CN115791244A

CN115791244A - 一种模块式微通道紧凑换热实验本体、方法、设备及介质

Info

Publication number: CN115791244A
Application number: CN202310065108.8A
Authority: CN
Inventors: 刘睿龙; 黄彦平; 刘光旭; 唐佳; 刘旻昀; 费俊杰; 卓文彬
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2023-02-06
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2043-02-06
Also published as: CN115791244B

Abstract

本发明公开了一种模块式微通道紧凑换热实验本体、方法、设备及介质，本发明属于换热设备性能测试技术领域。实验本体包括芯体模块，用于实现流体工质流过待测流道并与边界模块进行换热，完成对流换热过程；边界模块，用于实现边界工质流过以给所述芯体模块提供不同的换热边界条件，以完成不同边界条件下的芯体模块性能测量；连接组件，将所述芯体模块和边界模块压紧固定，并引导工质的进出。本发明基于模块化设计，能够测量微通道内的热力参数，为研究微通道换热器并建立流动传热实验数据库提供数据支撑。

Description

一种模块式微通道紧凑换热实验本体、方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及热交换设备性能测试技术领域，具体涉及一种模块式微通道紧凑换热实验本体、方法、设备及介质。

背景技术

换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，广泛应用于核能、化学、动力、冶金等工业部门中。特别是在舰船、潜艇、飞行器的动力循环***中，换热器对于传递、调配工质之间的能量有着重要作用。

随着科技水平的不断提升，人们对核电站、火电站、航空发动机内动力***的环保友好性越来越重视，提高效率、降低成本和自然资源消耗是该领域未来发展的方向之一，同时为了使动力***具备适用于各种复杂环境下的能力，小型化和模块化同样是它发展的目标。目前工业应用中在用的换热器类型主要包括管壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器等，它们不能同时满足换热比表面积大、焊接强度高、体积小的要求。近年来，随着工业制造水平的提升，以高精度化学蚀刻和真空扩散焊为工艺核心的微通道紧凑换热器受到广泛关注，其流道尺寸小、紧凑程度高、焊接方式无焊渣、连接处强度接近母材，具有明显优势。

但是在应用微通道紧凑换热器的过程中发现，由于此类换热器一体成型加工，难以测量到单个流道内的流动传热性能，仅能获得整体并不精确的性能参数，导致设计结果和实际测试结果有偏差。

发明内容

为了解决现有微通道换热器一体成型加工，难以测量到单个流道内的流动传热性能，本发明提供了一种模块式微通道紧凑换热实验本体。本发明基于模块化设计，能够测量微通道内的热力参数，为研究微通道换热器并建立流动传热实验数据库提供数据支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

一种模块式微通道紧凑换热实验本体，包括：

芯体模块，用于实现流体工质流过待测流道并与边界模块进行换热，完成对流换热过程；

边界模块，用于实现边界工质流过以给所述芯体模块提供不同的换热边界条件，以完成不同边界条件下的芯体模块性能测量；

连接组件，将所述芯体模块和边界模块压紧固定，并引导工质的进出。

作为优选实施方式，本发明的芯体模块包括待测密封板和待测流道板；

所述待测密封板上沿工质流动方式加工有多个测温槽，且所述测温槽的深度不超过所述待测密封板的厚度；

所述待测流道板上沿工质流动方向加工有待测流道，且所述待测流道的深度不超过所述待测流道板的厚度；

所述待测密封板和待测流道板上加工有固定孔和工质进出口。

作为优选实施方式，本发明的待测流道板的上下表面分别叠放一个所述待测密封板并焊接为一体，且两个所述待测密封板带有测温槽的一侧远离所述待测流道板。

作为优选实施方式，本发明的测温槽端部在所述待测密封板的中心，所述测温槽的截面直径为1-5mm，截面形状为半圆形、矩形或梯形；

所述待测流道的截面直径在1-5mm，截面形状为半圆形、矩形或梯形；

所述待测流道在工质流动方向上的形状包括直线型、折线形、流线型或S翅片型。

作为优选实施方式，本发明的边界模块包括边界密封板、边界流道板和压紧套筒；

所述边界流道板上加工有边界流道，且所述边界流道的深度不超过所述边界流道板的厚度；

所述边界密封板和边界流道板上开设工质进出口；

所述边界密封板和边界流道板叠放并焊接为一体，且边界流道板带有边界流道的一侧与边界密封板相接触；

四个所述压紧套筒通过不同高度的弯曲金属棒焊接固定在所述边界密封板外表面的四角位置，其中对角方向的两个所述压紧套筒为一组，属于相同高度。

作为优选实施方式，本发明的边界模块整体呈正方形，边长等于所述芯体模块的宽度但小于所述芯体模块的长度；

若干个所述边界模块覆盖所述芯体模块的上下两表面，且相邻两个所述边界模块上的高度不同的两个压紧套筒相互对齐。

作为优选实施方式，本发明的每个所述边界模块能够以预设角度旋转安装从而形成不同边界条件。

作为优选实施方式，本发明的边界流道的界面直径为1-5mm，截面形状为半圆形、矩形或梯形。

作为优选实施方式，本发明的连接组件包括压紧螺柱、压紧螺母、接管和软管；

所述芯体模块和边界模块的进出口孔焊接接管；通过软管依次连接若干个所述边界模块通过在进出口接管，将若干个所述边界模块依次串联；

所述压紧螺柱穿过所述边界模块和芯体模块，通过在所述压紧螺柱两端拧紧压紧螺母从而将所述边界模块和芯体模块压紧固定。

第二方面，本发明提出了基于上述模块式微通道紧凑换热实验本体的性能测量方法，包括：

在所述芯体模块和边界模块设置温度传感器，在所述芯体模块流体工质和所述边界模块边界工质两侧的进出口位置设置压力传感器；

将带有测量传感器的实验本体整体放入一个闭式循环回路并设置流量计；

启动回路并调节使回路达到设计工况且稳定之后，通过测量传感器获得所述芯体模块内流体工质的进出口温度、运行压力、运行流量、沿程不同位置处的金属壁面温度，以及每个边界模块的进出口温度；

根据测量得到的数据计算得到所述实验本体沿程多个位置流动传热特性。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

通过调整所述边界模块的安装位置，从而实现不同边界条件下的微通道换热性能测量。

第三方面，本发明提出了基于上述模块式微通道紧凑换热实验本体的数据处理方法，包括：

获取所述芯体模块内流体工质的进出口温度、运行压力、运行流量、沿程不同位置处的金属壁面温度，以及每个所述边界模块的进出口温度；

根据两侧流体之间换热的能量守恒，计算得到所述芯体模块中流体工质在对应边界模块覆盖范围内的出口流体温度；

根据所述芯体模块中流体工质在对应边界模块覆盖范围内的进出口流体问题，得到所述芯体模块内流体的沿程温度分布；

根据所述芯体模块内流体的沿程温度分布以及对应的金属壁面温度，计算得到所述芯体模块上沿程多个位置的对流换热系数。

第四方面，本发明提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述数据处理方法的步骤。

第五方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述数据处理方法的步骤。

本发明具有如下的优点和有益效果：

传统的微通道紧凑换热本体由于微通道大量堆叠，无法测量微通道内部温度和压力等热工参数，且加工比较复杂。本发明提供的实验本体与之相比，既可测量微通道内的温度、压力，同时便于加工组装，还能提供不同的冷却边界，提高了微通道换热性能测量的准确性，拓展了测量范围，广泛适用于微通道换热器使用环境。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的实验本体各部件示意图。

图2为本发明实施例的实验本体组装剖视图。

图3为本发明实施例的边界模块和芯体模块重叠后示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-待测密封板，2-待测流道板，3-边界密封板，4-边界流道板，5-测温槽，6-待测流道，7-压紧套筒，8-边界流道，9-压紧螺柱，10-压紧螺母，11-接管，12-软管。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

传统的微通道换热器，由于一体成型加工，仅能获得整体的传热性能参数，无法测量其内部微通道内的流动传热性能，无法为换热器的设计提供准确可靠的传热性能结果。针对此，本发明实施例提供了一种模块式微通道紧凑换热实验本体，该实验本体包括：

芯体模块，用于实现流体工质流过微通道并与边界模块进行换热，完成对流换热过程。

边界模块，用于给芯体模块提供不同的换热边界条件，以完成不同条件下的芯体模块性能测量。

连接组件，将该实验本体的所有模块压紧固定，防止因晃动、空气进入模块之间影响测量结果和正常运行，并连接流体工质的进出。

本发明实施例提出的实验本体的工作原理为：其通过芯体模块和边界模块完成流动换热过程，流体工质在特定结构的微通道内流动，边界工质在边界模块中流动，从而流体工质与边界工质之间进行热交换；通过连接组件实现整个实验本体各模块的固定连接，以实现拆装改造之后保证实验本体的稳定运行。本发明实施例利用模块化设计原理，便于拆装改造，同时能够实现微通道内传热性能参数（流道温度、压力、流量等）的准确测量。

具体如图1所示，本发明实施例的芯体模块包括待测密封板1、待测流道板2、测温槽5和待测流道6。其中，待测密封板1上通过机械加工（例如车铣等）或化学蚀刻或光刻等工艺加工获得测温槽5，在待测流道板2上通过机械加工（例如车铣等）或化学蚀刻或光刻等工艺加工获得所需研究的待测流道6，且测温槽5和待测流道6的深度均不超过其对应的板厚。待测密封板1和待测流道板2的四周加工有通孔，以便于压紧螺柱9的固定。待测密封板1的两端加工通孔以供流体工质进出，同时待测流道板2的对应位置上加工深度与待测流道6相同的孔，构成芯体模块的流体工质进出口a/A。本实施例中，待测密封板1和待测流道板2的形状和尺寸相同，均为长方体结构。

本发明实施例的芯体模块整体按照待测密封板1、待测流道板2、待测密封板1的顺序进行叠放，并保证测温槽5不与待测流道6相接触（即将待测密封板1带有测温槽5的一侧远离待测流道板2设置），如图2所示，最后使用但不限于高温真空扩散焊、真空钎焊、熔焊等方式将若干板片焊接为一体。

进一步的，本发明实施例的测温槽5长度为待测密封板1宽度的一半左右，即测温槽端部在待测密封板1的中心附近，其截面直径在1-5mm范围左右，截面形状包括但不限于半圆形、矩形或梯形等几何形状。

进一步的，本发明实施例的待测流道6和边界流道8的截面直径在1-5mm范围左右，截面形状包括但不限于半圆形、矩形、梯形等几何形状；待测流道6在流动方向上的形状包括直线型、折线形等连续流道或流线型、S翅片型等非连续流道。

本发明实施例的边界模块包括边界密封板3、边界流道板4、压紧套筒7和边界流道8。其中边界流道板4上通过机械加工（例如车铣等）或化学蚀刻或光刻等工艺加工获得边界流道8，且边界流道8的深度不超过边界流道板4的厚度，边界密封板3上开设有通孔，作为边界工质进出口，同时在边界流道板4对应位置开设有深度与边界流道8深度相等的孔，形成边界模块的工质进出口（b/B），将边界密封板3和边界流道板4叠放在一起并使边界流道向内（即将边界流道板4带有边界流道8的一侧与边界密封板3相接触），采用但不限于高温真空扩散焊、真空钎焊、熔焊等方式焊接为一体。

本发明实施例的4个压紧套筒7通过两种不同高度的弯曲金属棒（或直杆、曲杆、肋片等刚性结构）焊接固定在边界密封板3外表面的四个角落，其中对角方向的两个压紧套筒为一组，同属于高位置或低位置；每个边界模块四角外的四个压紧套筒7俯视呈“X”形状，且两种高度的两个压紧套筒恰好首尾相接。

本发明实施例中，边界模块整体呈正方形，边长等于待测流道的宽度、小于其长度。将若干个边界模块覆盖在芯体模块的上下两表面，且相邻两个边界模块上的一高、一低的压紧套筒7相互对齐。若边界模块大于一块，则使增加的边界流道板进出口为通孔，以增加边界换热能力。

本发明实施例的连接组件包括压紧螺柱9、压紧螺母10、接管11和软管12。其中，压紧螺柱9双端带有螺纹，长度大于等于整个实验本体的高度（即四个压紧套筒的长度和一个芯体模块的厚度，如图2所示），将压紧螺柱9穿过已经对齐的压紧套筒，即一根压紧螺柱9将穿过四个压紧套筒和一个芯体模块，如图2所示，随后使用压紧螺母10在压紧螺柱9两端拧紧，两侧加压使芯体模块和边界模块之间充分接触。本发明实施例的压紧螺柱和压紧螺母采用但不限于不锈钢、铁合金、钛合金等金属材料。

在芯体模块和边界模块的进出口孔焊接接管11，通过软管12依次连接多个边界模块上的进出口接管11，从而将多个边界模块依次串联。本发明实施例的软管12采用但不限于橡胶、聚四氟乙烯等柔性材料。

进一步的，本发明实施例的待测密封板1、待测流道板2、边界密封板3和边界流道板4的材料相同，可采用但不限于不锈钢、铁合金、钛合金等金属材料。基于本实施例提出的实验本体，可进行不同边界条件下的微通道换热性能测量，具体为：一个边界模块可以旋转90°安装而不产生任何影响，不同的形态可以使边界条件发生变化，当边界模块内流道和待测流道平行时，即为顺流或逆变换热边界，当两者垂直时，即为叉流换热边界。因此，通过对边界模块的安装位置进行调整，使边界模块内流道和待测流道处于某一边界条件下，即可进行不同边界条件下的微通道换热性能测量。

基于本实施例提出的实验本体，进行微通道换热性能测量，具体包括如下步骤：

首先，完成上述实验本体的组装。之后在芯体模块的进出口接管、每个边界模块的进出口接管以及测温槽5内设置温度传感器，在实验本体流体工质、边界工质两侧的进口位置设置压力传感器，将带有测量传感器的实验本体整体放入一个闭式循环回路并设置流量计。

启动回路并调节各控制仪器以达到设计工况且稳定之后，通过测量仪表（即各传感器）即可获得芯体模块内流体工质的进出口温度、运行压力、运行流量、沿程（即沿芯体模块工质流动方向）测温槽处的金属壁面温度，同时可获得每个边界模块的进出口温度。

最后利用能量守恒计算出每个边界模块进出口位置处的芯体模块流体温度，利用热传导原理计算出同样位置处流体工质的壁面温度，即可应用对流换热公式计算出该位置的对流换热系数，同理即可获得该换热实验本体沿程多个位置流动传热特性。

具体如图3所示，可测量如下温度，其中t和t'为边界模块进出口位置的边界工质流体温度，t_w1和t_w2为测温槽5上所装热电偶的金属壁温温度，t_b和t_b'分别为芯体模块中流体工质，在对应边界模块覆盖范围内的进出口流体温度。计算方法如下：

t_b为上一个边界模块根据能量守恒计算出来的进口温度，是已知。此时通过测量t和t'之后，根据两侧流体之间换热的能量守恒，即

。

其中cp₁和cp₂分别为边界工质和芯体工质的比热容，属于已知，m₁和m₂分别为边界工质和芯体工质的质量流量，属于测量值，据此可以计算出t_b'。

接下来根据t_b和t_b'，可以获得芯体模块内流体的沿程温度分布（基本假设流体温度沿流动方向为线性分布），因此可以获得t_w1和t_w2对应位置处的芯体工质流体温度t_b1和t_b2。

同时，一个边界模块对应的换热热流密度q可由换热量除以换热面积获得，具体公式如下：

。

其中分子为两侧流体换热量，为已知，分母为一个边界模块覆盖下的换热面积S。

对流换热系数h计算公式如下所示：

。

此时热流密度q已知，两处位置的壁面温度t_w和流体温度t_b已知，即可获得两处位置的对流传热系数h，以此类推，能够获得换热芯体上每一处测温槽5位置处的对流传热特性，即可完成对待测微通道紧凑换热实验本体多个位置的性能测量。

本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例上述对流传热特性计算过程。

计算机设备包括处理器、内存储器和***总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到***总线上。处理器是一个用来通过计算机***中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。***总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过***总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作***和计算机程序的主存储器。

计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。

计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口（局域网LAN接口）与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。

应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子***的计算机***也能适用于发明。

如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行对流传热特性计算过程的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，所述芯体模块包括待测密封板和待测流道板；

3.根据权利要求2所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，所述待测流道板的上下表面分别叠放一个所述待测密封板并焊接为一体，且两个所述待测密封板带有测温槽的一侧远离所述待测流道板。

4.根据权利要求2所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，所述测温槽端部在所述待测密封板的中心，所述测温槽的截面直径为1-5mm，截面形状为半圆形、矩形或梯形；

5.根据权利要求1所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，所述边界模块包括边界密封板、边界流道板和压紧套筒；

所述边界密封板和边界流道板上开设工质进出口；

6.根据权利要求5所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，所述边界模块整体呈正方形，边长等于所述芯体模块的宽度但小于所述芯体模块的长度；

7.根据权利要求5所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，

每个所述边界模块能够以预设角度旋转安装从而形成不同边界条件。

8.根据权利要求5所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，

所述边界流道的界面直径为1-5mm，截面形状为半圆形、矩形或梯形。

9.根据权利要求5所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体，其特征在于，所述连接组件包括压紧螺柱、压紧螺母、接管和软管；

10.基于权利要求1-9任一项所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体的性能测量方法，其特征在于，包括：

11.根据权利要求10所述的性能测量方法，其特征在于，还包括：

12.基于权利要求1-9任一项所述的一种模块式微通道紧凑换热实验本体的数据处理方法，其特征在于，包括：

13.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求12所述数据处理方法的步骤。

14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求12所述数据处理方法的步骤。