采用測(cè)溫網(wǎng)提高換熱器測(cè)試裝置液氣系統(tǒng)的檢測(cè)精度

王乃晶 王 秋

（國(guó)家熱交換產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心) (四平市維克斯換熱設(shè)備有限公司)

0 前言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國(guó)在尋找新能源的同時(shí)，也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但能節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，而且能大大節(jié)約投資成本。這也為換熱器行業(yè)提供了更加廣闊的發(fā)展空間。換熱器的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)一直備受很多人的關(guān)注。精度更高、性能更穩(wěn)定的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展換熱器產(chǎn)品的試驗(yàn)研究、效能評(píng)定等有著相當(dāng)重要的作用。在換熱器產(chǎn)品熱工性能和流體阻力特性測(cè)試裝置液氣系統(tǒng)中采用測(cè)溫網(wǎng)等技術(shù)，可以提高檢測(cè)精度、增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，擴(kuò)大檢測(cè)范圍。

1 常用的液氣測(cè)定系統(tǒng)原理及存在的問(wèn)題

圖1 液—?dú)鉁y(cè)定系統(tǒng)

根據(jù)JB/T 10379—2002換熱器熱工性能和流體阻力特性通用測(cè)定方法，風(fēng)洞系統(tǒng)和液體系統(tǒng)兩部分共同組成液—?dú)鉁y(cè)定系統(tǒng)。所謂傳熱風(fēng)洞是指，在一個(gè)按一定要求設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)內(nèi)，采用動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)可控制氣流，為換熱器熱工性能和流體阻力特性測(cè)定提供試驗(yàn)手段的設(shè)備。由這樣的傳熱風(fēng)洞和液體系統(tǒng) (油、水等)共同組成液—?dú)鉁y(cè)定系統(tǒng)，如圖1所示。其工作原理為:氣體在動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)下，由風(fēng)洞系統(tǒng)入口吸入風(fēng)道，先經(jīng)過(guò)被測(cè)試件換熱，然后再經(jīng)過(guò)排風(fēng)組件排出。氣體側(cè)在被測(cè)試件中的換熱量，可通過(guò)圖1中的測(cè)溫點(diǎn)TL1和TL2所采集到的數(shù)據(jù)以及流量計(jì)V1所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而得到。在液體系統(tǒng)的儲(chǔ)液裝置中，液體經(jīng)過(guò)加熱后達(dá)到所需要的溫度。讓液體在被測(cè)試件的液體循環(huán)一側(cè)循環(huán)進(jìn)行熱交換，之后液體再回到儲(chǔ)液裝置中。液體側(cè)被測(cè)試件中的換熱量可通過(guò)圖1中的測(cè)溫點(diǎn)TL3和TL4所采集到的數(shù)據(jù)以及流量計(jì)V2所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而得到。兩側(cè)的流體阻力特性分別由壓差計(jì)△P1和△P2測(cè)得。通過(guò)對(duì)不同工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，再經(jīng)過(guò)計(jì)算即可得到被測(cè)熱交換試件的熱工性能和流體阻力。為保證風(fēng)洞系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要影響環(huán)節(jié)，包括風(fēng)洞系統(tǒng)流場(chǎng)質(zhì)量、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)控技術(shù)的水平、數(shù)據(jù)采集和處理方法的完善程度以及各種干擾修正的可靠性等各個(gè)因素。

這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)存在著以下的問(wèn)題:

（1）它只能直接以環(huán)境的空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)于進(jìn)入風(fēng)洞中的空氣不能進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，因此只能就環(huán)境溫度下的空氣與熱液體之間的換熱特性進(jìn)行檢測(cè)。

（2） 該系統(tǒng)主要是以風(fēng)洞的截面形狀進(jìn)行流場(chǎng)的調(diào)整，空氣在風(fēng)洞截面的流場(chǎng)均勻性、穩(wěn)定性較差。

（3） 風(fēng)洞不同截面之間過(guò)渡方式多為直線型過(guò)渡，增加了空氣流場(chǎng)的不穩(wěn)定性和流體的阻力。

（4） 測(cè)試元件簡(jiǎn)單，測(cè)試點(diǎn)單一，降低了測(cè)量精度。

2 改進(jìn)的系統(tǒng)及其特點(diǎn)分析

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，我們自風(fēng)洞入口依次將電加熱段、氣旋擋板、整流格柵、阻尼網(wǎng)、維氏曲面段、方圓過(guò)渡段、圓穩(wěn)流段和風(fēng)機(jī)串聯(lián)設(shè)置，構(gòu)成改進(jìn)的風(fēng)洞系統(tǒng)，如圖2所示。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)采集的一組數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 風(fēng)洞系統(tǒng)

表1 換熱器測(cè)試裝置液氣系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

吸風(fēng)口采用圓弧型線過(guò)渡，不引起氣流分離。

加入電加熱段，在矩形通道內(nèi)平均分布電加熱管，電加熱管的外表設(shè)置散熱翅片為空氣加熱，形成復(fù)雜的、充分發(fā)展的對(duì)流換熱。加熱段中的總阻力與風(fēng)速的關(guān)系接近指數(shù)變化規(guī)律。通過(guò)加熱調(diào)節(jié)，可以得到不同溫度的氣體介質(zhì)。以氣旋擋板、整流格柵和阻尼網(wǎng)組合的方式調(diào)節(jié)風(fēng)道截面內(nèi)空氣流動(dòng)。在氣旋擋板的作用下，形成旋流組合，使溫度在風(fēng)道截面內(nèi)均勻一致，有效地解決了空氣經(jīng)過(guò)加熱段后產(chǎn)生的溫度分層現(xiàn)象。整流格柵起著導(dǎo)向與分割氣流大漩渦的作用，有利于加快漩渦衰減，格子壁面對(duì)氣流的摩擦作用有利于改善氣流分布，在一定程度上降低氣流的湍流度。因此加裝整流格柵，不僅可以將擋板形成的漩渦分解，還可以使氣流沿風(fēng)道軸向流動(dòng)。加裝阻尼網(wǎng)，進(jìn)一步處理整流格柵后的漩渦，以減小氣流的湍流度。由于阻尼網(wǎng)對(duì)氣流的阻力隨著流速的增大而增大，可以有效地解決空氣在風(fēng)道軸心與風(fēng)道壁面速度不等的問(wèn)題，使風(fēng)道截面內(nèi)的速度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。風(fēng)道由大截面到小截面以維氏曲線形過(guò)渡，由方截面向圓截面采用 “天圓地方”型面過(guò)渡，這樣就有效地減少了空氣在過(guò)渡曲面處的邊界分層和在過(guò)渡拐角處的二次流動(dòng)，大大降低了空氣在風(fēng)道內(nèi)的壓力損失和流場(chǎng)的不均勻性。用測(cè)溫網(wǎng)對(duì)風(fēng)道內(nèi)空氣溫度進(jìn)行測(cè)量，比測(cè)量風(fēng)道內(nèi)幾點(diǎn)溫度作為空氣溫度更加準(zhǔn)確。在風(fēng)洞外表面加保溫層，可避免因風(fēng)洞壁面散熱而引起的檢測(cè)誤差。

表1列舉了利用該試驗(yàn)系統(tǒng)采集的一組數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是對(duì)一臺(tái)空氣加熱器的一個(gè)工況進(jìn)行采集的一組數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)定方法和要求，將介質(zhì)和溫度調(diào)整到規(guī)定的工況，測(cè)試過(guò)程的熱平衡誤差均小于3%。

3 結(jié)語(yǔ)

理論分析和實(shí)際試驗(yàn)表明，通過(guò)采用測(cè)溫網(wǎng)等方式使熱交換器熱工性能和流體阻力特性液—?dú)鉁y(cè)定系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性更好，增大了檢測(cè)能力，提高了測(cè)量的精度。