CN107271478A - 一种竖直管降膜蒸发传热试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖直管降膜蒸发传热试验系统及其试验方法，该系统由包括供液模块、流量调节模块、预热模块、试验模块、冷却模块和抽真空模块，试验液体从储液罐通过试验流体泵出发经过预热之后流入试验段，在试验段再加热，然后经过冷凝器冷却最后再回到储液罐中，形成闭路循环。本发明还提供了该试验系统的试验方法，能够进行竖直管降膜流动及传热性能的研究。

Description

一种竖直管降膜蒸发传热试验系统及其试验方法

技术领域

本发明属于传热传质领域，特别涉及一种竖直管降膜蒸发传热试验系统及其试验方法。

背景技术

降液膜流动是一层厚度很小的流体在固体表面上的流动，是一种具有自由面的运动,在日常生活和自然界中广泛存在。同时在重力的作用下沿着竖直或倾斜表面下降的降液膜流动形式，由于具有小流量、小温差、高换热系数传热系数、高热流密度、结构简单、动力消耗小等独特优点，已作为一项高效强化传质传热技术在化工、轻工、能源、航天、石油化工、电子等许多工业领域等到广泛应用，例如降膜蒸发器、降膜吸收器、热管和许多其他涉及两相流传热和传质过程的工业设备。降液膜及液膜内的传热传质现已成为国际传热传质科学与工程界的一个十分活跃的研究领域，其潜在的技术应用领域非常广泛，因此对于降液膜流动尤其是波动存在时的降液膜流动的研究具有重要的学术价值和试际意义。

例如，中国专利申请号CN102657948A公开了一种液体分布器及含有该装置的垂直管降膜蒸发器。该液体分布器主要由主体四周呈凹面且其顶盖底面积大于垂直管降膜蒸发器的换热管管口面积的导流体，以及将导流体活动或固定支撑于垂直管降膜蒸发器的换热管内上部相应位置，使导流体的顶盖底面边缘与垂直管降膜蒸发器的管板上表面间隔一定空隙形成进液通道的支撑部件组成。这个发明不适用进行试验研究使用，不适合进行降膜蒸发试验研究。

又如，中国专利申请号CN201220169817.8公开了一种应用于降膜蒸发器的成膜装置，包括成膜器，其特征在于，所述的成膜器设有挂耳，所述的成膜器腰部焊接有多条定位器。采用上述技术方案，该发明所述的成膜装置应用于降膜蒸发器，但是不能用于降膜蒸发试验研究使用。

再如，中国专利申请号CN200910040330.2公开了一种竖管降膜蒸发与吸收传热传质试验装置，包括发生器、吸收器、减压阀、换热器、加热装置和冷却装置几个基本部件组成一个密闭连通的循环系统，在循环系统里分别设置有温度、压力和流量测量系统，以试现对研究工质在循环系统中温度、压力和流量的变化情况进行追踪监测。但是试验系统庞大，复杂，操作复杂，不适合用于研究降膜蒸发传热的使用。对试际工业生产没有指导意义，另外试验台的热量散失严重，精度较低，不适用于竖直管降膜蒸发领域的研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述试验装置不适用或者不满足适用于研究需求，提供了一种竖直管降膜蒸发传热试验系统及其试验方法，能够进行竖直管降膜流动及传热性能的研究。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，包括供液模块、流量调节模块、预热模块、试验模块、冷却模块和抽真空模块，

供液模块包括储液罐4，储液罐4通过管道及管道上配设的第二阀门202与试验流体泵5连接，试验流体泵5下游管道连接有一个三通，三通的垂直分支通过管道与储液罐4构成一个旁路回路，旁路回路上设有第三阀门203，该旁路回路协调试验流体泵5的流量；

三通的水平分支通过管道连接有预热模块，预热模块的上游管道依次设有转子流量计6和第四阀门204构成试验流体泵5的第二旁路，组成系统的流量调节模块；

预热模块包括预热管12，预热管12上配设预热器，

试验模块包括安装在预热模块下游的竖直管13，竖直管13的入口处装有布膜器7，并且在竖直管13上沿其长度方向间隔布置有夹持在竖直管13上的电极板，电极板的正极和负极分别用导线连接在电源的正负极上组成并联回路；

冷却模块包括第五阀门205，第五阀门205上游管道和竖直管13连接，第五阀门205下游管道和气液分离器10连接，气液分离器10的上部分通过管道和第一冷凝器901相连，气液分离器10的下部分通过管道和第二冷凝器902相连；

第一冷凝器901下游管道与储液罐4相连，且第一冷凝器901下游管道上设有测流量结构；第二冷凝器902下游管道与储液罐4相连；

抽真空模块包括通过管道相连的第一阀门201以及与第一阀门201上游管道连接的真空泵1，第一阀门201下游管道与储液罐4相连。

测流量结构包括第一冷凝器901下游管道分成的两支路，分别为第一支路和第二支路，第一支路上沿流动方向依次设有第九阀门209、第十一阀门211和第十四阀门214并与储液罐4相连，第二支路上设有第六阀门206并与储液罐4相连，第一支路和第二支路之间上设有三个呈并联排布的流量计，分别为第一流量计301、第二流量计302和第三流量计303；

第一流量计301入口通过管道及管道上配设的第七阀门207与第九阀门209上游管道相连，第一流量计301出口通过管道及管道上配设的第八阀门208与第六阀门206下游管道相连，

第二流量计302入口与第十一阀门211上游管道相连，第二流量计302出口通过管道及管道上配设的第十阀门210与第六阀门206下游管道相连，

第三流量计303入口通过管道及管道上配设的第十二阀门212与第十四阀门211上游管道相连，第三流量计303出口通过管道及管道上配设的第十阀门213与第六阀门206下游管道相连。

第二冷凝器902下游管道与第十四阀门214上游管道相连。

竖直管13入口处装有一个插入管道内部的第一温度传感器801，用来测量入口处试验流体的温度，竖直管13的管道壁面对称布置有两组热电偶，每组热电偶均沿竖直管的长度方向间隔布置，竖直管13出口处装有插入管道内部的第二温度传感器802，用来测量出口处的温度，竖直管13出口处还连有一个压力传感器11；

竖直管13上布置的所有热电偶、压力传感器11、第一温度传感器801和第二温度传感器802通过采集板连接到信号处理器上组成数据采集模块。

预热器为在预热管12的入口、中间、和出口处分别缠的加热电阻丝，加热电阻丝在预热管12入口处分别与电源的正负极相连。

第一冷凝器901和第二冷凝器902的冷却水管均与水龙头阀门相连。

预热模块和试验模块的管道表面包裹有保温层；

所述的保温层包括缠绕在管道上的玻璃丝布，包裹在玻璃丝上的保温棉，保温棉外部用玻璃丝布固定；

所述的包裹层的厚度大于150mm。

试验模块旁边设有预留试验段。

本发明还公开了一种竖直管降膜蒸发传热试验系统的试验方法，包括以下步骤：

1）对试验回路进行抽真空操作，关闭第八阀门208、第十阀门210、第十三阀门213、第十四阀门214、第十五阀门215，打开第一阀门201，开启真空泵1；

2）关闭第一阀门201，打开第十五阀门215，第十六阀门216始终保持关闭，向储液罐4加注试验液体，待储液罐4中充满液体关闭第十五阀门215；

3）第四阀门204打开，第三阀门203，第二阀门202打开，第四阀门204打开，第二阀门202、第三阀门203打开，第五阀门205、第十四阀门214打开，打开第六阀门206，关闭第七阀门207、第九阀门209、第十一阀门211、第十二阀门212；打开第一冷凝器901和第二冷凝器902的冷却水开关；打开试验流体泵5，调节第三阀门203的开度，同时调节预热模块的预热功率及调节试验模块的加热功率；

4）出现冷凝蒸汽后关闭第六阀门206，打开第七阀门207，关闭第八阀门208，用秒表配合第一流量计301测量冷凝的蒸汽流量。

所述步骤4）结束且待回路稳定后，开始采集压力、压差、流量、壁面温度、加热功率和流体温度试验数据。

本发明的有益效果是：

1.试验系统功能完善，机构简单，能够简单方便的测得试验数据，在只改变阀门开关状态的情况之下就能够重复进行试验。并且有预留试验段能够方便的进行不同管道降膜试验研究。

2.试验段采用保温棉包裹，能够有效的减少热量的散失，提高了系统的热利用率，有效的保证了试验的准确度，采用电极板加热，能够更加均匀地加热试验管道，能够安全简单的控制加热功率。

3. 本发明能够满足试验要求，能够做到简单高效并且能够获得大量的压力、流量、温度、流量密度等试验参数。通过不同的工况试验参数的测定，计算出相关的雷诺数、普朗特数等，揭示不同条件下各种操作参数对传热性能的影响，最终得出较为试用的管内降膜蒸发传热系数关联式，为竖管降膜蒸发装置设计提供依据，通过判断传热系数恶化临界值来得到防止产生干斑的最小喷淋密度以及防止降膜恶化的最大喷淋密度。

附图说明

图1为本发明的系统图；

图2为本发明试验模块中热电偶和压力传感器的布置图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示的，本发明的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，包括供液模块、流量调节模块、预热模块、试验模块、冷却模块和抽真空模块。

供液模块包括储液罐4，储液罐4通过管道及管道上配设的第二阀门202与试验流体泵5连接，试验流体泵5下游管道连接有一个三通，三通的垂直分支通过管道与储液罐4构成一个旁路回路，旁路回路上设有第三阀门203，该旁路回路协调试验流体泵5的流量；

三通的水平分支通过管道连接有预热模块，预热模块的上游管道依次设有转子流量计6和第四阀门204构成试验流体泵5的第二旁路，组成系统的流量调节模块；

预热模块包括预热管12，预热管12上配设预热器，

试验模块包括安装在预热模块下游的竖直管13，竖直管13的入口处装有布膜器7，并且在竖直管道的入口、中间、和出口处分别安装的有夹持在管道上的电极板，三个电极板的正极和负极分别用导线连接，然后连接在电源的正负极上组成并联回路；

冷却模块包括第五阀门205，第五阀门205上游管道和竖直管13连接，第五阀门205下游管道和气液分离器10连接，气液分离器10的上部分通过管道和第一冷凝器901相连，气液分离器10的下部分通过管道和第二冷凝器902相连；

第一冷凝器901下游管道与储液罐4相连，且第一冷凝器901下游管道上设有测流量结构；第二冷凝器902下游管道与储液罐4相连；

抽真空模块包括通过管道相连的第一阀门201以及与第一阀门201上游管道连接的真空泵1，第一阀门201下游管道与储液罐4相连。

测流量结构包括第一冷凝器901下游管道分成的两支路，分别为第一支路和第二支路，第一支路上沿流动方向依次设有第九阀门209、第十一阀门211和第十四阀门214并与储液罐4相连，第二支路上设有第六阀门206并与储液罐4相连，第一支路和第二支路之间上设有三个呈并联排布的流量计，分别为第一流量计301、第二流量计302和第三流量计303；

第一流量计301入口通过管道及管道上配设的第七阀门207与第九阀门209上游管道相连，第一流量计301出口通过管道及管道上配设的第八阀门208与第六阀门206下游管道相连，

第二流量计302入口与第十一阀门211上游管道相连，第二流量计302出口通过管道及管道上配设的第十阀门210与第六阀门206下游管道相连，

第三流量计303入口通过管道及管道上配设的第十二阀门212与第十四阀门211上游管道相连，第三流量计303出口通过管道及管道上配设的第十阀门213与第六阀门206下游管道相连。

第二冷凝器902下游管道与第十四阀门214上游管道相连。

竖直管13入口处装有一个插入管道内部的第一温度传感器801，用来测量入口处试验流体的温度，竖直管13的管道壁面对称布置有两组热电偶，每组热电偶均沿竖直管的长度方向间隔布置，竖直管13出口处装有插入管道内部的第二温度传感器802，用来测量出口处的温度，竖直管13出口处还连有一个压力传感器11；

竖直管13上布置的所有热电偶、压力传感器11、第一温度传感器801和第二温度传感器802通过采集板连接到信号处理器上组成数据采集模块。

预热器为在预热管12的入口、中间、和出口处分别缠的加热电阻丝，加热电阻丝在预热管12入口处分别与电源的正负极相连。

第一冷凝器901和第二冷凝器902的冷却水管均与水龙头阀门相连。

预热模块和试验模块的管道表面包裹有保温层；

所述的保温层包括缠绕在管道上的玻璃丝布，包裹在玻璃丝上的保温棉，保温棉外部用玻璃丝布固定；

所述的包裹层的厚度大于150mm。

试验模块旁边设有预留试验段，预留试验段能够方便的进行不同管道降膜试验研究。例如，预留试验段内可设置与所述试验模块的竖直管13呈并联的竖直管，以进行多管试验。

图1中标示了试验流体的流动方向，试验流体经过试验流体泵5提升之后一部分经过第三阀门203回到储液罐，另一部分经过第四阀门204流向预热段，经过试验段的加热之后，通过气液分离器分离出蒸汽和高温液体，然后再经过冷凝器冷却之后回到储液罐中，构成试验循环。

图2中标示了试验段测量温度的热电偶的位置，竖直试验段管总长1000mm，试验段入口处装有一个插入管道内部的第一温度传感器801，用来测量入口处试验流体的温度，管道壁面布置的T型热电偶T1-1、T型热电偶T1-2，两个热电偶在管道两侧对称布置，壁面依次布置T型热电偶T2-1、T型热电偶T2-2、T型热电偶T3-1、T型热电偶T3-2、T型热电偶T4-1、T型热电偶T4-2、T型热电偶T5-1、T型热电偶T5-2、T型热电偶T6-1、T型热电偶T6-2、T型热电偶7-1、T型热电偶T7-2、T型热电偶T8-1、T型热电偶T8-2、T型热电偶9-1、T型热电偶T9-2，相邻两个热电偶的间距为100mm，试验段出口处装有插入管道内部的第二温度传感器802，用来测量出口处的温度，试验段出口处还连有一个压力传感器11，试验段上布置的所有热电偶和压力传感器通过采集板连接到信号处理器上，以上组成系统的数据测量采集模块。

所述试验系统的预热模块和试验模块的管道表面包裹有保温层。

所述的保温层包括缠绕在管道上的玻璃丝布，包裹在玻璃丝上的保温棉，保温棉外部用玻璃丝布固定。

所述的包裹层的平均厚度大于150mm。

本发明还提供了一种种竖直管降膜蒸发传热试验系统的试验方法，包括以下步骤：

1）对试验回路进行抽真空操作，关闭第八阀门208、第十阀门210、第十三阀门213、第十四阀门214、第十五阀门215，打开第一阀门201，开启真空泵1；

2）关闭第一阀门201，打开第十五阀门215，第十六阀门216始终保持关闭，向储液罐4加注试验液体，待储液罐4中充满液体关闭第十五阀门215；

3）第四阀门204打开，第三阀门203，第二阀门202打开，第四阀门204打开，第二阀门202、第三阀门203打开，第五阀门205、第十四阀门214打开，打开第六阀门206，关闭第七阀门207、第九阀门209、第十一阀门211、第十二阀门212；打开第一冷凝器901和第二冷凝器902的冷却水开关；打开试验流体泵5，调节第三阀门203的开度，同时调节预热模块的预热功率及调节试验模块的加热功率；

4）出现冷凝蒸汽后关闭第六阀门206，打开第七阀门207，关闭第八阀门208，用秒表配合第一流量计301测量冷凝的蒸汽流量。

其中，试验开始之前对试验管道进行冲水检漏，确保试验回路无泄漏；

进行试验时确定主路上的第四阀门204打开，旁路的第三阀门203，第二阀门202打开，第四阀门204开小点，第二阀门202，第三阀门203开到最大，第五阀门205，第十四阀门214始终保持开到最大，打开第六阀门206，关闭第七阀门207、第九阀门209、第十一阀门211、第十二阀门212；

调节循环流量时，打开试验流体泵5，根据转子流量计6的示数，调节旁路第三阀门203的开度；

调节预热段预热功率时，直接调节预热加热器的电压和电流输出；

调节试验段加热功率时，直接调节试验段加热器的电压和电流的输出；

在加热之前需要使用万用表测量预热段的电热丝电阻，如果预热段的电热丝的电阻小于20Ω，则电热丝发生短路，需检查电热丝；

试验过程中发现真空度降低则需继续抽真空，使真空度达到指定值，流量偏离指定值时也需要调整。

在进行降膜蒸发试验时，试验液体在预热段12的加热之后通过布膜器7，在竖直管13管道上形成液膜自上而下流下，通过预热段12和竖直管13的加热之后，进入气液分离器10，经过冷凝器的冷却之后回到储液罐4中，进行试验时，加热一段时间之后出现冷凝蒸汽后关闭第六阀门206，打开第七阀门207，关闭第八阀门208，用秒表配合流量计测量冷凝的蒸汽流量，反复测量时，只需打开第八阀门208，测量一组数据之后，再关闭第八阀门208。

待试验进行一段时间之后，回路稳定后打开数据采集模块开始采集压力、压差、流量、壁面温度、加热功率、和流体温度等试验数据。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：包括供液模块、流量调节模块、预热模块、试验模块、冷却模块和抽真空模块，

供液模块包括储液罐（4），储液罐（4）通过管道及管道上配设的第二阀门（202）与试验流体泵（5）连接，试验流体泵（5）下游管道连接有一个三通，三通的垂直分支通过管道与储液罐（4）构成一个旁路回路，旁路回路上设有第三阀门（203），该旁路回路协调试验流体泵（5）的流量；

三通的水平分支通过管道连接有预热模块，预热模块的上游管道依次设有转子流量计（6）和第四阀门（204）构成试验流体泵（5）的第二旁路，组成系统的流量调节模块；

预热模块包括预热管（12），预热管（12）上配设预热器，

试验模块包括安装在预热模块下游的竖直管（13），竖直管（13）的入口处装有布膜器（7），并且在竖直管（13）上沿其长度方向间隔布置有夹持在竖直管（13）上的电极板，电极板的正极和负极分别用导线连接在电源的正负极上组成并联回路；

冷却模块包括第五阀门（205），第五阀门（205）上游管道和竖直管（13）连接，第五阀门（205）下游管道和气液分离器（10）连接，气液分离器（10）的上部分通过管道和第一冷凝器（901）相连，气液分离器（10）的下部分通过管道和第二冷凝器（902）相连；

第一冷凝器（901）下游管道与储液罐（4）相连，且第一冷凝器（901）下游管道上设有测流量结构；第二冷凝器（902）下游管道与储液罐（4）相连；

抽真空模块包括通过管道相连的第一阀门（201）以及与第一阀门（201）上游管道连接的真空泵（1），第一阀门（201）下游管道与储液罐（4）相连。

2.根据权利要求1所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：测流量结构包括第一冷凝器（901）下游管道分成的两支路，分别为第一支路和第二支路，第一支路上沿流动方向依次设有第九阀门（209）、第十一阀门（211）和第十四阀门（214）并与储液罐（4）相连，第二支路上设有第六阀门（206）并与储液罐（4）相连，第一支路和第二支路之间上设有三个呈并联排布的流量计，分别为第一流量计（301）、第二流量计（302）和第三流量计（303）；

第一流量计（301）入口通过管道及管道上配设的第七阀门（207）与第九阀门（209）上游管道相连，第一流量计（301）出口通过管道及管道上配设的第八阀门（208）与第六阀门（206）下游管道相连，

第二流量计（302）入口与第十一阀门（211）上游管道相连，第二流量计（302）出口通过管道及管道上配设的第十阀门（210）与第六阀门（206）下游管道相连，

第三流量计（303）入口通过管道及管道上配设的第十二阀门（212）与第十四阀门（211）上游管道相连，第三流量计（303）出口通过管道及管道上配设的第十阀门（213）与第六阀门（206）下游管道相连。

3.根据权利要求2所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：第二冷凝器（902）下游管道与第十四阀门（214）上游管道相连。

4.根据权利要求3所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：竖直管（13）入口处装有一个插入管道内部的第一温度传感器（801），用来测量入口处试验流体的温度，竖直管（13）的管道壁面对称布置有两组热电偶，每组热电偶均沿竖直管的长度方向间隔布置，竖直管（13）出口处装有插入管道内部的第二温度传感器（802），用来测量出口处的温度，竖直管（13）出口处还连有一个压力传感器（11）；

竖直管（13）上布置的所有热电偶、压力传感器（11）、第一温度传感器（801）和第二温度传感器（802）通过采集板连接到信号处理器上组成数据采集模块。

5.根据权利要求4所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：预热器为在预热管（12）的入口、中间、和出口处分别缠的加热电阻丝，加热电阻丝在预热管（12）入口处分别与电源的正负极相连。

6.根据权利要求5所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：第一冷凝器（901）和第二冷凝器（902）的冷却水管均与水龙头阀门相连。

7.根据权利要求6所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：预热模块和试验模块的管道表面包裹有保温层；

所述的保温层包括缠绕在管道上的玻璃丝布，包裹在玻璃丝上的保温棉，保温棉外部用玻璃丝布固定；

所述的包裹层的厚度大于150mm。

8.根据权利要求7所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统，其特征在于：试验模块旁边设有预留试验段。

9.根据权利要求8所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对试验回路进行抽真空操作，关闭第八阀门（208）、第十阀门（210）、第十三阀门（213）、第十四阀门（214）、第十五阀门（215），打开第一阀门（201），开启真空泵（1）；

2）关闭第一阀门（201），打开第十五阀门（215），第十六阀门（216）始终保持关闭，向储液罐（4）加注试验液体，待储液罐4）中充满液体关闭第十五阀门（215）；

3）第四阀门（204）打开，第三阀门（203），第二阀门（202）打开，第四阀门（204）打开，第二阀门（202）、第三阀门（203）打开，第五阀门（205）、第十四阀门（214）打开，打开第六阀门（206），关闭第七阀门（207）、第九阀门（209）、第十一阀门（211）、第十二阀门（212）；打开第一冷凝器（901）和第二冷凝器（902）的冷却水开关；打开试验流体泵（5），调节第三阀门（203）的开度，同时调节预热模块的预热功率及调节试验模块的加热功率；

4）出现冷凝蒸汽后关闭第六阀门（206），打开第七阀门（207），关闭第八阀门（208），用秒表配合第一流量计（301）测量冷凝的蒸汽流量。

10.根据权利要求9所述的一种竖直管降膜蒸发传热试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤4）结束且待回路稳定后，开始采集压力、压差、流量、壁面温度、加热功率和流体温度试验数据。