一种管内两相流动沸腾换热测试系统及控制方法

技术领域

本发明涉及换热测试技术领域，尤其涉及一种管内两相流动沸腾换热测试系统及控制方法。

背景技术

对各种换热管内工质流动沸腾换热特性的研究属于较重要的基础性研究之一，分析换热管结构参数、工质热物理特性等对管内流动沸腾换热特性的影响，对高效换热器的研发、新型制冷剂的替代等研究具有指导性意义。

获得精确的管内流动沸腾换热实验数据是进行其机理研究的前提，因此需搭建测试平台以模拟实验运行环境，进而实现管内流动沸腾换热过程的研究。在实验进行中，协调好工质流量、饱和压力、干度、热流密度等参数的相互影响效果，对平台较大测试范围内的有效调节至关重要。在现有技术中，管内流动沸腾换热系统主要由三部分组成：换热管测试系统、水循环系统、乙二醇-水溶液系统，其中换热管测试系统为核心系统，通过对此系统中泵运转频率、换热器加热量、膨胀阀开度等的调节实现工质测试要求，而水循环系统主要用在实验段与工质进行热量交换，乙二醇-水溶液系统主要用于提供低温冷量，以平衡其它部件内的加热量。此外，为满足沸腾换热的低压需求，还在泵出口处设置旁通阀，使工质由泵出口流向储液器，以达到降压效果。基于实验调试结果，除结构复杂、系统庞大等缺陷外，此系统在实验工况调节范围上具有较大局限性：1)流动沸腾换热的饱和压力较低，而工质流量、干度等工况均与饱和压力呈正相关，为达到饱和压力设定需求，将对膨胀阀、低温冷源等设备提出较大的能力调节需求；2)在实验段使用水对工质进行加热处理，水的有效使用范围在0°以上，即间接减小了饱和压力的调节范围；3)当工质流量较大时，旁通阀的降压效果低于其泄洪效果，即在饱和压力达到设定工况的情况时，大部分工质经旁通阀流向储液器，致使工质流量并不随泵频率的增大而增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种管内两相流动沸腾换热测试系统及控制方法，该方案不仅可有效降低工质流动波动性对实验参数测量精度的影响，还可基于现有设备部件能力的前提下，扩大实验测试范围、提高工况环境的控制精度。

本发明所采用的技术方案是：一种管内两相流动沸腾换热测试系统，依次包括工质泵、质量流量计、预热器、实验段、第二膨胀阀、冷凝器、第一储液器以及过冷器，所述第一储液器、过冷器以及冷凝器均连接低温冷源，其特征在于：所述工质泵与质量流量计之间还设有第一膨胀阀，且测试系统还包括第二储液器，所述第二储液器一端通过第一球阀与工质泵与第一膨胀阀之间的管路连通，第二储液器另一端通过第二球阀与第一储液器连通。

作为优选，所述第一储液器以及第二储液器上设有用于观测液位的视液镜，且所述第二储液器内还设有电加热器。

一种管内两相流动沸腾换热测试方法，它包括以下步骤：

S1、测试系统开始工作，持续调节第二膨胀阀的开度，同时检测实验段工质压力，若在第二膨胀阀的开度达到设定的阈值之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当第二膨胀阀调节到阈值开度后停止调节第二膨胀阀然后跳转到下一步；

S2、持续调节第一膨胀阀的开度，同时检测实验段工质压力，若在第一膨胀阀的开度达到设定的阈值之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当第一膨胀阀调节到阈值开度后停止调节第一膨胀阀然后跳转到下一步；

S3、持续调节连接第一储液器的低温冷源所提供的载冷剂流量与温度，同时检测实验段工质压力，若在载冷剂的流量以及温度达到设定的阈值之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当载冷剂的流量以及温度达到设定阈值后停止调节载冷剂工况然后跳转到下一步；

S4、打开第一球阀，调节第一储液器内的工质存储量，同时检测实验段工质压力，若在第一储液器内的工质存储量达到设定的阈值之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则关闭第一球阀，然后判断本测试系统不能满足设定工况的测试要求；

S5、运行实验，采集数据，实验结束。

作为优选，实验段工质压力为实验段前的压力值P4与实验段后的压力值P5的平均值。

作为优选，经步骤S2、S3、S4调节达到设定的饱和压力后，还需要控制第二膨胀阀进行回调，使得检测到的实验段工质压力与设定的饱和压力之间的差值小于设定的阈值。

作为优选，步骤S2、S3以及S4在调节时还需要检测质量流量计与预热器之间的压力值P3及实际温度T1，根据检测到的压力值P3得到饱和温度TP3，并且当TP3与T1两者差值大于设定的阈值时，控制调节停止。

采用以上系统及方法与现有技术相比，本发明具有以下优点：首先具有设计合理、操作简单、元件方便获得等优点，并且与传统方式相比，调节第一膨胀阀开度，调节第一储液器内载冷剂流量/温度等工况，控制第一储液器内工质存储量，通过这三种方式的协作来实现实验段两相换热区饱和压力的精确调节，可使实验运行稳定性更好、参数控制精确性更高。

附图说明

图1为本发明一种管内两相流动沸腾换热测试系统的原理示意图。

图2为本发明所涉及的管内两相流动沸腾换热区恒压控制方法的机理脉络图。

图3为本发明一种管内两相流动沸腾换热区恒压控制方法的操作流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。

一种管内两相流动沸腾换热测试系统，整体包括换热管测试回路和工质旁通回路，具体包括工质泵、第一膨胀阀、质量流量计、预热器、实验段、第二膨胀阀、冷凝器、第一储液器、过冷器以及第二储液器，其中工质泵、第一膨胀阀、质量流量计、预热器、实验段、第二膨胀阀、冷凝器、第一储液器、过冷器依次首尾连通，组成换热管测试回路；第二储液器通过第一球阀连接到第一膨胀阀与工质泵之间的管路上，并通过第二球阀与第一储液器连通，组成工质旁通回路。此外，过冷器、冷凝器、第一储液器均连接低温冷源，第二储液器内设置有电加热器，并且在第一储液器与第二储液器上均设置有视液镜。

第一膨胀阀布置于工质泵与质量流量计之间，第二储液器实质与第一膨胀阀并联，两者流通工质均直接来自工质泵出口，最终流进第一储液器。实验运行中，主要通过调节工质泵运转频率实现对工质流量的控制，主要通过调节第二膨胀阀的开度实现对实验段工质压力的控制，主要通过调节电加热块(器)的加热功率对预热器/实验段、第二储液器内换热量进行控制，通过调节低温冷源内载冷剂流量/温度对冷凝器/第一储液器/过冷器内换热量进行控制。工质旁通回路中，通过第一球阀的启闭控制实现工质在换热管测试回路与第二储液器内的迁移，通过第二球阀的启闭控制实现工质在第一储液器和第二储液器之间的迁移。

本质上，工质泵出口处并联设置的第一膨胀阀和第二储液器分别通过对工质泵出口处、进口处工质压力的控制实现对实验段工质压力的调节，其中，第一膨胀阀开度主要根据实验段出口处工质压力的设定要求使用PID表进行自动控制，并使用预热器进口处工质状态做进一步校核，第二储液器主要用于存储换热管测试回路中迁移出的多余工质。此外，实验同样根据实验段工质压力设定要求，使用PID表对第二膨胀阀的开度实现自动控制。实验运行中，为避免工质流动的间断性，并使电加热器完全寖没在工质中，以确保实验运行的安全性，需在所述第一储液器和第二储液器内存储部分工质，并通过视液镜观测第一储液器和第二储液器内工质液位，以确定工质存储量；实验主要采用三种方法协同操作的形式实现对实验段换热区工质压力的控制，即：调节第一膨胀阀开度，调节连接第一储液器的低温冷源内载冷剂流量/温度，控制第一储液器内工质存储量(实际操作本质是将第一储液器内的工质流向第二储液器，进而达到控制第一储液器内的工质存储量的目的)，并根据工况需求及操作便捷性，确定三种方式的操作优先级。如图1所示，为确定管路各位置工质状态，设置了多个压力测点，分别为P1、P2……、P9，同时也设置了多个温度测点，分别为T1、T2和T3。

本发明主要控制方法包括以下步骤：

S1、测试系统开始工作，持续增大第二膨胀阀的开度，同时检测实验段工质压力，若在第二膨胀阀的开度达到100％全开之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当第二膨胀阀调节到100％全开状态后停止调节第二膨胀阀然后跳转到下一步；

S2、由100％全开持续减小第一膨胀阀的开度，同时检测实验段工质压力，若在第一膨胀阀的开度达90％开度之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当第一膨胀阀调节到90％开度后停止调节第一膨胀阀然后跳转到下一步；

S3、首先持续增大连接第一储液器的低温冷源所提供的载冷剂流量，同时检测实验段工质压力，若在载冷剂驱动泵达到满负载运行之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当载冷剂驱动泵达到满负载运行后停止调节载冷剂驱动泵，然后降低第一储液器内载冷剂进口温度，同时检测实验段工质压力，若在载冷剂进口温度降至最低温度之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则当载冷剂进口温度降至最低温度后停止调节低温冷源运转负荷，最后跳转到下一步；

S4、打开第一球阀，使工质流入第二储液器，进而实现调节第一储液器内的工质存储量的目的，同时检测实验段工质压力，若在第一储液器内的工质相对液位达到0.3之前，检测到实验段工质压力达到设定的饱和压力，则跳转到步骤S5，否则关闭第一球阀，然后判断本测试系统不能满足设定工况的测试要求；

S5、运行实验，采集数据，实验结束。

其中，实验段工质压力为实验段前压力值P4与实验段后压力值P5的平均值。

而且，经步骤S2、S3、S4调节达到了设定的饱和压力后，还需要减小第二膨胀阀开度进行回调，使得检测到的实验段工质压力与设定的饱和压力之间的差值小于0.3kPa。

并且，步骤S2、S3以及S4在调节时还需要检测质量流量计与预热器之间的压力值P3及实际温度T1，根据检测到的压力值P3得到饱和温度TP3，并且当TP3与T1两者差值大于4℃时，方可确定测量参数有效。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。