CN102435632B

CN102435632B - 研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统

Info

Publication number: CN102435632B
Application number: CN 201110271123
Authority: CN
Inventors: 石玉美; 陈东升; 于忠杰
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: CN102435632A

Abstract

研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，属于低温工程与低温技术领域。包括低温自增压储罐、氮气钢瓶、液氮钢瓶、广口杜瓦、冷却盘管、电加热设备、待测换热设备、试验真空杜瓦、温度传感器、压力传感器、压差传感器、汽化器、气体流量计。本发明采用低温自增压储罐的增压装置，在一定压力下输出低温流体，简化了试验系统；待测换热设备置于试验真空杜瓦中，从而减少试验中的漏热，且试验真空杜瓦上布置有真空阀，可连接外部高压氮气，在必要时可对试验真空杜瓦内部进行吹扫，提高系统安全性。该系统占地面积少、投资小、控制简单、操作灵活、安全可靠、可适用于多种低温流体，包括易燃易爆的低温流体。

Description

研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统

技术领域：

本发明涉及一种研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，特别是一种测试饱和温度在77K以上的各类低温流体，包括易燃易爆的低温流体的流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，属于低温工程与低温技术领域。

背景技术：

有关低温流体流动沸腾传热特性和压降特性的研究是低温领域最重要的基础研究之一，了解低温流体的流动沸腾传热特性和压降特性，对指导相关的低温流体换热器，如汽化器、蒸发器的优化设计非常重要。

研究低温流体在某一特定待测换热设备中的流动沸腾传热和压降特性时，需要实现低温流体在该种待测换热设备中的流动沸腾，即低温流体以饱和或过冷状态进入待测换热设备，并在其中受热、蒸发。在此过程中，需要对低温流体的进口压力、流量和待测换热设备的加热功率等参数在较大范围内进行准确调节；根据需要可方便地更换待测换热设备，以便降低试验成本。以往对低温流体流动沸腾传热和压降的研究多集中于液氮、液氦等安全性高的低温流体上，对易燃、易爆的低温流体，如液氧、液体甲烷、液化天然气较少，相关的试验系统多采用低温泵或高压氮气作为动力源，系统整体集成度高，预冷器、流量计等装置多与特定待测换热设备一起装在真空容器中，并在真空容器中再填入绝热材料。

已有技术中， D. Steinera和E.U. Schlünder在论文“Heat transfer and pressure drop for boiling nitrogen flowing in a horizontal tube: 1. Saturated flow boiling”（Cryogenics，Volume 16，Issue 7，July 1976，Pages 387-398）中介绍的试验系统，和V.V. Klimenko在论文“Heat transfer intensity at forced flow boiling of cryogenic liquids in tubes”（Cryogenics，Volume 22，Issue 11，November 1982，Pages 569-576）中所介绍的试验系统，均为典型的研究低温流体流动沸腾传热和压降特性的试验系统。齐守良、张鹏等在论文“Flow boiling of liquid nitrogen in micro-tubes: Part I – The onset of nucleate boiling, two-phase flow instability and two-phase flow pressure drop”（International Journal of Heat and Mass Transfer，Volume 50，Issues 25-26，December 2007， Pages 4999-5016）中，提出了研究微通道中液氮的流动沸腾传热特性和压降特性的试验系统。上述各试验系统均存在以下不足：1）在系统中单独设置动力源，系统复杂，投资大；2）采用低温泵或高压氮气做动力源，大范围调节蒸发压力的能力有限；3）系统整体集成度高，测试平台应用较为单一，不适合对多种低温流体进行测试；4）测试系统中更换特定待测换热设备比较困难；5）当系统内出现流体泄漏时，无紧急处理装置，不可用于易燃、易爆的低温流体的试验。这些不足极大地限制了对低温流体流动沸腾传热特性和压降特性的试验和理论研究，也影响了相关低温换热设备的研究和应用。

发明内容：

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种研究低温流体的流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，对应的低温流体为液氮、液氧、液氩、液态甲烷、液化天然气以及它们的各种混合物。该试验系统中使用自增压低温储罐作为低温流体的存储容器，并作为试验系统的动力源；冷却盘管和广口杜瓦构成的预冷装置置于试验真空杜瓦的外部；气体流量计置于试验系统末端，测试蒸发后的低温流体气体质量流量，从而简化了试验真空杜瓦内设备的复杂程度，提高了流量测试的准确性，并能方便地更换待测换热设备，提高了试验系统的利用效率，降低了试验成本。在试验真空杜瓦上专门设置供氮气接入的真空阀，当试验真空杜瓦内低温流体发生泄漏时，可以通过该阀用高压氮气对实验真空杜瓦进行吹扫，从而达到稀释和安全排出泄漏低温流体的目的，提高了测试系统的安全性，使得该套系统可应用于易燃易爆的低温流体的试验工作。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明包括低温自增压储罐，氮气钢瓶，液氮钢瓶，压力调节阀，氮气阀，广口杜瓦，冷却盘管，液氮阀，电加热设备，待测换热设备，试验真空杜瓦，壁面温度传感器，进出口压差传感器，进口压力传感器，进出口温度传感器，真空规管，真空阀，抽空阀，真空泵，流量调节阀，汽化器，放空阀，开关阀，气体流量计。其中，冷却盘管置于广口杜瓦中，构成预冷装置；真空泵通过抽空阀与试验真空杜瓦连接；电加热设备和待测换热设备均置于试验真空杜瓦内，以隔离外部环境的影响；真空规管，真空阀和抽空阀均安装在试验真空杜瓦上。

待测换热设备为独立的换热管、强化换热管，或是平板式换热器、套管式换热器，可根据研究需要进行选择。

低温自增压储罐的出口通过压力调节阀与冷却盘管的入口连接，冷却盘管的出口与待测换热设备的入口连接，待测换热设备的出口通过流量调节阀与汽化器的入口连接，汽化器的出口分别通过放空阀和开关阀，与大气或后处理设备相通。气体流量计安装在开关阀的出口管道上。氮气钢瓶通过氮气阀也与冷却盘管的入口连接。液氮钢瓶通过液氮阀与广口杜瓦相通。电加热设备与外部直流电源电连接。

在试验开始前，打开抽空阀，由真空泵对试验真空杜瓦进行抽真空，当试验真空杜瓦的真空度低于5x10^-2pa后，关闭抽空阀和真空泵，完成对试验真空杜瓦的抽空工作。液氮钢瓶通过液氮阀向广口杜瓦内提供液氮，用于冷却冷却盘管内的低温流体。

在试验开始前和试验完成后，在压力调节阀关闭的情况下，打开氮气阀、流量调节阀、放空阀、开关阀，以便使用高压氮气对低温流体的流通路径进行吹扫，保证试验系统的安全可靠。

在试验过程中，低温流体在低温自增压储罐的压力作用下，经压力调节阀进一步调节压力后，流入冷却盘管，被广口杜瓦内存储的液氮冷却，变为过冷的或饱和的流体，然后流入待测换热设备，在其中被电加热设备加热并蒸发，蒸发后的流体变为气液两相流体或气体，然后通过流量调节阀流入汽化器，在汽化器中被进一步加热升温到接近常温，经开关阀和气体流量计，流入后处理设备或直接排入大气。如果流出汽化器的气体温度过低，则关闭开关阀，打开放空阀，使气体直接流入后处理设备或排入大气，以保护气体流量计。

真空规管用于实时监测试验真空杜瓦的内部真空度，以便及时发现低温流体泄漏。试验真空杜瓦上的真空阀用于连接外部高压氮气。在试验过程中，如果有危险低温流体泄漏到试验真空杜瓦内，则立即停止试验，并通过真空阀将高压氮气送入试验真空杜瓦中，对其中泄漏出的危险流体进行稀释，将真空泵与抽空阀断开，通过抽空阀将稀释后的危险流体排出试验真空杜瓦，送入后处理设备中或排入大气，从而保证试验系统和周围环境的安全。

壁面温度传感器和进出口温度传感器，分别安装于待测换热设备的壁面和进、出口处，用于测量待测换热设备外表面的温度和进、出口处低温流体的温度；进出口压差传感器、进口压力传感器则分别安装于待测换热设备进、出口处，用于测量待测换热设备的进、出口压差值和进口处的压力值。通过对待测换热设备中流动沸腾的低温流体的温度和压力等物性参数的测试，经过一定的理论分析和计算就可以得到这种低温流体在该待测换热设备中流动沸腾的传热特性与压降特性。

本发明的有益效果：

该试验系统中使用自增压低温储罐作为低温流体的存储容器，并作为试验系统的动力源；冷却盘管和广口杜瓦构成的预冷装置置于试验真空杜瓦的外部；气体流量计置于试验系统末端，从而简化了试验真空杜瓦内设备的复杂程度，提高了流量测试的准确性，并能方便地更换待测换热设备，提高了试验系统的利用效率，降低了试验成本。在试验真空杜瓦上专门设置供氮气接入的真空阀，当试验真空杜瓦内低温流体发生泄漏时，可以通过该阀用高压氮气对实验真空杜瓦进行吹扫，从而达到稀释和安全排出泄漏低温流体的目的，提高了测试系统的安全性，使得该套系统可应用于易燃易爆的低温流体的试验工作。

附图说明

图1是本发明试验系统的结构示意图。

图中，1低温自增压储罐，2氮气钢瓶，3液氮钢瓶，4压力调节阀，5氮气阀，6广口杜瓦，7液氮阀，8电加热设备，9待测换热设备，10试验真空杜瓦，11壁面温度传感器，12进出口压差传感器，13进口压力传感器，14进出口温度传感器，15真空规管，16真空阀，17抽空阀，18真空泵，19流量调节阀，20汽化器，21放空阀，22开关阀，23气体流量计，24冷却盘管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明包括低温自增压储罐1，氮气钢瓶2，液氮钢瓶3，压力调节阀4，氮气阀5，广口杜瓦6，液氮阀7，电加热设备8，待测换热设备9，试验真空杜瓦10，壁面温度传感器11，进出口压差传感器12，进口压力传感器13，进出口温度传感器14，真空规管15，真空阀16，抽空阀17，真空泵18，流量调节阀19，汽化器20，放空阀21，开关阀22，气体流量计23，冷却盘管24。其中，冷却盘管24置于广口杜瓦6中，构成预冷装置；真空泵18通过抽空阀17与试验真空杜瓦10连接；电加热设备8，待测换热设备9均置于试验真空杜瓦10内；真空规管15，真空阀16和抽空阀17均安装在试验真空杜瓦10上。

待测换热设备9为独立的换热管、强化换热管，或是平板式换热器、套管式换热器，可根据研究需要进行选择。

低温自增压储罐1的出口通过压力调节阀4与冷却盘管24的入口连接，冷却盘管24的出口与待测换热设备9的入口连接，待测换热设备9的出口通过流量调节阀19与汽化器20的入口连接，汽化器20的出口分别通过放空阀21和开关阀22，与大气或后处理设备相通。气体流量计23安装在开关阀22的出口管道上。氮气钢瓶2通过氮气阀5也与冷却盘管24的入口连接。液氮钢瓶3通过液氮阀7与广口杜瓦6相通。电加热设备8与外部直流电源电连接。

在试验开始前，打开抽空阀17，由真空泵18对试验真空杜瓦10进行抽真空，当试验真空杜瓦10的真空度低于5x10^-2pa后，关闭抽空阀17和真空泵18，完成对试验真空杜瓦10的抽空工作。液氮钢瓶3通过液氮阀7向广口杜瓦6内提供液氮，用于冷却冷却盘管24内的低温流体。

在试验开始前和试验完成后，在压力调节阀4关闭的情况下，打开氮气阀5、流量调节阀19、放空阀21、开关阀22，以便使用高压氮气对低温流体的流通路径进行吹扫，保证试验系统的安全可靠。

在试验过程中，低温流体在低温自增压储罐1的压力作用下，经压力调节阀4进一步调节压力后，流入冷却盘管24，被广口杜瓦6内存储的液氮冷却，变为过冷的或饱和的流体，流入待测换热设备9，在其中被电加热设备8加热并蒸发，蒸发后的流体变为气液两相流体或气体，通过流量调节阀19流入汽化器20，在汽化器20中被进一步加热升温到接近常温，经开关阀22和气体流量计23，流入后处理设备或直接排入大气。如果流出汽化器20的气体温度过低，则关闭开关阀22，打开放空阀21，使气体直接流入后处理设备或排入大气，以保护气体流量计23。

真空规管15用于实时监测试验真空杜瓦10的内部真空度，以便及时发现低温流体泄漏。试验真空杜瓦10上的真空阀16用于连接外部高压氮气。在试验过程中，如果有危险低温流体泄漏到试验真空杜瓦10内，则立即停止试验，并通过真空阀16将高压氮气送入试验真空杜瓦10中，对其中泄漏的危险流体进行稀释，将真空泵18与抽空阀17断开，通过抽空阀17将稀释后的危险流体排出试验真空杜瓦10，送入后处理设备中或排入大气，从而可以保证试验系统和周围环境的安全。

壁面温度传感器11和进出口温度传感器14，分别安装于待测换热设备9壁面和进、出口处，用于测量待测换热设备外表面的温度和进、出口处的低温流体温度；进出口压差传感器12、进口压力传感器13则分别安装于待测换热设备9进、出口处，用于测量待测换热设备的进、出口压力差值和进口处的压力值。通过对待测换热设备9中流动沸腾的低温流体的温度和压力等物性参数的测试，经过一定的理论分析和计算就可以得到这种低温流体在该待测换热设备9中流动沸腾的传热特性与压降特性。

Claims

1.一种研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，包括低温自增压储罐（1）、氮气钢瓶（2）、液氮钢瓶（3）、压力调节阀（4）、氮气阀（5）、广口杜瓦（6）、液氮阀（7）、电加热设备（8）、待测换热设备（9）、试验真空杜瓦（10）、壁面温度传感器（11）、进出口压差传感器（12）、进口压力传感器（13）、进出口温度传感器（14）、真空规管（15）、真空阀（16）、抽空阀（17）、真空泵（18）、流量调节阀（19）、汽化器（20）、放空阀（21）、开关阀（22）、气体流量计（23）和冷却盘管（24），其特征在于冷却盘管（24）置于广口杜瓦（6）中；真空泵（18）通过抽空阀（17）与试验真空杜瓦（10）连接；电加热设备（8）、待测换热设备（9）均置于试验真空杜瓦（10）内；真空规管（15）、真空阀（16）和抽空阀（17）均安装在试验真空杜瓦（10）上；低温自增压储罐（1）的出口通过压力调节阀（4）与冷却盘管（24）的入口连接，冷却盘管（24）的出口与待测换热设备（9）的入口连接，待测换热设备（9）的出口通过流量调节阀（19）与汽化器（20）的入口连接，汽化器（20）的出口分别通过放空阀（21）和开关阀（22），与后处理设备或大气相通；气体流量计（23）安装在开关阀（22）的出口管道上；氮气钢瓶（2）通过氮气阀（5）也与冷却盘管（24）的入口连接；液氮钢瓶（3）通过液氮阀（7）与广口杜瓦（6）相通；电加热设备（8）与外部直流电源电连接；壁面温度传感器（11）和进出口温度传感器（14），分别安装于待测换热设备（9）的壁面和进、出口处；进出口压差传感器（12）、进口压力传感器（13）则分别安装于待测换热设备（9）的进、出口处。

2.根据权利要求1所述的研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，其特征是所述的待测换热设备（9）为独立的换热管。

3.根据权利要求2所述的研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，其特征是所述的换热管为强化换热管，或是平板式换热器、套管式换热器。