过程装备专业能量转换与传递综合实验平台建设与应用
王学生 惠 虎 陈 聪 洪 瑛
（华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237）
【摘要】 本实验平台是根据所承担完成的科研项目中的科学原理知识及科学实验研究方法进行设计，并结合目前我院过程装备与控制工程专业专业课实验教学的需求情况而实施完成的。本实验平台的主要实验功能包括三部分。即太阳能转换为热能的瞬时和平均效率测试试验功能，换热设备的
效率测试试验功能，换热器的传热系数测试试验功能。本实验已为我校过程装备与控制工程专业的专业课“工程热力学”、“传热学”、“化工设备设计”开设专业实验。
【关键词】 太阳能；能量转换与传递；实验平台；过程装备与控制工程
1 综合实验系统流程与装置
1.1 实验系统的组成
能量转换与传递综合实验平台实验系统示意图如图1所示。系统由太阳能集热器、换热器阵列、水箱、冷水箱、热水箱、水泵、油泵以及管道、阀门，温度、压力、流量检测装置等组成。
图1 太阳能加热输送原油模拟实验系统流程示意图
整个系统又可分为太阳热水系统和换热系统两个子系统。太阳热水系统由太阳集热器阵列、水箱、水循环泵、阀门等通过管道连接而成，换热系统由换热器、冷水箱、热水箱、油泵、阀门等部分组成。整个系统又由一定的控制设备进行控制。
1.2 实验系统工作流程
实验系统分两个阶段，一个是实验启动阶段，一个是正常加热冷却水的换热阶段。实验启动阶段主要包括两个步骤：一个是水箱的注水；二是大水箱内水的预热。水箱注水主要是通过自来水通过自动阀门10的控制向小水箱注水，自动阀门的开关由大水箱内的液位来决定，当水箱内的液位达到设定的低值时，阀门10自动打开；当液位达到设定值的高值时，阀门10自动关闭。其主要流经路线为：自来水→自控阀门10→大水箱。
大水箱内水的预热主要是在实验开始，太阳光照不强烈，大水箱内水温不高时，采取的一种手段。这时原油加热子回路不启动，太阳能不加热原油。此时阀门1、12、3开，其余阀门均关闭，水泵打开。此时，在水泵提供动力的情况下，大水箱内的冷水不经过换热器，而是直接进入太阳能集热器，被加热后回到大水箱，将太阳能集热器收集的热量带入大水箱。其主要流经路线为：大水箱→阀门12→水泵1→阀门3→太阳能集热器→阀门1→大水箱。
正常加热冷却水的换热阶段是在太阳光照充足的条件下，由大水箱内的热水通过换热器加热冷却水的阶段。这一阶段主要由两个回路（两个子系统），对于冷却水加热回路，阀门5、6、7、9开，阀门8关闭，油泵开启，在油泵提供动力的条件下，冷水箱内的冷却水经过换热器加热，被送入热水箱。这一回路的具体路线为：冷水箱→阀门6→水泵→阀门5→流量计→阀门7→换热器管程→阀门9→热水箱。
对于太阳能加热回路，此时阀门12、2、11、4、1开，阀门3关，水泵1开启，在水泵提供动力的条件下，大水箱内的热水进入换热器加热冷却水，然后从换热器出来的低温水流入太阳能集热器，被加热后流回大水箱，实现整个回路的循环。这一回路的具体路线为：大水箱→阀门12→水泵1→阀门2→流量计→阀门11→换热器壳程→阀门4→太阳能集热器→阀门1→大水箱。
1.3 实验装置实物
图3所示为太阳能加热输送原油系统实验台系统，它主要由太阳能集热器、换热器、蓄热水箱、油箱、水泵以及管道等部件组成。其主要部件的结构参数如下。
（1）太阳能集热器阵列（图2），真空集热管尺寸规格为1800×ф58，总集热面积20m2。
图2 太阳能集热器阵列
图3 实验系统装置
（2）蓄热水箱：水箱净容积为300L。
（3）换热器：有效换热面积为约为1.2m2。
2 综合实验内容
2.1 太阳能集热器的集热效率测试
2.1.1 太阳总辐射能
辐射指太阳、地球和大气辐射的总称。通常称太阳辐射为短波辐射，地球和大气辐射为长波辐射。观测的物理量主要是辐射能流率，或称辐射通量密度或辐射强度（W/m2）。太阳总辐射，指地平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和。在本实验中我们测量的是太阳总辐射能。
2.1.2 全玻璃真空太阳能集热管的基本结构及工作原理
全玻璃真空太阳能集热管构造如图4所示，像一个拉长的暖水瓶胆，由两根同心圆玻璃管组成，内、外圆管间抽成真空，太阳选择性吸收表面（涂层、膜系）沉积在内管的外表面构成吸热体，将太阳光能转换为热能，加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空集热管采用单端开口的设计，通过一端内、外管环形熔封起来，其内管另一端是密闭半球形圆头，带有吸气剂的弹簧卡子，将吸热体玻璃管圆头支承在罩玻璃管的排气内端部。当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形成熟膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力。
图4 全玻璃真空太阳能集热管
1—内玻璃管；2—外玻璃管；3—选择性吸收层；4—真空；5—弹簧支架；6—消气剂
2.1.3 主要测试仪表
（1）TBQ-2总辐射表（图5）用来测量光谱范围为0.3～3μm的太阳总辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，广泛应用于太阳能利用、气象、农业、建筑材料老化及大气污染等部门做太阳辐射能量的测量。
图5 TBQ-2总辐射表
（2）PC-2型太阳辐射记录仪（以下简称记录仪）（图6）是新一代的太阳辐射记录仪，它与通用的PC电脑配合使用，外接各种辐射传感器，用于观测记录太阳的总辐射、散射、直辐射、反射、净辐射等各种辐射量。
图6 PC-2型太阳辐射记录仪
2.1.4 太阳能加热输送原油系统热效率的测试
太阳热水系统热效率按下式计算：
（1）
太阳热水系统平均热效率按下式计算：
（2）
式中 ρw——热水的密度，kg/m3；
Cpw——热水的比热容，kJ/（kg·℃）；
Vs——蓄热水箱中的水容积，m3；
Ti——第i时刻测得的水箱水温，℃；
Ti-1——i-1时刻测得的水箱水温，℃；
——i时刻到i-1时刻的太阳能平均辐照强度，℃；
Te——集热试验结束时蓄热水箱内的水温，℃；
Tb——集热试验开始时蓄热水箱内的水温，℃；
——平均日效益；
A——太阳热水器采光面积，m2；
H——累积太阳辐照量，kJ/m2。
2.2 换热器总传热系数K及传热效率ε测试
2.2.1 热平衡方程式
设换热器两侧流体在换热过程中不发生相变化，若热损失可忽略，则单位时间内热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量，并且等于传热量，即：
Q=WhCph（T1-T2）=WcCpc（t2-t1） （3）
式中 Wh，Wc——热、冷流体的质量流量，kg/s；
Cph，Cpc——热、冷流体的平均质量定压热容，J/（kg·℃）；
T1，T2——热流体进出口温度，℃；
t1，t2——冷流体进出口温度，℃；
Q——单位时间内通过间壁的换热量或换热器的热负荷（传热速率），W。
以上各式均未考虑热损失。若换热器的热损失不可忽略时，单位时间内热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量与热损失之和。
2.2.2 传热平均温差
逆流或并流平均温度差。逆流是指参与换热的两种流体在传热面两侧做反向流动。并流是指参与换热的两种流体在传热面两侧做反向流动。在换热器内进行逆流或并流换热时对数平均温度差为：
Δtm=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2） （4）
式中，Δt1和Δt2是换热器两端热流体与冷流体的传热温差。若Δt1/Δt2<2，可由算术平均温度差（Δt1+Δt2）/2代替对数平均温度差。
2.2.3 基本传热方程式
换热器设计根据传热速率方程式计算：
（5）
式中 K——整个传热面上的平均传热系数，W/（m2·℃）；
A——传热面积，m2；
Δtm——两种流体之间的平均温差。
2.3 换热器
效率计算与实验测试
2.3.1 换热器
分析数学模型
为便于分析，将常见的热交换设备（逆流方式）的
量流向采用白箱分析模型表示，如图7所示。
图7 
分析模型
图7中，Eh1、Eh2、Ec1、Ec2分别为热、冷流体的进出口
值；Th1、Th2、Tc1、Tc2分别为热、冷流体进出口的温度值，ΔEs为热、冷流体在进行热交换的过程中的
损。
根据数学分析模型，可以得出热交换设备的
平衡方程式：
Eh2-Eh1=Ec2-Ec1+ΔEs （6）
也可写成一般形式：
ΔEh-ΔEc=ΔEs （7）
式中，ΔEh、ΔEc分别为热、冷流体进出口
差；ΔEs为换热器内外
损之和。
2.3.2 换热器的
损与
效率
热、冷流体
损根据能量平衡原理，测定环境温度To，可分别求出热、冷流体进出口
差：热流体为：
（8）
同理冷流体为：
（9）
由式（8）、式（9）可以计算出
损ΔEs与
效率η分别为：
（10）
（11）
3 实验结果与分析
（1）通过测试太阳能辐射强度I、集热器进出口水的温度Ti和To以及水的循环流量W，便可以测出太阳能辐射能的转换效率η。做出瞬时转换效率η与太阳能辐射强度的关系曲线和瞬时转换效率η与太阳能辐射强度的关系曲线与集热器进口水温度Ti的关系曲线，同时计算太阳能集热器的平均效率。
（2）通过测试换热器热流体的流量mh及进出口温度Thi和Tho，冷流体的流量mc及进出口温度tci和tco，可计算换热器的热负荷Q以及平均传热温差Δtm，根据换热器的换热面积A，可以计算出总传热系数K。做出总传热系数K与热负荷Q的关系曲线。
（3）通过测试换热器热流体的流量mh及进出口温度Thi和Tho，冷流体的流量mc及进出口温度tci和tco，以及环境温度To，可分别计算出热、冷两流体的
差ΔEh和ΔEc，同时可进行
损失ΔEs与
效率的ηe计算。做出
效率ηe与传热温差Δtm的关系曲线。
4 结语
本科教学与科研是大学的主要职能，两者的结合是培养高级专门人才的需要，是现代大学发展的必然趋势。本成果是在完成教育部重点科技项目“太阳能加热输送原油系统关键技术研究”基础上，利用所完成的科研项目中的过程原理知识及实验装置，结合目前我院过程装备与控制工程专业专业课实验教学的需求情况而实施完成的。其主要综合实验功能：可测试太阳能转换为热能的瞬时和平均效率；可测试换热设备的
效率；可测试换热器的传热系数测试。可为过程装备与控制工程专业的专业课“工程热力学”“传热学”“化工设备设计”开设专业实验。自2007年建成以来，已连续八年为我校过程装备与控制工程本科专业学生以及其他专业本科生开放，完成相关课程实验教学与创新实验教学，该综合试验平台于2012年获校教学成果一等奖。
参考文献
［1］ 朱明，太阳能加热输送原油系统实验研究［D］.华东理工大学学位论文，2006.
［2］ 王学生，能量转换与传递综合实验平台实验指导书.上海：华东理工大学，2007.
［3］ 王学生，能量转换与传递综合实验平台实验报告.上海：华东理工大学，2007.