含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置

摘要

本发明提供的是含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置。包括蒸汽供应系统、空气供应系统、其它气体供应系统、冷却水系统和冷凝实验体，冷凝实验体包括壳体和设置于壳体内的实验管，壳体的上部与下部分别设置上进气管与下进气管，上进气管与下进气管上分别安装有上进气阀与下进气阀，上进气管与下进气管并联后的主管线与蒸汽供应系统、空气供应系统和其它气体供应系统相连，壳体底部连接凝液罐，蒸汽在冷凝实验体内凝结后、凝水从壳体底部向下流入凝液罐经过排水阀排出，实验管的上下两端与冷却水系统相连。本发明可进行多种尺寸、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。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种冷凝换热实验装置，具体地说是一种含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置。

背景技术

蒸汽冷凝作为基本传热形式，能够从较低温差中获得很高的换热系数，因而广泛应用于能源、动力、化工等诸多行业中。加强蒸汽冷凝换热能力对提高换热器热效率意义重大，然而空气等不凝性气体对冷凝传热具有强烈的抑制作用，比如在水蒸汽中质量分数1%的空气就能使传热系数降低60%，所以其定量研究近年来一直是传热学及相关领域的研究热点。目前在海水淡化领域，含空气的蒸汽冷凝换热能力在一定程度上决定了露点蒸发淡化装置的淡水产率，研究其强化途径就为降低能耗、改进设备工艺等指明了方向；而在核动力装置运行领域，含不凝性气体的蒸汽冷凝换热的研究对核电站在事故工况下的热量导出和冷凝器的安全运行具有非常重要的意义。

目前针对含不凝性气体的蒸汽冷凝换热，实验研究是不可替代的途径，但主要集中于水平管冷凝以及竖直管管内冷凝方面，对竖直管管外冷凝研究较少，尤其在多组分不凝性气体和强化管条件下。而实验装置是获取可靠数据必须倚靠的硬件设施，这就需要一种适用于竖直管管外冷凝并且含多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置。在已公开的冷凝实验装置中，专利申请号为89201616.7的专利文件中公开的“凝汽器综合实验装置”，只能进行水平管管外冷凝的教学演示实验，也无法满足科研实验的精度要求；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”，只能进行单管管内冷凝实验。它们从结构上都不能进行竖直管管外冷凝实验，而管道采取水平还是竖直布置以及蒸汽在管内或管外冷凝都会在气体混合、凝液积聚等方面存在差异，冷凝传热特性也明显不同。MITDehbi的实验装置（Dehbi.The Effects of Non-condensable Gases on Steam Condensation underTurbulent Natural Convection Conditions,1991.）虽然能进行竖直管管外冷凝实验，但是存在以下缺陷：（1）将蒸汽源设在实验体内部，为给数据测量留有足够长的稳定时间就需要很大的水空间，造成实验体体积庞大，对实验场地、筒体强度和密封性都有很高要求；若实验体体积较小，频繁补水将使系统压力产生大幅波动，大大缩短稳定时间，甚至根本无法稳定，不能满足测量精度要求。（2）由于混合气体各组分会存在较大密度差异，相反的蒸汽流向会产生截然不同的气体混合效果，从而对冷凝传热产生明显影响，该装置不能改变蒸汽流向，无法研究蒸汽流向对冷凝传热的影响。（3）近管壁处不凝性气体层分布对分析不凝性气体对冷凝传热的抑制机理具有重要价值，气体层内部的温度、浓度参数都是极为重要的数据支持，但该装置没有对其设置任何测量装置，不能进行这方面的实验研究。（4）无法测量和调节蒸汽流量，换热量只能通过冷却水侧测量，其准确性不能得到蒸汽侧的验证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够满足多种竖直单管和管束的管外冷凝换热实验要求的含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括蒸汽供应系统、空气供应系统、其它气体供应系统、冷却水系统和冷凝实验体，冷凝实验体包括壳体和设置于壳体内的实验管，壳体的上部与下部分别设置上进气管与下进气管，上进气管与下进气管上分别安装有上进气阀与下进气阀，上进气管与下进气管并联后的主管线与蒸汽供应系统、空气供应系统和其它气体供应系统相连，壳体底部连接凝液罐，蒸汽在冷凝实验体内凝结后、凝水从壳体底部向下流入凝液罐经过排水阀排出，实验管的上下两端与冷却水系统相连。

本发明还可以包括：

1、所述蒸汽供应系统包括锅炉，由锅炉产生的蒸汽经蒸汽输送管连接主管线，蒸汽输送管上设置蒸汽流量计，蒸汽流量计的两端设置截止阀。

2、所述空气供应系统主要由空压机、储气罐、油气分离器组成，空压机向储气罐充气，空气经过油气分离器进入主管线，油气分离器与主管线之间设置控制阀。

3、其它气体供应系统主要由高压储气瓶和减压阀组成，气体由高压储气瓶提供，经过减压阀进入主管线。

4、冷却水系统包括水池、水泵、过滤器、冷却水流量计、稳压罐，水泵从水池抽水后，冷却水依次经过过滤器、冷却水流量计、稳压罐进入实验管下端，在管内换热后的冷却水从实验管上端引出经过出口处调节阀返回水池，冷却水流量由调节阀控制。

5、所述蒸汽流量计为并列的两个组成蒸汽流量计组，蒸汽流量计组的两端都设置有竖直向下的疏水旁路。

6、上进气管与下进气管上各设置一条竖直向上的排气旁路，各排气旁路上分别设置有排气阀。

7、冷凝实验体上设置有气体组分测量系统，所述气体组分测量系统由取样管、蛇形管、冷凝水箱、干燥器、气体纯度仪组成，所述取样管的管口分布在沿实验管轴向的多个截面上，混合气体由取样管进入浸在冷凝水箱的蛇形管，蒸汽凝结，凝水被干燥器吸收，干燥气体进入气体纯度仪。

8、所述蛇形管与水平面呈一定夹角。

本发明提供了一种利用冷却水单相强迫循环，研究含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝传热特性的实验装置，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，能通过实验研究蒸汽流向、不凝性气体层等因素对冷凝换热的影响机理，从而为换热元件开发、优化设计和换热器的技术革新提供可靠的技术支持。

本发明的技术方案的特点包括：

本发明的含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置主要由蒸汽供应系统、空气供应系统、其它气体供应系统、冷却水系统、冷凝实验体、测量系统和数据采集系统组成。蒸汽供应系统主要由锅炉和流量计组成，蒸汽由锅炉产生，流经蒸汽流量计进入主管线。空气供应系统主要由空压机、储气罐、油气分离器组成，空压机向储气罐充气，空气经过油气分离器进入主管线。其它气体供应系统主要由高压储气瓶和减压阀组成，气体由高压储气瓶提供，经过减压阀进入主管线。各供气管线汇合到主管线后，主管线又分成两路进气管线，分别经过上进气阀、下进气阀通往冷凝实验体壳侧上、下部。蒸汽在冷凝实验体内凝结后，凝水从实验体底部向下流入凝液罐，最后经过排水阀排出。冷却水系统中，水泵从水池抽水后，冷却水依次经过过滤器、流量计、稳压罐进入实验管，在管内换热后经出口处调节阀返回水池，流量由实验管出口处的调节阀控制。

蒸汽和冷却水的流量测量均采用流量计组，流量计组内流量计数量根据实验需要确定，量程从小到大相互衔接，覆盖所需的流量范围。根据预定流量，匹配不同量程的流量计，能够保证蒸汽和冷却水流量测量的准确性。

在蒸汽流量计组两端都设置有竖直向下的疏水旁路，以排出流量计前后由管道散热产生的积水，防止两相流体干扰流量测量，并导致系统压力不稳定。

两路进气管线利用上、下进气阀改变蒸汽流向，以便比较不同蒸汽流向对冷凝换热的影响，并能促进气体均匀混合，有效防止气体分层。进气管线还各设置了一条竖直向上的排气旁路，用排气阀排气改变气体组分。

冷凝实验体下方安装有凝液罐，以防止凝水重新蒸发，影响实验测量。其外部设置水位计监测水位，超过预定水位就打开排水阀排出凝水。为防止排凝水时汽蚀损坏排水阀，凝水泄漏影响换热量测量和比对，此处设置内、外两个排水阀。

压力测量系统由测量下列各处压力的仪表组成：冷凝实验体的气体压力、蒸汽流量计处的蒸汽压力、冷却水在实验管出口和稳压罐处的压力。在对测量和调节精度要求高的测点，可安装多个压力变送器和压力表相互比对，提高测量准确性和可调性。

气体组分测量系统由取样管、蛇形管、冷凝水箱、干燥器、气体纯度仪组成，除蒸汽、空气外的每种气体都需要配备与之对应的气体纯度仪。取样管管口分布在沿实验管轴向的多个截面上，气体沿着取样管进入纯度仪，取各截面平均值作为结果。对只能测量干燥气体组分的纯度仪，混合气体由取样管进入浸在冷凝水箱的蛇形管，蒸汽凝结，凝水被干燥器吸收，干燥气体进入气体纯度仪。蛇形管与水平面呈一定夹角，有利于疏水，防止凝水堵塞管道，降低测量结果准确性。

除压力表、凝液罐水位计和气体纯度仪读数外，其余温度、流量和压力数据均由数据采集系统输入PC机，采用软件对实验数据进行采集、计算、显示的操作，实现对实验工况的实时监测，同时还可以对所有的数据进行存盘、处理、打印，以供后期深入研究使用。

根据上述温度、压力、流量和水位数据，利用数据采集系统，能够从冷却水侧、蒸汽侧和凝液侧分别计算出换热量并实时监测，通过比较三种途径计算结果验证测量系统的准确性。

根据混合气体压力和主流温度、气体纯度仪示数，无需测量排放流量和组分，就可以直接计算出实验体内各组成气体占比。不仅使气体组分计算更为快捷简便，而且能够实时监测当前混合气体组分，提高实验进行时组分控制的可操作性。计算过程如下：

混合气体中，蒸汽在其分压下呈饱和状态，混合气体稳态温度就是蒸汽饱和温度t_s，查得对应的蒸汽分压p_s(t)。

根据Agmat分体积定律和Dalton分压定律，蒸汽体积分数

某气体的纯度仪示数是该组成气体的体积分数空气体积分数

其它气体的分压

某组成气体的质量分数

$>{\omega }_i=\frac{m_i}{\mathrm{\Sigma m}}=\frac{M_i{n}_i}{\Sigma M_i{n}_i}=\frac{M_i{p}_i}{\Sigma M_i{p}_i}$>

混合气体主流平均温度，由气体主流各截面的热电偶测温求均值。

p：混合气体总压力，由冷凝实验体的压力仪表测量。

M_i：该组成气体的摩尔质量，蒸汽按18g/mol，空气按29g/mol计算。

对于只能测量干燥气体组分的纯度仪，除湿后纯度仪的示数为

其它气体的分压

空气分压

则某组成气体的体积分数

所述的含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置，在实验管处存在能量守恒，即壳侧气体放热量

$>Q=k{A}_o·({\bar{t}}_{\infty }-{\bar{t}}_w)$>

管侧冷却水吸热量

Q＝M_f(h_fo-h_fi)

得冷凝传热系数

$>k=\frac{M_f(h_{\mathrm{fo}}-h_{\mathrm{fi}})}{A_o({\bar{t}}_{\infty }-{\bar{t}}_{\mathrm{wo}})}$>

A_o：实验管冷凝段外表面积，由设计尺寸算得。冷凝段外壁面温度，由外壁面各截面的热电偶测温求均值。

M_f：冷却水质量流量，由冷却水流量计测量。

h_fi：冷却水入口焓，由冷却水在稳压罐处压力和入口温度查表得到。

h_fo：冷却水出口焓，由冷却水出口压力、温度查表得到。

本发明的有益效果是：利用冷却水单相强迫循环，在多组分不凝性气体的条件下，对竖直单管和管束进行蒸汽管外冷凝传热特性的实验研究，是冷凝换热元件开发、优化设计以及换热器技术革新重要的实验装置。该装置能实现：（1）进行不同尺寸、结构型式的竖直单管和管束的管外冷凝传热实验，并对不同位置的局部冷凝换热情况进行研究；（2）改变蒸汽流向，比较不同蒸汽流向对冷凝换热的影响；（3）对实验数据实时监测，根据稳态参数，连续测量并监控气体组分；（4）模拟实际冷凝环境，比较不同气体对冷凝传热的影响；（5）冷却水流量能在大范围内准确调节，保证温升满足实验测量要求。

附图说明

附图是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：

主要由蒸汽供应系统、空气供应系统、其它气体供应系统、冷却水系统、冷凝实验体1、测量系统和数据采集系统组成。蒸汽供应系统主要由锅炉2和流量计3组成，蒸汽由锅炉2产生，流经蒸汽流量计3进入主管线。空气供应系统主要由空压机5、储气罐6、油气分离器7组成，空压机5向储气罐6充气，空气经过油气分离器7进入主管线。其它气体供应系统主要由高压储气瓶8和减压阀9组成，气体由高压储气瓶8提供，经过减压阀9进入主管线。各供气管线汇合到主管线后，主管线又分成两路进气管线，分别经过上进气阀10、下进气阀11通往冷凝实验体1壳侧上、下部。蒸汽在冷凝实验体1内凝结后，凝水从实验体1底部向下流入凝液罐14，最后经过排水阀15、16排出。冷却水系统中，水泵18从水池17抽水后，冷却水依次经过过滤器19、流量计20、稳压罐21进入实验管，在管内换热后经过出口处调节阀23返回水池17，流量由调节阀23控制。

蒸汽和冷却水的流量测量均采用了流量计组3、20，流量计组内流量计数量根据实验需要确定，量程从小到大相互衔接，覆盖所需的流量范围。根据预定流量，匹配不同量程的流量计，能够保证蒸汽和冷却水流量测量的准确性。

在蒸汽流量计组3两端，都设置有竖直向下的疏水旁路，以排出流量计3前后由管道散热产生的积水，防止两相流体干扰流量测量，并导致系统压力不稳定。

两路进气管线利用上进气阀10和下进气阀11改变蒸汽流向，以便比较不同蒸汽流向对冷凝换热的影响，并能促进气体均匀混合，有效防止气体分层。进气管线还各设置了一条竖直向上的排气旁路，用排气阀12、13排气改变气体组分。

冷凝实验体1下方安装有凝液罐14，防止积聚的凝水重新蒸发，影响实验测量。其外部设置水位计监测水位，超过预定水位就打开排水阀15、16排出凝水。为防止排凝水时汽蚀损坏排水阀，凝水泄漏影响换热量测量和比对，此处设置内、外两个排水阀。

温度测量系统由测量下列各处温度的热电偶组成：蒸汽在流量计3出口和冷凝实验体1进气口处的温度、混合气体的主流和近管壁处温度、冷却水进出口温度、实验管22外壁面温度强化管指基管的外壁温和凝液罐14凝水温度。

压力测量系统由测量下列各处压力的仪表组成：冷凝实验体1的气体压力、蒸汽流量计3处的蒸汽压力、冷却水在实验管22出口和稳压罐21处的压力。在对测量和调节精度要求高的测点，可安装压力变送器和压力表相互比对，提高测量准确性和可调性。

气体组分测量系统由取样管24、蛇形管25、冷凝水箱26、干燥器27、气体纯度仪28组成，除蒸汽、空气外的每种气体都需要配备与之对应的气体纯度仪28。取样管24管口分布在沿实验管22轴向的多个截面上，气体沿着取样管24进入纯度仪28，取各截面平均值作为结果。对只能测量干燥气体组分的纯度仪28，混合气体由取样管24进入浸在冷凝水箱26的蛇形管25，蒸汽凝结，凝水被干燥器27吸收，干燥气体进入气体纯度仪28。蛇形管25与水平面呈一定夹角，有利于疏水，防止凝水堵塞管道，降低测量结果准确性。

除压力表、凝液罐14水位计和气体纯度仪28的读数外，其余温度、流量和压力数据均由数据采集系统输入PC机，采用专门编制的软件进行采集、计算、显示，实现对实验工况的实时监测，同时还可以对所有的数据进行存盘、处理、打印，以供后期深入研究使用。

根据上述温度、压力、流量和水位数据，能够从冷却水侧、蒸汽侧和凝液侧分别计算出换热量并实时监测，通过比较三种途径的计算结果验证测量系统准确性。

根据混合气体压力和主流温度、气体纯度仪28示数，就可以直接计算出组成气体的占比，不仅使气体组分计算更简便，而且能够实时监测当前混合气体组分，提高实验中组分控制的可操作性。

用于纯蒸汽冷凝换热实验，其技术方案1是：冷却水侧，启动水泵18从水池17抽水，冷却水依次经过过滤器19、流量计20、稳压罐21后进入实验管22，在管内换热后，经过出口处调节阀23返回水池17，流量由调节阀23调节。蒸汽侧，启动锅炉2，待其压力升高到0.03MPa左右，打开蒸汽阀门、上进气阀10和排水阀15、16，蒸汽经过流量计3进入冷凝实验体1和凝液罐14，最后排出，逐渐排净冷凝实验体1和凝液罐14中的空气。半小时后，关闭排水阀15、16，将锅炉压力和冷却水流量升高到预定值，蒸汽在实验管22冷凝段表面凝结后，凝水流入凝液罐14。当凝水水位超过预定水位后，先全开内排水阀15，再打开外排水阀16开始排水；待水位下降到低水位后，先关外阀16，再关内阀15，保护内阀15免受汽蚀。

用于含有空气的蒸汽冷凝换热实验，其技术方案2是：为防止气体分层，先由上进气管线向冷凝实验体1通入空气，再由下进气管线通入蒸汽。冷却水循环同技术方案1。空气侧，启动空压机5向储气罐6充气升压，到达一定压力后关闭空压机5。打开空气阀后，空气经过油气分离器7和上进气阀10进入冷凝实验体1，达到预定压力后关闭空气阀和上进气阀10。蒸汽侧，启动锅炉2，待其压力升高到预定值，依次打开下进气阀11和蒸汽阀门，蒸汽经过流量计3进入冷凝实验体1，在冷凝段外壁面凝结后，凝水流入凝液罐14，排放凝水同技术方案1。

本装置通过排气的方式改变气体组分。打开上排气阀12排气，当气体温度即将升高到下一工况预定温度时关闭上排气阀12。待混合气体压力、温度稳定后，根据系统稳态参数判断是否达到实验要求。

用于含有空气、氦气的蒸汽冷凝换热实验，其技术方案3是：为防止气体分层，先由上进气管线向冷凝实验体1通入空气，再由下进气管线依次通入氦气和蒸汽。冷却水循环同技术方案1，空气侧运行同技术方案2。氦气侧，打开下进气阀11，调节减压阀9，氦气直接从高压储气瓶8进入冷凝实验体1，达到预定压力后关闭减压阀9。蒸汽侧运行和排气改变组分同技术方案2。

氦气测量系统中，打开任一截面取样管24的阀门，混合气体沿着取样管24进入浸泡在冷凝水箱26中的蛇形管25，蒸汽凝结，凝水进入干燥器27被吸收，干燥气体进入氦气纯度仪28测量，取各截面测量结果平均值作为结果。