CN109374327A - 一种基于piv系统的换热性能测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PIV系统的换热性能测量装置,包括PIV系统、流体循环系统以及数据采集系统;本发明既能精准测量出换热器的性能与数据,又能结合PIV这一瞬态、多点、无接触式的流体力学测速技术对某一瞬间下大量空间点上的速度分布信息进行记录和分析,从而得到丰富的流场空间结构以及流动特性,从而从流体的微观结构上对传热传质进行研究,既可以对实现外流场的数据进行测量,又可以实现对流体内部湍流变化进行测量。且测量过程中流体的温度稳定、数据精准、结果客观。
Description
技术领域
本发明涉及传热传质测量技术领域,尤其涉及一种基于PIV系统的换热性能测量装置。
背景技术
换热器作为一种工业、石油等行业里必不可少的设备,备受关注。其中,大量的新型换热器是以通过改变管道内部结构来达到提升换热效果的目的,这需要了解换热器的各项性能,从而衍生出各种测量装置。但是现有测量装置性能单一,数据不全面,结果不准确,无法满足要求。
如申请号为CN200920093613.9的中国专利,其公开了一种多功能换热器测试系统,可检测板式、管式、螺旋式换热器的热性能,其中,加热器、降温器、过冷却器连接构成热源回路,加热器和被测定换热器构成热循环回路,被测定换热器和冷却器连接构成冷循环回路,冷却器和冷却塔连接构成冷源回路,多套流量测试管路并行设置在热循环和冷循环回路上,交叉变向管路装置设置在热循环回路和冷循环回路之间。测试过程中,此设备管路与环境换热散失热量过多,回路中的液体难以保持恒温。且该专利提到其更偏向对于多种换热器进行测量的兼容性、普适性。
如申请号为CN201120199041.X的中国专利,其公开了一种单管换热管测试装置,换热管、壳体、输送泵、储液罐及进、出口阀。测试过程中,此设备的流体回流后没有经过缓冲而是直接进入储液罐,从而不能提供恒定温度的冷冻水和冷却水,进而影响实验精度。该专利注重于对实验数据的获取而忽略了对流体温度的保障。
如申请号为CN201310607579.3的中国专利,其公开了一种换热管换热性能测量装置,包括冷源回路、冷却水回路、PID数据采集及控制器,以及能量微调回路和冷却水辅助回路,可对蒸发器和冷凝器分别进行测试。该设备在温度传感器的布置密度少且为一字形排列。该专利更偏向于对热量的计算与处理,并没有从复杂的流体流动角度对设备进行评判。
本发明旨在解决如下三个方面的问题:
1.减少流体能量的散失,保证流体的温度恒定;
2.获取更多温度数据,提高数据的准确性;
3.以微观的角度对换热性能进行分析与评判;
需要一种基于PIV系统的热流场测量装置被设计出来。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上问题,且获得更稳定、准确、客观的实验数据,提供一种基于PIV系统的热流场测量装置。
本发明是通过以下技术方案实现:
本发明例示的第一方面涉及一种基于PIV系统的换热性能测量装置,包括:
PIV系统,包括主机、与主机电性连接的CCD相机、与主机电性连接的同步器和与同步器电性连接的激光发生器;
流体循环系统,包括高温流体循环系统和低温流体循环系统,所述高温流体循环系统包括高温储液箱、与高温储液箱的热出流侧连接的热入流管、与热入流管另一侧连接的热实验管道以及与热试验管道另一侧连接的热出流管,所述热出流管的另一侧连接高温储液箱的热回流侧,所述热实验管道上布置有热电偶阵列,所述低温流体循环系统包括低温储液箱、与低温储液箱的冷出流侧连接的冷入流管、与冷入流管另一侧连接的冷实验管道以及与冷实验管道另一侧连接的冷流出管,所述冷流出管的另一侧连接低温储液箱的冷回流侧;以及
数据采集系统,包括分别数据采集器连接的高温流体数据采集系统和低温流体数据采集系统,所述高温流体数据采集系统包括沿流体流动方向依次设置在热入流管上的第一流量传感器、第一温度传感器和第一压力传感器,还包括沿流体流动方向依次设置在热出流管上的第二压力传感器和第二温度传感器,所述低温流体数据采集系统包括沿流体流动方向依次设置在冷入流管上的第二流量传感器、第三温度传感器和第三压力传感器,还包括沿流体流动方向依次设置在冷出流管上的第四压力传感器和第四温度传感器;
其中,所述热入流管和热出流管之间通过热回流管相连通,所述冷入流管与冷出流管通过冷回流管相连通,所述CCD相机设置在热实验管道的端面侧,所述激光发生器放置于热实验管道管体的周面侧。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第二方面为,所述热电偶阵列沿热实验管道为螺旋排列。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第三方面为,所述高温储液箱底部设置有加热板,所述低温储液箱底部设置有制冷板。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第四方面为,所述热入流管、热出流管、冷入流管、冷出流管、热回流管以及冷回流管外部包裹有隔热材料。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第五方面为,所述热入流管上沿流体流向还设置有第一泵和第一节流阀,所述冷入流管上沿流体流向还设置有第二泵和第二节流阀。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第六方面为,所述热回流管上安装有第一单向阀,所述冷回流管上安装有第二单向阀。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第七方面为,所述热实验管道和冷实验管道采用有机玻璃制成。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第八方面为,所述热实验管道内置于冷实验管道内且所述热实验管道与冷实验管道的进口和出口在同一平面。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第九方面为,所述高温储液箱内设置有隔板以使高温储液箱的上部与下部分隔,所述高温储液箱上部为热出流侧,下部为热回流侧。
在第一方面所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置的基础上,本发明例示的第九方面为,所述高温储液箱体积足够大且大于0.5m3以使出流液体温度恒定。
与现有的技术相比,本发明的有益效果是:
本发明既能精准测量出换热器的性能与数据,又能结合PIV(Particle ImageVelocimetry)这一瞬态、多点、无接触式的流体力学测速技术对某一瞬间下大量空间点上的速度分布信息进行记录和分析,从而得到丰富的流场空间结构以及流动特性,从而从流体的微观结构上对传热传质进行研究,既可以对实现外流场的数据进行测量,又可以实现对流体内部湍流变化进行测量。且测量过程中流体的温度稳定、数据精准、结果客观。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图;
图2为本发明中热实验管16上热电偶21阵列的示意图;
其中,附图标记如下:
1、加热板,2、热回流侧,3、热出流侧,4、第一单向阀,5、第一泵,6、热回流管,7、第一节流阀,8、热入流管,9、第四温度传感器,10、第一流量传感器,11、第四压力传感器,12、第一温度传感器,13、冷出流管,14、第一压力传感器,15、CCD相机,16、热实验管道,17、同步器,18、主机,19、激光发生器,20、数据采集器,21、热电偶阵列,22、冷实验管道,23、第三温度传感器,24、第三压力传感器,25、第二流量传感器,26、第二压力传感器,27、第二温度传感器,28、热出流管,29、冷入流管,30、第二节流阀,31、冷回流管,32、第二单向阀,33、第二泵,34、冷出流侧,35、冷回流侧,36、制冷板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1至图2,一种基于PIV系统的换热性能测量装置,包括:
PIV系统,包括主机18、与主机18电性连接的CCD相机15、与主机18电性连接的同步器17和与同步器17电性连接的激光发生器19;
流体循环系统,包括高温流体循环系统和低温流体循环系统,所述高温流体循环系统包括高温储液箱、与高温储液箱的热出流侧3连接的热入流管8、与热入流管8另一侧连接的热实验管道16以及与热试验管道另一侧连接的热出流管28,所述热出流管28的另一侧连接高温储液箱的热回流侧2,所述热实验管道16上布置有热电偶阵列21,所述低温流体循环系统包括低温储液箱、与低温储液箱的冷出流侧34连接的冷入流管29、与冷入流管29另一侧连接的冷实验管道22以及与冷实验管道22另一侧连接的冷流出管,所述冷流出管的另一侧连接低温储液箱的冷回流侧35;以及
数据采集系统,包括分别数据采集器20连接的高温流体数据采集系统和低温流体数据采集系统,所述高温流体数据采集系统包括沿流体流动方向依次设置在热入流管8上的第一流量传感器10、第一温度传感器12和第一压力传感器14,还包括沿流体流动方向依次设置在热出流管28上的第二压力传感器26和第二温度传感器27,所述低温流体数据采集系统包括沿流体流动方向依次设置在冷入流管29上的第二流量传感器25、第三温度传感器23和第三压力传感器24,还包括沿流体流动方向依次设置在冷出流管13上的第四压力传感器11和第四温度传感器9;
其中,所述热入流管8和热出流管28之间通过热回流管6相连通,所述冷入流管29与冷出流管13通过冷回流管31相连通,所述CCD相机15设置在热实验管道16的端面侧,所述激光发生器19放置于热实验管道16管体的周面侧。
在上述技术方案的基础上,该装置以换热实验管道16为中心,利用PIV,流体循环,数据采集等三个系统,对热实验管道16内的热量数据、流场微观变化数据进行检测,对换热器的换热性能进行评判。在空间上进行高效紧凑的排列,避免了如申请号为CN200920093613.9的专利文件,这样为了设备普适性而牺牲空间与热量的设计,从而保证了温度的恒定;同时储液箱也采用了冷测热侧分开且冷测分开的结构,让回流液经过一定时间的加温后再进入热侧,保证了出流液体温度的稳定性。不同于以往的测量装置,本装置加入的PIV系统能观测到微观的流体数据,能从微观流体运动的角度对换热性能进行评判。
更进一步地,拟采用粒径为25μm的示踪粒子,且具有良好的跟随性以及均匀分布的光散射性。以对称槽道的左下角为坐标原点,x轴为流场的流向,y轴为流场的法向;z轴为流场的展向,建立笛卡尔坐标系。激光发生器19沿流场的x-y平面发射激光,利用激光片光源照亮流场。CCD相机15在槽道的z轴负方向记录粒子的图像,通过主机18对储存数据的运算,在所测的流向方向和法向方向得到流场信息,再进行定量提取与计算。
具体实施时,所述热电偶阵列21沿热实验管道16为螺旋排列,如图2所示,T1至T8为8个T型热电偶,在热实验管道16上的温度传感器排列也不同于专利CN103645207B,由于测量管道的内部结构可能是复杂的,管道内同一深度存在不同角度有不同壁厚的情况。如果采用一字型排列可能导致在温度获取时出现误差,因此采用螺旋排列的方式进行测量,避免误差,提高测量精度,提供更有说服力的数据。
具体实施时,所述高温储液箱底部设置有加热板1,所述低温储液箱底部设置有制冷板36。
具体实施时,所述热入流管8、热出流管28、冷入流管29、冷出流管13、热回流管6以及冷回流管31外部包裹有隔热材料,优选地,在最外层设置有锡纸材料,以保证管道内流体温度恒定。
具体实施时,所述热入流管8上沿流体流向还设置有第一泵5和第一节流阀7,所述冷入流管29上沿流体流向还设置有第二泵33和第二节流阀30。
具体实施时,为防止出流管内的低温流体再次进入入流管干扰实验,所述热回流管6上安装有第一单向阀4,所述冷回流管31上安装有第二单向阀32。
具体实施时,为便于PIV设备观测流场、获取数据,所述热实验管道16和冷实验管道22采用有机玻璃制成。
具体实施时,为便于换热,所述热实验管道16内置于冷实验管道22内且所述热实验管道16与冷实验管道22的进口和出口在同一平面。
具体实施时,为保证出流液体温度恒定,防止回流液体干扰液温,回流液体须在回流侧进行加热后再进入出流侧,所述高温储液箱内设置有隔板以使高温储液箱的上部与下部分隔,所述高温储液箱上部为热出流侧3,下部为热回流侧2。
具体实施时,为保证出流液体温度恒定,减少流体温度波动,提高储液箱内液温基数,所述高温储液箱体积足够大且大于0.5m3以使出流液体温度恒定。
使用时,该装置的测量方法为,包含如下步骤:
S1、在热实验管道16旁边选取拍摄视角,将PIV系统的激光发生器19放置热实验管道16周面侧,将CCD相机15放置在在热实验管道的端面侧,相对位置呈90°,采用单通道滤光片;
S2、打开流体循环系统节流阀与温控系统,待流体温度恒定后对试验测量数据进行记录分析,进行基本换热性能参数测试,主要参数包括:热实验管道16内流量Qh、入口温度Th1、出口温度Th2、入口温度Ph1、出口压力Ph2,冷实验管道22内流量Qc、入口温度Tc1、出口温度Tc2、入口温度Pc1、出口压力Pc2;
S3、利用PIV系统,对热实验管道16中需要测量的流场部分进行标定,调整参数设置以得到清晰的流场图像,加入示踪粒子,利用CCD相机15对其流场进行拍摄,并采集数据,对采集数据进行分析,得到流场数据参数;
S4、(1)利用数据采集系统研究换热量q与来流速度温度的关系,其中换热量q的计算公式为:q=GhC(Th1-Th2),其中C为流体比热容;
(2)利用PIV设备得到分析微观流体运动中不同涡结构之间的发展、变化及干涉情况,建立时间轴上的涡面捕捉,以一个振荡周期为单位时间轴T,分别取T、2T、4T、7T、11T为时间轴节点。研究时间轴上涡干涉现象对涡强度Se及局部努赛尔数Nu的影响,其中,
局部努赛尔数Nu计算公式为:Nulocal=-(dh·T/n)/(Tw-Ts(x));
涡干涉现象对涡强度Se计算公式为:Se=(ρ·dh/μ)·∫vUsdV/∫vdV。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于,包括:
PIV系统,包括主机(18)、与主机(18)电性连接的CCD相机(15)、与主机(18)电性连接的同步器(17)和与同步器(17)电性连接的激光发生器(19);
流体循环系统,包括高温流体循环系统和低温流体循环系统,所述高温流体循环系统包括高温储液箱、与高温储液箱的热出流侧(3)连接的热入流管(8)、与热入流管(8)另一侧连接的热实验管道(16)以及与热试验管道另一侧连接的热出流管(28),所述热出流管(28)的另一侧连接高温储液箱的热回流侧(2),所述热实验管道(16)上布置有热电偶阵列(21),所述低温流体循环系统包括低温储液箱、与低温储液箱的冷出流侧(34)连接的冷入流管(29)、与冷入流管(29)另一侧连接的冷实验管道(22)以及与冷实验管道(22)另一侧连接的冷流出管,所述冷流出管的另一侧连接低温储液箱的冷回流侧(35);以及
数据采集系统,包括分别数据采集器(20)连接的高温流体数据采集系统和低温流体数据采集系统,所述高温流体数据采集系统包括沿流体流动方向依次设置在热入流管(8)上的第一流量传感器(10)、第一温度传感器(12)和第一压力传感器(14),还包括沿流体流动方向依次设置在热出流管(28)上的第二压力传感器(26)和第二温度传感器(27),所述低温流体数据采集系统包括沿流体流动方向依次设置在冷入流管(29)上的第二流量传感器(25)、第三温度传感器(23)和第三压力传感器(24),还包括沿流体流动方向依次设置在冷出流管(13)上的第四压力传感器(11)和第四温度传感器(9);
其中,所述热入流管(8)和热出流管(28)之间通过热回流管(6)相连通,所述冷入流管(29)与冷出流管(13)通过冷回流管(31)相连通,所述CCD相机(15)设置在热实验管道(16)的端面侧,所述激光发生器(19)放置于热实验管道(16)管体的周面侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述热电偶阵列(21)沿热实验管道(16)为螺旋排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述高温储液箱底部设置有加热板(1),所述低温储液箱底部设置有制冷板(36)。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述热入流管(8)、热出流管(28)、冷入流管(29)、冷出流管(13)、热回流管(6)以及冷回流管(31)外部包裹有隔热材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述热入流管(8)上沿流体流向还设置有第一泵(5)和第一节流阀(7),所述冷入流管(29)上沿流体流向还设置有第二泵(33)和第二节流阀(30)。
6.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述热回流管(6)上安装有第一单向阀(4),所述冷回流管(31)上安装有第二单向阀(32)。
7.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述热实验管道(16)和冷实验管道(22)采用有机玻璃制成。
8.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述热实验管道(16)内置于冷实验管道(22)内且所述热实验管道(16)与冷实验管道(22)的进口和出口在同一平面。
9.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述高温储液箱内设置有隔板以使高温储液箱的上部与下部分隔,所述高温储液箱上部为热出流侧(3),下部为热回流侧(2)。
10.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的换热性能测量装置,其特征在于:所述高温储液箱体积足够大且大于0.5m3以使出流液体温度恒定。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190222 |
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