CN109827794A - 一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台、系统及方法，其中平台包括：安装在所述高焓离解气体冷却器的壳体内的多组换热管组；进水主管，以及并联在所述进水主管上的多个水流分流器；每个水流分流器的输出端连接至一组换热管组的进水端；回水主管，以及并联在所述回水主管上的多个水流汇水器；每个水流汇水器的输入端连接至一组换热管组的出水端；设置在所述高焓离解气体冷却器的热流体进口处的第一探针，以及与所述第一探针连接的进口参数测量系统，用于测量热流体进口处的焓值、压力和流量；设置在所述高焓离解气体冷却器的热流体出口处的第二探针，以及与所述第二探针连接的出口参数测量系统，用于测量热流体出口处的温度和压力。

Description

一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台、系统及方法

技术领域

本发明涉及换热器热力性能测试技术研究领域，尤其涉及一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台、系统及方法。

背景技术

高焓(温)气体冷却器是大型高焓风洞中重要的热交换系统，主要作用是将风洞上游经由喷管和扩压器等气体流动控制装置通过变直径截面真空管道输运的高温气体温度(超过6000K)通过热交换原理降低到常温(350K左右)，确保风洞长时间稳定运行和真空系统的安全。与工业标准换热器面临的高温(不超过2000K)、高压换热介质不同，高压空气电离后，进入冷却器前的离解气体介质具有低密度(真空环境)、高温(最高温度可超过6000K)的特点，热力性能测试数据可以帮助我们获得适用于该类冷却器设计及校核用实验关联式。

传统气体冷却器，又称为换热器，及其特性测试平台具有以下缺点：

(1)、传统换热器由于进、出口温差(几百度)较小，通常采用算术平均温差或者对数平均温差的方法确定高温流体的定性参数，所采用的实验关联式是在较低温度(几百摄氏度)和小温差条件下得到的，并不适用于高温离解气体的热力分析和设计。

(2)、传统换热器特性测试平台仅适用于较低温度、较小进出口温差以及物性参数变化不大的情形，不适用于高焓(温)气体冷却器热力特性的实验研究。

(3)、传统换热器热力测试平台不具备高焓(温)离解气体的传热与压降实验测试能力。

(4)、传统换热器热力特性测试平台中的热流体进口参数测量方法不适用于高焓(温)离解气体的传热与压降实验测试。

由于高温离解气体的特殊性，需要在真实高温离解气体环境中设计不同换热器组件的热力特性实验测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台、系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，包括：

安装在所述高焓离解气体冷却器的壳体内的多组换热管组；

进水主管，以及并联在所述进水主管上的多个水流分流器；每个水流分流器的输出端连接至一组换热管组的进水端；

回水主管，以及并联在所述回水主管上的多个水流汇水器；每个水流汇水器的输入端连接至一组换热管组的出水端；

设置在所述高焓离解气体冷却器的热流体进口处的第一探针，以及与所述第一探针连接的进口参数测量系统，用于测量热流体进口处的焓值、压力和流量；

设置在所述高焓离解气体冷却器的热流体出口处的第二探针，以及与所述第二探针连接的出口参数测量系统，用于测量热流体出口处的温度和压力。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台中，优选地，所述进水主管上安装有闸阀；所述回水主管上安装有节流阀。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台中，优选地，所述水流分流器和换热管组的进水端之间还安装有流量计、压力变送器和/或温度变送器。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台中，优选地，所述水流汇水器和换热管组的出水端之间还安装有压力变送器和/或温度变送器。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台中，优选地，所述高焓离解气体冷却器的热流体进口与电弧等离子体风洞上游扩压器连接。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台中，优选地，所述多组换热管组包括换热管组一、换热管组二、换热管组三以及换热管组四至换热管组N，其中N为冷却器的级数；且所述换热管组一、换热管组二和换热管组三中的管束为光管，且各组的管束管径依次减小；所述换热管组四至换热管组N中的管束为翅片管，且各组的管束管径与换热管组三的管径相等。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台中，优选地，所述第二探针具有水冷结构。

本发明第二方面，还提供了一种高焓离解气体冷却器热力特性测试系统，包括：

如前所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台；以及

数据采集与分析系统，与所述高焓离解气体冷却器热力特性测试平台的各个传感器和参数测量系统连接，用于根据接收的数据信号对高焓离解气体冷却器各换热管组的热力特性分别进行传热和压降分析，获得高焓离解气体冷却器的热力性能指标。

本发明第三方面，提供了一种高焓离解气体冷却器热力特性测试方法，基于如前所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试系统实现，包括以下步骤：

1)确保回水主管上安装的节流阀保持在全开状态时，打开进水主管上的闸阀，分别对各换热管组连接的水流分流器和水流汇流器上的流量调节阀和截止阀进行流量调节，达到预设的冷却水流量；

2)开启进口参数测量系统的测试水调节阀门，记录测试水压力和流量；开启第一探针冷却水调节阀门，记录冷却水压力；开启出口参数测量系统和第二探针的冷却水，记录冷却水压力；

3)按照确定实验状态开展实验，数据采集与分析系统记录热流体进口参数和出口参数，以及各换热管组的进出水的流量、压力和温升参数；改变实验状态，重复步骤3)；

4)根据步骤3)的实验结果，利用数据采集与分析系统计算各换热管组的换热量分布、冷却器的总换热量以及压降，绘制冷却器的热力特性曲线。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试方法中，优选地，所述方法还包括：

5)根据换热管组的管束布置几何参数、高温离解气体热物性参数计算程序和多次实验数据，获得适合于实验换热管组热力设计的实验关联式。

在根据本发明所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试方法中，优选地，所述方法还包括在步骤2)和3)之间执行的：

通过数据采集与分析系统采集各管路的流量、温度、压力信号并与现场记录值比对，排除信号异常。

实施本发明的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台、系统及方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过采用多个换热管组的配置，可自由匹配组装，各换热管组测试数据丰富，有利于更加准确地对高焓(温)气体冷却器的热力特性做出科学评估。

2、本发明的进口参数测量系统和第一探针，可以快速、方便地测出热流体进口的焓值、压力以及流量等参数，避免了高焓气体测试中常规测试探针易烧损、温度测试手段缺乏的缺点。

3、本发明的实验环境真实，热流体由电弧等离子体风洞上游扩压器直接提供的高温离解气体，能够更加真实地再现高温气体冷却器的实际运行条件。

4、本发明的实验参数范围宽广，不仅可以开展温度2000K-6000K范围内的各种类型的高温气体换热器热力特性研究，也可以开展温度范围在1000K-2000K范围内的气体换热器热力特性研究。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台的示意图。如图所示，该优选实施例提供的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台至少包括：多组换热管组9、进水主管11、多个水流分流器、回水主管7、多个水流汇水器、第一探针5、进口参数测量系统6、第二探针13和出口参数测量系统10。其中水流分流器和水流汇水器均可以采用水流分流/汇流器2实现，只需要根据水流向连接输入和输出端即可。水流分流/汇流器2是一个总管上分接了多路分管路的集成器，分管路上安装有流量调节阀和截止阀(图1中未标示)，便于流量分配和调节。

其中，多组换热管组9安装在该高焓离解气体冷却器(以下简称冷却器)的壳体内。如图1中，换热管组一至换热管组八可以通过自由组装的方法安装在高焓离解气体冷却器的壳体内；每个换热管组9由两排管束组成，也可由单排或者大于两排的管束组成，该设置取决于实验测试的需要。为便于采用实验方法测试不同换热管组的热力性能，换热管组可少于或不限于八组，可以根据测试需求设定。

换热管组9的冷却水由进水主管11提供输运。优选地，进水主管11上安装有闸阀12。多个水流分流器并联在进水主管11上，并且每个水流分流器的输出端连接至一组换热管组9的进水端。也就是说，水流分流器的数量与换热管组9的数量相等。更优选地，每个水流分流器和换热管组9的进水端之间还安装有流量计2、压力变送器3和/或温度变送器4，用于测量各分管路上冷却水进水的流量、压力和/或温度。

多个水流汇水器并联在回水主管7上，并且每个水流汇水器的输入端连接至一组换热管组9的出水端，确保回水进入主管路循环系统。也就是说，水流汇水器的数量与换热管组9的数量相等。优选地，回水主管7上安装有节流阀8。更优选地，水流汇水器和换热管组9的出水端之间还安装有压力变送器3和/或温度变送器4，用于测量各分管路上冷却水回水的压力和/或温度。该出水管路上不需要安装流量测量装置。水流汇水器与进水侧的水流分流器结构设置完全一致，仅仅是进出水方向相反，分管路同样安装有便于流量控制的流量调节阀和截止阀(图1中未标示)。

第一探针5设置在高焓离解气体冷却器的热流体进口处，进口参数测量系统6与该第一探针5连接，用于测量热流体进口处的进口参数，包括但不限于焓值、压力和流量参数。热流体是由风洞上游扩压器提供的高焓离解气体，即高温离解气体。该高焓离解气体温度超过6000K。

第二探针13设置在高焓离解气体冷却器的热流体出口处，出口参数测量系统10与该第二探针13连接，用于测量热流体出口处的温度和压力。热流体出口的温度已经降低到较低的温度，温度和压力采用温度变送器和压力变送器测量；在稳态测量中第二探针13依然需要设计成水冷结构。

优选地，上述进口参数测量系统6又可称为焓值/压力/流量测量系统。由于热流体进口处的高焓离解气体温度超过6000K，现有的温度测量方法并不能满足测量要求，因此本方案中焓值采用测量热流体进口的驻点热流及驻点压力的方法获得。为了获得稳态测试，驻点热流采用一个直径100mm的半球头水冷装置测量，驻点压力采用皮托压力管测量，需要说明的是驻点压力测量中的皮托管必须采用水冷设计，根据相关测试标准，由该测得的驻点热流及驻点压力就可以计算出焓值。该进口参数测量系统6还包括安装在风洞上游管道处的孔板装置，用于测量热流体进口处的流量。进口参数测量系统6中的压力测量是指进入冷却器的热流体静压测量，与上述驻点压力不同。

在优选地的实施方式中，本发明采用变管径的换热管组设计。其中多组换热管组包括换热管组一、换热管组二、换热管组三以及换热管组四至换热管组N，其中N为冷却器的级数。其中换热管组一、换热管组二和换热管组三中的管束均为光管，其中各组的管束管径依次减小，即换热管组一的管束管径d₁、换热管组二的管束管径d₂和换热管组三中的管束管径d₃满足以下关系：d₁>d₂>d₃。优选地，换热管组四至换热管组N中的管束为翅片管，且各组的管束管径d₄至d_N与换热管组三的管束管径d₃相等。本发明中前级最先接触高焓气体的换热管组一、换热管组二采用较大直径光管设计，有效增大了换热管迎风受热面积，降低了壁面平均热流密度，有利于在高焓条件下控制换热因过高的壁温过热失效；换热管组三采用较小直径的光管、管束布置密度较大的设计，有利于在中等焓值条件下提高换热量；换热管组四至换热管组N采用扩展表面的翅片管的设计，增加了传热面积，有利于在低焓条件下强化传热，增加换热量。更优选地，为避免翅片边缘过热，换热管组四至换热管组N采用低翅片管设计。应该理解地是，虽然该实施例中给出了变直径的管束设计，但是本发明不仅限于该结构的冷却器，本实验平台还可用于其它新型结构高温气体换热器的热力特性评估和改进和研发。

本发明还提供了一种高焓离解气体冷却器热力特性测试系统，其包括如上所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，以及数据采集与分析系统。该数据采集与分析系统通过线缆与前述高焓离解气体冷却器热力特性测试平台的各个传感器和参数测量系统连接，用于根据接收的数据信号对高焓离解气体冷却器各换热管组的热力特性分别进行传热和压降分析，获得高焓离解气体冷却器的换热效率、换热量分布、总换热量、换热管壁温度、压降等热力性能指标。例如，该数据采集与分析系统可以与前述进口参数测量系统6、出口参数测量系统10、流量计2、压力变送器3和/或温度变送器4连接，接收数据信号。本实验平台还能通过对新型结构的高温气体换热器热力性能分析，获得适用于该新型结构换热器的传热与压降实验关联式，可推广应用到类似高温换热器的工业设计标准。

本发明还提供了一种高焓离解气体冷却器热力特性测试方法，可以基于前述的高焓离解气体冷却器热力特性测试系统实现，包括以下步骤：

1)确保回水主管7上安装的节流阀8保持在全开状态时，打开进水主管11上的闸阀12，分别对各换热管组9连接的水流分流器和水流汇流器上的流量调节阀和截止阀进行流量调节，达到预设的冷却水流量，并分别记录。优选地，在实验前检查换热管组9与冷却器壳体之间的连接密封性能。

2)开启进口参数测量系统6的测试水调节阀门，记录测试水压力和流量；开启第一探针5的冷却水调节阀门，记录冷却水压力；开启出口参数测量系统10和第二探针13的冷却水，记录冷却水压力。优选地，步骤2)之后可以检查数据采集及分析系统，采集各管路的流量、温度、压力信号并与现场记录值对照检查，排除信号异常。由于测试功能不同，本发明中第一探针5和第二探针13的结构不同。第二探针13不采用测试水。测试水和冷却水是不同的，测试水用于测试探针，冷却水用于换热管组换热。第二探针不采用测试水，是由于本实验平台测试的换热管组要求将高温空气冷却到较低温度(如350K——450K左右，此时的测温探针用常规测温方法即可实现，因此不需要采用测试水。如果用于实验的换热管组并不能将高温空气降低到常温，则第二探针会采用与第一探针相同的方法测试(配备测试水)，即在第二探针位置处安装另外一个第一探针。

3)按照确定实验状态开展实验，数据采集与分析系统记录热流体进口参数和出口参数，以及各换热管组的进出水的流量、压力和温升参数；改变实验状态，重复步骤3)。其中进口参数包括焓值、流量和压力。出口参数包括：温度和压力。结束实验时，分别检查各分系统运行情况，确保设备正常后，依次关闭各管路上的阀门和测试设备。本发明在改变实验状态时暂时不需要调节1)、2)中的阀门。要等到本轮实验结束后，再次调节。通常的实验流程是：①调节好1)、2)中的阀门，确定几个热流体的进口条件(如焓值、压力、流量等参数)，分别进行实验并测试记录分析热力特性；②再次调节1)、2)中的阀门，重复①；②……。本发明实验研究的思想是：先固定其中的几个实验参数，再变化几个参数(实验状态)测试；改变原先固定的参数，重复实验状态的变化，从而有利于发现参数变化的规律性。例如，试验前将气流温度(或焓值)、气流压力、每组的冷却水流量作为固定参数，重复2～3次实验，测试记录每组的冷却水温升，计算各管组换热量；下一次试压时，调整气流温度、压力，继续重复2～3次实验，记录冷却水温升，计算各管组换热量。

4)根据步骤3)的实验结果，利用数据采集与分析系统计算各换热管组的换热量分布、冷却器的总换热量以及压降，绘制冷却器的热力特性曲线。

优选地，该方法还包括以下步骤：

5)根据换热管组的管束布置几何参数、高温离解气体热物性参数计算程序和多次实验数据，获得适合于实验换热管组热力设计的实验关联式。

综上所述，本发明具有以下特点：

1)本发明提出的热力特性测试平台不仅可以开展高焓(温)气体(超过2000K)冷却器热力特性测试实验研究，也可以开展温度范围在1000K-2000K范围内的气体换热器热力特性研究。热流体由电弧等离子体风洞上游扩压器直接提供，能够更加真实地再现高温气体冷却器的实际运行条件，这种实验条件在常规标准换热器热力特性实验平台上是不具备的。

2)本发明提出的热气流进口参数测量系统和第一探针，可以快速、方便地测出热流体进口的焓值、压力以及流量等参数，避免了高焓气体测试中常规测试探针易烧损、温度测试手段缺乏的缺点，这种测试技术和手段在常规标准换热器热力特性实验平台上也是不具备的。

3)本发明方案提出的换热管组自由组合匹配模式，提高了高焓(温)气体冷却器热力特性实验研究的灵活性，可对高焓(温)气体冷却器的各种运行条件开展行实验研究，同时能获得丰富的实验数据，避免了常规换热器热力特性实验平台实验状态少，实验数据少的缺点。

4)本发明方案给出的热力特性测试平台也适用于其他高温特种换热器的开发研究与评价。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，其特征在于，包括：

安装在所述高焓离解气体冷却器的壳体内的多组换热管组；

进水主管，以及并联在所述进水主管上的多个水流分流器；每个水流分流器的输出端连接至一组换热管组的进水端；

回水主管，以及并联在所述回水主管上的多个水流汇水器；每个水流汇水器的输入端连接至一组换热管组的出水端；

设置在所述高焓离解气体冷却器的热流体进口处的第一探针，以及与所述第一探针连接的进口参数测量系统，用于测量热流体进口处的焓值、压力和流量；

设置在所述高焓离解气体冷却器的热流体出口处的第二探针，以及与所述第二探针连接的出口参数测量系统，用于测量热流体出口处的温度和压力。

2.根据权利要求1所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，其特征在于，所述进水主管上安装有闸阀；所述回水主管上安装有节流阀。

3.根据权利要求1所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，其特征在于：

所述水流分流器和换热管组的进水端之间还安装有流量计、压力变送器和/或温度变送器；和/或

所述水流汇水器和换热管组的出水端之间还安装有压力变送器和/或温度变送器。

4.根据权利要求1所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，其特征在于：所述高焓离解气体冷却器的热流体进口与电弧等离子体风洞上游扩压器连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，其特征在于，所述多组换热管组包括换热管组一、换热管组二、换热管组三以及换热管组四至换热管组N，其中N为冷却器的级数；且所述换热管组一、换热管组二和换热管组三中的管束为光管，且各组的管束管径依次减小；所述换热管组四至换热管组N中的管束为翅片管，且各组的管束管径与换热管组三的管径相等。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台，其特征在于，所述第二探针具有水冷结构。

7.一种高焓离解气体冷却器热力特性测试系统，其特征在于，包括：

权利要求1-6中任一项所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试平台；以及

数据采集与分析系统，与所述高焓离解气体冷却器热力特性测试平台的各个传感器和参数测量系统连接，用于根据接收的数据信号对高焓离解气体冷却器各换热管组的热力特性分别进行传热和压降分析，获得高焓离解气体冷却器的热力性能指标。

8.一种高焓离解气体冷却器热力特性测试方法，其特征在于，基于权利要求7所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试系统实现，包括以下步骤：

1)确保回水主管上安装的节流阀保持在全开状态时，打开进水主管上的闸阀，分别对各换热管组连接的水流分流器和水流汇流器上的流量调节阀和截止阀进行流量调节，达到预设的冷却水流量；

2)开启进口参数测量系统的测试水调节阀门，记录测试水压力和流量；开启第一探针冷却水调节阀门，记录冷却水压力；开启出口参数测量系统和第二探针的冷却水，记录冷却水压力；

3)按照确定实验状态开展实验，数据采集与分析系统记录热流体进口参数和出口参数，以及各换热管组的进出水的流量、压力和温升参数；改变实验状态，重复步骤3)；

4)根据步骤3)的实验结果，利用数据采集与分析系统计算各换热管组的换热量分布、冷却器的总换热量以及压降，绘制冷却器的热力特性曲线。

9.根据权利要求8所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

5)根据换热管组的管束布置几何参数、高温离解气体热物性参数计算程序和多次实验数据，获得适合于实验换热管组热力设计的实验关联式。

10.根据权利要求8所述的高焓离解气体冷却器热力特性测试方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤2)和3)之间执行的：

通过数据采集与分析系统采集各管路的流量、温度、压力信号并与现场记录值比对，排除信号异常。