CN103196945B - 可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置。主要包括蒸汽供应***、空气供应***、氦气供应***、自然循环冷却***、强迫循环冷却***、冷凝实验体和数据测量与采集***。可实现自然循环与强迫循环冷却条件下，含不凝性气体的蒸汽管外冷凝传热实验研究，以及加热功率稳定和变化条件下，自然循环***的排热与流动特性的实验研究。该装置能够实时监测实验数据，连续测量不同混合气体组分下的冷凝特性，测量准确，数据处理快捷。另外，整个***的可视化程度很高，通过对实验现象的观察，有助于对实验过程的理解以及对传热和流动机理的深入研究。

Description

可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种冷凝换热实验装置，特别是一种可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置。

背景技术

冷凝传热是指蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时发生的一种传热形式。由于冷凝传热能够从较低温差中获得很高的换热系数，因而广泛应用于动力、化工、制冷和核能等诸多领域。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。

此外，传统的冷却方式是由泵驱动冷却水从传热管内流过，而蒸汽在管外凝结的强迫循环方式，但随着非能动概念的提出，由自然循环方式提供冷却已成为研究的焦点之一。那么，不同的冷却方式对冷凝换热的强度是否存在影响？哪种冷却方式更稳定、可靠？在不同的应用条件下采用哪种冷却方式更合理？这些都是值得我们认真研究的问题。

针对含不凝性气体的蒸汽冷凝换热研究，实验是不可替代的重要途径，而实验装置则是获取可靠数据必须倚靠的硬件设施。但从公开发表的文献和专利来看，目前提出的冷凝实验装置大多只能完成纯蒸汽的实验研究，或单一冷却方式下的混合气体实验。如：麻省理工学院H.Liu的非能动安全壳热量导出实验装置（H.Liu,N.E.Todreas,M.T.Driscoll.Anexperimental investigation of passive cooling unit for nuclear plant containment[J].NuclearEngineering and Design，2000，199：243-255.）仅能完成自然循环下的冷凝实验研究；而麻省理工学院Dehbi的含不凝气体的竖直管外冷凝实验装置（Dehbi.The Effects ofNon-condensable Gases on Steam Condensation under Turbulent Natural Convection Conditions,1991.）仅能完成强迫循环下的冷凝实验研究。而且上述实验装置还存在以下缺陷：（1）将蒸汽源设在实验体内部，需要很大的水空间以维持数据测量的稳定性，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***压力产生大幅波动，甚至根本无法稳定，不能满足测量精度要求。（2）对于H.Liu的自然循环试验装置，冷凝换热量是通过水箱内饱和水的汽化潜热总量来确定，导致冷却剂的实验起始温度必须为饱和温度，因此无法在较宽范围内研究换热管壁面过冷度对冷凝换热的影响。（3）H.Liu的实验装置主要针对换热进行研究，并未考虑外部自然循环冷却***的热力特性与流动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于研究含有多组分不凝性气体的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

主要包括蒸汽供应***、空气供应***、氦气供应***、自然循环冷却***、强迫循环冷却***、冷凝实验体和数据测量与采集***；所述蒸汽供应***主要由锅炉和流量计组成，由锅炉产生的蒸汽，流经蒸汽流量计进入冷凝实验体壳侧；所述空气供应***主要由空气压缩机、储气罐、油气分离器组成，空气压缩机向储气罐充气，空气经过油气分离器进入冷凝实验体壳侧；所述氦气供应***主要由高压氦气瓶和减压阀组成，氦气经减压阀减压后进入冷凝实验体壳侧；混合气体在冷凝实验体壳侧完成换热后，凝液流至冷凝实验体下面的凝液罐内，最后由排水管路排出；自然循环冷却***主要由高位水箱、电磁流量计、可视化实验段组成，在冷热段密度差的驱动下，高位水箱内的冷却水沿管路向下流经电磁流量计进入冷凝实验体管侧完成换热后，向上流经可视化实验段回到高位水箱；强迫循环冷却***主要由水池、水泵、流量计、过滤器、稳压罐组成，冷却水由水泵从水池中抽出后依次经过过滤器、流量计、稳压罐进入冷凝实验体管侧完成换热后返回水池，流量由管侧出口调节阀控制。

本发明还可以包括：

1、自然循环冷却***与冷凝实验体管侧的连接管路上设置有自然循环管路阀门，强迫循环冷却***与冷凝实验体管侧的连接管路上设置有强迫循环管路阀，通过自然循环管路阀门与强迫循环管路阀的切换实现冷凝实验体壳侧环境相同时自然循环冷却与强迫循环冷却的冷凝换热特性的测量、分析与比较，提高对比实验的准确性。

2、自然循环冷却***的上升段采用透明的耐热玻璃结构，用于观察自然循环中的两相流型，追踪上升管段的闪蒸起始点位置等。

3、自然循环冷却水箱通过改变悬挂高度的方式，改变自然循环高差与循环驱动压头，用于研究不同循环驱动压头下，自然循环的流动阻力特性和管外冷凝换热特性。

4、所述自然循环冷却水箱下部安装有汽水分离装置、上部的蒸汽排出口处安装有U型水封结构。汽水分离装置防止水箱入口处的高速两相流体冲击；U型水封结构实现水箱的气空间向大气环境的单向导通。

5、自然循环冷却水箱侧面安装有观察窗，可直接观察水箱内的水质情况、汽水分离情况、液面波动情况等。

6、在自然循环冷却水箱的不同高度都布置有温度采样点，用于监测与研究水箱内冷却水的温度分布情况。

7、在自然循环冷却水箱内部安装有电加热装置，可加热冷却水到预定的实验起始温度。用于在较宽范围内研究冷却水入口温度对自然循环能力与冷凝换热能力的影响，以及不同入口温度下自然循环的启动特性。

8、所述数据测量与采集***包括温度测量***、压力测量***、氦气纯度分析***；

温度测量***由测量下列各处温度的热电偶组成：蒸汽流量计出口和冷凝实验体进气口处的温度、混合气体的主流和实验管外壁温度、实验管进出口温度、凝液罐凝水温度、自然循环冷却***的水箱进出口温度、上升管段处的冷却水温度、自然循环水箱内冷却水的温度分布；

压力测量***由测量下列各处压力的仪表组成：冷凝实验体内的气体压力、蒸汽流量计处的蒸汽压力、强迫循环冷却***在实验管出口和稳压罐处的压力、自然循环冷却***水箱的进出口压力、水箱内气空间的压力、上升管段处的压力；

氦气在不凝气体中的占比通过在线的氦气纯度分析***直接读取，并根据混合气体压力和主流温度，直接计算出混合气体成分；

温度、流量和压力数据信号均通过数据采集***输入PC机进行分析、储存、显示，同时实现对实验工况的实时监测。

9、冷凝试验体内安装单根冷凝传热管或安装冷凝管束。

本发明提供了一种可用于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，特别是一种可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，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，以及自然循环***的循环热力特性、流动阻力特性和启动特性研究。

本发明的有益效果是：可实现自然循环与强迫循环冷却条件下，含不凝性气体的蒸汽管外冷凝传热实验研究，以及加热功率稳定和变化条件下，自然循环***的排热与流动特性的实验研究。该装置能实现：（1）在混合气体配比不同的条件下，对不同尺寸和结构型式的竖直单管和管束进行管外冷凝传热实验研究；（2）冷却剂自然循环与强迫循环间快速转换，用于实验环境相同，冷却剂循环方式不同的对比研究；（3）冷却水温度的大范围调节，可以在很宽的范围内研究含不凝气体时换热管壁面过冷度对于冷凝换热特性的影响；（4）在自然循环条件下，通过可视化结构、密集布置参数测点等方式，研究自然循环的热力特性、流动特性和启动特性；（5）设有汽水分离器和水封装置，大大提高了自然循环***运行时的稳定性以及与大气环境的单向导通。（6）整个***的可视化程度高，通过对实验现象的观察，有助于对实验过程的理解以及对传热和流动机理的深入研究。

附图说明

图1为本实验装置的流程示意图。

图2a为自然循环水箱的外部结构示意图。

图2b为自然循环水箱的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步详细的描述：

结合图1，整体结构主要由锅炉1、涡街流量计2、排气阀3、空气压缩机4、储气罐5、油气分离器6、高压氦气瓶7、减压阀8、凝液罐9、疏水阀10、冷凝实验体11、自然循环水箱12、电磁流量计13、冷凝实验段14、自然循环管路阀门15、可视化实验管段16、水池17、冷却水循环泵18、过滤器19、流量计20、稳压罐21、强迫循环管路阀门22、流量调节阀23、气体取样阀24、氦气纯度分析仪25以及压力测量仪表和温度测量元件连接组成。

结合图2a-图2b，自然循环水箱包括：U型水封结构26、蒸汽排放口27、观察窗28、冷却剂上行管线接口29、冷却剂下行管线接口30、水箱疏水阀接口31、热电偶测温接口32、汽水分离器33和34电加热器。

用于纯蒸汽冷凝换热实验，其技术方案1是：对于强迫循环冷却实验，首先关闭自然循环管路阀门15，打开强迫循环管路阀门22，启动循环水泵18，冷却水由水池17中抽起，依次流经过滤器19、流量计20、稳压罐21后进入冷凝实验管14，在管内换热后，返回水池，流量由出口调节阀23进行调节。对于自然循环冷却实验，首先打开自然循环回路阀门22，关闭强迫循环回路阀门13，循环水箱12内的冷却水在冷热段密度差的驱动下，流经电磁流量计13进入冷凝实验管14，再经可视化的上升管段16，回到循环水箱12。对于蒸汽侧，启动锅炉1，并打开蒸汽阀门和排水阀10，蒸汽流经蒸汽管线、冷凝实验体11和凝液罐9排入大气环境，以此排空冷凝实验体11内的空气。半小时后，关闭排水阀10，升高锅炉压力和冷却水流量至预定值，待实验***的温度压力等主要参数稳定后，通过数据采集***，读入并分析相关数据。蒸汽在实验管14表面凝结，凝水流入凝液罐9。当凝水水位超过预定值时，由疏水阀10排放。

用于含有空气的蒸汽冷凝换热实验，其技术方案2是：冷却水的自然循环与强迫循环均同技术方案1。空气侧，启动空气压缩机4向储气罐5充气升压，然后打开空气阀，空气经过油气分离器6进入冷凝实验体11，直至达到预定压力。蒸汽侧，启动锅炉1，待压力升高到实验压力后，打开蒸汽阀门，蒸汽经过流量计2进入冷凝实验体，与空气充分混合。数据采集方案和凝水排放方案同技术方案1。

本装置通过以下技术方案改变气体组分：打开排气阀3，排放实验体11内的混合气体，而锅炉1产生的饱和蒸汽补充至冷凝实验体11内，使得实验体11内的空气占比降低。当混合气体温度升高到预定的温度后，关闭排气阀3。待实验体11内混合气体的温度、压力等参数稳定后，计算得到混合气体中空气的占比，运用该技术方案，可以实现在空气占比由高至低连续性改变的条件下，管外蒸汽冷凝换热特性的研究。

用于含有空气、氦气的蒸汽冷凝换热实验，其技术方案3是：冷却水的自然循环与强迫循环均同技术方案1，空气侧运行同技术方案2。氦气侧，调节减压阀8，氦气从高压储气瓶7进入冷凝实验体11，达到预定压力后关闭减压阀8。蒸汽侧的运行方案和混合气体组分改变方案同技术方案2。

氦气测量***中，打开气体取样阀24，混合气体沿着取样管线进入氦气纯度分析***25，可以实现对氦气的占比的在线实时显示。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，实验装置的局部结构可根据具体的要求作出相应的调整和细化，在此并未一一列举。另外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：主要包括蒸汽供应***、空气供应***、氦气供应***、自然循环冷却***、强迫循环冷却***、冷凝实验体和数据测量与采集***；所述蒸汽供应***主要由锅炉和蒸汽流量计组成，由锅炉产生的蒸汽，流经蒸汽流量计进入冷凝实验体壳侧；所述空气供应***主要由空气压缩机、储气罐、油气分离器组成，空气压缩机向储气罐充气，空气经过油气分离器进入冷凝实验体壳侧；所述氦气供应***主要由高压氦气瓶和减压阀组成，氦气经减压阀减压后进入冷凝实验体壳侧；混合气体在冷凝实验体壳侧完成换热后，凝液流至冷凝实验体下面的凝液罐内，最后由排水管路排出；自然循环冷却***主要由高位水箱、电磁流量计、可视化实验段组成，在冷热段密度差的驱动下，高位水箱内的冷却水沿管路向下流经电磁流量计进入冷凝实验体管侧完成换热后，向上流经可视化实验段回到高位水箱；强迫循环冷却***主要由水池、水泵、流量计、过滤器、稳压罐组成，冷却水由水泵从水池中抽出后依次经过过滤器、流量计、稳压罐进入冷凝实验体管侧完成换热后返回水池，流量由管侧出口调节阀控制。

2.根据权利要求1所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：自然循环冷却***与冷凝实验体管侧的连接管路上设置有自然循环管路阀门，强迫循环冷却***与冷凝实验体管侧的连接管路上设置有强迫循环管路阀，通过自然循环管路阀门与强迫循环管路阀的切换实现冷凝实验体壳侧环境相同时自然循环冷却与强迫循环冷却的冷凝换热特性的测量、分析与比较。

3.根据权利要求2所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：自然循环冷却***的上升段采用透明的耐热玻璃结构。

4.根据权利要求3所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：自然循环冷却***的高位水箱下部安装有汽水分离装置、上部的蒸汽排出口处安装有U型水封结构。

5.根据权利要求4所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：自然循环冷却***的高位水箱侧面安装有观察窗，在自然循环冷却***的高位水箱的不同高度都布置有温度采样点。

6.根据权利要求5所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：在自然循环冷却***的高位水箱内部安装有电加热装置，加热冷却水到预定的实验起始温度，用于在较宽范围内研究冷却水入口温度对自然循环能力与冷凝换热能力的影响，以及不同入口温度下自然循环的启动特性。

7.根据权利要求6所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：所述数据测量与采集***包括温度测量***、压力测量***、氦气纯度分析***；

温度测量***由测量下列各处温度的热电偶组成：蒸汽流量计出口和冷凝实验体进气口处的温度、混合气体的主流和实验管外壁温度、实验管进出口温度、凝液罐凝水温度、自然循环冷却***的高位水箱进出口温度、上升管段处的冷却水温度、自然循环冷却***的高位水箱内冷却水的温度分布；

压力测量***由测量下列各处压力的仪表组成：冷凝实验体内的气体压力、蒸汽流量计处的蒸汽压力、强迫循环冷却***在实验管出口和稳压罐处的压力、自然循环冷却***的高位水箱的进出口压力、水箱内气空间的压力、上升管段处的压力；

氦气在不凝气体中的占比通过在线的氦气纯度分析***直接读取，并根据混合气体压力和主流温度，直接计算出混合气体成分；

温度、流量和压力数据信号均通过数据采集***输入PC机进行分析、储存、显示，同时实现对实验工况的实时监测。

8.根据权利要求7所述的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置，其特征是：冷凝实验体内安装单根冷凝传热管或安装冷凝管束。