采用測溫網(wǎng)提高換熱器測試裝置液氣系統(tǒng)的檢測精度

王乃晶 王 秋

（國家熱交換產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心) (四平市維克斯換熱設備有限公司)

0 前言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國在尋找新能源的同時，也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強化傳熱技術的應用不但能節(jié)約能源，保護環(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、開發(fā)、生產(chǎn)一直備受很多人的關注。精度更高、性能更穩(wěn)定的檢測系統(tǒng)對于進一步開展換熱器產(chǎn)品的試驗研究、效能評定等有著相當重要的作用。在換熱器產(chǎn)品熱工性能和流體阻力特性測試裝置液氣系統(tǒng)中采用測溫網(wǎng)等技術，可以提高檢測精度、增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，擴大檢測范圍。

1 常用的液氣測定系統(tǒng)原理及存在的問題

圖1 液—氣測定系統(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定方法，風洞系統(tǒng)和液體系統(tǒng)兩部分共同組成液—氣測定系統(tǒng)。所謂傳熱風洞是指，在一個按一定要求設計的管道系統(tǒng)內(nèi)，采用動力裝置驅動可控制氣流，為換熱器熱工性能和流體阻力特性測定提供試驗手段的設備。由這樣的傳熱風洞和液體系統(tǒng) (油、水等)共同組成液—氣測定系統(tǒng)，如圖1所示。其工作原理為:氣體在動力裝置驅動下，由風洞系統(tǒng)入口吸入風道，先經(jīng)過被測試件換熱，然后再經(jīng)過排風組件排出。氣體側在被測試件中的換熱量，可通過圖1中的測溫點TL1和TL2所采集到的數(shù)據(jù)以及流量計V1所采集到的數(shù)據(jù)進行計算而得到。在液體系統(tǒng)的儲液裝置中，液體經(jīng)過加熱后達到所需要的溫度。讓液體在被測試件的液體循環(huán)一側循環(huán)進行熱交換，之后液體再回到儲液裝置中。液體側被測試件中的換熱量可通過圖1中的測溫點TL3和TL4所采集到的數(shù)據(jù)以及流量計V2所采集到的數(shù)據(jù)進行計算而得到。兩側的流體阻力特性分別由壓差計△P1和△P2測得。通過對不同工況點進行數(shù)據(jù)采集處理，再經(jīng)過計算即可得到被測熱交換試件的熱工性能和流體阻力。為保證風洞系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)的質量，在試驗過程中應注意數(shù)據(jù)質量的主要影響環(huán)節(jié)，包括風洞系統(tǒng)流場質量、試驗設計和測控技術的水平、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因素。

這個測試系統(tǒng)存在著以下的問題:

（1）它只能直接以環(huán)境的空氣作為試驗介質，對于進入風洞中的空氣不能進行溫度調節(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行檢測。

（2） 該系統(tǒng)主要是以風洞的截面形狀進行流場的調整，空氣在風洞截面的流場均勻性、穩(wěn)定性較差。

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

（4） 測試元件簡單，測試點單一，降低了測量精度。

2 改進的系統(tǒng)及其特點分析

針對上述存在的問題，我們自風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、方圓過渡段、圓穩(wěn)流段和風機串聯(lián)設置，構成改進的風洞系統(tǒng)，如圖2所示。利用該試驗系統(tǒng)采集的一組數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 風洞系統(tǒng)

表1 換熱器測試裝置液氣系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)

吸風口采用圓弧型線過渡，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，電加熱管的外表設置散熱翅片為空氣加熱，形成復雜的、充分發(fā)展的對流換熱。加熱段中的總阻力與風速的關系接近指數(shù)變化規(guī)律。通過加熱調節(jié)，可以得到不同溫度的氣體介質。以氣旋擋板、整流格柵和阻尼網(wǎng)組合的方式調節(jié)風道截面內(nèi)空氣流動。在氣旋擋板的作用下，形成旋流組合，使溫度在風道截面內(nèi)均勻一致，有效地解決了空氣經(jīng)過加熱段后產(chǎn)生的溫度分層現(xiàn)象。整流格柵起著導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，還可以使氣流沿風道軸向流動。加裝阻尼網(wǎng)，進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道軸心與風道壁面速度不等的問題，使風道截面內(nèi)的速度場達到穩(wěn)定狀態(tài)。風道由大截面到小截面以維氏曲線形過渡，由方截面向圓截面采用 “天圓地方”型面過渡，這樣就有效地減少了空氣在過渡曲面處的邊界分層和在過渡拐角處的二次流動，大大降低了空氣在風道內(nèi)的壓力損失和流場的不均勻性。用測溫網(wǎng)對風道內(nèi)空氣溫度進行測量，比測量風道內(nèi)幾點溫度作為空氣溫度更加準確。在風洞外表面加保溫層，可避免因風洞壁面散熱而引起的檢測誤差。

表1列舉了利用該試驗系統(tǒng)采集的一組數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是對一臺空氣加熱器的一個工況進行采集的一組數(shù)據(jù)。根據(jù)測定方法和要求，將介質和溫度調整到規(guī)定的工況，測試過程的熱平衡誤差均小于3%。

3 結語

理論分析和實際試驗表明，通過采用測溫網(wǎng)等方式使熱交換器熱工性能和流體阻力特性液—氣測定系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性更好，增大了檢測能力，提高了測量的精度。