CN113551929B - 一种非稳态热源储热换热器的测试***及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非稳态热源储热换热器测试***及其方法，属于储热技术领域。所述测试***包括储热换热器测试区域、非稳态热源生成区域和检测控制装置。储热换热器两端连接有旋转接头，在电机的驱动下可实现储热换热器匀速转动或点动；换热器支架可以在支架旋转电机的驱动下在竖直平面内旋转并固定；检测控制装置通过控制阀门开度和流体变频泵转速实现对换热器入口流体温度和流量的调节，并使其变化符合特定温度和流量变化需求；通过储热换热器内部温度传感器可以获取储热换热器内部温度场分布。本测试***可实现对储热换热器在实际应用中非稳态热源的还原，并可提供多种换热器布置角度的测试条件，具有测试条件可调、测试工况覆盖广的特点。
Description
技术领域
本发明属于储热技术领域，具体而言，本发明涉及一种可以开展非稳态热源条件下储热换热器性能测试的***。
背景技术
储热技术近年来不断在学术研究和商用获得突破，因储热材料可将热量集中保存，尤其适用于当热源供给与需求不匹配的场景，如工业余热与太阳能的回收利用。储热技术的应用有利于改善中国目前的能源结构，增加可再生能源比重，从而向清洁、高效的能源利用形式转变。
储热换热器作为储存热量的装置，储热换热器的储、放热速率、储能密度等指标决定了储热换热器的整体性能。目前对储热换热器性能的测试多数是基于热源恒定的条件开展的，而自然、工业中存在的热源大多具有随时间连续或间歇变化的特点。国内外研究学者已经证明当采用这类非稳态热源时，储热换热器的性能指标会受到影响，因此基于稳定热源测试得到的指标不能准确反映储热换热器在真实使用场景中的性能。
此外由于对流的换热机理使得位于储热换热器上部的储热材料相比位于下部的储热材料更快进入储热状态，在储热过程中，储热材料及储热换热器都会处于温度分布不均匀的状态。在储热换热器使用过程中，长期处于温度不均匀的状态会导致储热换热器热应力不均，影响储热换热器和储热材料的使用寿命。目前已有文献报道储热换热器的布置角度对于储热换热器性能和储热材料温度均匀性有显著影响，已经成为当前储热换热器性能研究领域的研究方向。
为真实反映储热换热器在实际使用过程中所处的热源环境以及进一步拓展储热换热器性能测试的条件，需要对现有采用稳定热源和固定测试条件的换热器测试***提出改进。
发明内容
有鉴于此，本发明设计了一种能够提供非稳态热源同时能满足多种测试条件的非稳态热源储热换热器测试***及其方法，其技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种非稳态热源储热换热器的测试***，其包括储热换热器角度调整及转动机构、非稳态热源生成机构和检测控制机构；
所述储热换热器角度调整及转动机构包括旋转接头、换热器支架、支架旋转电机、支架转轴和换热器旋转电机；所述换热器支架的两侧分别设置有一个旋转接头，待测试的储热换热器轴线方向的两端分别与一个旋转接头相连，使储热换热器安装在换热器支架上且可绕自身轴线转动；所述换热器旋转电机用于控制旋转接头的转速和转动方向，所述支架旋转电机可控制所述换热器支架绕支架转轴在竖直平面内转动；旋转接头还与储热换热器内部流道连通，且其中一个旋转接头通过管路与换热器进口阀门连接，另一个旋转接头通过管路连接换热器出口阀门；
所述非稳态热源生成机构包括高温流体管路、低温流体管路；所述高温流体管路与低温流体管路并联组成非稳态热源生成机构后接入换热器进口阀门与出口阀门之间；
所述检测控制机构包括温度传感器***、流量监测***和控制***；所述温度传感器***包括布置于 所述储热换热器内部各测点位置的第一温度传感器、布置于高温流体管路和低温流体管路上的第二温度传感器、布置于储热换热器进口处的进口温度传感器和布置于储热换热器出口处的出口温度传感器；
所述流量监测***包括分别布置在高温流体管路和低温流体管路上的流量计、布置在储热换热器进口处的进口阀门流量计；
所述控制***用于获取温度传感器***和流量监测***的数据，控制***连接并控制支架旋转电机和换热器旋转电机，控制***还控制高温流体管路和低温流体管路的温度和流量。
优选的，所述换热器支架与支架转轴铰接，在所述支架旋转电机驱动下，换热器支架可绕支架转轴在竖直平面内进行0-90°范围旋转并在任意角度固定。
更为优选的，所述换热器支架为U型支架，所述支架转轴与储热换热器轴线相互垂直，且支架转轴水平布置，所述支架旋转电机输出端与换热器支架相连，推动换热器支架绕支架转轴转动。
优选的，支架转轴两侧的旋转接头中，一个与换热器旋转电机相连，另一个从动；所述旋转接头的安装轴线与储热换热器轴线同轴；储热换热器在换热器旋转电机驱动下可绕其轴线匀速转动或点动 ，且储热换热器可在任意旋转角度下固定。
优选的，所述高温流体管路上设置有高温恒温槽、高温流体变频泵、高温流体阀门，其中高温恒温槽用于控制高温流体管路中流体的温度；高温流体变频泵和高温流体阀门用于控制流体的流速和流量；
所述低温流体管路上设置有低温恒温槽、低温流体变频泵、低温流体阀门，其中低温恒温槽用于控制低温流体管路中流体的温度；低温流体变频泵和低温流体阀门用于控制流体的流速和流量。
优选的，所述第二温度传感器设置在高温恒温槽和低温恒温槽内，所述控制***分别与高温流体变频泵、高温流体阀门、低温流体变频泵、低温流体阀门相连。
优选的，所述的第一温度传感器沿储热换热器轴线方向和径向方向均匀布置，用以获取各测点的温度值；所述第一温度传感器测量得到的温度被所述数据采集设备采集后，通过在对应测点坐标之间做温度的线性插值计算出所述储热换热器内部温度场分布。
另一方面，本发明提供了一种上述***的非稳态热源储热换热器的测试方法，其包括如下步骤：
1)将待测试的储热换热器安装在换热器支架两端的转接接头上，储热换热器的内部流道与两端的转接接头联通；
通过支架旋转电机带动换热器支架绕支架转轴转动，直至储热换热器呈所需的测试角度；
当不需要测试储热换热器在转动下的性能时，直接开始步骤2)；当需要测试储热换热器在转动下的性能时，打开换热器旋转电机，使储热换热器绕其轴线匀速转动或点动；
2)非稳态热源生成
检测控制***实时获取高温流体流量M1、低温流体流量M2、高温流体温度 T1、低温流体温度T2，计算高温流体和低温温流体混合后的理论温度 Tmix＝(M1T1+M2T2)/(M1+M2)，混合后的流量Mmix＝M1+M2；
检测控制***通过对比换热器进口温度传感器测得的温度Tin与非稳态热源实际需求温度之间的差值，通过理论温度Tmix计算公式调整高温流体阀门、低温流体阀门的开度、高温流体变频泵、低温流体变频泵的转速，使温度Tin调整至非稳态热源实际需求温度；
3)测量储热换热器的换热功率和储热量时，检测控制***获取换热器进口温度传感器测得的温度Tin、换热器出口温度传感器测得的温度Tout以及流体的定压比热Cp，当前时刻储热换热器的换热功率P＝Cp(M1+M2)(Tin-Tout)，单位W；储热换热器的储热量
单位J；储热换热器内部温度均匀性则通过计算储热换热器内部的第一温度传感器所测得不同测点温度的标准差来评判。
优选的，当使用相变材料作为储热材料时，储热换热器测试还可进行熔化时间和液相分布的测量；
测量熔化时间和液相分布时，通过在对应储热换热器内部的第一温度传感器测点坐标之间做所测得温度的线性插值，计算出换热器内部的温度场分布。相变材料温度高于相变温度的则为液相区、温度低于相变温度的则为固相区，以此可以将温度场分布进一步转化为液相分布。所有相变材料均为液相所经历的时间即为熔化时间。
优选的，在所述步骤2)中，可采用恒流量方法控制非稳态热源的温度变化，具体为，当换热器进口温度传感器测得的温度Tin低于非稳态热源实际需求温度时，增大M1、并降低M2，并保持M1+M2恒定，使Tin调整至非稳态热源实际需求温度，当Tin高于非稳态热源实际需求温度时，降低M1、并增大M2，并保持 M1+M2恒定，使Tin调整至非稳态热源实际需求温度。与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
(1)本发明实现了对储热换热器在实际应用中非稳态热源的还原，避免了在稳定热源测试条件下无法准确反映储热换热器真实性能的不足。在储热换热器实际应用时，自然和工业中的热源大多具有随时间连续或间歇变化的特点，因此基于稳定热源条件下测试的储热换热器性能势必无法反映储热换热器的真实性能。
(2)本发明可满足非稳态热源的不同温度和流量变化。检测控制装置通过控制高温流体、低温流体管路阀门的开度以实现对储热换热器进口流体温度的调节。高温流体和低温流体直接混合的方式，相比通过调节恒温槽功率，在提升流体温度变化响应速度方面更具优势。
(3)本发明可提供多种储热换热器布置角度的测试条件，布置角度包括储热换热器相比地面的安装角度与储热换热器绕轴旋转的角度。通过电机驱动实现布置角度的改变，可以简化操作。所述旋转接头可实现所述储热换热器的绕轴旋转及旋转过程中流体的密封。相比提供单一储热换热器布置方式的测试***，本发明可以避免重复搭建测试台架，节省场地和时间，并可提供更为丰富的测试条件。
(4)本发明提供的储热换热器测试***采用模块化的设计，所述储热换热器测试区域内储热换热器通过法兰与测试***连接。因而可以快速更换不同储热材料的储热换热器或不同结构的储热换热器，具有较好的兼容性。
附图说明
图1是非稳态热源储热换热器的测试***；
图2是高温流体和低温流体混合前流量和温度传感器布置示意图；
图3是用于储热换热器性能测量的温度传感器布置示意图；
其中，1—储热换热器、2—旋转接头、3—换热器支架、4—换热器出口阀门、 5—高温恒温槽、6—高温流体变频泵、7—高温流体阀门、8—低温恒温槽、9—低温流体变频泵、10—低温流体阀门、11—支架旋转电机、12—换热器进口阀门、 13—支架转轴、14—换热器旋转电机、15—换热器进口温度传感器、16—换热器出口温度传感器、17—数据采集设备、18—高温流体流量计、19—高温流体温度传感器、20—低温流体流量计、21—低温流体温度传感器、22—储热换热器内部的第一温度传感器。
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。
如附图1所示，本实施例提供了非稳态热源储热换热器的测试***的具体实例，***包括储热换热器角度调整及转动机构、非稳态热源生成机构和检测控制机构；
所述储热换热器角度调整及转动机构包括旋转接头2、换热器支架3、支架旋转电机11、支架转轴13和换热器旋转电机14；所述换热器支架3的两侧分别设置有一个旋转接头2，待测试的储热换热器1轴线方向的两端分别与一个旋转接头2相连，使储热换热器1安装在换热器支架3上且可绕自身轴线转动；所述换热器旋转电机14用于控制旋转接头2的转速和转动方向，所述支架旋转电机 11可控制所述换热器支架3绕支架转轴13在竖直平面内转动；旋转接头2还与储热换热器1内部流道连通，且其中一个旋转接头2通过管路与换热器进口阀门 12连接，另一个旋转接头2通过管路连接换热器出口阀门4；
所述非稳态热源生成机构包括高温流体管路、低温流体管路；所述高温流体管路与低温流体管路并联组成非稳态热源生成机构后接入换热器进口阀门12与出口阀门之间；
所述检测控制机构包括温度传感器***、流量监测***和控制***；所述温度传感器***包括布置于 所述储热换热器1内部各测点位置的第一温度传感器、布置于高温流体管路上的高温流体温度传感器19、低温流体管路上的低温流体温度传感21、布置于储热换热器1进口处的进口温度传感器15和布置于储热换热器1出口处的出口温度传感器16；
所述流量监测***包括布置在高温流体管路上的高温流体流量计18、低温流体管路上的低温流体流量计20、布置在储热换热器进口处的进口阀门流量计；
所述控制***包括数据采集设备17，数据采集设备17用于获取温度传感器***和流量监测***的数据，控制***连接并控制支架旋转电机和换热器旋转电机，控制***还控制高温流体管路和低温流体管路的温度和流量。
本实施例中的换热器支架3与支架转轴13铰接，在所述支架旋转电机11驱动下，换热器支架3可绕支架转轴13在竖直平面内进行0-90°范围旋转并在任意角度固定。换热器支架可转动的设计可以使储热换热器能模拟实际安装角度，测试实际安装角度下的性能，并可研究安装角度变化对换热器性能的影响，继而可得到优化后的储热换热器的安装角度，应用于实际工况。
如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，所述换热器支架3为U型支架，所述支架转轴13铰接于U型支架底座的右侧，支架转轴13与储热换热器1 轴线相互垂直，且支架转轴13水平布置，在本实施例中，所述支架旋转电机11 为推杆电机，其输出端与换热器支架3铰连，输出端长度的变化可推动换热器支架3绕支架转轴13转动。
在本发明中，支架转轴两侧的旋转接头中，一个与换热器旋转电机相连，另一个从动；所述旋转接头的安装轴线与储热换热器轴线同轴；储热换热器在换热器旋转电机驱动下可绕其轴线匀速转动或点动 ，且储热换热器可在任意旋转角度下固定。本发明的旋转接头为现有技术中的成熟产品，其一方面可带动储热换热器转动，另一方面其与储热换热器之间具有非常好的密封性，能连接外部管道，并向储热换热器内输送流体。
如图2所示，所述高温流体管路上设置有高温恒温槽、高温流体变频泵、高温流体阀门，其中高温恒温槽用于控制高温流体管路中流体的温度；高温流体变频泵和高温流体阀门用于控制流体的流速和流量；
所述低温流体管路上设置有低温恒温槽、低温流体变频泵、低温流体阀门，其中低温恒温槽用于控制低温流体管路中流体的温度；低温流体变频泵和低温流体阀门用于控制流体的流速和流量。
在本发明的一个实施例中，所述第二温度传感器设置在高温恒温槽和低温恒温槽内，所述控制***分别与高温流体变频泵、高温流体阀门、低温流体变频泵、低温流体阀门相连。
如图3所示，所述的第一温度传感器22沿储热换热器轴线方向和径向方向均匀布置，用以获取各测点的温度值；所述第一温度传感器测量得到的温度被所述数据采集设备采集后，通过在对应测点坐标之间做温度的线性插值计算出所述储热换热器内部温度场分布。
本发明进一步提供了上述***的非稳态热源储热换热器的测试方法，储热换热器的性能测试主要包括换热功率、储热量的测量和温度均匀性的评判。测试方法包括如下步骤：
1)将待测试的储热换热器安装在换热器支架两端的转接接头上，储热换热器的内部流道与两端的转接接头联通；
通过支架旋转电机带动换热器支架绕支架转轴转动，直至储热换热器呈所需的测试角度；
当不需要测试储热换热器在转动下的性能时，直接开始步骤2)；当需要测试储热换热器在转动下的性能时，打开换热器旋转电机，使储热换热器绕其轴线匀速转动或点动；
2)非稳态热源生成
检测控制***实时获取高温流体流量M1、低温流体流量M2、高温流体温度 T1、低温流体温度T2，计算高温流体和低温温流体混合后的理论温度 Tmix＝(M1T1+M2T2)/(M1+M2)，混合后的流量Mmix＝M1+M2；
检测控制***通过对比换热器进口温度传感器测得的温度Tin与非稳态热源实际需求温度之间的差值，通过理论温度Tmix计算公式调整高温流体阀门、低温流体阀门的开度、高温流体变频泵、低温流体变频泵的转速，使温度Tin调整至非稳态热源实际需求温度；
3)测量储热换热器的换热功率和储热量时，检测控制***获取换热器进口温度传感器测得的温度Tin、换热器出口温度传感器测得的温度Tout以及流体的定压比热Cp，当前时刻储热换热器的换热功率P＝Cp(M1+M2)(Tin-Tout)，单位W；储热换热器的储热量
单位J；储热换热器内部温度均匀性则通过计算储热换热器内部的第一温度传感器所测得不同测点温度的标准差来评判。
当使用相变材料作为储热材料时，储热换热器测试还可进行熔化时间和液相分布的测量；
测量熔化时间和液相分布时，通过在对应储热换热器内部的第一温度传感器测点坐标之间做所测得温度的线性插值，计算出换热器内部的温度场分布。相变材料温度高于相变温度的则为液相区、温度低于相变温度的则为固相区，以此可以将温度场分布进一步转化为液相分布。所有相变材料均为液相所经历的时间即为熔化时间。
在所述步骤2)中，可采用恒流量方法控制非稳态热源的温度变化，具体为，当换热器进口温度传感器测得的温度Tin低于非稳态热源实际需求温度时，增大 M1、并降低M2，并保持M1+M2恒定，使Tin调整至非稳态热源实际需求温度，当Tin高于非稳态热源实际需求温度时，降低M1、并增大M2，并保持M1+M2恒定，使Tin调整至非稳态热源实际需求温度。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 (10)
1.一种非稳态热源储热换热器的测试***，其特征在于，包括储热换热器角度调整及转动机构、非稳态热源生成机构和检测控制机构；
所述储热换热器角度调整及转动机构包括旋转接头、换热器支架、支架旋转电机、支架转轴和换热器旋转电机；所述换热器支架的两侧分别设置有一个旋转接头，待测试的储热换热器轴线方向的两端分别与一个旋转接头相连，使储热换热器安装在换热器支架上且能够绕自身轴线转动；所述换热器旋转电机用于控制旋转接头的转速和转动方向，所述支架旋转电机能够控制所述换热器支架绕支架转轴在竖直平面内转动；旋转接头还与储热换热器内部流道连通，且其中一个旋转接头通过管路与换热器进口阀门连接，另一个旋转接头通过管路连接换热器出口阀门；
所述非稳态热源生成机构包括高温流体管路、低温流体管路；所述高温流体管路与低温流体管路并联组成非稳态热源生成机构后接入换热器进口阀门与出口阀门之间；
所述检测控制机构包括温度传感器***、流量监测***和控制***；所述温度传感器***包括布置于 所述储热换热器内部各测点位置的第一温度传感器、布置于高温流体管路和低温流体管路上的第二温度传感器、布置于储热换热器进口处的进口温度传感器和布置于储热换热器出口处的出口温度传感器；
所述流量监测***包括分别布置在高温流体管路和低温流体管路上的流量计、布置在储热换热器进口处的进口阀门流量计；
所述控制***用于获取温度传感器***和流量监测***的数据，控制***连接并控制支架旋转电机和换热器旋转电机，控制***还控制高温流体管路和低温流体管路的温度和流量。
2.根据权利要求1所述的测试***，其特征在于：所述换热器支架与支架转轴铰接，在所述支架旋转电机驱动下，换热器支架能够绕支架转轴在竖直平面内进行0-90°范围旋转并在任意角度固定。
3.根据权利要求1或2所述的测试***，其特征在于，所述换热器支架为U型支架，所述支架转轴与储热换热器轴线相互垂直，且支架转轴水平布置，所述支架旋转电机输出端与换热器支架相连，推动换热器支架绕支架转轴转动。
4.根据权利要求1所述的测试***，其特征在于：支架转轴两侧的旋转接头中，一个与换热器旋转电机相连，另一个从动；所述旋转接头的安装轴线与储热换热器轴线同轴；储热换热器在换热器旋转电机驱动下能够绕其轴线匀速转动或点动 ，且储热换热器能够在任意旋转角度下固定。
5.根据权利要求1所述的测试***，其特征在于：所述高温流体管路上设置有高温恒温槽、高温流体变频泵、高温流体阀门，其中高温恒温槽用于控制高温流体管路中流体的温度；高温流体变频泵和高温流体阀门用于控制流体的流速和流量；
所述低温流体管路上设置有低温恒温槽、低温流体变频泵、低温流体阀门，其中低温恒温槽用于控制低温流体管路中流体的温度；低温流体变频泵和低温流体阀门用于控制流体的流速和流量。
6.根据权利要求5所述的测试***，其特征在于：所述第二温度传感器设置在高温恒温槽和低温恒温槽内，所述控制***分别与高温流体变频泵、高温流体阀门、低温流体变频泵、低温流体阀门相连。
7.根据权利要求1所述的测试***，其特征在于，所述的第一温度传感器沿储热换热器轴线方向和径向方向均匀布置，用以获取各测点的温度值；所述第一温度传感器测量得到的温度被所述控制***采集后，通过在对应测点坐标之间做温度的线性插值计算出所述储热换热器内部温度场分布。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述非稳态热源储热换热器的测试***的非稳态热源储热换热器的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将待测试的储热换热器安装在换热器支架两端的转接接头上，储热换热器的内部流道与两端的转接接头联通；
通过支架旋转电机带动换热器支架绕支架转轴转动，直至储热换热器呈所需的测试角度；
当不需要测试储热换热器在转动下的性能时，直接开始步骤2)；当需要测试储热换热器在转动下的性能时，打开换热器旋转电机，使储热换热器绕其轴线匀速转动或点动；
2)非稳态热源生成
检测控制***实时获取高温流体流量M1、低温流体流量M2、高温流体温度T1、低温流体温度T2，计算高温流体和低温温流体混合后的理论温度Tmix＝(M1T1+M2T2)/(M1+M2)，混合后的流量Mmix＝M1+M2；
检测控制***通过对比换热器进口温度传感器测得的温度Tin与非稳态热源实际需求温度之间的差值，通过理论温度Tmix计算公式调整高温流体阀门、低温流体阀门的开度、高温流体变频泵、低温流体变频泵的转速，使温度Tin调整至非稳态热源实际需求温度；
3)测量储热换热器的换热功率和储热量时，检测控制***获取换热器进口温度传感器测得的温度Tin、换热器出口温度传感器测得的温度Tout以及流体的定压比热Cp，当前时刻储热换热器的换热功率P＝Cp(M1+M2)(Tin-Tout)，单位W；储热换热器的储热量
单位J；储热换热器内部温度均匀性则通过计算储热换热器内部的第一温度传感器所测得不同测点温度的标准差来评判。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，当使用相变材料作为储热材料时，储热换热器测试还进行熔化时间和液相分布的测量；
测量熔化时间和液相分布时，通过在对应储热换热器内部的第一温度传感器测点坐标之间做所测得温度的线性插值，计算出换热器内部的温度场分布；相变材料温度高于相变温度的则为液相区、温度低于相变温度的则为固相区，以此将温度场分布进一步转化为液相分布；所有相变材料均为液相所经历的时间即为熔化时间。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤2)中，采用恒流量方法控制非稳态热源的温度变化，具体为，当换热器进口温度传感器测得的温度Tin低于非稳态热源实际需求温度时，增大M1、并降低M2，并保持M1+M2恒定，使Tin调整至非稳态热源实际需求温度，当Tin高于非稳态热源实际需求温度时，降低M1、并增大M2，并保持M1+M2恒定，使Tin调整至非稳态热源实际需求温度。
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