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一種寬過冷度含多元氣體的水平管內(nèi)蒸汽冷凝換熱實驗系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:12798878閱讀:251來源:國知局

本發(fā)明涉及反應(yīng)堆安全技術(shù)設(shè)施領(lǐng)域,尤其涉及一種用于研究核電站安全殼過濾排放系統(tǒng)內(nèi)冷凝換熱器性能的寬過冷度含多元氣體的水平管內(nèi)蒸汽冷凝換熱實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)同樣適用于其它領(lǐng)域含多元不凝性氣體的水平管內(nèi)蒸汽流動冷凝換熱特性研究。



背景技術(shù):

水平管內(nèi)冷凝換熱過程具有獨特的液膜不均分布的特點,從而局部具有極高的換熱系數(shù)?;谶@種冷凝形式而設(shè)計的冷凝器擁有更強的換熱能力,較高的抗震與耐壓效果,因此被廣泛地應(yīng)用于核能、化工、航天以及能源領(lǐng)域。在核電站安全殼過濾排放系統(tǒng)中,通過采用水平管冷凝換熱器回收部分凝液的方式,延長了文丘里水洗器的高效過濾時間,從而可以在嚴(yán)重事故發(fā)生后的72小時甚至更長時間內(nèi),保證安全殼壓力不超出其承壓極限,避免放射性物質(zhì)的大量外泄,減少對人員及環(huán)境的傷害。當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑喪失、主蒸汽管道破裂疊加堆芯融化的嚴(yán)重事故時,大量蒸汽將被排放到安全殼內(nèi),同時熔融堆芯與混凝土反應(yīng)產(chǎn)生的不凝性氣體(包含氫氣)也將進入到安全殼內(nèi),從而使安全殼內(nèi)積聚大量由蒸汽、空氣和氫氣組成的多元混合氣體。在安全殼過濾排放系統(tǒng)工作過程中,這些氣體進入到水平管冷凝換熱器時,會出現(xiàn)含多元不凝性氣體的管內(nèi)冷凝換熱過程。在冷凝器的實際應(yīng)用之中,不凝性氣體是影響其工作特性的重要因素之一。當(dāng)蒸汽中含有不凝性氣體時,換熱器內(nèi)的冷凝換熱能力會受到很大程度的削弱。根據(jù)國外學(xué)者的實驗分析可知:當(dāng)水蒸汽中含有質(zhì)量份額0.5%的空氣時,冷凝換熱系數(shù)會驟降50%。目前海水淡化、化學(xué)材料制取和核電站安全系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域都在尋找方法降低不凝性氣體對冷凝換熱抑制效果的方法。由此可知,研究含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱特性對于各領(lǐng)域內(nèi)的冷凝器工程應(yīng)用具有重要意義。此外,由于核電站非能動安全的需求,在水平管換熱器的管外采用空氣自然對流冷卻的方式,從而使得冷凝換熱在較低的壁面過冷度下進行。因此,為保證在核電站發(fā)生嚴(yán)重事故的特殊情況下水平管冷凝器可靠運行,需要通過實驗對低過冷度的多元氣體冷凝換熱特性進行研究,為此也就需要一套能模擬事故條件的實驗系統(tǒng)。然而國內(nèi)外還未有公開發(fā)表的文獻提及能用于該實驗的相關(guān)實驗系統(tǒng)。

由于冷凝換熱過程中始終有氣液兩相共存,換熱與流動過程較為復(fù)雜,影響因素眾多,這使得對應(yīng)的理論分析尤為困難。因此目前對于冷凝換熱的研究多使用實驗的方法。通常,研究者根據(jù)所要研究的對象和研究目標(biāo)來設(shè)計搭建相應(yīng)的實驗系統(tǒng),通過測量一定的熱工參數(shù)來分析不同條件下的冷凝換熱特性。由于不凝性氣體是影響冷凝換熱的關(guān)鍵因素,因此目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對該方向進行了大量的實驗研究,但主要集中于豎直管內(nèi)與水平管外的冷凝換熱研究,因此所用的實驗系統(tǒng)也都是針對豎直管內(nèi)冷凝及水平管外冷凝實驗設(shè)計的,并不能滿足復(fù)雜的水平管內(nèi)流動冷凝的研究需求。這是由于:與管外冷凝相比,在管內(nèi)流動冷凝過程中,凝液無法及時排走,會隨氣體一起流動,因此冷凝過程中會發(fā)生流型的演變,不同的流型對應(yīng)的冷凝換熱特性也有較大的差異。此外,在水平管內(nèi)由于重力效應(yīng)的影響,氣液兩相在管內(nèi)的分布結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的非對稱性特點,流型結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。因此,對水平管內(nèi)冷凝換熱特性的研究需要采用具有流型識別功能的實驗系統(tǒng)。為得到更為精確且可信的實驗數(shù)據(jù),設(shè)計一套適用于研究水平管內(nèi)含多元不凝性氣體的蒸汽流動冷凝換熱的實驗系統(tǒng),并能控制管內(nèi)流型,研究分析不同流型下的冷凝換熱特性顯得尤為重要。

在已公開的冷凝實驗系統(tǒng)之中,專利申請?zhí)枮?01420108048.x的專利文件中公開的“一種冷凝實驗組合裝置”只能進行冷凝水的收集,通過冷凝量來評價換熱器的性能,并不能用于冷凝換熱特性的研究與分析;專利申請?zhí)枮?01521078337.0的專利文件中公開的“套管式換熱器管內(nèi)沸騰/冷凝換熱性能測試平臺”能夠?qū)Q熱器的冷凝功率進行測試,但并不能進行含不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱研究,也不能得到管內(nèi)的局部換熱能力;專利申請?zhí)枮?01210540382.8的專利文件中公開的“含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置”雖然能夠?qū)ωQ直管外的蒸汽自然流動冷凝換熱特性進行較為詳細(xì)的分析,但是由于水平管內(nèi)與豎直管外的冷凝換熱機理差距較大,因此在該實驗裝置中沒有考慮流型對換熱性能影響的研究,同時實驗臺的布置形式、冷卻方式的設(shè)置也存在差異,使得該實驗裝置并不能應(yīng)用于水平管內(nèi)蒸汽流動冷凝實驗研究;專利申請?zhí)枮?01510848946.8的專利文件中公開的“一種采用空化效應(yīng)強化含不凝氣體的蒸汽冷凝實驗裝置”采用文丘里管對冷卻水進行碎化,進行蒸汽直接接觸式冷凝,與本實驗裝置所研究的領(lǐng)域和換熱問題截然不同,同樣不能應(yīng)用于管內(nèi)的流動冷凝換熱分析。羅馬大學(xué)的gianfrancocaruso采用管外空氣冷卻的方式研究水平管內(nèi)含空氣條件下的冷凝過程,雖然獲得了管內(nèi)局部冷凝換熱系數(shù)的分布,但該系統(tǒng)仍存在一定的不足與缺陷:(1)不能進行含多組分不凝性氣體的實驗分析;(2)由于管外側(cè)采用空氣冷卻,換熱功率較低,不能進行波狀流和分層流條件下的冷凝實驗;(3)缺少可視化觀察段,無法對管內(nèi)氣液兩相流型進行直接觀察,從而無法研究流型對冷凝換熱特性的影響。為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的主要問題,能夠更為全面和準(zhǔn)確的研究含多元不凝性氣體條件下,各項熱工參數(shù)對局部冷凝換熱能力的影響,從而為安全殼過濾排放系統(tǒng)內(nèi)水平管冷凝器的設(shè)計提供技術(shù)支持,設(shè)計了本套綜合實驗系統(tǒng)。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提出一種能夠在較寬泛的壁面過冷度變化范圍、較大的水平管傾斜角度條件下進行多元氣體的冷凝換熱特性研究,同時提供能用于驗證流型對冷凝換熱性能影響的寬過冷度含多元氣體的水平管內(nèi)蒸汽冷凝換熱實驗系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:

本發(fā)明包括蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氦氣供應(yīng)系統(tǒng)、水冷子系統(tǒng)、空冷子系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中水冷子系統(tǒng)包括套管換熱器和冷卻水系統(tǒng);空冷子系統(tǒng)包括換熱管、空氣風(fēng)道和冷卻空氣系統(tǒng)。系統(tǒng)的特征是:空冷子系統(tǒng)內(nèi)水平換熱管置于空氣風(fēng)道內(nèi)組成空冷實驗體,空氣風(fēng)道底端與冷卻空氣系統(tǒng)相連,換熱管入口與蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)和氦氣供應(yīng)系統(tǒng)相連,從而實現(xiàn)多元氣體混合的管內(nèi)冷凝換熱實驗需求。換熱管出口經(jīng)過可視化觀察段與汽水分離系統(tǒng)相連,蒸汽在換熱管內(nèi)被管外側(cè)空氣冷卻發(fā)生凝結(jié)后,汽水混合物進入汽水分離系統(tǒng),分離出的氣體從汽水分離器頂部管道排放到大氣中,凝液從底部管道進入凝液罐后經(jīng)排水閥排出。水冷子系統(tǒng)內(nèi)實驗體為由換熱管與外套管同軸布置而成的套管換熱器,換熱器環(huán)腔空間與冷卻水系統(tǒng)相連,換熱管入口通過高壓軟管與蒸汽、空氣和氦氣供應(yīng)系統(tǒng)相連,換熱管出口通過可視化段和高壓軟管與汽水分離系統(tǒng)相連,與空冷系統(tǒng)相同,發(fā)生凝結(jié)后的汽水混合物進入汽水分離系統(tǒng)進行氣體與凝液的分離后排出。兩套系統(tǒng)間通過四通管道以及閥門組與蒸汽、空氣和氦氣供應(yīng)系統(tǒng)相互連接,通過一定的操作可以實現(xiàn)兩套系統(tǒng)的獨立工作和耦合工作。

本發(fā)明還包括:

1、所述蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)包括鍋爐,由鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)過蒸汽輸送管道與換熱管入口主管道相連,蒸汽輸送管道采用多組不同直徑管道并聯(lián)的方式,在每組管道上設(shè)置蒸汽流量計,多組不同量程的流量計能滿足在寬泛的蒸汽流量范圍內(nèi)進行實驗的需求。在流量計前后穩(wěn)定長度外設(shè)置截止閥與溫度、壓力測點。

2、所述管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括空氣壓縮機和儲氣罐等??諝鈮嚎s機產(chǎn)生一定壓力的壓縮空氣注入儲氣罐內(nèi),壓縮空氣經(jīng)過儲氣罐出口管道上的減壓閥與換熱管入口主管道相連??諝廨斔凸艿劳瑯硬捎貌⒙?lián)管組的布置方式,在每組管道上設(shè)置管內(nèi)空氣質(zhì)量流量計,流量計后設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。

3、所述氦氣供應(yīng)系統(tǒng)由高壓儲氣瓶、匯流排和減壓閥組成。若干高壓氦氣瓶通過金屬軟管及閥門并聯(lián)接入?yún)R流排主氣管道后,經(jīng)過減壓閥與換熱管入口相連。氦氣輸送管道上設(shè)置管內(nèi)氦氣流量計,流量計后設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。

4、所述空冷子系統(tǒng)的冷卻空氣系統(tǒng)包括羅茨鼓風(fēng)機、空氣流量計以及相應(yīng)管道與閥門。由羅茨鼓風(fēng)機提供的空氣通過空氣輸送管道與實驗體的空氣風(fēng)道相連接,在風(fēng)道中橫掠換熱管吸收熱量,最后排放至大氣環(huán)境中。

5、所述空冷子系統(tǒng)的空氣風(fēng)道入口處設(shè)置存在一定間隔的雙層孔板。由冷卻空氣系統(tǒng)提供的空氣經(jīng)過雙層孔板均流后進入空氣風(fēng)道之中,確保空氣風(fēng)道內(nèi)截面風(fēng)速均勻。

6、所述空冷子系統(tǒng)內(nèi)的空氣風(fēng)道的內(nèi)壁上設(shè)置一定數(shù)目的槽道,可以安裝對應(yīng)數(shù)目的水平貼管。

7、所述空冷子系統(tǒng)內(nèi)換熱管上部的空氣風(fēng)道由若干等間距布置的隔板分成若干獨立空間,隔板由導(dǎo)熱能力較低的材料制成。每個隔板內(nèi)分別設(shè)置溫度測點測量空氣溫度。

8、所述水冷子系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)由冷卻水池、離心泵、冷卻水流量計和相應(yīng)的管道與閥門組成。冷卻水經(jīng)由離心泵從水池中抽出,經(jīng)過冷卻水流量調(diào)節(jié)閥和流量計進入實驗段環(huán)腔中,與換熱管內(nèi)蒸汽形成逆向流動。吸收熱量后重新回到冷卻水箱之中。

9、所述水冷子系統(tǒng)的實驗段安裝在可調(diào)角度的支撐平臺之上。通過改變支撐平臺的水平角度,可以實現(xiàn)不同傾斜條件下的冷凝換熱實驗。

10、所述空冷子系統(tǒng)和水冷子系統(tǒng)的入口主管道上設(shè)置u型水彎結(jié)構(gòu)與蒸汽、空氣和氦氣系統(tǒng)相連,出口設(shè)置石英玻璃可視化觀察段與汽水分離系統(tǒng)相連。其中u型水彎主體為u形管道,管道最下端安裝疏水閥,兩豎直段外纏有加熱帶,其功率由獨立的溫控裝置調(diào)節(jié)。

11、水冷與空冷子系統(tǒng)之間設(shè)置四通機構(gòu)與閥門組,四通機構(gòu)分別與空冷子系統(tǒng)、水冷子系統(tǒng)和蒸汽、管內(nèi)空氣、氦氣供應(yīng)系統(tǒng)以及汽水分離器相連接。

12、所有的測量裝置均通過信號線路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:通過將水冷與空冷兩種管外側(cè)冷卻方式進行組合和獨立,實現(xiàn)了在較寬泛的壁面過冷度范圍內(nèi),進行水平和傾斜條件下管內(nèi)含多組分不凝性氣體的蒸汽流動冷凝換熱特性的實驗研究,以此更深入地了解冷凝換熱機理,為冷凝器設(shè)計、強化換熱元件開發(fā)和換熱器運行技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。該套實驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn):(1)進行水平和傾斜條件下管內(nèi)純蒸汽、含單組分不凝性氣體和多組分不凝性氣體的蒸汽流動冷凝換熱特性的實驗研究;(2)通過改變換熱管外側(cè)冷卻方式,在寬泛的壁面過冷度變化范圍內(nèi)研究該因素對局部換熱能力的影響;(3)利用可視化技術(shù)對管內(nèi)的氣-液兩相流型進行直接觀察,結(jié)合流型判斷結(jié)果,可以分析流型變化對冷凝換熱機理的作用;(4)采用貼管技術(shù)來模擬不同管束布置條件下管外空氣流動特征,從而滿足不同管束布置條件下的冷凝換熱實驗需求;(5)系統(tǒng)中所采用的u型水彎附加伴熱帶的設(shè)計可以有效的消除蒸汽過熱及過冷度,保證實驗所用蒸汽始終處于飽和狀態(tài);(6)實時可調(diào)壓力的氦氣供應(yīng)系統(tǒng)能夠維持實驗過程中的氦氣流量恒定,減小流量波動對實驗結(jié)果分析的干擾,確保了多元不凝型氣體冷凝換熱實驗的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。

如圖1所示,本發(fā)明主要由蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氦氣供應(yīng)系統(tǒng)、空冷子系統(tǒng)、水冷子系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所組成。蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)與氦氣供應(yīng)系統(tǒng)并聯(lián),提供一定比例的多元混合氣體,來自各系統(tǒng)的蒸汽、空氣與氦氣在換熱管入口主管道的u型水彎內(nèi)進行充分混合。然后根據(jù)實驗工況設(shè)定選擇進入空冷或水冷子系統(tǒng)。在空冷系統(tǒng)中,換熱管內(nèi)蒸汽被管外風(fēng)道中的空氣冷卻發(fā)生凝結(jié);在水冷系統(tǒng)中,管內(nèi)蒸汽受到管外環(huán)腔內(nèi)冷卻水的冷卻而凝結(jié)成水。進行冷凝換熱后的汽水混合物經(jīng)由石英玻璃可視化觀察段,再進入汽水分離系統(tǒng)內(nèi)進行汽水分離,分離后氣體經(jīng)排氣閥排入大氣,凝液回收到凝液測量器內(nèi)進行凝液流量測量。

其中蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要由飽和蒸汽鍋爐14,截止閥15,渦街流量計16和調(diào)節(jié)閥17以及壓力、溫度測量儀表等組成,用來提供冷凝換熱實驗所需的一定溫度、一定壓力的蒸汽。由蒸汽鍋爐14產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)過渦街流量計16測量流量后,進入實驗段入口前的主管道中。為了滿足在寬泛的蒸汽流量范圍內(nèi)進行實驗的需求,設(shè)置多組不同直徑的蒸汽輸送管道并聯(lián),每根管道上采用相應(yīng)口徑的流量計,從而保證在較寬泛的范圍內(nèi)流量的準(zhǔn)確測量。為研究多組分條件下的管內(nèi)冷凝換熱特性,將管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氦氣供應(yīng)系統(tǒng)與蒸汽供給系統(tǒng)并聯(lián),然后將并聯(lián)后管道通過法蘭與實驗段入口的主管道相連,實驗中將不同比例的蒸汽、空氣和氦氣相混合后,輸送到實驗段內(nèi)。空氣采用管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)來提供,該系統(tǒng)由空氣壓縮機1,儲氣罐2,截止閥3,質(zhì)量流量計4和調(diào)節(jié)閥5組成??諝鈮嚎s機1產(chǎn)生一定壓力的壓縮空氣注入儲氣罐2內(nèi),壓縮空氣經(jīng)過儲氣罐2出口管道上的截止閥3,并經(jīng)質(zhì)量流量計4測量流量后進入到主管道中。空氣輸送管道同樣采用并聯(lián)管組的布置方式,在每組管道上設(shè)置不同量程的質(zhì)量流量計,利用調(diào)節(jié)閥5進行流量的精確調(diào)節(jié)以確保不凝性氣體的含量。氦氣供應(yīng)系統(tǒng)由高壓氦氣儲氣瓶6、金屬軟管7、閥門8,11,13、匯流排9、減壓閥10和流量計12組成。若干高壓氦氣瓶通過金屬軟管7及閥門8并聯(lián)接入?yún)R流排9中,再經(jīng)過減壓閥10降壓后通過管道接入主管道。蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)和氦氣供應(yīng)系統(tǒng)并聯(lián)后與實驗段入口主管道相連。飽和蒸汽、空氣和氦氣在換熱管入口主管道上匯流混合,根據(jù)道爾頓分壓定律可知,混合氣體的總壓力等于各組分的分壓力之和,因此混合氣體內(nèi)水蒸汽的分壓力小于系統(tǒng)的總壓力。然而,根據(jù)系統(tǒng)流動條件可知,鍋爐產(chǎn)生的是系統(tǒng)總壓力下的飽和蒸汽,對應(yīng)的蒸汽溫度是系統(tǒng)總壓力下的飽和溫度,此溫度要高于蒸汽分壓力對應(yīng)的飽和溫度。也就是說,在三種氣體混合后,蒸汽將處于過熱狀態(tài)。為防止實驗段入口蒸汽過熱而影響冷凝換熱實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,在換熱管入口主管道上設(shè)置u型水彎結(jié)構(gòu)18,在u型水彎的底端設(shè)置疏水閥20,通過調(diào)節(jié)閥門開度,時刻保持u型水彎18內(nèi)存有適量的飽和水以吸收蒸汽降低蒸汽的過熱和過冷度。此外,u型水彎豎管外表面纏有帶溫控功能的加熱帶。實驗過程中,設(shè)定加熱溫度為實驗工況下的蒸汽飽和溫度,以保證蒸汽始終處于飽和狀態(tài),避免換熱管入口處可能發(fā)生的單相換熱段對冷凝換熱分析的影響。

蒸汽、空氣與氦氣在換熱管入口主管道的u型水彎內(nèi)進行充分混合后,根據(jù)實驗工況設(shè)定選擇進入空冷或水冷子系統(tǒng)??绽渥酉到y(tǒng)主要由換熱管22、空氣風(fēng)道34和冷卻空氣系統(tǒng)等組成。水冷子系統(tǒng)主要由套管換熱器40和冷卻水系統(tǒng)組成。u型水彎18的出口經(jīng)三通分流后,其中一個支路與水冷子系統(tǒng)的套管換熱器40的管程相連,另一個支路與空冷子系統(tǒng)的換熱管22相連。在水冷子系統(tǒng)與空冷子系統(tǒng)前后布置四通閥組,通過控制四通閥組內(nèi)閥門24,38和39的開關(guān)組合,可以根據(jù)實驗所需壁面過冷度的參數(shù)范圍進行兩子系統(tǒng)的獨立與耦合工作,從而保證在較寬泛的過冷度范圍及可控的管內(nèi)流型條件下進行冷凝換熱實驗。

空冷子系統(tǒng)的冷卻空氣系統(tǒng)包括羅茨鼓風(fēng)機31,渦街流量計32和閥門33。羅茨鼓風(fēng)機提供的空氣流入實驗體的空氣風(fēng)道34內(nèi),在風(fēng)道中橫掠換熱管吸收熱量,最后從風(fēng)道出口排放至大氣中。在空氣風(fēng)道34入口設(shè)置擴張段和雙層孔板,對管外側(cè)來流空氣進行均化處理。在雙層孔板與換熱管之間要留出一定的直段長度,確保管外氣流到達(dá)換熱管前分配均勻,流場穩(wěn)定。換熱管上方設(shè)置若干隔板36將風(fēng)道空間分成若干獨立單元,分別測量各單元內(nèi)的換熱功率用于計算管內(nèi)局部冷凝換熱系數(shù)。為防止各個單元發(fā)生熱交換,隔板選擇導(dǎo)熱能力較弱的材料制造而成。

在空冷子系統(tǒng)內(nèi),管外空氣橫掠換熱管對管內(nèi)蒸汽進行冷凝。為研究管排效應(yīng)和排管方式對換熱的影響,在空冷子系統(tǒng)的空氣風(fēng)道34內(nèi)壁上設(shè)有槽道37,用于安裝管束實驗所需貼管。通過安裝不同尺寸的貼管,可以進行不同管束布置條件下的冷凝換熱實驗,用于分析管排效應(yīng)和排管方式對換熱過程的影響。

水冷子系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)由冷卻水池43、離心泵44、閥門45和冷卻水流量計46組成。冷卻水經(jīng)由離心泵44從水池43中抽出,經(jīng)過冷卻水流量調(diào)節(jié)閥45和流量計46進入實驗段環(huán)腔中,與換熱管外壁面進行對流換熱,吸收凝結(jié)釋放的熱量后回到冷卻水池43之中。

水冷子系統(tǒng)的套管換熱器40固定在可旋轉(zhuǎn)的活動平臺48上,活動平臺通過軸承47與下端的固定平臺相連。通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺的角度,改變旋轉(zhuǎn)平臺48與水平位置的夾角,從而可以進行傾斜條件下的管內(nèi)冷凝換熱實驗。旋轉(zhuǎn)平臺的角度通過布置在固定平臺上的量角器進行測量,固定平臺的上方安裝有限位器,可以使旋轉(zhuǎn)平臺的角度在0-45度之間進行調(diào)節(jié)并固定,從而可以研究不同傾角對冷凝換熱特性的影響。水冷子系統(tǒng)內(nèi)換熱管進、出口采用可彎曲的高壓橡膠軟管進行連接,從而可以為平臺的旋轉(zhuǎn)提供自由空間,以方便進行傾斜條件的冷凝換熱實驗。

水平管內(nèi)由于重力的影響,流型呈現(xiàn)出非對稱的特點。相比于豎直管內(nèi)的冷凝,水平管內(nèi)復(fù)雜的流型演變對冷凝換熱影響較大,不同流型間的冷凝換熱系數(shù)差別也較大。因此,為研究流型對冷凝換熱的影響,在水冷子系統(tǒng)和空冷子系統(tǒng)的換熱管出口均安裝了耐溫耐壓的石英玻璃管作為可視化觀察段,用于對換熱管出口處的氣液兩相流型進行直接觀察。結(jié)合流型判斷結(jié)果,分析流型變遷對冷凝換熱的影響;同時也可以結(jié)合流型的可視化觀察,通過改變冷卻方式或調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量的方法,來控制管內(nèi)流型至預(yù)設(shè)工況要求的范圍,進行單一流型下的管內(nèi)冷凝換熱特性研究。

汽水分離系統(tǒng)內(nèi)的凝液罐用于提供液封,防止實驗過程中換熱管壓力下降,同時也用于測量單位時間內(nèi)的凝液流量。通過調(diào)節(jié)凝液罐出口閥門30的開度,保持液位計29內(nèi)液位始終處于1/2量程左右,以保證罐內(nèi)時刻處于液封狀態(tài)。在測量液位過程中,關(guān)閉凝液罐出口閥門30,測量規(guī)定時間內(nèi)的液位上升高度,即可獲得凝液流量,用于計算冷凝過程的換熱功率。

由于進行含多組分不凝性氣體冷凝實驗過程中所需氦氣量較大,若采用固定容量的氦氣儲存容器作為氣源,會出現(xiàn)由于儲存氣量降低而出現(xiàn)的供氣壓力下降問題,進而導(dǎo)致氦氣流量變化,無法保證實驗精度。為此,該系統(tǒng)中的氦氣供應(yīng)系統(tǒng)采用基于匯流排設(shè)計的多罐并聯(lián)技術(shù)。每一個高壓氦氣儲氣瓶通過金屬軟管與閥門接入?yún)R流排,通過調(diào)節(jié)閥門開關(guān)選擇氣瓶的投入與否,改變所投入的氦氣瓶數(shù),以此維持實驗過程中氦氣流量保持穩(wěn)定。

實驗過程中所需蒸汽、空氣、氦氣和冷卻水流量均由具有較高精度的流量計進行測量,各流量由對應(yīng)管道上安裝的閥門進行調(diào)節(jié);溫度和壓力分別由熱電偶與壓力傳感器進行測量。實驗過程中所獲得的所有數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行收集,最后輸送到計算機中進行儲存和整理。

本發(fā)明的具體工作流程如下:本發(fā)明中管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)由空氣壓縮機1、儲氣罐2、流量計4以及閥門3和5組成。由空氣壓縮機1產(chǎn)生的壓縮空氣先進入儲氣罐2,隨后經(jīng)過流量計4進入換熱管入口主管道,管內(nèi)空氣流量由閥門5進行調(diào)節(jié)。氦氣供應(yīng)系統(tǒng)由高壓氦氣儲氣瓶6、金屬軟管7、閥門8,11,13、匯流排9、減壓閥10和流量計12組成。當(dāng)選擇某一氣瓶投入時,打開連接該氣瓶支路的閥門,關(guān)閉其它未投入氣瓶支路的閥門。氦氣由氣瓶進入?yún)R流排9,經(jīng)過減壓閥10降壓后流經(jīng)流量計12后進入主管道。蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)由鍋爐14、閥門15,17和流量計16組成。鍋爐產(chǎn)生的蒸汽由流量計16測量流量后,與管內(nèi)空氣供應(yīng)系統(tǒng)和氦氣供應(yīng)系統(tǒng)提供的空氣與氦氣混合后一同進入u型水彎18中。u型水彎管道外壁纏有加熱帶19,水彎底部安裝有疏水閥門20。實驗過程中小幅開啟疏水閥20,維持u型水彎內(nèi)存有少量的飽和水以吸收蒸汽過熱度。與此同時,使用溫控系統(tǒng)設(shè)定加熱帶19的電加熱溫度為當(dāng)前蒸汽分壓力所對應(yīng)的飽和溫度,從而更好地保證進入換熱管的蒸汽始終處于飽和狀態(tài)。

根據(jù)實驗工況不同,通過u型水彎后的混合氣體進入不同子系統(tǒng)之中。當(dāng)進行空冷實驗時,閥門38,39和42關(guān)閉,將水冷子系統(tǒng)進行隔離?;旌蠚饨?jīng)過閥門21進入空冷子系統(tǒng)的換熱管22內(nèi)進行冷凝換熱。凝結(jié)后的汽水混合氣通過可視化觀察段23和閥門24,25進入汽水分離器26內(nèi)。分離后的氣體由汽水分離器26的上部閥門27排放到大氣之中,凝液向下進入凝液罐28中。使用液位計29測量液位上升速度后,凝液經(jīng)由閥門30排出實驗系統(tǒng)。在空冷子系統(tǒng)中,冷卻空氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機31、流量計32、閥門33和空氣風(fēng)道34組成。由鼓風(fēng)機提供的空氣流經(jīng)流量計32后進入空氣風(fēng)道34中。在風(fēng)道中,空氣首先通過雙層孔板35,隨后橫掠換熱管吸收熱量,最后通過由隔板36分割形成的小空間排放至環(huán)境。空氣風(fēng)道的內(nèi)壁上設(shè)有貼管槽道37,進行管束實驗時,將換熱管插入槽道之中,形成管束排布結(jié)構(gòu),從而模擬真實換熱器應(yīng)用時的管束條件。

當(dāng)進行水冷實驗時,閥門21,24和25關(guān)閉,空冷子系統(tǒng)與主管道隔離。混合氣通過u型水彎、閥門38和39進入套管換熱器40的內(nèi)管之中?;旌蠚怏w向環(huán)腔內(nèi)冷卻水釋放熱量后發(fā)生冷凝,然后混合氣與凝液一同經(jīng)過可視化觀察段41與閥門42進入汽水分離器26中,完成汽水分離與凝液流量測量的過程。環(huán)腔內(nèi)冷卻水儲存在冷卻水箱43,在離心泵44的驅(qū)動下,通過閥門45與流量計46進入套管換熱器40的環(huán)腔通道之中,吸收冷凝過程釋放的熱量后流回到冷卻水箱43之中。水冷子系統(tǒng)的套管換熱器固定在可旋轉(zhuǎn)平臺48上。旋轉(zhuǎn)平臺48與軸承47相連。進行傾斜條件下的冷凝換熱實驗時,通過記錄軸承47上顯示的角度,即可知道當(dāng)前實驗工況下?lián)Q熱管與水平位置的夾角。

實驗過程中,換熱管外的冷卻空氣和水流量,換熱管內(nèi)的蒸汽、空氣和氦氣流量均由流量計進行測量;混合氣、冷卻水與冷卻空氣的溫度均由熱電偶進行測量;混合氣壓力由壓力傳感器進行測量。所有測量儀表的數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)49收集,最后輸入到計算機50中進行儲存。

本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)水與空氣耦合和獨立冷卻條件下,研究水平與傾斜管內(nèi)含多組分不凝性氣體的蒸汽流動冷凝換熱特性的實驗系統(tǒng),可進行較大壁面過冷度變化范圍、不同傾斜角度、不同混合氣流速、壓力和不凝性氣體含量工況下的管內(nèi)冷凝換熱實驗,研究各項因素對局部冷凝換熱特性的影響,結(jié)合可視化技術(shù)探索氣液兩相流型對冷凝換熱能力的作用效果,以此更深入地了解冷凝換熱機理,為工程應(yīng)用中的冷凝器設(shè)計與運行提供技術(shù)支持。

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