全铝板翅式换热器流体阻力特性测量试件

摘要

本发明涉及全铝板翅式换热器流体阻力特性测量试件。目前多采用的单通道、全铝结构的板翅式换热器试件，表面容易产生腐蚀，重复性无法保证，且尺寸大、重量重、工艺复杂、成本高。本发明包括上游管、上游管法兰、下游管、下游管法兰、节流板、取压接头。利用流体流经管道内的节流板时，在节流板附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力。本发明采用节流板节流装置作为流体阻力试件，就是利用其节流作用，在规定流量下，产生一个标准的阻力。本发明试件可以拆装，适应于不同阻力测试范围；试件结构简单，易于制造、安装、运输，成本低，能够确保试件流体阻力特性的重复性，特别适用于大型全铝结构的板翅式换热器流体阻力实验台。

说明书

技术领域

本发明属于流体阻力特性测量技术领域，具体涉及到全铝板翅式换热器的流体阻 力特性测量试件。

背景技术

板翅式换热器是一种传热效率高、结构紧凑、重量轻的紧凑式换热设备；与传统的 管壳换热器相比，其传热效率高，产品生产成本相对较低，尤其适合于两侧对流换热系数相 差较大以及流道布置复杂的场合。板翅式换热器可以允许有多种工质同时进行换热，其承 压能力和适应性强。

目前，板翅式换热器已在石油化工、航空航天、空气分离、制冷空调、核能发电、武 器装备、能源动力、冶金工业、车辆工程等领域得到广泛应用，在热能的高效利用、余热回 收、节约原料和降低成本等方面，显现出突出的技术与经济优势。

板翅式换热器多采用比重小、导热系数高的薄壁铝材，经冲压和钎焊制作而成，以 提高导热能力、减轻重量、降低制造成本。全铝板翅式换热器在大气环境下存放，翅片表面 容易腐蚀，适宜于在氮气或氮氦混合体下使用和储存，其制造和储存成本高。

板翅式换热器出厂前要进行流体阻力实验，其目的是测量流体流动的阻力。阻力 特性与工质的流量、风机(泵)压头和电机功率等设计和应用要求有关。流动特性与换热器 的传热特性之间有强耦合关系。因此，板翅式换热器流体阻力是衡量产品能否达到技术和 使用要求的重要性能指标。

换热器流体阻力实验是利用风(液)洞实验台，在考虑流体温度以及气体湿度、气 压等条件下，精确控制流体流量，在不同流体流量条件下，测量出换热器的流动阻力。

为了保证实验台的测量不确定度和测试数据的重复性，首先必须对仪器和传感器 进行计量和检定，然后采用比对法对实验台的测量不确定度进行综合测试，即：制作一个流 体阻力试件，经第三方检测机构测试，获得不同流量下的阻力曲线。然后，将流体阻力试件 安装在本单位的流体阻力实验台上测试，获得不同流量下的阻力曲线，若两条阻力曲线的 误差在允许的范围内，则单位的流体阻力实验台视为合格。否则，需要重新进行校准。

传统上，板翅式换热器流体阻力实验台的试件，多采用单通道、全铝结构的板翅式 换热器试件，会存在以下问题：

1、铝在空气中容易氧化、腐蚀，使流道和流体阻力发生变化。全铝式换热器通常存 放在大气环境中，搁置一段时间后，翅片表面容易产生腐蚀，从而使试件的流体阻力和传热 特性发生改变，其重复性无法保证。

2、大型板翅式换热器流体阻力实验台所需的试件采用板翅式换热器，其尺寸大、 重量重、加工工艺复杂、造价昂贵和运输成本很高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种全铝板翅式换热器流体阻力特 性测量试件。

板翅式换热器流体阻力实验的本质是测量换热器在额定流体流量条件下产生的 流动阻力。

本发明针对这一物理原理的本质，采用孔板节流装置作为流体阻力试件。传统上， 孔板节流装置被制成传感器，用于气体或液体的流量测量。孔板的工作原理就是利用流体 流经管道内的孔板时，在孔板附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力。 本发明采用孔板节流装置作为流体阻力试件，就是利用其节流作用，在规定流量下，产生一 个标准的阻力。

本发明包括上游管、上游管法兰、下游管、下游管法兰、节流板、取压接头。所述的 上游管与下游管内径所述的上游管与上游管法兰等径，上游管法兰的一端与上游管的一个 端口焊接；所述的下游管与下游管法兰等径，下游管法兰的一端与下游管的一个端口焊接。 上游管法兰的另一端与下游管法兰的另一端对接，并通过螺栓固定。上游管法兰的另一端 沿端口开有截面为L形的上游环形槽口，下游管法兰的另一端沿端口开有截面为L形的下游 环形槽口，上游管法兰与下游管法兰对接后，两环形槽口形成环形槽。所述的节流板为金属 圆板，节流板设置在环形槽内，并通过环形垫片密封。

下游管外壁上设置有四个取压接头，四个取压接头沿下游管外壁的同一圆周均匀 分布；三个取压接头上设置有三通接头，另一个取压接头上设置有四通接头；四个取压接头 分别与下游管连通，取压接头之间通过三个三通接头和一个四通接头，以及管路连通，四通 接头的一个端口连接有压力表。

所述的节流板的中心开有节流孔，节流孔由圆柱形部分和圆台形部分组合而成； 圆台形部分的顶面朝向上游管、底面朝向下游管，圆柱形部分与圆台形部分的顶面相接，且 直径相等。节流板的厚度为E、圆柱形部分的高度为e、圆台形部分的顶面直径为d、圆台形部 分的侧壁倾斜角为α(即圆台形部分的轴截面下底角的余角)、上游管和下游管的内径为D， 则：

0.005D≤e≤0.02D，e＜E≤0.05D，30°≤α≤60°；d由下式确定：

$q_{v_{max}}=\frac{C}{\sqrt{1-{\beta }^4}}ϵ\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\Delta P}}_{\max }}{\rho }};\beta =\frac{d}{D};$

其中：△P为孔板两侧的静压差，△P_max为孔板两侧的最大静压差，Pa；q_v为流体体 积流量，为最大流体体积流量，m³/s；ε为流体膨胀系数；C为流体流量系数；ρ为介质工况 密度，kg/m³。

测量时，通过调节体积流量q_v的大小产生不同的静压差△P，来进行流体阻力实 验。

本发明虽然在物理原理上与孔板流量计类似，但是目的和用途却不同；孔板流量 计用于测量流体流量q_v，孔板流体阻力试件用于产生静压差△P。

与传统的流体阻力实验试件相比，本发明，有以下优点：

1、流体阻力实验试件采用不锈钢等抗腐蚀的材料制作，可完全避免金属材料腐 蚀；

2、孔板元件可以设计成可拆装结构，适应于不同阻力测试范围；

3、试件结构简单，易于制造、安装、运输，成本很低；

4、能够确保试件流体阻力特性的重复性，特别适用于大型全铝结构的板翅式换热 器流体阻力实验台，也可以作为其它类型换热器的流体阻力或液体阻力试件。

附图说明

图1为本发明的轴截面结构示意图；

图2为本发明的下游管的端面结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，全铝板翅式换热器流体阻力特性测量试件包括上游管1、上游管法 兰2、下游管3、下游管法兰4、节流板5、取压接头6。所述的上游管1与上游管法兰2等径，上游 管法兰2的一端与上游管1的一个端口焊接；所述的下游管3与下游管法兰4等径，下游管法 兰4的一端与下游管3的一个端口焊接。上游管法兰2的另一端与下游管法兰4的另一端对 接，并通过螺栓7固定。上游管法兰2的另一端沿端口开有截面为L形的上游环形槽口2-1，下 游管法兰4的另一端沿端口开有截面为L形的下游环形槽口4-1，上游管法兰2与下游管法兰 4对接后，两环形槽口形成环形槽。所述的节流板5为金属圆板，节流板5设置在环形槽内，并 通过环形垫片8密封。

下游管3外壁上设置有四个取压接头6，四个取压接头沿下游管3外壁的同一圆周 均匀分布；三个取压接头上设置有三通接头6-1，另一个取压接头上设置有四通接头6-2；四 个取压接头6分别与下游管3连通，取压接头之间通过三个三通接头6-1和一个四通接头6- 2，以及管路6-3连通，四通接头的一个端口连接有压力表6-4。

所述的节流板5的中心开有节流孔，节流孔由圆柱形部分5-1和圆台形部分5-2组 合而成；圆台形部分5-2的顶面朝向上游管1、底面朝向下游管3，圆柱形部分5-1与圆台形部 分5-2的顶面相接，且直径相等。节流板5的厚度为E、圆柱形部分5-1的高度为e、圆台形部分 5-2的顶面直径为d、圆台形部分5-2的侧壁倾斜角为α(即圆台形部分5-2的轴截面下底角的 余角)、上游管1和下游管3的内径为D，则：

0.005D≤e≤0.02D，e＜E≤0.05D，30°≤α≤60°；d由下式确定：

$q_{v_{max}}=\frac{C}{\sqrt{1-{\beta }^4}}ϵ\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{\frac{2{\mathrm{\Delta P}}_{\max }}{\rho }};\beta =\frac{d}{D};$

其中：△P为孔板两侧的静压差，△P_max为孔板两侧的最大静压差，Pa；q_v为流体体 积流量，为最大流体体积流量，m³/s；ε为流体膨胀系数；C为流体流量系数；ρ为介质工况 密度，kg/m³。

本实施例中，管道内径D为350mm，e＝0.01D＝3.5mm，取整得e＝4mm，E＝0.04D＝ 14mm，α＝45°；已知工作状态下D＝350mm、ρ＝1.29kg/m³、q_v＝5000m³/h、ΔP＝20kPa、C＝0.6 和ε＝0.945，通过代入法可知当d＝150mm时，满足条件，即取d＝150mm。

测量时，按照下式通过调节体积流量q_v的大小产生不同的静压差△P，来进行流体 阻力实验。

$\Delta P={\left(\frac{q_v\sqrt{1-{\beta }^4}}{C·ϵ·\frac{\pi }{4}{d}^2}\right)}^2\frac{\rho }{2};$

已知d、ε、C和ρ，通过调节体积流量q_v的大小可以产生不同的静压差ΔP。

流体从上游管流经管道内的节流板，在节流板附近造成局部收缩，流速增加，在其 上、下游两侧产生静压力来进行流体阻力实验。