0.1m/s开始，间隔0.1m/s直到1.0m/s，再从1.0m/s返回0.1m/s测19个点，每个点的热平衡误差≦5%。再将测试工况（等流速）1、工况（不等流速）2数据输入到计算软件格式内，选择计算方法（等流速、校核等流速、拟合阻力、核合阻力），若选定等流速法就点击等流速法图标及阻力计算图标；自动打出努赛特准则方程式；自动打出欧拉准则方程式；然后点击等流速曲线图标，自动打出K－V间关系曲线，点击两侧阻力曲线图标，自动打出▽P－V间关系曲线。上述工作结束、清零、界面复原。

2、对特殊类介质测试；同样从0.1m/s—0.7m/s取点（粘度高），再从0.7m/s返回到0.1m/s，每点热平衡误差≦5%，测定15点，然后根据测定的数据，直接用计算总传热系数法求出各工况的传热系数，并按所计算传热系数与每点流速值给出K—V间的关系曲线，按每点测试的阻力损失与流速值描绘出△P—V间的关系曲线。

3.对已有板型测试；同以上所述水－水换热测试方法相同，经对如下板型3.1V60、3.3VB60、3.5VK80、3.2VM60、3.4VB80、3.6V120进行测试后，按本系统的测试结果选型设计经用户运行均获得满意效果。本系统除对一般介质（水－水换热）的测试外，还对特殊介质传热与流阻的测定提供依据。可供工程选型设计、改进开发新板型、不同介质换热、对有严格要求的领域进行模拟实验验证使用。具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种节能环保多功能智能化换热器性能测试系统，其特征在于：通过设置水源热泵机组（5），在水源热泵机组（5）与水处理机（1）之间的热侧设置一次高位水箱（2），冷侧设置二次高水箱（3）、冷水高位水箱（4）和冷水机组（9），将二次高位水箱（3）与冷水高位水箱（4）的水混合，经两自动调节阀（15-2、15-3）分别对温度、流量进行调节后送入被测换热器（6）冷侧，再返回二次高位水箱（3），同时将水源热泵机组（5）中的蒸发器冷却水与冷水机组（9）混合后接入冷水高位水箱（4），另在被测换热器（6）热侧入口设补偿加热器（17），出口增设快速加热器（7），由所述快速加热器（7）对特殊介质容箱（8）中特殊类介质加热，加热后的特殊类介质再接入被测换热器（6）热侧，而特殊介质容箱（8）外夹层中介质与热侧循环水管路相联通，并将温度传感器、压力传感器、蜗轮流量计组（16-1、16-2）输出信号分别接入测量控制器（12）输入，经数据转换后分别送入控制计算机（11），所述控制计算机（11）输出的控制信号再接入设备控制器（10），由设备控制器（10）直接控制水源热泵机组(5)、补偿加热器（17）、循环泵(13-1－13-4)、控制阀（14-1－14-7）的开启与自动调节阀（15-1、15-2、15-3）的开度。

2.根据权利要求1所述的节能环保多功能智能化换热器性能测试系统，其特征在于：所述特殊介质容箱（8）是由外夹层、内腔体、内腔体的搅拌器和底部电加热器组成，所述的外夹层与内腔体分别通入两种不同介质，所述特殊介质容箱（8）中特殊类介质经由循环泵（13-4）、控制阀（14-4）、快速加热器（7）、至特殊介质容箱（8）组成特殊介质循环回路，所述的特殊介质还经另一控制阀（14-3）接入被测换热器（6）热侧，然后经控制阀（14-6）返回特殊介质容箱（8）中，而特殊介质容箱（8）外夹层中介质经控制阀（14-1）与热侧循环水管路相联。

3.根据权利要求1所述的节能环保多功能智能化换热器性能测试系统，其特征在于：所述被测换热器（6）的热侧出口及冷侧入口分别设置蜗轮流量计组（16-1、16-2），所述蜗轮流量计组（16-1、16-2）是由三种不同管径直管段与三种规格蜗轮流量计相联组成的分级式流量测定的组合仪表。