管側對流換熱強化技術動態模擬綜合評價方法及裝置的製作方法

2023-04-26 01:45:31 3

專利名稱：管側對流換熱強化技術動態模擬綜合評價方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於動態模擬綜合評價管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢(增長)特性(簡稱汙垢特性，下同)和清洗特性的方法和檢測、評價裝置。它可用於動力、石油、化工、冶金、建材、輕工、食品等眾多工業使用的換熱器的升級換代技術——強化管側對流換熱技術性能的評價。
背景技術：
20世紀70年代的世界性能源危機促進了強化換熱技術的迅猛發展，強化換熱技術中，應用最廣、研究最多的則是對流換熱的強化技術。而對流換熱強化技術中，又以針對管殼式換熱器管側對流換熱強化的居多。在這些初期強化技術中，普遍存在的共性問題是雖然換熱增強了，而流動阻力卻往往增加更多，加上缺乏統一的評價準則，因而在一定程度上限制了這些技術的工程應用效益。而且後來發現，有的強化換熱管運行一段時間後，其換熱效果甚至還不如光管。這促使人們開始研究換熱強化和汙垢的相互作用，並相應出現了「抗垢率」(即相同工況下光管與強化管的汙垢熱阻之比)的概念。近來，應用研究中又發現，有的抗垢率高的強化換熱管的清洗難度也大。至此，人們又逐漸認識到要科學、有效地開發、推廣管側對流換熱強化技術，必須有一個統一的綜合評價強化換熱技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性的準則和檢測手段，以指導管側對流換熱強化技術的開發，才能大幅度地提高強化換熱技術的應用效益。
自20世紀70年代強化換熱技術迅猛發展以來，與其相伴而生的是其性能評價準則(performance evaluation criteria，簡寫為PEC)研究。早期的評價準則主要是針對強化換熱技術所追求的下述三個目標而提出的，如在1987年機械工業出版社出版的林宗虎著《強化傳熱及其工程應用》中介紹的Bergles準則是1)在換熱功率、工質流量、泵耗功率相同時，儘可能小的換熱器尺寸；2)在換熱器尺寸，工質流量、泵耗功率相同時，儘可能大的換熱功率；3)在換熱器尺寸，工質流量、換熱功率相同時，儘可能小的泵耗功率；在Webb R E的《Principle of enhanced heat transfer》，(New YorkHemisphere Pub.Co.，1995)中Webb則提出在具有相同包絡周長的管內強化表面與光管的性能比較準則，它們分別由三種不同的幾何約束來決定1)FG準則橫截麵包絡面積與管長保持不變；2)FN準則迎流面積一定，換熱管長度可變，以尋求減小換熱面積或一定熱負荷下減小泵耗功率；3)VG準則換熱器流率不變。
在《Heat Exchanger Basic Design Methods.In Low Reynolds NumberFlow Heat Exchangers》(eds.Kakac S，Shah R K，Bergles A E，Washington D.C.Hemisphere/McGraw-Hill，1982)中，Shah曾評述了30多個有因次和無因次比較方法。其後，Bejan在《Entropy generation minimization》(NewYorkWiley，1996)中還提出以熵產最小(EGM)來評價強化換熱技術的優劣；在《最小熱量傳遞勢容耗散原理及其在導熱優化中的應用》(科學通報，2003(1)21～25)中，過增元等提出依據傳遞過程最小勢容耗散原理來評價導熱強化技術；在中國工程熱物理學會傳熱傳質學學術會議論文集(下)(2004，1390～1393)中刊出的《換熱器強化的溫差優化判據》中王松平等提出溫差優化判據，在冶金能源(1999，18(6)31～34)中的文章《考慮汙垢時強化傳熱性能的評價》中，吳雙應、李友榮提出了計入汙垢影響的強化傳熱性能評價式。雖然實際應用中湧現了諸多準則，但尚無一個能綜合考慮管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性、清洗特性等四種性能的並易於實現在線實時檢測、評價，且可為設計優化進行統一性能評價的準則。

發明內容
在動力、石油、化工、冶金、建材、輕工、食品等眾多工業領域中，用戶在為使用的換熱器選擇強化換熱管時，由於多種因素的影響，難於選擇出經濟適用的強化換熱管，這種情況表明，生產實踐急需一種考慮全面且可操作性強的綜合評價方法。本發明是針對管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性、清洗特性等四種性能的綜合評價準則而設計的實時在線監測的動態模擬綜合評價方法及實驗裝置。它既能實時在線檢測管側對流換熱強化技術的某一單個性能，又能實時在線檢測、綜合評價四種性能並進而可據以進行強化熱強技術的優化設計。
本發明提供的一種管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，包括管式模擬換熱器、補水箱、集水槽、水泵、閥門、耐垢性強的流量測量裝置(以下簡稱流量測量裝置)、管壁溫度測量元件、水溫測量元件、恆溫調節器和膠球清洗模擬裝置及計算機監控系統，其中管式模擬換熱器由具有電加熱器的水浴槽和兩根同樣材料且同樣當量管徑的整根金屬管組成，兩金屬管中可以一根是光滑管，一根是待評價的強化換熱管，或者兩根均是強化換熱管。每根金屬管分別與各自的補水箱、集水槽、水泵、流量測量裝置構成彼此獨立的迴路，每根金屬管壁上設有至少一個管壁溫度測量元件，在水浴槽內和每根金屬管的進口和出口分別具有水溫測量元件，每個集水槽內設有兩根材質和尺寸均相同的冷卻水管和電加熱器，在每個補水箱內具有調整和保持水位的水位無級調整裝置，兩補水箱之間設有帶閘閥的連通管，恆溫調節器使水浴槽和集水槽及補水箱的溫度保持恆定，各壁溫、水溫測量元件和流量測量裝置的輸出端與計算機監測系統的輸入端相連。
耐垢性強的流量測量裝置為一在容器的上部和下部(與容器底面尚有一定距離)分別安裝有電接點的容器，電接點採用耐垢、耐腐蝕、導電性強的材料製成，接點信號由數據採集卡採入計算機進行處理、判斷，容器底面最低處設置有由電磁閥控制的洩水口，計算機通過內部程序對採集的信號進行處理判斷，然後輸出信號控制繼電器的開合，以控制電磁閥的開合。
上述流量測量裝置也可為一安裝有光電液位測量設備的容器，光電液位測量設備是包括有紅外線發射器、光敏開關的非接觸式液位測量，其輸出信號通過數據採集卡採入計算機，容器底面最低處設置有由電磁閥控制的洩水口，計算機通過內部程序對採集的信號進行處理、判斷，然後輸出信號控制繼電器的開合，實現電磁閥開合的控制。
水浴槽為臥式長方形水槽，其上部設有內充絕熱填料夾層的蓋板，在沿水浴槽的長度方向布置的金屬管的出口和入口端設置有密封壓緊裝置。
密封壓緊裝置包括焊接在水浴槽的出口或入口管壁外的管座、裝在管座內而套在金屬管外的密封套和與管座螺紋連接的壓蓋，在壓蓋端部與水浴槽壁之間還有起密封、隔熱作用的石棉墊圈。
管壁溫度測量元件是熱電偶或鉑電阻，其測溫傳感探頭與管壁接觸處設計有金屬套筒和安裝螺絲。
本發明的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置的調整和保持水位的無級調整裝置為直立雙套管式，即內外兩管以螺紋相連接，外管與水箱底面垂直焊接，內管直通水箱外。
上述調整和保持水位的無級調整裝置還可為滑輪式直立雙套管式，外管與水箱底面垂直焊接，內管直通水箱外，內外兩管以可滑動密封連接，內管的上下移通過與其連接的兩組定滑輪進行，6個定滑輪在補水箱一側壁面的內外側各布置3個，內壁面滑輪通過連接線與帶固定孔的液位調節內管相連。
本發明還涉及一種應用如上所述的裝置實現在線監測評價管側對流換熱強化技術性能的方法，其具體步驟如下第一，水浴池中注入除鹽水或蒸餾水，用電加熱器將其加熱到設定溫度並通過恆溫調節器控制其溫度恆定；第二，調節兩個補水箱中的水位無級調整裝置以保持兩個金屬管的入口壓力相同；第三，向兩個補水箱中加入可使換熱管積聚鹽垢的相同藥劑；第四，同時開啟兩個迴路的水泵使兩個迴路水同時循環；第五，調節循環水冷卻裝置的冷卻水量，以保持兩根金屬管的入口溫度相同；第六，調節閥門使兩迴路的流量相同。
所述步驟一至六對所有工況都相同，在滿足上述要求後，對於工況1、2，計算機將持續測量、記錄各水溫、壁溫和流量，持續時間可根據需要事先設定；利用測出的水溫、壁溫和流量數據，計算機即可得出前述評價特徵數(即所列出的公式(1，2，3))和按實驗數據回歸出的實驗關聯式(8，9，10，14，16)。完成測試工況1-2後接著進行工況3的測試，通過膠球投入裝置同時以相同間隔在兩路管道中投入同數、同質膠球，這樣持續運行到設定時刻，計算機將同樣可得出評價特徵數(5，6)和按實驗數據回歸出的關聯式(14)。將上述各評價特徵數和按實驗數據回歸出的各關聯式代入式(7)，即可得到強化技術設計優化的目標函數。如需要，可在軟體中設置尋優程序，一俟所有各種設計參數的強化件的上述實驗結束，即可優選出最佳的強化技術設計參數。
本發明可為強化換熱技術、清洗技術和冷卻水處理技術提供客觀、科學的評價方法和實施裝置，從而(1)消除了不同強化管管側對流換熱技術之間進行比較的技術障礙，可以大為縮短新型強化管的研製周期；(2)指導新型強化管的設計參數優選，以減小強化管設計的盲目性；(3)利用本專利的清洗特性評價方法和設備功能，可以客觀、合理的評價各種清洗技術、冷卻水處理技術的除垢和阻垢效果，有利於規範清洗、水處理行業市場，促進其技術升級。
上述三點對強化換熱技術和清洗技術、冷卻水處理技術的貢獻，將有助於動力、石油、化工、冶金、建材、輕工、食品等眾多工業領域達到節能、降耗、節水、環保的理想目標。


圖1管側對流換熱強化技術性能動態模擬裝置外形圖；圖2動態評價裝置工作流程示意圖；圖3直立雙套管式液位調節裝置示意圖；圖4滑輪式直立雙套管式水位調整裝置示意圖；圖5連動式膠球裝入設備示意圖；圖6光管與2#強化管汙垢熱阻清洗前後變化圖最佳實施方式本發明以強化換熱管和普通光管的換熱過程的基本影響因素相同為基礎，採用除實驗目標參數外其餘參數(管徑、長度、工質、Re數)全部相同的強化管和光管平行置於同一溫度恆定的水浴槽中，以進行強化換熱和光管換熱的對比分析。分析中，要評價的傳熱效果、流動阻力、汙垢(增長)特性、清洗特性均以無因次特徵數分別表示為換熱效果評價特徵數h=hehp,]]>(1)流動阻力評價特徵數f=fefp,]]>(2)汙垢特性熱阻評價特徵數Rf=Rf,eRf,p,]]>(3)汙垢特性流阻評價特徵數ff=ff,eff,p,]]>(4)清洗效果熱阻評價特徵數Rf,c=Rfc,e-Rf,eRfc,p-Rf,p]]>(5)清洗效果流阻評價特徵數fc=fc,e-ff,efc,p-ff,p,]]>(6)式中，各符號的下標e表示強化換熱，p表示普通的光管換熱。如眾周知，汙垢在對流換熱中的影響有二汙垢增長使傳熱熱阻和流動阻力增大，清除汙垢則相反。因此式(3)(4)分別為汙垢熱阻增長的無因次特徵數和流動阻力增長的無因次特徵數；式(5)(6)則分別是清洗時汙垢熱阻減小無因次特徵數和流動阻力減小無因次特徵數。從收益(產出)和代價(投入)的觀點綜合上述(1)-(6)式可有=f+(1-fc)[h-(1-Rf,c)](1-T0/T)]]>(7)式中，T0為環境溫度，T為換熱平均溫度，即水浴槽內換熱管中冷卻水的入、出口溫度平均值；(1-T0/T)是考慮流阻消耗的電能和強化換熱所增大的熱能兩者能質差異而作的修正。
分析式(7)可見，η表示了傳遞單位有用能所消耗的電能，因而η值越小，綜合效益越大。若將式中各參數和強化技術的相關參數的實驗關聯式代入式(7)並求使η最小而獲得的強化技術相關參數值即為最優值。由此可見，式(7)可作為表徵強化技術相關參數設計優化的目標函數。
基於式(7)而設計的檢測評價裝置結構和工作流程，分別如圖1、2所示。
管側對流換熱強化技術動態模擬綜合評價裝置主要由管式模擬換熱器、循環水冷卻裝置、補水箱、集水槽、水泵、恆溫調節器、流量測量裝置、膠球清洗裝置以及計算機監測評價系統等部分組成，其監測評價系統是基於具有獨創性的汙垢在線監測理論而開發研製的計算機測控系統。所說的模擬換熱器是具有電加熱器和恆溫調節器的水浴槽和兩試驗金屬管，其中設有水入、出口溫度測量元件。所說的試驗管是兩根同樣材料且同樣當量管徑的整根金屬管，(根據試驗目的不同，兩管可以是一根是光滑的，一根是強化換熱管；也可以兩根均為強化換熱管)。每根試驗管與補水箱、集水槽、水泵、流量測量裝置構成各自不連通的單獨的迴路。同時，在兩補水箱間設有帶閘閥的連通管，在每根試驗管壁上設有至少一個管壁溫度測量元件。每個集水槽設有冷卻水管，在補水箱中有一個高度可調的用於調整和保持水位的調整裝置。在兩個試驗迴路中，各溫度測量元件和流量測量元件的信號輸出端與微型計算機的輸入端相接。
該動態模擬綜合評價裝置的工作流程可由圖2看出。
進行監測評價的運行工況則如表1、2示。另外，試驗介質硬度、流速和水浴溫度也都可按試驗需要而隨時予以調整。
表1、管側對流換熱強化技術動態模擬綜合評價工況(光管——強化管)

表2、管側對流換熱強化技術動態模擬評價工況(強化管——強化管)


利用上述裝置及其系統，通過溫度、流量等易測參數的監測，基於流動傳熱基本理論建立的汙垢熱阻、流阻與易測參數之間的關係式，可以方便地實現換熱效果、流動阻力、汙垢特性、清洗特性的真正在線自動監測、評價，其原理如下設試驗管內徑為d，有效長度為l，進口水溫為Tfi，出口水溫為Tfo，試驗管壁溫為Twf，工質流速為u，密度為ρ，定壓比熱為cp對於光管汙垢熱阻，平均對流換熱係數h可按Nu數定義由下式求取Nu=(f8)(Re-1000)Pr1+12.7f8(Pr2/3-1)[1+(dl)2/3]ct=hd]]>式中Re為雷諾數，Pr為普朗特數，f為管內湍流流動的範寧摩擦係數，對液體ct=(PrfPrw)0.11,(PrfPrw=0.05~20),]]>Kf、a為常數，可根據雷諾數的範圍選擇。
也可按本專利申請人在《換熱設備汙垢與對策》(第二版)(北京科學出版社，388-391)中所提出的下述方法確定Rf＝(Twf-Ts)/qTs=Tfo-Tfiexp(-4ldhVcp)1-exp(-4ldhVcp)]]>q=ducp(Tfo-Tfi)4l]]>光管流動阻力p=fldu22g]]>式中f可為範寧摩擦係數(Fanning)或達西摩擦係數(Darrcy)，但在同一比較中，被比較的強化管與光管應取同一定義的摩擦係數，在管尺寸和流速一定時，Δp與f成正比，為方便計，以下用 表示強化管與光管的流動阻力比。
和流阻一樣，以後評價中常按Nu=hd]]>將Nu變換為換熱係數h(式中d為換熱管特徵尺寸，λ為流體的導熱係數)，並直接用 表示強化管與光滑管的換熱效果比。
對於強化管，研製者通常會提供其傳熱實驗關聯式為Nue=e,lRee,lPre,l(a/de)e,l(b/de)e,l---(8)]]>式中，a、b為強化換熱管的幾何結構參數，d為強化換熱管的當量直徑。
該強化換熱管的摩擦係數(也可用流動壓降)實驗關聯式為fe=e,2Ree,2(a/de)e,2(b/de)e,2---(9)]]>其汙垢熱阻的實驗關聯式為Rf,e=e,3Ree,3(a/de)e,3(b/de)e,3hne---(10)]]>式中，hn為評價試驗水質硬度，α，β，γ，θ，ε，ζ，K為由試驗數據確定的常數，下角標e為強化管。
摩擦係數fe可按下述程序確定考慮到在致垢流體中，微小差壓的測量目前尚未有理想的在線監測手段，故摩擦係數fe可利用耐垢流量計測出流過強化管的容積流量Q後，按下式確定強化管流通截面的平均流速u=4Qde2---(11)]]>和相應的雷諾數Re=udev---(12)]]>進而按=34.2deRe0.875---(13)]]>確定流過強化管的層流底層厚度δ，並與強化管壁的絕對粗糙度ξ相比較，以確定該實驗管屬於「光滑管」(δ＞ξ)或「粗糙管」(δ＜ξ)，並據此按尼古拉茲實驗確定沿程阻力係數fe。
以上述換熱實驗關聯式、流動阻力實驗關聯式和汙垢熱阻實驗關聯式為基礎，首先將汙垢流阻也以類似關聯式加以表述為ff,e=e,4Ree,4(a/de)e,4(b/de)e,4---(14)]]>若將式(8)的傳熱關聯式換算為熱阻
Re=1he=de1e,1Ree,1Pre,1(a/de)e,t(b/de)e,1---(15)]]>或改寫為he=dee,1Ree,1Pre,1(ade)e,1(bde)e,1---(16)]]>將式(8)、(9)、(10)、(15)、(16)代入式(7)，即可得到強化技術設計優化的目標函數η與設計參數a，b等的函數關係式。
如圖1、2所示，本發明的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，包括管式模擬換熱器(1)、補水箱(12)、集水槽(10)、水泵(11)、閥門(6)、耐垢性強的流量測量裝置(4)、管壁溫度測量元件(3)、水溫測量元件(23)、恆溫調節器(8)和膠球清洗模擬裝置(5)及計算機監控系統(22)，其中所述管式模擬換熱器(1)由具有電加熱器(7)的水浴槽(9)和兩根同樣材料且同樣當量管徑的整根金屬管(2)組成，兩金屬管(2)中可以一根是光滑管，一根是待評價的強化換熱管，或者兩根均是強化換熱管。這兩根管可以根據評價需要採取相應的組合，以實現相應的評價目的。每根金屬管(2)分別與各自的補水箱(12)、集水槽(10)、水泵(11)、流量測量裝置(4)構成單獨的迴路，每根金屬管(2)壁上設有至少一個管壁溫度測量元件(3)，在水浴槽(9)內和每根金屬管(2)的進口和出口分別具有水溫測量元件(23)，每個集水槽(10)內設有冷卻水管(13)和電加熱器(15)，在每個補水箱(12)內具有調整和保持水位的水位無級調整裝置24，兩補水箱12之間設有帶閘閥的連通管，恆溫調節器(8)使水浴槽(9)和集水槽(10)及補水箱(12)的溫度保持恆定，各壁溫、水溫測量元件(23)和流量測量裝置(4)的輸出端與計算機監測系統的輸入端相連。
耐垢性強的流量測量裝置(4)為一在容器的上部和下部(與容器底面尚有一定距離)分別安裝有電接點的容器，電接點採用耐垢、耐腐蝕、導電性強的材料製成，接點信號由數據採集卡採入計算機進行處理、判斷，容器底面最低處設置有由電磁閥控制的洩水口，計算機通過內部程序對採集的信號進行處理判斷，然後輸出信號控制繼電器的開合，以控制電磁閥的開合。
流量測量裝置(4)也可為一安裝有光電液位測量設備的容器，光電液位測量設備是包括有紅外線發射器、光敏開關的非接觸式液位測量，其輸出信號通過數據採集卡採入計算機，容器底面最低處設置有由電磁閥控制的洩水口，計算機通過內部程序對採集的信號進行處理、判斷，然後輸出信號控制繼電器的開合，實現電磁閥開合的控制。
水浴槽(9)為臥式長方形水槽，其上部設有內充絕熱填料夾層(14)的蓋板(19)，在沿水浴槽(9)的長度方向布置的金屬管(2)的出口和入口端設置有密封壓緊裝置，該裝置可方便金屬管的拆換以滿足實驗工況需要。
密封壓緊裝置包括焊接在水浴槽(9)的出口或入口管壁外的管座(16)、裝在管座(16)內而套在金屬管(2)外的密封套(17)和與管座(16)螺紋連接的壓蓋(18)，在壓蓋(18)端部與水浴槽(9)壁之間還有起密封、隔熱作用的石棉墊圈，以保持水浴槽(9)的嚴密性並儘量減少散熱損失。
管壁溫度測量元件(3)是熱電偶或鉑電阻，其測溫傳感探頭與管壁接觸處設計有金屬套筒和安裝螺絲，以儘可能使測溫傳感探頭與管壁接觸緊密，確保管壁溫度測量的可靠性。
調整和保持水位的無級調整裝置(24)，如圖3，該裝置為直立雙套管式，即內外兩管以螺紋相連接，外管(20)與水箱底面垂直焊接，內管(21)直通水箱外。設法旋轉內管(21)可使其上升或下降，高出內管(21)頂部平面的水即會通過內管(21)流出水箱，從而實現了水箱的水位無級調整。
圖4示出的一種調整和保持水位的裝置為滑輪式直立雙套管式，外管(20)與水箱底面垂直焊接，內管(21)直通水箱外。但與上述調整和保持水位的無級調整裝置(24)不同的是內外兩管以可滑動密封連接，內管(21)的上下移通過與其連接的兩組定滑輪(25)進行，6個定滑輪(25)在補水箱(12)一側壁面的內外側各布置3個，內壁面滑輪通過連接線(26)與帶固定孔的液位調節內管(21)相連，這樣在水箱外面上下拉動連接線(26)帶動水箱內部的圓管上下移動，從而實現水位的連續調節。
圖5中示出了膠球清洗模擬裝置5中用於實驗管道膠球清洗實驗的膠球裝入設備。它包括四根同管徑有機玻璃管(27)、四個活塞(包括橫向活塞(28)2個、豎向活塞(29)2個)、連動杆(30)若干和手動轉輪(31)。兩根同徑有機玻璃管(27)垂直構成一個膠球裝入通道，其管徑與實驗管的管徑相同，共兩個膠球裝入通道分別安裝於被清洗金屬管入水側。每側膠球裝入通道通過兩個活塞、連動杆(30)帶動。在手動轉輪(31)、四個活塞、連動杆(30)的連接部分裝有活動連接軸承(32)，活塞設有密封圈(33)。當兩側膠球分別通過各自的入球口裝入通道後，通過如下步驟完成裝入轉動手動轉輪(31)通過橫向活塞(28)將膠球推入豎直有機塑料管道，繼續轉動手動轉輪(31)，豎向活塞(29)向下運動推動膠球進入欲洗管道，同時橫向活塞(28)經稍許延遲後反向運動回到起始位置。
上述裝置實現在線監測評價管側對流換熱強化技術性能的方法如下1)水浴槽(9)中注入除鹽水或蒸餾水，用電加熱器(7)將其加熱到設定溫度並通過恆溫調節器(8)控制其溫度恆定；2)調節兩個補水箱(12)中的水位無級調整裝置(24)以保持兩個金屬管(2)的入口壓力相同；3)向兩個補水箱(12)中加入相同藥劑，以使換熱管積垢；4)同時開啟兩個迴路的水泵使兩個迴路的介質同時循環；
5)調節循環水冷卻裝置的冷卻水量，使兩根金屬管的入口溫度相同；6)調節閥門使兩迴路的流量相同。
所述步驟1)-6)對所有工況都相同，在滿足上述要求後，對於工況1、2，計算機將持續測量、記錄各水溫、壁溫和流量，持續時間可根據需要事先設定；利用測出的水溫、壁溫和流量數據，計算機即可得出前述評價特徵數(即所列出的公式(1，2，3))和按實驗數據回歸出的實驗關聯式(8，9，10，14，16)。完成測試工況1-2後接著進行工況3的測試，通過膠球投入裝置同時以相同間隔在兩路管道中投入同數、同質膠球，這樣持續運行到設定時刻，計算機將同樣可得出評價特徵數(5，6)和按實驗數據回歸出的關聯式(14)。將上述各評價特徵數和按實驗數據回歸出的各關聯式代入式(7)，即可得到強化技術設計優化的目標函數。如需要，可在軟體中設置尋優程序，一俟所有各種設計參數的強化件的上述實驗結束，即可給出最佳的強化技術設計參數。
附圖6為我們對當量直徑相同的兩種強化管和光管的對比實驗數據圖，以說明通過膠球清洗兩種強化管的汙垢熱阻在清洗前後的變化情況。由於其中#1強化管流通截面變化過大、過急，致使目前工業應用的一般膠球形變無法適應而未能實現清洗實驗，故只有#2強化管進行了清洗實驗。根據實驗結果，我們按照式(7)的綜合評價準則對#1，#2強化管的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性進行了綜合評價表3、#1、#2強化管綜合評價指標

上表結果表明，#1強化管的總體經濟效益低於#2強化管。
綜上可見，本發明具有下述功能(1)對各種類型強化換熱管的換熱、流動阻力、汙垢、清洗特性進行全面、綜合評價，可定量給出不同類型強化換熱管的統一的效益表述，以便於直觀、明確定量評價。並在具備換熱效果、流動阻力與強化換熱技術設計參數的實驗關聯式時，以η為目標函數，進行強化換熱技術的參數優化，指導對流強化換熱管的研製，可大大降低對流強化換熱(管側)技術研製的盲目性，有助於對流強化換熱技術經濟效益的提高；這為新型管式換熱器研製者和生產廠家提供了有效的開發手段，可縮短新產品的研製用期。
(2)對於各種管式換熱器的用戶而言，該專利可為其提供結合具體工藝過程選用合適的最經濟換熱器，且可為其維護、清洗提供正確決策諮詢(如實現優化清洗)，也可實現實時、在線監測換熱器的汙垢情況。
(3)基於本發明的清洗特性評價方法和裝置，還可為清洗技術設備(如連續機械清洗技術所用膠球質量、化學水處理藥劑和物理法水處理器的阻垢效果)進行評價、比較。因此，本專利還是清洗設備廠家和用戶的有力工具。對於規範清洗、水處理行業市場，促進其技術升級，也具有重要推動作用。
部件清單1.管式模擬換熱器2.整根金屬管3.管壁溫度測量元件4.耐垢性強的流量測量裝置(簡稱流量測量裝置)5.膠球清洗模擬裝置6.閥門7.水浴槽的電加熱器8.恆溫調節器9.水浴槽10.集水槽11.水泵12.補水箱13.冷卻水管14.內充絕熱填料夾層15.集水槽內電加熱器16.管座17.密封套18.壓蓋19.蓋板20.外管21.內管22.計算機監控系統23.水溫測量元件24.調整和保持水位的水位無級調整裝置25.定滑輪26.連接線27.有機玻璃管28.橫向活塞29.豎向活塞30.連動杆31.手動轉輪32.連接軸承33.密封圈
權利要求
1.一種管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，包括管式模擬換熱器(1)、補水箱(12)、集水槽(10)、水泵(11)、閥門(6)、耐垢性強的流量測量裝置(4)、管壁溫度測量元件(3)、水溫測量元件(23)、恆溫調節器(8)和膠球清洗模擬裝置(5)及計算機監控系統(22)，其中所述管式模擬換熱器(1)由具有電加熱器(7)的水浴槽(9)和兩根同樣材料且同樣當量管徑的整根金屬管(2)組成，兩金屬管(2)中可以一根是光滑管，一根是待評價的強化換熱管，或者兩根均是強化換熱管，每根金屬管(2)分別與各自的補水箱(12)、集水槽(10)、水泵(11)、流量測量裝置(4)構成單獨的迴路，每根金屬管(2)壁上設有至少一個管壁溫度測量元件(3)，在水浴槽(9)內和每根金屬管(2)的進口和出口分別具有水溫測量元件(23)，每個集水槽(10)內設有冷卻水管(13)和電加熱器(15)，在每個補水箱(12)內具有調整和保持水位的水位無級調整裝置(24)，兩補水箱(12)之間設有帶閘閥的連通管，恆溫調節器(8)使水浴槽(9)和集水槽(10)及補水箱(12)的溫度保持恆定，各壁溫、水溫測量元件(23)和流量測量裝置(4)的輸出端與計算機監測系統的輸入端相連。
2.如權利要求1所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於所述的耐垢性強的流量測量裝置(4)為一在容器的上部和下部(與容器底面尚有一定距離)分別安裝有電接點的容器，電接點採用耐垢、耐腐蝕、導電性強的材料製成，接點信號由數據採集卡採入計算機進行處理、判斷，容器底面最低處設置有由電磁閥控制的洩水口，計算機通過內部程序對採集的信號進行處理判斷，然後輸出信號控制繼電器的開合，以控制電磁閥的開合。
3.如權利要求1所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於所述的流量測量裝置(4)為一安裝有光電液位測量設備的容器，光電液位測量設備是包括有紅外線發射器、光敏開關的非接觸式液位測量，其輸出信號通過數據採集卡採入計算機，容器底面最低處設置有由電磁閥控制的洩水口，計算機通過內部程序對採集的信號進行處理、判斷，然後輸出信號控制繼電器的開合，實現電磁閥開合的控制。
4.如權利要求1至3所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於所述的水浴槽(9)為臥式長方形水槽，其上部設有內充絕熱填料夾層(14)的蓋板(19)，在沿水浴槽(9)的長度方向布置的金屬管(2)的出口和入口端設置有密封壓緊裝置，該裝置可方便金屬管的拆換以滿足實驗工況需要。
5.如權利要求4所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於所述的密封壓緊裝置包括焊接在水浴槽(9)的出口或入口管壁外的管座(16)、裝在管座(16)內而套在金屬管(2)外的密封套(17)和與管座(16)螺紋連接的壓蓋(18)，在壓蓋(18)端部與水浴槽(9)壁之間設有石棉墊圈。
6.如權利要求5所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於所述管壁溫度測量元件(3)是熱電偶或鉑電阻，其測溫傳感探頭與管壁接觸處設計有金屬套筒和安裝螺絲。
7.如權利要求6所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於其中調整和保持水位的無級調整裝置(24)為直立雙套管式，即內外兩管以螺紋相連接，外管(20)與水箱底面垂直焊接，內管(21)直通水箱外。
8.如權利要求6所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於其中調整和保持水位的無級調整裝置(24)為滑輪式直立雙套管式，外管(20)與水箱底面垂直焊接，內管(21)直通水箱外，內外兩管以可滑動密封連接，內管(21)的上下移動通過與其連接的兩組定滑輪(25)進行，6個定滑輪(25)在補水箱(12)一側壁面的內外側各布置3個，內壁面滑輪通過連接線(26)與帶固定孔的液位調節內管(21)相連。
9.如權利要求7或8所述的管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性動態模擬監測評價裝置，其特徵在於膠球清洗模擬裝置(5)中用於實驗管道膠球清洗實驗的膠球裝入設備它包括四根同管徑有機玻璃管(27)、四個活塞(包括橫向活塞(28)2個、豎向活塞(29)2個)、連動杆(30)若干和手動轉輪(31)，兩根同徑有機玻璃管(27)垂直構成一個膠球裝入通道，其管徑與實驗管的管徑相同，共兩個膠球裝入通道分別安裝於被清洗金屬管入水側，每側膠球裝入通道通過兩個活塞、連動杆(30)帶動，在手動轉輪(31)、四個活塞、連動杆(30)的連接部分裝有活動連接軸承(32)，活塞設有密封圈(33)。
10.一種應用權利要求1至9中任一項所述的裝置實現在線監測評價管側對流換熱強化技術性能的方法如下第一步水浴池(9)中注入除鹽水或蒸餾水，用電加熱器(7)將其加熱到設定溫度並通過恆溫調節器(8)控制其溫度恆定；第二步調節兩個補水箱(12)中的水位無級調整裝置(24)以保持兩個金屬管(2)的入口壓力相同；第三步向兩個補水箱(12)中加入相同藥劑；第四步同時開啟兩個迴路的水泵使兩個迴路水同時循環；第五步調節循環水冷卻裝置的冷卻水量，使兩根金屬管的入口溫度相同；第六步調節閥門使兩迴路的流量相同。所述步驟一至六對所有工況都相同，在滿足上述要求後，對於工況1、2，計算機將持續測量、記錄各水溫、壁溫和流量，持續時間可根據需要事先設定；利用測出的水溫、壁溫和流量數據，計算機即可得出前述評價特徵數(即所列出的公式(1，2，3))和按實驗數據回歸出的實驗關聯式(8，9，10，14，16)，完成測試工況1-2後接著進行工況3的測試，通過膠球投入裝置同時以相同間隔在兩路管道中投入同數、同質膠球，這樣持續運行到設定時刻，計算機將同樣可得出評價特徵數(5，6)和按實驗數據回歸出的關聯式(14)，將上述各評價特徵數和按實驗數據回歸出的各關聯式代入式(7)，即可得到強化技術設計優化的目標函數。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於在軟體中設置尋優程序，一俟所有各種設計參數的強化件的上述實驗結束，即可給出最佳的強化技術設計參數。
全文摘要
本發明涉及一種用於動態模擬綜合評價管側對流換熱強化技術的換熱效果、流動阻力、汙垢特性和清洗特性的方法和監測、評價裝置。該裝置主要由管式模擬換熱器、循環水冷卻裝置、補水箱、集水槽、水泵、恆溫調節器、耐垢性強的流量測量裝置、膠球清洗模擬裝置以及計算機監測評價系統等部分組成。本監測、評價方法以強化換熱管和普通光管的換熱過程的基本影響因素相同為基礎，採用除實驗目標參數外其餘參數(管徑、長度、工質、Re數)全部相同的強化管和光管平行置於同一溫度恆定的水浴槽中，以進行強化換熱和光管換熱的類比分析，其採用的換熱效果、流動阻力汙垢增長速率、清洗效果的綜合評價準則為
文檔編號F28G1/12GK1731068SQ20051008876
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月1日 優先權日2005年8月1日
發明者楊善讓, 孫靈芳, 王恭, 曹生現, 朱玉章, 徐志明, 王建國, 王升龍, 陳立軍, 陳福 申請人:東北電力學院