一种回热器性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置及测试方法，尤其适用于针对回热器性能测试使用的一种回热器性能测试装置及测试方法。

背景技术

回热器作为一种提高系统循环效率的一种设备，在回热式低温制冷机、热声发动机、斯特林热机中得到广泛应用。在斯特林循环中，工质在回热器内完成等容吸热与等容放热这两个重要过程。回热器的回热效率的高低直接影响整体的系统循环效率。

回热器内部基体的填充材料通常要求流通容积小、工质的流动阻力要小。回热器基体的温度变化要小，因此基体与工质的热容量之比应尽可能大，这就要求回热器基体的孔隙率要小，但是为了回热器中工质的流动阻力减小，应该采用孔隙率大的基体。另外基体与工质的传热性能要好，要求基体材料的传热性能要很好，但这也就增加了基体的轴向导热而引起的热损失。

显然，上述对回热器设计的要求是相互矛盾的，不可能同时满足以上所有设计要求，所以这就需要统筹考虑各项要求的相对重要性来开展相关的实验匹配工作来设计获得性能最佳的回热器。对于不同的应用场合，回热器内工质的运行频率有着很大的不同，所以用于测试回热器性能的实验装置需创造不同频率的振荡流动条件。此外，不同的工况下的斯特林热机需要调整相应的最优活塞相位差以达到最佳的输出效率，所以测试装置同样需要确保活塞相位差的灵活可调。

然而现有的实验测试回热器性能的方法主要是将制作好的回热器直接置于整机之中，运行过后得到回热器的相关参数，进而评估该回热器性能的优劣。这种方法需要有整机，而且待测试回热器需要做成实际尺寸，所以实验成本十分高昂。另外，这样的测试方法具有局限性，无法满足不同类型的回热器的实验条件。

发明内容

发明目的：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，模拟效果好，能够模拟回热器运行工况的振荡流的回热器性能测试装置及测试方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的回热器性能测试装置，包括动力源、活塞相位角调整装置、回热器封装壳体、加热器以及冷却器；其中加热器以及冷却器为管壳式换热器，管壳式换热器两侧设有连接法兰，加热器以及冷却器的侧壁上两端外侧分别设有两个换热器进出接头，回热器封装壳体设置在加热器与冷却器之间，并通过两端设置的法兰分别与加热器以及冷却器相互连接，回热器封装壳体内设有被测回热器基体，热器封装壳体侧壁上靠近两端法兰位置分别设有两个压力测点接头，热器封装壳体侧壁的中段上设有温度测点接头；

加热器、回热器封装壳体与冷却器横向设置，三者构成的集合体两侧通过90°的弯管分别连接有垂直设置的两个活塞缸，活塞缸中设有活塞，活塞缸底部设有基座；活塞底部通过曲轴与活塞相位角调整装置连接，活塞相位角调整装置连接有动力源；

活塞相位角调整装置设置在两个基座之间，活塞相位角调整装置包括传动轴传动轴左侧通过联轴器与一个活塞底部曲轴连接，传动轴右侧通过活塞缸皮带轮与另一个活塞底部曲轴连接，其中传动轴与活塞缸皮带轮之间通过分度法兰盘连接，并根据需要调整分度法兰盘与活塞缸皮带轮之间的角度从而调整两个活塞之间的相位。

所述动力源为变频电机，所述传动装置包括活塞缸皮带轮和电机皮带轮，电机皮带轮与变频电机的输出轴连接，活塞缸皮带轮和电机皮带轮之间设有皮带传动。

所述两个活塞缸中的两个活塞之间有三十度的倍数相位差，并按照三十度的倍数相位差进行上下往复运动产生工质振荡流动，工质在两活塞之间密闭空间内来回穿梭振荡，从而在回热器封装壳体内的回热器基体中产生工质的振荡流动。

所述回热器封装壳体为一段不锈钢管，不锈钢管上设置的有温度测点接头以及压力测点接头内分别设有温度传感器和压力传感器；在被测回热器基体置于回热器封装壳体后，将热电偶线从温度测点接头引出并连接数据采集仪进行实时监测；压力传感器可从压力测点接头分别接入回热器测试段的两端，用以监测被测回热器基体的整体压降特性

所述分度法兰盘上通过相同分度的紧固螺栓固定孔位。

一种回热器性能测试装置的测试方法，其步骤如下：

将被测回热器基体置入回热器封装壳体中并固定，将热电偶从温度测点接头导出与数据采集仪连接，将压力传感器安装在回热器封装壳体两端的压力测点接头上并连接数据采集仪；

将加热器和冷却器通过法兰分别与回热器封装壳体两端连接；

根据需要将加热器的换热器进出接头与所需温度的热源介质管路连接，将冷却器上的换热器进出接头与所需温度的冷源介质管路连接；

通过调整分度法兰盘上的孔位来进行调整两个活塞缸内的活塞之间的相位差，以获得三十度的倍数相位差；

待回热器基体两端温度恒定后，启动变频电机，变频电机的电机轴通过皮带驱动两个活塞缸内的活塞作周期性往复运动，通过调节变频电机的转速，从而向测回热器基体产生不同频率的振荡流动，从而模拟出不同的斯特林循环测试工况。

有益效果：本发明根据不同回热器的应用场合模拟出合适的测试工况；振荡流发生装置的电机可变频调速，以此得到不同的实验振荡频率。本装置可以通过分度法兰盘调节活塞相位，满足活塞相位角和冷热源温度灵活可调的实验需求；回热器封装壳体可安装根据相似性原则按比例制作小尺寸被测回热器，可节约成本；相比现有的回热器，本装置结构简单，成本低，整机测试所使用的工质可根据需要更换，而且回热器测试段尺寸灵活可调，泛用性强。

附图说明

图1是本发明的测试回热器性能的实验装置的结构示意图；

图2是本发明的振荡流发生装置半剖截面图；

图3是本发明的相位角调整装置示意图；

图4是本发明的回热器封装壳体示意图；

图5是本发明的加热或冷却器示意图。

图中：1-加热器；2-回热器封装壳体；3-冷却器；4-活塞缸；5-联轴器；6-传动轴；7-活塞缸皮带轮；8-皮带；9-电机皮带轮；10-变频电机；11-活塞；12-紧固螺栓；13-分度法兰盘；14-换热器进出接头；15-压力测点接头；16-温度测点接头；17-回热器基体。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的回热器性能测试装置，包括动力源、活塞相位角调整装置、回热器封装壳体2、加热器1以及冷却器3；其中加热器1以及冷却器3为管壳式换热器，管壳式换热器两侧设有连接法兰，如图4所示，加热器1以及冷却器3的侧壁上两端外侧分别设有两个换热器进出接头14，回热器封装壳体2设置在加热器1与冷却器3之间，并通过两端设置的法兰分别与加热器1以及冷却器3相互连接，如图5所示，回热器封装壳体2内设有被测回热器基体17，回热器封装壳体2侧壁上靠近两端法兰位置分别设有两个压力测点接头15，回热器封装壳体2侧壁的中段上设有温度测点接头16；回热器封装壳体2为一段不锈钢管，不锈钢管上设置的有温度测点接头16以及压力测点接头15内分别设有温度传感器和压力传感器；在被测回热器基体17置于回热器封装壳体2后，将热电偶线从温度测点接头16引出并连接数据采集仪进行实时监测；压力传感器可从压力测点接头15分别接入回热器测试段的两端，用以监测被测回热器基体的整体压降特性

如图2所示，加热器1、回热器封装壳体2与冷却器3横向设置，三者构成的集合体两侧通过90°的弯管分别连接有垂直设置的两个活塞缸4，活塞缸4中设有活塞11，活塞缸4底部设有基座；活塞11底部通过曲轴与活塞相位角调整装置连接，活塞相位角调整装置连接有动力源；所述动力源为变频电机10，所述传动装置包括活塞缸皮带轮7和电机皮带轮9，电机皮带轮9与变频电机10的输出轴连接，活塞缸皮带轮7和电机皮带轮9之间设有皮带8传动。

如图3所示，活塞相位角调整装置设置在两个基座之间，活塞相位角调整装置包括传动轴6、分度法兰盘13以及活塞缸皮带轮7；传动轴6左侧通过联轴器5与一个活塞11底部曲轴连接，传动轴6右侧通过活塞缸皮带轮7与另一个活塞11底部曲轴连接，其中传动轴6与活塞缸皮带轮7之间通过分度法兰盘13连接，并根据需要调整分度法兰盘13与活塞缸皮带轮7之间的角度从而调整两个活塞11之间的相位。

分度法兰盘13通过相同数量的紧固螺栓12固定孔位，分度法兰盘13与传动轴之间可焊接固定；设初始时两个活塞11均处于上止点，此时的活塞相位差为0度，在调整相位的时候，取下紧固螺栓12此时保证分度法兰盘13不动也就是传动轴6固定不动，即左活塞的相位保持不变，转动右活塞缸皮带轮，注意这里转动的角度必须是分度法兰盘上最小分度的倍数在本图例中，分度法兰盘13上设12个孔位，那么相位差的调整最小角度就是30度，保证螺栓孔位与分度法兰盘13上的孔位一一对应，最后拧上紧固螺栓12就完成了两活塞的相位角调整；根据实际工作需要，可改变分度法兰盘的孔位数量，或者设置多个长孔，以应对不同的活塞11相位差调整需要。

两个活塞缸4中的两个活塞11之间有三十度的倍数相位差，并按照三十度的倍数相位差进行上下往复运动产生工质振荡流动，工质在两活塞11之间密闭空间内来回穿梭振荡，从而在回热器封装壳体2内的回热器基体17中产生工质的振荡流动，所述工质为气体，包括空气，氦气或者氢气。

一种回热器性能测试装置的测试方法，其步骤如下：

将被测回热器基体17置入回热器封装壳体2中并固定，将热电偶从温度测点接头16导出与数据采集仪连接，将压力传感器从回热器封装壳体2两端的压力测点接头15上并连接数据采集仪；

将加热器1和冷却器3通过法兰分别与回热器封装壳体2两端连接；

根据需要将加热器1的换热器进出接头14与所需温度的热源介质管路连接，将冷却器3上的换热器进出接头14与所需温度的冷源介质管路连接；

通过调整分度法兰盘13上的孔位来进行调整两个活塞缸4内的活塞11之间的相位差，以获得三十度的相位差；

待回热器基体17两端温度恒定后，启动变频电机10，变频电机10的电机轴通过皮带8驱动两个活塞缸4内的活塞11作周期性往复运动，通过调节变频电机10的转速，从而向测回热器基体17产生不同频率的振荡流动，从而模拟出不同的斯特林循环测试工况。

为了测试不同环境温度下回热器基体17的性能，实验中往往需要设定很多组不同的高低温。实验温度范围也因回热器的应用场合的不同而不同，一般利用废热运行的斯特林循环，其回热器两端的冷热源温度范围不超过100度，而千瓦级的斯特林发动机的热源温度为500度左右。