一体化换热器的流动与传热性能的测试方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及电子特气、氢能、及低温制冷技术领域，特别涉及到一体化换热器的流动与传热性能的测试方法及系统；本发明专利技术先测定出一体化换热器中氢气流量、进出口温度、压力和仲氢浓度及测定其它通道的流量、进出口温度及压力，从而得到被测换热器的换热量，再根据被测换热器的换热量及被测换热器的结构尺寸，得出一体化通道内柯尔柏传热因子J、范宁摩擦因f及空塔Re的关系，从而得到被测的换热器的一体化通道的传热特性和流动特性。的传热特性和流动特性。的传热特性和流动特性。

【技术实现步骤摘要】
一体化换热器的流动与传热性能的测试方法及系统


[0001]本专利技术涉及电子特气、氢能、及低温制冷
，特别涉及到一体化换热器的流动与传热性能的测试方法及系统。

技术介绍

[0002]液氢被广泛应用于航空航天、电子特气、精细化工及氢能源等领域，氢有正氢和仲氢两种形态，不同温度下仲氢平衡含量占比不同，常温下，仲氢平衡浓度为25％，而液氢温度(20K)下，仲氢平衡温度达99.8％，若液化过程只进行降温，而不进行正仲氢转化，则所产生的液氢将在第一天蒸发掉18％，因而，在氢液化过程中，必须在降温的同时进行正仲氢转化。
[0003]早期建设的氢液化器，将换热器与正仲氢转化器分开，如德国的英戈施坦特液氢工厂等；而近年建设的液氢工厂，则采用换热与正仲转化一体化换热器，如德国的鲁依娜液氢工厂等，正氢向仲氢转化是放热过程，因而在液化降温过程中进行正仲氢转化会增加能耗，转化热随温度的降低而升高，且液化降温过程中，相同热量所对应的冷量火用随温度的降低而升高，且降温是放热过程，绝热转化将升高氢气温度，因而，液化过程中正氢转化为仲氢，要尽量在较高温度下进行，而由于各温度下仲氢平衡浓度的存在，液化过程中正氢向仲氢的转化很难在常温或温度降至液氮温度之前等较高温度下完成，因此，采用边降温边进行正仲氢转化的正仲氢转化与换热一体化换热器比采用降温与转化分开的普通换热器+绝热与定温正仲氢转化器节能。
[0004]由于一体化换热器的一体化通道内塞入了催化剂，使一体化通道的流动与传热特性发生了变化，普通空塔通道的J(Re，Pr)和f(Re，Pr)不再适用，加入催化剂后，一体化通道内氢气由管内流动变成了有限空间内绕流多孔介质，目前研究气体在有限空间内绕流多孔介质的理论模型都是基于绕流机理，以多孔介质本身特征尺寸为特征尺寸进行研究的，且理论模型本身有一定误差；而换热器设计则需要以通道的特征尺寸为特征尺寸，因而，有必要通过试验方式测定正仲氢与换热一体化通道的流动与传热特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决的技术问题是提供一体化换热器的流动与传热性能的测试方法，其测定出一体化换热器中氢气流量、进出口温度、压力和仲氢浓度及测定其它通道的流量、进出口温度及压力，从而得到被测换热器的换热量，再根据被测换热器的换热量及被测换热器的结构尺寸，得出一体化通道内柯尔柏传热因子J、范宁摩擦因f及空塔Re的关系，从而得到被测的换热器的一体化通道的传热特性和流动特性，还提供一体化换热器的流动与传热性能的测试系统。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一体化换热器的流动与传热性能的测试方法，其中，包括如下步骤：
[0007]步骤S1、将高压钢瓶内的高纯氢气进行减压后，通入氢气压缩模块内进行压缩，同
时测定一体化通道内的氢气流量、进出口温度、压力及仲氢浓度；
[0008]步骤S2、再将压缩后的氢气通入氢气纯化模块内纯化；
[0009]步骤S3、将纯化后氢气通入测试模块内，测定其它通道的流量、进出口温度及压力，得到测定数据，根据测定数据得出被测换热器的换热量；
[0010]步骤S4、根据被测换热器的换热量及被测换热器的结构尺寸，得出一体化通道内柯尔柏传热因子J、范宁摩擦因f及空塔Re的关系，从而得到被测的换热器的一体化通道的传热特性和流动特性。
[0011]作为本专利技术的一种改进，在步骤S3内，被测换热器为两股流换热器，两股通道分别为氢气通道和低温气体通道，低温气体通道与间壁的表面传热系数大于氢气通道与间壁的表面传热系数，构建低温等壁边界。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S2内，将氢气进行纯化处理，使氢气的纯度不低于7N的超纯氢。
[0013]作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S3内，将纯化后的氢气分为主路和旁路两部分，主路超纯氢进入预冷换热器被循环回流氢气冷；旁路超纯氢绕过预冷级换热器，不经冷却，直接与主路超纯氢在预冷换热器的高压出口处混合兑温，从而得到不同的被测换热器入口温度；混合后的超纯氢经被测换热器，实现正氢向仲氢转化与冷却一体化。
[0014]一体化换热器的流动与传热性能的测试系统，采用如上述任意一项所述的测试方法，该测试系统包括：
[0015]氢气压缩模块，用于对氢气进行压缩；
[0016]氢气纯化模块，用于纯化氢气；
[0017]测试模块，用于预冷氢气后通入被测的换热器，得到被测的换热器的性能参数数据；
[0018]其它模块。
[0019]作为本专利技术的一种改进，所述氢气压缩模块包括：
[0020]压缩机，用于压缩氢气，从而构建压差以完成循环；
[0021]水冷机，用于将压缩后的氢气冷却至常温；
[0022]干燥器，用于对压缩后的氢气进行干燥；
[0023]滤油器，用于过滤氢气内油气。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，所述氢气纯化模块包括：
[0025]脱氮器，用于对氢气进行脱氮处理；
[0026]除氧器，用于对氢气进行除氧处理。
[0027]作为本专利技术的更进一步改进，所述测试模块包括：
[0028]低温真空冷箱，用于多层真空绝热；
[0029]预冷换热器；
[0030]被测换热器；
[0031]流量计，用于测量被测换热器内各股流的流量；
[0032]温度传感器，用于测量被测换热器内各股流的进出口温度；
[0033]压力传感器，用于测量被测换热器内各股流进出口压力；
[0034]气相色谱仪，用于测定被测换热器氢气通道的进出口仲氢浓度。
[0035]作为本专利技术的更进一步改进，所述预冷换热器，包括：
[0036]氢气预冷通道，用于氢气预冷；
[0037]氢气复温通道，用于氢气复温；
[0038]其中，氢气复温通道中充满正仲氢转化催化剂，用于在复温过程中将仲氢转化为正氢，从而使仲氢浓度恢复到25％。
[0039]作为本专利技术的更进一步改进，所述其他模块包括：
[0040]空温复温器，用于回流氢气复温；
[0041]调节阀，用于调节流量和降低压力；
[0042]高压气瓶组，用于补气。
[0043]本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术先测定出一体化换热器中氢气流量、进出口温度、压力和仲氢浓度及测定其它通道的流量、进出口温度及压力，从而得到被测换热器的换热量，再根据被测换热器的换热量及被测换热器的结构尺寸，得出一体化通道内柯尔柏传热因子J、范宁摩擦因f及空塔Re的关系，从而得到被测的换热器的一体化通道的传热特性和流动特性。
附图说明
[0044]图1是本专利技术的测试平台示意图；
[0045]图2是本专利技术测试柯尔柏传热因子J、范宁摩擦因f及空塔Re的关系的原理示意图；
[0046]附图标记：1
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压缩机，2
‑
水冷机，3
‑
干燥器，4
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一体化换热器的流动与传热性能的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、将高压钢瓶内的高纯氢气进行减压后，通入氢气压缩模块内进行压缩，同时测定一体化通道内的氢气流量、进出口温度、压力及仲氢浓度；步骤S2、再将压缩后的氢气通入氢气纯化模块内纯化；步骤S3、将纯化后氢气通入测试模块内，测定其它通道的流量、进出口温度及压力，得到测定数据，根据测定数据得出被测换热器的换热量；步骤S4、根据被测换热器的换热量及被测换热器的结构尺寸，得出一体化通道内柯尔柏传热因子J、范宁摩擦因f及空塔Re的关系，从而得到被测的换热器的一体化通道的传热特性和流动特性。2.根据权利要求1所述的一体化换热器的流动与传热性能的测试方法，其特征在于，在步骤S3内，被测换热器为两股流换热器，两股通道分别为氢气通道和低温气体通道，低温气体通道与间壁的表面传热系数大于氢气通道与间壁的表面传热系数，构建低温等壁边界。3.根据权利要求1所述的一体化换热器的流动与传热性能的测试方法，其特征在于，在步骤S2内，将氢气进行纯化处理，使氢气的纯度不低于7N的超纯氢。4.根据权利要求1所述的一体化换热器的流动与传热性能的测试方法，其特征在于，在步骤S3内，将纯化后的氢气分为主路和旁路两部分，主路超纯氢进入预冷换热器被循环回流氢气冷；旁路超纯氢绕过预冷级换热器，不经冷却，直接与主路超纯氢在预冷换热器的高压出口处混合兑温，从而得到不同的被测换热器入口温度；混合后的超纯氢经被测换热器，实现正氢向仲氢转化与冷却一体化。5.一体化换热器的流动与传热性能的测试系统，其特征在于，采用如权利要求1
‑
4任意一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱伟平，龚领会，李正宇，谢秀娟，张梅梅，贾启明，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：