一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置的制作方法

本实用新型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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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。

本实用新型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。

所述直管测量段的长度为强化换热管内径的25倍。

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，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型数据采集系统精确，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是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型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

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种评价强化传热管管内冷凝特性的装置，如图1所示，该装置由蒸汽系统、测试段、冷却水系统、数据采集系统和配套的管道阀门组成。

所述蒸汽系统包括锅炉6、预冷器8、空压机1、储气罐2、干燥器3、气体加热器5和静态混合器13；所述锅炉6、预冷器8和静态混合器13依次相连，所述空压机1、储气罐2、干燥器3和气体加热器5依次相连，所述气体加热器5的出口还与静态混合器13相连。空压机1产生测试所需的空气作为不凝气，储气罐2用于稳定空气压力，干燥器3用于去除空气中含有的水分，气体加热器5用于加热空气至指定温度，四者结合可以为装置提供稳定、干燥的不凝气。锅炉6产生指定介质的蒸汽，预冷器8用于改变气液两相流中的蒸汽干度，两者结合可以为装置提供稳定、不同干度条件的气液混合物。静态混合器13用于充分混合空气和两相流蒸汽。静态混合器13可以使两股流体进行充分混合，防止出现分层现象。

其中，预冷器8是一种多段式套管换热器，通过改变有效传热长度以及换热管材质可以改变预冷器中的传热量Qpre。在进行纯蒸汽冷凝实验时，预冷器可用于改变测试段进口蒸汽干度：xi＝1-Qpre/hfg，其中，hfg为蒸汽汽化潜热。在进行混合气冷凝实验时，预冷器可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。

如图2所示，所述测试段包括依次连接的直管测量段A、冷凝段B、测量段C和观察段D；所述直管测量段A靠近冷凝段B的入口处开有温度、压力和压差测试孔；所述冷凝段B包括同轴设置的强化换热管24和外套管25，所述外套管25套在强化换热管24的外面，所述强化换热管24和外套管25的两端通过带开孔的压紧板28进行固定，试验时通过调整压紧板28的开孔孔径，可安装各种外径型号的强化换热管24进行测试。值得一提的是，当直管测量段A的长度为强化换热管24内径的25倍时，可以消除进口效应的影响。所述测量段C靠近冷凝段B的出口处也开有温度、压力和压差测试孔；通过公式可计算出冷凝段的两相流摩擦压降，式中，G为质量通量，x为蒸汽干度，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。所述观察段D为透明管道，所述透明管道可以采用石英玻璃管，该石英玻璃管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B的两端还并联有测试段冷却水环路。

测试段中的蒸汽/混合气在强化换热管24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xo＝xi-Qts/hfg与进口干度xi之差小于0.2，其中Qts为测试段传热量，hfg为蒸汽汽化潜热。此时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冷却水进出口温度，即根据热阻分离法求得传热系数：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。

所述的冷却水系统包括两个冷却水环路，即预冷段冷却水环路和测试段冷却水环路。所述测试段冷却水环路包括第一储水箱16、第一磁力泵17、第一流量计18和第一辅助板式冷却器19，所述测试段冷却水出口处连接第一辅助板式冷却器19的进口，所述第一辅助板式冷却器19的出口与第一储水箱16的进口相连，所述第一储水箱16的出口通过第一磁力泵17与所述测试段冷却水进口处相连；所述第一磁力泵17和冷却水进口处之间设置有第一流量计18。所述预冷段冷却水环路包括第二储水箱9、第二磁力泵10、第二流量计11和第二辅助板式冷却器12，其结构与测试段冷却水环路相同，区别在于，第二辅助板式冷却器12的进口与所述预冷器冷却水出口处连接，所述第二储水箱9的出口通过第二磁力泵10与所述预冷器冷却水进口处相连。其中，两个储水箱内均设置有加热棒，两个磁力泵均选用耐高温的磁力泵，通过改变水箱中介质温度及调节冷却水流量，可以改变冷却水环路传递的热负荷。同时为保证水箱中的水维持在恒温状态，冷却水在经过预冷段或测试段后还需通过辅助板式冷却器，以带走多余的热量。

数据采集系统主要包括流量、温度、压力、流型和冷凝液采集系统。需要测量的主要参数包括蒸汽流量，空气流量，预冷段冷却水流量和进出口温度，测试段气体进出口温度、压力，测试段冷却水流量和进出口温度。空气流量由流量计测得，蒸汽流量由涡街流量计测得，冷却水流量由涡轮流量计测得。所有的温度通过热电偶测得，压力通过压力变送器测得，压差通过压差变送器测得。流型采集主要由观察段和高速摄像机组成，两相流流型通过高速摄像机观察并记录。其中蒸汽的质量流量除可通过流量计测得外，还可通过在测试段后面安装冷凝液采集装置，通过抑制池收集尚未冷凝的蒸汽，用公式对流量值进行校核，式中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。冷凝液采集装置主要包含气液分离器20、烧杯22、抑制池21及液位计23。在混合蒸汽冷凝时，不凝气质量含量可根据空气质量流量和蒸汽流量计算求得，同时也可根据ω＝(pt-ps)/[pt-(1-Ms/Mg)ps]求得，式中pt为测试段进口压力，ps为测试段进口测得温度对应的饱和分压，Ms和Mg分别为蒸汽和不凝气的分子量，这可作为判断装置中流量计量系统精确性的依据。

由此可见，本实用新型针对强化传热管壁面温度分布不均匀、较难测量准确的特点，采用了热阻分离法获取管内冷凝传热系数和压降，避免了需要测量内壁温度的难点，可考察进口条件、结构参数对冷凝的影响，可为高效管壳式冷凝器的热力设计提供准则关联式。同时通过测试段进出口安装的石英玻璃管及出口放置的高速摄影仪，可以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。

下面以水蒸气作为蒸汽以及空气作为不凝气为例，对测量纯蒸汽和混合气局部冷凝传热系数和压力降的过程进行详细说明，并对得到结果进行评价。

进行纯蒸汽管内冷凝传热与压降实验时，空气压缩机1处于关闭状态。开启锅炉6，本例中锅炉储罐中存放的是水。通过设定可以改变锅炉中产生水蒸气的压力，调节阀门可以调节水蒸气的流量。水蒸气进入预冷器8中，通过调节冷却水回路中冷却水温度和流量，可以改变进入测试段15中气液混合物的干度xi。气液混合物在测试段15中进一步冷凝，通过控制测试段冷却水回路中冷取水温度和流量，使混合物出口干度xo与进口干度xi之差小于0.2，由此得到的沿管长平均传热系数可视为该质量通量和平均干度下的局部传热系数。通过气液分离器20，将整个冷凝过程得到的冷凝液用烧杯22进行收集。未冷凝的水蒸气通过抑制池22收集，液位计23可以测量液面的增加高度。

进行混合蒸汽管内冷凝实验时，需再开启空气压缩机1，空气被存在储气罐2中以减小流量波动，通过干燥器3后可去除含有的水分，再经过气体加热器5后被加热到指定的温度。在静态混合器13中，压缩机中出来的不凝气和预冷器中出来的气液混合物进行充分混合，然后再进入到测试段管程。剩余的流程和纯蒸汽冷凝时一致。实验中通过改变气液混合物的干度可进一步改变不凝气占总气体的质量比例。

测试过程中须保证蒸汽流量、空气流量以及两股冷却水流量和出口温度的波动不超过5％且时间超过10min，即可正式开始记录数据。数据由数据采集器自动采集，主要包括蒸汽流量，空气流量，预冷段冷却水流量和进出口温度，测试段气体进出口温度、压力，测试段冷却水流量和进出口温度。测试时还可通过观察段的石英玻璃管32观察气液两相流在强化管内的流型，并可用高速相机进行记录，从而进一步绘制出各类强化传热管管内冷凝的流型图。

本测试实施例中，共进行了2组不同类型的测试，1组为纯水蒸气在光管以及1号、2号和3号强化管内的冷凝，另1组为含空气作为不凝气时混合蒸汽在5号强化管内的冷凝。图3为水蒸气冷凝时光管及强化管管内传热系数变化趋势图，图4为水蒸气冷凝时光管及强化管管内摩擦压降变化趋势图。图5为强化管内含不凝气混合气冷凝时局部传热系数变化趋势图。

通过以上的实例证明，本实用新型能较准确地测试出纯蒸汽在强化管内的局部传热系数和压力降，以及含不凝气的混合气在强化管内的局部冷凝传热和流阻特性。本实用新型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，对提升高效管壳式冷凝器的设计水平提供了重要依据。