板翅式换热器气液两相流分布特性测试方法和装置

摘要

本发明涉及板翅式换热器技术，旨在提供一种板翅式换热器气液两相流分布特性测试方法和装置。该方法是使气液两相流进入板翅式换热器，并将板翅式换热器出口均匀划分成若干区域，每一区域引出一个流道，对各流道内气液两相进行测量；在每个引出的流道上均设置气液分离器和流量测量装置，同时对各流道内气液两相进行分离和测量。本发明采用基于多元并测结构的气液两相分离和测量系统，对板翅式换热器各出口的气液两相流同时进行分离和测量，避免了因压降不等而引起的管内流体流态变化，同时由于无需安装结构复杂的切换系统，消除了因阀门切换而导致的管内流体波动，因此，具有检测精度高、结构简单、操作方便以及实时性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种板翅式换热器气液两相流分布特性测试方法以及实现该方法的相 应测量装置，属于板翅式换热器气液两相混合和分配技术领域。

背景技术

板翅式换热器是一类由板束、封头、接管以及支座等附件组成，并以翅片作为其传 热元件的高效换热器。其中，板束由两种或两种以上的层通道单元间隔叠加组成，每层 通道由翅片、隔板以及封条等构成。该类换热器具有传热效率高、结构紧凑以及适应性 好等特点，广泛应用于石化、空分、制冷以及航空航天等领域。

板翅式换热器内介质分配不均是引起其传热性能下降的主要原因，尤其针对介质为 气液两相时，由于气液两相密度不同，流动惯性存在一定差异，导致换热器各通道内气 液两相存在较严重的分配不均，致使换热器换热效率大幅降低。为此，有必要对板翅式 换热器内气液两相的流动特性进行研究，通过工况或结构改进，改善其内两相流的分布 状况，并最终提高换热器的换热性能。

目前，针对板翅式换热器内两相流的分布特性，除了理论和数值研究外，许多学者 也进行了实验研究。由于板翅式换热器内通道众多且狭小，对各通道分别进行测量不现 实，为此，常用做法是将板翅式换热器出口均匀划分成若干区域，每一区域引出一个流 道，通过对各流道内气液两相的测量，从而获得换热器内气液两相的宏观分布特性。测 量时，通过阀门切换，以一定周期依次将各被测流道单独引入支管管路进行气液分离和 测量，其他流道则引入汇总管路，并最终引入相应的储水罐或储水槽内。实验过程中， 由于汇总管路和支管管路压降不同，为此，需在支管管路和汇总管路上安装节流阀，并 在支管管路与汇总管路间安装压差传感器，通过调节节流阀以保证支管管路与汇总管路 间压差近似，从而减少因压降不同而引起的管内流体流态变化。由于实际测量过程中， 各出口在汇总管路的混合作用以及阀门间的切换影响，将引起汇总管路和支管管路内压 力产生一定波动，需人为不断调整节流阀。因此，此类测量方法存在一定误差，测量稳 定性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的不足，提供一种新的板翅式换热 器气液两相流分布特性测试方法以及实现该方法的相应测量装置。

为解决技术问题，本发明采取以下技术方案：

提供一种板翅式换热器气液两相流分布特性测试方法，是使气液两相流进入板翅式 换热器，并将板翅式换热器出口均匀划分成若干区域，每一区域引出一个流道，对各流 道内气液两相进行测量；在每个引出的流道上均设置气液分离器和流量测量装置，同时 对各流道内气液两相进行分离和测量。

本发明中，还包括在板翅式换热器的入口处和各引出的流道上设置压力传感器与温 度传感器，由数据采集系统将测试过程中各压力传感器、温度传感器以及流量测量装置 的测量信号传送至工控机，并由工控机进行数据处理和图形显示。

进一步地，本发明还提供了一种用于实现前述方法的装置，包括分别布置于板翅式 换热器出口均匀划分区域内的各引出的流道，在每个引出的流道上均设置有气液分离器 和流量测量装置。

作为一种改进，所述各引出的流道布置于同一水平面上。

作为一种改进，所述的气液分离器的入口管以切线方向安装于分离器侧面，出水管 安装于底部，呈U形。

作为一种改进，所述流量测量装置包括气体涡轮流量计和量筒。

作为一种改进，所述板翅式换热器的入口处和各引出的流道均设有压力传感器与温 度传感器，流量测量装置以及各压力传感器、温度传感器均通过信号线经数据采集系统 连接至工控机。

作为一种改进，所述板翅式换热器的入口管路上接有气液混合器，液体供应管路和 气体供应管路均接至气液混合器。

作为一种改进，所述的气液混合器分为一路液体进口段、三路气体进口段以及四路 气液出口段；其中，液体进口段开设均布小孔，气液出口末端安装雾化喷头。

作为一种改进，所述液体供应管路上的设备包括依次连接的储水槽、离心清水泵、 液体过滤器和液体转子流量计，液体转子流量计接至气液混合器；所述气体供应管路上 的设备包括依次连接的螺杆式空压机、缓冲罐、一级空气过滤器、二级空气过滤器、减 压阀和气体转子流量计，气体转子流量计接至气液混合器。

本发明的有益效果在于：

由于本发明采用基于多元并测结构的气液两相分离和测量系统，对板翅式换热器各 出口的气液两相流同时进行分离和测量，避免了因压降不等而引起的管内流体流态变 化，同时由于无需安装结构复杂的切换系统，消除了因阀门切换而导致的管内流体波动， 因此，具有检测精度高、结构简单、操作方便以及实时性高等优点。

附图说明

图1是本发明所述的测量装置的结构示意图。

图2是基于多元并测结构的气液两相分离和测量系统俯视图。

图3是基于现有技术的气液两相分离和测量系统示意图。

附图标号说明：1储水槽；2液体过滤器；3、6、9调节阀；4离心清水泵；5三通 阀；7液体转子流量计；8气体转子流量计；10减压阀；11二级空气过滤器；12一级空 气过滤器；13缓冲罐；14螺杆式空压机；15气液混合器；16直通视镜；17、20压力传 感器；18、21温度传感器；19板翅式换热器；22气液分离器；23气体涡轮流量计；24 量筒；25数据采集系统；26工控机；27、31节流阀；28测量支管；29差压传感器；30 测量总管。

具体实施方式

本发明所述的板翅式换热器气液两相流分布特性测试方法中，气体和液体通过气液 混合器混合，形成的气液两相流进入板翅式换热器，并在其内形成一定的气液分布，采 用气液分离器和流量测量装置对换热器出口的两相流进行分离和测量，从而获得板翅式 换热器内两相流的分布特性。采用基于多元并测结构的气液两相分离和测量系统对板翅 式换热器各出口的气液两相流进行分离和测量。基于多元并测结构的气液两相分离和测 量系统指的是板翅式换热器各出口均连接气液分离器和流量测量装置，同时对换热器各 出口的气液两相流进行分离和测量。

下面结合附图1、2、3对本次发明做详细描述。

本发明测试方法包含以下操作步骤：

1、气路传输

螺杆式空压机14工作，将一定流量V1的空气打入缓冲罐13，待缓冲罐13达到指 定压力P1后，螺杆式空压机14自动停止，此时，打开调节阀9，空气随即从缓冲罐13 流出，依次经过一级空气过滤器12、二级空气过滤器11、减压阀10以及气体转子流量 计8。其中，一级空气过滤器12和二级空气过滤器11用于过滤空气中的杂质，减压阀 10用于稳定气路中的压力P2，气体转子流量计8用于测量空气的流量。待缓冲罐13内 的压力减至指定压力P3(P2＜P3＜P1)后，螺杆式空压机14自动开启补气，补气量应大 于管道中的气体流量，待缓冲罐13达到指定压力P1后，螺杆式空压机14自动停止。

2、水路传输

打开旁路调节阀3和主调节阀6，并启动离心清水泵4，将储水槽1中的水泵入水 路管道，依次经过液体过滤器2、清水泵4、三通阀5、调节阀3，6以及液体转子流量计 7。其中，液体过滤器2用于过滤水中的杂质，调节阀3，6用于调节水量，液体转子流量 计7用于测量管路中的水量。

3、气液混合

经管路传输过来的空气和水在气液混合器15中混合，并形成一定气液比和气液分 布的雾化两相流，该两相流经直通视镜16后进入板翅式换热器19内。直通视镜16用 于肉眼观测形成的气液两相流态。

4、气液分离

经气液混合器15混合后的气液两相流流入板翅式换热器19后，在其内进行气液分 布，分布后的气液两相流从板翅式换热器19的8路出口流出，分别进入各自对应的气 液分离器22和流量计进行气液分离和测量，其中，分离的气相从分离器上部流出，并 通过气体涡轮流量计23进行测量，分离的液相则依靠重力和离心分离流入分离器底部 并积累，当气液分离器内累计的液相液面升至一定高度后，水从U型管溢出，溢出的水 量通过量筒24和秒表进行测量。

5、数据测量

实验进行过程中，通过数据采集系统实时获得板板翅式换热器19的进出口温度和 压力值以及气液分离器22分离的气相流量等参数信息。其中板翅式换热器19进出口温 度和压力通过温度传感器18，21和压力传感器17，20获得，板翅式换热器19各路出口分 离后的气相流量则由对应的气体涡轮流量计23同时测量获得。所有信息经数据采集系 统25采集至工控机26进行数据处理和图形显示，最终获得板翅式换热器内气液两相流 的分布特性。

实施例一

开启螺杆式空压机14，将流量为54m³/h的空气打入缓冲罐13，待缓冲罐内压力达 至0.8MPa时，螺杆式空压机14自动停止，开启调节阀9，空气进入气路管路，通过调 节减压阀10将气路压力稳定在0.3MPa，调整调节阀9开度，并查看气体转子流量计8 流量值，将气路中空气流量控制在30m³/h，待缓冲罐13内压力减至0.4MPa后，设定 螺杆式空压机14自动开启补气。打开水路中旁路调节阀3和主调节阀6，启动离心清水 泵4，调整旁路调节阀3和主调节阀6，并查看液体转子流量计7上的流量值，将水路 流量控制在80L/h。经管路传输过来的空气和水在气液混合器15中混合，形成一定气液 体积比(325∶1)和气液分布的雾化两相流进入板翅式换热器19进行分布，分布后的两 相流从板翅式换热器19中8路出口流出，并进入基于多元并测结构的气液两相分离和 测量系统进行分离和测量，如图2所示，经数据采集和整理分析，换热器出口截面中心 区域气相和液相流量较大，两侧分布则较少，换热器出口处气相整体不均匀度大约为 8.32％～12.25％，液相整体不均匀度大约为17.31％～20％。

实施例二

开启螺杆式空压机14，将流量为54m³/h的空气打入缓冲罐13，待缓冲罐内压力达 至0.8MPa时，螺杆式空压机14自动停止，开启调节阀9，空气进入气路

管路，通过调节减压阀10将气路压力稳定在0.5MPa，调整调节阀9开度，并查看 气体转子流量计8流量值，将气路中空气流量控制在50m³/h，待缓冲罐13内压力减至 0.6MPa后，设定螺杆式空压机14自动开启补气。打开水路中旁路调节阀3和主调节阀 6，启动离心清水泵4，调整旁路调节阀3和主调节阀6，并查看液体转子流量计7上的 流量值，将水路流量控制在80L/h。经管路传输过来的空气和水在气液混合器15中混合， 形成一定气液体积比(625∶1)和气液分布的雾化两相流进入板翅式换热器19进行分布， 分布后的两相流从板翅式换热器19中8路出口流出，并进入基于多元并测结构的气液 两相分离和测量系统进行分离和测量，如图2所示，经数据采集和整理分析，换热器出 口截面中心区域气相和液相流量较大，两侧分布较少，换热器出口处气相整体不均匀度 大约为5.37％～7.12％，液相整体不均匀度大约为25.31％～28.25％。

由以上两个实施例可知，气液两相流经板翅式换热19分配后，换热器出口截面中 心区域气相和液相流量较大，两侧分布较少，且气液两相流中，随着气相比例增加，板 翅式换热器19出口处气相分布趋于均匀，液相分布则趋于不均匀。

对比实施例

按上述实施例一给出的操作步骤，控制空气流量为30m3/h，水流量为80L/h，经气 液混合器15混合后，形成一定气液体积比(625∶1)和气液分布的雾化两相流进入板翅 式换热器19进行分布，同时采用基于支管分流结构的气液两相分离和测量系统，对换 热器各路出口气液流量进行分离测量。如图3所示，将待测出口支管①引入测量支管28， 其余出口支管引入测量总管30，调整节流阀27，31开度，当差压传感器29显示值为0 时，记录气体涡轮流量计21对应的流量值，并采用量筒24和秒表对水流量进行测量。 测量过程中，由于测量总管内多路流体的混合作用，差压传感器29上显示值产生周期 性波动，需人为不断调整节流阀27、31的开度，经多次调整并从流量计获得的数据可 知，出口支管①所测的气体流量波动范围为±15％左右，采用上述方法分别对出口支管 ②、③、④、⑤、⑥、⑦以及⑧进行测量，对实验获得的数据分析可知，气体流量波动 范围为±10％～20％之间。针对液相流量，由于采用量筒24和秒表进行测量，因流体波 动导致的流量测量误差无法估量。

因此，由对比实施例可知，与基于多元并测结构的气液两相分离和测量系统相比， 采用基于支管分流结构的气液两相分离和测量系统测量的气液流量误差较高，且稳定性 得不到保证。