一种用于风洞中的冷却均温装置

技术领域

本发明涉及一种用于风洞中的冷却均温装置，属于空气动力试验技术领域。

背景技术

在大型风洞工程中，通常采用气体压缩的方式提供风洞试验介质动力，因此需要设置换热装置来冷却压缩后气体的温度，实现降温控温的目的。空气动力试验对于流场品质的要求非常苛刻，通常气流经换热装置冷却后，需要保证主流道截面上空气流场的稳定以及温度场的均匀性。在常规的风洞设计中，采用水来冷却空气。换热器采用管翅式的结构，需要在一个方形的流道内实现热量的交换，一方面是为了保证换热后气流温度的均匀性，有利于换热器的性能设计，另一方面方形流道便于换热器的安装和流道的密封。但是通常风洞的主体流道都是圆形的，换热器部段采用方形的流道，需要在风洞主流道上设置圆变方和方变圆的过渡段，不利于风洞主流道流场的稳定性。也有一些小型风洞中采用分块换热器的形式直接在圆形流道上实现气流的冷却，但是这些圆形流道的分块换热器无法满足换热后气流温度均匀性的要求，同时这些分块换热器的形式无可避免的增加风洞圆形主流道的堵塞度，影响风洞中流场的品质。还有一些风洞即能够运行在常温状态，也能够运行在低温的状态下。在常温运行时，采用水来冷却空气，转入到低温状态运行时，需要将换热器中的冷却水排空，否则冷却水的冻结会造成换热器结构上的破坏。因此需要提供一套能够保证换热器冷却水完全排尽的系统，使得风洞能够在常温和低温环境下切换运行。

发明内容

为了解决上述问题，需要有一种运用于风洞中的冷却均温装置，安装于风洞的圆形主流道上，能够在常温风洞或者常温低温交变的风洞中运行，能够保证气流经换热后的流场品质，本发明通过下述技术方案来实现：

一种用于风洞中的冷却均温装置，它包括该装置本体，所述装置本体包括多个换热器单元组成的换热器组，该换热器组覆盖在风洞的圆形主管道内，在换热器组的下方安装有供水系统，上方安装有抽真空系统和充氮系统，所述供水系统提供换热器组中冷流体的供给，抽真空系统用于抽除换热器组中冷流体腔的水汽，充氮系统用于保护换热器组。

作为优选：所述换热器组是由多个不同长度和宽度的矩形换热器单元组成，相互之间通过密封组件密封，每个换热器单元沿风洞圆形流道截面对称布置，在靠近圆截面中心直径处的单元宽度大于两侧的单元宽度，使整个换热器组从中间到两侧宽度逐渐变小。

作为优选：所述换热器组的下方安装的供水系统由水泵、冷却水管道和水池组成，其中冷却水管道呈U型结构，包括冷却水进水管和冷却水出水管以及设置在换热器内部的U型回流管，冷却水进水管和冷却水出水管的一端分别安装在换热器组底部的左右两侧，另一端连接至水池，由水泵进行抽取，U型回流管设置在换热器组每个换热单元内部，两端与冷却水进水管和冷却水出水管的另一端连接，使冷却水和风洞中的热流体以错流的形式换热。

作为优选：所述抽真空系统和充氮系统均设置有在换热器组的顶部，其共用一根管道，在进口处开设有三通，其中一通连接充氮器，另一通连接真空泵。

作为优选：所述换热器单元采用板翅式结构或管翅式结构，翅片节距大于3mm。

本发明能够直接在风洞的圆形主流道上实现气流的降温，同时能够满足降温后气流在主流道上的温度均匀性要求，本发明适用于有控温需求的常规风洞中，也能够运用于低温风洞等特殊风洞中。

附图说明

图1是本装置的工艺流程示意图；

图2是换热器组示意图；

图3是装置整体安装示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：如图1所示，本发明一种用于风洞中的冷却均温装置，它包括该装置本体，所述装置本体包括多个换热器单元组成的换热器组1，该换热器组1覆盖在风洞的圆形主管道5内，在换热器组1的下方安装有供水系统，上方安装有抽真空系统8和充氮系统9，所述供水系统提供换热器组1中冷流体的供给，抽真空系统用于抽除换热器组中冷流体腔的水汽，充氮系统用于保护换热器组1，所述换热器组1是由多个不同长度和宽度的矩形换热器单元组成，相互之间通过密封组件密封，每个换热器单元沿风洞圆形流道截面对称布置，在靠近圆截面中心直径处的单元宽度大于两侧的单元宽度，使整个换热器组从中间到两侧宽度逐渐变小，所述换热器组1的下方安装的供水系统由水泵、冷却水管道和水池组成，其中冷却水管道呈U型结构，包括冷却水进水管6和冷却水出水管7以及设置在换热器内部的U型回流管，冷却水进水管6和冷却水出水管的一端分别安装在换热器组底部的左右两侧，另一端连接至水池，由水泵进行抽取，U型回流管设置在换热器组每个换热单元内部，两端与冷却水进水管6和冷却水出水管7的另一端连接，使冷却水和风洞中的热流体以错流的形式换热，所述抽真空系统和充氮系统均设置有在换热器组的顶部，其共用一根管道，在进口处开设有三通，其中一通连接充氮器，另一通连接真空泵，所述换热器单元采用板翅式结构或管翅式结构，翅片节距大于3mm。

具体实施案例：

案例一：

当风洞空气在常温（T≥0℃）情况下运行时，该冷却均温装置的抽真空系统和充氮系统关闭，本装置用于空气的冷却。高温空气通过风洞的圆形主管道5流入换热器组1，冷却水通过冷却水进水管6流入换热器组，在换热器组内U型流动后从冷却水出水管7流出，实现换热器内冷却水和空气的错流换热，从换热器组1流出的空气进入风洞主流道的下游，经过本装置可以实现风洞主流道空气的降温，并且保证下游流场高品质的要求。

案例二：

当风洞空气在低温（T＜0℃）情况下运行时，为了避免换热器芯体冷却水通道中残留水在低温情况下冻结导致换热器结构的破坏，该冷却均温装置的抽真空系统和充氮系统需开启。

此案列具体实施方式如下：

a. 通过抽真空系统将换热器芯体抽真空至真空度~100Pa；

b. 通过充氮系统将一定压力氮气充入换热器芯体，并保持压力稳定；

c. 充氮完成后再对换热器芯体抽真空至真空度~100Pa；

d. 重复步骤a~c两次即可保证换热器组冷却水腔的露点符合要求；

e. 再通过充氮系统将一定压力氮气通入换热器组维持正压；

上述步骤完成后即可实现低温气体经过换热器组后进入风洞后续工艺。

如图2所示，为本发明冷却均温装置换热器组的一种形式示意，安装于风洞的圆形主管道上，换热器组1是由多个不同宽度和不同长度的换热器单元组合而成的，其最基本的特征是换热器组安装在风洞主流道上，换热区域能够完全覆盖风洞主流道的圆形截面，这些换热器单元沿圆形截面中心线对称布置，如图2所示，是一个由总共11个换热器单元构成的换热器组，靠近中心线的换热器单元F宽度最大，圆形截面两侧的换热器单元A宽度最小，为了满足均温要求从中心到两侧换热器E~A宽度逐渐减小，换热器单元的数量是由风洞主流道的总体尺寸以及换热器制造商的制造能力来决定的。

如图3所示，为本发明的整体安装示意图，其中换热器组1完全覆盖整个风洞的圆形主管道5，供水系统通过换热器底部的冷却水进口管6和冷却水出水管7为换热器组提供冷却水的循环，在换热器组1的顶部管路设置接口，通过抽真空系统（接口）和充氮系统（接口）即可实现案例一和案例二的功能。

本发明采用换热器组，供水系统，抽真空系统，充氮系统组成冷却均温装置，解决了在圆形的风洞主流道上实现介质冷却的问题，通过抽真空系统以及充氮系统保证本装置在低温条件下运行的安全性以及气流换热后的流场品质。