一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置的制作方法

本发明涉及换热器实验装置领域，尤其涉及一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置。

背景技术：

低温换热器作为大型氦低温系统的重要设备，直接影响整个系统的制冷或液化性能。低温换热器的作用主要是冷却主流路氦气，回收氦气回路冷量，以提高制冷系统的效率。不同与普通换热器，低温换热器的应用条件更为苛刻，对效率、压降和紧凑度等提出更高的要求，且须考虑变物性、流体分配不均、轴向导热、环境漏热等因素的影响，所以其设计、制造和运行更加复杂。

板翅式换热器，由于传热效率高，比表面积大（一般可达1500m²/m³），适用范围广等优点，广泛应用在大型氦制冷机中。板翅式换热器的翅片性能公式通常由常温介质的吹风实验得到，关联式并未考虑低温下的物性急剧变化、纵向导热、环境漏热等不利因素，因而其运行在低温下的准确性尚未清楚。目前工程上设计低温换热器时，留有一定的面积裕度，以弥补关联式、物性变化、流体分配不均、纵向导热和环境漏热等因素带来的不利影响。然而换热器的面积裕度选取过小，会导致换热效率达不到设计目标，严重时使得氦制冷机的制冷量下降，液化器生产不出液氦。若面积裕度选取过大，会导致换热器和制冷机的尺寸庞大，增加制造成本。

除了设计工况，低温换热器还可能在变工况下运行。大型氦制冷机开机启动后，系统开始降温，低温换热器则开始从常温300K降至各自设计的温度。降温到位后，制冷机进入设计工况工作，此时换热器的运行参数与设计参数匹配。当制冷机运行工况改变后，换热器的运行参数将发生变化，换热性能也将发生变化。因此对低温换热器进行变工况测试，对指导实际工程中对低温换热器的设计应用十分重要。

截至目前还鲜见低温换热器整机性能测试的装置，究其原因，是深低温测试流体、测试装置等提出很高的要求。专利（CN201810126528.1）提出了一种20K以下温区的换热器性能测试方式装置，但该方法是将氦制冷机的最后一级换热器增加测量仪表来获得其性能，测试温区十分有限（20K-4.5K），无法进行变工况测试；另外更换待测换热器时，需拆开氦制冷机，十分麻烦。同时实验平台仅针对特定氦制冷机的最后一级换热器，更换待测换热器可能导致与实验装置其他设备不匹配，没有通用性。专利（CN201710407482.6）提出了一种利用液氮冷却的换热器性能试验装置。受限于液氮的温度，该装置只能进行77K温度以下的换热器测试。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出了一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，解决300-4.5K大范围低温区低温换热器测试难题，可实现冷热流体入口温度、压力和流量调节的多工况测试功能，方便更换待测换热器，具有通用性。

本发明采取的技术方式如下：

一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，包括低温恒温器及位于该恒温器内的冷屏、盘设在冷屏上的盘管、待测换热器、热流体路、冷流体路、测量仪表和数据采集系统；

所述低温恒温器上端出入口设有回气管路、300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路，300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路进入低温恒温器后分别一分为二，接入冷流体路和热流体路入口，冷流体路和热流体路的出口均与回气管路连接，冷流体路和热流体路由相同的组件和管路构成，具体包括有阀门、流体混合室、电加热器、管路和测量仪表；

所述冷流体路/热流体路入口段：300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路上分别安装有第一、二、三阀门，300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路通过一管路共同接入流体混合室入口，流体混合室出口与待测换热器入口之间的管路上依次设有入口阀和电加热器；

所述冷流体路/热流体路出口段：待测换热器的出口管路通过出口阀接入回气管路，待测换热器的冷/热流股设有旁通阀。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，所述300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路流入的氦气分别是由大型氦制冷机系统提供的300K氦气、80K冷氦气和4.5K冷氦气，其中300K常温氦气、80K冷氦气按不同比例混合得到300-80K范围的低温氦气，80K和4.5K低温氦气按不同比例混合得到80-4.5K的低温氦气。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，进入待测换热器的流体温度可调，是通过控制300K氦气、80K和4.5K冷氦气的混合比例和电热器的加热功率，实现300-4.5K温区的精确调节。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，进入待测换热器的压力可调，是通过待测换热器的入口阀和出口阀的开度来实现。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，进入待测换热器的流量可调，通过待测换热器的冷/热流股的旁通阀来实现。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，待测换热器的冷热流体进口均安装有温度和压力传感器，出口均安装有流量计，进出口之间均安装有差压变送器。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，待测换热器的冷流体路出口段位于出口阀的入口处，由支管路分一部分流体进入冷屏的盘管中，支管路上设有第四阀门，盘管的出口通过管路接入待测换热器的冷流体路出口段的出口阀的出口处，尽可能消除对待测换热器的辐射漏热。

所述的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，其特征在于，低温恒温器与真空泵连接，通过真空泵将低温恒温器的压力抽至10^-3Pa以下，尽可能消除因对流换热产生漏热的影响。

本发明工作时通过大型氦制冷机系统提供常温300K氦气、80K和4.5K冷氦气，分别通过低温阀门控制三股流体的比例得到300-4.5K的换热器测试用的流体（其中300-80K温区的流体通过300K和80K氦气混合而成，80K-4.5K温区的流体通过80K和4.5K氦气混合而成），经流体混合室充分混合，由阀门调节压力后再经电加热器精确升高至设定温度，进入待测换热器的冷（热）流道换热。测出低温换热器的进出口温度、压力、流量和冷热流股的差压，即可评估换热器在该工况下的性能特性是否达到设计指标，换热面积裕度选取是否恰当。

要实现换热器的多工况测试功能，就要实现换热器的冷热流体的入口温度、压力和流量参数在一定范围可调节。本发明的实现方式如下：通过调节300K氦气、80K和4.5K冷氦气的混合比例及电加热的加热功率，可以调节流体的入口温度；通过换热器的入口阀和出口阀，可以调节流体的入口压力；通过换热器的旁通阀可以调节换热器冷、热通道流体的流量。

本发明的优点是：

本发明中通过大型氦制冷机系统提供常温300K氦气、80K和4.5K冷氦气混合得到待测换热器的冷热流体，实现300-4.5K大范围低温区低温换热器性能测试，具备冷热流体入口温度、压力和流量调节的多工况测试功能，方便更换待测换热器，具有通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试系统示意图。 图2 为本发明实施例所提供的一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明所提供的一种300-4.5K温区多工况低温换热器测试装置进行详细描述。

如图1所示，一种300-4.5K温区多工况低温换热器测试系统包括大型氦制冷机系统1，低温换热器测试装置2和数据采集及控制系统3。

如图2所示，一种300-4.5K温区多工况低温换热器测试装置，用于待测换热器215的性能测试，其具体结构包括低温恒温器211及其位于内部的冷屏213、待测换热器215，冷流体路281、热流体路282、测量仪表等。

一种300-4.5K温区多工况低温换热器的测试装置，包括低温恒温器211及位于该恒温器211内的冷屏213、盘设在冷屏213上的盘管212、待测换热器215、热流体路282、冷流体路281、测量仪表和数据采集系统；

低温恒温器211上端出入口设有回气管路、300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路，300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路进入低温恒温器211后分别一分为二，接入冷流体路281和热流体路282入口，冷流体路281和热流体路282的出口均与回气管路连接，冷流体路281和热流体路282由相同的组件和管路构成，具体包括有阀门、流体混合室、电加热器、管路和测量仪表；

以冷流体路281为例，冷流体路入口段：300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路上分别安装有第一、二、三阀门261、262、263，300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路通过一管路共同接入流体混合室217入口，流体混合室217出口与待测换热器215入口之间的管路上依次设有入口阀264和电加热器218；

冷流体路出口段：待测换热器215的出口管路通过出口阀267接入回气管路，待测换热器215的冷/热流股设有旁通阀265。

所述300K入口管路、80K入口管路和4.5K入口管路流入的氦气分别是由大型氦制冷机系统1提供的300K氦气、80K冷氦气和4.5K冷氦气，其中300K常温氦气、80K冷氦气按不同比例混合得到300-80K范围的低温氦气，80K和4.5K低温氦气按不同比例混合得到80-4.5K的低温氦气。

进入待测换热器215的流体温度可调，是通过控制300K氦气、80K和4.5K冷氦气的混合比例和电热器的加热功率，实现300-4.5K温区的精确调节。

混合后的低温流体进入流体混合室217充分混合后，经入口阀264和出口阀267调至设定的压力后，再通过调节电加热器218的加热功率精调进入待测换热器215的温度。

进入待测换热器215的压力可调，是通过待测换热器215的入口阀264和出口阀267的开度来实现。

进入待测换热器215的流量可调，通过待测换热器215的冷/热流股的旁通阀265来实现。

待测换热器215的冷热流体进口均安装有温度和压力传感器，出口均安装有流量计，进出口之间均安装有差压变送器。

待测换热器215的冷流体路出口段位于出口阀267的入口处，由支管路分一部分流体进入冷屏213的盘管212中，支管路上设有第四阀门266，盘管212的出口通过管路接入待测换热器215的冷流体路出口段的出口阀267的出口处，形成一个循环，尽可能消除对待测换热器215的辐射漏热。

待测换热器的冷流体路出口段由支管路分一部分流体进入冷屏的盘管中，支管路上设有第四阀门，。

低温恒温器211与真空泵219连接，通过真空泵219将低温恒温器211的压力抽至10^-3Pa以下，尽可能消除因对流换热产生漏热的影响。

本装置的工作过程如下：

实验开始前首先对低温恒温器内部和低温管路进行抽空，然后启动大型氦制冷机。当氦制冷机降温到位稳定后，缓慢打开300K阀门和80K阀门，缓慢对实验装置进行降温后。通过300K阀门、80K阀门和4.5K阀门的开度，实现冷热流体的入口温度稍微低于设定温度2K左右，通过电加热器加热功率微调，使温度达到设定温度；调节冷热流体路的入口阀门和出口阀门，使得入口压力达到设定压力；调节冷热流体路的旁通阀，使得进入待测换热器的流量达到设定压力。温度、压力和流量的调节，需要三者的匹配，可能需要多次轮流调节，得到三者同时达到设定参数。待换热器冷热流体换热稳定后，30分钟内出口参数不再发生变化时，记录待测换热器冷热流体的进口温度、压力，冷热流体的流量和压差。调节冷、热流体的进口温度、压力和流量中的任一参数，待系统稳定后，即可得到变工况下换热器的性能参数。重复以上过程，可以得到众多的变工况特性数据。

综上可见，本发明实施例可实现300-4.5K大范围低温区低温换热器性能测试，具备冷热流体入口温度、压力和流量调节的多工况测试功能，方便更换待测换热器，具有通用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露额技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。