CN204944707U - 微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统及方法，其中二次侧流体循环装置的入口和出口通过一连接管路相连，且该入口与被测换热器的第一入口之间设有流量控制器，流量控制器的出口与被测换热器的第一入口之间设有一第一温度传感器，二次侧流体循环装置的出口与被测换热器的第一出口之间设有第二温度传感器，第一流量计设于被测换热器的第一入口或第一出口；一次侧流体供给装置与二次侧流体循环装置连接，其出口处设有第三温度传感器，第二流量计设于一次侧流体供给装置的入口或出口。本实用新型采用热平衡的测试原理，通过增设的一次侧流体供给装置可以间接获得被测换热器的换热量，因此显著提高了被测换热器的换热量测试精度。

Description

微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统

技术领域

本实用新型涉及换热器测试技术，具体属于一种微温差条件下测量换热器换热量的系统。

背景技术

在换热器行业中，为了检测换热器的性能，通常需要采用一个换热器性能测试装置，该装置的测试原理基本为焓差法，即通过测量一侧流体的质量流量和进出口焓差来计算该换热器的换热量。当流体为单相流体时，例如水，就可以通过测量水的进出口温度来计算水的焓值。这种测量方法虽然简单易于实现，但是却存在一定的缺点，即换热量的测量精度受流体进出口焓差或温差的影响比较大，当流体的进出口焓差或温差越小，该方法的测量误差就越大，下面以流体为水作为例子加以说明。

假定质量流量的测量不确定度为0.1％(k＝3)，温度的测量精度为0.1℃(k＝2)，忽略漏热的影响。

条件1：假定水的质量流量为1kg/s，流入换热器时的进口温度为20℃，从换热器流出时的出口温度为30℃，25℃水的定压比热为4.1816kJ/kg℃，则换热量为Q＝1×(30-20)×4.1816＝41.816kW。条件1的测量不确定度为0.592kW(k＝2)，参见表一，测量不确定度的计算参照《使用测量不确定度评定》，第3版，246页，中国计量出版社，2009年。

条件2：假定水的质量流量为10kg/s，流入换热器时的进口温度为20℃，从换热器流出时的出口温度为21℃，20.5℃水的定压比热为4.1840kJ/kg℃，则换热量为Q＝10×(21-20)×4.1840＝41.840kW。条件2的测量不确定度为5.91kW(k＝2)，参见表二。

从以上两种情况可以看出，虽然两种条件下换热量相同，但是换热量的测量精度却大不相同。在流体进出口温差微小(小于等于5℃)的情况下，如何提高换热量的测量精度一直是行业内的重要研究课题。其中，最常用的方法就是采用更高精度的温度传感器，例如将温度传感器的测量精度提高到0.01℃(k＝2)，如果在条件2中采用这种温度传感器，那么条件2的测量不确定度才为0.592kW(K＝2)，如表三。

然而，上述计算结果只是理论精度，在工程实践中还存在以下问题：

1)传感器价格比较昂贵，而且精度越高价格越贵，并且不宜在现场进行计量，这直接影响了试验方法的推广；

2)在测试过程中不可避免地存在传感器的漏热，以及流体温度场均匀性的问题，即便采用测量精度为0.01℃的温度传感器，实际测量的温度不确定度也会高于前述理论计算中的温度不确定度，因此为了降低漏热和温度均匀性的影响，针对换热器的整个测试系统搭建难度非常高；

3)当流体的进出口温差进一步缩小时，如温差在0.1℃～1℃，目前也再无更好的解决方法。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种微温差条件下测量换热器换热量的系统，在换热器进出口温差微小的情况下可以提高换热器的换热量测量精度。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的微温差条件下测量换热器换热量的系统，包括被测换热器、二次侧流体循环装置和一次侧流体供给装置；

所述被测换热器包括第一入口、第一出口、第二入口和第二出口，其中第一入口和第一出口与所述二次侧流体循环装置连接，第二入口和第二出口由另一换热流体流入和流出；

所述二次侧流体循环装置具有流量控制器、入口A和出口B，其中入口A和出口B通过一连接管路相连，所述流量控制器使流入被测换热器第一入口的流体流量保持恒定，所述被测换热器的第一入口设有一第一温度传感器，被测换热器的第一出口之间设有一第二温度传感器，一第一流量计设于被测换热器的第一入口或者被测换热器的第一出口；

所述一次侧流体供给装置与二次侧流体循环装置连通，且出口处设有一第三温度传感器，一第二流量计设于一次侧流体供给装置的入口处或出口处，所述一次侧流体供给装置提供恒定温度和流量的流体，通过改变一次侧流体供给装置提供的流体流量使流入被测换热器第一入口的流体温度恒定。

在上述结构中，所述入口A靠近被测换热器的第一入口，出口B靠近被测换热器的第一出口，所述流量控制器设在被测换热器的第一入口和入口A之间，所述第一温度传感器设在流量控制器的出口与被测换热器的第一入口之间，第二温度传感器设在被测换热器的第一出口与出口B之间。或者，所述入口A靠近被测换热器的第一入口，出口B靠近被测换热器的第一出口，所述流量控制器设在被测换热器的第一出口和出口B之间，所述第一温度传感器设在被测换热器的第一入口与入口A之间，第二温度传感器设在流量控制器的入口与被测换热器的第一出口之间，所述一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

在上述结构中，所述一次侧流体供给装置直接与二次侧流体循环装置连通，其中一次侧流体供给装置的出口与二次侧流体循环装置的入口A相连，一次侧流体供给装置的入口与二次侧流体循环装置的出口B相连，从二次侧流体循环装置的出口B流出的流体一部分流入一次侧流体供给装置，另一部分流回二次侧流体循环装置的入口A与一次侧流体供给装置提供的流体混合后通过流量控制器流入被测换热器的第一入口，且从一次侧流体供给装置流入二次侧流体循环装置的流体流量与从二次侧流体循环装置流入一次侧流体供给装置的流体流量相同；或者，所述一次侧流体供给装置直接与二次侧流体循环装置连通，其中一次侧流体供给装置的出口与二次侧流体循环装置的出口B相连，一次侧流体供给装置的入口与二次侧流体循环装置的入口A相连，从二次侧流体循环装置的出口B流出的流体与一次侧流体供给装置提供的流体混合后一部分流回一次侧流体供给装置，另一部分流入二次侧流体循环装置的入口A并通过流量控制器流入被测换热器的第一入口，且流回一次侧流体供给装置的流体流量与一次侧流体供给装置提供的流体流量相同。

或者在上述结构中，所述一次侧流体供给装置通过一中间换热器与二次侧流体循环装置连接，其中一次侧流体供给装置的出口与中间换热器的第一入口连通，一次侧流体供给装置的入口与中间换热器的第一出口连通，二次侧流体循环装置的出口B与中间换热器的第二入口连通，二次侧流体循环装置的入口A与中间换热器的第二出口连通，所述一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

进一步的，所述流量控制器的出口与被测换热器的第一入口之间设有一第一压力传感器，二次侧流体循环装置的出口与被测换热器的第一出口之间设有一第二压力传感器。

进一步的，所述一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

其中，所述流量控制器为水泵或者水泵和调节阀。

其中，所述一次侧流体供给装置包括泵、流量控制阀、加热冷却器。

本实用新型增设了一次侧流体供给装置，采用热平衡的测试原理，通过控制一次侧流体供给装置的流体流量和温度使测试过程中每次流入被测换热器的流体温度保持在同一测试温度，这样虽然被测换热器的进出口温差微小，但当测试系统处于稳定运行时被测换热器的换热量可以间接地由一次侧流体供给装置的换热量获得，因此可以显著提高被测换热器的换热量测试精度。

附图说明

图1为本实用新型的第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的第二实施例的结构示意图；

图3为本实用新型中一次侧流体供给装置的组成示意图。

其中附图标记说明如下：

1为被测换热器；2为一次侧流体供给装置；21为泵；22为流量控制阀；23为电加热器；24为冷却机组；3为中间换热器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供的微温差条件下测量换热器换热量的系统的第一实施例，如图1所示，包括被测换热器1、二次侧流体循环装置和一次侧流体供给装置2；

所述被测换热器1包括第一入口、第一出口、第二入口和第二出口，其中第一入口和第一出口与所述二次侧流体循环装置连接，第二入口和第二出口则供一换热流体流入和流出；

所述二次侧流体循环装置的入口A和出口B通过一连接管路相连，且该入口A与被测换热器1的第一入口之间设有一流量控制器，所述流量控制器的出口与被测换热器1的第一入口之间设有一第一温度传感器和一第一压力传感器，二次侧流体循环装置的出口B与被测换热器1的第一出口之间设有一第二温度传感器和一第二压力传感器，一第一流量计设于流量控制器的出口与被测换热器1的第一入口之间或者被测换热器1的第一出口与二次侧流体循环装置的出口B之间，用于测试被测换热器1第一入口与第一出口之间的流体流量，在本实施例中，第一流量计设于被测换热器1的第一入口前；

所述一次侧流体供给装置2直接与二次侧流体循环装置连通，其中一次侧流体供给装置2的出口与二次侧流体循环装置的入口相连，一次侧流体供给装置的入口与二次侧流体循环装置的出口相连，一次侧流体供给装置2的出口处设有一第三温度传感器和一第二流量计，一次侧流体供给装置2的入口处设有一第四温度传感器。

其中，从二次侧流体循环装置出口B流出的流体一部分流入一次侧流体供给装置2，另一部分流回二次侧流体循环装置入口A与一次侧流体供给装置2提供的流体混合后通过流量控制器流入被测换热器1的第一入口，且一次侧流体供给装置2提供的流体流量与从二次侧流体循环装置流入一次侧流体供给装置2的流体流量相同，故第二流量计也可以设于一次侧流体供给装置2的入口处。

同时，在不考虑漏热和流动摩擦影响的情况下，从二次侧流体循环装置的出口B流入一次侧流体供给装置2的流体温度与从被测换热器1的第一出口流出的流体温度基本一致，因此可以省略第四温度传感器。

在本实施例中，流量控制器为泵，通过改变泵的转速(或频率)可以控制被测换热器1的流体流量。

在上述系统中，二次侧流体循环装置的第一温度传感器监测流入被测换热器第一入口的流体温度，第二温度传感器监测从被测换热器第一出口流出的流体温度，第一流量计监测流入被测换热器第一入口或者从被测换热器第一出口流出的流体流量；一次侧流体供给装置2的第三温度传感器监测从一次侧流体供给装置2流出的流体温度，第四温度传感器监测从二次侧流体循环装置流入一次侧流体供给装置2的流体温度T4，第二流量计监测流入一次侧流体供给装置或者从一次侧流体供给装置流出的流体流量。

当二次侧流体循环装置提供的流体在被测换热器1内被加热时，A点提供的流体温度须低于被测换热器1第一入口的流体温度；当流体在被测换热器1内被冷却时，A点提供的水温须高于被测换热器1第一入口的流体温度。

从二次侧流体循环装置出口B流出的流体一部分流入一次侧流体供给装置2，另一部分流回二次侧流体循环装置入口A与从一次侧流体供给装置2流出的流体混合后再流入被测换热器1中，从一次侧流体供给装置2流出的流体温度保持在同一供给温度，流入一次侧流体供给装置2的流体流量与从一次侧流体供给装置2流出的流体流量相同；控制一次侧流体供给装置2提供的流体与从二次侧流体循环装置出口B流回二次侧流体循环装置入口A的流体的混合比例使被测换热器1第一入口流入的流体温度始终保持在同一测试温度；

对整个系统进行隔热保温，当系统稳定运行处于热平衡状态时，那么

Q＝F1*C1*(T2-T1)＝F2*C2*(T4-T3)-W+Q_leak+q≈F2*C2*(T2-T3)-W+Q_leak+q≈F2*C2*(T2-T3)-W+q

W＝(M*H1*S)/(367.7*E)

q＝(M*H2*S)/367.7

其中，Q为被测换热器的换热量，F1为被测换热器第一入口流入的流体的质量流量，C1为被测换热器第一入口流入的流体的平均比热，T1为被测换热器第一入口流入的流体的温度，T2为被测换热器第一出口流出的流体的温度，F2为一次侧流体供给装置提供的流体的质量流量，C2为一次侧流体供给装置流出的流体的平均比热，T3为一次侧流体供给装置流出的流体的温度，W为二次侧流体循环装置中的流量控制器的功率，Q_leak为管路漏热，q为换热器内流体因摩擦而转化的热能，M为被测换热器第一入口流入的流体的体积流量，H1为扬程；S为被测换热器第一入口流入的流体的比密度；E为流量控制器中泵的效率；H2为被测换热器的设计阻力。

将被测换热器进行绝热处理，并使被测换热器的第二入口和第二出口之间无换热流体，系统稳定运行时，可近似认为Q＝q，则可测得W-Q_leak≈W＝F2*C2*(T2-T3)，根据F2、T2、T3的值、标准不确定度、概率分布、灵敏系数以及不确定度分量计算得到二次侧流体循环装置中流量控制器中泵的功率的测量不确定度，其中T2＝q/F1/C1+T1；

根据F1、H2的值、标准不确定度、概率分布、灵敏系数以及不确定度分量计算得到被测换热器内流体因摩擦而转化的热能的测量不确定度；

根据F2、T1、T2、W-Q_leak、q的值、标准不确定度、概率分布、灵敏系数、不确定度分量计算得到被测换热器的换热量的测量不确定度。

下面，再以条件2为例，进行分析，其中假定水的质量流量为10kg/s，流入换热器时的进口温度为20℃，从换热器流出时的出口温度为21℃，20.5℃水的定压比热为4.1840kJ/kg℃，则换热量为Q＝10×(21-20)×4.1840＝41.840kW。

首先，通过隔热措施将Qleak减小到可以忽略(譬如：将整套装置放在20℃的环境中)。

泵对流体做的功为W＝(M*H*S)/(367.7*E)，其中，W为轴功率kW，M为体积流量m³/h，H为扬程m，S为比密度(水20℃＝1.0)，E为水泵效率。管路内流体应摩擦而转化的热能为q＝(M*H*S)/(367.7)kW。

换热器的设计阻力一般小于5米，管道阻力一般也小于5米。一台离心泵的效率一般高于50％。由此，在条件2下，泵的轴功率W为：

(10*3600/998.06)*10*0.998/(367.7*0.5)＝1.958kW。

通过测量换热器进出口压差，可估算出流体流经换热器，由于摩擦热引起的内能变化q为：

(10*3600/998.06)*5*0.998/(367.7)＝0.490kW。

由表四可以得到q的测量不确定度为0.0979kW(K＝2)。

由于泵的轴功率是个估计值，因此首先需要对其进行测量。为此，先把被测换热器1进行绝热处理，并隔断被测换热器1另一侧的流体流动。控制流入A点的流体温度(即一次侧流体供给装置2流出的流体温度)为10℃，流入换热器的温度为20℃，流经换热器的流量为10kg/s，当达到稳定时，则有

0＝F2*C(T4-T3)-W+Q_leak

W-Q_leak＝F2*C(T4-T3)

作为算例，则令

W-Q_leak＝1.958kW,C＝4.1888kJ/kg℃，

T1＝20℃，T2＝0.490/10/4.1844+20＝20.012℃，T3＝10℃，T4≈T2＝20.012℃，

F2＝1.958/4.1888/(20.012-10)＝0.0467kg/s

由表五可以得到轴功率的测量不确定度为0.0277kW(K＝2)。

然后，开始进行试验。控制流入A点的流体温度仍为10℃，流入换热器的温度为20℃，流经换热器的流量为10kg/s，当达到稳定时，则有

Q＝F2*C(T4-T3)-W+Q_leak+q

做为算例，则令

W-Q_leak＝1.958kW

q＝0.490kW

T1＝20℃，T2＝21℃，T3＝10℃，T4≈T2＝21℃，

F2＝(1.958+41.840)/4.1883/(21-10)＝0.951kg/s

由表六可以得到换热量的测量不确定度为0.573kW(k＝2)。

由此可以看出，虽然温度传感器的精度没有提高，但是通过一次侧流体供给装置可以将换热器进出口微小较小时的测试精度显著提高。

在第一实施例中，还可以根据实际需要改变流量控制器的位置，如入口A靠近被测换热器的第一入口，出口B靠近被测换热器的第一出口，将流量控制器设在被测换热器的第一出口和出口B之间，第一温度传感器设在被测换热器的第一入口与入口A之间，第二温度传感器设在流量控制器的入口与被测换热器的第一出口之间，这时需要在一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

本实用新型的第二实施例中，一次侧流体供给装置通过一中间换热器3与二次侧流体循环装置连接，其中一次侧流体供给装置2的出口与中间换热器3的第一入口连通，一次侧流体供给装置2的入口与中间换热器3的第一出口连通，二次侧流体循环装置的出口与中间换热器3的第二入口连通，二次侧流体循环装置的入口与中间换热器3的第二出口连通。通过控制一次侧流体供给装置2流出的流体使每次流入被测换热器1的流体温度始终保持在同一温度。

该实施例适用于被测换热器1的第一入口的流体温度接近相变点的情况，如被测换热器1的第一入口的水温为1℃，此时一次侧流体供给装置无法采用-10℃的水流入A点。因此，采用中间换热器且在中间换热器的另一侧采用已知物性且远离相变的点流体，譬如乙二醇水溶液，通过测量乙二醇水溶液的换热量可以间接测量被测换热器的换热量。

当然，被测换热器也可以用于实现冷却功能，假定水的质量流量为10kg/s，水的进口温度T1为21℃，出口温度T2为20℃，20.5℃水的定压比热为4.1840kJ/kg℃，则换热量为Q＝10×(21-20)×4.1840＝41.840kW，此时，可取T3＝30℃，同样也可获得测得高精度的换热量结果。

在上述两个实施例中，从测量误差分析可知，q也属于小量，当换热器阻力很小时，这部分可以直接忽略。

对于泵的轴功率，可以在泵的输入轴上安装转矩转速仪，这样就可以直接测量泵的轴功率。而对于换热器侧的流量控制，可不通过改变泵转速，而是通过一个调节阀来改变流量。

上述第一流量计和第二流量计可以是质量流量计，也可以是电磁流量计。

在本实用新型中，一次侧流体供给装置可以包括泵、流量控制阀、加热冷却器，如图3所示，加热冷却器为一个普通电加热器和冷却机组，该组成对于本领域技术人员来说是可以轻而易举地搭建的，在此不加详述。

以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，该实施例仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并非对本实用新型进行限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本实用新型所保护的技术范畴内。

Claims (10)

1.一种微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，包括被测换热器、二次侧流体循环装置和一次侧流体供给装置；

所述被测换热器包括第一入口、第一出口、第二入口和第二出口，其中第一入口和第一出口与所述二次侧流体循环装置连接，第二入口和第二出口由另一换热流体流入和流出，所述被测换热器的第一入口设有一第一温度传感器，被测换热器的第一出口设有一第二温度传感器，一第一流量计设于被测换热器的第一入口或者被测换热器的第一出口；

所述二次侧流体循环装置具有流量控制器、入口A和出口B，其中入口A和出口B通过一连接管路相连，所述流量控制器使流入被测换热器第一入口的流体流量保持恒定；

所述一次侧流体供给装置与二次侧流体循环装置连通，且出口处设有一第三温度传感器，一第二流量计设于一次侧流体供给装置的入口处或出口处，所述一次侧流体供给装置提供恒定温度和流量的流体，通过控制一次侧流体供给装置提供的流体流量使流入被测换热器第一入口的流体温度恒定。

2.根据权利要求1所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述入口A靠近被测换热器的第一入口，出口B靠近被测换热器的第一出口，所述流量控制器设在被测换热器的第一入口和入口A之间，所述第一温度传感器设在流量控制器的出口与被测换热器的第一入口之间，第二温度传感器设在被测换热器的第一出口与出口B之间。

3.根据权利要求1所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述入口A靠近被测换热器的第一入口，出口B靠近被测换热器的第一出口，所述流量控制器设在被测换热器的第一出口和出口B之间，所述第一温度传感器设在被测换热器的第一入口与入口A之间，第二温度传感器设在流量控制器的入口与被测换热器的第一出口之间，所述一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

4.根据权利要求1所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述一次侧流体供给装置直接与二次侧流体循环装置连通，其中一次侧流体供给装置的出口与二次侧流体循环装置的入口A相连，一次侧流体供给装置的入口与二次侧流体循环装置的出口B相连，从二次侧流体循环装置的出口B流出的流体一部分流入一次侧流体供给装置，另一部分流回二次侧流体循环装置的入口A与一次侧流体供给装置提供的流体混合后通过流量控制器流入被测换热器的第一入口，且从一次侧流体供给装置流入二次侧流体循环装置的流体流量与从二次侧流体循环装置流入一次侧流体供给装置的流体流量相同。

5.根据权利要求1所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述一次侧流体供给装置直接与二次侧流体循环装置连通，其中一次侧流体供给装置的出口与二次侧流体循环装置的出口B相连，一次侧流体供给装置的入口与二次侧流体循环装置的入口A相连，从二次侧流体循环装置的出口B流出的流体与一次侧流体供给装置提供的流体混合后一部分流回一次侧流体供给装置，另一部分流入二次侧流体循环装置的入口A并通过流量控制器流入被测换热器的第一入口，且流回一次侧流体供给装置的流体流量与一次侧流体供给装置提供的流体流量相同。

6.根据权利要求1所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述一次侧流体供给装置通过一中间换热器与二次侧流体循环装置连接，其中一次侧流体供给装置的出口与中间换热器的第一入口连通，一次侧流体供给装置的入口与中间换热器的第一出口连通，二次侧流体循环装置的出口B与中间换热器的第二入口连通，二次侧流体循环装置的入口A与中间换热器的第二出口连通，所述一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述流量控制器的出口与被测换热器的第一入口之间设有一第一压力传感器，二次侧流体循环装置的出口与被测换热器的第一出口之间设有一第二压力传感器。

8.根据权利要求4或5所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述一次侧流体供给装置的入口处设有一第四温度传感器。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述流量控制器为水泵或者水泵和调节阀。

10.根据权利要求1至6中任意一项所述的微温差条件下提高换热器换热量测量精度的系统，其特征在于，所述一次侧流体供给装置包括泵、流量控制阀、加热冷却器。