Стенд для тепловых и гидравлических испытаний газожидкостных теплообменников

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к области лабораторных теплофизических измерений и в частности, к определению тепловых, аэродинамических и гидравлических параметров газожидкостных теплообменников с поперечным током движения теплоносителей газ-жидкость.
Аналогом модели является стенд для тепловых и гидравлических испытаний жидкостно-жидкостных рекуперативных теплообменников. 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).
Недостатками аналога являются то, что стенд для тепловых и гидравлических испытаний жидкостно-жидкостных рекуперативных теплообменников позволяет испытывать только рекуперативные теплообменные аппараты типа жидкость-жидкость, а 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 не пригоден 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 теплоносителей, например, таких как прямоток, противоток, и поперечный ток.
Прототипом полезной модели является экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов, содержащая гидролинии, циркуляционные насосы, вентили, электронагреватель теплоносителя, расходомеры, дифференциальные манометры, приборы измерения температуры, исследуемые рекуперативные теплообменники, 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 (патент РФ №2619037, опубликован 11.05.2017, МПК F28F 27/00, F28D 7/00, F28D 9/00, G01M 10/00, G01M 99/00).
Недостатком прототипа является то, что его конструкция не предусматривает возможности проведения испытаний теплообменников с поперечным током движения теплоносителей и в частности, радиаторов отопителей автомобилей.
Существующие методики проектирования газожидкостных теплообменников с поперечным током движения теплоносителей газ-жидкость (радиатор отопителя автомобиля) предполагают, что тепловые и гидравлические характеристики заранее известны, такие как коэффициенты теплопередачи и гидравлического сопротивления, причем их значения могут существенно отличаться в зависимости от режимов движения теплоносителей. Конструкция стенда позволяет получать точные результаты испытаний за счет проведения их в соответствии с эксплуатационным режимом.
Задачей полезной модели является создание конструкции стенда для проведения испытаний газожидкостных теплообменников с поперечным током движения теплоносителей и в частности, радиаторов отопителей автомобилей.
Технический результат - возможность воспроизведения на стенде процесса теплопередачи в газожидкостном теплообменнике (радиаторе отопителя) при различных скоростях движения теплоносителей: горячего (воды или антифриза) и холодного (воздуха) с предварительным изменением их температур, характерных для условий эксплуатации большинства систем нагрева или кондиционирования воздуха в салоне автомобилей, получение за счет этого точных результатов испытаний для использования при проектировании газожидкостных теплообменников (радиаторов отопителей) и сравнения их эффективности у автомобилей различных моделей, а также при проведении лабораторных работ со студентами при изучении процесса теплопередачи.
Указанный технический результат достигается тем, что стенд для тепловых и гидравлических испытаний газожидкостных теплообменников содержит гидролинию, циркуляционный насос, электрический нагреватель жидкости со стержневым термостатом, расходомер, манометры, приборы измерения температуры, расширительный бачок с клапаном в пробке для компенсации теплового расширения горячего теплоносителя, пульт управления стендом, электровентилятор воздуха, дополнительно снабжен газожидкостным теплообменником с поперечным током теплоносителей и направляющим устройством потока воздуха с мелкоячеистой решеткой на входе и элетровентилятором внутри с изменяемой частотой вращения, а также измерителем расхода воздуха, выполненным в виде трубки Пито с U-образным дифманометром.
На фиг. 1 изображена схема стенда для тепловых и гидравлических испытаний газожидкостных теплообменников с поперечным током горячего и холодного теплоносителей.
Стенд для тепловых и гидравлических испытаний газожидкостных теплообменников содержит электрический нагреватель жидкости 1 со стержневым термостатом, циркуляционный насос 2 для прокачивания жидкости через газожидкостный теплообменник 6 (радиатор отопителя), манометр 3 контроля давления жидкости в обратной части гидролинии, кран слива жидкости 4, термометр 5 контроля температуры жидкости на выходе из газожидкостного теплообменника 6, электровентилятор воздуха 7 с регулируемой частотой вращения, расширительный бачок 8 с клапаном в пробке, термометр 9 контроля температуры жидкости на входе в газожидкостный теплообменник, манометр 10 контроля жидкости в напорной части гидролинии, расходомер жидкости 11, U-образный дифманометр 12 для определения скоростного напора потока воздуха, трубка Пито 13, термометра 14 и 15 замера температуры воздуха на входе и выходе перед газожидкостным теплообменником, направляющее устройство потока воздуха 16 с мелкоячеистой решеткой 17 на входе для создания струйчатого движения потока воздуха, пульт управления стендом 18.
Стенд для тепловых и гидравлических испытаний газожидкостных теплообменников работает следующим образом.
Теплоноситель, при помощи циркуляционного насоса 2, поступает в электрический нагреватель 1 со стержневым термостатом, где нагревается до заданной температуры и подается по напорной части гидролинии с расширительным бачком и клапаном в пробке, в газожидкостный теплообменник 6. Расход горячего теплоносителя через газожидкостный теплообменник 6 контролируется расходомером 11, а температура и давление на входе и выходе газожидкостного теплообменника термометрами 9 и 5 и манометрами 10 и 3. В газожидкостном теплообменнике (радиатор отопителя автомобиля) 6 протекает процесс теплопередачи, т.е. горячий теплоноситель (вода или антифриз) отдает теплоту холодному теплоносителю (воздуху). Расход холодного теплоносителя определяется при помощи трубки Пито 13 и U-образного дифманометра 12 по величине скоростного напора потока воздуха. Электровентилятор 7, с изменяемой частотой вращения расположен в направляющем устройстве 16 где создает напор воздуха, поступающего в межтрубное пространство теплообменика 6. Для устранения турбулентности потока, на входе направляющего устройства 16 устанавливается мелкоячеистая решетка 17. Температура воздуха на входе в межтрубное пространство и на выходе теплообменника 6 контролируется термометрами 14 и 15.
Таким образом, за счет того, что конструкция стенда позволяет изменять режимы движения теплоносителей в широком диапазоне, обеспечивается возможность выявления на стенде тепловых и гидравлических характеристик газожидкостных теплообменников (радиаторов отопителей автомобилей) с поперечным током теплоносителей, не прибегая к сложным конструктивным решениям, а проведение их испытаний в соответствии с эксплуатационными режимами увеличивает точность получаемых данных. Можно использовать при проведении лабораторных работ по изучению процесса теплопередачи.