CN113899569B - 换热器性能与寿命测试装置及应用该装置的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热器性能测试技术领域，具体涉及一种换热器性能与寿命测试装置及应用该装置的测试方法。本发明包括高压介质I系统、高压介质II系统、低压介质I系统及低压介质II系统，四组系统均包括压力调节阀、冷却模组、介质储罐、介质泵、稳压罐、流量计以及加热模组；压力调节阀的进口构成系统进口，加热模组的出口构成系统出口，各系统出口及系统进口处均布置有温度传感器及压力传感器；该装置还包括第一测试件和第二测试件，第一测试件和第二测试件并联布置系统进口及系统出口之间管路上。本发明能对进入换热器两种介质的温度、压力和流量进行适应性调节，从而实现不同工况的快速切换。本发明的测试方法可确保测试流程的高效性。

Description

换热器性能与寿命测试装置及应用该装置的测试方法

技术领域

本发明涉及换热器性能测试技术领域，具体涉及一种换热器性能与寿命测试装置及应用该装置的测试方法。

背景技术

换热器作为热量交换的场所，在石油化工、汽车、电力、航空航天等领域扮演了热量传递的重要角色。在航空航天领域，换热器实际工作时，面临的环境远比地面换热器的工作环境复杂和恶劣，经常处于交变负荷和冷热交替温度下工作，换热器内部产生的热应力也反复变化，经过几百次上千次的工作周期会产生疲劳失效，进而造成换热器泄露。因此，换热器投入使用前，不仅要考虑传热性能和流动阻力特性，还要测试换热器的疲劳寿命，从而保证换热器安全可靠运行。传统的换热器寿命测试方法，通常仅测试温度和压力，并将之分别作为单一的变量在单个系统中独立进行测试，这显然不能反映实际工作工况，而且工况变化时间过长可能导致试验中断，耗费时间并且检测结果不可靠。后面虽提出一些将温度和压力耦合的测试装置，但是仍需要一定时间来响应系统的工况变化，完成几百上千次循环需要占用大量的时间，同时也无法模拟最真实的工作工况，从而给实际测试操作带来诸多困扰，亟待解决。

发明内容

本发明的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种换热器性能与寿命测试装置，该装置不仅可以进行常规的换热器传热性能及流动阻力的测试，还能对进入换热器两种介质的温度、压力和流量进行适应性调节，从而实现不同工况的快速切换，通过缩短工况改变后到达稳定的时间，来大大减少测试时间，进而可有效模拟真实的工作环境，并可靠的实现对极限工况下换热器寿命的准确评估目的。本发明的另一个目的在于提供基于上述测试装置的测试方法，从而进一步确保测试流程的高效性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：该装置包括彼此独立的高压介质I系统、高压介质II系统、低压介质I系统及低压介质II系统，四组系统均包括沿介质流向依序布置的压力调节阀、冷却模组、介质储罐、介质泵、稳压罐、流量计F以及加热模组；压力调节阀的进口构成系统进口，加热模组的出口构成系统出口，各系统出口及系统进口处均布置有温度传感器T及压力传感器P；该装置还包括第一测试件和第二测试件，第一测试件和第二测试件并联布置系统进口及系统出口之间管路上，以使得：

高压介质I系统和低压介质I系统的系统出口处介质可经由第一进液开关阀、第一测试件的一号进液口、第一测试件的一号出液口、第一出液开关阀进入对应系统的系统进口；高压介质I系统和低压介质I系统的系统出口处介质同时可经由第二进液开关阀、第二测试件的一号进液口、第二测试件的一号出液口、第二出液开关阀进入对应系统的系统进口；

高压介质II系统和低压介质II系统的系统出口处介质可经由第三进液开关阀、第一测试件的二号进液口、第一测试件的二号出液口、第三出液开关阀进入对应系统的系统进口；高压介质II系统和低压介质II系统的系统出口处介质同时可经由第四进液开关阀、第二测试件的二号进液口、第二测试件的二号出液口、第四出液开关阀进入对应系统的系统进口。

优选的，该装置还包括桥接管路，桥接管路上串接旁路流量调节阀；桥接管路的一端连通至流量计F与稳压罐之间的一段管路上，桥接管路的另一端连通至压力调节阀的进口端。

优选的，介质储罐与介质泵之间的一段管路上串接有主开关阀和过滤器；介质泵与稳压罐之间的一段管路上串接有单向止回阀。

优选的，所述加热模组为换热部，所述冷却模组为冷却器。

优选的，各进液开关阀和各出液开关阀均为气动开关球阀，相应的流量调节阀和压力调节阀为气动调节阀。

优选的，各进液开关阀和各出液开关阀之间彼此联动。

优选的，一种应用所述测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、调整四组系统的工况参数，包括温度值、压力值及流量值，以使得各系统独立工作状态下，两组高压介质系统中的工况参数等于预设的高工况下的温度值、压力值及流量值，两组低压介质系统中的工况参数等于预设的低工况下的温度值、压力值及流量值；待各系统工况参数稳定后，开始下一步；

2)、高压介质I系统处第一进液开关阀和第一出液开关阀开启，第二出液开关阀和第二进液开关阀关闭；低压介质I系统处第一进液开关阀和第一出液开关阀关闭，第二出液开关阀和第二进液开关阀开启；同时，高压介质II系统处第三进液开关阀和第三出液开关阀开启，第四出液开关阀和第四进液开关阀关闭；低压介质II系统处第三进液开关阀和第三出液开关阀关闭，第四出液开关阀和第四进液开关阀开启；

3)、通过统一切换步骤2)中各进液开关阀和各出液开关阀的当前状态，从而重复2)步骤，每重复一次即为一次循环；以此往复直至循环次数达到既定数目。

本发明的有益效果在于：

1)、要完全拟真实际工况，传统的温度和压力耦合的测试装置显然是仍无法完成的，因为其忽视了流量的作用。为了可靠测试换热器的寿命，需要对换热器进行温度、压力和流量的三循环测试，即在一个高的工况下，换热器进出口的温度、压力和流量在达到稳定后，需立即切换到低的工况下，直至低工况下的状态达到稳定后，形成一个循环；获得该循环的次数，即精确表达了换热器的实际工况下的使用寿命。由于三循环试验需要同时控制三个变量，且试验次数根据产品寿命通常可达3000～5000次，如设计不合理，容易出现试验不稳定、试验周期过长等问题。

鉴于此，本发明提供了一种切实可行的三循环试验系统。该装置不仅能够实现常规的换热性能和阻力性能试验，还能进行变负荷和冷热交替的极限工况下换热器寿命测试。该装置能够进行温度、压力和流量变化的三循环试验，由于第一测试件和第二测试件可选用同型号换热器，也即可以看成试验对象为一模一样的两组换热器，这使得每一组换热器在每次切换工况过程中环境条件均未发生变化，进而使得各系统参数始终稳定，无需时间来适应工况变化。必要时，各进液开关阀及出液开关阀均彼此联动，如通过联锁快开、快关结构来实现等，从而达到高、低压介质系统在两个测试件之间快速切换的目的，合理逻辑控制保证切换过程不发生水击现象，避免设备损伤。

综上，本发明能实现三循环试验的快速稳定运行，并可靠的评估极限工况下换热器寿命，整个试验系统设置稳定后自动切换运行，有效降低试验运行时间，极大地减轻了试验人员工作负荷。

附图说明

图1为高压介质I系统与两组测试件的连接管路示意图；

图2为本发明的管路连接示意图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

A1-高压介质I系统 A2-高压介质II系统

B1-低压介质I系统 B2-低压介质II系统

10-压力调节阀 20-冷却模组 30-介质储罐 40-介质泵

50-稳压罐 60-加热模组 71-第一测试件 72-第二测试件

81-第一进液开关阀 82-第一出液开关阀 83-第二进液开关阀

84-第二出液开关阀 85-第三进液开关阀 86-第三出液开关阀

87-第四进液开关阀 88-第四出液开关阀

91-旁路流量调节阀 92-主开关阀 93-过滤器 94-单向止回阀

具体实施方式

为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明包括测试装置以及相应的测试方法；其中，测试装置的具体实施结构可参照图1-2所示，包括作为结构主体的高压介质I系统A1、低压介质I系统B1、高压介质II系统A2和低压介质II系统B2。其中高压介质I系统A1和高压介质II系统A2可分别独立的与两组测试件配合形成两组高压介质系统，低压介质I系统B1和低压介质II系统B2可以分别独立的与两组测试件配合形成两组低压介质系统，以确保各系统在工作时均为独立的闭式循环系统，从而可以给两组测试件提供不同温度、压力和流量的介质。各系统内的加热模组60负责给进入各测试件前的介质加热，冷却模组20负责排出各测试件后的介质冷却。

实际装配时，高压介质I系统A1、低压介质I系统B1、高压介质II系统A2、低压介质II系统B2上的设备、阀门及仪表等元件一致，安装顺序相同。也即各系统均包括沿介质流向依序布置的介质储罐30、主开关阀92、过滤器93、介质泵40、单向止回阀94、稳压罐50、流量计F、加热模组60、各进液开关阀、各测试件、各出液开关阀、压力调节阀10和冷却模组20。

其中，就图2所示结构而言，高压介质I系统A1和低压介质I系统B1的系统出口处介质可经由第一进液开关阀81、第一测试件71的一号进液口、第一测试件71的一号出液口、第一出液开关阀82进入对应系统的系统进口；高压介质I系统A1和低压介质I系统B1的系统出口处介质同时可经由第二进液开关阀83、第二测试件72的一号进液口、第二测试件72的一号出液口、第二出液开关阀84进入对应系统的系统进口；高压介质II系统A2和低压介质II系统B2的系统出口处介质可经由第三进液开关阀85、第一测试件71的二号进液口、第一测试件71的二号出液口、第三出液开关阀86进入对应系统的系统进口；高压介质II系统A2和低压介质II系统B2的系统出口处介质同时可经由第四进液开关阀87、第二测试件72的二号进液口、第二测试件72的二号出液口、第四出液开关阀88进入对应系统的系统进口；换句话说，四组系统分别与两个测试件连接，使得第一测试件71和第二测试件72并联在整套管路中，第一测试件71和第二测试件72可通过各进液开关阀和各出液开关阀的调节来达成与相应系统的连通状态。

为保证各进液开关阀及各出液开关阀的联动性，可通过设置快开、快关联锁控制等方式来实现联动性，也即一旦其中任何一个阀路产生动作，则其他阀路产生联动的启闭动作，以提升系统的工作响应性。

为保证工况参数的准确性，各系统均在各测试件的前后端分别布置有温度传感器T和压力传感器P。对于加热模组60而言，可以直接使用换热部也即常规换热器，其通常是一种带有辅助加热系统的间接加热方式，冷却模组20所用的冷却器也可以自带辅助冷却系统；工作时，可通过位于各测试件前部处的温度传感器T反馈信号，以此调节加热模组60功率，实现温度的精确控制。介质从各测试件出来后经过冷却模组20冷却回到介质储罐30，重新进行循环。

稳压罐50用于保证管路压力的稳定和安全。流量计F获取试验介质的流量，实际操作时，可以通过PID调节单元、变频器、介质泵40组成闭环反馈调节系统，采用变频器控制介质泵40的转速从而调节流量。同时，本发明还配置带有旁路流量调节阀91的桥接管路，以配合流量计F，实现极小流量控制及介质泵40能力下限范围流量精细调节功能，以满足整套装置内流量的精确控制。

为进一步理解本发明，此处以三循环试验的具体实施例，结合附图1-2，对本发明的测试方法作以下详细说明：

试验对象：某航空换热器。

试验目的：产品寿命测试，需要进行3000次高、低工况的三循环试验。

试验要求：要求在一个高工况下，换热器进出口的温度、压力和流量达到稳定后，切换到低工况下，直至低工况下的装置状态稳定后，形成一次循环，以便尽可能贴合实况进行测试。

试验参数：

高工况a：高压介质I系统A1内的介质参数分别为90℃、4MPa、0.12kg/s；高压介质II系统A2内介质参数分别为150℃、0.5MPa、0.15kg/s。

低工况b：低压介质I系统B1内的介质参数分别为20℃、0.15MPa、0.01kg/s；低压介质II系统B2内介质参数分别为30℃、0.05MPa、0.15kg/s。

试验过程：

1)、如图1，高压介质I系统A1内高压介质从介质储罐30出来，经过过滤器93，进入介质泵40，介质泵40后安装单向止回阀94和稳压罐50，经过加热模组60加热后由第一进液开关阀81进入第一测试件71的一号进液口；之后，介质从第一测试件71的一号出液口排出，经过压力调节阀10也即减压阀、冷却模组20回到介质储罐30。高压介质I系统A1内的高压介质系统是闭式循环系统，根据试验工况要求，经过介质泵40实现增压，介质泵40后安装稳压罐50保证系统压力的稳定和安全。根据位于第一测试件71的第一进液口处的压力传感器P控制压力调节阀10，将进入第一测试件71的介质压力调至4MPa。通过流量计F读取该系统的流量，控制介质泵40的转速以便调节流量；同时，通过旁路流量调节阀91实现流量精确控制在0.12kg/s。通过位于第一测试件71的第一进液口处的温度传感器T反馈信号，调节加热模组60功率，将第一测试件71之前管路内的介质温度稳定在90℃。

2)、同样的方法将高压介质II系统A2内的参数调到满足工况a，低压介质I系统B1和低压介质II系统B2内参数调到满足工况b，各循环系统参数稳定后，开始测试。

3)、如图2，高压介质I系统A1处第一进液开关阀81和第一出液开关阀82开启，第二进液开关阀83和第二出液开关阀84关闭，高压介质I系统A1内的介质通过第一测试件71的一号进液口进入第一测试件71的第一路通道。低压介质I系统B1处第一进液开关阀81和第一出液开关阀82关闭，第二进液开关阀83和第二出液开关阀84开启，低压介质I系统B1内的介质通过第二测试件72的一号进液口进入第二测试件72的第一路通道也即一号进液口所在通道。相同的方法，使得高压介质II系统A2内介质进入第一测试件71的另一路通道也即二号进液口所在通道，低压介质II系统B2内介质进入第二测试件72的另一路通道。然后切换阀门，全部进液开关阀和全部出液开关阀均切换状态，也即原本开启的变为关闭状态，原本关闭的同时变为开启状态，此时高压介质I系统A1内介质被切入第二测试件72内的一号进液口，同理，高压介质II系统A2内介质进入第二测试件72内的二号进液口，低压介质I系统B1、低压介质II系统B2内的介质相应进入第一测试件71；由此形成第一次循环。

4)、重复3)步骤，使得第一测试件71进行a-工况b-工况a-工况b…往复循环，第二测试件72进行工况b-工况a-工况b-工况a…往复循环。若循环次数达到3000次，则表示当前测试件满足换热器使用寿命需求；如循环次数达不到，则表示其使用寿命无法满足所需，需重新设计。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术均为公知技术。

Claims (7)

1.一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：该装置包括彼此独立的高压介质I系统(A1)、高压介质II系统(A2)、低压介质I系统(B1)及低压介质II系统(B2)，四组系统均包括沿介质流向依序布置的压力调节阀(10)、冷却模组(20)、介质储罐(30)、介质泵(40)、稳压罐(50)、流量计F以及加热模组(60)；压力调节阀(10)的进口构成系统进口，加热模组(60)的出口构成系统出口，各系统出口及系统进口处均布置有温度传感器T及压力传感器P；该装置还包括第一测试件(71)和第二测试件(72)，第一测试件(71)和第二测试件(72)并联布置系统进口及系统出口之间管路上，以使得：

高压介质I系统(A1)和低压介质I系统(B1)的系统出口处介质可经由第一进液开关阀(81)、第一测试件(71)的一号进液口、第一测试件(71)的一号出液口、第一出液开关阀(82)进入对应系统的系统进口；高压介质I系统(A1)和低压介质I系统(B1)的系统出口处介质同时可经由第二进液开关阀(83)、第二测试件(72)的一号进液口、第二测试件(72)的一号出液口、第二出液开关阀(84)进入对应系统的系统进口；

高压介质II系统(A2)和低压介质II系统(B2)的系统出口处介质可经由第三进液开关阀(85)、第一测试件(71)的二号进液口、第一测试件(71)的二号出液口、第三出液开关阀(86)进入对应系统的系统进口；高压介质II系统(A2)和低压介质II系统(B2)的系统出口处介质同时可经由第四进液开关阀(87)、第二测试件(72)的二号进液口、第二测试件(72)的二号出液口、第四出液开关阀(88)进入对应系统的系统进口。

2.根据权利要求1所述的一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：该装置还包括桥接管路，桥接管路上串接旁路流量调节阀(91)；桥接管路的一端连通至流量计F与稳压罐(50)之间的一段管路上，桥接管路的另一端连通至压力调节阀(10)的进口端。

3.根据权利要求1所述的一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：介质储罐(30)与介质泵(40)之间的一段管路上串接有主开关阀(92)和过滤器(93)；介质泵(40)与稳压罐(50)之间的一段管路上串接有单向止回阀(94)。

4.根据权利要求1所述的一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：所述加热模组(60)为换热部，所述冷却模组(20)为冷却器。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：各进液开关阀和各出液开关阀均为气动开关球阀，相应的流量调节阀和压力调节阀为气动调节阀。

6.根据权利要求5所述的一种换热器性能与寿命测试装置，其特征在于：各进液开关阀和各出液开关阀之间彼此联动。

7.一种应用如权利要求1或2或3或4所述测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、调整四组系统的工况参数，包括温度值、压力值及流量值，以使得各系统独立工作状态下，两组高压介质系统中的工况参数等于预设的高工况下的温度值、压力值及流量值，两组低压介质系统中的工况参数等于预设的低工况下的温度值、压力值及流量值；待各系统工况参数稳定后，开始下一步；

2)、高压介质I系统(A1)处第一进液开关阀(81)和第一出液开关阀(82)开启，第二出液开关阀(84)和第二进液开关阀(83)关闭；低压介质I系统(B1)处第一进液开关阀(81)和第一出液开关阀(82)关闭，第二出液开关阀(84)和第二进液开关阀(83)开启；同时，高压介质II系统(A2)处第三进液开关阀(85)和第三出液开关阀(86)开启，第四出液开关阀(87)和第四进液开关阀(88)关闭；低压介质II系统(B2)处第三进液开关阀(85)和第三出液开关阀(86)关闭，第四出液开关阀(87)和第四进液开关阀(88)开启；

3)、通过统一切换步骤2)中各进液开关阀和各出液开关阀的当前状态，从而重复2)步骤，每重复一次即为一次循环；以此往复直至循环次数达到既定数目。