CN115371461A - 一种多参数数字可视化的换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多参数数字可视化的换热系统，包括：换热器模块，用于实现热交换；多路温度采集器，与换热器模块连接，用于读取、记录换热器内的温度梯度的变化情况；连续相回路模块，与换热器模块连接，用于连续相工质的循环换热；分散相回路模块，分别与换热器模块和连续相回路模块连接，用于分散相工质的循环换热；本发明通过可视化的换热器设计，配合高速摄像机与各类传感器，可对直接接触换热过程进行多维度的监测和分析。
Description
技术领域
本发明属于节能检测与节能效果确认领域，特别是涉及一种多参数数字可视化的换热系统。
背景技术
我国是工业大国，每年会消耗大量能源，然而这些能源并没有得到充分利用。据统计，2020年我国可回收余热总资源平均可达13亿吨标煤。其中，有54％为400℃及以下的中低品位余热资源。因此，对这部分余热资源进行回收利用具有重要的现实意义。
直接接触式换热设备因其省去了内部换热面，相比传统换热器具有结构简单、投资费用小、传热面积大、不易腐蚀设备、传热热阻忽略不计、传热系数高等优点，特别适于低温差下运行。目前对于直接接触式换热设备的研究主要集中在对换热器内冷热流体混合过程的研究，流体混合的流动规律在换热器中变化很大，目前的研究还不充分，其中涉及传热学、热力学、流体力学多学科领域交叉。在实际应用中，设备材料多为金属，难以直观的得知换热器内冷热流体混合状况。同时，由于连续相温度较高，会加热热电偶的冷端导线，造成测温误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明利用可视化的研究方法可在不破坏温度、速度场的前提下得到换热过程中的实时图像，使用图像处理提取相关特征进行传热传质分析。通过可视化换热器本体，配合高速摄像机与沿轴向分布密封于无缝钢管内的热电偶测温系统，实现换热过程与温度场的数字可视化。
本发明提供了如下方案：一种多参数数字可视化的换热系统，包括：
换热器模块，用于实现热交换；
多路温度采集器(1)，与所述换热器模块连接，用于读取、记录换热器内的温度梯度的变化情况；
连续相回路模块，与所述换热器模块连接，用于连续相工质的循环换热；
分散相回路模块，分别与所述换热器模块和所述连续相回路模块连接，用于分散相工质的循环换热。
优选地，所述换热器模块包括内层玻璃罩(6)、外层石英玻璃罩 (3)、上端盖(20)、下端盖(22)；
所述内层玻璃罩(6)、外层石英玻璃罩(3)通过所述上端盖(20)、下端盖(22)配合螺柱压紧，所述上端盖(20)与玻璃罩间通过密封胶圈(23)进行密封，所述下端盖(22)与玻璃罩间通过密封胶圈(4) 进行密封。
优选地，所述内层玻璃罩(6)设有无缝钢管(35)，所述无缝钢管(35)内密封设置热电偶(2)，所述热电偶(2)与所述多路温度采集器(1)连接；
所述上端盖(20)设有连续相入口和分散相入口、真空阀(5)；
所述真空阀(5)用于调节所述内层玻璃罩(6)、外层石英玻璃罩(3)之间的真空度；
所述下端盖(22)设有喷嘴(21)，所述喷嘴(21)分别与分散相入口和连续相出口连接。
优选地，所述连续相回路模块包括，连续相加注口(34)、用于驱动连续相回路的齿轮油泵(15)、气压计(30)、温度计(31)、电加热器(19)、流量计(27)、压力计(29)、温度计(28)、与连续相入口连接的截止阀(25)；
所述气压计(30)、温度计(31)分别用于测量连续相出口的压力和温度；
所述压力计(29)、温度计(28)分别用于测量连续相进口的压力和温度。
优选地，所述分散相回路模块包括，用于存储分散相储液罐(17)、用于驱动分散相回路的离心泵(24)、流量计(16)、气压计(32)、温度计(33)、喷嘴(21)、与分散相入口连接的截止阀(7)、压力计 (9)、温度计(10)、流量计(26)、膨胀阀(11)、冷凝器(13)；
所述流量计(16)、气压计(32)、温度计(33)分别用于测量分散相入口的流量、压力和温度；
所述压力计(9)、温度计(10)、流量计(26)分别用于测量分散相出口的压力、温度和流量。
优选地，还包括彩色无纸记录仪(12)，所述彩色无纸记录仪(12) 连接压力计(9)、温度计(10)、温度计(28)、压力计(29)、气压计(30)、温度计(31)、气压计(32)、温度计(33)，用于读取和记录分散相和连续相的进出口压力和温度。
优选地，还包括流量积算记录仪(14)，所述流量积算记录仪(14) 连接流量计(16)、流量计(26)、流量计(27)，用于读取和记录分散相和连续相的进出口流量。
优选地，还包括，
高速摄像机(8)，用于记录换热器内的换热情况；
液位计(18)，与储液罐(17)连接，用于观察所述储液罐(17) 的液位高度。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种多参数数字可视化的换热系统，使用双层石英玻璃，使整个换热过程的外壁置于负压或真空中，尽可能地减少温度测量误差。整个操作过程中，分散相与连续相两条管路同时运行，并分别配有进出口温度计、气压计以及流量计，可实时监测所需物性参数。对于连续相，管路中还加入电加热器，使用齿轮油泵驱动，可模拟不同工况。对于分散相，由离心泵驱动，在换热器内部还可更换不同型号的分散相喷嘴，模拟多种工况。连续相与分散相经各自管路于换热器内相遇时开始直接接触式换热，由于整个换热器可视化，可直接观察到换热器内换热状况，结合温度、气压传感器度数可以对两种流体进行控制，极大的保证了实验安全，提高了实验成功率；同时，将热电偶密封于无缝钢管内部，使热电偶冷端不与高温连续相直接接触，极大的提高了测温精度。还可使用高速摄像机记录当前换热情况，保存并使用计算机进行图像处理提取特征，进一步分析评价换热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统结构示意图；
其中，1-多路温度采集器；2-热电偶；3-外层石英玻璃罩；4- 密封胶圈；5-真空阀；6-内层玻璃罩；7-截止阀；8-高速摄像机；9- 压力计；10-温度计；11-膨胀阀；12-彩色无纸记录仪；13-冷凝器； 14-流量积算记录仪；15-齿轮油泵；16-流量计；17-储液罐；18-液位计；19-电加热器；；20-上端盖；21-喷嘴；22-下端盖；23-密封胶圈；24-离心泵；25-截止阀；26-流量计；27-流量计；28-温度计； 29-压力计；30-气压计；31-温度计；32-气压计；33-温度计；34- 连续相加注口；35-无缝钢管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种多参数数字可视化的换热系统, 包括：
换热器模块，用于实现热交换；
多路温度采集器1，与所述换热器模块连接，用于读取、记录换热器内的温度梯度的变化情况；
连续相回路模块，与所述换热器模块连接，用于连续相工质的循环换热；
分散相回路模块，分别与所述换热器模块和所述连续相回路模块连接，用于分散相工质的循环换热。
所述换热器模块包括内层玻璃罩6、外层石英玻璃罩3、上端盖 20、下端盖22；
所述内层玻璃罩6、外层石英玻璃罩3通过所述上端盖20、下端盖22配合螺柱压紧，所述上端盖20与玻璃罩间通过密封胶圈23进行密封，所述下端盖22与玻璃罩间通过密封胶圈4进行密封。
所述内层玻璃罩6设有无缝钢管35，所述无缝钢管35内密封设置热电偶2，所述热电偶2与所述多路温度采集器1连接；
所述上端盖20设有连续相入口和分散相入口、真空阀5；
所述真空阀5用于调节所述内层玻璃罩6、外层石英玻璃罩3之间的真空度；
所述下端盖22设有喷嘴21，所述喷嘴21分别与分散相入口和连续相出口连接。
所述连续相回路模块包括，连续相加注口34、用于驱动连续相回路的齿轮油泵15、气压计30、温度计31、电加热器19、流量计 27、压力计29、温度计28、与连续相入口连接的截止阀25；
所述气压计30、温度计31分别用于测量连续相出口的压力和温度；
所述压力计29、温度计28分别用于测量连续相进口的压力和温度。
所述分散相回路模块包括，用于存储分散相储液罐17、用于驱动分散相回路的离心泵24、流量计16、气压计32、温度计33、喷嘴 21、与分散相入口连接的截止阀7、压力计9、温度计10、流量计26、膨胀阀11、冷凝器13；
所述流量计16、气压计32、温度计33分别用于测量分散相入口的流量、压力和温度；
所述压力计9、温度计10、流量计26分别用于测量分散相出口的压力、温度和流量。
还包括彩色无纸记录仪12，所述彩色无纸记录仪12连接压力计 9、温度计10、温度计28、压力计29、气压计30、温度计31、气压计32、温度计33，用于读取和记录分散相和连续相的进出口压力和温度。
还包括流量积算记录仪14，所述流量积算记录仪14连接流量计 16、流量计26、流量计27，用于读取和记录分散相和连续相的进出口流量。
高速摄像机8，用于记录换热器内的换热情况；
液位计18，与储液罐17连接，用于观察所述储液罐17的液位高度。
实施例一
进一步地，本发明提供的多参数数字可视化的换热系统,包括：
多路温度采集器1、热电偶2、外层石英玻璃罩3、密封胶圈4、真空阀5、内层玻璃罩6、截止阀7、高速摄像机8、压力计9、温度计10、膨胀阀11、彩色无纸记录仪12、冷凝器13、流量积算记录仪 14、齿轮油泵15、流量计16、储液罐17、液位计18、电加热器19、上端盖20、喷嘴21、下端盖22、密封胶圈23、离心泵24、截止阀 25、流量计26、流量计27、温度计28、压力计29、气压计30、温度计31、气压计32、温度计33、连续相加注口34、无缝钢管35。
直接接触式换热器由内层石英玻璃6和外层石英玻璃3组成，内外两层石英玻璃罩6、3由上下端盖20、22配合螺柱压紧，端盖与玻璃间分别使用密封胶圈进行密封，具体为两层石英玻璃顶端与底端由密封胶圈4、23和上下端盖20、22做密封处理，可由真空阀5调节两层石英玻璃间的真空度。内层玻璃罩6安装热电偶2，热电偶2与多路温度采集器1相连。内层玻璃罩6所覆盖范围内的上端盖20设置连续相入口与分散相出口，分别与截止阀25、7相连，截止阀25 处于连续相回路，截止阀7处于分散相回路。在内层玻璃罩6与外层石英玻璃罩3之间范围内的上端盖打孔与真空阀5相连，用于使内外层石英玻璃罩6、3之间保持真空或负压状态。换热器底部，喷嘴21 与分散相入口和连续相出口相连。喷嘴21可替换不同规格，用于满足多种实验需要。
连续相回路中，通过连续相加注口34将连续相添加进直接接触式换热器后关闭连续相加注口34。整个连续相循环回路由齿轮油泵 15驱动。连续相由气压计30、温度计31实时测量出口压力与温度，经过电加热器19被加热，由流量计27实时测量流量，达到入口前由压力计29和温度计28测量进口压力与温度，并由彩色无纸记录仪 12记录。由流量计27测量连续相流量并由流量积算记录仪14记录。管路中的连续相还可由电加热装置19加热，模拟不同工况。
分散相回路中，通过储液罐17提供分散相。整个回路由离心泵 24驱动，分散相进入换热器前，由流量计16、气压计32、温度计33 测量入口流量、压力、温度，之后通过喷嘴21进入换热器与连续相进行直接接触换热。换热后的分散相蒸汽由换热器顶部的分散相出口进入分散相回路，途经压力计9、温度计10流量计26，得到分散相出口压力、温度、流量。最后，分散相再经过膨胀阀11、冷凝器13 回到储液罐17。储液罐17还与液位计18连接，用于观察分散相液位。
多路温度采集器1连接热电偶2，用于读取和记录换热器内温度梯度。为避免高温连续相加热热电偶2冷端影响测温准确性，热电偶 2密封于无缝钢管35内，其冷端导线不与高温连续相直接接触，极大的提高了测温精度。彩色无纸记录仪12连接压力计32、温度计33、压力计9、温度计10、压力计29、温度计28、压力计30、温度计31，分别用于读取和记录分散相和连续相的进出口压力和温度。流量积算记录仪14连接流量计16、26、27，分别用于读取和记录分散相和连续相的进出口流量。
高速摄像机8架设于适当位置，直观的记录换热器内情况。记录下的图像使用计算机提取图像特征，便于分析并改进换热效果。
本系统在使用时：更换合适的喷嘴21型号，打开连续相加注口 34向换热器内加注连续相工质，待连续相到达合适液位的时候停止加注并关闭连续相加注口34。向储液罐17加注分散相工质并通过液位计18观察罐内液体情况。使用真空泵对真空阀5抽真空，使内外层石英玻璃罩6、3间的空间保持真空或负压状态。架设高速摄像机 8至合适位置。依次打开截止阀25、齿轮油泵15、电加热器19使连续相循环并达到指定温度。打开截止阀7启动离心泵24，使分散相进入换热器与连续相进行直接接触式换热。换热期间使用高速摄相机记录换热情况，使用多路温度采集器读取和记录换热器内温度梯度。使用彩色无纸记录仪12读取和记录分散相和连续相的进出口压力和温度。使用流量积算记录仪14读取和记录分散相和连续相的进出口流量。
换热过程可视化的多功能直接接触式换热系统的具体操作步骤如下：
步骤一：将连续相工质经连续相加注口注入双层可视化直接接触式换热器，将分散相工质添加进储液罐至指定液位；
步骤二：检查换热器气密性并使用真空泵抽取玻璃夹层内的空气，使整个夹层处于负压状态；
步骤三：架设高速摄像机，调整合适的机位与光线；
步骤四：打开截止阀并开启齿轮油泵，使连续相由换热器底部循环至换热器顶部。途中流经电加热器，将连续相加热至指定温度，调节齿轮油泵功率，使连续相流量达到指定值；
步骤五：连续相回路达到指定温度后，开启分散相回路截止阀与离心泵，调节离心泵功率，使分散相流量达到指定值；
步骤六：开启高速摄像机记录换热器内换热实时影像，使用多路温度采集器记录换热器内温度梯度，彩色无纸记录仪记录分散相与连续相进出口温度和压力，流量积算记录仪记录分散相与连续相进出口流量；
步骤七：对得到的数据进行分析，对图像进行特征提取。
本发明结合高速摄像技术、温度压力测量技术、以及真空石英双层玻璃罩的新装置，可以更好地对换热器内换热情况进行监测。使用双层石英玻璃罩，其优点在于：第一，能直观的观察到换热器内连续相与分散相的换热情况，可及时通过调整泵或加热器等设备控制换热过程；第二，双侧玻璃罩之间为真空或负压区域，减少热量的损失，提高实验精确度；第三，将8至16个测温点沿轴向分布于换热器中的无缝钢管内，减少热电偶冷端导线与高温连续相的接触，从而提高测温精度，便于数据分析阶段对换热器内温度场进行重构；第四，在换热器外部引入高速摄像技术，可拍摄换热过程的影像，后期通过计算机图像处理可进一步对换热过程进行分析；第五，换热器底部喷嘴可替换不同型号，满足不同实验需要。
本发明通过可视化的换热器设计，配合高速摄像机与各类传感器，可对直接接触换热过程进行多维度的监测和分析。将热电偶密封于无缝钢管内部，使热电偶冷端不与高温连续相直接接触，极大的提高了测温精度。利用计算机对图像进行特征提取，使直接接触换热过程可视化，得到影响直接接触换热效果的各类因素并进行优化，对提高直接接触式换热在工业应用中的换热效果具有重大意义。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多参数数字可视化的换热系统,其特征在于，包括：
换热器模块，用于实现热交换；
多路温度采集器(1)，与所述换热器模块连接，用于读取、记录换热器内的温度梯度的变化情况；
连续相回路模块，与所述换热器模块连接，用于连续相工质的循环换热；
分散相回路模块，分别与所述换热器模块和所述连续相回路模块连接，用于分散相工质的循环换热。
2.根据权利要求1所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，
所述换热器模块包括内层玻璃罩(6)、外层石英玻璃罩(3)、上端盖(20)、下端盖(22)；
所述内层玻璃罩(6)、外层石英玻璃罩(3)通过所述上端盖(20)、下端盖(22)配合螺柱压紧，所述上端盖(20)与玻璃罩间通过密封胶圈(23)进行密封，所述下端盖(22)与玻璃罩间通过密封胶圈(4)进行密封。
3.根据权利要求2所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，
所述内层玻璃罩(6)设有无缝钢管(35)，所述无缝钢管(35)内密封设置热电偶(2)，所述热电偶(2)与所述多路温度采集器(1)连接；
所述上端盖(20)设有连续相入口和分散相入口、真空阀(5)；
所述真空阀(5)用于调节所述内层玻璃罩(6)、外层石英玻璃罩(3)之间的真空度；
所述下端盖(22)设有喷嘴(21)，所述喷嘴(21)分别与分散相入口和连续相出口连接。
4.根据权利要求1所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，
所述连续相回路模块包括，连续相加注口(34)、用于驱动连续相回路的齿轮油泵(15)、气压计(30)、温度计(31)、电加热器(19)、流量计(27)、压力计(29)、温度计(28)、与连续相入口连接的截止阀(25)；
所述气压计(30)、温度计(31)分别用于测量连续相出口的压力和温度；
所述压力计(29)、温度计(28)分别用于测量连续相进口的压力和温度。
5.根据权利要求1所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，
所述分散相回路模块包括，用于存储分散相储液罐(17)、用于驱动分散相回路的离心泵(24)、流量计(16)、气压计(32)、温度计(33)、喷嘴(21)、与分散相入口连接的截止阀(7)、压力计(9)、温度计(10)、流量计(26)、膨胀阀(11)、冷凝器(13)；
所述流量计(16)、气压计(32)、温度计(33)分别用于测量分散相入口的流量、压力和温度；
所述压力计(9)、温度计(10)、流量计(26)分别用于测量分散相出口的压力、温度和流量。
6.根据权利要求1所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，还包括彩色无纸记录仪(12)，所述彩色无纸记录仪(12)连接压力计(9)、温度计(10)、温度计(28)、压力计(29)、气压计(30)、温度计(31)、气压计(32)、温度计(33)，用于读取和记录分散相和连续相的进出口压力和温度。
7.根据权利要求1所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，还包括流量积算记录仪(14)，所述流量积算记录仪(14)连接流量计(16)、流量计(26)、流量计(27)，用于读取和记录分散相和连续相的进出口流量。
8.根据权利要求1所述的多参数数字可视化的换热系统，其特征在于，还包括，
高速摄像机(8)，用于记录换热器内的换热情况；
液位计(18)，与储液罐(17)连接，用于观察所述储液罐(17)的液位高度。
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|---|---|---|---|
| CN202210094113.7A CN115371461A (zh) | 2022-01-26 | 2022-01-26 | 一种多参数数字可视化的换热系统 |
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