CN111397932A - 换热器多场同步测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热器多场同步测量***及方法，该***包括循环水洞实验平台、温度变化图像测速子***、压力测量子***；循环水洞实验平台包括换热器、水箱、潜水泵、电磁流量计、以及变频器，温度变化图像测速子***包括热电偶、热源、PLC控制器，压力测量子***包括压力传感器；换热器包括换热器本体和与换热器本体可拆卸连接的底座，底座上设置有微结构，热电偶和热源固定于底座上。本发明通过搭建小型的循环水洞实验平台测试换热器的传热减阻效果，降低了制造和测试成本。

Description

换热器多场同步测量***及方法

技术领域

本发明涉及微型水循环水利和节能工程技术领域，尤其涉及一种换热器多场同步测量***及方法。

背景技术

自上世纪七十年代以来的能源危机爆发以来，以能源为中心的环境和社会经济问题日益加剧，世界各国充分认识到节能的意义，能源的利用效率已成为发展的核心问题。为提高能源的利用效率，缓解能源紧张的情况，世界各国都在积极探索节能的新途径。例如研究如何高效回收化工、石油等工业生产过程中存在的大量余热并加以充分利用，开发小型紧凑空调等都离不开寿命周期费用最经济、效率最高的换热器。

换热器是热力过程中的重要设备，广泛应用于化工、石油、制冷、冶金、能源、动力、医药等行业。据统计，在热电厂中，换热器的投资约占整个电厂总投资的60％以上；在一般的石油化工企业中，换热器占全部投资的40％～50％；在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的30％～40％，气动力消耗约占总值的20％～30％。因此，无论从节能、材料、低投资和运行成本的角度，还是从可持续发展的角度来说，开发换热效率高、流体阻力小的具有各种减阻微结构的换热器是十分必要的。

国内外有很多借鉴仿生学结果，研究结构与传热、流体学规律，实现最大幅度节能，发明了很多减阻、节能的微结构产品，基于各种先进制造手段开发了表面具有类似于鲨鱼皮或者荷叶微结构内表面的模具。为了测试这些结构的减阻或者热传递效果，都要做大量的流体测试实验，往往这些流体实验都要在水洞或者风洞中完成。

采用水洞或者风洞来测量微结构对流体流动特性是比较常规的做法，但是搭建起整套大型的水洞或者风洞的价格是非常昂贵的，并且，同时在水洞或者风洞中测试的样本也必须达到一定的长度和宽度的尺寸要求，否则，无法形成稳定的边界层，导致无法测出被测样品对流体流动的影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种换热器多场同步测量***及方法，旨在实现通过搭建小型的循环水洞实验平台测试换热器的传热减阻效果，降低制造和测试成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种换热器多场同步测量***，包括循环水洞实验平台、温度变化图像测速子***、压力测量子***；

其中，所述循环水洞实验平台包括换热器、水箱、潜水泵、电磁流量计、以及变频器，所述温度变化图像测速子***包括热电偶、热源、PLC控制器，所述压力测量子***包括压力传感器；

所述换热器包括换热器本体和与所述换热器本体可拆卸连接的底座，所述换热器本体与所述底座密封围绕成换热腔，所述底座上设置有微结构，所述热电偶和所述热源固定于所述底座上；

所述潜水泵位于所述水箱内，所述潜水泵与所述换热器本体的一端连接，所述换热器本体的另一端与所述水箱连接，所述电磁流量计、依次连接于所述换热器本体的另一端与所述水箱之间，所述热电偶、电磁流量计、变频器分别与所述PLC控制器连接，所述变频器还与所述潜水泵连接。

本发明进一步的技术方案是，还包括散热扇，所述散热扇连接于所述潜水泵与所述换热器本体之间。

本发明进一步的技术方案是，还包括连接于所述电磁流量计与所述换热器本体的另一端之间的温度传感器，所述温度传感器还与所述PLC控制器连接。

本发明进一步的技术方案是，还包括与所述PLC控制器连接的显示屏。

本发明进一步的技术方案是，所述换热器本体的一端和另一端为渐扩口或渐缩口形状。

为实现上述目的，本发明还提出一种换热器多场同步测量方法，所述方法应用于如上所述的换热器多场同步测量***，所述方法包括以下步骤：

通过所述热源给所述换热器的底座加热，当所述热电偶检测到所述底座的温度上升到一个稳定值时，开启所述变频器和潜水泵，使得水在所述换热腔内平稳流动，并通过所述电磁流量计检测水的流速；

通过所述热电偶在预设时长内按预设采集频率采集所述底座的温度数据，所述压力传感器在所述预设时长内按预设采集频率同步采集所述换热器的一端和另一端之间的压力数据；

当所述热电偶检测到的温度不再下降，达到稳定状态时，通过所述PLC控制器对所述热电偶温度数据进行分析，得到所述底座的热传递系数，对所述压力传感器同步采集到的压力数据、所述电磁流量计检测到的水的流速进行分析，得到所述底座的减阻系数。

本发明进一步的技术方案是，所述PLC控制器对所述热电偶温度数据进行分析，得到所述底座的热传递系数的步骤包括：

所述PLC控制器根据所述热电偶温度数据得到温度下降的曲线斜率；

所述PLC控制器根据所述温度下降的曲线斜率得到所述底座的热传递系数。

本发明进一步的技术方案是，所述PLC控制器对所述压力传感器同步采集到的压力数据、所述电磁流量计检测到的水的流速进行分析，得到所述底座的减阻系数的步骤包括：

所述PLC控制器获取所述潜水泵的电流和电压变化值，根据所述电流和电压变化值计算得到所述潜水泵的功率值；

所述PLC控制器根据所述压力传感器同步采集到的压力数据、所述电磁流量计检测到的水的流速、以及所述潜水泵的功率值得到所述底座的减阻系数。

本发明进一步的技术方案是，所述通过所述热源给所述换热器的底座加热的步骤之前还包括：

搭建所述换热器多场同步测量***。

本发明换热器多场同步测量***及方法的有益效果是：

1、本发明通过搭建小型的循环水洞实验平台，可以极大的降低搭建实验平台的成本，做到水洞搭建小型化和提升测量精度，而且操作简单，场地不受限制；

2、对于小型水循环***，被测样品的尺寸可以大大减小，虽然流体一次流过样品所形成的阻力特性并不明显，但是通过循环累积，可以把这个效果不断放大。因此需要加工和准备的样品的尺寸也可以大幅降低，从而降低加工生产成本和测试成本。

3、本发明搭建了温度变化图像测速子***，不仅可以测量流体的阻力场，同时也可以测量温度场，实现了一个***多场测量的效果。

附图说明

图1是本发明换热器多场同步测量***较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明换热器多场同步测量方法较佳实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

考虑到现有技术中通常采用水洞或者风洞来测量微结构的流体流动特性，但是搭建整套大型的水洞或者风洞的价格非常昂贵，并且，同时在水洞或者风洞中测试的样本也必须达到一定的长度和宽度的尺寸要求，否则，无法形成稳定的边界层，导致无法测出被测样品对流体流动的影响，由此，本发明提出一种解决方案。

具体的，本发明提出一种基于小型循环水洞的微结构表面换热器多场同步测量***及方法。

本发明所采用的技术方案主要是：本发明借鉴最新的仿生学研究成果，首先采用建模和流体仿真技术，设计和预测仿生鲨鱼皮结构的减阻传热效果。借助超精密加工，在金属表面加工出具有仿生复杂微结构模板，制定合理的加工工艺和加工参数来提高切削加工效率，得到高精度表面质量和最优化的形貌特征的减阻及高效换热器设备内表面微结构。另外，对于传统的带有功能结构的样品和热交换设备的减阻特性和传热效率的测量和评估一直以来比较复杂和昂贵，本发明结合超精密加工的特点实验调查，独创性的建立的一套简单的传热和流动阻力检测方法。

请参照图1，图1是本发明换热器1多场同步测量***较佳实施例的结构示意图。

如图1所示，本实施例中，该一种换热器1多场同步测量***包括循环水洞实验平台、温度变化图像测速子***、压力测量子***。

其中，循环水洞实验平台包括换热器1、水箱2、潜水泵3、电磁流量计4、以及变频器5，温度变化图像测速子***包括热电偶6、热源7、PLC控制器8，压力测量子***包括压力传感器9。

换热器1包括换热器本体101和与换热器本体101可拆卸连接的底座102，通过将将底座102与换热器本体101可拆卸连接，便于灵活方便监测不同的微结构表面的流体作用效果。

换热器本体101与底座102密封围绕成换热腔，底座102上设置有微结构，热电偶6和热源7固定于底座102上。

潜水泵3位于水箱2内，潜水泵3与换热器本体101的一端连接，换热器本体101的另一端与水箱2连接，电磁流量计4、依次连接于换热器本体101的另一端与水箱2之间，热电偶6、电磁流量计4、变频器5分别与PLC控制器8连接，变频器5还与潜水泵3连接。

本实施例中，热源7用于给换热器1的底座102加热，变频器5和潜水泵3用于，当热电偶6检测到底座102的温度上升到一个稳定值时，使得水在换热腔内平稳流动，电磁流量计4用于检测水的流速；

热电偶6用于在预设时长内按预设采集频率采集底座102的温度数据，压力传感器9用于在预设时长内按预设采集频率同步采集换热器1的一端和另一端之间的压力数据。

PLC控制器8用于当热电偶6检测到的温度不再下降，达到稳定状态时，对热电偶6温度数据进行分析，得到底座102的热传递系数，对压力传感器9同步采集到的压力数据、电磁流量计4检测到的水的流速进行分析，得到底座102的减阻系数。

PLC控制器8还用于根据热电偶6温度数据得到温度下降的曲线斜率，根据温度下降的曲线斜率得到底座102的热传递系数。

PLC控制器8还用于获取潜水泵3的电流和电压变化值，根据电流和电压变化值计算得到潜水泵3的功率值，根据压力传感器9同步采集到的压力数据、电磁流量计4检测到的水的流速、以及潜水泵3的功率值得到底座102的减阻系数，其中，可以在所述潜水泵3与所述PLC控制器8之间设置用于测量潜水泵3电流的电流表。

可以理解的是，本实施例中，可以通过PVC水管10连接潜水泵3和换热器本体101的一端，以及水箱2与换热器本体101的另一端。热电偶6、电磁流量计4、压力传感器9所采集到的数据信号可通过信号调理器与数据采集卡传输到PLC控制器8，在触发水泵开关时，同时控制数据采集卡进行数据采集。由此实现多种实验测量设备对微结构表面流场的同步观察与测量，最终实现对流场阻力和热传递这种多场耦合的复杂流动现象进行全面的研究。

进一步的，本实施例中，该换热器1多场同步测量***还包括散热扇，散热扇连接于潜水泵3与换热器本体101之间，且散热扇可以安装于PVC水管10上，以对PVC水管10进行散热，保持水温水管10中水温的恒定。

进一步的，本实施例中，该换热器1多场同步测量***还包括温度传感器11，温度传感器11连接于电磁流量计4与换热器本体101的另一端之间，温度传感器11还与PLC控制器8连接。温度传感器11用于检测PVC水管10的温度。

进一步的，本实施例中，该换热器1多场同步测量***还包括与PLC控制器8连接的显示屏12，以便于将微结构表面流场的测量结果呈现给用户。

此外，值得提出的是，本实施例中，换热器本体101的一端和另一端为渐扩口或渐缩口形状，由此可以使得换热腔中水的流动均匀、稳定。

本发明换热器多场同步测量***的有益效果是：

1、本发明通过搭建小型的循环水洞实验平台，可以极大的降低搭建实验平台的成本，做到水洞搭建小型化和提升测量精度，而且操作简单，场地不受限制；

2、对于小型水循环***，被测样品的尺寸可以大大减小，虽然流体一次流过样品所形成的阻力特性并不明显，但是通过循环累积，可以把这个效果不断放大。因此需要加工和准备的样品的尺寸也可以大幅降低，从而降低加工生产成本和测试成本。

3、本发明搭建了温度变化图像测速子***，不仅可以测量流体的阻力场，同时也可以测量温度场，实现了一个***多场测量的效果。

为实现上述目的，基于图1所示的换热器多场同步测量***，本发明还提出一种换热器多场同步测量方法，该方法应用于如上实施例的换热器多场同步测量***。

如图2所示，图2是本发明换热器多场同步测量方法较佳实施例的流程示意图。

请参照图2，本实施例中，该换热器多场同步测量方法包括以下步骤：

步骤S10，通过热源给换热器的底座加热，当热电偶检测到底座的温度上升到一个稳定值时，开启变频器和潜水泵，使得水在换热腔内平稳流动，并通过电磁流量计检测水的流速。

步骤S20，通过热电偶在预设时长内按预设采集频率采集底座的温度数据，压力传感器在预设时长内按预设采集频率同步采集换热器的一端和另一端之间的压力数据。

步骤S30，当热电偶检测到的温度不再下降，达到稳定状态时，通过PLC控制器对热电偶温度数据，得到底座的热传递系数，对压力传感器同步采集到的压力数据、电磁流量计检测到的水的流速进行分析，得到底座的减阻系数。

进一步的，本实施例中，PLC控制器对热电偶温度数据进行分析，得到底座的热传递系数的步骤包括：

PLC控制器根据热电偶温度数据得到温度下降的曲线斜率；

PLC控制器根据温度下降的曲线斜率得到底座的热传递系数。

进一步的，本实施例中，PLC控制器对压力传感器同步采集到的压力数据、电磁流量计检测到的水的流速进行分析，得到底座的减阻系数的步骤包括：

PLC控制器获取潜水泵的电流和电压变化值，根据电流和电压变化值计算得到潜水泵的功率值；

PLC控制器根据压力传感器同步采集到的压力数据、电磁流量计检测到的水的流速、以及潜水泵的功率值得到底座的减阻系数。

进一步的，本实施例中，通过热源给换热器的底座加热的步骤之前还包括：

搭建换热器多场同步测量***。

以下再次对本发明换热器多场同步测量方法的工作流程进行进一步的阐述。

首先，打开热源，给换热器的底座加热，同时，热电偶传感器检测底座的温度，当温度上升到一个稳定值时，开启潜水泵，调节流动参数，使水在换热腔内产生平稳流动；然后分别启动温度图像测速子***和压力测量子***，分别设温度图像测速子***和压力测量子***的采集频率以及采集时间长度；接下来，使温度图像测速子***和压力测量子***处于等待触发状态；最后，当热电偶检测到的温度不再下降，达到稳定状态之后，通过PLC控制器对多场同步采集数据进行分析，完成上述步骤之后可以结束实验。

可以理解的是，对于不同的微结构对于结构表面的流体流动状态的影响必然是不同的。本发明对多场同步采集数据进行分析的具体方式如下：

1、对于温度场的分析，这部分数据来源于热电偶所采集到的数据。当带有微结构的底座被热源加热到一定温度后，打开潜水泵的水泵开关，循环水开始在底座微结构表面开始流动，底座的温度将随之不断下降，最终达到一个稳定值。对于不同的微结构，因其传热效果不同就会造成温度下降的曲线斜率不同，温度不再下降以后对应的稳定温度值也是各有不同。分析不同温度曲线的下降规律是判断传热性能的一个重要依据。

2、对于流动阻力场的分析，这部分数据来源于能量测量仪(测量水泵的电压和电流变化)、压力传感器和电磁流量计所采集到的数据。不同微结构对流体的减阻性能不同。本实施例对于流动阻力场的分析有两种实验测试方法：其一，保持相同的流体流动速度，更换不同的微结构底座，收集换热器本体两端的压力变化数据(压力传感器测得)；其二，保持换热器本体两侧压力差不变，更换微结构底座收集流速变化的数据(电磁流量计测得)。再做上述实验室，同时收集水泵的电流和电压变化值，通过公式计算出功率值。通过压差的变化，流速的改变配合着水泵功率的变化即可分析出哪种微结构表面具有更好的减阻效果。

本发明换热器多场同步测量方法的有益效果是：

1、本发明通过搭建小型的循环水洞实验平台，可以极大的降低搭建实验平台的成本，做到水洞搭建小型化和提升测量精度，而且操作简单，场地不受限制；

2、对于小型水循环***，被测样品的尺寸可以大大减小，虽然流体一次流过样品所形成的阻力特性并不明显，但是通过循环累积，可以把这个效果不断放大。因此需要加工和准备的样品的尺寸也可以大幅降低，从而降低加工生产成本和测试成本。

3、本发明搭建了温度变化图像测速子***，不仅可以测量流体的阻力场，同时也可以测量温度场，实现了一个***多场测量的效果。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种换热器多场同步测量***，其特征在于，包括循环水洞实验平台、温度变化图像测速子***、压力测量子***；

其中，所述循环水洞实验平台包括换热器、水箱、潜水泵、电磁流量计、以及变频器，所述温度变化图像测速子***包括热电偶、热源、PLC控制器，所述压力测量子***包括压力传感器；

所述换热器包括换热器本体和与所述换热器本体可拆卸连接的底座，所述换热器本体与所述底座密封围绕成换热腔，所述底座上设置有微结构，所述热电偶和所述热源固定于所述底座上；

所述潜水泵位于所述水箱内，所述潜水泵与所述换热器本体的一端连接，所述换热器本体的另一端与所述水箱连接，所述电磁流量计、依次连接于所述换热器本体的另一端与所述水箱之间，所述热电偶、电磁流量计、变频器分别与所述PLC控制器连接，所述变频器还与所述潜水泵连接。

2.根据权利要求1所述的换热器多场同步测量***，其特征在于，还包括散热扇，所述散热扇连接于所述潜水泵与所述换热器本体之间。

3.根据权利要求1所述的换热器多场同步测量***，其特征在于，还包括连接于所述电磁流量计与所述换热器本体的另一端之间的温度传感器，所述温度传感器还与所述PLC控制器连接。

4.根据权利要求1所述的换热器多场同步测量***，其特征在于，还包括与所述PLC控制器连接的显示屏。

5.根据权利要求1所述的换热器多场同步测量***，其特征在于，所述换热器本体的一端和另一端为渐扩口或渐缩口形状。

6.一种换热器多场同步测量方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-5中任意一项所述的换热器多场同步测量***，所述方法包括以下步骤：

通过所述热源给所述换热器的底座加热，当所述热电偶检测到所述底座的温度上升到一个稳定值时，开启所述变频器和潜水泵，使得水在所述换热腔内平稳流动，并通过所述电磁流量计检测水的流速；

通过所述热电偶在预设时长内按预设采集频率采集所述底座的温度数据，所述压力传感器在所述预设时长内按预设采集频率同步采集所述换热器的一端和另一端之间的压力数据；

当所述热电偶检测到的温度不再下降，达到稳定状态时，通过所述PLC控制器对所述热电偶温度数据进行分析，得到所述底座的热传递系数，对所述压力传感器同步采集到的压力数据、所述电磁流量计检测到的水的流速进行分析，得到所述底座的减阻系数。

7.根据权利要求6所述的换热器多场同步测量方法，其特征在于，所述PLC控制器对所述热电偶温度数据进行分析，得到所述底座的热传递系数的步骤包括：

所述PLC控制器根据所述热电偶温度数据得到温度下降的曲线斜率；

所述PLC控制器根据所述温度下降的曲线斜率得到所述底座的热传递系数。

8.根据权利要求6所述的换热器多场同步测量方法，其特征在于，所述PLC控制器对所述压力传感器同步采集到的压力数据、所述电磁流量计检测到的水的流速进行分析，得到所述底座的减阻系数的步骤包括：

所述PLC控制器获取所述潜水泵的电流和电压变化值，根据所述电流和电压变化值计算得到所述潜水泵的功率值；

所述PLC控制器根据所述压力传感器同步采集到的压力数据、所述电磁流量计检测到的水的流速、以及所述潜水泵的功率值得到所述底座的减阻系数。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的换热器多场同步测量方法，其特征在于，所述通过所述热源给所述换热器的底座加热的步骤之前还包括：

搭建所述换热器多场同步测量***。

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