专利名称：空浴式汽化器结霜特性测试台的制作方法
技术领域：
空浴式汽化器结霜特性测试台[技术领域][0001]本实用新型涉及空浴式汽化器的技术领域，具体地说是在一种空浴式汽化器结 霜特性测试台。[背景技术][0002]众所周知，空浴式汽化器是一种换热气化器装置，为使传热系数提高，通过提 高换热面积来实现的。[0003]我国目前具有很大的空浴式汽化器生产规模和装备量，对于这一类型的产品， 我国目前既无国家标准也无行业标准，更没有准入门槛或相关规定，另一方面，由于空 浴式汽化器结构简单，制造和生产较为方便，很多企业都能很便利地实现该类型汽化器 的生产，加之国家对这一行业没有行业门槛或相关规定，才使得我国汽化器产品在性能 上价格上都参差不齐，使得整个行业较为混乱，造成这一现状的根本原因在于对空浴式 汽化器缺乏测试系统及测试方法，生产企业和用户对空浴式汽化器所涉及的负责传热传 质过程的机理缺乏必要的了解，更谈不上进行深入的研究和优化设计，也正是由于这个 原因，才导致安全事故频发。因此，为了充分了解空浴式汽化器的技术细节，并深入了 解该类型汽化器的基本传热机理，有必要建立一套空浴式汽化器结霜特性测试系统及测 试方法。[发明内容][0004]本实用新型的目的在于提供一种空浴式汽化器结霜特性测试台。[0005]本实用新型解决其技术问题的方案是一种空浴式汽化器结霜特性测试台，包 括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器及温度和压力测试装置，其 特征在于低温液体储罐(1)右侧下部设有输出端，输出端连接室内的真空绝热管道(2) 一端，真空绝热管道( 的另一端连接过冷器C3) —端，过冷器C3)的另一端连接T型热 电偶温度传感器⑷下端，T型热电偶温度传感器⑷的上端连接汽化器(14) 一端，汽 化器(14)的另一端皆有气体质量流计(1 ，所述的T型热电偶温度传感器的上下两端设 有八翅片星形翅片管(6)的测试段，在八翅片星形翅片管的表面设有数字千分尺(11)， 所述的数字千分尺设在标尺及支架(10)上，在T型热电偶温度传感器的上端右侧抽头一 端连接差压变送器(9) 一端，差压变送器(9)的另一端连接压力变送器(1 和T型热电 偶温度传感器的下端，在T型热电偶温度传感器设有八翅片星形翅片管(6)的测试段外侧 中间左面位置设有非接触式红外测温仪(5)，所述的室内设有大气压力及温度计(7)和控 温装置(8)及超声波增湿器(13)；[0006]所述的测试段长度为2m的八翅片星形翅片管，翅片外径200mm，基管尺寸为 28 X 3mm ；[0007]所述的翅片等距离等间隔均勻设有若干铜-康铜热电偶以测量翅片上不同位置 处的温度变化；[0008]所述的支架上设有标尺，标尺上设有数字千分尺，所述的支架是可以旋转的支 架或托架；[0009]所述的设备技术参数低温液体储罐为5.0m3、1.6MPa,真空绝热管为DN15、 3.0MPa,过冷器为5000W，翅片管为DN21、Φ200x2000,汽化器为60Nm7h，标尺及 托架为2m，T型热电偶温度传感器为士0.1K，红外测温仪为士 1.0K、-50 100°C，压 力变送器为0 3.0MRI、0.5%,差压变送器为0 lOOKPa、0.5%,气体质量流量计为 O 1500SLPM、0.5%,数字千分尺为O 30mm、0.1%,大气压力及温湿度计为-40 80°C、O 100%，高速摄像机为2000FPS，超声波增湿器为2000W，控温装置为5000W[0010]本实用新型的有益效果是为了研究翅片管结霜对其传热及水力特性的影响， 建立了测试装置并以液氮为工质，在不同操作条件及环境条件下进行了测试分析，结果 表明，翅片管表面的霜层生长是一个逐渐发展的过程，这一过程使得霜层厚度和翅片表 面温度都逐渐趋于一个稳定的值，翅片管的操作参数和环境参数对霜层的生长速度都具 有一定的影响，相比之下，环境湿度对于霜层生长的速度具有最为显著的影响，随着霜 层厚度的增加，翅片管换热效率降低，进出口温差增大，同时也导致管内两相区拉长， 翅片管流动阻力增大。[
][0011]图1是本实用新型的结构示意图；[0012]图2是本实用新型翅片表面温度变化曲线示意图；[0013]图3是本实用新型霜层厚度变化示意图；[0014]图4是本实用新型不同流量和湿度下的霜层生长速度示意图；[0015]图5是本实用新型不同压力和湿度下的霜层生长速度示意图；[0016]图6是本实用新型霜层厚度及进出口温差随时间的变化示意图；[0017]图7是本实用新型霜层厚度与进出口温差的关系示意图；[0018]图8是本实用新型进出口压差与平均霜厚的关系示意图。[0019]指定图1为摘要附图。[具体实施方式
][0020]下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型做进一步详细的描述。[0021]图1中的，1为低温液体储罐，2为真空绝热管，3为过冷器，4为T型热电偶 温度传感器，5为红外测温仪，6为翅片管，7为大气压力及温湿度计，8为控温装置，9 为差压变送器，10为标尺及托架，11为数字千分尺，12为压力变送器，13为超声波增湿 器，14为汽化器，15为气体质量流量计。[0022]本实用新型包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器等。 液氮由自增压储罐经真空绝热管输送至过冷器进行预冷，达到一定的过冷度后进入测试 段进行汽化，流出测试段的测试介质经空浴式汽化器完全汽化并升温至环境温度后由气 体质量流量计测量及流量。[0023]装置的主体部分安装于室内，以模拟环境自然对流的换热条件。其中，测试段 为长度为2m的八翅片星形翅片管，翅片外径200mm，基管尺寸为^X3mm。翅片上均勻安装若干铜-康铜热电偶以测量翅片上不同位置处的温度变化。同时，为了实现可 控的环境温湿度条件，室内安装了控温装置及超声波增湿器。本装置的测量设备包括温 度、压力、流量、压差、环境温湿度和霜层厚度等的测量和控制设备。各设备的技术参 数低温液体储罐为5.0m3、1.6MPa,真空绝热管为DN15、3.0MPa,过冷器为5000W， 翅片管为DN21、Φ 200，汽化器为60Nm3/h，真空绝热玻璃管为DN16、1.6MPa,钼电阻 温度传感器为士0.1K，T型热电偶温度传感器为士0.1K，红外测温仪为士 1.0K、-50 IOO0C,压力变送器为0 3.0MPa、0.5%,差压变送器为0 lOOKPa、0.5%,气体质量 流量计为0 1500SLPM、0.5%,数字千分尺为0 30mm、0.1%,大气压力及温湿度计 为-40 80°C、0 100%，高速摄像机为2000FPS，超声波增湿器为2000W，控温装置 为5000W。其中，霜层表面温度和霜层厚度是本研究十分重要的参数，设计了可以旋转 的支架，其上安装数字千分尺，用于测量不同位置处的霜层厚度。霜层表面温度采用非 接触式的红外测温仪进行测量。[0024]先用丙酮将翅片清洗干净，用铝质胶带将经过校准的铜-康铜热电偶按一定的 排列固定在测试段的某个翅片上。连接好管道和各测量仪器，将储罐出液阀拧开一个 小的开度，检查完整个管道的气密性后，再根据工况要求调整出液阀开度，然后开启温 度、压力、压差、流量各种数据采集仪器进行数据记录，并每隔半小时人工记录一次室 温、湿度以及测试段上下五个位置处的霜层厚度。要随时注意对储罐进行增压或减压， 以保持罐内压力稳定。[0025]翅片管上离进口 160cm处霜层的生长情况。测试工况为压力0.5MRi，流量 15Nm3/h。测试开始后5分钟后，此时翅片表面已经出现很薄的冰层，之后开始出现小 沙丘状冰粒，即结晶胚胎。20分钟后翅顶处霜的冰柱外形已经非常明显。测试进行30分 钟后，管壁处和翅片表面有零星绒球状霜花形成。此时该处霜进入霜层生长期，其结构 为枝状晶体。绒球装霜花即由霜枝状晶体形成的霜晶体簇。而翅片处霜层表面已经趋于 平坦，已经进入霜层生长期。随着测试继续进行，在60分钟后可以看到翅片表面已经基 本被霜全部覆盖，翅顶处已经形成一种表面平整的弧形霜盖，这层霜盖正是之前表面上 的霜层融化后再结冰形成的老化霜层，这表明翅翅顶处的霜层已经进入充分生长期。测 试进行到90分钟时，翅片表面的霜层明显增厚。120分钟时翅片表面的霜层结构还是非 常疏松，150分钟后可以看出，枝状晶体簇已经变大，此时枝状晶体之间通过相互作用正 在逐渐形成网状的霜层。到了 180分钟，翅片表面上的霜层已经开始出现平整的迹象， 霜层厚度生长速度放缓。240分钟和300分钟后翅片表面霜层增长到与翅顶处霜厚一致， 二者的霜表完成结合，平整的霜表面积扩大，并沿着翅高开始向内扩张，而霜厚增长继 续变慢。360分钟后这种平整的霜层表面已经覆盖翅片表面绝大部分；到了 420分钟， 霜层表面到达管壁，扩张基本完成，此时整个翅片都被霜层厚厚覆盖，此后霜层生长速 度达到平衡，霜层维系在一个相对稳定的厚度值。[0026]如图2所示，为了分析结霜对翅片管综合换热性能的影响，特别对翅片表面温 度进行了测量。测试中对距翅片管底部40cm、80cm、120cm、160cm和200cm的五个位 置进行了温度的测量。图3为系统压力O.SMPa，介质流量15Nm3/h工况下各点的温度 变化过程。[0027]可以看出，翅片管入口附近GOcm)温度变化非常迅速，在翅片管工作不到20分钟就从环境温度下降到了-140°C。随后温度变化缓慢，在测试的大部分时间内其温度值 都保持在一个相对稳定的低温状态，可知此位置管内流体状态为液态，处于单相液体对 流换热区。随着测试的进行，该处温度值缓慢降低，温度变动范围很小。随着高度的增 加，温度变化过程趋于缓慢。80cm处的温度在1小时内从环境温度降到-100°C，在3小 时之后温度在-120°C -140°C之间发生明显的波动。此时液体开始进入气化阶段，管内 流体的流动状态为气液两相流。120cm处和160cm处的翅表温度变化类似，稳定后相互 之间的温差不大。与80cm处温度变化曲线相比，两曲线温度下降趋势比较平稳，没有产 生很大的波动。此时管内流体仍处在气化阶段，其形态为气液两相流。分析200cm处翅 片表面温度温度变化曲线可知，其温度也是随时间一直趋于下降，但变化更为缓慢。与 160cm处同期壁温相差比160cm和120cm处同期壁温温差更大。此时管内流体处于气化 中后期，主要为蒸汽，同时还存在少量液体。[0028]如图3所示，除了测试翅片温度外，测试了霜层的生长速度。图3为O.SMPa， 15Nm3/h工况下测试段上五处霜层厚度的变化情况。可以看出，在的初始阶段(Uh)， 各测点处结霜的速度都很快，随着时间的推移，霜厚的增长越来越慢，在进行到6小时 左右，霜层厚度基本稳定不变。由于结霜是一个传热传质过程，初期，翅片表面与环境 存在较大的温度差和浓度差，空气中的水分直接与翅片表面接触传热，迅速结霜。最初 形成的霜层很薄，热阻很小，并且其粗糙度还扩大了翅片表面的换热面积，从而促进了 翅片管的换热，使结霜仍然能保持一个较快的速度。150分钟后，随着霜层厚度的增加， 翅片表面与空气之间的传热热阻开始增大，另一方面由于霜层的阻塞作用，空气流量减 少，使空气侧对流换热系数减少，翅片管的换热效率开始下降，另外由于霜表温度不断 增加，霜表与空气的温度差减小，使结霜减慢，这个时期的结霜量主要是增加霜密度。 此后各测点霜层生长都进入缓慢发展期，最终达到一个准稳定状态。[0029]如图4和图5所示，翅片管表面上霜层生长源自空气中水蒸气在翅片管表面的凝 华，因此，空气的相对湿度对霜层的生长速度具有十分显著的影响。另外，不同的操作 条件也可能对霜层的生长速度具有显著影响。为了以上因素与霜层生长速度之间的定量 关系，本文在不同条件下进行了研究。如图4所示为不同湿度、不同流量下翅片管各处 的霜层生长速度。可以看出，压力一定时，在湿度相近的情况下，平均霜厚随着流量的 增大而增大，说明流量增大对结霜有促进作用。这是因为流量越大，管内液氮气化时单 位管长向周围空气吸收的热量越多，因而结霜越多。而在流量为20Nm3/h时候，其平均 霜厚反而要比流量为35Nm3/h甚至50Nm3/h还要大，这是由于在该工况下，其室内的湿 度要高于流量为35Nm3/h和50Nm3/h两个工况下的湿度。由此可见，空气湿度对结霜 的影响非常明显，湿度越大，则平均霜厚越大。为了进一步弄清以上因素对霜层生长速 度的影响，本文还在不同压力和环境湿度下进行了测试研究，结果如图5所示。可以看 出，流量一致时，在湿度相近的情况下，平均霜厚随压力的增大而增大。这说明压力增 大对结霜有促进作用。这是因为压力越大，液体的过冷度越大，完全汽化所需的热量更 多，因此引起的结霜量也就更大。同样，由该图还可以看出，平均霜厚随湿度的增大而 增大，而且增幅更为明显。[0030]如图6、图7和图8所示，翅片管结霜后，由于霜层的热阻效应，导致翅片管换 热效率降低。为了确定霜层厚度对翅片管换热效率的影响，本文分析了平均霜层厚度与6翅片管进出口温差之间的关系，如图6和7所示。可以看出，翅片管表面霜层增长的速 度越快，进出口温差下降的也越快，表明随着霜层厚度的增长，结霜对翅片管表面传热 产生不利的影响，翅片管的换热效率开始下降。进入结霜后期，随着霜层增长的速度变 缓，进出口温差下降的速度也开始减慢，在测试进行到300η ι时，平均霜层厚度稳定在 8mm左右，此时进出口温差约为32°C。结霜除了对翅片管的换热效率有影响外，还对翅 片管的水力特性具有一定影响。图8为翅片管压差与霜层厚度之间的关系。可以看出， 在一定系统压力和介质流量的情况下，翅片管进出口之间的压差随着霜层厚度的增加整 体上呈献一个波动上升的趋势。这主要是由于翅片管结霜导致整体换热效率下降，管内 两相区拉长，使得翅片管压降也随着表现出不同的值。
权利要求1.一种空浴式汽化器结霜特性测试台，包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷 器、测试段、汽化器及温度和压力测试装置，其特征在于低温液体储罐(1)右侧下部 设有输出端，输出端连接室内的真空绝热管道( 一端，真空绝热管道( 的另一端连接 过冷器C3) —端，过冷器(3)的另一端连接T型热电偶温度传感器(4)下端，T型热电 偶温度传感器(4)的上端连接汽化器(14) 一端，汽化器(14)的另一端皆有气体质量流计 (15)，所述的T型热电偶温度传感器的上下两端设有八翅片星形翅片管(6)的测试段，在 八翅片星形翅片管的表面设有数字千分尺(11)，所述的数字千分尺设在标尺及支架(10) 上，在T型热电偶温度传感器的上端右侧抽头一端连接差压变送器(9) 一端，差压变送器 (9)的另一端连接压力变送器(12)和T型热电偶温度传感器的下端，在T型热电偶温度 传感器设有八翅片星形翅片管(6)的测试段外侧中间左面位置设有非接触式红外测温仪 (5)，所述的室内设有大气压力及温度计(7)和控温装置(8)及超声波增湿器(13)。
2.如权利要求1所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试台，其特征在于测试段长度为 2m的八翅片星形翅片管，翅片外径200mm，基管尺寸为^X3mm。
3.如权利要求1或2所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试台，其特征在于翅片等距 离等间隔均勻设有若干铜-康铜热电偶以测量翅片上不同位置处的温度变化。
4.如权利要求1所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试台，其特征在于支架上设有 标尺，标尺上设有数字千分尺，所述的支架是可以旋转的支架或托架。
5.如权利要求1所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试台，其特征在于所述的设备 技术参数低温液体储罐为5.0m3、1.6MPa,真空绝热管为DN15、3.0MPa,过冷器为 5000W,翅片管为DN21、Φ200x2000,汽化器为60Nm7h，标尺及托架为2m，T型 热电偶温度传感器为士0.1K，红外测温仪为士 1.0K、-50 100°C，压力变送器为0 3.0MPa> 0.5%,差压变送器为0 lOOKPa、0.5%,气体质量流量计为0 1500SLPM、 0.5%,数字千分尺为0 30mm、0.1%,大气压力及温湿度计为-40 80°C、0 100%,高速摄像机为2000FPS，超声波增湿器为2000W，控温装置为5000W。
专利摘要本实用新型涉及空浴式汽化器的技术领域，具体地说是在一种空浴式汽化器结霜特性测试台。包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器及温度和压力测试装置，本实用新型的有益效果是在不同操作条件及环境条件下进行了测试分析，结果表明，翅片管表面的霜层生长是一个逐渐发展的过程，这一过程使得霜层厚度和翅片表面温度都逐渐趋于一个稳定的值，翅片管的操作参数和环境参数对霜层的生长速度都具有一定的影响，相比之下，环境湿度对于霜层生长的速度具有最为显著的影响，随着霜层厚度的增加，翅片管换热效率降低，进出口温差增大，同时也导致管内两相区拉长，翅片管流动阻力增大。
文档编号F17C7/04GK201810981SQ20102029037
公开日2011年4月27日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者吴兴华, 李祥东 申请人:上海市特种设备监督检验技术研究院