CN116559009A - 高通量换热管表面质量测试装置及测试和整体性能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高通量换热管表面质量测试装置及测试和整体性能优化方法，属于换热管性能测试领域。该装置包括水箱、蓄能器、离心泵、预热器、第一涡轮流量计、套管式换热器、蒸汽发生器、第二涡轮流量计、精密沉降型离心机、干燥器、电子精密天平、冷凝器、制冷系统、数据处理终端。其中，高通量换热管作为套管式换热器的管程，内部设置有不同参数的扰流元件；数据处理终端采集管程流量、壳程流量、管程进出口温度、壳程进出口温度、壳程压力以及脱落粉末质量并进行分析处理。本发明可以分析测试高通量换热管的表面金属粉末的喷涂质量，同时还可以基于此装置对高通量换热管的整体性能进行实验优化。
Description
技术领域
本发明属于换热管性能测试领域，特别涉及一种高通量换热管表面质量测试装置及测试和整体性能优化方法。
背景技术
沸腾传热是指热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程，影响沸腾的主要因素是汽化核心和过热度。高通量换热管表面烧结而成的粉末能够形成多孔层，产生了大量理想的汽化核心，大大提高了传热系数。
烧结型高通量换热管是指采用粉末冶金的方法在普通换热管表面烧结一薄层具有特定结构的多孔表面高效换热管。表面多孔层的凹穴与孔隙相互连通，可以显著强化沸腾传热，传热效果可提高20倍以上。普通的沸腾换热试验装置其中的高通量换热管表面金属粉末的脱落量很小，前人通过使用激光发射仪来观测高通量换热管表面粉末的脱落情况，无法定量分析，而且没有考虑到将换热性能和表面质量两者结合起来并行分析。换热性能和表面质量都是高通量换热管的重要参数，对于高通量换热管需要综合两种参数评定整体性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的缺陷，并提供一种高通量换热管表面质量测试装置及测试和整体性能优化方法，能够对高通量换热管进行表面质量进行测试并对整体性能进行优化。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种高通量换热管表面质量测试装置，包括水箱、离心泵、预热器、第一涡轮流量计、套管式换热器、蒸汽发生器、第二涡轮流量计、沉降型离心机、干燥器、电子精密天平、冷凝器和数据处理终端；
所述水箱的出口通过设有离心泵的管路后分为两路，第一管路与套管式换热器的管程进口连通，第二管路与蒸汽发生器的进口连通；所述第一管路沿水流方向依次设有预热器和第一涡轮流量计；所述管程出口通过第三管路与水箱连通，第三管路上沿水流方向依次设有沉降型离心机和冷凝器；所述蒸汽发生器的出口通过设有第二涡轮流量计的第四管路与套管式换热器的壳程进口连通，套管式换热器的壳程出口通过第五管路与蒸汽发生器的进口连通；所述沉降型离心机通过干燥器与电子精密天平相连，用于将从套管式换热器的管程中脱落的金属粉末离心分离干燥后测定质量；
所述套管式换热器内部管程为高通量换热管，高通量换热管内表面附有烧结后附着的金属粉末且内部插设有扰流元件；所述高通量换热管的进口和出口处以及套管式换热器壳程的进口和出口处分别设有用于固定温度传感器的温度传感器支座，套管式换热器壳程顶部设有用于固定压力传感器的压力传感器支座；
所述第一涡轮流量计、第二涡轮流量计、高通量换热管进口和出口处的温度传感器、壳程进口和出口处的温度传感器、壳程的压力传感器和电子精密天平均与数据处理终端相连，并能将相应数据传输到数据处理终端。
作为优选，所述水箱为恒温水箱。
作为优选，所述预热器外部包裹有保温材料。
作为优选，所述离心泵的出水管路处设有蓄能器。
作为优选，所述冷凝器为套管式换热器，其上设有用于冷却液降温的制冷系统。
作为优选，所述扰流元件为沿高通量换热管内部轴向设置的螺旋状结构。
作为优选，所述套管式换热器中，管程和壳程的进口和出口相反设置。
作为优选，所述套管式换热器为整体封闭且具有内腔的横置柱状结构，左右两端均开设贯通的孔洞并贯穿封闭固定有高通量换热管。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述高通量换热管表面质量测试装置的表面质量测试方法，具体如下：
S9-1：在测试前，将水箱里的水加热使溶解在其中的气体逸出，随后调至初始温度并保持恒温；将压力传感器和温度传感器进行标定并安装到对应位置，用以测量套管式换热器对应位置的压力和温度；
开启各管路上的阀门，调节蒸汽发生器的蒸汽流量使套管式换热器内部的水体沸腾；调节预热器使水流通过其前后的温度差达到预设值；在高通量换热管内插入扰流元件并安装固定在套管式换热器中，调节沉降型离心机使脱落的金属粉末能尽可能得从液相中分离出来；调节冷凝器和制冷装置以改变制冷剂的流量，使回流至水箱的水流温度降低到预设值；
S9-2：在测试时，开启离心泵将水箱中的水分别泵入预热器和蒸汽发生器中，调节预热器和蒸汽发生器前的阀门对进入预热器和蒸汽发生器中的水量进行控制；水经预热器加热后通入套管式换热器的管程，而蒸汽发生器产生的蒸汽通入套管式换热器的壳程，两相经高通量换热管进行换热，管程中的水被加热后沸腾并产生蒸汽；由于高通量换热管中插入有扰流元件，此时管程出口的蒸汽和剩余的水中金属粉末含量较高，将其通入沉降型离心机中以使高通量换热管表面脱落的金属粉末分离出来，随后在干燥器中将金属粉末表面附着的水分蒸发掉，然后输送至电子精密天平上进行质量测量，数据实时传输至数据处理终端；壳程中的高温蒸汽经换热后释放潜热凝结成水再次进入蒸汽发生器中循环利用；
S9-3：在测试过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计和第二涡轮流量计的数据稳定不变后，随时间变化脱落的金属粉末质量在数据处理终端直观呈现；通过计算流体力学软件FLUENT，选择相应的模型进行模拟，得出高通量换热管实际脱落的金属粉末质量，并换算成补偿系数输入数据处理终端以对采集到的金属粉末质量进行补偿修正；补偿系数n的计算公式为：
式中，m模代表模拟得到的脱落金属粉末质量，m实代表实际测得的脱落金属粉末质量；然后按照根据工程具体需要而预先设定的标准得到高通量换热管的表面质量；
S9-4：测试结束后，依次关闭离心泵开关、各管道阀门开关和仪表开关，并排空装置内的水。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述高通量换热管表面质量测试装置的整体性能优化方法，具体如下：
S10-1：在优化前，将水箱里的水加热使溶解在其中的气体逸出，随后调至初始温度并保持恒温；将压力传感器和温度传感器进行标定并安装到对应位置，用以测量套管式换热器对应位置的压力和温度；
开启各管路上的阀门，调节蒸汽发生器的蒸汽流量使套管式换热器内部的水体沸腾；调节预热器使水流通过其前后的温度差达到预设值；在高通量换热管内插入扰流元件并安装固定在套管式换热器中，调节沉降型离心机使脱落的金属粉末能尽可能得从液相中分离出来；调节冷凝器和制冷装置以改变制冷剂的流量，使回流至水箱的水流温度降低到预设值；
S10-2：在优化时，开启离心泵将水箱中的水分别泵入预热器和蒸汽发生器中，调节预热器和蒸汽发生器前的阀门对进入预热器和蒸汽发生器中的水量进行控制；水经预热器加热后通入套管式换热器的管程，而蒸汽发生器产生的蒸汽通入套管式换热器的壳程，两相经高通量换热管进行换热，管程中的水被加热后沸腾并产生蒸汽；由于高通量换热管中插入有扰流元件，此时管程出口的蒸汽和剩余的水中金属粉末含量较高，将其通入沉降型离心机中以使高通量换热管表面脱落的金属粉末分离出来，随后在干燥器中将金属粉末表面附着的水分蒸发掉，然后输送至电子精密天平上进行质量测量，数据实时传输至数据处理终端；壳程中的高温蒸汽经换热后释放潜热凝结成水再次进入蒸汽发生器中循环利用；
S10-3：在优化过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计和第二涡轮流量计的数据稳定不变后，随时间变化脱落的金属粉末质量在数据处理终端直观呈现；通过计算流体力学软件FLUENT，选择相应的模型进行模拟，得出高通量换热管实际脱落的金属粉末质量，并换算成补偿系数输入数据处理终端以对采集到的金属粉末质量进行补偿修正；补偿系数n的计算公式为：
式中，m模代表模拟得到的脱落金属粉末质量，m实代表实际测得的脱落金属粉末质量；然后按照根据工程具体需要而预先设定的标准得到高通量换热管的表面质量；
S10-4：在优化过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计和第二涡轮流量计的数据稳定不变后，数据处理终端采集管程流量、壳程流量、管程进口温度、管程出口温度、壳程进口温度、壳程出口温度，并带入预先设置好的换热系数计算公式进行计算，得到套管式换热器的换热性能；
换热系数由下式计算：
式中k为换热系数，h1为高通量换热管管内侧换热表面传热系数，h2为高通量换热管管外侧换热表面传热系数，Rw为高通量换热管管壁热阻。
S10-5：根据工程具体需要在插入扰流元件后，在数据处理终端键入换热性能和表面质量的变化对整体性能的影响系数；所述影响系数根据工程实际的侧重点由现场使用人员进行设定，且换热性能和表面质量两者影响系数之和为1；
S10-6：更换不同几何形状和几何参数的扰流元件，重复步骤S10-1至S10-5，然后将不同扰流元件下的装置整体性能进行对比，得到最优的方案；
S10-5：优化试验结束后，依次关闭离心泵开关、各管道阀门开关和仪表开关，并排空装置内的水。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本发明相比于发明名称为一种高压环境下高通量换热管的性能测试装置及其方法、专利号为ZL 202110049448.2的中国发明专利，可以更为准确地对高通量换热管的表面质量进行定量分析评定，同时还可以对比不同高通量换热管的表面质量，并采用数值模拟分析方法进行修正更为准确，并能够通过数据处理终端直接呈现出来，有利于快速评定换热管表面质量优劣，指导下一步工作。
2)本发明的表面质量测试装置能够实时采集所需数据并按照自定义计算方法和评定标准分析高通量换热管的表面质量和换热性能。
3)本发明能够按照工程具体情况将表面质量和换热性能这两项高通量换热管的重要性能进行耦合，基于此在换热管内插入不同的扰流元件进行测试，从整体维度分析高通量换热管的性能，可以得到整体性能的最优方案。
附图说明
图1为本发明测试装置的结构示意图；
图2为本发明测试装置中高通量换热管及内部扰流元件示意图；
图3为本发明测试装置中高通量换热管的结构示意图；
图中附图标记为：1、水箱；2、蓄能器；3、离心泵；4、预热器；5、第一涡轮流量计；6、套管式换热器；7、蒸汽发生器；8、第二涡轮流量计；9、沉降型离心机；10、干燥器；11、电子精密天平；12、冷凝器；13、制冷系统；14、数据处理终端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明提供的一种高通量换热管表面质量测试装置，该测试装置主要包括水箱1、离心泵3、预热器4、第一涡轮流量计5、套管式换热器6、蒸汽发生器7、第二涡轮流量计8、沉降型离心机9、干燥器10、电子精密天平11、冷凝器12和数据处理终端14。
本发明的装置中，水箱1的出口通过设有离心泵3的管路后分为两路(即第一管路和第二管路)，离心泵3用于为水流增压。第一管路与套管式换热器6的管程进口连通，第二管路与蒸汽发生器7的进口连通。第一管路上沿水流方向依次设有预热器4和第一涡轮流量计5。管程出口通过第三管路与水箱1连通，第三管路上沿水流方向依次设有沉降型离心机9和冷凝器12。在实际应用时，经离心泵3增压后的水流沿第一管路流经预热器4和第一涡轮流量计5后通入套管式换热器6的管程高通量换热管中，再沿第二管路流经沉降型离心机9和冷凝器12后回流至水箱1，共同构成冷却水回路。
在本实施例中，水箱1为恒温水箱，其中的水在有循环水注入的工况下仍保持温度不变。蓄能器2接在离心泵3出水管路处，内部预先充入预定压力的气体：当管路水压超出蓄能器内部气体压力时，水将气体进行压缩，水内部的压力转化为气体内能；当系统压力低于蓄能器内部气体压力时，蓄能器中的水在高压气体的作用下进入装置管路，释放气体内能提高管路水压，起到系统保压、吸收液压冲击、消除脉动的作用。预热器4外部包裹有保温材料，能够减少热量散失，并能根据管路水温自动调节加热载荷。
在本实施例中，冷凝器12为套管式换热器，它是由不同直径的管子套在一起，弯制成蛇形的液冷式冷凝器。冷却液在直径较小的管道内自下而上流动，与管道内的水逆流。制冷系统13包括存有制冷剂的储液罐、工质泵、节流装置，冷却液从制冷系统进入冷凝器对冷却水换热降温后回流，冷却水经该冷凝器冷却后，回流至水箱中。
本发明的装置中，蒸汽发生器7的出口通过设有第二涡轮流量计8的第四管路与套管式换热器6的壳程进口连通，套管式换热器6的壳程出口通过第五管路与蒸汽发生器7的进口连通。在实际应用时，经离心泵3增压后的水流沿第二管路流经蒸汽发生器7转化为气相，然后沿着第四管路经第二涡轮流量计8通入套管式换热器6的壳程，最后通过第五管路回流至蒸汽发生器7，共同构成蒸汽回路。管程和壳程处分别安装的第一涡轮流量计5和第二涡轮流量计8用于采集管程水路流量和壳程蒸汽路流量。
本发明的装置中，沉降型离心机9通过干燥器10与电子精密天平11相连，用于将从套管式换热器6的管程中脱落的金属粉末离心分离干燥后测定质量。在实际使用时，精密沉降型离心机可以将冷却水中含的微量金属粉末分离出来；干燥器10与精密沉降型离心机9连接，能够对离心机分离出的金属粉末进行干燥，除去附着在粉末表面的水分；电子精密天平11和干燥器10连接，能对干燥的金属粉末进行高精度测量，同时电子精密天平11也与数据处理终端14相连，实时传输脱落金属粉末的质量数据并进行处理分析。
本发明的装置中，套管式换热器6内部管程为高通量换热管，高通量换热管内表面附有烧结后附着的金属粉末且内部插设有扰流元件。如图2所示，扰流元件为沿高通量换热管内部轴向设置的螺旋状结构，根据不同螺距和螺旋半径来设计螺旋状结构。如图3所示，高通量换热管内表面烧结有金属粉末，具有较高的表面张力和毛细作用，可以使工作流体在管内更加均匀地分布，其进口和出口处以及套管式换热器6壳程的进口和出口处分别设有用于固定温度传感器的温度传感器支座，用于采集管程水路的进出口温度以及壳程蒸汽路的进出口温度。套管式换热器6壳程顶部设有用于固定压力传感器的压力传感器支座。
在本实施例中，套管式换热器6为整体封闭且具有内腔的横置柱状结构，左右两端均开设贯通的孔洞并贯穿封闭固定有高通量换热管。换热器设计为内部换热管可拆装式，将换热管通过法兰连接与壳程相连，实现方便拆装和重新组装。
本发明的装置中，第一涡轮流量计5、第二涡轮流量计8、高通量换热管进口和出口处的温度传感器、壳程进口和出口处的温度传感器、壳程的压力传感器和电子精密天平11均与数据处理终端14相连，并能将相应数据传输到数据处理终端14，数据处理终端能对输入的数据迅速处理分析得出对应换热管的换热性能。在本实施例中，数据处理终端14可以进行用户自定义换热性能计算公式和方法、表面质量评定标准以及整体性能评定标准，自定义完成后数据处理终端可以根据采集到的数据按照已定义的方法和标准对表面质量以及整体性能进行分析并可视化呈现给操作者。
利用上述高通量换热管表面质量测试装置的表面质量测试方法，具体如下：
S9-1：在测试前，将水箱1里的水加热使溶解在其中的气体逸出，随后调至初始温度并保持恒温。将压力传感器和温度传感器进行标定并安装到对应位置，用以测量套管式换热器6对应位置的压力和温度。
开启各管路上的阀门，调节蒸汽发生器7的蒸汽流量使套管式换热器6内部的水体沸腾。调节预热器4使水流通过其前后的温度差达到预设值。在高通量换热管内插入扰流元件并安装固定在套管式换热器6中，调节沉降型离心机9使脱落的金属粉末能尽可能得从液相中分离出来。调节冷凝器12和制冷装置13以改变制冷剂的流量，使回流至水箱1的水流温度降低到预设值。
S9-2：在测试时，开启离心泵3将水箱1中的水分别泵入预热器4和蒸汽发生器7中，调节预热器4和蒸汽发生器7前的阀门对进入预热器4和蒸汽发生器7中的水量进行控制。水经预热器4加热后通入套管式换热器6的管程，而蒸汽发生器7产生的蒸汽通入套管式换热器6的壳程，两相经高通量换热管进行换热，管程中的水被加热后沸腾并产生蒸汽。由于高通量换热管中插入有扰流元件，此时管程出口的蒸汽和剩余的水中金属粉末含量较高，将其通入沉降型离心机9中以使高通量换热管表面脱落的金属粉末分离出来，随后在干燥器10中将金属粉末表面附着的水分蒸发掉，然后输送至电子精密天平11上进行质量测量，数据实时传输至数据处理终端14。壳程中的高温蒸汽经换热后释放潜热凝结成水再次进入蒸汽发生器7中循环利用。
S9-3：在测试过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计5和第二涡轮流量计8的数据稳定不变后，随时间变化脱落的金属粉末质量在数据处理终端14直观呈现。通过计算流体力学软件FLUENT，选择相应的模型进行模拟，得出高通量换热管实际脱落的金属粉末质量，并换算成补偿系数输入数据处理终端14以对采集到的金属粉末质量进行补偿修正。补偿系数n的计算公式为：
式中，m模代表模拟得到的脱落金属粉末质量，m实代表实际测得的脱落金属粉末质量。然后按照根据工程具体需要而预先设定的标准得到高通量换热管的表面质量。实际使用时，该标准可根据工程实际自行设定，优选采用的一种标准是以脱落金属粉末质量占喷涂粉末总质量的比值并划分不同等级来进行衡量。
在实际使用时，装置可设置单台套管式换热器，也可设置多台套管式换热器并行直接对比。若设置单台套管式换热器，在测量其它高通量换热管时加以更换，需要对比不同高通量换热管的表面质量优劣时，通过数据处理终端14记录下不同换热管表面金属粉末的脱落情况然后进行整合对比分析；若设置多台套管式换热器，可以同时对多根高通量换热管的表面质量进行评定，在对比不同高通量换热管的表面质量时，可将不同高通量换热管直接安装在不同的换热器里，数据处理终端14采集多路脱落粉末质量数据进行对比分析。
S9-4：测试结束后，依次关闭离心泵3开关、各管道阀门开关和仪表开关，并排空装置内的水。
本发明还提供了利用上述高通量换热管表面质量测试装置的整体性能优化方法，具体如下：
S10-1：在优化前，将水箱1里的水加热使溶解在其中的气体逸出，随后调至初始温度并保持恒温。将压力传感器和温度传感器进行标定并安装到对应位置，用以测量套管式换热器6对应位置的压力和温度。
开启各管路上的阀门，调节蒸汽发生器7的蒸汽流量使套管式换热器6内部的水体沸腾。调节预热器4使水流通过其前后的温度差达到预设值。在高通量换热管内插入扰流元件并安装固定在套管式换热器6中，调节沉降型离心机9使脱落的金属粉末能尽可能得从液相中分离出来。调节冷凝器12和制冷装置13以改变制冷剂的流量，使回流至水箱1的水流温度降低到预设值。
S10-2：在优化时，开启离心泵3将水箱1中的水分别泵入预热器4和蒸汽发生器7中，调节预热器4和蒸汽发生器7前的阀门对进入预热器4和蒸汽发生器7中的水量进行控制。水经预热器4加热后通入套管式换热器6的管程，而蒸汽发生器7产生的蒸汽通入套管式换热器6的壳程，两相经高通量换热管进行换热，管程中的水被加热后沸腾并产生蒸汽。由于高通量换热管中插入有扰流元件，此时管程出口的蒸汽和剩余的水中金属粉末含量较高，将其通入沉降型离心机9中以使高通量换热管表面脱落的金属粉末分离出来，随后在干燥器10中将金属粉末表面附着的水分蒸发掉，然后输送至电子精密天平11上进行质量测量，数据实时传输至数据处理终端14。壳程中的高温蒸汽经换热后释放潜热凝结成水再次进入蒸汽发生器7中循环利用。
S10-3：在优化过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计5和第二涡轮流量计8的数据稳定不变后，随时间变化脱落的金属粉末质量在数据处理终端14直观呈现。通过计算流体力学软件FLUENT，选择相应的模型进行模拟，得出高通量换热管实际脱落的金属粉末质量，并换算成补偿系数输入数据处理终端14以对采集到的金属粉末质量进行补偿修正，将后续实际测量结果乘以补偿系数，以得到补偿后的测量值；补偿系数的有效性可能会随着时间的推移而发生变化，在一段时间后重新校准测量，并更新补偿系数。补偿系数n的计算公式为：
式中，m模代表模拟得到的脱落金属粉末质量，m实代表实际测得的脱落金属粉末质量。然后按照根据工程具体需要而预先设定的标准得到高通量换热管的表面质量。实际使用时，该标准可根据工程实际自行设定，优选采用的一种标准是以脱落金属粉末质量占喷涂粉末总质量的比值并划分不同等级来进行衡量。
S10-4：在优化过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计5和第二涡轮流量计8的数据稳定不变后，数据处理终端14采集管程流量、壳程流量、管程进口温度、管程出口温度、壳程进口温度、壳程出口温度，并带入预先设置好的换热系数计算公式进行计算，得到套管式换热器6的换热性能。换热系数由下式计算：
式中k为换热系数，h1为管内侧换热表面传热系数，h2为管外侧换热表面传热系数，Rw为高通量换热管管壁热阻。
S10-5：根据工程具体需要插入扰流元件后，在数据处理终端14键入换热性能和表面质量的变化对整体性能的影响系数。影响系数根据工程实际的侧重点由现场使用人员进行设定，优选使用权重分配，即分别赋予换热性能和表面质量两者和为1的两个权重，进而分析后评定换热管的整体性能。
S10-6：更换不同几何形状和几何参数的扰流元件，重复步骤S10-1至S10-5，然后将不同扰流元件下的整个装置的整体性能进行对比，得到最优的方案。
S10-7：优化试验结束后，依次关闭离心泵3开关、各管道阀门开关和仪表开关，并排空装置内的水。
本发明中，高通量换热管作为套管式换热器的管程，内部设置有不同参数的扰流元件用于增加管内流体的湍流程度并增强对换热管表面粉末的冲击强度，提高表面粉末脱落的速率。数据处理终端采集管程流量、壳程流量、管程进出口温度、壳程进出口温度、壳程压力以及脱落粉末质量并进行分析处理。本发明可以分析测试高通量换热管的表面金属粉末的喷涂质量，同时还可以基于此装置对高通量换热管的整体性能进行实验优化。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，包括水箱(1)、离心泵(3)、预热器(4)、第一涡轮流量计(5)、套管式换热器(6)、蒸汽发生器(7)、第二涡轮流量计(8)、沉降型离心机(9)、干燥器(10)、电子精密天平(11)、冷凝器(12)和数据处理终端(14)；
所述水箱(1)的出口通过设有离心泵(3)的管路后分为两路，第一管路与套管式换热器(6)的管程进口连通，第二管路与蒸汽发生器(7)的进口连通；所述第一管路沿水流方向依次设有预热器(4)和第一涡轮流量计(5)；所述管程出口通过第三管路与水箱(1)连通，第三管路上沿水流方向依次设有沉降型离心机(9)和冷凝器(12)；所述蒸汽发生器(7)的出口通过设有第二涡轮流量计(8)的第四管路与套管式换热器(6)的壳程进口连通，套管式换热器(6)的壳程出口通过第五管路与蒸汽发生器(7)的进口连通；所述沉降型离心机(9)通过干燥器(10)与电子精密天平(11)相连，用于将从套管式换热器(6)的管程中脱落的金属粉末离心分离干燥后测定质量；
所述套管式换热器(6)内部管程为高通量换热管，高通量换热管内表面附有烧结后附着的金属粉末且内部插设有扰流元件；所述高通量换热管的进口和出口处以及套管式换热器(6)壳程的进口和出口处分别设有用于固定温度传感器的温度传感器支座，套管式换热器(6)壳程顶部设有用于固定压力传感器的压力传感器支座；
所述第一涡轮流量计(5)、第二涡轮流量计(8)、高通量换热管进口和出口处的温度传感器、壳程进口和出口处的温度传感器、壳程的压力传感器和电子精密天平(11)均与数据处理终端(14)相连，并能将相应数据传输到数据处理终端(14)。
2.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述水箱(1)为恒温水箱。
3.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述预热器(4)外部包裹有保温材料。
4.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述离心泵(3)的出水管路处设有蓄能器(2)。
5.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述冷凝器(12)为套管式换热器，其上设有用于冷却液降温的制冷系统(13)。
6.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述扰流元件为沿高通量换热管内部轴向设置的螺旋状结构。
7.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述套管式换热器(6)中，管程和壳程的进口和出口相反设置。
8.根据权利要求1所述的一种高通量换热管表面质量测试装置，其特征在于，所述套管式换热器(6)为整体封闭且具有内腔的横置柱状结构，左右两端均开设贯通的孔洞并贯穿封闭固定有高通量换热管。
9.一种利用权利要求1～8任一所述高通量换热管表面质量测试装置的表面质量测试方法，其特征在于，具体如下：
S9-1：在测试前，将水箱(1)里的水加热使溶解在其中的气体逸出，随后调至初始温度并保持恒温；将压力传感器和温度传感器进行标定并安装到对应位置，用以测量套管式换热器(6)对应位置的压力和温度；
开启各管路上的阀门，调节蒸汽发生器(7)的蒸汽流量使套管式换热器(6)内部的水体沸腾；调节预热器(4)使水流通过其前后的温度差达到预设值；在高通量换热管内插入扰流元件并安装固定在套管式换热器(6)中，调节沉降型离心机(9)使脱落的金属粉末能尽可能得从液相中分离出来；调节冷凝器(12)和制冷装置(13)以改变制冷剂的流量，使回流至水箱(1)的水流温度降低到预设值；
S9-2：在测试时，开启离心泵(3)将水箱(1)中的水分别泵入预热器(4)和蒸汽发生器(7)中，调节预热器(4)和蒸汽发生器(7)前的阀门对进入预热器(4)和蒸汽发生器(7)中的水量进行控制；水经预热器(4)加热后通入套管式换热器(6)的管程，而蒸汽发生器(7)产生的蒸汽通入套管式换热器(6)的壳程，两相经高通量换热管进行换热，管程中的水被加热后沸腾并产生蒸汽；由于高通量换热管中插入有扰流元件，此时管程出口的蒸汽和剩余的水中金属粉末含量较高，将其通入沉降型离心机(9)中以使高通量换热管表面脱落的金属粉末分离出来，随后在干燥器(10)中将金属粉末表面附着的水分蒸发掉，然后输送至电子精密天平(11)上进行质量测量，数据实时传输至数据处理终端(14)；壳程中的高温蒸汽经换热后释放潜热凝结成水再次进入蒸汽发生器(7)中循环利用；
S9-3：在测试过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计(5)和第二涡轮流量计(8)的数据稳定不变后，随时间变化脱落的金属粉末质量在数据处理终端(14)直观呈现；通过计算流体力学软件FLUENT，选择相应的模型进行模拟，得出高通量换热管实际脱落的金属粉末质量，并换算成补偿系数输入数据处理终端(14)以对采集到的金属粉末质量进行补偿修正；补偿系数n的计算公式为：
式中，m模代表模拟得到的脱落金属粉末质量，m实代表实际测得的脱落金属粉末质量；然后按照根据工程具体需要而预先设定的标准得到高通量换热管的表面质量；
S9-4：测试结束后，依次关闭离心泵(3)开关、各管道阀门开关和仪表开关，并排空装置内的水。
10.一种利用权利要求1～8任一所述高通量换热管表面质量测试装置的整体性能优化方法，其特征在于，具体如下：
S10-1：在优化前，将水箱(1)里的水加热使溶解在其中的气体逸出，随后调至初始温度并保持恒温；将压力传感器和温度传感器进行标定并安装到对应位置，用以测量套管式换热器(6)对应位置的压力和温度；
开启各管路上的阀门，调节蒸汽发生器(7)的蒸汽流量使套管式换热器(6)内部的水体沸腾；调节预热器(4)使水流通过其前后的温度差达到预设值；在高通量换热管内插入扰流元件并安装固定在套管式换热器(6)中，调节沉降型离心机(9)使脱落的金属粉末能尽可能得从液相中分离出来；调节冷凝器(12)和制冷装置(13)以改变制冷剂的流量，使回流至水箱(1)的水流温度降低到预设值；
S10-2：在优化时，开启离心泵(3)将水箱(1)中的水分别泵入预热器(4)和蒸汽发生器(7)中，调节预热器(4)和蒸汽发生器(7)前的阀门对进入预热器(4)和蒸汽发生器(7)中的水量进行控制；水经预热器(4)加热后通入套管式换热器(6)的管程，而蒸汽发生器(7)产生的蒸汽通入套管式换热器(6)的壳程，两相经高通量换热管进行换热，管程中的水被加热后沸腾并产生蒸汽；由于高通量换热管中插入有扰流元件，此时管程出口的蒸汽和剩余的水中金属粉末含量较高，将其通入沉降型离心机(9)中以使高通量换热管表面脱落的金属粉末分离出来，随后在干燥器(10)中将金属粉末表面附着的水分蒸发掉，然后输送至电子精密天平(11)上进行质量测量，数据实时传输至数据处理终端(14)；壳程中的高温蒸汽经换热后释放潜热凝结成水再次进入蒸汽发生器(7)中循环利用；
S10-3：在优化过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计(5)和第二涡轮流量计(8)的数据稳定不变后，随时间变化脱落的金属粉末质量在数据处理终端(14)直观呈现；通过计算流体力学软件FLUENT，选择相应的模型进行模拟，得出高通量换热管实际脱落的金属粉末质量，并换算成补偿系数输入数据处理终端(14)以对采集到的金属粉末质量进行补偿修正；补偿系数n的计算公式为：
式中，m模代表模拟得到的脱落金属粉末质量，m实代表实际测得的脱落金属粉末质量；然后按照根据工程具体需要而预先设定的标准得到高通量换热管的表面质量；
S10-4：在优化过程中，待温度传感器、压力传感器、第一涡轮流量计(5)和第二涡轮流量计(8)的数据稳定不变后，数据处理终端(14)采集管程流量、壳程流量、管程进口温度、管程出口温度、壳程进口温度、壳程出口温度，并带入预先设置好的换热系数计算公式进行计算，得到套管式换热器(6)的换热性能；所述换热系数由下式计算得出：
式中，k为换热系数，h1为高通量换热管管内侧换热表面传热系数，h2为高通量换热管管外侧换热表面传热系数，Rw为高通量换热管管壁热阻。
S10-5：根据工程具体需要插入扰流元件后，在数据处理终端(14)键入换热性能和表面质量的变化对整体性能的影响系数；所述影响系数根据工程实际的侧重点进行设定，且换热性能和表面质量两者影响系数之和为1；
S10-6：更换不同几何形状和几何参数的扰流元件，重复步骤S10-1至S10-5，然后将不同扰流元件下的装置整体性能进行对比，得到最优的方案；
S10-5：优化试验结束后，依次关闭离心泵(3)开关、各管道阀门开关和仪表开关，并排空装置内的水。
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| CN117213895A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-12 | 山东正诺化工设备有限公司 | 一种低温工况下绕管式换热器检测装置 |
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| CN117213895B (zh) * | 2023-11-09 | 2024-01-30 | 山东正诺化工设备有限公司 | 一种低温工况下绕管式换热器检测装置 |
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