CN104407008A - 一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，包含蒸汽系统、冷却水回路及数据采集系统；蒸汽系统的空气压缩机和空气干燥器相连，空气通过空气干燥器后和锅炉里的蒸汽一起进入气体混合器，混合气体经过气体混合器的充分混合后进去测试段；冷却水回路的水泵将冷却水由水槽经流量计输送至测试段，测试段的冷却水出口与附属冷却装置相连，附属冷却装置再和水槽相连；测试段的进出口设有4个阀门，分别控制蒸汽和冷却水的流速与压力。本发明可以通过比较局部冷凝传热系数来评价不凝性气体对水平光管管内冷凝的影响。

Description

一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统

【技术领域】

本发明涉及传热性能测试领域，具体地说是一种测试混合蒸汽局部冷凝传热系数的装置。 

【背景技术】

存在不凝气体的蒸汽冷凝有很多应用场合，比如空调，发电，冰箱，反应器安全，太空，海水淡化以及一些换热器等。然而，我们仍缺乏对它的一个细致的理解和预测，尤其是对于存在高质量组分的蒸汽的冷凝。精制对苯二甲酸(PTA)是生产聚酯(PET)的重要原料。随着经济的发展，在过去20年里对PTA的需求急剧增长。在其生产过程中，需要用到一系列的水平冷凝器来冷凝来自氧化反应器的混合蒸汽，这种水平冷凝器和竖直的相比，具有更高的除杂能力。 

不凝气体对水平管内冷凝传热的影响已经通过实验进行了研究。并且，通过比较中心线温度和局部冷凝传热系数研究了局部冷凝传热表现。结果表明总传热系数随着入口处不凝气体百分比增加而下降。入口质量流量的增加会提高传热效率和总传热系数。除此以外，随着入口压力的增加，传热效率有增加的趋势，而总传热系数则随之下降。由于混合气雷诺数的下降和薄膜厚度以及局部空气含量的增加，局部冷凝传热系数沿着流动方向下降。对于层流流动来说，由于液体薄膜不对称，顶部的局部冷凝传热系数要高于底部的。然而，这一差别会沿流动方向逐渐减弱，特别在较高不凝气体含量的情 况下。 

由于水平管内冷凝的不对称性，对其内部冷凝研究具有较大难度。而传统的对管内不凝气体的冷凝研究多限于竖直管道。只有从局部的传热效果入手分析，通过分析局部冷凝传热系数的分布规律，并结合总体传热效果，才能对其有全面的理解。 

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其包含蒸汽系统和冷却水回路；蒸汽系统的空气压缩机和空气干燥器相连，空气通过空气干燥器后和锅炉里的蒸汽一起进入气体混合器，合气体经过气体混合器的充分混合后进去测试段；冷却水回路的水泵将冷却水由水槽经流量计输送至测试段，测试段的冷却水出口与附属冷却装置相连，附属冷却装置再和水槽相连；测试段的进出口设有4个阀门，分别控制蒸汽和冷却水的流速与压力。 

所述的蒸汽系统，包含锅炉、空气压缩机、空气干燥器和气体混合器。锅炉产生蒸汽，空气压缩机和空气干燥器产生干燥的压缩空气，通过气体混合器对蒸汽和空气进行混合。 

所述的蒸汽系统，从测试段出来的冷凝水和未冷凝气体混合物通过汽液分离器进行分离，分离得到的冷凝水进入冷凝水收集器，用来测量冷凝蒸汽的量。未冷凝气体通过辅助板式换热器进行充分冷凝并通过另一个收集器进行收集，用来测量总蒸汽的量。不凝气体排入大气。 

所述的冷凝回路，其冷却水是通过一个附属冷却装置，以保持回路中的水温恒定，附属冷却可以采取风冷或水冷的方式。 

所述的附属冷却装置为辅助板式换热器，为现有技术。 

所述的测试段由冷凝管和套管组成，冷凝管和套管同轴布置，套管表面包覆有保温材料，以减少系统的热损耗，降低误差；冷凝管内部形成蒸汽冷凝区，内外管之间形成环形冷却通道，两端用法兰连接，法兰可拆卸；蒸汽冷凝区和冷却水区的进出口均设有一个测温热电偶，测量冷凝管蒸汽和套管冷却水温度。所述的冷凝管和套管通过法兰和法兰片以及相应的密封元件进行连接； 

所述的测试段，沿轴向均匀分布若干处轴向位置热电偶，每处的管道横截面上又分布5个热电偶，5个热电偶从上往下依次位于环形冷却区域上部、冷凝管上表面、轴线处、冷凝管下表面和环形冷却水区下部。 

所述的测试段，冷凝管表面的上下两个热电偶通过开槽或者贴片的方式贴合在冷凝管壁上，用以测量管壁表面温度。开槽时，槽内塞满导热材料。 

所述的测试段，冷凝管入口处还装有一个绝对压力变换器，用以证实基于蒸汽分压的饱和温度和蒸汽测量温度之间的相关性。 

所述的测试段，在进出口处装有石英玻璃用于观察流态。 

所述的测试段，在冷凝管出口处装有高速摄像机用以记录冷凝管出口的流动样式。 

所述的数据采集系统，包括测试段的温度、流量和压力采集，数据采集转换模块和PC机连接，通过PC机及相关软件实现数据采集、实时监控。采集到的数据通过导线连接到数据采集系统的数据采集转换模块。 

所述的冷凝物采集系统，包含气液分离器、冷却装置和两个储槽，气液分离器的入口与测试段的出口相连，用于分离测试出来的冷凝物和未凝气体；一个储槽与气液分离器液体出口相连，用于盛接测试段出来的冷凝物；冷却装置与气液分离器气体出口相连，用于冷凝未凝气体中的蒸汽；另一个储槽与冷却装置出口相连，用于盛接未凝气体中冷凝出来的冷凝物。 

本发明适用于测量各种蒸汽与空气混合形成的不凝蒸汽在水平管内冷凝的局部冷凝传热传热系数，如水蒸汽、乙醇蒸汽和烷烃等。 

与现有技术相比，本发明的积极效果是： 

(1)本发明的测量混合蒸汽局部冷凝传热系数装置，在管道中多处布置有热电偶，可以观测流动过程中不同发展阶段的局部冷凝传热系数。 

(2)本发明装置的冷却段进出口设有可视玻璃，能实时观测混合气体冷却形态。 

(3)本发明的冷却水可循环使用，从而能节约用水。 

(4)本发明的装置对冷却段中产生的冷凝物和未凝混合气中蒸汽均进行收集，并测量，从而对传热系数能更准确测量。 

【附图说明】

图1为本发明的测试混合蒸汽冷凝局部冷凝传热系数的装置示意图； 

图2a为测试段热电偶轴向安装位置图； 

图2b为测试段热电偶径向安装位置图； 

图3为测试段内外筒及两端法兰安装位置图； 

图4为蒸汽质量流量为41kg/(m2s)时的局部传热系数分布图； 

图5为蒸汽质量流量为83kg/(m2s)时的局部传热系数分布图。 

附图1中的标记为：1 蒸汽锅炉，2 涡街流量计，3 空气压缩机，4 空气干燥器，5-1 第一转子流量计，5-2 第二转子流量计，6 气体混合器，7-1 第一石英玻璃管，7-2 第二石英玻璃管，8 汽液分离器，9 烧杯，10-1 第一板式换热器，10-2 第二板式换热器，11 蒸汽收集罐，12 储水罐，13 离心泵，14 涡轮流量计，15 数据采集模块；16 冷凝管，17 套管，18 冷取水上部测温点，19 壁面上部测温点，20 气体主体温度测温点，21 冷取水下部测温点，22 壁面下部测温点，23、法兰，24 法兰片，25 密封垫片，26 O型圈。 

【具体实施方式】

以下提供本发明一种测试混合蒸汽局部冷凝传热系数的装置的具体实施方式。 

实施例1 

请参见附图1，本发明的测试混合蒸汽局部冷凝传热系数的装置由蒸汽系统、冷却水回路、测试段、数据采集系统和附属管道及设备等组成。 

测试段由冷凝管16和套管17组成，冷凝管和套管同轴布置，套管表面包覆有保温材料，冷凝管内部形成蒸汽冷凝区，冷凝管和套管之间形成环形冷却通道，蒸汽冷凝区和冷却水区的进出口均设有一个测温热电偶，其余热电偶安装位置有冷取水上部测温点18，壁面上部测温点19，气体主体温度测温点20，冷取水下部测温点21，壁面下部测温点22，如图2所示；两端用法兰连接，主要部件包括法兰23，法兰片24，密封垫片25以及O型圈26，如图3所示。 

蒸汽系统由一个锅炉1、一个空气压缩机3、一个空气干燥器和4一个气 体混合器6，两个调节阀，涡街流量计2，第一转子流量计5-1，第二转子流量计5-2和一个稳压阀组成，稳压阀的作用在于使来自空气压缩机的空气流速稳定，调节两个调节阀使得蒸汽和空气流速均达到要求值，达到要求值后两股气体在气体混合器6混合，形成含有不凝气体的混合蒸汽，即实验测试的对象。 

冷却回路的冷却水由一个离心泵13从水槽12中输送，进入测试段冷却通道吸热后，再经一个附属冷却装置10-2降至原来的温度，再流回水槽12，实现循环使用，冷却水流量由泵后面的阀门调节。 

冷凝物采集测量系统包含一个气液分离器8，分离测试段得到的冷凝物，并通过烧杯9进行收集测量，未冷凝气体中的蒸汽也通过后面的第一板式换热器10-1进行冷凝，冷凝物同样进行收集测量。测量的方式采用天平称重，即在采集数据前记录重量，在采集结束后再记录一次重量，两者之差即为测量过程中产生的冷凝物的量。 

数据采集系统是传感器、数据采集器16和PC机组成的数据采集、监控系统。数据采集系统对稳定过程中的冷凝传热的各个参数进行测量，稳定的标准为所有的流量数据和冷却水进出口温度数据保持稳定且变动误差不超过5％的时间超过10min，这些数据可以通过PC机的实时监控功能进行观察。在正式进行数据记录时，不对装置进行任何操作，数据采集系统将根据固定的频率采集所有传感器的信号，并转换成实际数据并记录，数据处理中只需对各组数据取平均值。测量过程中一旦发现某一数据异常波动，应立即停止测量，查找原因后重新测量。 

为了便于观察含不凝气体的蒸汽的冷凝流动形态，可以通过蒸汽冷凝区进口处的可视玻璃7进行观测，有需要可以用高速相机进行拍摄。 

下面以水蒸汽作为蒸汽，冷却液为水为例，对混合蒸汽局部冷凝传热系数测量装置的过程进行详细说明，并对得到结果进行评价。 

组装好装置，首先检查装置是否有泄露。然后依次启动离心泵13，锅炉1、空气压缩机3，调节离心泵13，使冷却水流量达到设定值。再调节空气压缩机3后面的球阀，改变空气流量；调节锅炉1后面的球阀，改变蒸汽流量，使得混合后的气体中水蒸汽含量达到要求值。并保持该流速2min，以排除管内空气。 

然后调节测试段出口阀门，使得测试段压力达到要求值；调节冷却回路的第二板式换热器10-2，使得冷却水温度保持恒定。并在冷凝物采集测量部分准备好两个储槽和电子天平，在正式测量前和正式测量后分别称量储槽质量。 

然后使装置预运行，不对装置进行任何操作，并记录数据，直至蒸汽流量、空气流量、冷却水流量和冷却水进出口温度波动不超过5％且时间超过10min，正式开始记录数据，数据由采集模块15和PC机上的软件自动采集，包括，蒸汽流量，空气流量，冷却水流量，冷却水进出口温度，测试段各个热电偶温度，测试段入口压力。 

测试过程中可以通过测试段两端的可视玻璃7观察冷却流动形态，并可用高速相机，利用数字图像分析系统对所得图片进行分析，从而对混合蒸汽冷凝进行更深层次的分析。 

本测试实例中测试段长度为1.75m，在管段均匀分布有8组热电偶，共进行了2组不同蒸汽质量流量的测试，依次为41kg/(m²·s)和83kg/(m²·s)。图4为通过测得温度计算得到的蒸汽质量流量为41kg/(m²·s)时的局部传热系数分布图，图5为通过测得温度计算得到的蒸汽质量流量为83kg/(m²·s)时的局部 传热系数分布图。 

通过以上的实例可以证明，该测量混合蒸汽局部传热系数的装置能准确测量出混合蒸汽在水平流动过程中的局部冷凝传热系数，可以有效解决水平管内混合蒸汽局部传热系数测量难的问题，对促进水平管混合蒸汽冷凝研究具有重要意义。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，其包含蒸汽系统和冷却水回路；蒸汽系统的空气压缩机和空气干燥器相连，空气通过空气干燥器后和锅炉里的蒸汽一起进入气体混合器，气体经过气体混合器的充分混合后进入测试段；冷却水回路的水泵将冷却水由水槽经流量计输送至测试段，测试段的冷却水出口与附属冷却装置相连，附属冷却装置再和水槽相连；测试段的进出口设有四个阀门，分别控制蒸汽和冷却水的流速与压力。 

2.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的蒸汽系统，包含锅炉，空气压缩机，空气干燥器和气体混合器；锅炉产生蒸汽，空气压缩机和空气干燥器产生干燥的压缩空气，通过气体混合器对蒸汽和空气进行混合。 

3.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的蒸汽系统，从测试段出来的冷凝水和未冷凝气体混合物通过汽液分离器进行分离，分离得到的冷凝水进入冷凝水收集器，用来测量冷凝蒸汽的量；未冷凝气体通过辅助板式换热器进行充分冷凝并通过另一个收集器进行收集，用来测量总蒸汽的量；不凝气体排入大气。 

4.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的冷凝回路，其冷却水是通过一个辅助板式换热器，以保持回路中的水温恒定，辅助冷却可以采取风冷或水冷的方式。 

5.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的测试段由冷凝管和套管组成，冷凝管和套管同轴布置，套管表面包覆有保温材料；冷凝管内部形成蒸汽冷凝区，内外管之间形 成环形冷却通道，两端用法兰连接，法兰可拆卸；蒸汽冷凝区和冷却水区的进出口均设有一个测温热电偶，测量内筒蒸汽和外筒冷却水温度。 

6.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的测试段，沿轴向均匀分布若干处轴向位置热电偶，每处的管道横截面上又分布5个热电偶，5个热电偶从上往下依次位于环形冷却区域上部、冷凝管上表面、轴线处、冷凝管下表面和环形冷却水区下部； 

所述的测试段，内筒表面的上下两个热电偶通过开槽或者贴片的方式贴合在冷凝管壁上，用以测量筒壁表面温度；开槽时，槽内塞满导热材料。 

7.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的测试段，冷凝管入口处还装有一个绝对压力变换器； 

所述的测试段，在进出口处装有石英玻璃用于观察流态； 

所述的测试段，在冷凝管出口处装有高速摄像机用以记录冷凝管出口的流动样式。 

8.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的测试系统设有数据采集系统，包括测试段的温度、流量和压力采集，数据采集转换模块和PC机连接，通过PC机及相关软件实现数据采集、实时监控；采集到的数据通过导线连接到数据采集系统的数据采集转换模块。 

9.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统，其特征在于，所述的冷凝物采集系统，包含气液分离器、冷却装置和两个储槽，气液分离器的入口与测试段的出口相连，用于分离测试出来的冷凝物和未凝气体；一个储槽与气液分离器液体出口相连，用于盛接测试段出来 的冷凝物；冷却装置与气液分离器气体出口相连，用于冷凝未凝气体中的蒸汽；另一个储槽与冷却装置出口相连，用于盛接未凝气体中冷凝出来的冷凝物。 

10.如权利要求1所述的一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统在测量各种蒸汽与空气混合形成的不凝蒸汽在水平管内冷凝的局部冷凝传热传热系数中的应用。