相变微通道换热器实验台研制

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3.0 赵德峰 2024-11-11 5 4 3.96MB 72 页 15积分

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相变微通道换热器实验台研制

摘要

微通道换热器是一种新型高效换热器，广泛应用于能源、航空航天、石油化工

和制冷等各个领域。前人对其管内流动特性研究的较多，对于微通道换热器在工

程上的应用仍缺乏实用的设计和测试方法，因此，设计研究微通道换热器实验台

具有重要的意义。

本文根据实验要求设计并搭建了相变微通道换热器实验台。完成了氟侧系统、

水系统和控制采集系统的设计。试验台本体分氟系统、主侧水系统、辅侧水系统以

及冷水系统，并可通过切换进行蒸发器和冷凝器的试验。试验台测控系统则包括

系统的硬件部分和软件部分，硬件设备包括研华工控机、NI 采集主机以及各类传

感器；软件系统选用的是 Labview 编程软件。还绘制了实验台原理图、施工布置图、

三维立体效果图，计算了对于实验台关键设备测量结果的不确定度。

通过微通道换热器的实验数据来证明试验台研制达到实验目的，为微通道换

热器的研究提供实验保障。

关键词：微通道换热器 R410a 试验台测控系统 Labview

ABSTRACT

Micro channel heat exchanger is a new type of high efficient heat exchangers,

which is widely used in many fields, such as power, aerospace, chemical engineering

and refrigeration. Although a great deal of studies of the Flow inside the canal, but

about the application of micro channel heat exchanger in engineering is still lack of

practical design and testing methods. Therefore, the study on micro channel heat

exchanger heat transfer and pressure drop performance is of great significance.

This paper designed and set up a test-rig on micro channel heat exchanger heat

transfer and pressure drop performance .Completed refrigerant system, water system

and control system design. The test stand body contained Freon system, primary system,

assist water system and cool water system, on which we can conducted evaporator and

condenser experiment. The measurement and control system test-rig includes hardware

and software systems. The hardware equipment systems includes Advantage Industrial

PC , NI acquisition host and some pressure transmitter sensors, while Software system

is built by the powerful Labview software programming. Schematic drawing of the

experimental units, construction diagrams, three-dimensional renderings, production of

key equipment needed for test-rig and analyze the measurement results uncertainty.

Through the experiment of micriment of micro channel heat exchanger

experiment data to prove that the tester is developed to achieve, to provide a

experimental study of micro channel heat exchanger.

Key words: Micro channel heat exchanger, R410a,test-rig, measuring

and controlling system, Labview

目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
1 课题背景和意义................................................1
2 国内外研究现状................................................7
2.1 实验台搭建案例............................................7
2.2 微通道定义...............................................10
2.3 微通道换热器的实验研究...................................11
3 本课题的主要研究内容.........................................15
第二章 相变微通道换热器试验台研究...................................16
1 实验台工况要求...............................................16
2 实验台研究理论基础...........................................16
3 实验台系统设计...............................................18
3.1 实验台本体组成...........................................18
3.2 实验台本体系统设计.......................................19
3.3 试验台本体制冷系统设计...................................19
3.4 实验台本体主侧水系统设计.................................21
3.5 实验台本体辅侧水系统设计.................................22
3.6 实验台本体冷水系统设计...................................22
3.7 实验台总系统.............................................23
4 实验台系统设计计算............................................25
4.1 实验台测量范围要求.......................................25
4.2 水流量范围的计算.........................................25
4.3 水侧管径的计算...........................................26
4.4 制冷剂流量范围的计算.....................................26
4.5 制冷剂侧管径的计算.......................................26
4.6 水泵容量的计算和扬程的选取...............................27
5 实验台设备选型................................................27
5.1 制冷系统设备选型........................................27
5.2 水系统设备选型...........................................33
6 本章小结......................................................35
第三章 微通道换热器实验台测控系统...................................37
1 测控系统概述.................................................37
2 测控系统的工作总成...........................................38
3 基于 LabVIEW 的测控实验台系统建设.............................43
3.1 测控系统硬件构建........................................43
3.2 测控系统软件构建.........................................50
4 本章小结.....................................................54
第四章 微通道换热器实验台运行.......................................55

4.1 微通道换热器试件的介绍........................................55
4.2 实验的工况选择................................................55
4.3 实验过程步骤..................................................56
4.4 实验数据......................................................57
4.5 实验总结......................................................60
4.6 本章小结......................................................60
第五章 总结.........................................................61
符号表..............................................................63
附  录..............................................................65
参考文献............................................................66

第一章绪论

1.1 课题背景

工业的快速发展有利得促进了经济的发展和人民生活水平的提高，而能源是

一个国家工业化进程的关键要素，是社会经济发展的基础，也是人类社会物质存

在与发展最基本的保证 [1,2]。在过去的几百年间，由石油、天然气、煤炭等化石能源

燃料组成的能源系统极大程度地推动了人类物质社会文明的发展步伐，然而，人

们在物质条件不断提高的同时也在大规模不合理得使用能源化石燃料，由此带来

的严重后果也让人震惊不已：资源日益匮乏，环境持续恶化，如此也导致了不少

国与国之间、地区之间的经济政治纠纷，甚至爆发了名族间的战争和冲突。因此，

寻找一种清洁、高效、安全、无污染、可靠又可再生的新能源系统刻不容缓。

中国经济近年来发展迅速，但面临有限化石燃料能源紧缺和更高环境保护要

求的双重挑战。为合理控制能源消费、优化能源结构特点、转变能源发展方式并实

现我国由能源生产和消费大国向能源科技强国转变提供技术支持和保障，我国在

“十二五”规划的能源篇中继续坚持节能减排政策，强调提高能源利用率,采取

有效措施，保障能源安全，优化能源应用结构，以煤炭为主追求多元化发展、依

靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源。这将是我国长期的能源发展战略，

也是我国建立在可持续能源系统最主要的可行政策。

在能源转换与利用过程中，换热器是必不可少的设备之一。在开展节能减排，

提高系统换热效率研究的同时，对换热设备的强化传热技术和机理的了解是很有

必要的。

中国近几年正在成为一个原材料消耗大国。虽然中国人均石油消费量仅为美

国人的十分之一都不到，但是在总量上，中国早已是一个重量级的国家。能源消

耗的急速增加令中国政府感到措手不及。为保障能源供应，解决当前的突出矛盾

应对未来的挑战，实施可持续发展，必须制定可靠的新能源战略，将其作为新时

期能源发展的基本政策方针。节能和提高能效也是能源可持续发展的有效措施。

目前，全球大举开发新能源、节能减排的号召已吹响，各种高效节能的换热

器也随之大量涌现，世界范围内的学者专家更是对各式各样的高效换热器做出了

大量研究。微通道换热器以优越的结构特性和高效换热率等优秀的特征赢得了众

人的目光，也正是因为这些特点，使得微通道换热器在一些对换热器设备的尺寸

和重量有特殊要求的场合中得到了广泛的应用。微通道换热器具有如此之多常规

尺寸设备无可比拟的优越性，使得微换热器的研究和应用在近几年中得到了非常

迅速的发展。目前，微通道散热器已快速地在汽车空调中得到应用，在中央空调

和家用空调中也有广阔的应用前景。

目前学者对于微通道换热器的研究任然是立足于数值模拟和实验研究这两大

类。在稳定的相同工况下，数值模拟具有研发成本低、计算结果快、可信度比较高

等诸多优点，受到研究学者以及行业人士的众多青睐，但数值模拟也存在局限性

它对计算机硬件、使用者的专业水准、热交换过程等都有着较高的要求，尤其是热

相变微通道换热器实验台研制

交换过程的模拟比较困难，因而并非所有场合都适用数值模拟。对于试验研究，

则很好地填补了数值模拟的缺陷，产品试验研究最直接、结果可信度高，是得到

产品传热性能绝对值的重要手段。

考虑到微通道换热器跟传统换热器的不同以及其在制作工艺上，微通道换热

器要求更高，所以，本课题将设计并搭建用于相变微通道换热器的实验研制，为

微通道换热器的研究提供实验保障。

1）换热器介绍

换热器，又叫热交换器，是指某种流体的热量以一定的传热方式传递给它种

流体的设备[3]。在工业生产过程中，热交换器的应用极其普遍，如在动力工业中锅

炉设备的过热器、空气预热器、省煤器等等；在电力热力系统中的除氧器、冷水塔、

凝汽器、给水加热器等等；在制糖工业和造纸工业的纸浆蒸发器和糖浆液蒸发器

等等；在制冷工业中蒸汽压缩式制冷机及吸收式制冷机的蒸发器、冷凝器等等，

这些都是热交换器的应用实例。在航空航天工业技术、化学工业技术、石油化学工

业技术中，应用热交换器的场合更是数不胜数。各个生产领域的应用，必须充分

挖掘能源利用的潜力，做好节约能源损耗，必须合理组织热交换过程并回收和利

用余热，这往往需要完全理解热交换器的工作原理，以便设计出更高效节能的热

交换器。

由于世界上石油、煤炭、天然气等资源的储存量有限并且能源紧缺，各国都在

致力于新能源的开发利用这一方面，而热交换器的设计应用与节能紧密相连着。

因此，它不仅仅是一种广泛应用的换热设备，还在工业生产过程中占有极其重要

的地位。

换热器根据不同特征的划分形式，可有以下几种分类：

（1）按照制造交换器的材料来分：玻璃、塑料、金属、陶瓷等。

（2）按照用途来分：蒸发器、冷凝器、预热器、冷却器、中冷器等。

（3）按照传送热量的方法来分：间壁式、蓄热式、混合式三大类，这是热交

换器最主要的一种分类方法。

（4）按照热流体和冷流体的流动方向来分：顺流式或称并流式、逆流式、错

流式或称叉流式和混流式。

在蓄热式、混合式和间壁式三种类型当中，相比三种，研究人员对间壁式热

交换器做了较为完整的分析、生产经验总结和计算方法研究，此换热器也是研究

与运用得比较广的一类换热器。间壁式换热器可分为板式换热器、管式换热器、夹

套式换热器及各种异型传热面组成的特殊型式换热器等类型。其中，相对于其他

间壁式换热器而言，套管式换热器的结构较为简单，价格不高，还可适用于高温

高压流体，特别是小容量流体的传热等诸多优点已广泛应用与研究。

2）强化换热技术发展进程

近些年来国内外学者通过改变换热管的形状和表面物理性质来获得强化传热

的效果，以此来提高换热器的换热效率。

有源强化和无源强化分别是传热强化的两种方法[4, 5]。

无源强化是指不需要消耗外加动力的一种强化传热；而有源强化则需要消耗一定

的外加机械力或电磁力。目前几种常用的传热强化方法[6] 及实现方法如表1-1 所

示。

第一章绪论

表 1-1强化传热方法

无

源

强

化

粗燥表面利用人工粗糙表面增强传热，在表面上滚压、轧制、冲

压、碾压、成螺纹、连续或不连续的槽道、突起、坑洼。

扩展表面包括管内扩展和管外扩展，在传热面上间隔一定距离粘

贴、套、衬、绕圆形、半圆形、方形条、带、丝状物等。

扰流元件设置与传热介质流动方向垂直或平行的肋片或圆形或椭

圆柱等，可以是换热管本身也可借助其他器物。

表面处理在表面上烧结或涂敷成整体砂粒型粗糙表面，最新发展

的有纳米涂层技术。

螺旋管将换热管沿以轴线成一定角度弯曲成形，流体在流道中

可产生与主流方向垂直的二次流动增强换热。

内插物在管内插入金属网、扭曲带、静态混合器、环、盘等元件，

使流道内产生径向涡流流动。

添加物单相液流中添加固体颗粒或气泡，沸腾系统中的微量液

体添加物，气体中添加液滴或固体颗粒。

射流冲击流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行冷

却或加热的方法。

有

源

强

化

流体振动用流动间断器，电压转化器实现。

表面振动使用电力振动器或电机带动偏心轮装置。

机械振动利用各种型式的搅拌器。

电磁场电场中电荷运动与流体速度场耦合而显著地改变流体的

运动规律，并加强流体混合。

喷射或吸出通过多孔的换热表面向流动液体中喷注气体，或在换热

段的上游喷注类似的液体；在泡态沸腾或膜态沸腾中通

过多孔的加热表面除去蒸汽，或在单相流中通过多孔的

加热表面排出液体。

3）微通道换热器的诞生及其特点

著名的物理学家Richard Feynman 早在20 世纪60 年代初就曾预言微型化是未

来科学技术的发展方向[7]。伴随着微型机械电子系统和微型化学机械系统的发展进

程，传统的换热装置根本满足不了应用系统的基本要求，换热装置微型化的发展

已经成为目前的迫切要求和必然趋势。再则，能源问题的日益突出，这也要求在

满足热量交换的前提之下，能尽可能的缩小设备体积。如何提高换热器的紧凑性

和提高单位体积上的传热量一直是换热器研究和发展应用的目标。微型化器件装

置的强大发展也推动着微电子技术的迅猛发展，同时，也带动了更加高效、小而

紧凑型微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生[8]。对当前下微通道换热

器的定义，较权威的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划

分，通常含有将水力当量直径小于 1mm 的换热器称为微通道换热器[9~11]。微通道

换热器的制作是通过拉丝或光刻技术，在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微

米的细微槽道，以此来构成换热器的壁面，再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔

如此便可构成物质热交换的三维结构单元体[12,13]。

相变微通道换热器实验台研制

微通道换热器特点如下：

1. 换热表面积增大，且换热面积与总体积比率较大，以此达到好的换热效果。

这个特点使得换热器不仅结构紧凑，而且重量更轻。

2. 微型通道可以承受较高的压力，能允许较大的热流通过，并且产生的温差

较小。

3. 微通道换热器中多孔扁管的使用，使得制冷剂流道被分成若干个平行通道，

其换热系数由于水力直径明显的减小得到了显著的提高。

4. 其微小的体积使得其在仓储和运输上的综合成本明显缩减。

5. 系统制冷剂的充注量减少，意味着更少的制冷剂泄漏量以及环境污染。

总的来说，微通道换热器具有传热效果好、结构紧凑、质量轻、运行安全可靠

等特点。正是由于这些特点，使得微通道换热器在微电子、航空航天、医疗、化学生

物工程以及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中广泛使用。也

是由于微通道换热器具有许多常规尺寸换热器所无可比拟的优越性，近几年来，

微换热器的研究和应用发展极为迅速。现在，微通道散热器也已拓展到汽车空调

中来应用，在中央空调和家用空调中也有着非常广阔的应用前景。

神舟九号飞船与“天宫一号”目标飞行器成功对接的那一刻承载着无数中国

人的希望，在此背后又承载着多少科学家日夜艰辛的研究。在未来，用于深度空

间科学探索的航天器比目前的宇宙飞船规模更小、重量更轻，而换热器的质量占

制冷装置总质量的 30％~40％，其动力消耗约占总值的20％~30％，因此，设计

出适用于航空航天高效紧凑型微通道换热器对未来深空探索至关重要。在微电子

技术方面，若采用微压缩冷凝系统替换微冷凝器,便可实现主动冷却、支持高密度

热量电子器件的高速运行。而高密度电子、科学仪器和航空电子设备在这些飞船上

预计超过25W/cm2数量级[14]，对其散热器的微小型也是一大考验。

4）制冷剂介绍说明

有了上一节对微通道换热器的介绍，我们很容易发现微通道换热器能极大程

度提高换热效果，如何提高系统换热效率，制冷剂的选择也是很有讲究的。

20 世纪初期，人们运用制冷技术改善了自己的居住和生活工作环境，提高了

工作效率。在早期的制冷系统中，科学家也运用了形形色色的制冷剂，由于当时

许多制冷剂不环保、而且易燃易爆，会造成危险。40 年代末期，学者研发出了一系

列新型的合成制冷剂，大部分用于商用、民用空调制冷系统。这些化学物制冷剂通

常称为CFCS 和HCFCS，它们进一步确保了制冷剂的安全性、可靠性和经济性[15]。

前国际制冷学会主席，挪威的G.Lorentzen 在1989~1994 年大力提倡使用自然工质

[16,17]，在 CO2的研究与推广应用上起到了很好的作用。从此CO2制冷装置的研究与

应用再一次成为在全球范围内受重视的热点。

每个硬币都有两面，与其它制冷剂相比，CO2也存在它的优劣。在制冷空调的

许多应用领域中，CO2作制冷剂具有以下的优点，主要概括如下：

（1）自身费用低，无需回收或再生，操作与运行的费用也较低。

（2）环境性能优良，CO2是自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏潜能

（ODP）为零。

（3）化学稳定性好，CO2与水混合时呈弱酸性。

（4）减小了装置的体积，同时也曾大了容积制冷量。减少了管道和热交换器的尺

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摘要：

相变微通道换热器实验台研制摘要微通道换热器是一种新型高效换热器，广泛应用于能源、航空航天、石油化工和制冷等各个领域。前人对其管内流动特性研究的较多，对于微通道换热器在工程上的应用仍缺乏实用的设计和测试方法，因此，设计研究微通道换热器实验台具有重要的意义。本文根据实验要求设计并搭建了相变微通道换热器实验台。完成了氟侧系统、水系统和控制采集系统的设计。试验台本体分氟系统、主侧水系统、辅侧水系统以及冷水系统，并可通过切换进行蒸发器和冷凝器的试验。试验台测控系统则包括系统的硬件部分和软件部分，硬件设备包括研华工控机、NI采集主机以及各类传感器；软件系统选用的是Labview编程软件。还绘制了实验台原理...

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