CN111220642B - 混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法，该系统包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统；实验工质自储液罐进入蒸汽发生器，产生蒸汽进入实验段，在环形套管换热器的冷却下，在实验管道内部凝结后经过气液分离器，未完全凝结的混合工质经过凝汽器完全冷却最后再回到储液罐，形成闭式循环，本发明还提供了该系统的实验方法，能够用于混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究，用于获得管内凝结换热机理，适用于多种工质、不同工况研究，同时又能做到简便快速的调节系统参数。本发明可为珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持。

Description

混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及能源动力工程领域对流凝结实验研究技术领域，尤其涉及一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及其实验方法。

背景技术

在某些混合工质凝结过程中，凝结液自由表面存在表面张力梯度，导致表面张力低的局部流体向表面张力高的局部流动，即出现所谓的“马兰戈尼(Marangoni)对流”，使膜状的液膜出现波动，甚至撕裂，最终形成珠状或者类珠状的凝结形态，称为马兰戈尼(Marangoni)凝结或者类珠状凝结。可形成马兰戈尼凝结的混合工质有水-酒精混合物、氨水混合物等物质，它们都属于正系统工质。正系统工质是指在混合工质体系中高沸点组分表面张力比低沸点组分表面张力大的二元混合工质。在具有正系统特性的混合工质液态自由表面上，微小的扰动会使自由表面产生局部压力、温度和浓度分布的不同，引起液体局部表面张力差异，从而在液体表面形成表面张力梯度，导致出现马兰戈尼对流。

目前的马兰戈尼凝结的实验研究多是集中于外部凝结，包括竖直壁面、管外壁面等。而在实际工业应用下，管内凝结过程在低温制冷、石油化工、动力系统等领域广泛存在。与外部凝结不同，蒸气在管内的流动凝结将受到蒸气流速的重要影响，对于不同的流型，其换热机理也相应变化，远比外部凝结复杂。传统观点认为，蒸气在管内凝结一般出现的都是膜状凝结难以实现珠状凝结。

中国专利申请公布号CN201210540382.8公开了一种含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置，可进行多种尺寸、结构型式的竖直单管和管束的管外冷凝换热实验，研究蒸汽流向、不凝性气体层等因素对冷凝换热的影响机理。但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。

中国专利申请公布号CN201310084890.4公开了一种可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，可实现自然循环与强迫循环冷却条件下，含不凝性气体的蒸汽管外冷凝传热实验研究，以及加热功率稳定和变化条件下，自然循环系统的排热与流动特性的实验研究，但该实验系统并不能进行管内凝结实验研究，且实验工质为纯蒸汽，不能用于混合工质马兰戈尼凝结实验研究。

中国专利申请公布号CN201710168093.2公开了一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，适用于研究核电站安全壳过滤排放系统内冷凝换热器性能的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验研究，该系统用于研究含有不凝结气体的管内蒸汽流动冷凝换热特性，适用于其它领域含多元不凝性气体的水平管内蒸汽流动冷凝换热特性研究，但不能应用于混合工质马兰戈尼管内对流凝结实验，不能对管内由马兰戈尼对流形成的珠状凝结进行直接观测。不满足马兰戈尼凝结管内对流凝结实验研究需要。

为解决现有马兰戈尼凝结管内对流凝结实验研究不足，实现混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究、凝结换热与阻力特性研究、凝结换热机理研究和凝结参数优化研究。更全面和准确的研究不同混合蒸气浓度、蒸气质量流量、干度、蒸气入口饱和压力等蒸气参数及不同倾斜角度和管径，管长等几何参数条件对马兰戈尼凝结管内对流凝结特性的影响，从而为珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持，设计了本套综合实验系统。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明人进行了深入的研究。本发明的目的是针对上述试验装置或者试验系统不适用或不满足混合工质马兰戈尼凝结管内对流实验研究的需要，提供了一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及其实验方法，本发明所述试验装置及试验系统能够实现混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究；通过调整可旋转支架角度和管径，开展不同管径、流道倾斜角度等流道几何参数条件下的管内凝结实验。

实验过程中通过高速摄像机实时记录统计不同工况下的凝结流型；用于分析各影响因素对流型的影响特征，另外本发明所述试验装置及实验系统可在宽广的热工参数(压力、流量等)范围内运行，满足不同工程实际应用背景下的试验工况要求，同时所述试验装置还设计有温度、压力测点，通过开展不同测试环境的试验研究获得大量精准的试验数据，以便更加深入地开展混合工质马兰戈尼凝结管内流动换热特性的实验和理论研究。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统，其中：

所述的实验工质循环系统由蒸汽发生器1、第一循环泵301、实验段12、气液分离器7、第一阀门201、第五阀门205、第十二阀门212、凝汽器6、第一流量计801、第二流量计801、第八阀门208和储液罐18组成；

储液罐18、第一循环泵301、第一阀门201和蒸汽发生器1通过管道依次连接，第十二阀门212上游与蒸汽发生器1上端出口通过管道相连，下游通过金属软管与实验段12相连，实验段12出口通过金属软管与气液分离器7连接，气液分离器7上端出口与第五阀门205通过管道相连，下端出口通过管道与第一流量计801连接；

蒸汽发生器1顶部安装第十三阀门213，防止意外情况下蒸汽发生器1内压力剧升造成危险，蒸汽发生器1内部安装滤网，避免液体剧烈沸腾时随蒸气进入蒸气循环管路，影响实验系统的正常运行；

第五阀门205与凝汽器6相连，凝汽器6下游与第二流量计802通过管道相连，第一流量计801和第二流量计802并联，两个流量计下游通道连通与第八阀门208相连，第八阀门208下游通过管道与储液罐18相连；

实验段12流出的实验工质分为两路，经过气液分离器7分离后，在实验段凝结的工质直接流回储液罐18，未凝结的工质在凝汽器6的冷却作用下，完全冷凝后进入储液罐18，形成闭环回路，以上组成了实验系统的实验工质循环系统；

所述的辅助抽真空冷凝系统由第三水箱503、第四循环泵304、第十阀门210、抽真空辅助凝汽器11、真空泵10组成；

第三水箱503、第四循环泵304、第十阀门210和抽真空辅助凝汽器11通过管道依次连接，抽真空辅助凝汽器11冷端出口与第三水箱503通过管道连接，冷却水依次经过第四循环泵304、第十阀门210、抽真空辅助凝汽器11，最终回到第三水箱503，形成闭环回路；

抽真空辅助凝汽器11为环形套管结构，内管内部走蒸气，外管内走冷却水；抽真空管路连接在抽真空辅助凝汽器11上方，通过管道和和第九阀门209与真空泵10连接；

实验时不凝结气体和混合蒸气一起被真空泵10吸入抽真空管路中，在抽真空辅助凝汽器11的冷凝作用下，使蒸气遇冷凝结，凝结液在重力作用下回流至储液罐18，确保实验过程中的混合蒸气浓度恒定，不凝结气体被真空泵10抽出排放至大气；

所述的实验段调节系统由第一水箱501、第二循环泵302、第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204、第三流量计803、环形套管换热器13和可旋转支架9组成；

第二循环泵302与第一水箱501底部通过管道相连，第二循环泵302出口与第二阀门202通过管道相连，第二阀门202下游管道上安装有一个三通，三通的一个支路通过管道和第三阀门203连接，第三阀门203下游与第一水箱501通过管道相连，另一个支路通过管道与第四阀门204连接，通过调节第二阀门202与第三阀门203的开度调节实验段调节系统冷却水流量，第四阀门204下游与第三流量计803通过管道连接，第三流量计803下游和环形套管换热器入口通过管道连接；

实验段12由环形套管换热器13、试验管和石英玻璃管14组成，多个环形套管换热器13依次串联，相邻的环形套管换热器的出口和入口通过管道连接，环形套管换热器13内管为实验管，外管采用不锈钢管，混合蒸气在实验管内凝结放热，不锈钢管两端与实验管外壁通过焊接密封，冷却水在实验管与不锈钢管间形成的环形空间内流动，与实验管管内蒸汽形成逆流冷却；

为观察混合蒸汽在管道内部沿流动方向产生的流型变化，每段实验管前后端连通透明石英玻璃管14用于观测管内流型，透明石英玻璃管14和实验管内径相同；

实验段12固定在可旋转支架9上，通过调节可旋转支架9调整实验段12倾斜角度，改变实验段12与水平位置的夹角，倾斜角度通过可旋转支架9上的量角器进行测量，可旋转支架9上安装限位器，使实验段在±90°的角度范围进行调节和固定，用于开展不同倾斜角度条件下的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验；

所述的回路冷却系统由第二水箱502、第三循环泵303、第六阀门206和凝汽器6组成；

第三循环泵303与第二水箱502底部出口通过管道连接，下游与第六阀门206通过管道相连，第六阀门206下游与凝汽器6冷却水进口相连，凝汽器6出口与第二水箱502通过管道连接；

实验段12内只有部分混合蒸气被冷却凝结，剩余的大部分蒸气还需通过凝汽器6进行冷凝；通过调节第六阀门206改变进入凝汽器6中的冷却水流量，用于调节实验系统的压力，使实验段12的压力维持在设定的数值，以保证蒸气循环的稳定性和连续性；

所述的数据测量采集系统由热电偶、第一压力传感器401、第二压力传感器402、高速摄像机15、数据采集仪16和计算机17组成；第一压力传感器401安装在实验段12入口前，第二压力传感器402安装在实验段12出口后，第一压力传感器401和第二压力传感器402对称的位置安装有一个插入管道内的铠装热电偶分别测量蒸汽进出口温度；每个环形套管换热器13的实验管布置一个测温截面，每个测量截面上设置热电偶；每个环形套环换热器13入口管道上安装有一个插入管道内部的铠装热电偶，相邻环形套管换热器的连接管道的位置安装有一个插入管道内部的铠装热电偶。

马兰戈尼凝结的混合工质为水-酒精混合物、氨水混合物物质中的任一种。

所述竖直实验段12总长1700mm，由四个环形套管换热器13依次串联；第一压力传感器401安装在距离实验段12入口前50mm的管道处，第二压力传感器402安装在距离实验段12出口后50mm的管道处，与第一压力传感器401对称的位置安装有一个插入管道内的入口铠装热电偶Tin，用于测量蒸汽进口温度，与第二压力传感器402对称的位置安装有一个插入管道内的出口铠装热电偶Tout，用于测量蒸汽出口温度，每个实验管中间位置布置一个测温截面，每个测量截面上有焊接在实验管壁面上的六支热电偶，沿蒸汽流动方向共等间距设置四个测量截面，相邻测温截面轴向间距为400mm；对于第一个测温截面，每个测量截面以底部角度为0°，在实验管壁面底部位置布置第一热电偶T1-1，与实验管底部成20°夹角的位置布置第二热电偶T1-2，与实验管底部成40°夹角的位置布置第三热电偶T1-3，与实验管底部成60°夹角的位置布置第四热电偶T1-4，与实验管底部成90°夹角的位置布置第五热电偶T1-5，与实验管底部成180°夹角的位置布置第六热电偶T1-6，用于测量试验管壁面温度；实验段第一个环形套环换热器入口管道上安装有一个插入管道内部的第一铠装热电偶Tv1，相邻环形套管换热器的连接管道的中间位置安装有一个插入管道内部的第二铠装热电偶Tv2，依次为第二铠装热电偶Tv2、第三铠装热电偶Tv3和第四铠装热电偶Tv4，相邻铠装热电偶之间的距离为400mm，实验段最后一个环形套环换热器出口管道上安装有一个插入管道内部的第五铠装热电偶Tv5，用于测量冷却水的温度；实验段上布置的所有热电偶和铠装热电偶以及压力传感器均通过数据采集仪16连接到计算机17上。

所述实验管材质采用紫铜管。

所有热电偶和铠装热电偶贯穿套管处采用密封胶进行密封处理，防止冷却水泄漏。

所述实验系统的蒸汽发生器1与实验段12相连的管道表面包覆有保温层。

所述保温层包括用细铁丝固定管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。

所述保温层的平均厚度大于100mm。

所述的一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统的实验方法，试验开始前对实验系统密封性进行测试，将系统压力抽到2kPa以下，保持真空24小时，若压力变化小于2kPa，则认为系统气密性良好能够进行实验，否则需对系统进行查漏修复，直到其气密性满足要求再进行实验；

制定实验计划，明确实验所需的蒸汽发生器1的加热功率和管内流型拍摄位置，打开系统电源，连接各实验回路，架设高速摄像机15，开启数据采集仪16和计算机17，将第一水箱501、第二水箱502、第三水箱503水加到预定液位；实验正式开始前对热电偶和铠装热电偶进行校正，所有热电偶和铠装热电偶读数应反映室内温度，压力传感器反映环境压力；

对实验回路进行抽真空操作时，打开第四循环泵304电源开关，打开第十阀门210，运行抽真空辅助冷却系统，以防止实验工质被抽出，打开第九阀门209和真空泵10抽取实验系统中的空气；

开启蒸汽发生器1的电源开关，开始加热实验工质，当系统内蒸气压力逐渐接近设定工况压力时，根据设定的实验压力和蒸气流速，调整蒸汽发生器1的加热功率到对应的数值，辅助抽真空冷凝系统持续工作至不凝结气体全部被排出；

开启第二循环泵302，打开第二阀门202和第三阀门203，开启实验段调节系统，同时打开第三循环泵303开启回路冷却系统冷却实验管内的混合蒸气；根据第三流量计803的示数，缓慢调节第二阀门202和第三阀门203的开度，调整冷却水的流量，使系统的压力稳定维持在设定的数值；

实验过程中保持第一阀门201、第四阀门204、第五阀门205、第八阀门208、第六阀门206、第十阀门210、第十二阀门212始终开启，第十一阀门211和第十三阀门213始终关闭；

待实验工况稳定后开始记录压力、压差、流量、壁面温度、流体温度和加热功率等试验数据，并拍摄冷凝流型，测量记录拍摄位置，将流型视频和实验数据保存在计算机17内；

实验完成后，关闭高速摄像机15，关闭蒸汽发生器1、第一循环泵301、第二循环泵302和真空泵10的电源，待实验系统冷却至与环境温度接近时，关闭第三循环泵303电源；

系统完全冷却后，排掉蒸汽发生器1中的实验工质和第一水箱501、第二水箱502和第三水箱503中的冷却水，用清水冲洗整个实验回路，排出残留的实验工质；

最后关闭电源、数据采集仪16及计算机17。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种简单、易于实施的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及其实验方法，可实现混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究。通过调整可旋转支架角度和管径，开展不同管径、流道倾斜角度等流道几何参数条件下的管内凝结实验。满足不同工况，不同工作条件下宏观尺度下混合工质管内马兰戈尼凝结实验研究，可为马兰戈尼珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持。

附图说明

图1是本发明的公开的一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统示意图。

图2是实验段热电偶和压力传感器布置图。

图3是测温截面热电偶布置图。

附图标记：

蒸汽发生器1、第一循环泵301、第二循环泵302、第三循环泵303、第四循环泵304、第一压力传感器401、第二压力传感器402、第一水箱501、第二水箱502、第三水箱503、凝汽器6、气液分离器7、第一流量计801、第二流量计802、第三流量计803、可旋转支架9、真空泵10、抽真空辅助凝汽器11、实验段12、环形套管换热器13、透明石英玻璃管14、高速摄像机15、数据采集仪16、计算机17、储液罐18。

具体实施方式

为更好说明本发明，现结合附图对本发明工作原理作以详细描述。

如图1所示，本发明一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统，其中：

所述的实验工质循环系统由蒸汽发生器1、第一循环泵301、实验段12、气液分离器7、第一阀门201、第五阀门205、第十二阀门212、凝汽器6、第一流量计801、第二流量计801、第八阀门208和储液罐18组成；

储液罐18、第一循环泵301、第一阀门201和蒸汽发生器1通过管道依次连接，第十二阀门212上游与蒸汽发生器1上端出口通过管道相连，下游通过金属软管与实验段12相连，实验段12出口通过金属软管与气液分离器7连接，气液分离器7上端出口与第五阀门205通过管道相连，下端出口通过管道与第一流量计801连接；

蒸汽发生器1顶部安装第十三阀门213，防止意外情况下蒸汽发生器1内压力剧升造成危险，蒸汽发生器1内部安装滤网，避免液体剧烈沸腾时随蒸气进入蒸气循环管路，影响实验系统的正常运行；

第五阀门205与凝汽器6相连，凝汽器6下游与第二流量计802通过管道相连，第一流量计801和第二流量计802并联，两个流量计下游通道连通与第八阀门208相连，第八阀门208下游通过管道与储液罐18相连；

实验段12流出的实验工质分为两路，经过气液分离器7分离后，在实验段凝结的工质直接流回储液罐18，未凝结的工质在凝汽器6的冷却作用下，完全冷凝后进入储液罐18，形成闭环回路，以上组成了实验系统的实验工质循环系统；

所述的辅助抽真空冷凝系统由第三水箱503、第四循环泵304、第十阀门210、抽真空辅助凝汽器11、真空泵10组成；

第三水箱503、第四循环泵304、第十阀门210和抽真空辅助凝汽器11通过管道依次连接，抽真空辅助凝汽器11冷端出口与第三水箱503通过管道连接，冷却水依次经过第四循环泵304、第十阀门210、抽真空辅助凝汽器11，最终回到第三水箱503，形成闭环回路；

抽真空辅助凝汽器11为环形套管结构，内管内部走蒸气，外管内走冷却水；抽真空管路连接在抽真空辅助凝汽器11上方，通过管道和和第九阀门209与真空泵10连接；

实验时不凝结气体和混合蒸气一起被真空泵10吸入抽真空管路中，在抽真空辅助凝汽器11的冷凝作用下，使蒸气遇冷凝结，凝结液在重力作用下回流至储液罐18，确保实验过程中的混合蒸气浓度恒定，不凝结气体被真空泵10抽出排放至大气；

所述的实验段调节系统由第一水箱501、第二循环泵302、第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204、第三流量计803、环形套管换热器13和可旋转支架9组成；

第二循环泵302与第一水箱501底部通过管道相连，第二循环泵302出口与第二阀门202通过管道相连，第二阀门202下游管道上安装有一个三通，三通的一个支路通过管道和第三阀门203连接，第三阀门203下游与第一水箱501通过管道相连，另一个支路通过管道与第四阀门204连接，通过调节第二阀门202与第三阀门203的开度调节实验段调节系统冷却水流量，第四阀门204下游与第三流量计803通过管道连接，第三流量计803下游和环形套管换热器入口通过管道连接；

实验段12由环形套管换热器13、试验管和石英玻璃管14组成，多个环形套管换热器13依次串联，相邻的环形套管换热器的出口和入口通过管道连接，环形套管换热器13内管为实验管，外管采用不锈钢管，混合蒸气在实验管内凝结放热，不锈钢管两端与实验管外壁通过焊接密封，冷却水在实验管与不锈钢管间形成的环形空间内流动，与实验管管内蒸汽形成逆流冷却；

为观察混合蒸汽在管道内部沿流动方向产生的流型变化，每段实验管前后端连通透明石英玻璃管14用于观测管内流型，透明石英玻璃管14和实验管内径相同；

实验段12固定在可旋转支架9上，通过调节可旋转支架9调整实验段12倾斜角度，改变实验段12与水平位置的夹角，倾斜角度通过可旋转支架9上的量角器进行测量，可旋转支架9上安装限位器，使实验段在±90°的角度范围进行调节和固定，用于开展不同倾斜角度条件下的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验；

所述的回路冷却系统由第二水箱502、第三循环泵303、第六阀门206和凝汽器6组成；

第三循环泵303与第二水箱502底部出口通过管道连接，下游与第六阀门206通过管道相连，第六阀门206下游与凝汽器6冷却水进口相连，凝汽器6出口与第二水箱502通过管道连接；

实验段12内只有部分混合蒸气被冷却凝结，剩余的大部分蒸气还需通过凝汽器6进行冷凝；通过调节第六阀门206改变进入凝汽器6中的冷却水流量，用于调节实验系统的压力，使实验段12的压力维持在设定的数值，以保证蒸气循环的稳定性和连续性；

所述的数据测量采集系统由热电偶、第一压力传感器401、第二压力传感器402、高速摄像机15、数据采集仪16和计算机17组成；第一压力传感器401安装在实验段12入口前，第二压力传感器402安装在实验段12出口后，第一压力传感器401和第二压力传感器402对称的位置安装有一个插入管道内的铠装热电偶分别测量蒸汽进出口温度；每个环形套管换热器13的实验管布置一个测温截面，每个测量截面上设置热电偶；每个环形套环换热器13入口管道上安装有一个插入管道内部的铠装热电偶，相邻环形套管换热器的连接管道的位置安装有一个插入管道内部的铠装热电偶。

作为本发明的优选实施方式，马兰戈尼凝结的混合工质为水-酒精混合物、氨水混合物物质中的任一种。

如图2和图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述竖直实验段12总长1700mm，由四个环形套管换热器13依次串联；第一压力传感器401安装在距离实验段12入口前50mm的管道处，第二压力传感器402安装在距离实验段12出口后50mm的管道处，与第一压力传感器401对称的位置安装有一个插入管道内的入口铠装热电偶Tin，用于测量蒸汽进口温度，与第二压力传感器402对称的位置安装有一个插入管道内的出口铠装热电偶Tout，用于测量蒸汽出口温度，每个实验管中间位置布置一个测温截面，每个测量截面上有焊接在实验管壁面上的六支热电偶，沿蒸汽流动方向共等间距设置四个测量截面，相邻测温截面轴向间距为400mm；对于第一个测温截面，每个测量截面以底部角度为0°，在实验管壁面底部位置布置第一热电偶T1-1，与实验管底部成20°夹角的位置布置第二热电偶T1-2，与实验管底部成40°夹角的位置布置第三热电偶T1-3，与实验管底部成60°夹角的位置布置第四热电偶T1-4，与实验管底部成90°夹角的位置布置第五热电偶T1-5，与实验管底部成180°夹角的位置布置第六热电偶T1-6，用于测量试验管壁面温度；实验段第一个环形套环换热器入口管道上安装有一个插入管道内部的第一铠装热电偶Tv1，相邻环形套管换热器的连接管道的中间位置安装有一个插入管道内部的第二铠装热电偶Tv2，依次为第二铠装热电偶Tv2、第三铠装热电偶Tv3和第四铠装热电偶Tv4，相邻铠装热电偶之间的距离为400mm，实验段最后一个环形套环换热器出口管道上安装有一个插入管道内部的第五铠装热电偶Tv5，用于测量冷却水的温度；实验段上布置的所有热电偶和铠装热电偶以及压力传感器均通过数据采集仪16连接到计算机17上。

作为本发明的优选实施方式，所述实验管材质采用紫铜管。

作为本发明的优选实施方式，所有热电偶和铠装热电偶贯穿套管处采用密封胶进行密封处理，防止冷却水泄漏。

作为本发明的优选实施方式，所述实验系统的蒸汽发生器1与实验段12相连的管道表面包覆有保温层。

作为本发明的优选实施方式，所述保温层包括用细铁丝固定管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。

作为本发明的优选实施方式，所述保温层的平均厚度大于100mm。

如图1所示，本发明混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统的实验方法，试验开始前对实验系统密封性进行测试，将系统压力抽到2kPa以下，保持真空24小时，若压力变化小于2kPa，则认为系统气密性良好能够进行实验，否则需对系统进行查漏修复，直到其气密性满足要求再进行实验；

制定实验计划，明确实验所需的蒸汽发生器1的加热功率和管内流型拍摄位置，打开系统电源，连接各实验回路，架设高速摄像机15，开启数据采集仪16和计算机17，将第一水箱501、第二水箱502、第三水箱503水加到预定液位；实验正式开始前对热电偶和铠装热电偶进行校正，所有热电偶和铠装热电偶读数应反映室内温度，压力传感器反映环境压力；

对实验回路进行抽真空操作时，打开第四循环泵304电源开关，打开第十阀门210，运行抽真空辅助冷却系统，以防止实验工质被抽出，打开第九阀门209和真空泵10抽取实验系统中的空气；

开启蒸汽发生器1的电源开关，开始加热实验工质，当系统内蒸气压力逐渐接近设定工况压力时，根据设定的实验压力和蒸气流速，调整蒸汽发生器1的加热功率到对应的数值，辅助抽真空冷凝系统持续工作至不凝结气体全部被排出；

开启第二循环泵302，打开第二阀门202和第三阀门203，开启实验段调节系统，同时打开第三循环泵303开启回路冷却系统冷却实验管内的混合蒸气；根据第三流量计803的示数，缓慢调节第二阀门202和第三阀门203的开度，调整冷却水的流量，使系统的压力稳定维持在设定的数值；

实验过程中保持第一阀门201、第四阀门204、第五阀门205、第八阀门208、第六阀门206、第十阀门210、第十二阀门212始终开启，第十一阀门211和第十三阀门213始终关闭；

待实验工况稳定后开始记录压力、压差、流量、壁面温度、流体温度和加热功率等试验数据，并拍摄冷凝流型，测量记录拍摄位置，将流型视频和实验数据保存在计算机17内；

实验完成后，关闭高速摄像机15，关闭蒸汽发生器1、第一循环泵301、第二循环泵302和真空泵10的电源，待实验系统冷却至与环境温度接近时，关闭第三循环泵303电源；

系统完全冷却后，排掉蒸汽发生器1中的实验工质和第一水箱501、第二水箱502和第三水箱503中的冷却水，用清水冲洗整个实验回路，排出残留的实验工质；

最后关闭电源、数据采集仪16及计算机17。

图1中箭头标示出了混合蒸汽和冷却水的流动方向，其中第十二阀门(212)下游直至第八阀门(208)上游的管道内流动的为热态混合工质，第八阀门(208)下游直至第一阀门(201)上游的管道内流动的为冷态混合工质。

尽管具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统，其中：

所述的实验工质循环系统由蒸汽发生器(1)、第一循环泵(301)、实验段(12)、气液分离器(7)、第一阀门(201)、第五阀门(205)、第十二阀门(212)、凝汽器(6)、第一流量计(801)、第二流量计(801)、第八阀门(208)和储液罐(18)组成；

储液罐(18)、第一循环泵(301)、第一阀门(201)和蒸汽发生器(1)通过管道依次连接，第十二阀门(212)上游与蒸汽发生器(1)上端出口通过管道相连，下游通过金属软管与实验段(12)相连，实验段(12)出口通过金属软管与气液分离器(7)连接，气液分离器(7)上端出口与第五阀门(205)通过管道相连，下端出口通过管道与第一流量计(801)连接；

蒸汽发生器(1)顶部安装第十三阀门(213)，防止意外情况下蒸汽发生器(1)内压力剧升造成危险，蒸汽发生器(1)内部安装滤网，避免液体剧烈沸腾时随蒸气进入蒸气循环管路，影响实验系统的正常运行；

第五阀门(205)与凝汽器(6)相连，凝汽器(6)下游与第二流量计(802)通过管道相连，第一流量计(801)和第二流量计(802)并联，两个流量计下游通道连通与第八阀门(208)相连，第八阀门(208)下游通过管道与储液罐(18)相连；

实验段(12)流出的实验工质分为两路，经过气液分离器(7)分离后，在实验段凝结的工质直接流回储液罐(18)，未凝结的工质在凝汽器(6)的冷却作用下，完全冷凝后进入储液罐(18)，形成闭环回路，以上组成了实验系统的实验工质循环系统；

所述的辅助抽真空冷凝系统由第三水箱(503)、第四循环泵(304)、第十阀门(210)、抽真空辅助凝汽器(11)、真空泵(10)组成；

第三水箱(503)、第四循环泵(304)、第十阀门(210)和抽真空辅助凝汽器(11)通过管道依次连接，抽真空辅助凝汽器(11)冷端出口与第三水箱(503)通过管道连接，冷却水依次经过第四循环泵(304)、第十阀门(210)、抽真空辅助凝汽器(11)，最终回到第三水箱(503)，形成闭环回路；

抽真空辅助凝汽器(11)为环形套管结构，内管内部走蒸气，外管内走冷却水；抽真空管路连接在抽真空辅助凝汽器(11)上方，通过管道和和第九阀门(209)与真空泵(10)连接；

实验时不凝结气体和混合蒸气一起被真空泵(10)吸入抽真空管路中，在抽真空辅助凝汽器(11)的冷凝作用下，使蒸气遇冷凝结，凝结液在重力作用下回流至储液罐(18)，确保实验过程中的混合蒸气浓度恒定，不凝结气体被真空泵(10)抽出排放至大气；

所述的实验段调节系统由第一水箱(501)、第二循环泵(302)、第二阀门(202)、第三阀门(203)、第四阀门(204)、第三流量计(803)、环形套管换热器(13)和可旋转支架(9)组成；

第二循环泵(302)与第一水箱(501)底部通过管道相连，第二循环泵(302)出口与第二阀门(202)通过管道相连，第二阀门(202)下游管道上安装有一个三通，三通的一个支路通过管道和第三阀门(203)连接，第三阀门(203)下游与第一水箱(501)通过管道相连，另一个支路通过管道与第四阀门(204)连接，通过调节第二阀门(202)与第三阀门(203)的开度调节实验段调节系统冷却水流量，第四阀门(204)下游与第三流量计(803)通过管道连接，第三流量计(803)下游和环形套管换热器入口通过管道连接；

实验段(12)由环形套管换热器(13)、试验管和石英玻璃管(14)组成，多个环形套管换热器(13)依次串联，相邻的环形套管换热器的出口和入口通过管道连接，环形套管换热器(13)内管为实验管，外管采用不锈钢管，混合蒸气在实验管内凝结放热，不锈钢管两端与实验管外壁通过焊接密封，冷却水在实验管与不锈钢管间形成的环形空间内流动，与实验管管内蒸汽形成逆流冷却；

为观察混合蒸汽在管道内部沿流动方向产生的流型变化，每段实验管前后端连通透明石英玻璃管(14)用于观测管内流型，透明石英玻璃管(14)和实验管内径相同；

实验段(12)固定在可旋转支架(9)上，通过调节可旋转支架(9)调整实验段(12)倾斜角度，改变实验段(12)与水平位置的夹角，倾斜角度通过可旋转支架(9)上的量角器进行测量，可旋转支架(9)上安装限位器，使实验段在±90°的角度范围进行调节和固定，用于开展不同倾斜角度条件下的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验；

所述的回路冷却系统由第二水箱(502)、第三循环泵(303)、第六阀门(206)和凝汽器(6)组成；

第三循环泵(303)与第二水箱(502)底部出口通过管道连接，下游与第六阀门(206)通过管道相连，第六阀门(206)下游与凝汽器(6)冷却水进口相连，凝汽器(6)出口与第二水箱(502)通过管道连接；

实验段(12)内只有部分混合蒸气被冷却凝结，剩余的大部分蒸气还需通过凝汽器(6)进行冷凝；通过调节第六阀门(206)改变进入凝汽器(6)中的冷却水流量，用于调节实验系统的压力，使实验段(12)的压力维持在设定的数值，以保证蒸气循环的稳定性和连续性；

所述的数据测量采集系统由热电偶、第一压力传感器(401)、第二压力传感器(402)、高速摄像机(15)、数据采集仪(16)和计算机(17)组成；第一压力传感器(401)安装在实验段(12)入口前，第二压力传感器(402)安装在实验段(12)出口后，第一压力传感器(401)和第二压力传感器(402)对称的位置安装有一个插入管道内的铠装热电偶分别测量蒸汽进出口温度；每个环形套管换热器(13)的实验管布置一个测温截面，每个测量截面上设置热电偶；每个环形套环换热器(13)入口管道上安装有一个插入管道内部的铠装热电偶，相邻环形套管换热器的连接管道的位置安装有一个插入管道内部的铠装热电偶；

马兰戈尼凝结的混合工质为水-酒精混合物、氨水混合物物质中的任一种；

所述竖直实验段(12)总长1700mm，由四个环形套管换热器(13)依次串联；第一压力传感器(401)安装在距离实验段(12)入口前50mm的管道处，第二压力传感器(402)安装在距离实验段(12)出口后50mm的管道处，与第一压力传感器(401)对称的位置安装有一个插入管道内的入口铠装热电偶(Tin)，用于测量蒸汽进口温度，与第二压力传感器(402)对称的位置安装有一个插入管道内的出口铠装热电偶(Tout)，用于测量蒸汽出口温度，每个实验管中间位置布置一个测温截面，每个测量截面上有焊接在实验管壁面上的六支热电偶，沿蒸汽流动方向共等间距设置四个测量截面，相邻测温截面轴向间距为400mm；对于第一个测温截面，每个测量截面以底部角度为0°，在实验管壁面底部位置布置第一热电偶(T1-1)，与实验管底部成20°夹角的位置布置第二热电偶(T1-2)，与实验管底部成40°夹角的位置布置第三热电偶(T1-3)，与实验管底部成60°夹角的位置布置第四热电偶(T1-4)，与实验管底部成90°夹角的位置布置第五热电偶(T1-5)，与实验管底部成180°夹角的位置布置第六热电偶(T1-6)，用于测量试验管壁面温度；实验段第一个环形套环换热器入口管道上安装有一个插入管道内部的第一铠装热电偶(Tv1)，相邻环形套管换热器的连接管道的中间位置安装有一个插入管道内部的第二铠装热电偶(Tv2)，依次为第二铠装热电偶(Tv2)、第三铠装热电偶(Tv3)和第四铠装热电偶(Tv4)，相邻铠装热电偶之间的距离为400mm，实验段最后一个环形套环换热器出口管道上安装有一个插入管道内部的第五铠装热电偶(Tv5)，用于测量冷却水的温度；实验段上布置的所有热电偶和铠装热电偶以及压力传感器均通过数据采集仪(16)连接到计算机(17)上。

2.根据权利要求1所述的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：所述实验管材质采用紫铜管。

3.根据权利要求1所述的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：所有热电偶和铠装热电偶贯穿套管处采用密封胶进行密封处理，防止冷却水泄漏。

4.根据权利要求1所述的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：所述实验系统的蒸汽发生器(1)与实验段(12)相连的管道表面包覆有保温层。

5.根据权利要求4所述的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：所述保温层包括用细铁丝固定管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。

6.根据权利要求4所述的混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统，其特征在于：所述保温层的平均厚度大于100mm。

7.权利要求1至6任一项所述的一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统的实验方法，其特征在于：

试验开始前对实验系统密封性进行测试，将系统压力抽到2kPa以下，保持真空24小时，若压力变化小于2kPa，则认为系统气密性良好能够进行实验，否则需对系统进行查漏修复，直到其气密性满足要求再进行实验；

制定实验计划，明确实验所需的蒸汽发生器(1)的加热功率和管内流型拍摄位置，打开系统电源，连接各实验回路，架设高速摄像机(15)，开启数据采集仪(16)和计算机(17)，将第一水箱(501)、第二水箱(502)、第三水箱(503)水加到预定液位；实验正式开始前对热电偶和铠装热电偶进行校正，所有热电偶和铠装热电偶读数应反映室内温度，压力传感器反映环境压力；

对实验回路进行抽真空操作时，打开第四循环泵(304)电源开关，打开第十阀门(210)，运行抽真空辅助冷却系统，以防止实验工质被抽出，打开第九阀门(209)和真空泵(10)抽取实验系统中的空气；

开启蒸汽发生器(1)的电源开关，开始加热实验工质，当系统内蒸气压力逐渐接近设定工况压力时，根据设定的实验压力和蒸气流速，调整蒸汽发生器(1)的加热功率到对应的数值，辅助抽真空冷凝系统持续工作至不凝结气体全部被排出；

开启第二循环泵(302)，打开第二阀门(202)和第三阀门(203)，开启实验段调节系统，同时打开第三循环泵(303)开启回路冷却系统冷却实验管内的混合蒸气；根据第三流量计(803)的示数，缓慢调节第二阀门(202)和第三阀门(203)的开度，调整冷却水的流量，使系统的压力稳定维持在设定的数值；

实验过程中保持第一阀门(201)、第四阀门(204)、第五阀门(205)、第八阀门(208)、第六阀门(206)、第十阀门(210)、第十二阀门(212)始终开启，第十一阀门(211)和第十三阀门(213)始终关闭；

待实验工况稳定后开始记录压力、压差、流量、壁面温度、流体温度和加热功率等试验数据，并拍摄冷凝流型，测量记录拍摄位置，将流型视频和实验数据保存在计算机(17)内；

实验完成后，关闭高速摄像机(15)，关闭蒸汽发生器(1)、第一循环泵(301)、第二循环泵(302)和真空泵(10)的电源，待实验系统冷却至与环境温度接近时，关闭第三循环泵(303)电源；

系统完全冷却后，排掉蒸汽发生器(1)中的实验工质和第一水箱(501)、第二水箱(502)和第三水箱(503)中的冷却水，用清水冲洗整个实验回路，排出残留的实验工质；

最后关闭电源、数据采集仪(16)及计算机(17)。

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