CN109470733B - 一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，主要包括蒸汽供应系统、冷却水系统、真空系统、可视化实验体和数据采集系统。供气干管通过四通阀连接真空腔体或实验管段，腔体后设排气干管，连接后冷器与凝结水箱。后冷器由恒温水浴提供冷源。冷却水支路在水泵的作用下经流量计进入实验管段或真空腔体，换热后由回水干管返回恒温水浴，另一支路在水泵的作用下进入后冷器管侧换热后返回恒温水浴。实验之前由真空系统实现真空腔体或实验管段内的高真空环境。通过真空腔体前后两个四通阀的配合使用，本装置可以对不同蒸汽压力、不同过冷度、不同表面结构特性下的管内冷凝或管外冷凝现象进行连续测量分析与可视化观测。

Description

一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置

技术领域

本发明涉及一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，属于冷凝换热实验领域。

背景技术

蒸汽冷凝是自然界与工业应用中十分普遍的一种现象。其中，最为常见的是纯水蒸气的冷凝。水蒸气的冷凝是一种基本的传热形式，具有在小温差下高效放热的优点。水蒸气的冷凝也是能量转化、环境调控、海水淡化以及热管理系统的重要环节。目前工业过程中一般发生的一般是水蒸气的管外冷凝与管内冷凝，比如，电厂汽轮机凝汽器内的乏汽冷凝、中央空调蒸发器盘管表面的水蒸气的凝结、多级闪蒸海水淡化系统中闪蒸蒸汽在冷凝器表面的冷凝都属于蒸汽的管外冷凝，而空调制冷剂蒸汽在冷凝器内的冷凝则属于管内冷凝。提高蒸汽管内和管外冷凝过程的传热传质效果，可以在相当程度上节约自然资源、经济资源和社会资源。因此，对于蒸汽在管内和管外的冷凝过程进行研究具有重要意义。

目前已公开的专利中所提及的实验装置，并没有兼有实现管内和管外冷凝功能的实验装置。在已公开的专利中，专利申请号为200820155479.6的专利文件中公开的“单管管内蒸发和冷凝一体化实验装置”只能进行管内蒸发和冷凝实验，无法进行管外冷凝实验；专利申请号为201220144021.7的专利文件公开的“单管管外蒸发和冷凝传热性能测试装置”又只能进行管外蒸发和冷凝实验，无法进行管内冷凝实验；专利申请号为201210540382.8的专利文件中公开的“含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置”和专利申请号为201310084890.4的专利文件中公开的“可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置”只能针对蒸汽管外冷凝过程进行实验，且进行的是竖直管外的冷凝。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用循环冷却水实现恒温冷凝表面，研究纯蒸汽在不同结构、尺寸的水平单管或管束的管内、管外冷凝机理并实现可视化观测的实验装置，利用本装置可以对不同蒸汽压力、不同过冷度、不同表面结构特性下的冷凝现象进行连续测量分析与可视化观测，为实现对管内和管外冷凝现象的更深一步理解提供有效手段。

本发明的目的是这样实现的：

一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，该装置包括蒸汽供应系统、冷却水系统、真空系统、可视化实验体和数据采集系统。

其中蒸汽供应系统包括供气干管、排气干管、后冷器及凝结水箱；蒸汽经供气干管进入可视化实验体，然后，通过排气干管排出，经后冷器冷凝后，通过凝结水箱收集。

冷却水系统包括供水干管及回水干管；冷却水经供水干管进入可视化实验体，再经回水干管流出；供水干管与回水干管相连形成循环回路。

可视化实验体包括真空腔体和设置在真空腔体内，并贯穿真空腔体的实验管段。真空腔体一侧设有第一管线与第二管线；第一管线与第二管线通过四通阀与供气干管、供水干管相连；腔体另一侧设有第三管线与第四管线；第三管线与第四管线通过四通阀与排气干管、回水干管相连；第一管线作为实验管段入口，第三管线作为实验管段出口；第二管线为真空腔体入口，第四管线为真空腔体出口。通过调节四通阀以调节蒸汽供应系统及冷却水系统的流经线路；当蒸汽流经实验管段时，冷却水流经真空腔体；当蒸汽流经真空腔体时，冷却水流经实验管段。

真空系统用于实现真空腔体或实验管段内的高真空环境。

数据采集系统包括温度采集系统、压力采集系统和流量采集系统。

温度采集系统由下列热电偶组成：第一、二、三、四管线上的热电偶、敷设在真空腔体六个壁面内的热电偶；压力采集系统由布置于供气干管出口与排气干管入口的压力传感器组成；流量采集系统由布置于供气干管上的涡街流量计与布置于供水干管上的流量计组成。所有被测参数均可经过数据采集卡输入计算机进行监测、存储、计算，以便后期的数据分析使用。

优选的，蒸汽供应系统还包括蒸汽发生器。供气干管上依次设有蒸汽流量调节阀、涡街流量计、电动阀与压力传感器，排气干管上设有压力传感器，凝结水箱上设有排气阀，所有供气干管及排气干管外加装保温层。减少蒸汽热损失，防止蒸汽冷凝产生两相流动影响测量。涡街流量计在稳态条件下可以记录蒸汽冷凝速率，作为实验结果的参考。

优选的，冷却水系统还包括恒温水浴、水泵；流量计及水泵位于供水干管上。流量计与水泵之间的管线上设有流量调节阀。冷却水系统循环回路的最低点设一排水支路，所有供水干管及回水干管加装保温层。恒温水浴具有可独立控制温度的分区，一个分区控制循环冷却水回路，另一分区控制后冷器循环回路。循环冷却水采用恒温水浴控温，可以精确实现不同表面过冷度下的冷凝，实验范围广；同时管外冷凝时恒温水浴可以加热表面，使积聚的凝液蒸发变成初始表面以重复实验。

优选的，真空腔体设有多个法兰接口，左侧法兰接口分别连接第一管线与第二管线；右侧法兰接口分别连接第三管线与第四管线。

优选的，真空腔体前、后、上、右侧壁面分别设有石英玻璃法兰视窗，真空腔体各个壁面内均敷设电加热装置与保温棉，表面覆盖镜面铝板。真空腔体的不同壁面开有多个视窗，可以多方位打光，以实现对管内、管外冷凝液滴整个生命周期进行可视化分析，进行管内冷凝可视化实验时，管段材质选择石英玻璃。

优选的，真空系统由真空泵、真空阀和真空管路组成，真空系统与供气干管连通。

优选的，设于供气干管上的电动阀可以根据真空腔体或实验管路内的蒸汽压力负反馈调节自身开度，真空腔体或实验管路内的蒸汽压力由两个压力传感器测量值取平均得到。蒸汽流量采用电动阀控制，控制精度高，同时配合后冷器可以实现实真空腔体或实验管段内的压力恒定。

本发明的有益效果是：利用循环冷却水实现表面恒温，研究纯蒸汽冷凝机理并实现可视化观测，为实现对管内和管外冷凝现象的更深一步理解提供有效手段。该装置的功能有：(1)研究纯蒸汽在不同结构、尺寸的水平单管或管束管外冷机理并实现可视化观测；(2)研究纯蒸汽在不同结构、尺寸的水平单管或管束管内冷机理并实现可视化观测；(3)利用本装置模拟工业实际情况，可以对不同蒸汽压力、不同过冷度、不同表面结构特性下的冷凝现象进行连续测量分析与可视化观测；(4)实时监测数据，连续采集数据；(5)表面过冷度可以在大范围内调节。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是真空腔体剖面图；

图3是真空腔体各个面的连接图，其中中间为前面板，上、下、左、右依次为上面板、后面板、左面板、右面板。

图中：恒温水浴1、排水阀2、水泵3、流量调节阀4、流量计5、蒸汽发生器6、蒸汽流量调节阀7、涡街流量计8、电动阀9、压力传感器10、真空泵11、真空阀12、四通阀13、热电偶14、真空腔体15、后冷器16、凝结水箱17、放气阀18、腔体电加热装置19、数据采集卡20、计算机21、供气干管22、排气干管23、供水干管24、回水干管25、第一管线26、第二管线27、集液盘28、保温层29、实验管段30、视窗31、镜面铝板32、实验管段进口法兰33、实验管段出口法兰34、真空腔体进口法兰35、真空腔体出口法兰36、备用法兰37、第三管线38、第四管线39。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

主要包括蒸汽供应系统、冷却水系统、真空系统、可视化实验体和数据采集系统。

蒸汽供应系统由蒸汽发生器6产生蒸汽，蒸汽初始流量由蒸汽流量调节阀7控制，涡街流量计8记录累计流量与瞬时流量。供气干管上设电动阀9，可根据设定冷凝压力负反馈调节自身开度以控制蒸汽流量。当进行管内冷凝实验时，切换两个四通阀13使得供气干管22、排气干管23与实验管段30相连，供水干管24、回水干管25与真空腔体15相连。当进行管外冷凝实验时，切换两个四通阀使得供气干管22、排气干管23与真空腔体15相连，供水干管24、回水干管25与实验管段30相连。

冷却水在水泵3的作用下经流量计5进入真空腔体15或实验管段30内，控制实验管段外壁恒温，换热后由第三管线38经四通阀13返回恒温水浴1内。流量计5与水泵3之间的管线上设有流量调节阀4，回路最低点设排水阀2。

实验之前由真空系统实现真空腔体15或实验管段30内的高真空环境以排除不凝气，真空系统由真空泵11、真空阀12和真空管路组成。

敷设在真空腔体15各个壁面内的腔体电加热装置19可以防止蒸汽在壁面和视窗上凝结，提高测量准确性与可视化质量；同时腔体电加热装置19可起到烘干腔体的作用，以提高腔体的真空度。

蒸汽管线为包括供气干管22及排气干管23的蒸汽流经路线，冷却水管路为包括供水干管24及回水干管25的冷却水流经路线。蒸汽管线外加装保温层，减少蒸汽热损失，防止蒸汽冷凝产生两相流动影响测量。蒸汽管线外的保温层与冷却水管路外的保温层可以增加系统稳定性。

供气干管22上设有涡街流量计8，稳态条件下可以记录蒸汽冷凝速率，作为实验结果的参考。

温度采集系统由下列热电偶组成：第一、二、三、四管线上的热电偶、敷设在真空腔体15六个壁面内的热电偶。

压力采集系统由布置于供气干管22出口与排气干管23入口的压力传感器10组成。

流量采集系统由布置于供气干管22上的涡街流量计8与布置于供水干管24上的流量计5组成。

所有被测参数均可经过数据采集卡20输入计算机21进行监测、存储、计算，以便后期的数据分析使用。

循环冷却水和后冷器冷媒采用具有双分区的恒温水浴1控温，可以精确实现不同表面过冷度下的冷凝，实验范围广；同时恒温水浴1可以加热表面，使积聚的凝液蒸发变成初始表面以重复实验。

真空腔体15的不同壁面开有多个视窗31，可以多方位打光，以实现对管内管外的凝结液整个生命周期进行可视化分析。

在本发明的一个具体实施例中，可视化实验体的真空腔体剖面如图2所示，剖面图展示了真空腔体15内各个管线的相对位置。其中视窗31可以进行拍摄或打光，包裹在冷却水循环回路外的保温层29可以防止蒸汽在实验管段30之外的管路表面冷凝，提高实验准确度。

在本发明的一个具体实施例中，真空腔体15各个面的连接如图3所示，其中前、上、后面板上开有视窗31可用于监测、拍摄或打光；左侧面开有三个真空法兰，分别作为实验管段入口法兰33、腔体入口法兰35和一个备用法兰37；右侧面开有三个真空法兰，分别作为实验管段出口法兰34、腔体出口法兰36和一个备用法兰37；背面开有一个视窗31；上面板开有一个视窗31和一个备用法兰37，视窗31可用作人眼监测或顶部打光、拍摄。

用于纯蒸汽管内冷凝换热实验，其技术方案一是：切换两个四通阀13使得供气干管22、排气干管23分别与第一管线26、第四管线39相连，供水干管24、回水干管25分别与第二管线27、第三管线38相连。冷却水侧，将恒温水浴1内加入去离子水至指定水位高度，启动水泵3，使冷却水在真空腔体15和后冷器16内循环流动，同时设定水浴温度待其双区都达到稳定，使用流量调节阀4调节冷却水流量。蒸汽侧，将蒸汽发生器6内加入去离子水至指定水位高度，启动蒸汽发生器6，待其达到指定压力后打开顶部放气阀以排出空气，排气完成后关闭顶部放气阀。重复排气两次之后待其达到指定压力。打开计算机21与数据采集系统，记录所有待测参数初始值，打开腔体电加热装置19加热壁面使之达到设定温度并维持两到三分钟。关闭真空腔体15门，关闭放气阀18，先打开真空泵11再开真空阀12，对实验管段进行抽真空。此过程中所有温度压力等参数由数据采集系统20采集记录，待温度、压力稳定，两压力传感器10测量值都达到1Pa以下，先关真空阀12再关真空泵11，依次打开蒸汽流量调节阀7和电动阀9自动模式，向管内通入蒸汽。当管内压力稳定在设定值，电动阀9开度不再变化，涡街流量计8瞬时流量值稳定之后记录数据。实验过程中可以改变电动阀15压力设定值或冷却水温度以测定不同压力或过冷度下的冷凝换热效果。其中，冷却水温升由第二管线27、第三管线38上的热电偶测得，蒸汽饱和温度由饱和压力计算得出，饱和压力为两压力传感器的平均值，蒸汽温度为第一管线26、第四管线39上的热电偶数值的平均值。

用于纯蒸汽管外冷凝换热实验，其技术方案二是：切换两个四通阀13使得供气干管22、排气干管23分别与第二管线27、第三管线38相连，供水干管24、回水干管25分别与第一管线26、第四管线39相连。其余步骤同技术方案1。之前用于测量水温的热电偶此时用于测量蒸汽温度，用于测量蒸汽温度的热电偶用于测量水温。

Claims (7)

1.一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，该装置包括蒸汽供应系统、冷却水系统、真空系统、可视化实验体和数据采集系统，其特征在于：

所述蒸汽供应系统包括供气干管、排气干管、后冷器及凝结水箱；蒸汽经供气干管进入可视化实验体，然后，通过排气干管排出，经后冷器冷凝后，通过凝结水箱收集；

所述冷却水系统包括供水干管及回水干管；冷却水经供水干管进入可视化实验体，再经回水干管流出；供水干管与回水干管相连形成循环回路；

所述可视化实验体包括真空腔体和设置在真空腔体内，并贯穿真空腔体的实验管段；

真空腔体一侧设有第一管线与第二管线；第一管线与第二管线通过四通阀与供气干管、供水干管相连；腔体另一侧设有第三管线与第四管线；第三管线与第四管线通过四通阀与排气干管、回水干管相连；第一管线作为实验管段入口，第三管线作为实验管段出口；第二管线为真空腔体入口，第四管线为真空腔体出口；

通过调节四通阀以调节蒸汽供应系统及冷却水系统的流经线路；当蒸汽流经实验管段时，冷却水流经真空腔体；当蒸汽流经真空腔体时，冷却水流经实验管段；

所述真空系统用于实现真空腔体或实验管段内的高真空环境；

所述数据采集系统包括温度采集系统、压力采集系统和流量采集系统；

温度采集系统由下列热电偶组成：第一、二、三、四管线上的热电偶、敷设在真空腔体六个壁面内的热电偶；压力采集系统由布置于供气干管出口与排气干管入口的压力传感器组成；流量采集系统由布置于供气干管上的涡街流量计与布置于供水干管上的流量计组成。

2.如权利要求1所述的一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，其特征在于：所述蒸汽供应系统还包括蒸汽发生器，供气干管上设有蒸汽流量调节阀、所述的涡街流量计、电动阀与所述供气干管出口的压力传感器，排气干管上设有所述排气干管入口的压力传感器，凝结水箱上设有排气阀，所有供气干管及排气干管外加装保温层。

3.如权利要求1所述的一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，其特征在于：所述冷却水系统还包括恒温水浴和水泵；所述的流量计及水泵位于供水干管上；流量计与水泵之间的管线上设有流量调节阀；冷却水系统循环回路的最低点设一排水支路，所有供水干管及回水干管加装保温层；恒温水浴具有可独立控制温度的分区。

4.如权利要求1所述的一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，其特征在于：所述真空腔体设有多个法兰接口，左侧法兰接口分别连接第一管线与第二管线；右侧法兰接口分别连接第三管线与第四管线。

5.如权利要求1所述的一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，其特征在于：所述真空腔体前、后、上、右侧壁面分别设有石英玻璃法兰视窗，真空腔体各个壁面内均敷设电加热装置与保温棉，表面覆盖镜面铝板。

6.如权利要求1所述的一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，其特征在于：所述真空系统由真空泵、真空阀和真空管路组成，真空系统与供气干管连通。

7.如权利要求2所述的一种可实现蒸汽管内与管外冷凝可视化的实验装置，其特征在于：所述电动阀根据真空腔体或实验管路内的蒸汽压力负反馈调节自身开度，真空腔体或实验管路内的蒸汽压力由两个压力传感器测量值取平均得到。

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