CN112880441B - 一种板翅式换热器的两相流动状态测试装置及其重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种板翅式换热器的两相流动状态测试装置及其重构方法,装置中板翅式换热器的进液口和进气口分别与恒温液罐和恒温气罐连通,板翅式换热器的下隔板外接加热装置,上隔板上均匀开设有若干贯通的矩阵型检测口,每个检测口中设有光纤束;光纤束的一端封闭固定于检测口中,另一端与分光镜的出射端连接;与出射端相对的分光镜另一侧为入射端,激光器垂直入射端间隔设置;接收端处间隔设置有用于接收检测信号的光电探测器;光电探测器外接处理模块。本发明通过在上隔板特定位置均匀布置采样通孔,利用多芯光纤束获取能够反映内部两相状态的激光信号,从而获得板翅式换热器整体范围内汽液相分布情况。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域,涉及一种板翅式换热器的两相流动状态测试装置及其重构方法。
背景技术
板翅式换热器是一种结构紧凑、质量轻和传热效率高的换热设备,其比表面积高、传热单元数大,具有高效的传热特性,适用流道布置复杂的场合,被广泛应用于石油化工、航空、车辆、动力机械、空分、深低温领域、原子能和宇宙航行等工业部门,并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。
近年来,随着工业的飞速发展,对高负荷热能高效传递的需求越来越强烈,国内外学者尝试对板翅式换热器的沸腾传热性能与机理展开研究。沸腾传热是指换热器内部发生液相介质相变,换热介质由液相转为汽液两相流,主要包括局部对流沸腾和核态沸腾。目前针对板翅片换热器通道内换热特性、翅片尺寸优化等的研究主要集中于单相流体对流换热中,而对换热器内部冷却剂存在相变情况的沸腾传热特性的相关研究较少。同时,由于板翅式换热器具有封闭的金属结构和复杂的汽液两相流动,使得获取换热器内部相分布和流动特性信息具有极大的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,并提供一种板翅式换热器的两相流动状态测试装置及其重构方法,以获取过冷沸腾工况下换热器内部两相分布信息和流动分布信息。
本发明所采用的具体技术方案如下:
本发明提供了一种板翅式换热器的两相流动状态测试装置,其包括恒温液罐、恒温气罐、板翅式换热器、分光镜、激光器、光电探测器和处理模块。
所述板翅式换热器的进液口和进气口分别通过进液管路和进气管路与用于进液的恒温液罐和用于进气的恒温气罐连通,混相出口通过测试管路与外界连通;板翅式换热器的下隔板外接加热装置,上隔板上均匀开设有若干贯通的矩阵型检测口,每个检测口中设有光纤束;光纤束的一端封闭固定于检测口中,另一端与分光镜的出射端连接;与出射端相对的分光镜另一侧为入射端,能发射平行激光束的激光器垂直于入射端间隔设置;能反射检测信号的一端为分光镜的接收端,接收端处间隔设置有用于接收检测信号的光电探测器;光电探测器外接处理模块。
作为优选,所述恒温液罐和恒温气罐均外接惰性气罐,通过惰性气罐为恒温液罐和恒温气罐提供动力。
进一步的,所述惰性气体一般选用为氮气。
作为优选,所述恒温液罐和恒温气罐与板翅式换热器连接的管路上均分别设有流量计、压力计和温度计;出液口的测试管路上设有压力计、温度计、流量计和出口阀门。
作为优选,所述加热装置为加热电板,加热装置外接加热电源,光纤束为多芯光纤束。
作为优选,所述光纤束的端部垂直上隔板的板面设置。
作为优选,所述处理模块为微型计算机,分光镜为立方体式分光镜。
本发明的另一目的在于提供一种根据上述任一所述装置测试板翅式换热器中两相流动状态的重构方法,其具体如下:
S1:开启进液管路和进气管路,使恒温液罐中的液相介质和恒温气罐中的气相介质在板翅式换热器中混合,得到混合相;通过调节进入板翅式换热器中的气相流量和液相流量,使板翅式换热器内的干度达到目标干度值α;
S2:开启激光器和光电探测器,激光器发出的平行激光束进入分光镜后通过反射作用和折射作用分成反射激光和折射激光;所述折射激光作为激励光信号,通过光纤束进入板翅式换热器的内部,在液相介质、气相介质和翅片之间发生反射、折射和吸收作用,形成出射光信号;所述出射光信号通过光纤束进入分光镜,并通过反射作用形成检测信号进入光电探测器和处理模块,得到相应检测口处的光强信号;通过光纤束测量S1中目标干度值下的检测口光强信号,得到光强信号分布矩阵U,计算公式为:
其中,m和n分别为上隔板(5)中所有检测口的纵向分布维度和横向分布维度;
S3:改变目标干度值α,重复S1~S2的操作,得到所有p个不同目标干度值 (α1,α2,…,αi′,…,αp)下对应的光强信号分布矩阵,αi′为第i′个目标干度值α,i′∈ [1,p];
S4:根据S3得到的不同目标干度值下对应的光强信号分布矩阵,构建光强信号向量[u1,u2,…,ui′,…,up],其中元素ui′为目标干度值αi′下测量的光强信号强度均值,计算公式为:
其中,uij为位于(i,j)位置处检测口的光信号强度,i∈[1,m],j∈[1,n];
利用目标干度值向量α=[α1,α2,…,αp]T与光强信号向量 u=[u1,u2,…,up]T,构建对应函数关系:
α=f(u);
S5:将目标液相介质通入板翅式换热器中,并通过加热装置将板翅式换热器内的流体加热至目标温度;目标液相介质在板翅式换热器中被加热装置加热,温度升高并发生相变,流体干度也逐渐变化;
S6:通过光纤束测量S5工况下的上隔板中所有检测口的光强信号,得到光强信号分布矩阵Ut,计算公式为:
S7:根据S4得到的函数关系α=f(u),计算得到每个检测口光强信号对应的流体干度值,并得到了流体干度值的分布矩阵A,计算公式为:
作为优选,所述步骤S4中通过最小二乘法构建α与u之间的线性模型,具体如下:
令
α=ku+b;
其中,则线性函数参数值k以及b通过下列方程获得:
作为优选,所述S5中,通过加热装置将板翅式换热器内的流体加热至发生过冷沸腾。
本发明相对于现有技术的视窗法与计算机辅助仿真方法而言,具有以下有益效果:
1)本发明通过在隔板特定位置均匀布置采样通孔,利用多芯光纤束获取能够反映内部两相状态的激光信号,从而获得板翅式换热器整体范围内汽液两相分布情况;
2)本发明采用分光镜作为入射激光与出射激光共用的窗口,能够实现入射光的持续输入和出射光的持续采集,大大地缩减了采集系统的复杂度,提高了测量的实时性;
3)本发明构建了一套基于分布式光学测量的实验装置,该系统能够输入不同干度的两相流进入换热器,获取不同气液相结构下的光学分布信号;同时该装置能够模拟换热器沸腾换热工况,通过分布式光学测量系统获取流动沸腾下汽液相分布情况及偏流情况。
附图说明
图1为本发明测试装置的结构示意图;
图2为激光在分光镜内产生的折射和反射示意图;
图3为板翅式换热器与光纤束配合关系示意图;
图4为本发明重构方法的流程图;
图中附图标记为:激光器1、分光镜2、光纤束3、光电探测器4、上隔板5、翅片6、下隔板7、平行激光束8、激励光信号9、出射光信号10、检测信号11、惰性气罐12、恒温液罐13、恒温气罐14、加热装置15、加热电源16、板翅式换热器17、测试管路18、流量计19、出口阀门20、处理模块21。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下,均可进行相应组合。
如图1所示,本发明提供了一种板翅式换热器的两相流动状态测试装置,该两相流动状态测试装置包括恒温液罐13、恒温气罐14、板翅式换热器17、分光镜2、激光器1、光电探测器4和处理模块21。
板翅式换热器17的进液口通过进液管路与恒温液罐13连通,通过恒温液罐 13向板翅式换热器17中通入液相介质。板翅式换热器17的进气口通过进气管路与恒温气罐14连通,通过恒温气罐14向板翅式换热器17中通入气相介质。为了使恒温液罐13中的液相介质和恒温气罐14中的气相介质能够分别通过进液管路和进气管路通入板翅式换热器17中,可以在恒温液罐13和恒温气罐14的外部外接一个惰性气罐12,通过惰性气罐12中高压气体的压力作用,为恒温液罐13中的液相介质和恒温气罐14中的气相介质顺利通入板翅式换热器17的过程提供动力。
在本实施例中,惰性气罐12可以采用常见的氮气气罐,也可以采用其他的惰性气体气罐。在惰性气罐12与恒温液罐13和恒温气罐14连接的管路上,可以设置一个压力表和控制阀门,以便于根据压力表的读数通过控制阀门调节动力大小,以便于控制进入板翅式换热器17中气相介质和液相介质的流量。在恒温液罐13与板翅式换热器17连接的进液管路上,可以设置流量计、压力计和温度计,以便于实时监测进入板翅式换热器17中液相介质的流量、压力和温度情况。在恒温气罐14与板翅式换热器17连接的进气管路上,可以设置流量计、压力计和温度计,以便于实时监测进入板翅式换热器17中气相介质的流量、压力和温度情况。同时,在进气管路和进液管路上分别设有阀门,以便于在使用过程中,能够通过阀门调节气相介质和液相介质的输出流量比,从而在板翅式换热器17 中形成不同的两相流状态。
需要指出的是,本发明的换热器可以有多种布置形式,包括卧式、立式流体上下流动、立式流体左右流动等多种结构形式。
板翅式换热器17的混相出口通过测试管路18与外界连通,在测试管路18 上设有压力计、温度计、流量计19和出口阀门20,能够实时监测经过板翅式换热器17加热后的流体的压力值、温度值和流量值,并通过出口阀门20控制测试管路18的开闭情况。
如图3所示,板翅式换热器17包括上隔板5、翅片6和下隔板7,翅片6 设置于金属材质的上隔板5和下隔板7之间,上隔板5和下隔板7水平相对设置,上隔板5、翅片6和下隔板7三者经过钎焊成为一体试件。板翅式换热器17的下隔板7外接加热装置15,上隔板5上均匀开设有多个贯通板面的检测口,所有的检测口构成一个矩阵形式,每个检测口中均设有光纤束3。在本实施例中,加热装置15可以采用加热电板,加热电板紧密贴合固定于下隔板7的外部,通过外接加热电源16的加热电板对板翅式换热器17进行加热升温。光纤束3可以采用多芯光纤束,以便于数据传输的同步和实时性。
光纤束3的一端封闭固定于检测口中,另一端与分光镜2的出射端连接。在本实施例中,为了使光纤束3出口端发出的激光在板翅式换热器17中更好的折射和反射,可以将光纤束3的出口端垂直上隔板5的板面设置,从而使从光纤束 3中出射的激光垂直射向隔板7。
如图2所示,本实施例采用的分光镜2为立方体式分光镜,激光器1发射的激光射向分光镜2的一侧为分光镜2的入射端,与入射端相对的另一侧为分光镜 2的出射端,出射端和入射端所在平面平行,与出射端和入射端所在平面均垂直的一端作为用于检测信号的接收端。能发射平行激光束8的激光器1垂直于入射端间隔设置,接收端处间隔设置有用于接收检测信号11的光电探测器4,光电探测器4外接处理模块21。处理模块21可以采用微型计算机,能够实时处理接收到的光电信号并且显示出来。
如图4所示,利用上述两相流动状态测试装置测试板翅式换热器中两相流动状态的重构方法,具体如下:
S1:首先开启进液管路和进气管路,使恒温液罐13中的液相介质和恒温气罐14中的气相介质在板翅式换热器17中混合,得到混合相。通过调节进入板翅式换热器17中的气相流量Fg和液相流量Fl,使板翅式换热器17内的干度达到目标干度值α,α可以取值0~1范围内的任意数值。
S2:开启激光器1和光电探测器4,激光器1发出的平行激光束8进入分光镜2后通过反射作用和折射作用分成反射激光和折射激光。折射激光作为激励光信号9,通过光纤束3进入板翅式换热器17的内部,在液相介质、气相介质和翅片6之间发生反射、折射和吸收作用,部分激光会重新入射进入光纤束3中,作为出射光信号10。出射光信号10通过光纤束3进入分光镜2,并通过反射作用形成检测信号11,检测信号11进入光电探测器4和处理模块21,得到相应检测口处的光强信号。通过光纤束3测量S1中目标干度值下的各个检测口的光强信号,所有的检测口处得到的光强信号共同组成了光强信号分布矩阵U,计算公式为:
其中,m和n分别为上隔板(5)中所有检测口的纵向分布维度和横向分布维度,即m为所有检测口组成的矩阵中的行数值,n为所有检测口组成的矩阵中的列数值。
S3:改变目标干度值α,重复S1~S2的操作p次。得到所有p个不同目标干度值(α1,α2,…,αi′,…,αp)下分别对应的光强信号分布矩阵,αi′为第i′个目标干度值α,i′∈[1,p]。
S4:根据S3得到的不同目标干度值下对应的光强信号分布矩阵,构建光强信号向量[u1,u2,…,ui′,…,up],元素ui′为目标干度值αi′下测量的光强信号强度均值,计算公式为:
其中,uij为位于(i,j)位置处检测口的光信号强度,i∈[1,m],j∈[1,n]。
利用目标干度值向量α=[α1,α2,…,αp]T与光强信号向量 u=[u1,u2,…,up]T,通过机器学习算法与回归算法,构建两者之间对应的函数关系:
α=f(u);
其中,f(·)为数学模型,根据具体测量值,可以是线性模型,也可以是非线性模型。
若是线性模型的话,一般采用最小二乘方法。具体如下:
令
α=ku+b;
其中,则线性函数参数值k以及b通过下列方程获得:
S5:将目标液相介质通入板翅式换热器17中,即板翅式换热器17内部仅加入液相介质。设定加热电板功率,通过加热装置15将板翅式换热器17内的流体加热至目标温度。目标液相介质在板翅式换热器17中被加热装置15加热,温度升高并发生相变,流体干度也逐渐变化。本实施例中,通过设定加热电板功率,令液相介质在换热器内部发生过冷沸腾。
S6:通过光纤束3测量S5工况下的上隔板5中所有检测口的光强信号,得到光强信号分布矩阵Ut,计算公式为:
S7:根据S4得到的函数关系α=f(u),计算得到每个检测口光强信号对应的流体干度值,并得到了流体干度值的分布矩阵A,计算公式为:
通过上述方法能够得到板翅式换热器17中各部位流体的光强信号及对应的流体干度值,由于流体干度值指的是两相流体(气相和液相)中气相的比例,因此,通过流体干度值能够得到板翅式换热器中两相流动状态的情况。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种利用两相流动状态测试装置测试板翅式换热器中两相流动状态的重构方法,其特征在于,所述两相流动状态测试装置包括恒温液罐(13)、恒温气罐(14)、板翅式换热器(17)、分光镜(2)、激光器(1)、光电探测器(4)和处理模块(21);所述板翅式换热器(17)的进液口和进气口分别通过进液管路和进气管路与用于进液的恒温液罐(13)和用于进气的恒温气罐(14)连通,混相出口通过测试管路(18)与外界连通;板翅式换热器(17)的下隔板(7)外接加热装置(15),上隔板(5)上均匀开设有若干贯通的矩阵型检测口,每个检测口中设有光纤束(3);光纤束(3)的一端封闭固定于检测口中,另一端与分光镜(2)的出射端连接;与出射端相对的分光镜(2)另一侧为入射端,能发射平行激光束(8)的激光器(1)垂直于入射端间隔设置;能反射检测信号(11)的一端为分光镜(2)的接收端,接收端处间隔设置有用于接收检测信号(11)的光电探测器(4);光电探测器(4)外接处理模块(21);
所述重构方法具体如下:
S1:开启进液管路和进气管路,使恒温液罐(13)中的液相介质和恒温气罐(14)中的气相介质在板翅式换热器(17)中混合,得到混合相;通过调节进入板翅式换热器(17)中的气相流量和液相流量,使板翅式换热器(17)内的干度达到目标干度值α;
S2:开启激光器(1)和光电探测器(4),激光器(1)发出的平行激光束(8)进入分光镜(2)后通过反射作用和折射作用分成反射激光和折射激光;所述折射激光作为激励光信号(9),通过光纤束(3)进入板翅式换热器(17)的内部,在液相介质、气相介质和翅片(6)之间发生反射、折射和吸收作用,形成出射光信号(10);所述出射光信号(10)通过光纤束(3)进入分光镜(2),并通过反射作用形成检测信号(11)进入光电探测器(4)和处理模块(21),得到相应检测口处的光强信号;通过光纤束(3)测量S1中目标干度值下的检测口光强信号,得到光强信号分布矩阵U,计算公式为:
其中,m和n分别为上隔板(5)中所有检测口的纵向分布维度和横向分布维度;
S3:改变目标干度值α,重复S1~S2的操作,得到所有p个不同目标干度值(α1,α2,…,αi′,…,αp)下对应的光强信号分布矩阵,αi′为第i′个目标干度值α,i′∈[1,p];
S4:根据S3得到的不同目标干度值下对应的光强信号分布矩阵,构建光强信号向量[u1,u2,…,ui′,…,up],其中元素ui′为目标干度值αi′下测量的光强信号强度均值,计算公式为:
其中,uij为位于(i,j)位置处检测口的光信号强度,i∈[1,m],j∈[1,n];
利用目标干度值向量α=[α1,α2,…,αp]T与光强信号向量u=[u1,u2,…,up]T,构建对应函数关系:
α=f(u);
S5:将目标液相介质通入板翅式换热器(17)中,并通过加热装置(15)将板翅式换热器(17)内的流体加热至目标温度;目标液相介质在板翅式换热器(17)中被加热装置(15)加热,温度升高并发生相变,流体干度也逐渐变化;
S6:通过光纤束(3)测量S5工况下的上隔板(5)中所有检测口的光强信号,得到光强信号分布矩阵Ut,计算公式为:
S7:根据S4得到的函数关系α=f(u),计算得到每个检测口光强信号对应的流体干度值,并得到了流体干度值的分布矩阵A,计算公式为:
2.根据权利要求1所述的重构方法,其特征在于,所述恒温液罐(13)和恒温气罐(14)均外接惰性气罐(12),通过惰性气罐(12)为恒温液罐(13)和恒温气罐(14)提供动力。
3.根据权利要求2所述的重构方法,其特征在于,所述惰性气罐(12)为氮气气罐。
4.根据权利要求1所述的重构方法,其特征在于,所述恒温液罐(13)和恒温气罐(14)与板翅式换热器(17)连接的管路上均分别设有流量计、压力计和温度计;混相出口的测试管路(18)上设有压力计、温度计、流量计(19)和出口阀门(20)。
5.根据权利要求1所述的重构方法,其特征在于,所述加热装置(15)为加热电板,加热装置(15)外接加热电源(16),光纤束(3)为多芯光纤束。
6.根据权利要求1所述的重构方法,其特征在于,所述光纤束(3)的端部垂直上隔板(5)的板面设置。
7.根据权利要求1所述的重构方法,其特征在于,所述处理模块(21)为微型计算机,分光镜(2)为立方体式分光镜。
9.根据权利要求1所述的重构方法,其特征在于,所述S5中,通过加热装置(15)将板翅式换热器(17)内的流体加热至发生过冷沸腾。
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CN112880441A (zh) | 2021-06-01 |
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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