基于风量调节与阻力调节的热管换热器对比实验台及方法

本发明属于教学实验设备，涉及一种用于热管换热器教学实验的装置及方法，尤其涉及一种基于风机风量调节与管道阻力调节的热管换热器对比实验台及对比实验方法。

背景技术：

1、热管换热器是《热质原理交换与设备》本科教学实验用翅片管气气换热实验装置，通过实验，旨在让学生掌握热管换热器的工作原理、性能测试方法以及风量、管道阻力对换热量q和传热系数k的影响规律。

2、现有热管换热器教学试验台普遍存在以下缺陷：

3、（1）、无法直观区分“风量调节”与“阻力调节”对换热性能的影响：现有实验台仅配置风机调速，通过调节风机改变风量，以此研究风量变化对换热量和传热系数的影响，而实际上，管道阻力的变化也是影响换热量和传热系数的常规因素，现有试验台无法进行对比实验，例如公告号为cn208606626u的一种改进型试验用热管换热器实验装置以及gzc016-ⅱ型热管换热器实验装置、db-rghr型热管换热器实验装置等现有产品，均只能通过风机调节风量进行单工况实验研究，学生无法在同一设备上对比观察两种调节方式的不同物理本质以及对换热性能的影响差异；

4、（2）、数据处理效率低：公告号为cn208606626u的一种改进型试验用热管换热器实验装置，温度、风速实验数据需人工记录，换热量和传热系数需手动计算，学生在繁琐的记录计算中耗费大量时间，无法专注于理解换热原理，而gzc016-ⅱ型热管换热器实验装置等现有产品已然能实现温度、风速等参数的自动实时采集、连续存储以及同屏显示所采集的实验数值及所有的数据曲线。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于风量调节与阻力调节的热管换热器对比实验台及方法，以解决上述背景技术中提出的现有试验台无法进行对比实验的问题，现有技术无法在同一设备上让学生直观对比“变频风机调节风量”与“调节阻力”两种不同调节方式对换热性能的影响。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于风量调节与阻力调节的热管换热器对比实验台，包括热段风道、冷段风道、热管换热器、电加热器、风速测量元件、测温元件、变频风机、风道阻力调节装置以及数显上位机；

4、所述冷段风道设置于所述热段风道的上方，所述热管换热器的两端分别设置于所述热段风道的中部和所述冷段风道的中部；

5、所述热段风道的左端和右端分别为出风口和进风口，所述冷段风道的左端和右端分别为进风口和出风口，所述电加热器设置于所述热段风道内部且位于所述热管换热器靠近进风口一侧，用于加热从所述热段风道进风口进入的空气；

6、所述热段风道的出风口以及所述冷段风道的出风口均设置有用于测量出风口风速的风速测量元件；

7、所述热段风道的两端以及所述冷段风道的两端均设置有测温元件，各个所述测温元件分别用于测量所述热段风道的进出口温度与所述冷段风道的进出口温度，且所述热段风道进风口内部所述测温元件位于所述热管换热器与所述电加热器之间，所述测温元件测量的所述热段风道进风口温度是经所述电加热器加热后的空气温度；

8、所述热段风道和所述冷段风道的进风口均设置有变频风机和风道阻力调节装置，所述变频风机用于调节送入风道内的风量，所述风道阻力调节系统用于调节风道内流通面积和流动阻力，所述变频风机与所述风道阻力调节装置构成双模式调节系统，能作为实验调节变量先后进行热管换热器实验，并形成实验对比；

9、所述数显上位机分别与所述电加热器、每个所述风速测量元件、每个所述测温元件以及每个所述变频风机电连接，用于同步采集温度和风速数据、实时计算换热量q和传热系数k、同屏显示所采集的实验数值、所计算的换热量q和传热系数k以及所有的数据曲线。

10、进一步的，所述风道阻力调节装置为花瓣式调节阀，所述花瓣式调节阀由阀体、设置于所述阀体内以其中心呈放射状分布的多片扇形叶片、用于连接多个所述扇形叶片的同步联动机构以及用于驱动同步联动机构控制多个所述扇形叶片同步旋转的驱动装置，所述花瓣式调节阀通过一套精妙的联动装置，让阀体内所有扇形叶片同步旋转，从而改变气流通道的有效截面积，达到精确调节风量和阻力的目的。

11、进一步的，所述数显上位机设置有与之电连接的开关组件，所述开关组件包括但不限于总电源开关、电加热器电源开关、变频风机电源开关、电加热器调节旋钮以及变频风机调节旋钮，根据各个开关能进行电源控制和工况调节。

12、进一步的，所述数显上位机为具有彩色触摸式液晶显示屏的工业触摸屏一体机、plc一体机或工控机，能同屏显示所采集的实验数值、所计算的换热量q和传热系数k以及所有的数据曲线。

13、进一步的，所述实验台还包括台架，所述数显上位机安装于所述台架上，所述热管换热器安装于所述数显上位机的顶部，所述热段风道连接在所述热管换热器的热侧，所述冷段风道连接在所述热管换热器的冷侧，以此将所述实验台的各部分集成在一起。

14、本发明还提出一种基于风量调节与阻力调节的热管换热器对比实验方法，包括以下步骤：

15、s1、实验准备：将各个测温元件、各个风速测量元件均与数显上位机电连接；

16、s2、变频风机频率调节：将花瓣式调节阀的开度预设为全开，通过数显上位机控制两个变频风机启动，按多个频率档位依次调节两个变频风机频率，使冷热段风量逐步达到目标区间，同时通过开启电加热器对热段风道内空气进行加热，热段风道中的电加热器使风道内空气被加热，热风通过热管换热器时进行换热和热传递，从而使冷段风道内空气温度升高；

17、s3、花瓣式调节阀开度调节：保持变频风机频率不变，将花瓣式调节阀按多个开度档位依次调节，分别改变风道流通面积与流动阻力；

18、s4、最优工况精确调节：在每个频率档位与每个开度档位组合下，稳定运行待数据平稳，观察数显上位机实时显示的换热量q、传热系数k以及风量值，对比不同组合的性能参数，以q、k最大、风量稳定、波动最小的组合确定为最优换热工况；

19、s5、数据采集：在最优工况下，各个测温元件、各个风速测量元件实时采集冷热段进出口温度以及风速数据，上传至数显上位机；

20、s6、实时计算：数显上位机自动计算换热量q和传热系数k，并实时显示参数变化曲线；

21、s7、实验结束：数显上位机自动生成包含原始数据、计算结果和误差分析的实验报告，存储所有数据。

22、进一步的，所述步骤s2中，多个频率档位包括10hz、20hz、30hz、40hz、50hz五个档位。

23、进一步的，所述步骤s3中，多个开度档位包括全开、75%、50%、25%、全闭五个档位。

24、由上述技术方案可知，本发明提供的一种基于风量调节与阻力调节的热管换热器对比实验台及方法，有益效果在于：

25、（1）、教学目的性强，学生可清晰区分风量调节与阻力调节，能直观展示阻力调节对风量的影响；

26、（2）、配备标准最优工况调节流程，实验规范、可重复，适合课程教学；

27、（3）、自动采集与计算，减少人工操作，提高课堂演示效率；

28、（4）、能直观展示变频风机风量调节、阻力调节两种模式对换热性能的影响，加深原理理解；

29、（5）、操作简单、稳定可靠，特别适合高校课程实验使用。