混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法，该系统包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统；实验工质自储液罐进入蒸汽发生器，产生蒸汽进入实验段，在环形套管换热器的冷却下，在实验管道内部凝结后经过气液分离器，未完全凝结的混合工质经过凝汽器完全冷却最后再回到储液罐，形成闭式循环，本发明专利技术还提供了该系统的实验方法，能够用于混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究，用于获得管内凝结换热机理，适用于多种工质、不同工况研究，同时又能做到简便快速的调节系统参数。本发明专利技术可为珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持。

Experimental system and method of convection condensation in Marangoni condensation tube

【技术实现步骤摘要】
混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法
本专利技术涉及能源动力工程领域对流凝结实验研究
，尤其涉及一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及其实验方法。
技术介绍
在某些混合工质凝结过程中，凝结液自由表面存在表面张力梯度，导致表面张力低的局部流体向表面张力高的局部流动，即出现所谓的“马兰戈尼(Marangoni)对流”，使膜状的液膜出现波动，甚至撕裂，最终形成珠状或者类珠状的凝结形态，称为马兰戈尼(Marangoni)凝结或者类珠状凝结。可形成马兰戈尼凝结的混合工质有水-酒精混合物、氨水混合物等物质，它们都属于正系统工质。正系统工质是指在混合工质体系中高沸点组分表面张力比低沸点组分表面张力大的二元混合工质。在具有正系统特性的混合工质液态自由表面上，微小的扰动会使自由表面产生局部压力、温度和浓度分布的不同，引起液体局部表面张力差异，从而在液体表面形成表面张力梯度，导致出现马兰戈尼对流。目前的马兰戈尼凝结的实验研究多是集中于外部凝结，包括竖直壁面、管外壁面等。而在实际工业应用下，管内凝结过程在低温制冷、石油化工、动力系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统，其中：/n所述的实验工质循环系统由蒸汽发生器(1)、第一循环泵(301)、实验段(12)、气液分离器(7)、第一阀门(201)、第五阀门(205)、第十二阀门(212)、凝汽器(6)、第一流量计(801)、第二流量计(801)、第八阀门(208)和储液罐(18)组成；/n储液罐(18)、第一循环泵(301)、第一阀门(201)和蒸汽发生器(1)通过管道依次连接，第十二阀门(212)上游与蒸汽发生器(1)上端出口通过管道相连，下游通过金属软管与实...

【技术特征摘要】
1.一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统，其中：
所述的实验工质循环系统由蒸汽发生器(1)、第一循环泵(301)、实验段(12)、气液分离器(7)、第一阀门(201)、第五阀门(205)、第十二阀门(212)、凝汽器(6)、第一流量计(801)、第二流量计(801)、第八阀门(208)和储液罐(18)组成；
储液罐(18)、第一循环泵(301)、第一阀门(201)和蒸汽发生器(1)通过管道依次连接，第十二阀门(212)上游与蒸汽发生器(1)上端出口通过管道相连，下游通过金属软管与实验段(12)相连，实验段(12)出口通过金属软管与气液分离器(7)连接，气液分离器(7)上端出口与第五阀门(205)通过管道相连，下端出口通过管道与第一流量计(801)连接；
蒸汽发生器(1)顶部安装第十三阀门(213)，防止意外情况下蒸汽发生器(1)内压力剧升造成危险，蒸汽发生器(1)内部安装滤网，避免液体剧烈沸腾时随蒸气进入蒸气循环管路，影响实验系统的正常运行；
第五阀门(205)与凝汽器(6)相连，凝汽器(6)下游与第二流量计(802)通过管道相连，第一流量计(801)和第二流量计(802)并联，两个流量计下游通道连通与第八阀门(208)相连，第八阀门(208)下游通过管道与储液罐(18)相连；
实验段(12)流出的实验工质分为两路，经过气液分离器(7)分离后，在实验段凝结的工质直接流回储液罐(18)，未凝结的工质在凝汽器(6)的冷却作用下，完全冷凝后进入储液罐(18)，形成闭环回路，以上组成了实验系统的实验工质循环系统；
所述的辅助抽真空冷凝系统由第三水箱(503)、第四循环泵(304)、第十阀门(210)、抽真空辅助凝汽器(11)、真空泵(10)组成；
第三水箱(503)、第四循环泵(304)、第十阀门(210)和抽真空辅助凝汽器(11)通过管道依次连接，抽真空辅助凝汽器(11)冷端出口与第三水箱(503)通过管道连接，冷却水依次经过第四循环泵(304)、第十阀门(210)、抽真空辅助凝汽器(11)，最终回到第三水箱(503)，形成闭环回路；
抽真空辅助凝汽器(11)为环形套管结构，内管内部走蒸气，外管内走冷却水；抽真空管路连接在抽真空辅助凝汽器(11)上方，通过管道和和第九阀门(209)与真空泵(10)连接；
实验时不凝结气体和混合蒸气一起被真空泵(10)吸入抽真空管路中，在抽真空辅助凝汽器(11)的冷凝作用下，使蒸气遇冷凝结，凝结液在重力作用下回流至储液罐(18)，确保实验过程中的混合蒸气浓度恒定，不凝结气体被真空泵(10)抽出排放至大气；
所述的实验段调节系统由第一水箱(501)、第二循环泵(302)、第二阀门(202)、第三阀门(203)、第四阀门(204)、第三流量计(803)、环形套管换热器(13)和可旋转支架(9)组成；
第二循环泵(302)与第一水箱(501)底部通过管道相连，第二循环泵(302)出口与第二阀门(202)通过管道相连，第二阀门(202)下游管道上安装有一个三通，三通的一个支路通过管道和第三阀门(203)连接，第三阀门(203)下游与第一水箱(501)通过管道相连，另一个支路通过管道与第四阀门(204)连接，通过调节第二阀门(202)与第三阀门(203)的开度调节实验段调节系统冷却水流量，第四阀门(204)下游与第三流量计(803)通过管道连接，第三流量计(803)下游和环形套管换热器入口通过管道连接；
实验段(12)由环形套管换热器(13)、试验管和石英玻璃管(14)组成，多个环形套管换热器(13)依次串联，相邻的环形套管换热器的出口和入口通过管道连接，环形套管换热器(13)内管为实验管，外管采用不锈钢管，混合蒸气在实验管内凝结放热，不锈钢管两端与实验管外壁通过焊接密封，冷却水在实验管与不锈钢管间形成的环形空间内流动，与实验管管内蒸汽形成逆流冷却；
为观察混合蒸汽在管道内部沿流动方向产生的流型变化，每段实验管前后端连通透明石英玻璃管(14)用于观测管内流型，透明石英玻璃管(14)和实验管内径相同；
实验段(12)固定在可旋转支架(9)上，通过调节可旋转支架(9)调整实验段(12)倾斜角度，改变实验段(12)与水平位置的夹角，倾斜角度通过可旋转支架(9)上的量角器进行测量，可旋转支架(9)上安装限位器，使实验段在±90°的角度范围进行调节和固定，用于开展不同倾斜角度条件下的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验；
所述的回路冷却系统由第二水箱(502)、第三循环泵(303)、第六阀门(206)和凝汽器(6)组成；
第三循环泵(303)与第二水箱(502)底部出口通过管道连接，下游与第六阀门(206)通过管道相连，第六阀门(206)下游与凝汽器(6)冷却水进口相连，凝汽器(6)出口与第二水箱(502)通过管道连接；
实验段(12)内只有部分混合蒸气被冷却凝结，剩余的大部分蒸气还需通过凝汽器(6)进行冷凝；通过调节第六阀门(206)改变进入凝汽器(6)中的冷却水流量，用于调节实验系统的压力，使实验段(12)的压力维持在设定的数值，以保证蒸气循环的稳定性和连续性；
所述的数据测量采集系统由热电偶、第一压力传感器(401)、第二压力传感器(402)、高速摄像机(15)、数据采集仪(16)和计算机(17)组成；第一压力传感器(401)安装在实验段(12)入口前，第二压力传感器(402)安装在实验段(12)出口后，第一压力传感器(401)和第二压力传感器(402)对称的位置安装有一个插入管道内的铠装热电偶分别测量蒸汽进出口温度；每个环形套管换热器(13)的实验管布置一个测温截面，每个测量截面上设置热电偶；每个环形套环换热器(13)入口管道上安...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进仕，马自强，张贵龙，李恒，罗星，刘明，邢秦安，严俊杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61