CN104391002A - 一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置及方法，该方法可以准确模拟烘缸运行状态，且转盘旋转速度可调整，用以模拟不同车速的烘缸。装置由竖直旋转平台以及应用于此平台的冷凝换热实验段组成，冷凝换热实验段分为蒸汽段和冷却剂段，其中蒸汽段为透明材料管段。本装置及方法可以准确模拟烘缸运行时缸内的蒸汽冷凝现象，并且可以对通道内冷凝现象进行可视化研究。

Description

一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置及方法

技术领域

本发明属于冷凝实验测量技术领域，涉及一种蒸汽冷凝换热装置，具体涉及一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置及方法。

背景技术

造纸工业是我国国民经济的重要支柱产业，同时也是高耗能产业。而干燥部是造纸生产过程中的主要能耗部分。烘缸作为干燥部的主要干燥部件，其存在的主要问题就是烘缸内积水问题。在传统烘缸中，蒸汽被引入大直径的旋转烘缸，并在缸内进行冷凝放热，热量克服层层热阻后到达纸页蒸发面用以干燥纸页。而缸内的冷凝水一般采用虹吸管将其排出，但在运行过程中普遍存在虹吸管不能及时、完全的将冷凝水排出的问题。烘缸内的冷凝水如不及时排出，当烘缸高速旋转时，就会形成水环，其导热系数远低于烘缸本体导热系数，使得整个产业链效率大为降低。而且，积水会增加传动所消耗的功率，严重时还会使烘缸的传动平衡遭到破坏。基于此，专利申请号为200820029564.8，发明名称为“一种圆柱型夹层多通道烘缸”的专利公开了一种新型多通道烘缸，即在烘缸内壁有许多细小通道，蒸汽从烘缸一端的进气口进入，在通道中流动并在其中冷凝放热，干燥纸页；冷凝产生的冷凝水由后续进入的蒸汽推动，并沿烘缸出水口导出。此方法改变了原有的排水方式，可以及时排出冷凝水，提高了纸页的干燥效率。

要考察多通道烘缸的传热能力，也就是要求出蒸汽管内冷凝传热的情况。目前针对蒸汽管内冷凝换热，实验研究是不可替代的途径。但现有的实验研究主要集中于静止时的管道冷凝，对旋转时的管道冷凝研究较少，尤其是竖直转台旋转。而实验装置是获取可靠数据必须倚靠的硬件设施，这就需要一种适用于转台竖直旋转的蒸汽冷凝换热实验装置。在已公开的冷凝实验装置中，专利申请号为201410079201.5，发明名称为“一种单管换热性能测试实验台”的发明专利公开了一种测量静止单管换热性能的实验装置。但是，此发明只能对静止状态下的管内冷凝现象进行测试，无法测量旋转状态下的管内冷凝情况；专利申请号为200910184809.3，发明名称为“地面模拟空中运动载荷下冷凝测试装置及方法”的发明专利公开了一种利用旋转平台模拟空中运动载荷下冷凝蒸汽的测试方法及装置。但是，此发明的转台只能水平转动，不能竖直转动，与烘缸的实际运行方式严重不符。

发明内容

本发明的目的在于填补上述现有技术的空白，提供一种能够真正模拟烘缸真实运行状态的模拟烘缸旋转冷凝测试装置及方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置，包括竖直旋转平台以及介质回路和冷却剂回路；竖直旋转平台转盘以及与转盘同轴刚性连接的转轴，转轴与调速电机的输出轴固定连接；

介质回路包括安装于转盘上的介质测试管，以及设置于转盘周围、由介质测试管的出口至入口依次相连的后冷器、气液分离器、介质泵、第一稳压罐、第一流量计、发生器、过热包和第二流量计；

冷却剂回路包括安装于转盘上的冷却剂管，以及设置于转盘周围、由冷却剂管的出口至入口依次相连的冷却器、冷却剂泵、第二稳压罐以及第三流量计。

所述的转盘的两端分别设置有与转盘同轴连接的第一旋转接头和第二旋转接头；冷却剂管和介质测试管的进出口分别通过管道与对应的第一旋转接头或第二旋转接头相连。

所述介质测试管的出口与第二旋转接头相连，入口与第一旋转接头相连；第二旋转接头的液体出口至第一旋转接头的蒸汽入口之间顺次连接有后冷器的热侧通道、气液分离器、第一温控器、介质泵、第一阀门、第一稳压罐、第一流量计、过热包、第二阀门以及第二流量计；

冷却剂管的出口与第一旋转接头相连，入口与第二旋转接头相连；第一旋转接头冷却水出口至第二旋转接头液体入口之间顺次连接有冷却器热侧通道、第二温控器、冷却剂泵、第三阀门、第二稳压罐、第三流量计和泄压阀。

所述后冷器冷侧通道的出口至入口之间顺次连接有第一恒温水浴箱、第一循环泵和第四阀门；冷却器冷侧通道的出口至入口之间顺次连接有第二恒温水浴箱、第二循环泵和第五阀门。

所述的第一循环泵、第二循环泵和介质泵为变频泵或变容积泵；发生器中液体由电加热、蒸汽加热或油加热；冷却器、后冷器以及气液分离器上分别连接有第一泄压阀、第二泄压阀以及第三泄压阀。

所述的冷却器冷侧通道出口至入口之间顺次连接有冷却塔、第六阀门、第四流量计、第三循环泵以及第五流量计；后冷器冷侧通道出口至入口之间顺次连接有冷却塔、第七阀门、第六流量计、第四循环泵以及第七流量计；其中，在第三循环泵出口与冷却塔入口间连接有第八阀门，在第四循环泵出口与冷却塔入口间连接有第九阀门，当冷却塔出水量大于冷却器或后冷器所需要的量时，通过手动调节第八阀门或第九阀门来调节流量。

所述第一循环泵的控制端通过信号线与第一温控器连接；第二循环泵的控制端通过信号线与第二温控器连接；介质泵的控制端通过信号线与控制器的输出端连接，控制器输入端通过信号线与第二流量计及第一流量计连接。

所述的介质测试管为透明管，且介质测试管内设置有冷却剂热电偶组，其管壁上设置有管壁热电偶组；冷却剂管的蒸汽入口处设置有压差传感器。

所述的转盘上设置有转盘配重和摄像机。

本发明还公开了一种模拟烘缸旋转冷凝测试方法，包括以下步骤：

1)蒸汽产生和被测介质循环

发生器内部存有被测介质，发生器加热被测介质，从而产生被测介质饱和蒸汽，饱和蒸汽流入过热包后，产生过热蒸汽，其流量由第二阀门控制，过热蒸汽通过第一旋转接头蒸汽通道流入介质测试管冷凝，冷凝后的被测介质通过第二旋转接头液体通道流入过冷器冷却，冷却后的被测介质流入气液分离器，由介质泵抽吸后，通过第一阀门流经第一流量计返回发生器中，完成被测介质循环；

第一恒温水浴箱产生一定温度的冷却水，由第一循环泵抽吸，流经第四阀门后，在后冷器冷侧通道中冷却后冷器热侧通道的被测介质；

第一流量计和第二流量计分别测得被测介质蒸汽和液体的质量流量，将信号送入控制器，根据两者流量差大小，介质泵流量，最终使流量差为零；

第一温控器测量气液分离器出口被测介质温度，通过第一温控器来控制第一循环泵流量，直至达到设定温度。

2)冷却剂循环

冷却剂通过第二旋转接头冷却剂通道进入冷却剂管，然后通过第一旋转接头冷却剂通道流入冷却器热侧通道，然后由冷却剂泵抽吸后通过第三阀门和第三流量计再次进入第二旋转接头，完成冷却剂循环

第二恒温水浴箱产生一定温度的冷却水，由第二循环泵抽吸后，流经第五阀门后，在冷却器冷侧通道中冷却冷却器热侧通道的冷却剂；

第二温控器测量冷却器热侧通道冷却剂出口温度，通过第二温控器来控制第二循环泵流量，直至达到设定温度。

3)实验及数据获取

开启调速电机使转盘匀速旋转，按照过程1)和过程2)开启蒸汽和冷却剂循环，直至流量和温度稳定；记录管壁热电偶组、冷却剂热电偶组及压差传感器的温度和压力数据、记录第三流量计流量数据，根据Q＝mc_pΔt计算热电偶之间的换热量，再根据K＝Q/F/Δt计算出局部冷凝换热系数；

调整摄像机焦距和轴向位置，观察介质测试管所需位置的流型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的测试段绕转盘轴线旋转，其旋转速度可以人为调整，因此相对于现有的静止或水平旋转测试方法，可以更加准确地模拟烘缸的运行状态，且实验管段为可视化透明管段，在实验过程中可以用摄像机记录其冷凝过程，得到准确的冷凝换热特性。所有实验设备均放置于地面，此做法减少了实验过程中由于设备振动等因素对实验结果所产生的不良影响。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明换热管传感器布置图；

图3是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

实施例1：

参见图1，本发明公布了一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置及方法，包括竖直旋转平台以及应用于此平台的冷凝换热实验段。竖直旋转平台包括转盘36、与转盘36同轴刚性连接的转轴35、调速电机17、转盘配重34、与转盘36同轴连接的旋转接头5和16；冷凝换热实验段包括介质测试管31、冷却剂管32、摄像机33和压差传感器40、管壁热电偶组38及冷却剂热电偶组39。蒸汽由发生器生成，在实验段被冷却剂冷凝，经过后冷器完全冷凝成液体，最终回到蒸发器，完成一个循环。

冷凝测试换热装置的连接方式为：发生器1的蒸汽出口通过管道至旋转接头5的蒸汽入口之间顺次连接有过热包2、阀门3和流量计4；发生器1液体入口通过管道至旋转接头16液体出口顺次连接有流量计29、稳压罐28、阀门27、泵26、温控器25、气液分离器23和后冷器18热侧通道；旋转接头5冷却水出口通过管道至旋转接头16冷却水入口之间顺次连接有冷却器6热侧通道、温控器10、泵11、阀门12、稳压罐13、流量计14和泄压阀15；后冷器18冷侧通道出口通过管道至后冷器18冷侧通道入口之间顺次连接有恒温水浴箱20、泵21、阀门22；冷却器6冷侧通道出口通过管道至冷却器6冷侧通道入口顺次连接有恒温水浴箱7、泵8和阀门9；旋转接头5冷却水出口至旋转接头16冷却水入口之间通过管道连接介质测试管31；旋转接头5蒸汽出口至旋转接头16液体入口之间通过管道连接冷却剂管32；气液分离器23上连接有泄压阀24。

实施例2：

参见图3，考虑到应用两个恒温水浴箱成本太高，因此，本实施例应用一个冷却塔46同时给后冷器18和冷却器6供水。冷却器6冷侧通道出口通过管道至冷却器6冷侧通道入口顺次连接有冷却塔46、阀门45、流量计44、泵43以及流量计41；后冷器18冷侧通道出口通过管道至后冷器18冷侧通道入口之间顺次连接有冷却塔46、阀门47、流量计48、泵49以及流量计51。其中，在泵43出口与冷却塔46入口间连接有阀门42，在泵49出口与冷却塔46入口间连接有阀门50，当冷却塔46出水量大于冷却器6或后冷器18所需要的量时，可以通过手动调节阀门42或50来调节至合适流量。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求书内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明权利要求书所要求保护的范畴。

Claims (10)

1.一种模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：包括竖直旋转平台以及介质回路和冷却剂回路；竖直旋转平台转盘(36)以及与转盘(36)同轴刚性连接的转轴(35)，转轴(35)与调速电机(17)的输出轴固定连接；

介质回路包括安装于转盘(36)上的介质测试管(32)，以及设置于转盘(36)周围、由介质测试管(32)的出口至入口依次相连的后冷器(18)、气液分离器(23)、介质泵(26)、第一稳压罐(28)、第一流量计(29)、发生器(1)、过热包(2)和第二流量计(4)；

冷却剂回路包括安装于转盘(36)上的冷却剂管(31)，以及设置于转盘(36)周围、由冷却剂管(31)的出口至入口依次相连的冷却器(6)、冷却剂泵(11)、第二稳压罐(13)以及第三流量计(14)。

2.根据权利要求1所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述的转盘(36)的两端分别设置有与转盘(36)同轴连接的第一旋转接头(5)和第二旋转接头(16)；冷却剂管(31)和介质测试管(32)的进出口分别通过管道与对应的第一旋转接头(5)或第二旋转接头(16)相连。

3.根据权利要求2所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述介质测试管(32)的出口与第二旋转接头(16)相连，入口与第一旋转接头(5)相连；第二旋转接头(16)的液体出口至第一旋转接头(5)的蒸汽入口之间顺次连接有后冷器(18)的热侧通道、气液分离器(23)、第一温控器(25)、介质泵(26)、第一阀门(27)、第一稳压罐(28)、第一流量计(29)、过热包(2)、第二阀门(3)以及第二流量计(4)；

冷却剂管(31)的出口与第一旋转接头(5)相连，入口与第二旋转接头(16)相连；第一旋转接头(5)冷却水出口至第二旋转接头(16)液体入口之间顺次连接有冷却器(6)热侧通道、第二温控器(10)、冷却剂泵(11)、第三阀门(12)、第二稳压罐(13)、第三流量计(14)和泄压阀(15)。

4.根据权利要求3所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述后冷器(18)冷侧通道的出口至入口之间顺次连接有第一恒温水浴箱(20)、第一循环泵(21)和第四阀门(22)；冷却器(6)冷侧通道的出口至入口之间顺次连接有第二恒温水浴箱(7)、第二循环泵(8)和第五阀门(9)。

5.根据权利要求4所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述的第一循环泵(21)、第二循环泵(8)和介质泵(26)为变频泵或变容积泵；发生器(1)中液体由电加热、蒸汽加热或油加热；冷却器(6)、后冷器(18)以及气液分离器(23)上分别连接有第一泄压阀(37)、第二泄压阀(19)以及第三泄压阀(24)。

6.根据权利要求3所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述的冷却器(5)冷侧通道出口至入口之间顺次连接有冷却塔(46)、第六阀门(45)、第四流量计(44)、第三循环泵(43)以及第五流量计(41)；后冷器(18)冷侧通道出口至入口之间顺次连接有冷却塔(46)、第七阀门(47)、第六流量计(48)、第四循环泵(49)以及第七流量计(51)；其中，在第三循环泵(43)出口与冷却塔(46)入口间连接有第八阀门(42)，在第四循环泵(49)出口与冷却塔(46)入口间连接有第九阀门(50)，当冷却塔(46)出水量大于冷却器(6)或后冷器(18)所需要的量时，通过手动调节第八阀门(42)或第九阀门(50)来调节流量。

7.根据权利要求6所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述第一循环泵(21)的控制端通过信号线与第一温控器(25)连接；第二循环泵(8)的控制端通过信号线与第二温控器(10)连接；介质泵(26)的控制端通过信号线与控制器(30)的输出端连接，控制器(30)输入端通过信号线与第二流量计(4)及第一流量计(29)连接。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述的介质测试管(31)为透明管，且介质测试管(31)内设置有冷却剂热电偶组(39)，其管壁上设置有管壁热电偶组(38)；冷却剂管(32)的蒸汽入口处设置有压差传感器(40)。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的模拟烘缸旋转冷凝测试装置，其特征在于：所述的转盘(36)上设置有转盘配重(34)和摄像机(33)。

10.一种采用权利要求9所述装置的模拟烘缸旋转冷凝测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)蒸汽产生和被测介质循环

发生器(1)内部存有被测介质，发生器(1)加热被测介质，从而产生被测介质饱和蒸汽，饱和蒸汽流入过热包(2)后，产生过热蒸汽，其流量由第二阀门(3)控制，过热蒸汽通过第一旋转接头(5)蒸汽通道流入介质测试管(32)冷凝，冷凝后的被测介质通过第二旋转接头(16)液体通道流入过冷器(18)冷却，冷却后的被测介质流入气液分离器(23)，由介质泵(26)抽吸后，通过第一阀门(27)流经第一流量计(29)返回发生器(1)中，完成被测介质循环；

第一恒温水浴箱(20)产生一定温度的冷却水，由第一循环泵(21)抽吸，流经第四阀门(22)后，在后冷器(18)冷侧通道中冷却后冷器(18)热侧通道的被测介质；

第一流量计(29)和第二流量计(4)分别测得被测介质蒸汽和液体的质量流量，将信号送入控制器(30)，根据两者流量差大小，介质泵(26)流量，最终使流量差为零；

第一温控器(25)测量气液分离器(23)出口被测介质温度，通过第一温控器(25)来控制第一循环泵(21)流量，直至达到设定温度；

2)冷却剂循环

冷却剂通过第二旋转接头(16)冷却剂通道进入冷却剂管(31)，然后通过第一旋转接头(5)冷却剂通道流入冷却器(6)热侧通道，然后由冷却剂泵(11)抽吸后通过第三阀门(12)和第三流量计(14)再次进入第二旋转接头(16)，完成冷却剂循环

第二恒温水浴箱(7)产生一定温度的冷却水，由第二循环泵(8)抽吸后，流经第五阀门(9)后，在冷却器(6)冷侧通道中冷却冷却器(6)热侧通道的冷却剂；

第二温控器(10)测量冷却器(6)热侧通道冷却剂出口温度，通过第二温控器(10)来控制第二循环泵(8)流量，直至达到设定温度；

3)实验及数据获取

开启调速电机(17)使转盘(36)匀速旋转，按照过程1)和过程2)开启蒸汽和冷却剂循环，直至流量和温度稳定；记录管壁热电偶组(38)、冷却剂热电偶组(39)及压差传感器(40)的温度和压力数据、记录第三流量计(14)流量数据，根据Q＝mc_pΔt计算热电偶之间的换热量，再根据K＝Q/F/Δt计算出局部冷凝换热系数；

调整摄像机(33)焦距和轴向位置，观察介质测试管(32)所需位置的流型。