CN109827793A - 一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及测试方法，包括：风道试验台、海水源表冷器系统、空气冷却控制系统、废水回收系统；本发明提出的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及方法，可进行海水源表冷器全海域工况性能研究，包括表冷器冷边海水盐度、温度可控；热边空气温度、湿度可控；振动摇摆台模拟船舶航行时或海上作业平台的振动摇摆。进一步，提出了换热器传热系数全工况数据库的建立方法。

Description

一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于船舶空调领域，尤其涉及一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及测试方法。

背景技术

由于海水有较大的热容量，其常年温度变化较小，因此，海水作为冷却水，成本低廉，水源稳定具有明显的经济效益。船舶空调开发海水作为换热器冷源，扩大了海水的利用范围，对降低船舶系统能耗具有重要意义。

海水源表冷器利用海水与空气进行热量交换，可作为风机盘管的换热器，空调机组内的风冷的翅片换热器等。海水源表冷器目前在海上平台和船舶空调中的应用非常普遍，换热器的质量和性能直接影响着平台和系统的稳定运行。同时，区别与普通换热器的是，海水源换热器不仅管内的介质海水对换热器的腐蚀会造成换热器性能的变化，同时海洋条件下船舶和海上平台的升沉与摇晃对制冷系统来说是一个挑战，其部件的运行稳定性和安全性也难以保障。其次，换热器在实际运行过程中还会受到其他设备运行过程中产生的振动的影响。因此，研究在摇摆和振动冲击载荷下海水源表冷器全海域工况的换热特性具有重要的研究意义，其相应的实验系统的研发也迫在眉睫。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及测试方法，本发明提供的测试系统和方法是考虑到全海域工况下的海水温度、盐度及船舶的摇摆和振动等因素的影响，以准确测试海水源表冷器性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统，包括海水源表冷器系统、废水回收系统、风道试验台以及控制箱；其中，

所述海水源表冷器系统包括海水系统、淡水系统、冷冻机组、电加热器、换热器以及表冷器，所述海水系统经管路与所述换热器连接，所述淡水系统经管路分别与所述冷冻机组以及所述电加热器连接，所述冷冻机组经管路与所述换热器连接；所述电加热器经管路与所述换热器连接；通过海水源表冷器系统实现对海水的冷却以及降温操作，并且海水经冷却或升温后通过换热器直接进入表冷器；

所述风道实验台沿风向方向依次包括预处理换热器、预处理电加热器、加湿器以及风机，所述表冷器设在所述加湿器与所述风机之间，通过预处理换热器、预处理电加热器结合冷冻机组以及换热器实现对空气的冷却和加热，并利用所述风道实验台对表冷器性能的测试；

所述废水回收系统包括废水池以及若干废水管路，所述废水池通过废水管路分别与所述换热器、表冷器以及预处理换热器连接；

所述控制箱统一控制所述海水源表冷器系统、废水回收系统以及风道试验台的各项操作。

作为优选，所述表冷器设在表冷器工作台上，并在所述表冷器工作台上设置振动摇摆台。

作为优选，所述表冷器工作台与所述风道实验台之间为软连接。

作为优选，所述风道实验台进口处还设置渐缩入口和孔板，出口处还设置消声器。

作为优选，所述海水系统还包括海水浓度调节口，该海水浓度调节口通过人工操作并根据不同海域的海水盐度，配置不同NaCl浓度的人工海水，以备测试。

一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：

(1)海水盐度的控制：根据不同海域海水的盐度，用工业NaCl配制人工海水，以实现对全海域海水盐度的模拟；

(2)海水温度的控制

当需要对海水池中的海水进行冷却处理时，淡水从淡水系统被抽出，进入冷冻机组降温后，一部分冷冻水经管路进入换热器，与来自海水系统的人工配制海水进行热量交换，经过换热器的冷冻水由对应的废水管路流入废水池，被冷却后的海水经海水管路进入表冷器，将空气降温后再经对应的废水管路排入废水池；

当需要对海水系统中的海水进行加热处理时，电加热器打开，冷水经电加热器后，进入换热器，与来自海水系统的人工配制海水进行热量交换，经过换热器的热水由对应的废水管路流入废水池，同时，海水被加热后进入被测试的表冷器，最后从对应的废水管路排入废水池；

(3)空气的温度的控制

当空气需要被冷却时，淡水从淡水系统被水泵抽出，进入冷冻机组降温后，一部分进入预处理换热器对空气进行降温，经过换热器的废水由对应的废水管路流入废水池；

当空气需要被加热时，第二冷冻水泵关闭，预处理电加热器打开；

(4)船舶动载荷的控制

当需要模拟船舶的振动和摇摆对换热器特性影响的时候，打开六自由度的振动摇摆台，通过控制箱通过对振动摇摆台的调节可实现不同的振动频率和不同角度的摇摆；

(5)风道试验台中的空气温、湿度控制：空气从风道试验台的渐缩入口进入，经过孔板整流后进入预处理换热器、电加热器、加湿器、表冷器、风机、消声器，最后排出通道；

(6)试验台对表冷器进行性能测试，通过对表冷器前后的温度、压力、湿度进行检测，计算最能反映表冷器热工性能的传热系数K。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及方法，可进行海水源表冷器全海域工况性能研究，包括表冷器冷边海水盐度、温度可控；热边空气温度、湿度可控；振动摇摆台模拟船舶航行时或海上作业平台的振动摇摆。进一步，提出了换热器传热系数全工况数据库的建立方法。上述实验台可获得换热器在全海域航行时的全包线运行特性，为海水源表冷器的实际应用提供技术支持。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的原理示意图；

图中：1、风道试验台；11、渐缩入口；12、孔板；13、预处理换热器；14、预处理电加热器；15、加湿器；16、振动摇摆台；17、表冷器；171、第一表冷器阀；172、第二表冷器阀；173、表冷器工作台；18、风机；19、消音器；2-海水池、21、入口管路；22、第三淡水阀；23、第一海水阀；24、海水管路；3、淡水池；31、第一淡水阀；32、第二淡水阀；33、水泵；34、淡水管路；4、废水池；41、第一废水管路；42、第二废水管路；43、第三废水管路；5、换热器；6、电加热器；61、电加热器入口阀；62、第一热水阀；7、冷冻机组；71、冷冻水入口阀；72、第一冷冻水阀；73、第二冷冻水阀；8、控制箱；9、海水浓度调节口。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例：参照附图1所示，一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统及测试方法，包括海水源表冷器系统、废水回收系统、风道试验台1以及控制箱8；其中，

所述海水源表冷器系统包括海水系统、淡水系统、冷冻机组7、电加热器6、换热器5以及表冷器17，所述海水系统经管路与所述换热器5连接，所述淡水系统经管路分别与所述冷冻机组7以及所述电加热器6连接，所述冷冻机组7经管路与所述换热器5连接；所述电加热器6经管路与所述换热器5连接；通过海水源表冷器系统实现对海水的冷却以及降温操作，并且海水经冷却或升温后通过换热器5直接进入表冷器；

所述表冷器17设在表冷器工作台173上，并在所述表冷器工作台173上设置振动摇摆台16，表冷器工作台173与振动摇摆台16固定连接，为防止振动摇摆台16影响风道试验台1整体的稳定，所述表冷器工作台173与所述风道实验台之间为软连接；所述表冷器还包括第一表冷器阀171、第二表冷器阀172。

所述振动摇摆台为六自由度摇摆台，主要功能：1.位姿模拟、正弦波模拟、单自由度运动、多自由度复合运动。2.路谱滤波处理，随机波复现，路谱、海浪谱、飞行谱复现等功能。3.通过TCP/IP协议，为用户提供第三方控制接口(上位机接口)。4.提供内同步、外同步数据输出控制接口。

六自由度摇摆台的基本参数

所谓软连接可以描述为用软管连接我在原图中用褶皱表示了一下也就是说六自由度平台运动的时候风管不受牵扯。因为风管是铁皮管是固定住的；

所述海水系统还包括海水浓度调节口9，该海水浓度调节口9通过人工操作并根据不同海域的海水盐度，配置不同NaCl浓度的人工海水，以备测试；

所述海水系统还包括海水池2、第一海水阀23以及海水管路24，第一海水阀23连接在海水池2与换热器5的管路上，海水管路24连接在表冷器与换热器5之间，所述海水池2与海水管路24连通，海水池2前后分别设置了第一海水阀23，海水经过换热器5后直接送入所述表冷器中，海水池2还通过第三淡水阀与入口管路21连接；

所述冷冻机组7还包括冷冻水入口阀71、第一冷冻水阀72以及第二冷冻水阀73，第一冷冻水阀72用于空气的冷却，第二冷冻水阀73用于海水的冷却降温；

所述淡水系统还包括淡水池3，所述淡水池3与淡水管路34连通，淡水池3前后分别设置了第一淡水阀31，水泵33和第二淡水阀32。淡水一部分经过冷冻水入口阀71进入冷冻机组7，一部分经过进入电加热器6入口阀进入电加热器6。所述冷冻机组7后分设置了第一冷冻水阀72和第二冷冻水阀73，第一冷冻水阀72与预处理换热器13连通，第二冷冻水阀73与换热器5连通。所述电加热器6后设置有第一热水阀62，第一热水阀62与换热器5连通，电加热器6上还设置电加热器入口阀61；

所述风道实验台沿风向方向依次包括预处理换热器13、预处理电加热器14、加湿器15以及风机18，所述表冷器设在所述加湿器15与所述风机18之间，通过预处理换热器13、预处理电加热器14结合冷冻机组7以及换热器5实现对空气的冷却和加热，并利用所述风道实验台对表冷器性能的测试；

所述风道实验台进口处还设置渐缩入口11和孔板12，出口处还设置消声器19

所述废水回收系统包括废水池4以及若干废水管路，所述废水池4通过废水管路分别与所述换热器5、表冷器以及预处理换热器13连接；

所述废水回收系统的若干废水管路共三个，分别为第一废水管路41、第二废水管路42、第三废水管路43，所述第一表冷器阀171安装在海水管路24上，所述第二表冷器阀172安装在第二废水管路42上；

所述控制箱8统一控制所述海水源表冷器系统、废水回收系统以及风道试验台1的各项操作，所述控制箱8控制所有阀门的开关，实现不同工况的模拟。

本发明所述海水源表冷器全海域工况性能测试系统为开示系统，淡水由入口管路21流入，废水由废水池4流出；所述废水池4通过第一废水管路41与换热器5相连，通过第二废水管路42与表冷器相连，通过第三废水管路43与预处理换热器13相连。

一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：

(1)海水盐度的控制：根据不同海域海水的盐度，用工业NaCl配制人工海水，以实现对全海域海水盐度的模拟；

(2)海水温度的控制

当需要对海水池2中的海水进行冷却处理时，淡水从淡水系统被抽出，进入冷冻机组7降温后，一部分冷冻水经管路进入换热器5，与来自海水系统的人工配制海水进行热量交换，经过换热器5的冷冻水由对应的废水管路流入废水池4，被冷却后的海水经海水管路24进入表冷器，将空气降温后再经对应的废水管路排入废水池4；

具体的，当需要对海水池2中的海水进行冷却处理时，淡水从淡水水池被水泵33抽出，此时冷冻水入口阀71开启，淡水进入冷冻机组7降温后，一部分冷冻水通过第二冷冻水阀73进入换热器5，与来自海水水箱的人工配制海水进行热量交换。经过换热器5的冷冻水由第一废水管路41流入废水池4，被冷却后的海水经海水管路24进入表冷器，将空气降温后从第二废水管路42排入废水池4；

当需要对海水系统中的海水进行加热处理时，电加热器6打开，冷水经电加热器6后，进入换热器5，与来自海水系统的人工配制海水进行热量交换，经过换热器5的热水由对应的废水管路流入废水池4，同时，海水被加热后进入被测试的表冷器，最后从对应的废水管路排入废水池4；

具体的，当需要对海水池2中的海水进行加热处理时，电加热器6打开，冷水经电加热器6后，经过第一热水阀62，进入换热器5。与来自海水水箱的人工配制海水进行热量交换。经过换热器5的热水由第一废水管路41流入废水池4，同时，海水被加热后进入被测试的表冷器，最后从第二废水管路42排入废水池4；

(3)空气的温度的控制

当空气需要被冷却时，淡水从淡水池3被水泵33抽出，此时冷冻水入口阀71开启，淡水进入冷冻机组7降温后，一部分通过第一冷冻水阀72进入预处理换热器13对空气进行降温，经过预处理换热器13的废水由第三废水管路43流入废水池4；

当空气需要被加热时，第二冷冻水泵33关闭，预处理电加热器14打开；

换热器有冷边和热边，冷边是海水，热边是空气。或者互换；本发明技术方案在做换热器的实验性能的时候，要对换热器两侧的介质分别进行温度控制才能实现全工况下的性能测定；

(4)船舶动载荷的控制

当需要模拟船舶的振动和摇摆对换热器5特性影响的时候，打开六自由度的振动摇摆台16，通过控制箱8通过对振动摇摆台16的调节可实现不同的振动频率和不同角度的摇摆；

(5)风道试验台1中的空气温、湿度控制：空气从风道试验台1的渐缩入口11进入，经过孔板12整流后进入预处理换热器13、电加热器6、加湿器15、表冷器、风机18、消声器19，最后排出通道；

(6)试验台对表冷器进行性能测试，通过对表冷器前后的温度、压力、湿度进行检测，计算最能反映表冷器热工性能的传热系数K；具体的，开启试验台，通过控制柜控制换热器的实验工况包括对温度、海水浓度的控制，当状态参数稳定后，通过海水侧的海水质量流量计、海水进口温度传感器、海水出口温度传感器、海水压力传感器获得海水的质量流量、进口温度、出口温度以及压力。通过空气侧的气质量流量计、气进口温度传感器、气出口温度传感器、气压力传感器获得气的质量流量、进口温度、出口温度以及压力。进一步，某一种工况下换热器的传热系数计算方法如下：

(1)换热器的传热方程为：

Q_H＝KFΔt_m

其中Q_H为换热量，K为换热器的传热系数，F为换热器的面积，Δt_m为换热器两侧的对数平均温差。

(2)空气侧的换热量

Q_a＝G_ac_p,a(t_a1-t_a2)

其中Q_a为空气侧的换热量，G_a为空气侧的质量流量，c_p,a为空气的定压比热，t_a1为空气的进口温度，t_a2为空气的出口温度。

(3)海水侧的换热量

Q_w＝G_wc_p,w(t_w2-t_w1)

其中Q_a为海水侧的换热量，Gw为海水侧的质量流量，c_p,w为空气的定压比热，t_w1为海水侧的进口温度，t_w2为海水侧的出口温度。

(4)换热器的对数平均温差

其中Δt_min＝t_a2-t_w2Δt_min＝t_a1-t_w1

(5)换热器的传热系数

通过改变海水的浓度、温度、流量；改变空气的温度、流量以及六自由度运动台的运动特性可获得换热器的多工况数据库。进一步为了获得换热器的全工况传热系数数据库可通过以下方法：

从实验台的控制策略可见，换热器的传热系数为多元函数：

K＝f(x₁,x₂,x₃.... .... x_n)。

其中x₁,x₂,x₃…..x_n为影响换热器传热系数的工况参数。

则实际运行过程中换热器的传热系数可写为这样的函数：f(x'₁,x'₂,x'₃ ........ x'_n)＝f(y₁+a₁,y₂+a₂,y₃+a₃.... .... y_n+a_n)

其中a₁,a₂,a₃….a_n为一个无穷小量，x′₁,x′₂,x′₃.... .... x′_n为换热器在实际过程中测量得到的工况参数。y₁,y₂,y₃…..y_n实验参数中的某一个点，该点与x′₁,x′₂,x′₃........ x′_n的距离最近即，

(y₁-x′₁)²+(y₂-x'₂)²+.......+(y_n-x'_n)²≤(z₁-x′₁)²+(z₂-x'₂)²+.......+(z_n-x'_n)²z₁,z₂,z₃.... .... z_n为数据库中的其他任意一点。

利用多元函数的泰勒展开：

公式保留如下两项：

如增加精度可依次增加右边的项数，上述过程可获得换热器全工况下的换热系数特性。

具体的实施数据测试：

换热器的传热系数K假设为升沉参数、纵荡参数、横荡参数、波向参数的四元函数K(x₁,x₂,x₃,x₄)：

x₁,x₂,x₃,x₄为升沉参数、纵荡参数、横荡参数、波向参数。

通过实验已经获得如下换热器特性数据库

则实际过程中当升沉参数、纵荡参数、横荡参数、波向参数分别为0.21m、0.16m、0.40m、103⁰，记为H点；则此时的换热器的传热系数计算如下：

(1)寻找离该点距离最小的点。从数据库中可知，离C点的距离最近。

(2)在C点进行泰勒展开。

K_H＝K(0.2+0.01,0.16+0,0.35+0.05,103+0)

＝K_C+0.01*0.5+0*0.7+0.05*0.2+0*0.6

＝23.7+0.015

＝23.715

则实验数据库以外的传热系数即可通过上述方法获得，进一步可获得全工况下的传热系数数据库。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统，其特征在于：包括海水源表冷器系统、废水回收系统、风道试验台以及控制箱；其中，

所述海水源表冷器系统包括海水系统、淡水系统、冷冻机组、电加热器、换热器以及表冷器，所述海水系统经管路与所述换热器连接，所述淡水系统经管路分别与所述冷冻机组以及所述电加热器连接，所述冷冻机组经管路与所述换热器连接；所述电加热器经管路与所述换热器连接；通过海水源表冷器系统实现对海水的冷却以及降温操作，并且海水经冷却或升温后通过换热器直接进入表冷器；

所述风道实验台沿风向方向依次包括预处理换热器、预处理电加热器、加湿器以及风机，所述表冷器设在所述加湿器与所述风机之间，通过预处理换热器、预处理电加热器结合冷冻机组以及换热器实现对空气的冷却和加热，并利用所述风道实验台对表冷器性能的测试；

所述废水回收系统包括废水池以及若干废水管路，所述废水池通过废水管路分别与所述换热器、表冷器以及预处理换热器连接；

所述控制箱统一控制所述海水源表冷器系统、废水回收系统以及风道试验台的各项操作。

2.根据权利要求1所述的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统，其特征在于：所述表冷器设在表冷器工作台上，并在所述表冷器工作台上设置振动摇摆台。

3.根据权利要求2所述的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统，其特征在于：所述表冷器工作台与所述风道实验台之间为软连接。

4.根据权利要求3任一项所述的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统，其特征在于：所述风道实验台进口处还设置渐缩入口和孔板，出口处还设置消声器。

5.根据权利要求4所述的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统，其特征在于：所述海水系统还包括海水浓度调节口，该海水浓度调节口通过人工操作并根据不同海域的海水盐度，配置不同NaCl浓度的人工海水，以备测试。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种海水源表冷器全海域工况性能测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)海水盐度的控制：根据不同海域海水的盐度，用工业NaCl配制人工海水，以实现对全海域海水盐度的模拟；

(2)海水温度的控制

当需要对海水池中的海水进行冷却处理时，淡水从淡水系统被抽出，进入冷冻机组降温后，一部分冷冻水经管路进入换热器，与来自海水系统的人工配制海水进行热量交换，经过换热器的冷冻水由对应的废水管路流入废水池，被冷却后的海水经海水管路进入表冷器，将空气降温后再经对应的废水管路排入废水池；

当需要对海水系统中的海水进行加热处理时，电加热器打开，冷水经电加热器后，进入换热器，与来自海水系统的人工配制海水进行热量交换，经过换热器的热水由对应的废水管路流入废水池，同时，海水被加热后进入被测试的表冷器，最后从对应的废水管路排入废水池；

(3)空气的温度的控制

当空气需要被冷却时，淡水从淡水系统被水泵抽出，进入冷冻机组降温后，一部分进入预处理换热器对空气进行降温，经过换热器的废水由对应的废水管路流入废水池；

当空气需要被加热时，第二冷冻水泵关闭，预处理电加热器打开；

(4)船舶动载荷的控制

当需要模拟船舶的振动和摇摆对换热器特性影响的时候，打开六自由度的振动摇摆台，通过控制箱通过对振动摇摆台的调节可实现不同的振动频率和不同角度的摇摆；

(5)风道试验台中的空气温、湿度控制：空气从风道试验台的渐缩入口进入，经过孔板整流后进入预处理换热器、电加热器、加湿器、表冷器、风机、消声器，最后排出通道；

(6)试验台对表冷器进行性能测试，通过对表冷器前后的温度、压力、湿度进行检测，计算最能反映表冷器热工性能的传热系数K。