過程裝備專業(yè)能量轉(zhuǎn)換與傳遞綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

王學(xué)生　惠　虎　陳　聰　洪　瑛

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　上海　200237）

1　綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程與裝置

1.1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

能量轉(zhuǎn)換與傳遞綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、換熱器陣列、水箱、冷水箱、熱水箱、水泵、油泵以及管道、閥門，溫度、壓力、流量檢測(cè)裝置等組成。

整個(gè)系統(tǒng)又可分為太陽(yáng)熱水系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。太陽(yáng)熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)集熱器陣列、水箱、水循環(huán)泵、閥門等通過管道連接而成，換熱系統(tǒng)由換熱器、冷水箱、熱水箱、油泵、閥門等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)又由一定的控制設(shè)備進(jìn)行控制。

1.2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作流程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分兩個(gè)階段，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)階段，一個(gè)是正常加熱冷卻水的換熱階段。實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)階段主要包括兩個(gè)步驟：一個(gè)是水箱的注水；二是大水箱內(nèi)水的預(yù)熱。水箱注水主要是通過自來水通過自動(dòng)閥門10的控制向小水箱注水，自動(dòng)閥門的開關(guān)由大水箱內(nèi)的液位來決定，當(dāng)水箱內(nèi)的液位達(dá)到設(shè)定的低值時(shí)，閥門10自動(dòng)打開；當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值的高值時(shí)，閥門10自動(dòng)關(guān)閉。其主要流經(jīng)路線為：自來水→自控閥門10→大水箱。

大水箱內(nèi)水的預(yù)熱主要是在實(shí)驗(yàn)開始，太陽(yáng)光照不強(qiáng)烈，大水箱內(nèi)水溫不高時(shí)，采取的一種手段。這時(shí)原油加熱子回路不啟動(dòng)，太陽(yáng)能不加熱原油。此時(shí)閥門1、12、3開，其余閥門均關(guān)閉，水泵打開。此時(shí)，在水泵提供動(dòng)力的情況下，大水箱內(nèi)的冷水不經(jīng)過換熱器，而是直接進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器，被加熱后回到大水箱，將太陽(yáng)能集熱器收集的熱量帶入大水箱。其主要流經(jīng)路線為：大水箱→閥門12→水泵1→閥門3→太陽(yáng)能集熱器→閥門1→大水箱。

正常加熱冷卻水的換熱階段是在太陽(yáng)光照充足的條件下，由大水箱內(nèi)的熱水通過換熱器加熱冷卻水的階段。這一階段主要由兩個(gè)回路（兩個(gè)子系統(tǒng)），對(duì)于冷卻水加熱回路，閥門5、6、7、9開，閥門8關(guān)閉，油泵開啟，在油泵提供動(dòng)力的條件下，冷水箱內(nèi)的冷卻水經(jīng)過換熱器加熱，被送入熱水箱。這一回路的具體路線為：冷水箱→閥門6→水泵→閥門5→流量計(jì)→閥門7→換熱器管程→閥門9→熱水箱。

對(duì)于太陽(yáng)能加熱回路，此時(shí)閥門12、2、11、4、1開，閥門3關(guān)，水泵1開啟，在水泵提供動(dòng)力的條件下，大水箱內(nèi)的熱水進(jìn)入換熱器加熱冷卻水，然后從換熱器出來的低溫水流入太陽(yáng)能集熱器，被加熱后流回大水箱，實(shí)現(xiàn)整個(gè)回路的循環(huán)。這一回路的具體路線為：大水箱→閥門12→水泵1→閥門2→流量計(jì)→閥門11→換熱器殼程→閥門4→太陽(yáng)能集熱器→閥門1→大水箱。

1.3　實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

圖3所示為太陽(yáng)能加熱輸送原油系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，它主要由太陽(yáng)能集熱器、換熱器、蓄熱水箱、油箱、水泵以及管道等部件組成。其主要部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

（1）太陽(yáng)能集熱器陣列（圖2），真空集熱管尺寸規(guī)格為1800×ф58，總集熱面積20m²。

（2）蓄熱水箱：水箱凈容積為300L。

（3）換熱器：有效換熱面積為約為1.2m²。

2　綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1　太陽(yáng)能集熱器的集熱效率測(cè)試

2.1.1　太陽(yáng)總輻射能

輻射指太陽(yáng)、地球和大氣輻射的總稱。通常稱太陽(yáng)輻射為短波輻射，地球和大氣輻射為長(zhǎng)波輻射。觀測(cè)的物理量主要是輻射能流率，或稱輻射通量密度或輻射強(qiáng)度（W/m²）。太陽(yáng)總輻射，指地平面接收的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和。在本實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)量的是太陽(yáng)總輻射能。

2.1.2　全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管構(gòu)造如圖4所示，像一個(gè)拉長(zhǎng)的暖水瓶膽，由兩根同心圓玻璃管組成，內(nèi)、外圓管間抽成真空，太陽(yáng)選擇性吸收表面（涂層、膜系）沉積在內(nèi)管的外表面構(gòu)成吸熱體，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的傳熱流體。全玻璃真空集熱管采用單端開口的設(shè)計(jì)，通過一端內(nèi)、外管環(huán)形熔封起來，其內(nèi)管另一端是密閉半球形圓頭，帶有吸氣劑的彈簧卡子，將吸熱體玻璃管圓頭支承在罩玻璃管的排氣內(nèi)端部。當(dāng)吸熱體吸收太陽(yáng)輻射而溫度升高時(shí)，吸熱體玻璃管圓頭形成熟膨脹的自由端，緩沖了工作時(shí)引起真空集熱管開口端部的熱應(yīng)力。

2.1.3　主要測(cè)試儀表

（1）TBQ-2總輻射表（圖5）用來測(cè)量光譜范圍為0.3～3μm的太陽(yáng)總輻射，也可用來測(cè)量入射到斜面上的太陽(yáng)輻射，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能利用、氣象、農(nóng)業(yè)、建筑材料老化及大氣污染等部門做太陽(yáng)輻射能量的測(cè)量。

（2）PC-2型太陽(yáng)輻射記錄儀（以下簡(jiǎn)稱記錄儀）（圖6）是新一代的太陽(yáng)輻射記錄儀，它與通用的PC電腦配合使用，外接各種輻射傳感器，用于觀測(cè)記錄太陽(yáng)的總輻射、散射、直輻射、反射、凈輻射等各種輻射量。

2.1.4　太陽(yáng)能加熱輸送原油系統(tǒng)熱效率的測(cè)試

太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱效率按下式計(jì)算：

　　 （1） 　　

太陽(yáng)熱水系統(tǒng)平均熱效率按下式計(jì)算：

　　 （2） 　　

式中　ρ_w——熱水的密度，kg/m³；

C_pw——熱水的比熱容，kJ/（kg·℃）；

V_s——蓄熱水箱中的水容積，m³；

T_i——第i時(shí)刻測(cè)得的水箱水溫，℃；

T_i-1——i-1時(shí)刻測(cè)得的水箱水溫，℃；

——i時(shí)刻到i-1時(shí)刻的太陽(yáng)能平均輻照強(qiáng)度，℃；

T_e——集熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)蓄熱水箱內(nèi)的水溫，℃；

T_b——集熱試驗(yàn)開始時(shí)蓄熱水箱內(nèi)的水溫，℃；

——平均日效益；

A——太陽(yáng)熱水器采光面積，m²；

H——累積太陽(yáng)輻照量，kJ/m²。

2.2　換熱器總傳熱系數(shù)K及傳熱效率ε測(cè)試

2.2.1　熱平衡方程式

設(shè)換熱器兩側(cè)流體在換熱過程中不發(fā)生相變化，若熱損失可忽略，則單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量應(yīng)等于冷流體吸收的熱量，并且等于傳熱量，即：

Q=W_hC_ph（T₁-T₂）=W_cC_pc（t₂-t₁）　　（3）

式中　W_h，W_c——熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；

C_ph，C_pc——熱、冷流體的平均質(zhì)量定壓熱容，J/（kg·℃）；

T₁，T₂——熱流體進(jìn)出口溫度，℃；

t₁，t₂——冷流體進(jìn)出口溫度，℃；

Q——單位時(shí)間內(nèi)通過間壁的換熱量或換熱器的熱負(fù)荷（傳熱速率），W。

以上各式均未考慮熱損失。若換熱器的熱損失不可忽略時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量應(yīng)等于冷流體吸收的熱量與熱損失之和。

2.2.2　傳熱平均溫差

逆流或并流平均溫度差。逆流是指參與換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)做反向流動(dòng)。并流是指參與換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)做反向流動(dòng)。在換熱器內(nèi)進(jìn)行逆流或并流換熱時(shí)對(duì)數(shù)平均溫度差為：

Δt_m=（Δt₁-Δt₂）/ln（Δt₁/Δt₂）　　（4）

式中，Δt₁和Δt₂是換熱器兩端熱流體與冷流體的傳熱溫差。若Δt₁/Δt₂<2，可由算術(shù)平均溫度差（Δt₁+Δt₂）/2代替對(duì)數(shù)平均溫度差。

2.2.3　基本傳熱方程式

換熱器設(shè)計(jì)根據(jù)傳熱速率方程式計(jì)算：

　　 （5） 　　

式中　K——整個(gè)傳熱面上的平均傳熱系數(shù)，W/（m²·℃）；

A——傳熱面積，m²；

Δt_m——兩種流體之間的平均溫差。

2.3　換熱器效率計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.3.1　換熱器分析數(shù)學(xué)模型

為便于分析，將常見的熱交換設(shè)備（逆流方式）的量流向采用白箱分析模型表示，如圖7所示。

圖7中，E_h1、E_h2、E_c1、E_c2分別為熱、冷流體的進(jìn)出口值；T_h1、T_h2、T_c1、T_c2分別為熱、冷流體進(jìn)出口的溫度值，ΔE_s為熱、冷流體在進(jìn)行熱交換的過程中的損。

根據(jù)數(shù)學(xué)分析模型，可以得出熱交換設(shè)備的平衡方程式：

E_h2-E_h1=E_c2-E_c1+ΔE_s　　（6）

也可寫成一般形式：

ΔE_h-ΔE_c=ΔE_s　　（7）

式中，ΔE_h、ΔE_c分別為熱、冷流體進(jìn)出口差；ΔE_s為換熱器內(nèi)外損之和。

2.3.2　換熱器的損與效率

熱、冷流體損根據(jù)能量平衡原理，測(cè)定環(huán)境溫度T_o，可分別求出熱、冷流體進(jìn)出口差：熱流體為：

　　 （8） 　　

同理冷流體為：

　　 （9） 　　

由式（8）、式（9）可以計(jì)算出損ΔE_s與效率η分別為：

　　 （10） 　　

　　 （11） 　　

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）通過測(cè)試太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度I、集熱器進(jìn)出口水的溫度T_i和T_o以及水的循環(huán)流量W，便可以測(cè)出太陽(yáng)能輻射能的轉(zhuǎn)換效率η。做出瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率η與太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的關(guān)系曲線和瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率η與太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的關(guān)系曲線與集熱器進(jìn)口水溫度T_i的關(guān)系曲線，同時(shí)計(jì)算太陽(yáng)能集熱器的平均效率。

（2）通過測(cè)試換熱器熱流體的流量m_h及進(jìn)出口溫度T_hi和T_ho，冷流體的流量m_c及進(jìn)出口溫度t_ci和t_co，可計(jì)算換熱器的熱負(fù)荷Q以及平均傳熱溫差Δt_m，根據(jù)換熱器的換熱面積A，可以計(jì)算出總傳熱系數(shù)K。做出總傳熱系數(shù)K與熱負(fù)荷Q的關(guān)系曲線。

（3）通過測(cè)試換熱器熱流體的流量m_h及進(jìn)出口溫度T_hi和T_ho，冷流體的流量m_c及進(jìn)出口溫度t_ci和t_co，以及環(huán)境溫度T_o，可分別計(jì)算出熱、冷兩流體的差ΔE_h和ΔE_c，同時(shí)可進(jìn)行損失ΔE_s與效率的η_e計(jì)算。做出效率η_e與傳熱溫差Δt_m的關(guān)系曲線。

4　結(jié)語(yǔ)

本科教學(xué)與科研是大學(xué)的主要職能，兩者的結(jié)合是培養(yǎng)高級(jí)專門人才的需要，是現(xiàn)代大學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本成果是在完成教育部重點(diǎn)科技項(xiàng)目“太陽(yáng)能加熱輸送原油系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”基礎(chǔ)上，利用所完成的科研項(xiàng)目中的過程原理知識(shí)及實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合目前我院過程裝備與控制工程專業(yè)專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求情況而實(shí)施完成的。其主要綜合實(shí)驗(yàn)功能：可測(cè)試太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能的瞬時(shí)和平均效率；可測(cè)試換熱設(shè)備的效率；可測(cè)試換熱器的傳熱系數(shù)測(cè)試。可為過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)課“工程熱力學(xué)”“傳熱學(xué)”“化工設(shè)備設(shè)計(jì)”開設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)。自2007年建成以來，已連續(xù)八年為我校過程裝備與控制工程本科專業(yè)學(xué)生以及其他專業(yè)本科生開放，完成相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該綜合試驗(yàn)平臺(tái)于2012年獲校教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］　朱明，太陽(yáng)能加熱輸送原油系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究［D］.華東理工大學(xué)學(xué)位論文，2006.

［2］　王學(xué)生，能量轉(zhuǎn)換與傳遞綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.上海：華東理工大學(xué)，2007.

［3］　王學(xué)生，能量轉(zhuǎn)換與傳遞綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.上海：華東理工大學(xué)，2007.