CN110806329B - 一种桌面型自供水热交换器性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于半导体热泵的桌面型自供水热交换器性能测试实验装置，利用半导体热泵技术，体积小，控制灵活，适应桌面系统要求；实现节能，尤其在冷热水同时供应时实现能量补偿，回收冷热源能量；循环供水，无需上下水，实验方便灵活，不受上下水管位置的限制；采用热交换器式膨胀水箱，抛弃体积庞大的冷热水箱，结构紧凑，实现冷热水的混合冷热补偿换热，减少环境换热负荷，同时实现补水、定压和排除系统气体或过盛水；流量独立调节，不受其他因素影响，各测试工况容易实现；考虑了顺流和逆流的测试工况以及其对能量回收热力学效率的影响，实现能量回收最大化；利用了温差发电模块进行热量回收，同时实现自发电，满足自身仪表等用电需求；本发明灵活方便、结构紧凑、节水环保、节约能源，能实现液‑液热交换器的热工性能和阻力特性测试，广泛适用于热交换器的实验教学和测试需求。

Description

一种桌面型自供水热交换器性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种桌面型自供水热交换器性能测试装置，特别是一种基于半导体热泵的桌面型自供水热交换器性能测试实验装置。

背景技术

当前，实验室面积紧张、设备老化是高校的普遍现象，实验室即使循环使用和公用安排也变得十分拥挤，相关上下水设施难以为继，已成为奢望。

常规热交换器性能测试装置要求使用上下水配置或者体积庞大的水箱，并且冷热水箱分开布置，常常利用自来水充当冷却介质，自来水使用后经管路直接排入下水道，还需单独加热装置。这种操作方式至少存在如下缺点：需在实验室配置上下水，增加成本和安全隐患；需要把实验装置安装在有上下水道的地方附近，操作不便；充当冷却介质的自来水一次性使用，造成了水资源的极大浪费；冷热源的直排造成极大的能源浪费和环境热污染。

半导体热泵可同时来实现制冷和制热，体积小、无机械运动部件，控制简单方便。

已有专利（一种桌面型自供水热交换器性能测试装置，2019100612674）实现了一种基于半导体热泵的桌面型自供水热交换器性能测试实验装置，其技术方案至少存在如下缺陷：其冷热回路的流量调节与能量回收相关联，故流量较难调节和平衡；没有考虑顺流和逆流，以及顺流和逆流的差别对能量回收效率的影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术无法适应上下水布置以及实验室场地限制的缺陷，以及流量较难调节，未考虑顺流和逆流差别的缺陷，提供一种基于半导体热泵的桌面型自供水热交换器性能测试装置，适用于热交换器的实验教学和测试需求。

为实现发明目的，本发明的技术方案是一种桌面型自供水热交换器性能测试装置。包括膨胀式热交换器、第一水泵、第二水泵、第一调节阀、第二调节阀、温度传感器、压力传感器、流量传感器、第一三通切换阀、第二三通切换阀、第三三通切换阀、第四三通切换阀和热泵以及半导体制冷片、热泵蒸发器、热泵冷凝器和半导体发电片、第一发电模块、第二发电模块和测试热交换器，所述膨胀式热交换器、所述第一水泵、所述第一调节阀、所述第一发电模块的冷水通道、所述热泵蒸发器、所述测试热交换器的冷水通道和所述第一发电模块的热水通道或者所述第二发电模块的热水通道组成冷水回路，所述膨胀式热交换器、所述第二水泵、所述第二调节阀、所述第二发电模块的冷水通道、所述热泵冷凝器、所述测试热交换器热水通道和所述第一发电模块的热水通道或者所述第二发电模块的热水通道组成热水回路，所述第一水泵和所述第二水泵分别提供冷水回路和热水回路的循环动力，所述第一调节阀和所述第二调节阀分别实现冷水回路和热水回路的流量调节，所述流量传感器分别指示冷水回路和热水回路的流量，所述热泵是基于帕尔贴效应的半导体热泵，由所述半导体制冷片和所述热泵蒸发器以及所述热泵冷凝器组成，所述第一发电模块和所述第二发电模块是基于塞贝克效应的半导体温差发电模块，由所述半导体发电片放置在冷水通道和热水通道之间实现，所述测试热交换器是液体和液体进行换热的热交换器，所述膨胀式热交换器用于冷水和热水的混合换热，同时进行补水、定压和排除系统气体或过盛水。所述测试热交换器的冷水通道和热水通道的进口和出口分别布置所述温度传感器和所述压力传感器，所述温度传感器用于相应位置温度的采集和指示，所述压力传感器用于相应位置压力的采集和指示，所述第一三通切换阀、所述第二三通切换阀、所述第三三通切换阀和所述第四三通切换阀是流路换向阀，布置有三路通道，可以切换一路通道分别与另外两路的其中一路通道连通组成流路，所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀组合实现所述测试热交换器顺流和逆流的切换，所述第一三通切换阀的入口连通所述第一调节阀出口，所述第一三通切换阀的出口分别连通所述测试热交换器冷水通道的进口或出口，所述第二三通切换阀的入口分别连通所述测试热交换器冷水通道的进口或出口，所述第二三通切换阀的出口连通所述第四三通切换阀的入口；所述第三三通切换阀和所述第四三通切换阀组合实现所述测试热交换器的热水通道出口和冷水通道出口分别连通所述第一发电模块的热水通道入口或者所述第二发电模块的热水通道入口的同步切换，同步切换考虑了顺流和逆流工况下所述测试热交换器的冷水通道和热水通道的热负荷以及出口温度的热工参数，是依据热力学分析优化的最大热效率进行的，其中所述第三三通切换阀的入口连通所述测试热交换器的热水通道出口，所述第三三通切换阀的出口连通所述第一发电模块的热水通道入口或者所述第二发电模块的热水通道入口，所述第四三通切换阀的入口连通所述第二三通切换阀的出口，所述第四三通切换阀的出口连通所述第一发电模块的热水通道入口或者所述第二发电模块的热水通道入口；所述第一发电模块的冷水通道连通所述热泵蒸发器入口，所述第一发电模块的热水通道连通所述测试热交换器的冷水通道出口或者所述测试热交换器的热水通道出口，所述第二发电模块的冷水通道连通所述热泵冷凝器入口，所述第二发电模块的热水通道连通所述测试热交换器的冷水通道出口或者所述测试热交换器的热水通道出口。

所述热泵蒸发器可以作为所述第一发电模块的冷水通道，所述热泵冷凝器可以作为所述第二发电模块的冷水通道。

所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀的功能可以通过若干个截止阀组合实现，所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀可以由若干个截止阀组合替代。

所述第三三通切换阀和所述第四三通切换阀的功能可以通过若干个截止阀组合实现，所述第三三通切换阀和所述第四三通切换阀可以由若干个截止阀组合替代。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行热工性能测试的方法一步骤如下，根据测试工况要求通过改变所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的流量以及进口温度和出口温度的当前数值；根据热平衡方程式计算换热量，根据进出口温度计算对数平均温差，根据传热方程式计算传热系数，得到传热系数与流速的关系，即所述测试热交换器的传热性能曲线。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行热工性能测试的方法二步骤如下，根据测试工况要求通过改变所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的流量、进口温度和出口温度以及进口压力和出口压力的当前数值；根据对应压力和温度查取所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的进出口焓值，进而计算换热量，根据进出口温度计算对数平均温差，根据传热方程式计算传热系数，得到传热系数与流速的关系，即所述测试热交换器的传热性能曲线。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行阻力特性测试的方法步骤如下，根据测试工况要求通过改变所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的流量以及进口压力和出口压力的当前数值；根据对应压力数值计算所述测试热交换器冷水通道和所述测试热交换器热水通道的压力降，得到压力降与流速的关系，即所述测试热交换器的水阻力特性曲线。

本发明的有益效果是发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点，循环供水，无需上下水，实验方便灵活，不受上下水管位置的限制；可以同时供应不同温度、流量参数的冷热水，可任意调节，并且供应的冷热水为恒温恒流，满足热交换器性能实验的负荷要求以及精度和重现性要求；流量独立调节，不受其他因素影响，各测试工况容易实现；利用热泵技术，实现节能，尤其在冷热水同时供应时实现能量补偿，回收冷热源能量；考虑了顺流和逆流的测试工况以及其对能量回收热力学效率的影响，实现能量回收最大化；半导体热泵体积小，无运动部件，控制灵活，适应桌面系统要求；节约用水，循环利用，避免供水一次性使用造成水资源的极大浪费，避免冷热源的直排造成极大的能源浪费和环境热污染；利用了发电模块进行热量回收，同时实现自发电，满足自身仪表等用电需求；采用热交换器式膨胀水箱，抛弃体积庞大的冷热水箱，结构紧凑，无须单独加热装置，实现冷热水的混合冷热补偿换热，减少环境换热负荷，同时实现补水、定压和排除系统气体或过盛水。本发明灵活方便、结构紧凑、节水环保、节约能源，能实现液-液热交换器的热工性能和阻力特性测试，广泛适用于热交换器的实验教学和测试需求。

附图说明

图1是本发明的系统原理示意图。

图中：1-膨胀式热交换器，2-第一水泵，3-第二水泵，4-第一调节阀，5-第二调节阀，6-温度传感器，7-压力传感器，8-第一流量传感器，9A-第一三通切换阀，9B-第二三通切换阀，10A-第三三通切换阀，10B-第四三通切换阀，11-热泵，12-半导体制冷片，13-热泵蒸发器，14-热泵冷凝器，15-半导体发电片，16-第一发电模块，17-第二发电模块，18-测试热交换器。

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晰，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。

为实现发明目的，本发明的技术方案是一种桌面型自供水热交换器性能测试装置。如图1所示，包括膨胀式热交换器1、第一水泵2、第二水泵3、第一调节阀4、第二调节阀5、温度传感器6、压力传感器7、流量传感器8、第一三通切换阀9A、第二三通切换阀9B、第三三通切换阀10A、第四三通切换阀10B和热泵11以及热泵蒸发器13、热泵冷凝器14、半导体发电片15、第一发电模块16、第二发电模块17和测试热交换器18。热泵11选用半导体热泵，半导体制冷片12（TEC1-12705）提供制冷和加热，温度传感器6采用pt1000热电阻，半导体发电片15型号为TEG-127-1.40-1.14，第一发电模块16和第二发电模块17是基于塞贝克效应的半导体温差发电模块，采用三明治结构，半导体发电片15安装在第一发电模块16和第二发电模块17的冷热通道之间，测试热交换器18为液-液热交换器，可通过快接接口更换，膨胀式热交换器1、第一水泵2、第一调节阀4、第一发电模块16冷水通道、热泵蒸发器13、测试热交换器18冷水通道和第一发电模块16热水通道或者第二发电模块17热水通道组成冷水回路，膨胀式热交换器1、第二水泵3、第二调节阀5、第二发电模块17冷水通道、热泵冷凝器14、测试热交换器18热水通道和第一发电模块16热水或者第二发电模块17热水通道组成热水回路，第一发电模块16或者第二发电模块17的热水通道通过第三三通切换阀10A和第四三通切换阀10B组合同步切换，第一水泵2和第二水泵3分别提供冷水回路和热水回路的循环动力，第一调节阀4和第二调节阀5分别实现冷水回路和热水回路的流量调节，流量传感器8分别指示冷水回路和热水回路的流量，测试热交换器18的冷水通道和热水通道的进出口分别布置温度传感器6和压力传感器7，温度传感器6用于相应位置温度的采集和指示，压力传感器7用于相应位置压力的采集和指示。第一三通切换阀9A和第二三通切换阀9B组合实现测试热交换器18顺流和逆流工况的切换，图1中实线和虚线状态分别对应了逆流和顺流工况，第一三通切换阀9A的入口连通第一调节阀4出口，三通切换阀9A的出口分别连通测试热交换器18的冷水通道的进口和出口，三通切换阀9B的入口分别连通测试热交换器18冷水通道的进口和出口，三通切换阀9B的出口连通三通切换阀10B的入口；三通切换阀10A和三通切换阀10B组合实现测试热交换器18的热水通道出口和冷水通道出口分别连通第一发电模块16或者第二发电模块17的热水通道入口的同步切换，图1中实线状态代表了测试热交换器18的热水通道出口连通第二发电模块17的热水通道入口和测试热交换器18的冷水通道出口连通第一发电模块16的热水通道入口，图1中虚线状态代表了测试热交换器18的冷水通道出口连通第二发电模块17的热水通道入口和测试热交换器18的热水通道出口连通第一发电模块16的热水通道入口，三通切换阀10A的入口连通所述测试热交换器18的热水通道出口，第四三通切换阀10B的入口连通第二三通切换阀9B的出口，第三三通切换阀10A和第四三通切换阀10B的两出口连通第一发电模块16或者第二发电模块17的热水通道入口，第一发电模块16的冷水通道连通热泵蒸发器13入口，热水通道连通测试热交换器18冷水通道或者测试热交换器18热水通道的出口，第二发电模块17的冷水通道连通热泵冷凝器14入口，热水通道连通测试热交换器18冷水通道或者测试热交换器18热水通道的出口，测试热交换器18是管壳式热交换器、套管式热交换器和板式热交换器，通过快速接口进行切换，膨胀式热交换器1用于冷热水的混合换热，同时进行补水、定压和排除系统气体或过盛水。

热泵蒸发器13可以作为第一发电模块16的冷水通道，热泵冷凝器14可以作为第二发电模块17的冷水通道。

第一三通切换阀9A、第二三通切换阀9B的功能可以通过若干个截止阀组合实现，并由若干个截止阀组合替代。第一三通切换阀9A、第二三通切换阀9B的功能可以通过若干个截止阀组合实现，并由若干个截止阀组合替代。

第三三通切换阀10A、第四三通切换阀10B的功能可以通过若干个截止阀组合实现，并由若干个截止阀组合替代。第三三通切换阀10A、第四三通切换阀10B的功能可以通过若干个截止阀组合实现，并由若干个截止阀组合替代。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行测试，第三三通切换阀10A、第四三通切换阀10B的同步切换考虑了顺流和逆流工况下测试热交换器18的冷水通道和热水通道的热负荷以及出口温度的热工参数，是依据热力学分析优化的最大热效率进行的。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行热工性能测试的方法一步骤如下，根据测试工况要求通过改变测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的流量以及进口温度和出口温度的当前数值；根据热平衡方程式计算换热量，根据进出口温度计算对数平均温差，根据传热方程式计算传热系数，得到传热系数与流速的关系，即测试热交换器18的传热性能曲线。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行热工性能测试的方法二步骤如下，根据测试工况要求通过改变测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的流量、进口温度和出口温度以及进口压力和出口压力的当前数值；根据对应压力和温度查取测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的进出口焓值，进而计算换热量，根据进出口温度计算对数平均温差，根据传热方程式计算传热系数，得到传热系数与流速的关系，即测试热交换器18的传热性能曲线。

利用上述桌面型自供水热交换器性能测试装置进行阻力特性测试的方法步骤如下，根据测试工况要求通过改变测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的流量以及进口压力和出口压力的当前数值；根据对应压力数值计算测试热交换器18冷水通道和测试热交换器18热水通道的压力降，得到压力降与流速的关系，即测试热交换器18的水阻力特性曲线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种桌面型自供水热交换器性能测试装置，包括膨胀式热交换器（1）、第一水泵（2）、第二水泵（3）、第一调节阀（4）、第二调节阀（5）、温度传感器（6）、压力传感器（7）、流量传感器（8）、第一三通切换阀（9A）、第二三通切换阀（9B）、第三三通切换阀（10A）、第四三通切换阀（10B）和热泵（11）以及半导体制冷片（12）、热泵蒸发器（13）、热泵冷凝器（14）、半导体发电片（15）、第一发电模块（16）、第二发电模块（17）和测试热交换器（18），其特征在于，所述膨胀式热交换器（1）、所述第一水泵（2）、所述第一调节阀（4）、所述第一发电模块（16）冷水通道、所述热泵蒸发器（13）、所述测试热交换器（18）冷水通道和所述第一发电模块（16）热水通道或者所述第二发电模块（17）热水通道组成冷水回路，所述膨胀式热交换器（1）、所述第二水泵（3）、所述第二调节阀（5）、所述第二发电模块（17）冷水通道、所述热泵冷凝器（14）、所述测试热交换器（18）热水通道和所述第一发电模块（16）热水通道入口或者所述第二发电模块（17）热水通道组成热水回路，所述膨胀式热交换器（1）用于冷水和热水的混合换热，同时进行补水、定压和排除系统气体或过盛水，所述第一水泵（2）和所述第二水泵（3）分别提供冷水回路和热水回路的循环动力，所述第一调节阀（4）和所述第二调节阀（5）分别实现冷水回路和热水回路的流量调节，所述流量传感器（8）分别指示冷水回路和热水回路的流量，所述热泵（11）是基于帕尔贴效应的半导体热泵，由半导体制冷片（12）和热泵蒸发器（13）以及热泵冷凝器（14）组成，所述第一发电模块（16）和所述第二发电模块（17）是基于塞贝克效应的半导体温差发电模块，由所述半导体发电片（15）放置在冷水通道和热水通道之间实现，所述测试热交换器（18）是液体和液体进行换热的热交换器，所述测试热交换器（18）的冷水通道和热水通道的进口和出口分别布置所述温度传感器（6）和所述压力传感器（7），所述温度传感器（6）用于相应位置温度的采集和指示，所述压力传感器（7）用于相应位置压力的采集和指示，所述第一三通切换阀（9A）、所述第二三通切换阀（9B）、所述第三三通切换阀（10A）和所述第四三通切换阀（10B）是流路换向阀，布置有三路通道，可以切换一路通道分别与另外两路的其中一路通道连通组成流路，所述第一三通切换阀（9A）和所述第二三通切换阀（9B）组合实现所述测试热交换器（18）顺流和逆流的切换，所述第三三通切换阀（10A）和所述第四三通切换阀（10B）组合实现所述测试热交换器（18）的热水通道出口和所述测试热交换器（18）冷水通道出口分别连通所述第一发电模块（16）热水通道入口或者所述第二发电模块（17）热水通道入口的同步切换，所述第一发电模块（16）的冷水通道连通所述热泵蒸发器（13）入口，所述第一发电模块（16）的热水通道连通所述测试热交换器（18）冷水通道出口或者所述测试热交换器（18）热水通道出口，所述第二发电模块（17）的冷水通道连通所述热泵冷凝器（14）入口，所述第二发电模块（17）的热水通道连通所述测试热交换器（18）冷水通道出口或者所述测试热交换器（18）热水通道出口。

2.根据权利要求1所述的桌面型自供水热交换器性能测试装置，其特征在于，所述第一三通切换阀（9A）和所述第二三通切换阀（9B）的功能可以通过截止阀组合实现，所述第一三通切换阀（9A）和所述第二三通切换阀（9B）可以由截止阀组合替代；所述第三三通切换阀（10A）和所述第四三通切换阀（10B）的功能可以通过截止阀组合实现，所述第三三通切换阀（9A）和所述第四三通切换阀（10B）可以由截止阀组合替代。

3.根据权利要求1所述的桌面型自供水热交换器性能测试装置，其特征在于，所述第三三通切换阀（10A）和所述第四三通切换阀（10B）组合同步切换考虑了顺流和逆流工况下所述测试热交换器（18）的冷水通道和热水通道的热负荷以及出口温度的热工参数，是依据热力学分析优化的最大热效率进行的。

4.根据权利要求1所述的桌面型自供水热交换器性能测试装置，其特征在于，所述热泵蒸发器（13）可以作为所述第一发电模块（16）的冷水通道，所述热泵冷凝器（14）可以作为所述第二发电模块（17）的冷水通道。

5.利用权利要求1所述的桌面型自供水热交换器性能测试装置进行热工性能测试的方法，其特征在于，根据测试工况要求通过改变所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的流量以及进口温度和出口温度的当前数值；根据热平衡方程式计算换热量，根据进出口温度计算对数平均温差，根据传热方程式计算传热系数，得到传热系数与流速的关系，即所述测试热交换器（18）的传热性能曲线。

6.利用权利要求1所述的桌面型自供水热交换器性能测试装置进行热工性能测试的方法，其特征在于，根据测试工况要求通过改变所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的流量、进口温度和出口温度以及进口压力和出口压力的当前数值；根据对应压力和温度查取所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的进出口焓值，进而计算换热量，根据进出口温度计算对数平均温差，根据传热方程式计算传热系数，得到传热系数与流速的关系，即所述测试热交换器（18）的传热性能曲线。

7.利用权利要求1所述的桌面型自供水热交换器性能测试装置进行阻力特性测试的方法，其特征在于，根据测试工况要求通过改变所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的流量和进口温度；待工况稳定后，分别记录所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的流量以及进口压力和出口压力的当前数值；根据对应压力数值计算所述测试热交换器（18）冷水通道和所述测试热交换器（18）热水通道的压力降，得到压力降与流速的关系，即所述测试热交换器（18）的流体阻力特性曲线。

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