一种深低温冷凝换热过程的可视化实验装置

摘要

本发明公开了一种深低温冷凝换热过程的可视化实验装置，包括真空箱、盛装并气化深低温液体的再沸器、与再沸器上部连通用以输出蒸汽的蒸汽排出管、与蒸汽排出管连通用以接收并冷凝蒸汽的冷凝装置以及用于向冷凝装置提供冷量的储液池，真空箱的侧壁具有透明光窗。本发明中深低温液体被再沸器加热蒸发后，通过蒸汽排出管进入冷凝装置，冷凝后流回再沸器，通过设置可视光窗能实现可视化，并且能实时准确地测量数据,还可以通过充入与所研究的气体不同的其他气体来研究混合气体的冷凝以及不凝性气体对冷凝的影响。当再沸器中的液位和蒸汽排出管的压力不变时，再沸器的加热量等于测试板上的蒸汽冷凝换热量，以此可以间接测得蒸汽冷凝换热量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷凝换热实验装置，尤其涉及一种可实现深低温流体冷凝换热测量及可视化的实验装置。

背景技术

工业气体是现代工业的“血液”，其应用遍及钢铁、冶金、化工、造船、汽车、医药、食品、电子、石油、航空航天等诸多重要领域。随着经济快速发展，工业气体的需求也在激增。目前工业气体大都由空气分离而来，空气分离(简称空分)装置是以空气为原料生产氧、氮及其他稀有气体的装置。现代空气分离装置规模越来越大型化，能耗问题变得更加突出。

空分装置中的主冷凝蒸发器(简称主冷)是使下塔顶部氮气冷凝，上塔底部液氧蒸发，以提供下塔回流液和上塔上升蒸气的装置，目前一般采用板翅式换热器。主冷是空分装置中的关键设备，其结构和性能对空分装置的能耗及效率有直接影响。一般来讲，主冷换热温差每降0.5K，整套空分装置能耗即下降2.46％，而这依靠对其内部流体流动与传热机理的深入研究和结构的优化设计来实现。

目前研究者们对于主冷的研究主要集中在蒸发侧的换热强化上，而对于冷凝侧研究很少，因为一般认为主冷中的换热热阻以蒸发侧为主。实际上，常温下流体的沸腾热阻往往是比冷凝侧热阻大一个数量级，但在深低温下，沸腾热阻与冷凝热阻大体相当，而氢的沸腾热阻比冷凝热阻甚至要小。具体地，在主冷中，冷凝侧热阻大小约为蒸发侧的30％～60％，且随着热流密度增大，两者差别逐渐减小。纯净蒸气膜状凝结时，热阻一般是很小的，但若蒸汽中含有不凝性气体，则会显著降低冷凝传热系数，增大冷凝换热的热阻，例如水蒸气中质量含量占1％的不凝性空气能使冷凝传热系数降低60％。在主冷实际运行时，氮气中往往含有一定量的氖、氦等不凝性气体，这也导致实际运行中主冷中冷凝侧热阻的增大，阻碍了主冷换热温差的减小和换热效率的提升。

主冷的翅片中流体的主要流动形式是有相变的气液两相流动，并且属于微通道内有相变的两相流动，其传热与流动机理复杂多样，深刻地与两相流动的流型直接相关，不同的流型下传热与水力学特性相差很大，不掌握这些流型信息就无法深入研究主冷中的物理过程。

要准确判断流型就必须要使用可视化的方法，现有技术中对冷凝过程的可视化研究都是在常温下进行，研究水蒸气及制冷剂的冷凝过程，如赵剑刚等使用S270A型红外热成像仪研究了水蒸汽射入水中和在过冷液面的凝结特性，测定了系统的瞬态温度场；管鹏等采用CCD(高速摄影系统)拍摄,来记录翅片管上的凝结现象，。Garimella综述了现有的毫米级小管道中水和制冷剂冷凝的可视化研究成果，总结了毫米级小管道中冷凝的流型。

但截至目前还鲜见对深低温下的冷凝过程进行可视化研究的先例，究其原因，是深低温环境对可视化装置的密封和绝热提出了很高的要求，涉及诸多技术问题，比常温下可视化的难度大很多，常温下的可视化装置是无法用于研究深低温冷凝的。

本发明涉及的深低温冷凝是指在深低温温区内(120K以下)发生的冷凝现象，通常为氮、氧、氦等工质的冷凝。目前极少见到有对主冷翅片中的气液两相流动进行可视化观测的研究，对流型的研究几乎是空白，导致主冷翅片中两相流动的基础理论不完善，这无疑也限制了主冷的优化设计和效率提高。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种深低温冷凝换热过程的可视化实验装置。解决了现有可视化实验装置不能适用于研究深低温冷凝的问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种深低温冷凝换热过程的可视化实验装置，包括真空箱以及位于该真空箱内部的：

再沸器，用于盛装并气化深低温液体；

蒸汽排出管，与再沸器的上部连通用以输出蒸汽；

冷凝装置，与蒸汽排出管连通用以接收并冷凝蒸汽；

储液池，用于向冷凝装置提供冷量；

所述真空箱的侧壁具有与冷凝装置位置对应的透明光窗。

本发明工作时通过再沸器向冷凝装置输送蒸汽，在储液池提供的冷量的作用下蒸汽在冷凝装置内冷凝，用户可以将高速摄像仪对准透明光窗，记录冷凝过程，以此实现深低温冷凝换热过程的可视化。

作为优选，还包括回液管，所述回液管一端与冷凝装置的冷凝液出口连通，另一端与再沸器的底部连通。

通过设置回液管能实现冷凝与蒸发的自然循环，冷凝装置、回液管、再沸器、蒸汽排出管构成了一个完整的封闭回路，当再沸器的液位以及蒸汽排出管中蒸汽压力不变时，再沸器中加热器的加热量等于冷凝装置内蒸汽冷凝换热量。因为蒸汽冷凝换热量不易直接求得，通过这种设置可以间接测得蒸汽冷凝换热量。

回液管的一端伸入再沸器的底部，即回液管的出液端在再沸器内深低温液体的液面下方，这能够防止蒸汽进入回液管后阻碍冷凝后的深低温液体从回液管流下。

作为优选，所述蒸汽排出管包括：

测试整流部，一端与冷凝装置的蒸汽入口连通，另一端密封且穿出至真空箱外；

传送部，一端与再沸器的上部连通，另一端与测试整流部的侧壁连通；

所述测试整流部穿出真空箱的部分设有压力传感器，测试整流部靠近冷凝装置的一端设有第一温度传感器。

测试整流部能够测得进入冷凝装置的蒸汽的温度和压力。

作为优选，所述测试整流部包括：

管体，一端密封且穿出真空箱，所述传送部与管体的侧壁连通；

测量管，与管体穿出真空箱的部分连通，且测量管上设有排气阀和所述压力传感器；

整流器，设置在管体的下端，且整流器通过管路与冷凝装置的蒸汽入口连通；

环氧树脂棒，设置在管体内并与管体固定，所述第一温度传感器设置在环氧树脂棒上。

测量管上安装排气阀，可使得装置不仅能实现纯蒸汽的冷凝换热可视化测量，还可以通过充入与所研究的气体不同的其他气体来研究混合气体的冷凝以及不凝性气体对冷凝的影响。如所研究的气体为氮气时，可以充入氦气、氢气等比氮气沸点低气体。

通过将第一温度传感器设置在环氧树脂棒上，使得传感器不与管体的金属壁面接触，保证测得蒸汽温度准确可靠。

作为优选，还包括设置在真空箱内，位于储液池上方且与储液池连通的补液池，所述补液池的侧壁设有至少一个第二温度传感器，所述第二温度传感器所在位置为低液位提醒位置，所述补液池的上端具有穿出真空箱的排气管。第二温度传感器可以设置在补液池的内侧壁也可以设置在补液池的外侧壁，为了使装配、调试等更为简单，作为优选，第二温度传感器可以设置在补液池的外侧壁上。

储液池因与冷凝装置相连，必须始终保持满液状态。故在其上设计补液池，起缓冲作用，补液池能够对储液池进行补液，保证储液池一直是满液状态。当补液池中深低温液体的液位低于所布置第二温度传感器的位置后，第二温度传感器测得温度会明显上升，从而可以监测补液池的液位并及时补充深低温液体。

作为优选，所述冷凝装置包括壳体，该壳体内设有分别与蒸汽排出管和回液管对接的过流通道，过流通道内设有与壳体内壁可拆卸连接的测试板，壳体上与透明玻璃相对的一侧设有可视光窗，可视光窗正对所述测试板。

作为优选，所述壳体包括基板和盖板，盖板通过连接件与基板密封配合，所述测试板面向可视光窗的一侧设有肋、槽、翅片或者涂层。

基板与盖板可拆密封，测试板与壳体可拆卸连接，这样设计能够对过流通道内的部件进行调整，使装置能够研究各种形式下的冷凝换热特性。可以研究不同材质测试板的冷凝换热特性，如铝制测试板、钢制测试板等；可以研究各种不同结构的测试板的冷凝换热特性，如表面涂层的测试板、表面设有槽或肋的测试板、表面设有翅片的测试板等。

为了有较好的密封效果，作为优选，盖板与基板为刀口法兰密封。

作为优选，所述过流通道靠近可视光窗的一端还设有透明玻璃，所述测试板和所述透明玻璃贴靠在翅片的相对两侧。

通过设置透明玻璃能够控制过流通道中实际可以通过蒸汽的面积。

加入测试板的目的在于保证深低温气体冷凝表面的材料与板翅式换热器的表面材料相同。如当测试板是铝板时，能对应铝制板翅式换热器。

所述测试板通过连接件与壳体固定，优选的采用沉头螺钉连接。

为了增强接触换热，作为优选，测试板和壳体之间填充有铟片。

作为优选，所述翅片与测试板焊成一体。这可以保证翅片与测试板接触换热良好。

深低温液体在再沸器中被加热蒸发，通过蒸汽排出管进入冷凝装置，在翅片内冷凝后通过回液管重新流回再沸器。通过设置与透明光窗相对的可视光窗使得翅片内的冷凝过程能够被观察，实现可视化。且当再沸器中的液位和蒸汽排出管的蒸汽压力不变时，再沸器的加热量等于测试板上的蒸汽冷凝换热量。蒸汽冷凝换热量不易直接求得，通过这种方法可以间接测得蒸汽冷凝换热量。

作为优选，所述壳体与深低温液体接触的一侧设有若干强化传热槽。

这样设计能够使壳体与储液池内深低温液体有较大的接触面积，能增强换热效率，深低温液体依次通过壳体、测试板以及翅片的传热后，与蒸汽进行热交换。

作为优选，所述储液池面向透明光窗的一侧设有开口，所述壳体与开口密封配合，所述测试板与壳体内壁的接触侧设有第三温度传感器，所述壳体与深低温液体接触侧设有第四温度传感器。

作为优选，所述测试板与壳体内壁的接触侧设有若干测温槽，各测温槽均安装有第三温度传感器；所述壳体与深低温液体接触侧设有若干测温包，各测温包内均安装有第四温度传感器。

通过第三温度传感器能够测量测试板壁面温度；通过第四温度传感器能够测得储液池中液氮的温度。

作为优选，所述再沸器上下两端均设有一根延伸至真空箱外的毛细管，两根毛细管之间连接有压差传感器。

通过压差传感器能够测得两个毛细管间的压力差，可以得到再沸器中的深低温液体的液位。

还包括与再沸器连通的第一注液管以及与储液池或补液池连通的第二注液管。两根注液管注液端穿出真空箱，当需要补充深低温液体时可以通过注液管向对应目标进行注液。

所述整流器中设有整流丝网。

作为优选，所述排气管位于真空箱外的一端设有安全阀和球阀。

作为优选，所述真空箱上还设有光纤接口。

光纤接口可实现在外部光源光照强度不足的情况下，通过该接口向真空箱内提供照明，使得观察更方便、清晰。

作为优选，所述基板和盖板均为不锈钢材质。

作为优选，所述再沸器包括用于盛装深低温液体的罐体以及用来气化深低温液体的加热元件。

本发明的有益效果是：深低温液体在再沸器中被加热蒸发，通过蒸汽排出管进入冷凝装置，在翅片内冷凝后通过回液管重新流回再沸器，通过设置与透明光窗相对的可视光窗使得翅片内的冷凝过程能够被观察，实现深低温冷凝换热过程的可视化；当再沸器中的液位和蒸汽排出管的压力不变时，再沸器的加热量等于测试板上的蒸汽冷凝换热量，以此可以间接测得蒸汽冷凝换热量；通过在补液池的侧壁设有第二温度传感器，当补液池中深低温液体的液位低于所布置第二温度传感器的位置后，第二温度传感器测得温度会明显上升，从而可以监测补液池的液位并及时补充深低温液体，以此保证储液池始终处于满液状态。

附图说明：

图1是本发明深低温冷凝换热过程的可视化实验装置的结构示意图；

图2是本发明深低温冷凝换热过程的可视化实验装置的立体图；

图3是冷凝装置的爆炸图；

图4是冷凝装置的主视图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是图4的B-B剖视图；

图7是是图6中C的局部放大图；

图8是测试板的主视图；

图9是测试板的立体图；

图10是测试整流部去除测量管后的主视图；

图11是图10的D-D剖视图。

图中各附图标记为：

1.真空罩，2.毛细管，3.第一注液管，4.第二注液管，5.储液池，6.补液池，7.第二温度传感器，8.法兰盘，9.抽空阀，10.球阀，11.排气管，12.第二注液管的注液接头，13.第一注液管的注液接头，14.测量引线引出管，15.安全阀，16.测试整流部，17.压力传感器，18.测量管，19.排气阀，20.电连接器座，21.传送部，22.冷凝装置，23.光纤接口，24.透明光窗，25.出口接液漏斗，26.出液管，27.罐体，28.电线，29.加热元件，30.基板，31.盖板，32.凹槽，33.测试板，34.翅片，35.透明玻璃，36.密封垫片，37.可视光窗，38.测温包，39.强化传热槽，40.测温槽，41.真空引线接头，42.管体，43.环氧树脂棒，44.第一温度传感器，45.整流器。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明深低温冷凝换热过程的可视化实验装置做详细描述。

如图1、2所示，一种深低温冷凝换热过程的可视化实验装置，包括由密封配合的真空罩1和法兰盘8构成的真空箱，该法兰盘上设有抽空阀9、安全阀15，该真空箱的内部设有：

再沸器，用于盛装并气化深低温液体，该再沸器包括罐体27和设置在罐体底部的加热元件29，加热元件的电线28通过电连接器座20穿出至真空箱外，罐体27的上下两端均设有一根延伸至真空箱外的毛细管2，两根毛细管之间连接有压差传感器；

第一注液管3，一端与位于真空箱外的第一注液管的注液接头13连接，另一端与再沸器连通；

蒸汽排出管，与再沸器的上部连通用以输出蒸汽，该蒸汽排出管包括传送部21和测试整流部16；

冷凝装置22，与蒸汽排出管连通用以接收并冷凝蒸汽；

储液池5，用于向冷凝装置22提供冷量；

第二注液管4，一端与位于真空箱外的第二注液管的注液接头12连通，另一端与储液池5连通；

补液池6，位于储液池5的上方且与储液池连通，补液池的外侧壁设有至少一个第二温度传感器7，第二温度传感器所在位置为低液位提醒位置，补液池的上端具有分别穿出真空箱的排气管11和测量引线引出管14，排气管的排气端设有球阀10和安全阀；

回液管，包括相互连通的出口接液漏斗25和出液管26，其中，出口接液漏斗25位于再沸器上端且与冷凝装置的冷凝液出口连通，出液管延伸至接近再沸器的底部；

透明光窗24，设置在真空罩1的侧壁，与冷凝装置22位置相对应；

光纤接口23，设置在真空罩1的侧壁。

如图1所示，传送部21的一端与再沸器的上部连通，另一端与测试整流部的侧壁连通；如图1、10、11所示，测试整流部16包括：

管体42，上端密封且穿出真空箱，传送部21与管体的侧壁连通；

测量管18，与管体穿出真空箱的部分连通，且测量管上设有排气阀19和压力传感器17；

内设整流丝网的整流器45，设置在管体的下端，且整流器通过管路与冷凝装置22的蒸汽入口连通；

环氧树脂棒43，同轴固定在管体内，该环氧树脂棒上靠近整流器的一端设有第一温度传感器44；

真空引线接头41，设置在管体的最上端。

如图1、3～9所示，冷凝装置22包括壳体，该壳体由基板30和盖板31构成，且基板30和盖板31通过连接件可拆卸固定，基板和盖板之间设有密封垫片36，储液池5面向透明光窗24的一侧设有凹口，基板30与该凹口密封固定，且基板30与深低温液体接触的一侧设有若干强化传热槽39。

冷凝装置中，基板30面向盖板31的一侧设有分别与整流器45和出口接液漏斗25对接的凹槽32，该凹槽和盖板的侧壁构成过流通道，凹槽32内依次设有：

测试板33，通过沉头螺钉与凹槽的底面固定，且测试板和凹槽的底面之间填充有铟片；

翅片34，焊接在测试板33上；

透明玻璃35，与翅片34相互抵靠。

盖板31的一侧紧贴透明玻璃35，且盖板上设有与透明玻璃35对应的可视光窗37，该可视光窗既正对测试板33又正对透明光窗24。

本实施例中测试板上设有翅片，除了上述情况，测试板上还可以设有肋、槽或者涂层等。因为各测试板上设有的部件不同，导致测试板的厚度也不相同，通过安装不同厚度的透明玻璃，能够进行适应性调整。

如图8、9所示，测试板33与基板的接触侧设有若干用于安装第三温度传感器的测温槽40，如图4、5所示，基板30与深低温液体接触侧设有若干用于安装第四温度传感器的测温包38。

本实施例中，深低温液体为液氮，基板和盖板均为不锈钢材质，测试板为铝板，采用铝板能够保证深低温气体冷凝表面的材料与铝制板翅式换热器的表面材料相同，使得实验结构更精确和针对性。

本实施例中，可视光窗37先是采用进口的最多能承受2MPa压力的光窗与等直径的不锈钢钢管采用小电流激光焊接，然后不锈钢钢管与盖板的另一面采用氩弧焊焊接，这样减小了焊接时温度对可视光窗的影响，大大提高了焊接成功的可能性。

本装置的工作过程如下：实验开始前首先对真空罩进行抽真空。然后对储液池采用氮气进行置换抽空，而后通过第二注液管向储液池底部充入液氮，直到第二温度传感器的温度T_r1接近于77.4K并保持稳定不变，说明液氮液位高于第二温度传感器的位置。接着对冷凝装置的壳体用氮气进行置换抽空，而后通过第一注液管向再沸器底部充入液氮，当液氮液位达到设定值时(液氮完全没过加热元件)，停止充注液氮。打开并控制加热元件，使加热元件的功率为50W，此时加热元件的功率即为蒸发换热量Q_H，等待压力传感器测得的蒸汽压力P_v稳定、再沸器内液氮液位基本不变后(通过两根毛细管连接有压差传感器得到液位)，记录蒸汽压力P_v、第一温度传感器测得的蒸汽温度T_v、第三温度传感器测得的铝板壁面温度T_w、第四温度传感器测得的储液池中液氮的温度、蒸发换热量Q_H的数据。由于液位及冷凝回路蒸汽压力基本不变时，表示冷凝换热量与蒸发换热量相平衡，那么冷凝换热量Q_C即等于蒸发换热量Q_H。随后给再沸器以每次加10W功率的步骤，重复等待当P_v稳定且再沸器内液氮液位基本不变后，记录P_v、T_v、T_w、Q_H的数据。

实验中可以得到铝板壁面的壁温T_w、蒸汽温度T_v，蒸汽压力P_v以及冷凝换热量Q_C，因此铝板和翅片的平均换热系数其中T_sat为氮气在某一压力下对应的饱和温度，T_sat可通过蒸汽压力P_v得到。

在本装置工作时，可以将高速摄像仪对准透明光窗，记录冷凝过程，以此实现深低温冷凝换热过程的可视化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。