CN114486308A - 一种微细管束换热特性实验方法 - Google Patents

一种微细管束换热特性实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微细管束换热特性实验方法，该实验方法采用微细管束换热特性实验装置进行实验，具体包括以下步骤：制作微细管束，并测量微细管束的电阻；将微细管束安装于测试箱体中，并与变压直流电源电连接；调节变压直流电源的电压，获取微细管束在不同加热功率下的换热特性；调节风机的风速，获取微细管束在不同空气流量下的换热特性；周期性地调节电源的电压和风机的风速，获取微细管束在不同加热功率和不同空气流量下的换热特性。采用上述实验方法能够测试不同管径、不同排布、不同排数以及不同气流冲击角度下微细管束的换热特性，从而确定预冷器管外的换热模型，为预冷器的精确设计提供理论支持。

Description

一种微细管束换热特性实验方法
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换热特性实验方法。
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，微细管束采用不同管径、不同排布、不同排数以及不同的气流冲击角度均会影响预冷器的对流换热系数，目前超薄超细管束的对流换热系数仍然采用常规经验公式计算获得，计算结果误差较大。因此，急需提供一种能够对不同微细管束的换热特性进行精确实验的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种微细管束换热特性实验方法，能够测试不同管径、不同排布、不同排数以及不同气流冲击角度下微细管束的换热特性，从而确定预冷器管外的换热模型，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：
一种微细管束换热特性实验方法，该实验方法采用微细管束换热特性实验装置进行实验，实验装置包括风机、测试箱体、检测单元以及变压直流电源；所述测试箱体设置有容置微细管束的空腔、以及与所述空腔连通的进气口和出气口；所述进气口与所述风机的出风口连通；该实验方法包括以下步骤：
制作微细管束，并测量微细管束的电阻；
将微细管束安装于测试箱体中，并与变压直流电源电连接；
启动风机，开启变压直流电源，使微细管束通过自身电阻发热；
调节变压直流电源的电压，在微细管束的空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至电源电压达到目标高压，获取微细管束在不同加热功率下的换热特性；
调节风机的风速，在空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至目标风速，获取微细管束在不同空气流量下的换热特性；
周期性地调节电源的电压和风机的风速，在空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至电源电压达到目标高压且风机风速达到目标风速，获取微细管束在不同加热功率和不同空气流量下的换热特性。
更进一步地，制作微细管束，并测量微细管束的电阻，具体包括：
将多个微细管插入定位孔板中；
微细管之间通过导线进行连接，使多个微细管之间形成串联结构；
测量导线的长度，并测量相应导线长度的总电阻Rcu；
测量微细管束的总电阻Rtotal，则微细管束中多个微细管的总电阻R为：
R＝Rtotal-Rcu。
更进一步地，空气换热达到热平衡的判断条件为：
Qx/Qf≥90％；
其中，Qx为空气的吸热功率，Qf为微细管束的放热功率，并且Qx和Qf采用以下公式进行计算：
Qx＝qc(Ttout-Ttin)；
Qf＝I2R；
上式中，q为空气的流量，c为空气的比热容，Ttout为出气口的空气温度，Ttin为进气口的空气温度，I为微细管中的电流，R为多个微细管的总电阻。
更进一步地，还包括：计算微细管束的对流换热系数h：
Figure BDA0003447625110000031
上式中，Q为平均热功率，Q＝(Qx+Qf)/2；n为微细管束中测温点的数量，n＝1，2，3……；π为圆周率；d为微细管的直径；l为微细管的长度；Tw为微细管束的平均壁温，Tw＝(Tw1+Tw2+……+Twn)/n，Twn为微细管束中第n个测温点的温度；Tf为空气的平均温度，Tf＝(Ttout+Ttin)/2。
更进一步地，所述检测单元包括连接于所述出气口的流量计、连接于所述进气口与所述出气口之间的压差计、安装于所述进气口的入口温度传感器、安装于所述出气口的出口温度传感器、以及设置于所述微细管内的热电偶；所述微细管束与所述变压直流电源电连接。
更进一步地，所述实验装置还包括与所述流量计、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所述热电偶信号连接的数据采集仪。
有益效果：
1、本发明的微细管束换热特性实验方法，采用微细管束通电发热后与流动空气进行热交换，能够获得微细管束的换热特性，并且能够测试不同管径、不同排布、不同排数以及不同气流冲击角度下微细管束的换热特性，从而确定预冷器管外的换热模型，为预冷器的精确设计提供理论支持；
2、通过调节变压直流电源的电压、风机的风速、以及周期性地调节电源的电压和风机的风速，能够分别准确地获取微细管束在不同加热功率下和不同空气流量下的换热特性；
3、采用上述实验方法能够对同一个微细管束或不同的微细管束进行重复实验，能够避免因随机误差导致的实验数据不准确的缺陷，可以提高实验数据的准确性；
4、采用上述实验方法对微细管束进行实验的过程中，方法步骤少，流程简单，具有实验操作简单的特点。
附图说明
图1为本发明的微细管束换热特性实验方法的流程图；
图2为本发明的实验方法采用的微细管束换热特性实验装置的结构示意图。
其中，1-风机，2-测试箱体，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
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。
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种微细管束换热特性实验方法，该实验方法采用微细管束换热特性实验装置进行实验，实验装置包括风机1、测试箱体2、检测单元以及变压直流电源7；测试箱体2设置有容置微细管束的空腔、以及与空腔连通的进气口和出气口；进气口与风机1的出风口连通；检测单元可以包括连接于出气口的流量计3、连接于进气口与出气口之间的压差计4、安装于进气口的入口温度传感器5、安装于出气口的出口温度传感器6、以及设置于微细管内的热电偶8；如图2所示，测试箱体2的进气口与风机1之间可以通过进气管路10连通，测试箱体2的出气口连接有排气管路11；风机1用于产生气流，气流通过进气口进入测试箱体2并与发热的微细管束进行热交换，经过热交换的气流通过出气口排出测试箱体2；压差计4用于测量测试箱体2的进气口和出气口之间的气流压力差；入口温度传感器5可以安装于进气管路10中，用于测量进入测试箱体2的气体的初始温度；出口温度传感器6可以安装于排气管路11中，用于测量经过热交换之后的排出气体的温度；流量计3可以安装于排气管路11中，用于测量排出气体的流量；热电偶8布置于微细管束的不同的微细管内，并在同一个微细管的不同位置分别布置一个热电偶8，通过多个热电偶8测量微细管的平均壁温；为了方便记录各检测单元的测量数据，实验装置还可以包括与流量计3、压差计4、入口温度传感器5、出口温度传感器6以及热电偶8信号连接的数据采集仪9，通过数据采集仪9实时记录流量计3、压差计4、入口温度传感器5、出口温度传感器6以及热电偶8的测量信号。
如图1所示，该实验方法包括以下步骤：
步骤S10，制作微细管束，并测量微细管束的电阻；具体包括：将多个微细管插入定位孔板中，定位孔板用于支承多个微细管，使多个微细管形成预定形状的微细管束，定位孔板可以为相对设置的两个，微细管可以通过粘接剂粘接于定位孔板；微细管之间通过铜导线等导线进行连接，使多个微细管之间形成串联结构；测量导线的长度，并测量相应导线长度的总电阻Rcu；测量微细管束的总电阻Rtotal，则微细管束中多个微细管的总电阻R为：R＝Rtotal-Rcu；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特性；
步骤S20，将微细管束安装于测试箱体2中，并与变压直流电源7电连接；微细管束的两端分别连接变压直流电源7的正负极，由于微细管束具有电阻，并在电流通过时能够通过自身电阻发热，在风机1的作用下气流与微细管束进行热交换；
步骤S30，启动风机1，开启变压直流电源7，使微细管束通过自身电阻发热；通过风机1为测试箱体2提供流动气体，气体流经发热的微细管束时，气体与微细管束实现热交换；
步骤S40，调节变压直流电源7的电压，在微细管束的空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至电源电压达到目标高压，获取微细管束在不同加热功率下的换热特性；微细管束在通电放热的过程中，微细管束的放热功率与微细管束中多个微细管的总电阻R和微细管中流通的电流有关，在总电阻R不变的情况下，调节变压直流电源7的电压则会响应改变电流的大小，从而通过变压直流电源7的电压变化实现微细管束放热功率的调节，实现微细管束在不同加热功率下的换热特性的测试；
步骤S50，调节风机1的风速，在空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至目标风速，获取微细管束在不同空气流量下的换热特性；在微细管束不变的情况下，通过调节风机1的风速可以实现微细管束在不同空气流量下的换热特性的测试；在调节风机1的风速时，可以通过与风机1相连的变频器12控制风机1的转速，使风机1实现不同的空气流量；
步骤S60，周期性地调节电源的电压和风机1的风速，在空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至电源电压达到目标高压且风机1风速达到目标风速，获取微细管束在不同加热功率和不同空气流量下的换热特性；通过本步骤，可以实现电源电压和风机1风速的周期性调节，通过周期性地调节电源电压和风机1风速，能够实现微细管束在各种放热功率和各种空气流量下的换热特性。在具体实验过程中，可以在风机1风速不变的情况下，周期性地调节电源电压，测试不同放热功率下的换热特性；还可以在电源电压不变的情况下，周期性地调节风机1风速，测试不同空气流量下的换热特性。
上述微细管束换热特性实验方法，采用微细管束通电发热与流动空气进行热交换，并通过检测单元对换热过程参数进行检测，通过检测单元的检测数据能够获得微细管束的换热特性，换热特性包括微细管束的对流换热系数、微细管束的温度分布等；采用上述实验方法能够对任意微细管束进行测试，因此，能够测试不同管径、不同排布、不同排数以及不同气流冲击角度下微细管束的换热特性，根据实验结果可以确定预冷器管外的换热模型，为预冷器的精确设计提供理论支持；通过调节变压直流电源7的电压、风机1的风速、以及周期性地调节电源的电压和风机1的风速，能够分别准确地获取任意一个微细管束在各种加热功率下和各种空气流量下的换热特性；上述实验方法能够对同一个微细管束或不同的微细管束进行重复实验，能够避免因随机误差导致的实验数据不准确的缺陷，可以提高实验数据的准确性；同时，上述实验方法对微细管束进行实验的过程中，方法步骤少，流程简单，具有实验操作简单的特点。
在上述微细管束换热特性实验方法中，空气换热达到热平衡的判断条件为：
Qx/Qf≥90％，即，微细管束产生的热量中有至少90％的热量被空气吸收时，则认为此时微细管束与气流之间的换热达到热平衡；
其中，Qx为空气的吸热功率，Qf为微细管束的放热功率，并且Qx和Qf采用以下公式进行计算：
Qx＝qc(Ttout-Ttin)；
Qf＝I2R；
上式中，q为空气的流量，c为空气的比热容，Ttout为出气口的空气温度，Ttin为进气口的空气温度，I为微细管中的电流，R为多个微细管的总电阻。
在实验过程中，空气流量q通过流量计3测得，出气口的空气温度Ttout采用安装于排气管路11的出口温度传感器6测量得到，进气口的空气温度Ttin通过安装于进气管路10的入口温度传感器5测量得到。
由于在空气换热达到热平衡之后进行数据采集，使得检测结果与微细管束在实际工作状态更加接近，有利于保证采集数据的准确性，进一步提高实验结果的可靠性。
在通过上述实验方法获取微细管束的换热特性以后，可以根据获取的检测结果采用以下公式计算微细管束的对流换热系数h：
Figure BDA0003447625110000081
上式中，Q为平均热功率，Q＝(Qx+Qf)/2，即，平均热功率为空气的吸热功率Qx和微细管束的放热功率Qf的平均值；n为微细管束中测温点的数量，n＝1，2，3……；π为圆周率；d为微细管的直径；l为微细管的长度；Tw为微细管束的平均壁温，Tw＝(Tw1+Tw2+……+Twn)/n，Twn为微细管束中第n个测温点的温度；Tf为空气的平均温度，Tf＝(Ttout+Ttin)/2，即，平均温度为测试箱体2的出气口的空气温度Ttout与测试箱体2的进气口的空气温度Ttin的平均值。
通过上述实验方法获取的检测结果，可以采用上述公式计算微细管束的对流换热系数h，通过计算结果可以对微细管束的设计起到指导作用，便于满足实际使用场景和达到预计的散热效果。
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 (6)

1.一种微细管束换热特性实验方法，其特征在于，采用微细管束换热特性实验装置进行实验，实验装置包括风机(1)、测试箱体(2)、检测单元以及变压直流电源(7)；所述测试箱体(2)设置有容置微细管束的空腔、以及与所述空腔连通的进气口和出气口；所述进气口与所述风机(1)的出风口连通；该实验方法包括以下步骤：
制作微细管束，并测量微细管束的电阻；
将微细管束安装于测试箱体(2)中，并与变压直流电源(7)电连接；
启动风机(1)，开启变压直流电源(7)，使微细管束通过自身电阻发热；
调节变压直流电源(7)的电压，在微细管束的空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至电源电压达到目标高压，获取微细管束在不同加热功率下的换热特性；
调节风机(1)的风速，在空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至目标风速，获取微细管束在不同空气流量下的换热特性；
周期性地调节电源的电压和风机(1)的风速，在空气换热达到热平衡后采集检测单元的检测数据，直至电源电压达到目标高压且风机(1)风速达到目标风速，获取微细管束在不同加热功率和不同空气流量下的换热特性。
2.如权利要求1所述的微细管束换热特性实验方法，其特征在于，制作微细管束，并测量微细管束的电阻，具体包括：
将多个微细管插入定位孔板中；
微细管之间通过导线进行连接，使多个微细管之间形成串联结构；
测量导线的长度，并测量相应导线长度的总电阻Rcu；
测量微细管束的总电阻Rtotal，则微细管束中多个微细管的总电阻R为：
R＝Rtotal-Rcu。
3.如权利要求2所述的微细管束换热特性实验方法，其特征在于，空气换热达到热平衡的判断条件为：
Qx/Qf≥90％；
其中，Qx为空气的吸热功率，Qf为微细管束的放热功率，并且Qx和Qf采用以下公式进行计算：
Qx＝qc(Ttout-Ttin)；
Qf＝I2R；
上式中，q为空气的流量，c为空气的比热容，Ttout为出气口的空气温度，Ttin为进气口的空气温度，I为微细管中的电流，R为多个微细管的总电阻。
4.如权利要求3所述的微细管束换热特性实验方法，其特征在于，还包括：计算微细管束的对流换热系数h：
Figure FDA0003447625100000021
上式中，Q为平均热功率，Q＝(Qx+Qf)/2；n为微细管束中测温点的数量，n＝1，2，3……；π为圆周率；d为微细管的直径；l为微细管的长度；Tw为微细管束的平均壁温，Tw＝(Tw1+Tw2+……+Twn)/n，Twn为微细管束中第n个测温点的温度；Tf为空气的平均温度，Tf＝(Ttout+Ttin)/2。
5.如权利要求1-4任一项所述的微细管束换热特性实验方法，其特征在于，所述检测单元包括连接于所述出气口的流量计(3)、连接于所述进气口与所述出气口之间的压差计(4)、安装于所述进气口的入口温度传感器(5)、安装于所述出气口的出口温度传感器(6)、以及设置于所述微细管内的热电偶(8)；所述微细管束与所述变压直流电源(7)电连接。
6.如权利要求5所述的微细管束换热特性实验方法，其特征在于，所述实验装置还包括与所述流量计(3)、所述压差计(4)、所述入口温度传感器(5)、所述出口温度传感器(6)以及所述热电偶(8)信号连接的数据采集仪(9)。
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