專利名稱：單管換熱管測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬傳熱技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種單管換熱管測試裝置，基于該裝置可獲得實際換熱器中單根換熱管的傳熱特性。
背景技術(shù)：
管殼式換熱器是目前過程工業(yè)應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流板等部件組成，可采用不銹鋼、普通碳鋼、紫銅或其它有色金屬作為材料。操作時，一種流體由一端封頭接管進入，經(jīng)過換熱管，從另一端封頭的接管流出，稱之為管程； 另一種流體由殼體的一個接管進入，從殼體上的另一接管流出，稱之為殼程。換熱管作為冷熱流體傳熱的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和型式不斷優(yōu)化。隨著新型高效換熱管的不斷出現(xiàn)，管殼式換熱器的應用范圍不斷擴大。目前強化換熱管傳熱的措施有兩類，即(1)改變流體的流動情況以增加流速；(2)改變換熱面形狀和大小。增加流速可改變流動狀態(tài)，提高紊流脈動程度。管殼式換熱器中管程、殼程的分程即可提高流速、增加流程長度和湍流程度。此外，按照一定間距在管外設(shè)置一些垂直于換熱管的圓缺型擋板(折流板)，可促使殼程流體充分流經(jīng)換熱管外表面。優(yōu)化管外流體對管子的沖刷角度可提高殼側(cè)的換熱系數(shù)，改善換熱效果。但設(shè)置折流板或增加流速均會增加流動阻力，這要求兼顧提高傳熱性能和減小壓降的要求來確定殼程流體的最佳流速。改變換熱面形狀和換熱面積大小亦是提高傳熱性能的有效措施。圓截面換熱管是管殼式換熱器中使用最為普遍的一種傳熱元件，但現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備對熱負荷的要求越來越高，強化傳熱技術(shù)在換熱器中的應用要求十分迫切。在換熱管加入內(nèi)插物就是一種十分有效的提高管內(nèi)流動雷諾數(shù)的方法。內(nèi)插物不需要外加動力，成本低廉，加工方便，不僅能強化傳熱，還能實現(xiàn)換熱器的在線除垢、防垢。國內(nèi)外開展了多種類型的內(nèi)插物研究，自旋彈簧便是其中開展較早的一種，其強化傳熱和自動除垢效果已獲得認可。為增大換熱系數(shù)，管殼式換熱器的換熱管亦可采用各種異形管和肋片管。螺紋翅片管是由厚壁管子通過軋制而成，翅片的外表面積較相同外徑的光滑管大2. 5-4. 8倍。當管壁兩側(cè)的流體對流換熱系數(shù)相差3-5倍時，適合采用螺紋翅片管或肋片管，實際上即便管壁兩側(cè)的流體對流換熱系數(shù)大于這個范圍，使用螺紋翅片管或肋片管也能收到良好的效果。針翅管是近年才開發(fā)應用的強化傳熱管型之一，其主要類型包括瑞典Simrod針翅管和整體針翅管兩種。前者適用于石油化工領(lǐng)域的油品換熱器以及各類工業(yè)加熱過程中鍋爐或余熱鍋爐，后者不僅可用于石油化工、電力部門的換熱設(shè)備，還可用于制冷、空調(diào)等行業(yè)，強化傳熱效果顯著。換熱管傳熱特性的研究是管殼式換熱器設(shè)計的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)復雜，對換熱器內(nèi)部流動和傳熱特性的理論研究多采用數(shù)值分析方法。數(shù)值模擬具有費用低、速度快、重復性好、能模擬較復雜或較理想工況下的流動現(xiàn)象等優(yōu)點，還可研究不同操作參數(shù)對傳熱性能的影響規(guī)律，獲得所有相關(guān)變量的詳細信息，彌補理論分析和試驗測試的不足。換熱管傳熱特性數(shù)值分析的關(guān)鍵在于計算模型的建立。目前常用的模型包括多孔介質(zhì)模型、實體模型和周期性單元流道模型。采用多孔介質(zhì)模型過于簡化了換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果并不能準確反映局部區(qū)域的真實流動和傳熱狀況等詳細信息，而且部分重要模擬參數(shù)與換熱器的結(jié)構(gòu)型式、幾何尺寸和操作介質(zhì)有關(guān)，故具有一定的局限性。在進行新型殼程支撐結(jié)構(gòu)的流場局部細節(jié)的流態(tài)分布和強化傳熱機理研究時，不宜采用多孔介質(zhì)模型。采用實體模型對換熱器的流動和傳熱特性進行數(shù)值模擬，可獲得流換熱器的傳熱與流動特性的定性分析結(jié)果，但對于大型管殼式換熱器，由于換熱管數(shù)龐大，模型的網(wǎng)格數(shù)和計算量異常增加，現(xiàn)有的軟件和硬件尚不能滿足要求。為此，研究人員提出周期性單元流道模型簡化計算方法，忽略了筒體壁面附近布管區(qū)流體流動和傳熱的特殊性對殼程流動和傳熱總體性能的影響。若換熱管布管方式為正方形時，可取4根換熱管所包圍的流體流動空間為一個“單元流道”計算模型，這樣可有效降低縱流殼程換熱器的數(shù)值模擬難度。 然而，單元流道模型適用于換熱管束和管束支撐結(jié)構(gòu)呈對稱分布的某些縱流殼程換熱器， 對于不具備上述結(jié)構(gòu)特征的管殼式換熱器，如折流板換熱器、螺旋板換熱器等，則無法這樣簡化。對于殼體直徑較小的管殼式換熱器，即使符合單元流道對稱性的簡化要求，由于筒體壁面附近布管區(qū)的流體對殼程流動和傳熱總體性能的影響較大而不可忽略，單元流道模型模擬結(jié)果與實際工況有較大偏差?？梢?，建立換熱管傳熱性能測試裝置以及大型管殼式換熱器的內(nèi)部溫度場分析計算方法，對于此類換熱器的設(shè)計、應用具有重要的工程意義。在換熱管傳熱性能的試驗研究方面，研究人員利用不同的試驗平臺，獲得了一些研究結(jié)果。換熱管傳熱性裝置基本包括兩個回路和三個系統(tǒng)。兩個回路為冷介質(zhì)回路和熱介質(zhì)回路，即換熱系統(tǒng)的管程和殼程；三個系統(tǒng)包括熱介質(zhì)儲罐及加熱系統(tǒng)、冷介質(zhì)儲罐及冷卻系統(tǒng)、循環(huán)動力系統(tǒng)。圖1所示為一種氣-氣換熱器試驗裝置?？諝饨?jīng)羅茨鼓風機送入儲氣罐，經(jīng)過濾器過濾后一部分由旁路排向大氣，另一部分作為試驗工質(zhì)經(jīng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計，進入電加熱箱加熱。熱空氣經(jīng)進口混合箱混合后，流經(jīng)穩(wěn)定段，進入試驗段。在試驗段內(nèi)熱空氣與管外套管內(nèi)的冷卻水進行逆流換熱。換熱后的空氣經(jīng)出口混合箱混合后由擴壓嘴排入大氣。 冷卻水流程為水箱中的水經(jīng)水泵加壓后，通過調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計進入試驗段套管內(nèi)，換熱后的水流入冷卻塔冷卻，然后再排入水箱，循環(huán)使用。圖2為一種單管傳熱試驗裝置。試驗裝置主要由壓縮機、油分離器、貯液罐、質(zhì)量流量計、電磁膨脹閥、冷凝試驗段及蒸發(fā)試驗段組成。試驗段為套管式換熱器，其內(nèi)管為所測試驗樣管。管內(nèi)為制冷劑，管外為水，二者逆向流動。試驗裝置采用高精度溫度、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過變頻器調(diào)節(jié)壓縮機頻率和電子膨脹閥調(diào)節(jié)制冷劑流量。圖3為一種單管液-液傳熱性能試驗裝置，由單管換熱器、流量計、泵、閥門和水箱組成。單管換熱器內(nèi)管為光滑管或波紋管，套管為光滑管。管內(nèi)走試驗工質(zhì)，管外走冷卻水， 管內(nèi)、外流體逆流換熱。試驗管段出、入口處安裝溫度測點。試驗中，恒溫水箱中的工質(zhì)由泵送入流量計，經(jīng)換熱器管程換熱冷卻后流回恒溫水箱。冷卻水經(jīng)換熱器殼程換熱升溫后排出。圖4為一種針翅管單管試驗設(shè)備流程圖。管程和殼程采用不同溫度的自來水作為介質(zhì)，測溫和測壓點均靠近針翅管的兩端。殼程采用U型管壓差計測量壓差。圖5所示為管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的示意圖。操作時，冷熱流體分別從管程和殼程流進，通過換熱管交換冷熱流體的熱量。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特征，其內(nèi)部溫度場具有周期性變化規(guī)律，即每一豎排的5根換熱管作為一個周期，圖5所示的換熱管束可分為3個周期。若能獲得一個周期的換熱管束的溫度分布規(guī)律，則可獲得整個換熱器的溫度分布規(guī)律。綜上所述，強化傳熱技術(shù)的發(fā)展促進了裝備節(jié)能水平的提高，需要建立功能完善、 測試精度高的試驗裝置以測試新型換熱管的傳熱性能。同時，換熱裝置的大型化也給換熱器內(nèi)部整場溫度的確定帶來了巨大困難，迫切需要建立實用、簡易的溫度場預測方法?，F(xiàn)有換熱器(管)傳熱性能試驗僅能得到管程和殼程進出口的溫度和壓力，而沿換熱管軸向的溫度分布規(guī)律無法獲得。研制功能完善、測試精度高、試驗成本低廉的單管換熱性能試驗裝置并建立管殼式換熱器溫度的預測方法具有重要的工程意義。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型還提供一種單管換熱管測試裝置，采用該裝置可方便測試相應換熱管的傳熱性能，以便于進一步對管殼式換熱器節(jié)點溫度進行預測。一種單管換熱管測試裝置，它包括換熱管、殼體、輸送泵、儲液罐及進、出口閥，其特征在于所述換熱管為單根換熱管體，所述殼體由包括若干筒節(jié)、位于端部的筒節(jié)連接封頭和封板，所述筒節(jié)均由圓管、筒節(jié)端部法蘭和筒管上、下部接管組成，各筒節(jié)經(jīng)由端部法蘭依次連接；所述換熱管的進、出口分別經(jīng)閥門與管程儲液罐連接；所述殼體的每個筒節(jié)的上接管分別經(jīng)閥門連接殼程流量分配器，殼程流量分配器與殼程儲液罐連接，每個筒節(jié)的下接管分別經(jīng)閥門連接混流器，殼程混流配器與殼程儲液罐連接。該裝置的殼體還設(shè)有波紋管筒節(jié)，它設(shè)置在殼體的左側(cè)或右側(cè)，所述波紋管筒節(jié)設(shè)置在筒節(jié)和封頭之間，波紋管筒節(jié)包括波紋管和端部法蘭，波紋管筒節(jié)通過端部法蘭分別與筒節(jié)和封頭連接；所述波紋管與殼體筒節(jié)之間加裝一擋板，該擋板與所述換熱管外壁留有間隙。所述換熱管的進、出口處均設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器；殼體的每節(jié)筒體下接管處均設(shè)有溫度傳感器，所述殼程流量分配器和混流器位置均設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器；殼程儲液罐和管程儲液罐的出口閥處均設(shè)有流量傳感器。所述高溫流體儲罐配有加熱器與溫度控制器；所述低溫流體儲罐配有冷卻器與溫度控制器。所述溫度傳感器均為熱電偶傳感器；所述壓力傳感器均壓電式壓力傳感器，所述閥門均為電磁閥；所述流量傳感器均為電子渦輪傳感器，所述各溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器分別與計算機控制系統(tǒng)的對應信號輸入端口連接，所述各閥門分別連接計算機控制系統(tǒng)的對應控制端連接。所述殼程儲液罐為高溫流體儲罐，管程儲液罐為低溫流體罐；或殼程儲液罐為低溫流體罐，管程儲液罐為高溫流體儲罐。本實用新型的有益效果本實用新型的單管換熱管測試裝置不但可根據(jù)換熱管的長度改變殼體的長度，而且相對于管程流體的流動方向，可設(shè)置殼程流體為逆流、順流和錯流，大大增加了試驗裝置的靈活性。待測試的換熱管端部僅需焊接法蘭和封板即可與殼程筒節(jié)進行組合，換熱管安裝方便。在殼程筒節(jié)端部串聯(lián)波紋管筒節(jié)，可有效彌補筒節(jié)的安裝誤差并減小裝置的熱應力，提高高溫傳熱試驗的可靠性。本實用新型的換熱管傳熱性能試驗裝置可作為新型換熱管和強化傳熱技術(shù)的試驗平臺。采用本實用新型的管殼式換熱器節(jié)點溫度預測方法，僅需對一段換熱管進行若干次傳熱試驗，然后采用計算程序即可分析得出換熱器內(nèi)部重要節(jié)點的溫度場。


圖1為一種氣-氣換熱器試驗裝置流程圖。圖2為一種單管冷凝-蒸發(fā)性能試驗流程圖。圖3為一種單管液-液傳熱性能試驗裝置示意圖。圖4為一種針翅管單管換熱試驗裝置流程圖。圖5為管殼式換熱器示意圖(該圖說明換熱管束的周期性特征)。圖6為本實用新型的單管換熱管測試裝置的示意圖。圖7為本實用新型的單根換熱管傳熱性能試驗流程圖。圖8為本實用新型的管殼式換熱器流場的溫度節(jié)點設(shè)置示意圖。圖9為管殼式換熱器流場的節(jié)點溫度的求解流程圖。圖10為溫度二維插值示意圖。圖11為管殼式換熱器流場的節(jié)點溫度的求解主控程序的流程圖。圖12為溫度試驗點取值示意圖。圖1中1一進氣口 ；2—羅茨鼓風機；3—儲氣罐；4一過濾器；5—調(diào)節(jié)閥；6—渦輪流量計；7—加熱器；8—進口混合箱；9一穩(wěn)定段；10—試驗管；11 一水套管；12—出口混合箱；13—擴壓嘴；14一冷卻塔；15—水泵；16—流量計；17—調(diào)節(jié)閥。圖2中1 一壓縮機；2—冷卻水；3—蒸發(fā)試驗管段；4一電磁膨脹閥；5—流量計； 6—C液罐；7—冷卻水；8—冷凝試驗段；9一油分離器；T 溫度測點P 壓力測點DP 壓差測點G 流量測點。圖3中1 一恒溫水箱；2—加熱器；3—泵；4一流量計；5—溫度測點；6—溫度測點；7—單管換熱器；8—溫度測點；9一溫度測點；10—流量計；11一泵；12—自來水入口 ； 13—水箱。圖4中1 一水冷機組；2—水泵；3—冷凍水進口 ；4一熱電偶；5—自來水出口；6— 測壓點；7—水槽；8—自來水進口 ；9一測壓點；10—熱電偶；11一自來水出口。圖5中1 一殼程出口 ；2—左管板；3—折流板I ；4一折流板II ；5—殼程進口 ；6— 換熱管(1個周期)；7—右管板。圖6中1 一換熱管進口 ；2—換熱管；3—換熱管進口封板；4一殼程左封頭；5—第 1節(jié)筒體；6—第1節(jié)筒體進口 ；7—第2節(jié)筒體；8—第2節(jié)筒體進口 ；9一第3節(jié)筒體；10—第 3節(jié)筒體進口 ； 11一第4節(jié)筒體；12—第4節(jié)筒體進口 ； 13—擋板；14一波紋管筒節(jié)；15—波紋管；16—殼程右封頭；17換熱管出口 ；18—換熱管進出封板；19一第4節(jié)筒體出口 ；20— 第3節(jié)筒體出口 ；21—第2節(jié)筒體出口 ；22—第1節(jié)筒體出口。圖7中1一管程進口溫度傳感器；2—管程進口壓力傳感器；3—管程進口閥門；4一殼程進口溫度傳感器；5—殼程進口壓力傳感器；6—殼程流量分配器 ’7—第1節(jié)筒體進口閥門；8—第2節(jié)筒體進口閥門；9一第3節(jié)筒體進口閥門；10—第4節(jié)筒體進口閥門；11一第1節(jié)筒體出口溫度傳感器；12—第2節(jié)筒體出口溫度傳感器；13—第3節(jié)筒體出口溫度傳感器；14一第4節(jié)筒體出口溫度傳感器；15—第1節(jié)筒體出口閥門；16—第2節(jié)筒體出口閥門；17—第3節(jié)筒體出口閥門；18—第4節(jié)筒體出口閥門；19一混流器；20—殼程出口溫度傳感器；21—殼程出口壓力傳感器；22—管程出口閥門；23—管程出口溫度傳感器； 24—管程出口壓力傳感器；25—殼程流量傳感器J6—管程流量傳感器；27—殼程儲液罐出口閥；28—管程儲液罐出口閥；四一殼程介質(zhì)輸送泵；30—管程介質(zhì)輸送泵；31—高溫流體儲罐；32—低溫流體儲罐；33—殼程儲液罐進口閥；34—管程儲液罐進口閥。
具體實施方式
實施例一本實用新型的單管換熱管測試裝置實例如圖6所示(1)采用組合式筒節(jié)5、7、9、11作為殼程殼體。每一個筒節(jié)均由圓管、筒節(jié)端部法蘭、筒節(jié)上下部接管組成。圓管內(nèi)徑為待測試換熱管2外徑的1.5 2倍。筒節(jié)與筒節(jié)間采用墊片螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)進行連接。改變筒節(jié)數(shù)，即可改變殼程的軸向長度，滿足不同長度換熱管的測試要求。各部件均采用不銹鋼加工，圓管與接管、圓管與法蘭，接管與法蘭均為焊接。(2)在筒節(jié)一端，連接一個波紋管筒節(jié)14。波紋管具有良好的彈性，可對換熱管與殼體的熱變形及筒節(jié)的安裝誤差進行補償，以減小換熱管與殼體上的熱應力。波紋管筒節(jié)由波紋管15和端部法蘭焊接而成，波紋管筒節(jié)可安裝在殼體左邊或右邊。波紋管筒節(jié)與殼體筒節(jié)采用墊片螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)進行連接。(3)在波紋管筒節(jié)和殼體筒節(jié)之間加裝一擋板14，用于阻止殼程流體流入波紋管筒節(jié)。擋板與換熱管外壁留有一定間隙，保證換熱管與擋板之間可發(fā)生自由的相對位移。(4)采用兩個錐形封頭4和16對殼體進行密封。一個錐形封頭與殼體筒節(jié)5連接，另一個錐形封頭與波紋管筒節(jié)14連接，均采用墊片螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)進行連接。封頭端部均勻分布螺栓孔(盲孔)用于和換熱管進、出口封板進行連接。(5)待測試換熱管需在兩端焊接管法蘭1和18，用于和管程進、出口管路連接。待測試換熱管在兩端焊接有兩塊封板3和17，封板上開通孔，封板與錐形封頭采用墊片螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)進行連接。(6)安裝完畢后的殼程筒體置于支架上，并保證波紋管筒節(jié)可自由伸縮。將法蘭1 與管程進口管路連接，法蘭18與管程出口管路連接，6、8、10、12分別與殼程進口管路連接， 19、20、21、22分別與殼程出口管路連接。實施例二 本實用新型的換熱管傳熱性能試驗實例如圖7所示 ( 1)本實用新型的單管換熱管測試裝置進口與閥門3連接，由溫度傳感器1和壓力傳感器2測量管程進口流體的溫度和壓力； (2)換熱管出口與閥門22連接，由溫度傳感器23和壓力傳感器M測量管程出口流體的溫度和壓力；(3)殼程筒節(jié)的進口管(圖6上6、8、10、12)分別與閥門7、8、9、10連接。閥門7、
8、9、10經(jīng)4根軟管與殼程流量分配器6連接，4根軟管的長度一樣，以保證從殼程流量分配器6流出的流體以相同的流量流入殼程進口管。(4)殼程流量分配器6上設(shè)置溫度傳感器4和壓力傳感器5，以測量殼程入口流體的溫度和壓力。(5)殼程筒節(jié)的出口管(圖6上22、21、20、19)分別與閥門15、16、17、18連接。閥門15、16、17、18經(jīng)4根軟管與混流器19連接，4根軟管的長度一樣，以保證從殼程4個出口管流出的流體以相同的流量流入混流器19。(6)殼程筒節(jié)的出口管(圖6上22、21、20、19)分別裝配溫度傳感器11、12、13、14，
測量繞過換熱管后各筒節(jié)位置的流體溫度。(7)殼程混流器19上設(shè)置溫度傳感器20和壓力傳感器21，以測量殼程出口流體的溫度和壓力。(8)高溫流體儲罐31配加熱器與溫度控制器提供恒溫熱流體，由泵四泵送，泵出口處安裝電磁閥27，閥門27與流量計25連接，再與殼程流量分配器6連接。殼程混流器 19經(jīng)管路與閥門33連接，閥門33連接高溫流體儲罐的入口管。(9)低溫流體儲罐32配冷卻器與溫度控制器提供恒溫冷流體，由泵30泵送，泵出口處安裝電磁閥28，閥門觀與流量計沈連接，再與管程入口管路連接。管程出口管路與閥門34連接，閥門34連接低溫流體儲罐的入口管。(10)當管程為低溫流體而殼程為高溫流體時，可將與閥33連接的殼程出口管路改為與閥34連接，而與閥34連接的管程出口管路改為與閥33連接；并將與閥27連接的殼程進口管路改為與閥觀連接，而與閥觀連接的管程入口管路與改為閥27連接。(11)通過調(diào)節(jié)高溫流體儲罐31的加熱器功率，可調(diào)節(jié)殼程流體的入口溫度。通過調(diào)節(jié)閥門27，可調(diào)節(jié)殼程流體的入口流量。通過調(diào)節(jié)低溫流體儲罐32的冷卻器功率，可調(diào)節(jié)管程流體的入口溫度，通過調(diào)節(jié)閥門27，可調(diào)節(jié)管程流體的入口壓力。(12)同時開啟閥門7、8、9、10及15、16、17、18，可構(gòu)造管程和殼程流體錯流換熱， 即兩種流動的流動方向相互垂直；若僅開啟閥門10和11，可構(gòu)造管程和殼程流體逆流換熱，即兩種流動的流動方向相互平行。(13)溫度傳感器1、4、11、12、13、14、20、23均為熱電偶傳感器，數(shù)據(jù)由計算機控制系統(tǒng)采集；壓力傳感器2、5、21、M為壓電式壓力傳感器，數(shù)據(jù)由計算機控制系統(tǒng)采集；所有閥門均為電磁閥，通過計算機控制程序控制閥門的開度；流量傳感器為電子渦輪傳感器，數(shù)據(jù)由計算機控制系統(tǒng)采集。(14)系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，管程進出口管路、殼程筒體、殼程流量分配器和混流器均用保溫棉裹覆，保證傳熱系統(tǒng)不與外界發(fā)生熱交換。(15)換熱管段傳熱系能測試所得的數(shù)據(jù)包括管程進、出口溫度iin、i。ut，管程進、 出口壓力An、凡ut，殼程進、出口溫度rin、Tont (或4個出口管的溫度/;ut-i、rout-2, rout-3, /;ut-4)，殼程進、出口壓力 Λη、Λ^。U 和 Lut (或 4 個出口管的溫度/;ut-l、7;ut-2、rout-3, m由tiD和共同決定，即當tiD和Tia 一定時，i。ut和Twt(或4個出口管的溫度T1out-I、 ,out_2、λ Tout-A^ 定。[0076]實施例三、管殼式換熱器節(jié)點溫度預測實例如圖8所示(1)根據(jù)管殼式換熱器的幾何特征，換熱管束被折流板分成若干段，如圖8所示， 殼程流體的流動方向與管程流體的流動方向垂直。忽略筒體壁面附近布管區(qū)流體流動和傳熱的特殊性對殼程流動和傳熱總體性能的影響，殼程流體在水平方向具有周期性特征，故可取一個周期的換熱管束進行溫度場分析。該周期的換熱管束在豎直方向上的換熱管數(shù)量與實際換熱器相同，而水平方向的換熱管數(shù)為1，即1個周期。(2)圖8所示為2塊折流板、3根換熱管的換熱器示意圖。2塊折流板將每根換熱管分成3段，這9段換熱管分別用A、B、C、D、E、F、G、H、I表示。殼程流體流經(jīng)這9段換熱管的次序為 I、H、G、F、E、D、C、B、A。(3)每一段換熱管的進出口溫度及其外部殼程的上下游流體的溫度均與相鄰換熱管有關(guān)。以換熱管段E為例，其管程進口溫度為 22，出口溫度為 23，而t22又是換熱管段B 的管程出口溫度， 23又是換熱管段H的管程進口溫度；換熱管段E外部殼程上游流體溫度為T22，下游流體溫度為Τ\2,而T22又是換熱管段F外部殼程下游流體溫度，T132又是換熱管段 D外部殼程上游流體溫度。(4)圖9上，Tin為殼程進口溫度，已知； η、 21、 31為管程進口溫度，已知，且 tn=t21=tzl -,Tu為殼程出口溫度，待求； 34、 24、 14為管程出口溫度，待求。(5)根據(jù)本實用新型的換熱管傳熱性能試驗試驗流程第(15)條所述，當換熱管進口溫度與殼程上游流體溫度確定時，可確定換熱管出口溫度及殼程下游流體溫度。以換熱管段A為例，若已知tn和T121,可確定tl2和Tno但根據(jù)換熱器的操作條件，除tn以外，其余3個溫度均未知。(6)采用圖9所示的流程求解圖8上各節(jié)點溫度。首先假定一個溫度Tn (可采用由公式(a)估算得到的殼程出口溫度T2作為Tn的初值)，由 η和Tn求 12與T21 ；然后再由t2l與T21求t22與Γ31。如此遞進，直到獲得換熱管段I的溫度Γ43。如果得到的溫度T143 與已知的殼程進口溫度T1in的誤差超過允許值，即I T143-T1inI /7\η>0. 05，則說明假設(shè)的溫度Tn 有誤，需要改變T11繼續(xù)迭代；如果得到的溫度T143與Tin的誤差小于允許值，則說明假設(shè)的溫度Tn正確，輸出各節(jié)點溫度。一個周期的換熱管指的是一豎排內(nèi)的所有換熱管，如圖5中 6所標示的5根換熱管就是一個周期，折流板僅是將換熱管分成了若干管段，與周期沒有關(guān)系。這個周期的換熱管的左端為管程進口，右端的上方為殼程進口，這兩個位置的溫度都是已知的，是實際換熱器的操作條件。對照圖8可知，由這些溫度條件就可以通過迭代計算獲得所有節(jié)點的溫度值。(7)單個換熱管段上4個溫度的映射關(guān)系由試驗獲得。在本實用新型所建立的單根換熱管傳熱性能試驗裝置上，開啟圖7上的7、8、9、10和及15、16、17、18閥門，可實現(xiàn)管內(nèi)與管外流體錯流(流動方向垂直)的流動方式。試驗換熱管的長度等于相鄰兩塊折流板的間距。(8)根據(jù)管殼式換熱器管程和殼程的實際流速確定試驗中單根換熱管的管內(nèi)流速以及殼程流體的流速。由于實際換熱器內(nèi)部各換熱管段的管程進口溫度與殼程上游流體溫度不確定且組合形式各異，因此需要進行多次試驗，獲得不同管程進口溫度與殼程上游流體溫度組合對應的管程出口溫度與殼程下游流體溫度。(9 )估算管程和殼程出口溫度。采用式(a )計算熱流體的出口溫度T12，采用式(b )計算熱流體的出口溫度t20
權(quán)利要求1.一種單管換熱管測試裝置，它包括換熱管、殼體、輸送泵、儲液罐及進、出口閥，其特征在于所述換熱管為單根換熱管體，所述殼體由包括若干筒節(jié)、位于端部的筒節(jié)連接封頭和封板，所述筒節(jié)均由圓管、筒節(jié)端部法蘭和筒管上、下部接管組成，各筒節(jié)經(jīng)由端部法蘭依次連接；所述換熱管的進、出口分別經(jīng)閥門與管程儲液罐連接；所述殼體的每個筒節(jié)的上接管分別經(jīng)閥門連接殼程流量分配器，殼程流量分配器與殼程儲液罐連接，每個筒節(jié)的下接管分別經(jīng)閥門連接混流器，殼程混流配器與殼程儲液罐連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管換熱管測試裝置，其特征在于該裝置的殼體還設(shè)有波紋管筒節(jié)，它設(shè)置在殼體的左側(cè)或右側(cè)，所述波紋管筒節(jié)設(shè)置在筒節(jié)和封頭之間，波紋管筒節(jié)包括波紋管和端部法蘭，波紋管筒節(jié)通過端部法蘭分別與筒節(jié)和封頭連接；所述波紋管與殼體筒節(jié)之間加裝一擋板，該擋板與所述換熱管外壁留有間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管換熱管測試裝置，其特征在于所述換熱管的進、出口處均設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器；殼體的每節(jié)筒體下接管處均設(shè)有溫度傳感器，所述殼程流量分配器和混流器位置均設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器；殼程儲液罐和管程儲液罐的出口閥處均設(shè)有流量傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管換熱管測試裝置，其特征在于所述高溫流體儲罐配有加熱器與溫度控制器；所述低溫流體儲罐配有冷卻器與溫度控制器；所述溫度傳感器均為熱電偶傳感器；所述壓力傳感器均壓電式壓力傳感器，所述閥門均為電磁閥；所述流量傳感器均為電子渦輪傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管換熱管測試裝置，其特征在于所述各溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器分別與計算機控制系統(tǒng)的對應信號輸入端口連接，所述各閥門分別連接計算機控制系統(tǒng)的對應控制端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管換熱管測試裝置，其特征在于所述殼程儲液罐為高溫流體儲罐，管程儲液罐為低溫流體罐；或殼程儲液罐為低溫流體罐，管程儲液罐為高溫流體儲罐。
專利摘要本實用新型屬傳熱技術(shù)領(lǐng)域。公開一種單管換熱管測試裝置，基于該裝置可獲得實際換熱器單根換熱管的傳熱特性，進一步對管殼式換熱器節(jié)點溫度進行預測，以確定管殼式換熱器管程和殼程流體的節(jié)點溫度。它包括換熱管、殼體、輸送泵、儲液罐及進、出口閥，其特征在于所述換熱管為單根換熱管體，所述殼體由包括若干筒節(jié)、位于端部的筒節(jié)連接封頭和封板，所述筒節(jié)均由圓管、筒節(jié)端部法蘭和筒管上、下部接管組成，各筒節(jié)經(jīng)由端部法蘭依次連接；所述換熱管的進、出口分別經(jīng)閥門與管程儲液罐連接；所述殼體的每個筒節(jié)的上接管分別經(jīng)閥門連接殼程流量分配器，殼程流量分配器與殼程儲液罐連接，每個筒節(jié)的下接管分別經(jīng)閥門連接混流器，殼程混流配器與殼程儲液罐連接。
文檔編號G01N25/18GK202101956SQ20112019904
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者周劍鋒, 李洋, 董金善, 邵春雷, 顧伯勤, 黃星路 申請人:南京工業(yè)大學