对蒸发冷却不同换热模型和模式下的一体化性能测试方法

摘要

本发明涉及一种对蒸发冷却不同换热模型和模式下的一体化性能测试方法，步骤：1.制作用于蒸发冷却换热模块性能测试的多功能试验；2.对换热模块内热源散热和换热模块外热源散热两种模型的换热性能进行试验；3.在二种模型下，对水气流向为横流、逆流和顺流模式的换性能进行试验。本发明用同一套风源、水源、电热源和测试系统，以小型风筒为主体，通过简单的变换，可以在水气横流、逆流和顺流等多种模式下，对外热源情况下的热水在填料中的散热性能进行试验，或对内热源情况下的热源冷却性能进行试验。这些试验基本囊括了开式冷却塔以及闭式冷却塔和蒸发冷却(冷凝)器管外侧的主要热性能试验，方法简单可行，实验范围广，综合性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种一体化试验方法，尤其是一种研究蒸发冷却不同换热模型和模式下的一体化性能测试方法。

背景技术

冷却塔和蒸发冷却(冷凝)器是广泛应用于空调和工业热循环的通用设备，与国民经济和社会发展中迫切需要解决的节能节水密切相关。

冷却循环水的冷却器通常称为冷却塔。开式冷却塔的原理是将被冷却水直接与空气对流换热并蒸发冷却。蒸发冷却(冷凝)器是让被冷工质在管内流动，管外喷淋辅助冷却水，辅助冷却水再与空气对流换热并蒸发冷却，当被冷却工质为水时，也叫闭式冷却塔。

以上设备性能的好坏，取决于换热模块的特征以及水气的配比，需要通过试验测试其性能。以往不同的试验模型和试验模式需要不同的试验台，通用性差。现有的一种多模式冷却塔换热模块性能试验台，侧重于实塔模拟，需要锅炉提供热水，试验系统比较庞大，包含了对管内向管外的对流换热。

发明内容

本发明是要解决蒸发冷却不同换热模型和模式下的性能测试的技术问题，而提供一种对蒸发冷却不同换热模型和模式下的一体化性能测试方法，该方法是基于对管内向管外的对流换热，将该部分换热从总体换热中分离出去，着眼于测试水气直接接触的传热与传质耦合的换热特性，就可采用电加热，系统相对简单，试验装置趋于微型化，特别适用于大专院校的开放性教学实验和研发机构的科研试验。

为实现本发明的目的，采用的技术方案如下：

一种对蒸发冷却不同换热模型和模式下的一体化性能测试方法，包括下述具体步骤：

1.制作用于蒸发冷却换热模块性能测试的多功能试验台

由进风口段、被试换热模块段、被试换热模块、淋水管网段、收水器段、圆接方过渡段、风机，风量测试段构成风筒，与集水箱、布水池、水泵和支架组成试验台，配以风量、水量、热量调节器和对温度、风速、水流量、阻力的测量仪；被试换热模块段由六截单侧带法兰的方管焊接而成，中心构成一个正方体的空腔，可安放被试换热模块。被试换热模块呈正方体，并由两块有机玻璃侧板和四根铝制横梁组成框架，其中换热模块为淋水填料、管束、管束与填料的组合体中的一种，并被固定在所述框架上，管束直接固定在有机玻璃板上，内置电加热，或填料借助于细线捆绑固定；

2.对换热模块内热源散热和换热模块外热源散热两种模型的换性能进行试验

A.换热模块外热源试验模型的试验

对空气在填料内冷却热水的换热模块外热源试验模型，换热模块为淋水填料，由集水箱的内置电加热管接电供热，被加热后的热水在被试换热模块的填料中被空气冷却；

B.换热模块内热源试验模型的试验

对空气和辅助喷淋水冷却加热管的换热模块内热源试验模型，换热模块为管束或管束与淋水填料的组合体，试验作以下变换：将被试换热模块内的加热管通电加热，而集水箱内的电加热管不接电，水、气通过加热管时对加热管进行冷却；

3.在上述二种模型下，对水气流向为横流、逆流和顺流模式的换性能进行试验：

A.水气流向为横流模式的试验

将集水箱盖放置在集水箱上，并与被试换热模块段的下侧孔法兰相连接，将布水池放在被试换热模块段方管的上侧孔上，布水池通过侧面的法兰与换热模块段的上侧孔法兰连接；被试换热模块从被试换热模块段的前侧孔推入方腔内；被试换热模块段右边与进风口段连接，左边依次与收水器段、圆接方过渡段、风机、风量测试段连接；水泵进口与集水箱底部相联，水泵出口依次连接水阀、浮子流量计、再由水管通入布水池；试验时，水由水泵从集水箱中抽到布水池后自上而下喷洒到被试换热模块，然后落入集水箱再循环；在风机抽吸下，风从右边进风口吸入，水平流过被试换热模块，再经过收水器段、圆接方过渡段、风机，从风量测试段排出；

B.水气流向为逆流或顺流模式的试验

首先将横流模式时水平放置的由进风口段、被试换热模块段、收水器段、圆接方过渡段、风机，风量测试段构成的风筒通过支架垂直放置，进风口朝下，悬空挂在集水箱的正上方，集水箱不盖盖，被试换热模块段上与集水箱和布水池连接的方孔分别用被试换热模块段侧封盖封闭，并在被试换热模块段和收水器段之间插入淋水管网段，淋水管网由一根总管和多根支管组成，支管底部开多排小孔，并互成一定角度；水泵进口与集水箱底部相联，水泵出口依次连接水阀、浮子流量计、再由水管通入淋水管网；试验时，水由水泵从集水箱中抽到淋水管网后自上而下喷洒到被试换热模块，然后落入集水箱再循环；在风机抽吸下，风从下面的进风口吸入，自下而上流过被试换热模块，再经过淋水管网段、收水器段、圆接方过渡段、风机，从风量测试段朝天排出；对顺流模式，在逆流模式的基础上，将风机反转。

上述步骤中，分别用浮子流量计测试水流量、用功率表测试加热功率、用毕托管和倾斜式微压计测试风量、用壁面静压管和倾斜式微压计测试阻力，用机械通风干湿球温度计测试空气的干湿球温度、用热电偶和温度采集仪测试温度。

通过测试，对外热源散热模型，定义填料的容积散质系数和阻力系数，与气水比、淋水密度和空气流速关联，关联式分别为：

β_xv＝Bq^mgⁿ

式中β_xv为容积散质系数，kg/(m³h)；q为淋水密度，kg/(m²h)；g为空气重量流速，kg/(m²h)；B、m、n为系数。

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\gamma }_a}={\mathrm{Av}}^n$

式中ΔP为填料阻力，N/m²；γ_a为空气容重，N/m³；v为通过填料的气流速度，m/s；A、n是与淋水密度有关的系数。

通过测试，对内热源散热模型，将稳定工况下集水箱内水的温度值，作为管外水膜的定性温度，定义并计算管外综合换热系数K：

K＝Q/A(T₁-T₂)

式中K-管外综合换热系数，W/(m2.k)；Q-加热管功率，W；A-加热管换热面积，m2；T1-管壁温度，℃；T2-稳定工况下集水箱内水的温度值，℃。

阻力为：

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\gamma }_a}{\mathrm{Av}}^n$

式中ΔP为换热模块阻力，N/m²；γ_a为空气容重，N/m³；v为通过换热模块的气流速度，m/s；A、n是与淋水密度有关的系数。

本发明的有益效果是：用同一套风源、水源、电热源和测试系统，以一个小型风筒为主体，通过简单的变换，在外热源情况下，可以对水气横流、逆流和顺流等多种模式下热水在填料中散热的性能进行试验；在内热源情况下，可以对水气横流、逆流和顺流等多种模式下的热源冷却性能进行试验。其结构巧妙，外型美观，突出了多功能性，已有试验表明，该试验台灵敏度高，重复性好。这些试验基本囊括了开式冷却塔以及闭式冷却塔和蒸发冷却(冷凝)器的管外侧的主要热性能试验，方法简单可行，实验范围广，综合性强，对研究蒸发冷却的机理和各类冷却塔的设计开发有现实的应用价值，特别适用于大专院校的开放性教学实验和研发机构的科研试验。

附图说明

图1是换热模块外热源试验模型示意图；

图2是换热模块内热源试验模型示意图；

图3是横流试验模式示意图；

图4是逆流或顺流试验模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作进一步的说明。

本发明的对蒸发冷却不同换热模型和模式下的一体化性能测试方法，基于一种用于蒸发冷却换热模块性能测试的多功能试验台。该试验台包括风系统、水系统和测试系统，主要由集水箱10、集水箱盖9、水泵11、风量测试1、风机2、圆接方过渡段3、收水器段4、淋水管网段13、被试换热模块段6、被试换热模块8、进风口段7、布水池5、两个被试换热模块段侧封盖14，15和支架12构成。空气的干湿球温度由机械通风干湿球温度计测试；水温和管壁温由热电偶通过温度采集仪测试；水量由阀门调节，并由浮子流量计测试；风量由调速器调节，并由安装在风量测试段喉部的毕托管通过倾斜式微压计测试；气侧阻力由被试换热模块段6两端壁面静压管通过倾斜式微压计测试；散热量由调压器调节，并由功率表测试。除毕托管插在风量测试段1外，其它仪器全部固定在支架12上的仪表盘上。其特征在于被试换热模块段6由六截单侧带法兰的方管焊接而成，中心构成一个正方体的空腔，可安放被试换热模块8。被试换热模块8呈正方体，并由两块有机玻璃侧板和四根铝制横梁组成框架，其中换热模块为淋水填料、管束、管束与填料的组合体中的一种，其填料形式、管径、管型、管间距和排列形式以及管束与填料的结合形式由设计目标决定，管直接固定在有机玻璃板上，内置电加热，不同管径和不同排列形式更换有机玻璃板即可，填料固定可借助于细线捆绑。

如图1所示，对空气在填料内冷却热水的试验模型(即换热模块外热源试验模型)，由集水箱10的内置电加热管接电供热，被加热后的热水在被试换热模块8的填料中被空气冷却。

如图2所示，对空气和辅助喷淋水冷却加热管的实验模型(即换热模块内热源试验模型)，作如下变换：将被试换热模块8内的加热管通电加热，而集水箱10内的电加热管不接电，水、气通过加热管时对加热管进行冷却。

如图3所示，为了适应水气流向为横流的试验模式，将集水箱盖9放置在集水箱10上，集水箱盖9上有一个方孔，并有法兰可以与被试换热模块段6的下侧孔法兰相连接，将布水池5放在被试换热模块段6方管的上侧孔上，布水池5为一个截面与换热模块截面相同的扁方腔，顶面开口，底面有密集小孔，侧面有法兰可与换热模块段6的上侧孔法兰连接。被试换热模块8从被试换热模块段6的前侧孔推入方腔内。被试换热模块段6右边与进风口段7连接，左边依次与、收水器段4、圆接方过渡段3、风机2、风量测试段1连接；水泵11进口与集水箱10底部相联，水泵11出口依次连接水阀、浮子流量计、再由水管通入布水池5。试验时，水由水泵11从集水箱10中抽到布水池5后自上而下喷洒到被试换热模块8，然后落入集水箱10再循环；在风机2抽吸下，风从右边进风口吸入，水平流过被试换热模块8，再经过收水器段4、圆接方过渡段3、风机2，从风量测试段1排出。

如图4所示，为了适应水气流向为逆流或顺流的试验模式，作如下变换：将横流模式时水平放置的由进风口段7、被试换热模块段6、收水器段4、圆接方过渡段3、风机2，风量测试段1构成的风筒通过支架12垂直放置，进风口朝下，悬空挂在集水箱10的正上方，集水箱10不盖盖，被试换热模块段6上原来与集水箱10和布水池5连接的方孔分别用被试换热模块段侧封盖14，15封闭，并在被试换热模块段6和收水器段4之间插入淋水管网段13，淋水管网由一根总管和多根支管组成，支管底部有多排小孔，互成一定角度。水泵11进口与集水箱10底部相联，水泵11出口依次连接水阀、浮子流量计、再由水管通入淋水管网。试验时，水泵11从集水箱10中将水抽到淋水管网后自上而下喷洒到被试换热模块8，然后落入集水箱10再循环；在风机2抽吸下，风从下面的进风口吸入，自下而上流过被试换热模块8，再经过淋水管网段13、收水器段4、圆接方过渡段3、风机2，从风量测试段1朝天排出。顺流和逆流的变换只需将风机反转即可。

本发明一体化测试方法，测试结果的回归：

1.对外热源散热模型，定义填料的容积散质系数和阻力系数，与气水比、淋水密度和空气流速关联，关联式为：

β_xv＝Bq^mgⁿ

式中β_xv为容积散质系数，kg/(m³h)；q为淋水密度，kg/(m²h)；g为空气重量流速，kg/(m²h)；B、m、n为系数。

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\gamma }_a}={\mathrm{Av}}^n$

式中ΔP为填料阻力，N/m²；γ^a为空气容重，N/m³；v为通过填料的气流速度，m/s；A、n是与淋水密度有关的系数。

2.对内热源散热模型，在稳定工况下，由于辅助喷淋水循环使用，其进出换热模块时的温度将趋于某一稳定值，即为集水箱内的温度，以此温度作为管外水膜的定性温度，定义并计算管外综合换热系数K：

K＝Q/A(T₁-T₂)

式中K-管外综合换热系数，W/(m2.k)；Q-加热管功率，W；A-加热管换热面积，m2；T1-管壁温度，℃；T2-稳定工况下集水箱内水的温度值，℃。

阻力为：

$\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\gamma }_a}={\mathrm{Av}}^n$

式中ΔP为换热模块阻力，N/m²；γ_a为空气容重，N/m³；v为通过换热模块的气流速度，m/s；A、n是与淋水密度有关的系数。