專利名稱：含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種冷凝換熱實驗裝置，具體地說是一種含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置。
背景技術：
蒸汽冷凝作為基本傳熱形式，能夠從較低溫差中獲得很高的換熱系數(shù)，因而廣泛應用于能源、動力、化工等諸多行業(yè)中。加強蒸汽冷凝換熱能力對提高換熱器熱效率意義重大，然而空氣等不凝性氣體對冷凝傳熱具有強烈的抑制作用，比如在水蒸汽中質量分數(shù)1%的空氣就能使傳熱系數(shù)降低60%，所以其定量研究近年來一直是傳熱學及相關領域的研究熱點。目前在海水淡化領域，含空氣的蒸汽冷凝換熱能力在一定程度上決定了露點蒸發(fā)淡化裝置的淡水產(chǎn)率，研究其強化途徑就為降低能耗、改進設備工藝等指明了方向；而在核動力裝置運行領域，含不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱的研究對核電站在事故工況下的熱量導出和冷凝器的安全運行具有非常重要的意義。目前針對含不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱，實驗研究是不可替代的途徑，但主要集中于水平管冷凝以及豎直管管內冷凝方面，對豎直管管外冷凝研究較少，尤其在多組分不凝性氣體和強化管條件下。而實驗裝置是獲取可靠數(shù)據(jù)必須倚靠的硬件設施，這就需要一種適用于豎直管管外冷凝并且含多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置。在已公開的冷凝實驗裝置中，專利申請?zhí)枮?9201616. 7的專利文件中公開的“凝汽器綜合實驗裝置”，只能進行水平管管外冷凝的教學演示實驗，也無法滿足科研實驗的精度要求；專利申請?zhí)枮?00820155479.6的專利文件中公開的“單管管內蒸發(fā)和冷凝一體化實驗裝置”，只能進行單管管內冷凝實驗。它們從結構上都不能進行豎直管管外冷凝實驗，而管道采取水平還是豎直布置以及蒸汽在管內或管外冷凝都會在氣體混合、凝液積聚等方面存在差異，冷凝傳熱特性也明顯不同。MITDehbi的實驗裝置(Dehb1. The Effects ofNon—condensable Gases on Steam Condensation underTurbulent Natural ConvectionConditions, 1991.)雖然能進行豎直管管外冷凝實驗，但是存在以下缺陷(I)將蒸汽源設在實驗體內部，為給數(shù)據(jù)測量留有足夠長的穩(wěn)定時間就需要很大的水空間，造成實驗體體積龐大，對實驗場地、筒體強度和密封性都有很高要求；若實驗體體積較小，頻繁補水將使系統(tǒng)壓力產(chǎn)生大幅波動，大大縮短穩(wěn)定時間，甚至根本無法穩(wěn)定，不能滿足測量精度要求。
(2)由于混合氣體各組分會存在較大密度差異，相反的蒸汽流向會產(chǎn)生截然不同的氣體混合效果，從而對冷凝傳熱產(chǎn)生明顯影響，該裝置不能改變蒸汽流向，無法研究蒸汽流向對冷凝傳熱的影響。(3)近管壁處不凝性氣體層分布對分析不凝性氣體對冷凝傳熱的抑制機理具有重要價值，氣體層內部的溫度、濃度參數(shù)都是極為重要的數(shù)據(jù)支持，但該裝置沒有對其設置任何測量裝置，不能進行這方面的實驗研究。(4)無法測量和調節(jié)蒸汽流量，換熱量只能通過冷卻水側測量，其準確性不能得到蒸汽側的驗證
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠滿足多種豎直單管和管束的管外冷凝換熱實驗要求的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、其它氣體供應系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷凝實驗體，冷凝實驗體包括殼體和設置于殼體內的實驗管，殼體的上部與下部分別設置上進氣管與下進氣管，上進氣管與下進氣管上分別安裝有上進氣閥與下進氣閥，上進氣管與下進氣管并聯(lián)后的主管線與蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)和其它氣體供應系統(tǒng)相連，殼體底部連接凝液罐，蒸汽在冷凝實驗體內凝結后、凝水從殼體底部向下流入凝液罐經(jīng)過排水閥排出，實驗管的上下兩端與冷卻水系統(tǒng)相連。本發(fā)明還可以包括1、所述蒸汽供應系統(tǒng)包括鍋爐，由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)蒸汽輸送管連接主管線，蒸汽輸送管上設置蒸汽流量計，蒸汽流量計的兩端設置截止閥。2、所述空氣供應系統(tǒng)主要由空壓機、儲氣罐、油氣分離器組成，空壓機向儲氣罐充氣，空氣經(jīng)過油氣分離器進入主管線，油氣分離器與主管線之間設置控制閥。3、其它氣體供應系統(tǒng)主要由高壓儲氣瓶和減壓閥組成，氣體由高壓儲氣瓶提供，經(jīng)過減壓閥進入主管線。 4、冷卻水系統(tǒng)包括水池、水泵、過濾器、冷卻水流量計、穩(wěn)壓罐,水泵從水池抽水后，冷卻水依次經(jīng)過過濾器、冷卻水流量計、穩(wěn)壓罐進入實驗管下端，在管內換熱后的冷卻水從實驗管上端引出經(jīng)過出口處調節(jié)閥返回水池，冷卻水流量由調節(jié)閥控制。5、所述蒸汽流量計為并列的兩個組成蒸汽流量計組，蒸汽流量計組的兩端都設置有豎直向下的疏水旁路。6、上進氣管與下進氣管上各設置一條豎直向上的排氣旁路，各排氣旁路上分別設置有排氣閥。7、冷凝實驗體上設置有氣體組分測量系統(tǒng)，所述氣體組分測量系統(tǒng)由取樣管、蛇形管、冷凝水箱、干燥器、氣體純度儀組成，所述取樣管的管口分布在沿實驗管軸向的多個截面上，混合氣體由取樣管進入浸在冷凝水箱的蛇形管，蒸汽凝結，凝水被干燥器吸收，干燥氣體進入氣體純度儀。8、所述蛇形管與水平面呈一定夾角。本發(fā)明提供了一種利用冷卻水單相強迫循環(huán)，研究含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝傳熱特性的實驗裝置，可進行多種尺寸、結構型式的豎直單管和管束的管外冷凝換熱實驗，能通過實驗研究蒸汽流向、不凝性氣體層等因素對冷凝換熱的影響機理，從而為換熱元件開發(fā)、優(yōu)化設計和換熱器的技術革新提供可靠的技術支持。本發(fā)明的技術方案的特點包括本發(fā)明的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置主要由蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、其它氣體供應系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷凝實驗體、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。蒸汽供應系統(tǒng)主要由鍋爐和流量計組成，蒸汽由鍋爐產(chǎn)生，流經(jīng)蒸汽流量計進入主管線。空氣供應系統(tǒng)主要由空壓機、儲氣罐、油氣分離器組成，空壓機向儲氣罐充氣，空氣經(jīng)過油氣分離器進入主管線。其它氣體供應系統(tǒng)主要由高壓儲氣瓶和減壓閥組成，氣體由高壓儲氣瓶提供，經(jīng)過減壓閥進入主管線。各供氣管線匯合到主管線后，主管線又分成兩路進氣管線，分別經(jīng)過上進氣閥、下進氣閥通往冷凝實驗體殼側上、下部。蒸汽在冷凝實驗體內凝結后，凝水從實驗體底部向下流入凝液罐，最后經(jīng)過排水閥排出。冷卻水系統(tǒng)中，水泵從水池抽水后，冷卻水依次經(jīng)過過濾器、流量計、穩(wěn)壓罐進入實驗管，在管內換熱后經(jīng)出口處調節(jié)閥返回水池，流量由實驗管出口處的調節(jié)閥控制。蒸汽和冷卻水的流量測量均采用流量計組，流量計組內流量計數(shù)量根據(jù)實驗需要確定，量程從小到大相互銜接，覆蓋所需的流量范圍。根據(jù)預定流量，匹配不同量程的流量計，能夠保證蒸汽和冷卻水流量測量的準確性。在蒸汽流量計組兩端都設置有豎直向下的疏水旁路，以排出流量計前后由管道散熱產(chǎn)生的積水，防止兩相流體干擾流量測量，并導致系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定。兩路進氣管線利用上、下進氣閥改變蒸汽流向，以便比較不同蒸汽流向對冷凝換熱的影響，并能促進氣體均勻混合，有效防止氣體分層。進氣管線還各設置了一條豎直向上的排氣旁路，用排氣閥排氣改變氣體組分。冷凝實驗體下方安裝有凝液罐，以防止凝水重新蒸發(fā)，影響實驗測量。其外部設置水位計監(jiān)測水位，超過預定水位就打開排水閥排出凝水。為防止排凝水時汽蝕損壞排水閥，凝水泄漏影響換熱量測量和比對，此處設置內、外兩個排水閥。壓力測量系統(tǒng)由測量下列各處壓力的儀表組成冷凝實驗體的氣體壓力、蒸汽流量計處的蒸汽壓力、冷卻水在實驗管出口和穩(wěn)壓罐處的壓力。在對測量和調節(jié)精度要求高的測點，可安裝多個壓力變送器和壓力表相互比對，提高測量準確性和可調性。氣體組分測量系統(tǒng)由取樣管、蛇形管、冷凝水箱、干燥器、氣體純度儀組成，除蒸汽、空氣外的每種氣體都需要配備與之對應的氣體純度儀。取樣管管口分布在沿實驗管軸向的多個截面上，氣體沿著取樣管進入純度儀，取各截面平均值作為結果。對只能測量干燥氣體組分的純度儀，混合氣體由取樣管進入浸在冷凝水箱的蛇形管，蒸汽凝結，凝水被干燥器吸收，干燥氣體進入氣體純度儀。蛇形管與水平面呈一定夾角，有利于疏水，防止凝水堵塞管道，降低測量結果準確性。除壓力表、凝液罐水位計和氣體純度儀讀數(shù)外，其余溫度、流量和壓力數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入PC機，采用軟件對實驗數(shù)據(jù)進行采集、計算、顯示的操作，實現(xiàn)對實驗工況的實時監(jiān)測，同時還可以對所有的數(shù)據(jù)進行存盤、處理、打印，以供后期深入研究使用。根據(jù)上述溫度、壓力、流量和水位數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠從冷卻水側、蒸汽側和凝液側分別計算出換熱量并實時監(jiān)測，通過比較三種途徑計算結果驗證測量系統(tǒng)的準確性。根據(jù)混合氣體壓力和主流溫度、氣體純度儀示數(shù)，無需測量排放流量和組分，就可以直接計算出實驗體內各組成氣體占比。不僅使氣體組分計算更為快捷簡便，而且能夠實時監(jiān)測當前混合氣體組分，提高實驗進行時組分控制的可操作性。計算過程如下混合氣體中，蒸汽在其分壓下呈飽和狀態(tài)，混合氣體穩(wěn)態(tài)溫度就是蒸汽飽和溫度ts,查得對應的蒸汽分壓ps(t)。根據(jù)Agmat分體積定律和Dalton分壓定律,蒸汽體積分數(shù)
某氣體的純度儀示數(shù)是該組成氣體的體積分數(shù)C()i，空氣體積分數(shù)
權利要求
1.含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，包括蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、其它氣體供應系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷凝實驗體，其特征是冷凝實驗體包括殼體和設置于殼體內的實驗管，殼體的上部與下部分別設置上進氣管與下進氣管，上進氣管與下進氣管上分別安裝有上進氣閥與下進氣閥，上進氣管與下進氣管并聯(lián)后的主管線與蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)和其它氣體供應系統(tǒng)相連，殼體底部連接凝液罐，蒸汽在冷凝實驗體內凝結后、凝水從殼體底部向下流入凝液罐經(jīng)過排水閥排出，實驗管的上下兩端與冷卻水系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是所述蒸汽供應系統(tǒng)包括鍋爐，由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)蒸汽輸送管連接主管線，蒸汽輸送管上設置蒸汽流量計，蒸汽流量計的兩端設置截止閥。
3.根據(jù)權利要求2所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是所述空氣供應系統(tǒng)主要由空壓機、儲氣罐、油氣分離器組成，空壓機向儲氣罐充氣，空氣經(jīng)過油氣分離器進入主管線，油氣分離器與主管線之間設置控制閥。
4.根據(jù)權利要求3所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是其它氣體供應系統(tǒng)主要由高壓儲氣瓶和減壓閥組成，氣體由高壓儲氣瓶提供，經(jīng)過減壓閥進入主管線。
5.根據(jù)權利要求4所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是冷卻水系統(tǒng)包括水池、水泵、過濾器、冷卻水流量計、穩(wěn)壓罐，水泵從水池抽水后，冷卻水依次經(jīng)過過濾器、冷卻水流量計、穩(wěn)壓罐進入實驗管下端，在管內換熱后的冷卻水從實驗管上端引出經(jīng)過出口處調節(jié)閥返回水池，冷卻水流量由調節(jié)閥控制。
6.根據(jù)權利要求5所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是所述蒸汽流量計為并列的兩個組成蒸汽流量計組，蒸汽流量計組的兩端都設置有豎直向下的疏水芳路。
7.根據(jù)權利要求6所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是上進氣管與下進氣管上各設置一條豎直向上的排氣旁路，各排氣旁路上分別設置有排氣閥。
8.根據(jù)權利要求7所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是冷凝實驗體上設置有氣體組分測量系統(tǒng)，所述氣體組分測量系統(tǒng)由取樣管、蛇形管、冷凝水箱、干燥器、氣體純度儀組成，所述取樣管的管口分布在沿實驗管軸向的多個截面上，混合氣體由取樣管進入浸在冷凝水箱的蛇形管，蒸汽凝結，凝水被干燥器吸收，干燥氣體進入氣體純度儀。
9.根據(jù)權利要求8所述的含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置，其特征是所述蛇形管與水平面呈一定夾角。
全文摘要
本發(fā)明提供的是含有多組分不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱實驗裝置。包括蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、其它氣體供應系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷凝實驗體，冷凝實驗體包括殼體和設置于殼體內的實驗管，殼體的上部與下部分別設置上進氣管與下進氣管，上進氣管與下進氣管上分別安裝有上進氣閥與下進氣閥，上進氣管與下進氣管并聯(lián)后的主管線與蒸汽供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)和其它氣體供應系統(tǒng)相連，殼體底部連接凝液罐，蒸汽在冷凝實驗體內凝結后、凝水從殼體底部向下流入凝液罐經(jīng)過排水閥排出，實驗管的上下兩端與冷卻水系統(tǒng)相連。本發(fā)明可進行多種尺寸、結構型式的豎直單管和管束的管外冷凝換熱實驗，研究蒸汽流向、不凝性氣體層等因素對冷凝換熱的影響機理。
文檔編號G01N25/20GK103033532SQ20121054038
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權日2012年12月14日
發(fā)明者范廣銘, 丁銘, 孫中寧, 郭子萱, 宿吉強, 閻昌琪, 孫立成, 王建軍, 曹夏昕, 谷海峰 申請人:哈爾濱工程大學