一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置，主要包括蒸汽系统、测试段、冷取水系统和数据采集系统，可以评价各种蒸汽或混合气在不同强化传热管内的局部冷凝传热和压降特性。蒸汽系统包括锅炉、预冷器、空压机、储气罐、干燥器、气体加热器、静态混合器，可以提供测试所需的纯组分、多组分蒸汽或含空气的混合气。测试段包括依次连接的直管测量段、冷凝段、测量段和观察段，进口处与蒸汽系统相连，出口处与气液分离器相连。预冷器和测试段的外套管两端还各自并联一套冷水却水一套系统。本发明专利技术可通过热阻分离法求得强化管的管内传热系数，为高效管壳式冷凝器的热力设计提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置
本专利技术涉及热交换器传热元件性能测试领域，特别是涉及一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置。
技术介绍
冷凝器能以较低的传热温差获得较高的传热系数，是冷却系统的主要设备。其中管壳式冷凝器，由于其制造容易、生产成本低、选材范围广、清洗方便，且能适应高温高压，是使用最为广泛的冷凝设备，在石油、化工及能源等行业的应用处于主导地位。随着国内经济的增长，社会发展与能源紧张之间的矛盾日益突出，因而设计制造出高效、紧凑的换热设备，无论是从企业减小投资提高能效比的角度，还是从国家节能减排和推动工业节能的角度，均具有重要的现实意义。高效管壳式冷凝器主要是采用强化传热元件或改进换热器结构，提高传热效率，从而使换热器的投资和运行费用最低。设计该类冷凝器时最重要的是热力设计，即根据工艺和物性数据，计算出满足传热和压降要求的传热面积，进而选择合适的结构类型和流动布置方式。计算传热面积时，设计者需要用到传热和压降的实验关联式。目前对于水平光管内的冷凝，已有研究者在大量实验数据的基础上建立了适用于各种使用场合的传热和压降关联式。但是还缺乏各类强化传热管管内冷凝和压降的实验关联式，尤其是对于多组分混合物甚至含有不凝气存在的情况。因此有必要建立测试各类强化传热管管内冷凝和压降的装置及方法。传统的测试冷凝传热的装置和方法大多仅能得到整个冷凝管的平均总传热系数，要得到局部传热系数则要测量管内壁温度。但是强化传热管的管壁基于传热强化的要求，一般存在凸起和沟槽，这就导致壁面温度不同于光滑管的二维分布，径向是非线性分布的。测试时无法根据热电偶测点处的温度，通过傅里叶导热定律推导出内壁温度，也就无法得到局部冷凝传热系数。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置，能够为高效管壳式冷凝器的热力设计提供基础。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置，包括蒸汽系统和测试段，所述测试段的进口处与蒸汽系统相连，出口处与气液分离器相连，所述测试段包括依次连接的直管测量段、冷凝段、测量段和观察段；所述直管测量段靠近冷凝段的入口处开有温度、压力和压差测试孔；所述冷凝段包括同轴设置的强化换热管和外套管，所述外套管套在强化换热管的外面，所述强化换热管和外套管的两端通过带开孔的压紧板进行固定；所述测量段靠近冷凝段的出口处也开有温度、压力和压差测试孔；所述观察段为透明管道，所述透明管道的一侧设置有用于分辨记录强化换热管内的气液两相流流型的高速摄像机；所述测试段的两端还并联有测试段冷却水环路。所述蒸汽系统包括锅炉、预冷器、空压机、储气罐、干燥器、气体加热器和静态混合器；所述锅炉、预冷器和静态混合器依次相连，所述空压机、储气罐、干燥器和气体加热器依次相连，所述气体加热器的出口还与静态混合器相连；所述预冷器为多段式套管换热器，两端并联有预冷段冷却水环路；所述预冷器用于改变测试段进口蒸汽干度时：xi＝1-Qpre/hfg，其中，hfg为蒸汽汽化潜热，Qpre为预冷器中的传热量，在进行混合气冷凝实验时，预冷器用于改变测试段进口空气的质量分数：其中为空气体积流量，ρa为空气密度，为蒸汽质量流量。所述直管测量段的长度为强化换热管内径的25倍；所述测试段内的蒸汽/混合气在强化换热管内冷凝，冷却水在内外管形成的环形通道内强制对流传热；通过控制冷却水流量和进口温度，使得测试段的出口干度与进口干度之差小于0.2，此时强化换热管内平均传热系数即可作为平均干度下的局部冷凝传热系数，通过测量蒸汽/混合气的进出口温度和测试段冷却水环路进出口温度，根据热阻分离法求得局部冷凝传热系数：hc＝do/[di·(1/U-Rw-1/ho)]，其中U为总传热系数，Rw为名义管壁热阻，ho为管外对流传热系数，di和do分别为强化换热管内外径；冷凝段的两相流摩擦压降通过计算，其中，G为质量通量，x为蒸汽平均干度，Pi和Po分别为测试段进出口压力，L为冷凝段长度，ρl和ρv分别为冷凝液和蒸汽密度、αv为空泡率。所述测试段后面安装气液分离器对冷凝液进行收集，通过抑制池收集尚未冷凝的蒸汽，通过对流量值进行校核，其中mc为收集的冷凝液质量，ΔH为抑制池液面增加高度，A为抑制池截面积，t为实验时间，ρc为冷凝液密度；混合蒸汽冷凝时，不凝气质量含量ω＝(pt-ps)/[pt-(1-Ms/Mg)ps]，其中pt为测试段进口压力，ps为测试段进口温度对应的蒸汽饱和分压，Ms和Mg分别为蒸汽和不凝气的分子量。所述测试段冷却水环路包括第一储水箱、第一磁力泵、第一流量计和第一辅助板式冷却器，所述测试段冷却水出口处连接第一辅助板式冷却器的进口，所述第一辅助板式冷却器的出口与第一储水箱的进口相连，所述第一储水箱的出口通过第一磁力泵与所述测试段冷却水进口处相连；所述第一磁力泵和冷却水进口处之间设置有第一流量计，所述第一储水箱内设置有加热棒。所述预冷段冷却水环路包括第二储水箱、第二磁力泵、第二流量计和第二辅助板式冷却器，所述预冷器冷却水出口处连接第二辅助板式冷却器的进口，所述第二辅助板式冷却器的出口与第二储水箱的进口相连，所述第二储水箱的出口通过第二磁力泵与所述预冷器冷却水进口处相连；所述第二磁力泵和冷却水进口处之间设置有第二流量计，所述第二储水箱内设置有加热棒。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术采用热阻分离法获取管内冷凝局部传热系数，克服了现有技术需要测量内壁温度才能得到局部传热系数的缺点，规避了强化管壁面温度三维分布带来的测温难题。本专利技术可以测试各种蒸汽在强化管内的冷凝和压降特性，蒸汽可以是纯组分，如水蒸气、乙醇蒸汽等，也可以是多组分，如烷烃、共沸/非共沸混合制冷剂等，甚至还可以测试含有空气作为不凝气的工况。本专利技术通过在测试段进出口安装石英玻璃管及出口处放置高速摄影仪，可以记录不同质量通量和干度下的汽液两相流流型，从而绘制出各类强化传热管管内冷凝的流型图，作为设计高效冷凝器流型判断的依据。本专利技术数据采集系统精确，通过对冷凝段产生冷凝液的收集和对未凝混合气中蒸汽的冷却，可验证蒸汽流量计的准确性。通过测量冷凝段入口处的温度和压力值，可同时验证空气及蒸汽流量计的准确性。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术中测试段的结构示意图；图3是纯蒸汽冷凝时强化管管内传热系数变化趋势图；图4是纯蒸汽冷凝时强化管管内摩擦压降变化趋势图；图5是含不凝气混合气冷凝时局部传热系数变化趋势图；其中，1为空压机，2为储气罐，3为干燥器，4-1为小量程转子流量计，4-2为大量程转子流量计，5为气体加热器，6为锅炉，7为涡街流量计，8为预冷器，9为第二储水罐，10为第二磁力泵，11为第二涡轮流量计，12为第二辅助板式冷却器，13为静态混合器，14-1为测试段进口，14-2为测试段出口，15为测试段，16为第一储水罐，17为第一离心泵，18为第一涡轮流量计，19为第一辅助板式冷却器，20为气液分离器，21为抑制池，22为烧杯，23为液位计，24为强化换热管，25为外套管，26为盲板法兰，27为法兰，28为压紧板，29为O型圈，30为外径四氟垫片，31为内径四氟垫片，32为石英玻璃管。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置，包括蒸汽系统和测试段，所述测试段的进口处与蒸汽系统相连，出口处与气液分离器相连，其特征在于，所述测试段包括依次连接的直管测量段、冷凝段、测量段和观察段；所述直管测量段靠近冷凝段的入口处开有温度、压力和压差测试孔；所述冷凝段包括同轴设置的强化换热管和外套管，所述外套管套在强化换热管的外面，所述强化换热管和外套管的两端通过带开孔的压紧板进行固定；所述测量段靠近冷凝段的出口处也开有温度、压力和压差测试孔；所述观察段为透明管道，所述透明管道的一侧设置有用于分辨记录强化换热管内的气液两相流流型的高速摄像机；所述测试段的两端还并联有测试段冷却水环路。

【技术特征摘要】
1.一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置，包括蒸汽系统和测试段，所述测试段的进口处与蒸汽系统相连，出口处与气液分离器相连，其特征在于，所述测试段包括依次连接的直管测量段、冷凝段、测量段和观察段；所述直管测量段靠近冷凝段的入口处开有温度、压力和压差测试孔；所述冷凝段包括同轴设置的强化换热管和外套管，所述外套管套在强化换热管的外面，所述强化换热管和外套管的两端通过带开孔的压紧板进行固定；所述测量段靠近冷凝段的出口处也开有温度、压力和压差测试孔；所述观察段为透明管道，所述透明管道的一侧设置有用于分辨记录强化换热管内的气液两相流流型的高速摄像机；所述测试段的两端还并联有测试段冷却水环路。2.根据权利要求1所述的评价强化传热管管内冷凝特性的装置，其特征在于，所述蒸汽系统包括锅炉、预冷器、空压机、储气罐、干燥器、气体加热器和静态混合器；所述锅炉、预冷器和静态混合器依次相连，所述空压机、储气罐、干燥器和气体加热器依次相连，所述气体加热器的出口还与静态混合器相连；所述预冷器为多段式套管换热器，两端并联有预冷段冷却水环路；所述预冷器用于改变测试段进口蒸汽干度时：xi＝1-Qpre/hfg，其中，hfg为蒸汽汽化潜热，Qpre为预冷器中的传热量，在进行混合气冷凝实验时，预冷器用于改变测试段进口空气的质量分数：其中为空气体积流量，ρa为空气密度，为蒸汽质量流量。3.根据权利要求1所述的评价强化传热管管内冷凝特性的装置，其特征在于，所述直管测量段的长度为强化换热管内径的25倍；所述测试段内的蒸汽/混合气在强化换热管内冷凝，冷却水在内外管形成的环形通道内强制对流传热；通过控制冷却水流量和进口温度，使得测试段的出口干度与进口干度之差小于0.2，此时强化换热管内平均传热系数即可作为平均干度下的局部冷凝传热系数，通过测量蒸汽/混合气的进出口温度和测试段冷却水环路进出口温度，根据热阻分离法求得局...

【专利技术属性】
技术研发人员：任彬，汤晓英，
申请(专利权)人：上海市特种设备监督检验技术研究院，上海蓝海科创检测有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31