CN114486307A - 一种微细管束预冷器流动换热实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细管束预冷器流动换热实验装置，该实验装置中微细管束测试单元的进气口与风机通过进气管路连通，出气口连接有排气管路；压差计与进气管路和排气管路连通；入口温度传感器与进气管路连通，出口温度传感器与排气管路连通；在排气管路中安装有流量计；微细管束测试单元的微细管束两端与变压直流电源电连接，微细管束通过自身电阻发热，并与通过气流进行热交换；在微细管束内布置有多个热电偶；数据采集仪与流量计、压差计、入口温度传感器、出口温度传感器以及多个热电偶均信号连接。上述实验装置能够测试具有不同外径、不同排布、不同管排数的微细管束的预冷器在不同气流冲击角度下的流动换热性能。

Description

一种微细管束预冷器流动换热实验装置

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种微细管束预冷器流动换热实验装置。

背景技术

在高超声速吸气式组合发动机领域，使用空气预冷器将高温来流冷却以扩宽涡轮发动机工作包线是目前组合发动机领域采用的最为有效的手段。采用超薄超细管束构成的管式换热器具备轻质、高效的特点。

但是，预冷器换热机理复杂，微细管束的外径、排布结构、排数以及气流的冲击角度均会影响预冷器的换热性能。目前国内外对于超薄超细微细管束换热器的研究主要集中在仿真计算，少有实验研究。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微细管束预冷器流动换热实验装置，能够测试具有不同外径、不同排布、不同管排数的微细管束的预冷器在不同气流冲击角度下的流动换热性能，为预冷器的精确设计提供理论支持。

本发明采用以下具体技术方案：

一种微细管束预冷器流动换热实验装置，该实验装置包括风机、微细管束测试单元、流量计、压差计、入口温度传感器、出口温度传感器、变压直流电源、热电偶以及数据采集仪；

所述微细管束测试单元的进气口与所述风机通过进气管路连通，出气口连接有排气管路；

所述压差计的一端与所述进气管路连通，另一端与所述排气管路连通；

所述入口温度传感器与所述进气管路连通，所述出口温度传感器与所述排气管路连通；

在所述排气管路中安装有所述流量计；

所述微细管束测试单元的微细管束两端与所述变压直流电源电连接，所述微细管束通过自身电阻发热，并与通过气流进行热交换；

在所述微细管束内布置有多个所述热电偶；

所述数据采集仪与所述流量计、所述压差计、所述入口温度传感器、所述出口温度传感器以及多个所述热电偶均信号连接。

更进一步地，所述微细管束包括多个微细管以及连接所述微细管的铜导线。

更进一步地，所述微细管束测试单元还包括箱体和支架；

所述微细管束通过所述支架支承于所述箱体内。

更进一步地，所述支架为相对设置的两个管束支撑板；

所述管束支撑板设置有与所述微细管插接配合的定位孔。

更进一步地，所述管束支撑板采用亚克力板加工而成；

所述微细管为不锈钢管；

所述热电偶插入所述微细管内，并在所述热电偶与所述微细管之间填充有导热硅脂。

更进一步地，所述箱体由电木板和两个相对设置的接口法兰盘围绕形成；

其中一个所述接口法兰盘形成所述微细管束测试单元的进气口，另一个所述接口法兰盘形成所述微细管束测试单元的出气口。

更进一步地，所述微细管通过AB胶粘接于所述管束支撑板的定位孔。

更进一步地，还包括与所述风机连接的变频器，所述变频器通过调节所述风机的转速实现空气流量的调节。

更进一步地，所述进气管路包括依次连接的第一稳定段、变径段、第二稳定段以及测量段；

所述第一稳定段的入口与所述风机相连；

所述测量段的出口与所述微细管束测试单元的进气口相连接；

所述变径段为锥形管，并且沿所述第一稳定段朝向所述第二稳定段的方向，所述变径段的直径逐渐变小；

所述入口温度传感器和所述压差计的一端均安装于所述测量段。

更进一步地，还包括与所述数据采集仪连接的计算机，所述计算机存储所述数据采集仪采集的数据信息。

有益效果：

1、通过本发明的微细管束预冷器流动换热实验装置，可以精确获取在不同的微细管外径、不同的微细管束排布、不同的微细管排数以及不同冲击角度下预冷器的流动换热性能，能够确定预冷器管外的流动换热模型，为预冷器的精确设计提供理论支持；

2、通过热电偶可以直接测量微细管的壁温，从而获取了微细管束沿程的温度分布，可以评估微细管束的温度场；

3、在热电偶与微细管之间填充导热硅脂，通过导热硅脂在能够有效减小接触热阻的同时，又能有效起到绝缘作用，提高温度测量精度。

附图说明

图1为本发明的微细管束预冷器流动换热实验装置的原理结构示意图。

其中，1-风机，2-微细管束测试单元，3-流量计，4-压差计，5-入口温度传感器，6-出口温度传感器，7-变压直流电源，8-热电偶，9-数据采集仪，10-进气管路，11-排气管路，12-变频器，13-第一稳定段，14-变径段，15-第二稳定段，16-测量段，17-计算机

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了一种微细管束预冷器流动换热实验装置，如图1所示，该实验装置包括风机1、微细管束测试单元2、流量计3、压差计4、入口温度传感器5、出口温度传感器6、变压直流电源7、热电偶8以及数据采集仪9；

微细管束测试单元2的进气口与风机1通过进气管路10连通，出气口连接有排气管路11；风机1用于产生气流，气流进入微细管束测试单元2后与微细管束进行热交换；微细管束测试单元2可以为长148mm、宽120mm、高55mm的箱体结构，并且内部的空气流道横截面可以为矩形，矩形的截面积可以为100mm×15mm；

压差计4的一端与进气管路10连通，另一端与排气管路11连通，用于测量微细管束测试单元2前、后两端的气流压力差；

入口温度传感器5与进气管路10连通，入口温度传感器5用于测量进气管路10中进入气体的初始温度；出口温度传感器6与排气管路11连通，出口温度传感器6用于测量热交换之后的排出气体的温度；

在排气管路11中安装有流量计3，通过流量计3能够测量排出气体的流量；

微细管束测试单元2的微细管束两端与变压直流电源7电连接，微细管束具有电阻，并在电流通过时通过自身电阻发热，并与通过气流进行热交换；微细管束可以包括多个微细管以及连接微细管的铜导线；构成微细管束的微细管的数量、管径、排布结构以及倾斜角度均可以进行随机组合，以便获取更多微细管束结构的换热数据；

在微细管束内布置有多个热电偶8，热电偶8插入微细管束的微细管内，用于测量微细管的壁温，为了能够更加准确地测量微细管的壁温，可以在每个微细管中设置一个热电偶8或多个热电偶8，从而测量多个点的温度，使测量的平均温度更加接近实际温度；

数据采集仪9与流量计3、压差计4、入口温度传感器5、出口温度传感器6以及多个热电偶8均信号连接，用于获取热电偶8测量的温度信息。

上述实验装置的实验原理为：风机1产生冲击微细管束的气流，微细管束连接变压直流电源7，通过微细管束自身的电阻发热，通过调节变压直流电源7的电压可以实现不同的加热频率，从而将通过的气流加热，通过测量微细管束测试单元2前后的温度、压力能够获取气流的平均温度及压差，通过热电偶8测量微细管束的壁温，可以计算得出微细管束的换热性能。

上述实验装置通过变压直流电源7向微细管束供电，使微细管束自身实现电阻加热，并与流经微细管束的气流进行热交换，再根据气流的温度差和流量计3算微细管束的流动换热性能，由于微细管束可以采用不同数量的微细管、不同直径的微细管、不同的排布结构和不同的气流冲击角度装配构成，因此，采用上述实验装置可以精确获取在不同的微细管外径、不同的微细管束排布、不同的微细管排数以及不同冲击角度下预冷器的流动换热性能，能够确定预冷器管外的流动换热模型，为预冷器的精确设计提供理论支持；通过热电偶8可以直接测量微细管的壁温，从而获取了微细管束沿程的温度分布，可以评估微细管束的温度场。

一种具体的实施方式中，微细管束测试单元2还包括箱体和支架；微细管束通过支架支承于箱体内；支架可以通过螺钉或螺栓和螺母固定安装于箱体内；

箱体可以由电木板和两个相对设置的接口法兰盘围绕形成；其中一个接口法兰盘形成微细管束测试单元2的进气口，另一个接口法兰盘形成微细管束测试单元2的出气口；箱体的一端可以通过接口法兰盘连接进气管路10用于引入风扇产生的气流，进入箱体的气流与自发热的微细管束进行热交换，箱体的另一端可以通过接口法兰盘连接排气管路11用于将经过热交换的气流排出箱体；

支架可以为相对设置的两个管束支撑板；管束支撑板设置有与微细管插接配合的定位孔；微细管通过AB胶粘接于管束支撑板的定位孔；管束支撑板可以采用亚克力板加工而成；管束支撑板的外形尺寸可以为90mm×21mm×3mm，定位孔的直径可以为1.1mm；微细管可以为不锈钢管，并且微细管的外径可以为1mm、且内径为0.9mm，微细管的两端分别插入对称的两片管束支撑板的定位孔内，定位孔与微细管之间可以通过AB胶粘结固定；

热电偶8插入微细管内，并在热电偶8与微细管之间填充有导热硅脂。热电偶8可以为外径0.8mm的铠装热电偶8，热电偶8与微细管之间的间隙内充注导热硅脂，由于微细管的管壁有电流通过，导热硅脂的充注在有效减小接触热阻的同时，又能有效起到绝缘作用，提高温度测量精度。

如图1结构所示，进气管路10包括依次连接的第一稳定段13、变径段14、第二稳定段15以及测量段16；第一稳定段13的入口与风机1相连，用于稳定风速；测量段16的出口与微细管束测试单元2的进气口相连接；变径段14为锥形管，并且沿第一稳定段13朝向第二稳定段15的方向，变径段14的直径逐渐变小；变径段14为锥形管，随着管径的逐渐减小，风速逐渐增大；入口温度传感器5和压差计4的一端均安装于测量段16，测量段16用于实现温度和压力的测量。

在上述各种实施例的基础上，如图1结构所示，上述实验装置还可以包括与风机1连接的变频器12以及与数据采集仪9连接的计算机17；

风机1与变频器12相连，变频器12可以调节风机1的转速，从而通过调节风机1的转速实现空气流量的调节，因此，变频器12可以通过变频调节风机1转速调节空气流量，以实现不同风速下微细管束换热性能的测量。

通过计算机17与数据采集仪9相连接，可以将热电偶8测量的微细管的温度信息传输到数据采集仪9并进行存储，以便后续的换热性能的计算。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，包括风机(1)、微细管束测试单元(2)、流量计(3)、压差计(4)、入口温度传感器(5)、出口温度传感器(6)、变压直流电源(7)、热电偶(8)以及数据采集仪(9)；

所述微细管束测试单元(2)的进气口与所述风机(1)通过进气管路(10)连通，出气口连接有排气管路(11)；

所述压差计(4)的一端与所述进气管路(10)连通，另一端与所述排气管路(11)连通；

所述入口温度传感器(5)与所述进气管路(10)连通，所述出口温度传感器(6)与所述排气管路(11)连通；

在所述排气管路(11)中安装有所述流量计(3)；

所述微细管束测试单元(2)的微细管束两端与所述变压直流电源(7)电连接，所述微细管束通过自身电阻发热，并与通过气流进行热交换；

在所述微细管束内布置有多个所述热电偶(8)；

所述数据采集仪(9)与所述流量计(3)、所述压差计、所述入口温度传感器(5)、所述出口温度传感器(6)以及多个所述热电偶(8)均信号连接。

2.如权利要求1所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述微细管束包括多个微细管以及连接所述微细管的铜导线。

3.如权利要求2所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述微细管束测试单元(2)还包括箱体和支架；

所述微细管束通过所述支架支承于所述箱体内。

4.如权利要求3所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述支架为相对设置的两个管束支撑板；

所述管束支撑板设置有与所述微细管插接配合的定位孔。

5.如权利要求4所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述管束支撑板采用亚克力板加工而成；

所述微细管为不锈钢管；

所述热电偶(8)插入所述微细管内，并在所述热电偶(8)与所述微细管之间填充有导热硅脂。

6.如权利要求5所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述箱体由电木板和两个相对设置的接口法兰盘围绕形成；

其中一个所述接口法兰盘形成所述微细管束测试单元(2)的进气口，另一个所述接口法兰盘形成所述微细管束测试单元(2)的出气口。

7.如权利要求4所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述微细管通过AB胶粘接于所述管束支撑板的定位孔。

8.如权利要求1-7任一项所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，还包括与所述风机(1)连接变频器(12)，所述变频器(12)通过调节所述风机(1)的转速实现空气流量的调节。

9.如权利要求1-7任一项所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，所述进气管路(10)包括依次连接的第一稳定段(13)、变径段(14)、第二稳定段(15)以及测量段(16)；

所述第一稳定段(13)的入口与所述风机(1)相连；

所述测量段(16)的出口与所述微细管束测试单元(2)的进气口相连接；

所述变径段(14)为锥形管，并且沿所述第一稳定段(13)朝向所述第二稳定段(15)的方向，所述变径段(14)的直径逐渐变小；

所述入口温度传感器(5)和所述压差计(4)的一端均安装于所述测量段(16)。

10.如权利要求1-7任一项所述的微细管束预冷器流动换热实验装置，其特征在于，还包括与所述数据采集仪(9)连接的计算机(17)，所述计算机(17)存储所述数据采集仪(9)采集的数据信息。

Images