Экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов
EXPERIMENTAL ASSEMBLY FOR STUDYING HEAT EXCHANGERS

Заявляемое изобретение относится к области лабораторных теплофизических измерений и, в частности, к определению тепловых, аэродинамических и гидравлических параметров рекуперативных теплообменных аппаратов различных типов, выполняемых в ходе учебной подготовки специалистов в области теплотехнического оборудования, испытаний теплообменных аппаратов с целью определения их основных параметров.
Из существующего уровня техники известен стенд для испытания теплообменников. Стенд для испытания теплообменников содержит насос, экспериментальный участок с входным и выходным патрубками и трубными дисками для крепления теплообменных труб и контрольно-измерительные приборы. Экспериментальный участок выполнен секционным, каждая секция которого имеет форму параллелепипеда и отделена от смежных посредством съемных диафрагм, а по межтрубному пространству секции соединены посредством переходников, образующих зигзагообразный канал, подключенный к входному и выходному патрубкам (авторское свидетельство СССР №951063, опубликованное 15.08.1982, МПК F28F 27/00, F28D 7/00, G01M 10/00). Недостаткам данного технического решения является малое разнообразие типов проверяемых рекуперативных теплообменных аппаратов, а именно только трубчатые рекуперативные теплообменные аппараты.
Известен стенд для тепловых и гидравлических испытаний жидкостно-жидкостных рекуперативных теплообменников (выбранный за прототип). В циркуляционные контуры тепло- и хладоносителей стенда для тепловых и гидравлических испытаний жидкостно-жидкостных рекуперативных теплообменников включены трубное и межтрубное пространство исследуемых рекуперативных теплообменных аппаратов. Причем рассматриваемый стенд содержит промежуточные контуры для нагреваемой и охлаждаемой сред, связанные с основными циркуляционными контурами при помощи рекуперативных теплообменных аппаратов (авторское свидетельство СССР №606003, опубликовано 05.05.1978, МПК F04B 51/00, F28D 15/00, G01M 15/00). Рассматриваемый стенд содержит компрессионную холодильную машину, циркуляционные насосы, вентили, сборные баки, нагреватель теплоносителя, расходомеры, приборы измерения температуры, дифференциальные манометры, вакуумный насос, гидролинии, исследуемые рекуперативные теплообменники, промежуточный рекуперативный теплообменный аппарат. Недостатком рассматриваемого технического решения является то, что стенд для тепловых и гидравлических испытаний жидкостно-жидкостных рекуперативных теплообменников позволяет испытывать только рекуперативные теплообменные аппараты типа жидкость-жидкость и, напротив, такие типы рекуперативных теплообменных аппаратов, как газ-жидкость (например, радиаторы системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания) не позволяет. Кроме указанного недостатка, следует отметить, что рассматриваемый стенд практически непригоден для использования в учебных целях для подготовки специалистов в области теплотехнического и энергетического оборудования. В учебном процессе необходимо осуществлять практическое изучение различных типов рекуперативных теплообменных аппаратов при различных схемах движения их теплоносителей, например таких как прямоток или противоток. При практическом изучении особенностей различных рекуперативных теплообменных аппаратов очень важно, чтобы изучаемые их различные конструкции были установлены на стенд при помощи штатных трубопроводов, а при помощи перекрытия соответствующей запорной арматуры обеспечивался доступ теплоносителей только к исследуемому теплообменному аппарату, причем по гидравлическим схемам движения теплоносителей, как противоток или прямоток.
Задачей данного изобретения является создание универсальной экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов различных типов, таких как трубчатые кожухотрубные, пластинчатые воздушные радиаторы, при различных схемах движения теплоносителей, таких как противоток или прямоток.
Поставленная задача решается следующим образом: экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов содержит гидролинии, циркуляционные насосы, вентили, электронагреватель теплоносителя, расходомеры, дифференциальные манометры, приборы измерения температуры, исследуемые рекуперативные теплообменники - дополнительно содержит рекуперативный теплообменник-охладитель теплоносителя, манометры, сепараторы воздуха, гидроаккумуляторы для компенсации теплового расширения теплоносителя, воздушный радиатор с электровентилятором, систему автоматического управления и контроля, при этом первый циркуляционный насос, на выходе из которого установлен первый манометр, последовательно соединен при помощи гидролинии с электронагревателем теплоносителя и далее с гидролинией, подводящей теплоноситель к первым контурам трех исследуемых рекуперативных теплообменников, которые подключены к ней по параллельной схеме при помощи вентилей, выходы из первых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников при помощи вентилей по параллельной схеме подключены к гидролинии, отводящей от них теплоноситель, гидролиния, отводящая теплоноситель от первых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников, соединена через первый расходомер с входом первого циркуляционного насоса, на гидролинии, отводящей теплоноситель от первых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников, установлен первый гидроаккумулятор для компенсации теплового расширения теплоносителя, на гидролинии, подводящей теплоноситель к первым контурам трех исследуемых рекуперативных теплообменников, установлен первый сепаратор воздуха, вторые контуры трех исследуемых рекуперативных теплообменников параллельно соединены при помощи вентилей с гидролиниями теплоносителя вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников, гидролиния, подводящая теплоноситель к гидролиниям вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников, соединена с выходом второго циркуляционного насоса, на выходе из которого установлен второй сепаратор воздуха и второй манометр, гидролиния, отводящая теплоноситель от гидролинии вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников, последовательно соединена через второй расходомер с жидкостным контуром воздушного радиатора с электровентилятором и далее с первым контуром рекуперативного теплообменника охладителя теплоносителя и с входом второго циркуляционного насоса, второй контур теплообменника охладителя теплоносителя соединен с гидролиниями, подводящими и отводящими от него внешний холодный теплоноситель, гидролинии, подводящие и отводящие теплоноситель от вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников, соединены друг с другом при помощи двух гидролиний, на каждой из которых установлены вентили, на гидролиниях, подводящих и отводящих теплоноситель от вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников на участке между двумя гидролиниями, соединяющих их установлены вентили, на гидролинии, подводящей теплоноситель к вторым контурам трех исследуемых рекуперативных теплообменников, установлен второй гидроаккумулятор для компенсации теплового расширения теплоносителя, между входом и выходом из первых и вторых контуров каждого из трех исследуемых рекуперативных теплообменников установлен дифференциальный манометр, между входом и выходом из жидкостного контура воздушного радиатора с электровентилятором установлен дифференциальный манометр и приборы для измерения температуры теплоносителя, на гидролиниях, подводящих и отводящих теплоноситель к первым и вторым контурам трех исследуемых рекуперативных теплообменников, установлены приборы для измерения температуры, автоматическая система управления и контроля позволяет управлять мощностью электронагревателем теплоносителя с электровентилятором воздушного радиатора, производительностью первого и второго циркуляционных насосов, отображать задействованные гидролинии, контролировать расход и температуру теплоносителей, предупреждать о возникновении аварийных ситуаций.
На фиг. 1 изображен контур нагрева теплоносителя экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов, на фиг. 2 изображен контур трех исследуемых рекуперативных теплообменников экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов, на фиг. 3 изображен контур рассеивания тепловой энергии экспериментальной установки для исследования теплообменных аппаратов.
Контур нагрева теплоносителя экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов (фиг. 1) содержит: электронагреватель теплоносителя 1, первый гидроаккумулятор для компенсации теплового расширения теплоносителя 2, первый циркуляционный насос 3, первый сепаратор воздуха 4, прибор для измерения температуры 5, представляющий собой платиновый термометр сопротивления, первый расходомер 6 ультразвукового типа, первый манометр 7, представляющий собой датчик давления.
Контур трех исследуемых рекуперативных теплообменников экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов (фиг. 2) содержит: исследуемые рекуперативные теплообменники - пластинчатый паянный рекуперативный теплообменник 8, трубчатый кожухотрубный рекуперативный теплообменник 9, змеевиковый рекуперативный теплообменник 10, вентили 11, представляющие собой шаровые краны, контролирующие подключение любого из трех исследуемых рекуперативных теплообменников, прибор для измерения температуры 5, представляющего собой платиновый термометр сопротивления, дифференциальных манометров 12, представляющих собой дифференциальные датчики давления, необходимые для измерения перепада давлений в каждом отдельном первом и втором контурах трех исследуемых рекуперативных теплообменников, гидролинию, подводящую теплоноситель к первым контурам трех исследуемых рекуперативных теплообменников 13, гидролинию, отводящую теплоноситель от первых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 14, гидролинии теплоносителя второго контура трех исследуемых рекуперативных теплообменников 15, 16.
Контур рассеивания тепловой энергии экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов (фиг. 3) содержит: вентили 17, 18, 19, 20, 25, представляющие собой шаровые краны, второй циркуляционный насос 3, второй гидроаккумулятор для компенсации теплового расширения теплоносителя 2, второй сепаратор воздуха 4, воздушный радиатор с электровентилятором 23, рекуперативный теплообменник-охладитель теплоносителя 24, прибор для измерения температуры 5, представляющий собой платиновый термометр сопротивления, дифференциальный манометр 12, представляющий собой дифференциальный датчик давления, второй расходомер 6 ультразвукового типа, второй манометр 7, представляющий собой датчик давления, гидролинию, отводящую теплоноситель от гидролиний вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 21, гидролинию, подводящую теплоноситель к гидролиниям вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 22, гидролинии 26, 27, соединяющие гидролинии, подводящие и отводящие теплоноситель от гидролиний вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников.
Экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов работает следующим образом.
Теплоноситель, подаваемый при помощи первого циркуляционного насоса 3 (фиг. 1), поступает в электронагреватель теплоносителя 1, где нагревается и поступает в первый сепаратор воздуха 4, в котором удаляется воздух, и далее к гидролинии, подводящей теплоноситель к первым контурам трех исследуемых рекуперативных теплообменников 13 (фиг. 2). Далее при помощи вентилей 11 (фиг. 2) теплоноситель из гидролинии, подводящей теплоноситель к первым контурам трех исследуемых теплообменников 13, направляется в один из испытуемых рекуперативных теплообменников (пластинчатый рекуперативный теплообменник 8, или кожухотрубный рекуперативный теплообменник 9, или змеевиковый рекуперативный теплообменник 10), в котором отдает свою теплоту второму теплоносителю и поступает в гидролинию, отводящую теплоноситель от первых контуров трех исследуемых теплообменников 14. По гидролинии, отводящей теплоноситель от первых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 14, теплоноситель поступает в первый гидроаккумулятор для компенсации теплового расширения теплоносителя 2 (фиг. 1), после чего поступает на вход первого циркуляционного насоса 3 (фиг. 1). Второй теплоноситель, нагреваясь в исследуемом рекуперативном теплообменнике 8 либо 9 или 10, направляется в гидролинию теплоносителя вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 15 или 16 (в зависимости от схемы движения теплоносителей - прямоток или противоток) (фиг. 2) и далее в контур рассеивания тепловой энергии экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов (фиг. 3). Для организации прямоточной схемы движения теплоносителя в каждом из трех исследуемых рекуперативных теплообменников их гидролиния вторых контуров 15 (фиг. 2) подключается к гидролинии, подводящей теплоноситель к гидролиниям вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 22 (фиг. 3) через гидролинию 26 (фиг. 3), соединяющую гидролинии, подводящие и отводящие теплоноситель от гидролиний вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 21, 22. При этом вентили 17 и 20 закрыты, а 18 и 19 открыты (фиг. 3). Также в этом случае гидролиния вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 16 (фиг. 2) соединена с гидролинией, отводящей теплоноситель от нее 21 (фиг. 3) через гидролинию 27, соединяющей гидролинии 21 и 22, подводящие и отводящие теплоноситель от гидролиний вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 15, 16 (фиг. 2). Для организации противоточной схемы движения теплоносителей в каждом из трех исследуемых рекуперативных теплообменников их гидролиния вторых контуров 16 (фиг. 2) подключается к гидролинии, подводящей теплоноситель к гидролиниям вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 22 (фиг. 3). При этом вентили 18 и 19 закрыты, а вентили 17 и 20 открыты (фиг. 3). Также в этом случае гидролиния вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 15 (фиг. 2) соединена с гидролинией, отводящей теплоноситель от гидролиний вторых контуров исследуемых рекуперативных теплообменников 21 (фиг. 3).
В контуре рассеивания тепловой энергии экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов (фиг. 3) теплоноситель, двигаясь по гидролинии, отводящей теплоноситель от гидролиний вторых контуров трех исследуемых рекуперативных теплообменников 21, подводится к воздушному радиатору с электровентилятором 23 и далее к первому контуру рекуперативного теплообменника охладителя теплоносителя 24, после которого направляется к второму гидроаккумулятору для компенсации теплового расширения теплоносителя 2 и далее подается на вход второго циркуляционного насоса 3. При испытании воздушного радиатора с электровентилятором 23 вентили 25 закрыты. Теплоноситель, циркулирующий через воздушный радиатор, охлаждается потоком воздуха, который подается к нему его электровентилятором. Включением электровентилятора воздушного радиатора 23 управляет автоматическая система управления и контроля (не показана). В случае неиспользования воздушного радиатора с электровентилятором 23 открываются вентили 25 и теплоноситель охлаждается в рекуперативном теплообменнике-охладителе теплоносителя 24.
Расход, температура и давление теплоносителя в контуре его нагрева экспериментальной установки для исследования теплообменных аппаратов контролируется первым расходомером 6, прибором для измерения температуры 5, первым манометром 7 соответственно (фиг. 1).
В контуре исследуемых рекуперативных теплообменников экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов температура контролируется приборами для измерения температуры 5 (фиг. 2).
В контуре рассеивания тепловой энергии экспериментальной установки для изучения теплообменных аппаратов расход, температура и давление теплоносителя контролируются вторым расходомером 6, приборами для измерения температуры 5 и вторым манометром 7 соответственно (фиг. 3).
Дифференциальными манометрами 12 (фиг. 2) измеряется гидравлическое сопротивление первого и второго контуров исследуемых рекуперативных теплообменников. Дифференциальным манометром 12 (фиг. 3) измеряется гидравлическое сопротивление воздушного радиатора с электровентилятором 23.
Предлагаемая экспериментальная установка для исследования теплообменных аппаратов позволит проводить теплотехнические и гидравлические испытания различных теплообменных аппаратов с целью выявления их реальных параметров и характеристик. Полученные результаты позволят повысить точность выполняемых расчетов, а также сравнивать эффективность различных типов теплообменных аппаратов. Также экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов может использоваться и в учебном процессе для проведения лабораторных работ у студентов инженерных специальностей. При этом возможны следующие лабораторные работы: определение удельной теплоемкости воздуха, воды; исследование кожухотрубного, змеевикового и пластинчатого теплообменных аппаратов жидкость-жидкость в режимах прямотока и противотока; исследование теплообменных аппаратов воздух-жидкость; в режиме естественной конвекции и режиме обдува воздухом.