阅读说明：本技术 一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置 (Switchable evaporation and condensation single-tube heat exchange experimental device ) 是由 谢晶 常婉莹 王金锋 安振东 王雪松 郑明涛 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置。包括制冷剂循环系统,水循环系统和实时数据采集控制系统；水循环系统包括蒸发处理循环回路,预冷处理循环回路,实验段水循环回路,冷凝处理循环回路和过冷处理循环回路；实时数据采集控制系统包括手动控制系统,触摸屏系统,PLC系统和电脑LabVIEW软件系统。本发明既可以进行单管管内蒸发换热实验,也可以进行单管管内冷凝换热实验；同时可实现对电子膨胀阀开度,实验段制冷剂的压力、温度,水泵的运转频率等参数的独立调节。(The invention relates to a single-tube-in-tube heat exchange experimental device capable of switching evaporation and condensation. The system comprises a refrigerant circulating system, a water circulating system and a real-time data acquisition control system; the water circulation system comprises an evaporation treatment circulation loop, a precooling treatment circulation loop, an experimental section water circulation loop, a condensation treatment circulation loop and a supercooling treatment circulation loop; the real-time data acquisition control system comprises a manual control system, a touch screen system, a PLC system and a computer LabVIEW software system. The invention can carry out the evaporation heat exchange experiment in the single tube, and can also carry out the condensation heat exchange experiment in the single tube; meanwhile, the opening of the electronic expansion valve, the pressure and the temperature of the refrigerant in the experimental section, the running frequency of the water pump and other parameters can be independently adjusted.)

一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置

技术领域

本发明涉及蒸发冷凝换热实验装置，具体涉及一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置。

背景技术

现有单管换热实验的研究多采用仅能满足蒸发或者冷凝单一换热特性的实验装置，仅能满足蒸发或者冷凝单一换热特性的实验装置工况调节范围较小，且研究的制冷剂的物性参数也较为单一，若蒸发换热实验和冷凝换热实验都进行，既扩大了占地面积，又提高了成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置，可以测量不同管型和管径；既可以进行单管管内蒸发换热实验，也可以进行单管管内冷凝换热实验，可以控制制冷剂的蒸发压力；可以控制蒸发温度和冷凝温度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置，包括：制冷剂循环系统、水循环系统和实时数据采集控制系统；制冷剂循环系统包括：储液罐1、干燥过滤器2、过冷器3、隔膜计量泵B4、脉动阻尼器4、第二板式换热器HE2、实验段5、第三板式换热器HE3，其中，第二板式换热器HE2中的换热为制冷剂与水的换热，第三板式换热器HE3中的换热为制冷剂与水的换热。

水循环系统包括蒸发处理循环回路、预冷处理循环回路、实验段水循环回路、冷凝处理循环回路和过冷处理循环回路；蒸发处理循环回路包括：第二板式换热器HE2、第五电磁流量计G5、前端电加热H2、膨胀水箱E、前端水泵B2；预冷处理循环回路包括：第二板式换热器HE2、第五电磁流量计G5、乙二醇低温水箱6、Y型过滤器7、低温循环水泵B3；实验段水循环回路包括：实验段5、测试电加热H1、第一板式换热器HE1、测试水泵B1，其中第一板式换热器HE1中的换热是水与水的换热；冷凝处理循环回路包括：第三板式换热器HE3、乙二醇低温水箱6、Y型过滤器7、低温循环水泵B3、第四电磁流量计G4；过冷处理循环回路包括：过冷器3、乙二醇低温水箱6、Y型过滤器7、低温循环水泵B3。

实时数据采集控制系统包括：手动控制系统，触摸屏系统，PLC系统和电脑LabVIEW软件系统；手动控制系统由PID控制系统、电子膨胀阀控制系统与变频器控制系统组成；PID控制系统由制冷剂流量PID控制器U1、实验段5水流量PID控制器U2、第三板式换热器HE3水流量PID控制器U3、实验段5进水温度PID控制器U4、实验段5前制冷剂温度PID控制器U5、乙二醇低温水箱6出水温度PID控制器U6、储液器1冷凝压力PID控制器U7和实验段5出口压力PID控制器U8组成；电子膨胀阀控制系统由第一电子膨胀阀EXV1控制器X1和第二电子膨胀阀EXV2控制器X2组成；变频器控制系统由隔膜计量泵B4变频器F1，测试水泵B1变频器F2和前端水泵B2变频器F3组成。

一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置进行蒸发换热实验时，预冷处理循环回路、实验段水循环回路、冷凝处理循环回路和过冷处理循环回路运行；实验段水循环回路中，关闭第十七球阀VW17、第七球阀VW7、第八球阀VW8-1、和闸阀VW8-2；通过关闭第一球阀VW1、第二球阀VW2和第四球阀VW4关闭蒸发处理循环回路。

一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置进行冷凝换热实验时，蒸发处理循环回路、实验段水循环回路运行；实验段水循环回路，关闭第五球阀VW5和第六球阀VW6；通过关闭第三球阀VW3和第十四球阀VW14关闭预冷处理循环回路；通过关闭第九球阀VW9和第十二球阀VW12关闭冷凝处理循环回路；通过关闭第十球阀VW10和第十一球阀VW11关闭过冷处理循环回路。

蒸发处理循环回路中，由前端电加热H2控制为第二板式换热器HE2提供的热量数值；前端水泵B2为蒸发处理循环回路提供循环动力；实验段水循环回路中，进行蒸发换热实验时，测试电加热H1为实验段5提供热量，测试水泵B1为实验段水循环回路提供动力；进行冷凝换热实验时，第一板式换热器HE1为实验段5提供冷量。

制冷剂循环系统中，从储液器1至隔膜计量泵B4出口接出一个装有电动调节阀M1的旁通回路，当制冷剂流量过小，隔膜计量泵B4出口的制冷剂流量不稳定，制冷剂流量测量不稳定时，打开电动调节阀M1，提高制冷剂流量，使大流量的制冷剂经过隔膜计量泵B4后进行分流，部分制冷剂回流至储液器1，可以保证隔膜计量泵B4出口的制冷剂流量稳定，实现流量测量更稳定，为后续实验研究提供保障。

实验段5上方装有放气阀VR14,放气阀VR14距离实验段5垂直距离30-50cm，排除冷凝换热实验中产生的不凝性气体，以及实验装置运行时间过长产生的不凝性气体，使实验过程不受不凝性气体影响，保证实验数据的准确性。

设备11的数据采集线和设备控制线均连接到PLC硬件8组成的PLC系统；设备11的部分数据采集线和设备控制线接到手动控制系统；触摸屏系统通过RS485通讯线实现与PLC系统的通讯；电脑LabVIEW软件系统通过PLC无线模块实现与PLC系统的通讯。

通过制冷剂流量PID控制器U1、实验段5水流量PID控制器U2、第三板式换热器HE3水流量PID控制器U3、实验段5进水温度PID控制器U4、实验段5前制冷剂温度PID控制器U5、乙二醇低温水箱6出水温度PID控制器U6、储液器1冷凝压力PID控制器U7、实验段5出口压力PID控制器U8、第一电子膨胀阀EXV1控制器X1、第二电子膨胀阀EXV2控制器X2、隔膜计量泵B4变频器F1，测试水泵B1变频器F2，前端水泵B2变频器F3来实现对设备11的直接控制。

通过PLC控制系统来实现对设备11的直接控制。

通过实时数据采集控制系统来观察第四压力传感器P4和第十五铂电阻T15数值，并进行相应的调整输出，确保流出过冷器过冷状态的制冷剂在通过第一视液镜S1时为全液状态。

制冷剂循环回路上，依次留有第一针阀P5-1、第二针阀P5-2、第三针阀P5-3、第四针阀P5-4、第五针阀P5-5，对一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置测压、检漏和充注制冷剂，保证一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置正常运行和实验的准确性、合理性。

本发明的有益效果是：本发明既可以进行单管管内蒸发换热实验，也可以进行单管管内冷凝换热实验；实现了对电子膨胀阀开度，实验段制冷剂的压力、温度，水泵的运转频率等参数的独立调节；既减小了占地面积，又降低了成本。

附图说明

附图1为本发明的系统原理图，附图中1-储液器，2-干燥过滤器，3-过冷器，4-脉动阻尼器，5-实验段，6-乙二醇低温水箱，C-冷水机组，7-Y型过滤器，E-膨胀水箱，HE1-第一板式换热器，HE2-第二板式换热器，HE3-第三板式换热器，EXV1-第一电子膨胀阀，EXV2-第二电子膨胀阀，S1-第一视液镜，S2-第二视液镜，S3-第三视液镜，S4-第四视液镜，H1-测试电加热,H2-前端电加热，H3-电加热，B1-测试水泵，B2-前端水泵，B3-低温循环水泵，B4-隔膜计量泵，P1-第一压力传感器，P2-第二压力传感器，P3-第三压力传感器，P4-第四压力传感器，△P1-第一压差传感器，△P2-第二压差传感器，G1-第一电磁流量计，G2-第二电磁流量计，G3-第三电磁流量计，G4-第四电磁流量计，G5-第五电磁流量计，T1-第一铂电阻，T2-第二铂电阻，T3-第三铂电阻，T4-第四铂电阻，T5-第五铂电阻，T6-第六铂电阻，T7-第七铂电阻，T8-第八铂电阻，T9-第九铂电阻，T10-第十铂电阻，T11-第十一铂电阻，T12-第十二铂电阻，T13-第十三铂电阻，T14-第十四铂电阻，T15-第十五铂电阻，VW1-第一球阀，VW2-第二球阀，VW3-第三球阀，VW4-第四球阀，VW5-第五球阀，VW6-第六球阀，VW7-第七球阀，VW8-1-第八球阀，VW9-第九球阀，VW10-第十球阀，VW11-第十一球阀，VW12-第十二球阀，VW13-第十三球阀，VW14-第十四球阀，VW15-第十五球阀，VW16-第十六球阀，VW17-第十七球阀，VW8-2-闸阀，VR1-第一截止阀，VR2-第二截止阀，VR3-第三截止阀，VR4-第四截止阀，VR5-第五截止阀，VR6-第六截止阀，VR7-第七截止阀，VR8-第八截止阀，VR9-第九截止阀，VR10-第十截止阀，VR11-第十一截止阀，VR12-第十二截止阀，VR13-储液器安全阀，VR14-放气阀，P5-1-第一针阀，P5-2-第二针阀，P5-3-第三针阀，P5-4-第四针阀，P5-5-第五针阀，M1-电动调节阀。

附图2为本发明的实时数据采集控制系统连接图，附图中8-PLC硬件，9-电脑，10-触摸屏，11-设备，F1-隔膜计量泵B4泵变频器，F2-测试水泵B1变频器，F3-前端水泵B2变频器，X1-第一电子膨胀阀EXV1控制器，X2-第二电子膨胀阀EXV2控制器，U1-制冷剂流量PID控制器，U2-实验段5水流量PID控制器，U3-第三板式换热器HE3水流量PID控制器，U4-实验段5进水温度PID控制器，U5-实验段5前制冷剂温度PID控制器，U6-乙二醇低温水箱6出水温度PID控制器，U7-储液器1冷凝压力PID控制器，U8-实验段5出口压力PID控制器。

附图3为本发明的动力柜前面板装置图，附图中F1-隔膜计量泵B4泵变频器，F2-测试水泵B1变频器，F3-前端水泵B2变频器，U1-制冷剂流量PID控制器，U2-实验段5水流量PID控制器，U3-第三板式换热器HE3水流量PID控制器，U4-实验段5进水温度PID控制器，U5-实验段5前制冷剂温度PID控制器，U6-乙二醇低温水箱6出水温度PID控制器，U7-储液器1冷凝压力PID控制器，U8-实验段5出口压力PID控制器，10-触摸屏，SB1-系统启动，SB2-系统停止，SB3-紧急停止，SB4-异常报警，SB5-报警消音，SB6-报警复位。

具体实施方式

下面结合附图，以具体实施例为例，详细说明本发明的使用方法。

如附图1所示，本发明的一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置原理图包括：制冷剂循环系统、水循环系统和实时数据采集系统。

制冷剂循环系统包括：储液罐1、干燥过滤器2、过冷器3、隔膜计量泵B4、脉动阻尼器4、第二板式换热器HE2、实验段5、第三板式换热器HE3。

在制冷剂循环系统中，从储液器1至隔膜计量泵B4出口接出一个装有电动调节阀M1的旁通回路，当制冷剂流量过小，隔膜计量泵B4出口的制冷剂流量不稳定，制冷剂流量测量不稳定时，打开电动调节阀M1，提高制冷剂流量，使大流量的制冷剂经过隔膜计量泵B4后进行分流，部分制冷剂回流至储液器1，可以保证隔膜计量泵B4出口的制冷剂流量稳定，实现流量测量更稳定，为后续实验研究提供保障。

在制冷剂循环系统中，通过实时数据采集控制系统来观察第四压力传感器P4和第十五铂电阻T15数值，并进行相应的调整输出，确保流出过冷器过冷状态的制冷剂在通过第一视液镜S1时为全液状态。

在制冷剂循环系统中，第二板式换热器HE2中的换热和第三板式换热器HE3中的换热均为制冷剂与水的换热。

在制冷剂循环系统中，实验段5上方装有放气阀VR14,放气阀VR14距离实验段5垂直距离30-50cm，排除冷凝换热实验中产生的不凝性气体，以及实验装置运行时间过长产生的不凝性气体，使实验过程不受不凝性气体影响，保证实验数据的准确性。

在制冷剂循环系统中，依次留有第一针阀P5-1、第二针阀P5-2、第三针阀P5-3、第四针阀P5-4、第五针阀P5-5，对一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置测压、检漏和充注制冷剂，保证一种可切换的蒸发和冷凝的单管管内换热实验装置正常运行和实验的准确性、合理性。

水循环系统包括蒸发处理循环回路、预冷处理循环回路、实验段水循环回路、冷凝处理循环回路和过冷处理循环回路。

在水循环系统中，蒸发处理循环回路包括：第二板式换热器HE2、第五电磁流量计G5、前端电加热H2、膨胀水箱E、前端水泵B2。

在水循环系统中，第五电磁流量计G5采用型号为LDY-15S-21CC-12-01-0-(3)-6-10-00的电磁流量计，流量范围为0.3-3 m³/h。

在水循环系统中，预冷处理循环回路包括：第二板式换热器HE2、第五电磁流量计G5、乙二醇低温水箱6、Y型过滤器7、低温循环水泵B3。

在水循环系统中，低温循环水泵B3采用轻型卧式多级离心泵，型号为CHL2-40LSWSC。

在水循环系统中，实验段水循环回路包括：实验段5、测试电加热H1、第一板式换热器HE1、测试水泵B1。

在水循环系统中，第一板式换热器HE1中的换热是水与水的换热。

在水循环系统中，冷凝处理循环回路包括：第三板式换热器HE3、乙二醇低温水箱6、Y型过滤器7、低温循环水泵B3、第四电磁流量计G4。

在水循环系统中，第四电磁流量计G4采用型号为AXF015G的电磁流量计，流速范围为0.3-10 m/s。

在水循环系统中，过冷处理循环回路包括：过冷器3、乙二醇低温水箱6、Y型过滤器7、低温循环水泵B3。

在水循环系统中，过冷器3采用型号为SS-0075GT-U的同轴换热器。

如附图2所示，本发明的实时数据采集控制系统包括手动控制系统，触摸屏系统，PLC系统和电脑LabVIEW软件系统。

设备11的数据采集线和设备控制线均连接到PLC硬件8组成的PLC系统。

设备11的部分数据采集线和设备控制线接到手动控制系统。

通过制冷剂流量PID控制器U1、实验段5水流量PID控制器U2、第三板式换热器HE3水流量PID控制器U3、实验段5进水温度PID控制器U4、实验段5前制冷剂温度PID控制器U5、乙二醇低温水箱6出水温度PID控制器U6、储液器1冷凝压力PID控制器U7、实验段5出口压力PID控制器U8、第一电子膨胀阀EXV1控制器X1、第二电子膨胀阀EXV2控制器X2、隔膜计量泵B4变频器F1，测试水泵B1变频器F2，前端水泵B2变频器F3来实现对设备11的直接控制。

通过PLC控制系统来实现对设备11的直接控制。

在实时数据采集控制系统中，采用的是MICROMASTER 440系列变频器。

如附图3所示，触摸屏10置于动力柜前面板，可实时采集数据，触摸屏系统通过RS485通讯线实现与PLC系统的通讯。

在实时数据采集控制系统中，电脑LabVIEW软件系统通过PLC无线模块实现与PLC系统的通讯。

动力柜前面板的系统启动SB1和系统停止SB2是控制整个系统的启停，当警报响起时，可按下报警复位SB6停止警报。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。