空浴式汽化器結霜特性測試系統及測試方法

2023-05-04 16:08:31

專利名稱：空浴式汽化器結霜特性測試系統及測試方法
空浴式汽化器結霜特性測試系統及測試方法本發明涉及空浴式汽化器的技術領域，具體地說是在一種空浴式汽化器結霜特性 測試系統及測試方法。眾所周知，空浴式汽化器是一種換熱氣化器裝置，為使傳熱係數提高，通過提高換 熱面積來實現的。我國目前具有很大的空浴式汽化器生產規模和裝備量，對於這一類型的產品，我 國目前既無國家標準也無行業標準，更沒有準入門檻或相關規定，另一方面，由於空浴式汽 化器結構簡單，製造和生產較為方便，很多企業都能很便利地實現該類型汽化器的生產，加 之國家對這一行業沒有行業門檻或相關規定，才使得我國汽化器產品在性能上價格上都參 差不齊，使得整個行業較為混亂，造成這一現狀的根本原因在於對空浴式汽化器缺乏測試 系統及測試方法，生產企業和用戶對空浴式汽化器所涉及的負責傳熱傳質過程的機理缺乏 必要的了解，更談不上進行深入的研究和優化設計，也正是由於這個原因，才導致安全事故 頻發。因此，為了充分了解空浴式汽化器的技術細節，並深入了解該類型汽化器的基本傳熱 機理，有必要建立一套空浴式汽化器結霜特性測試系統及測試方法。本發明的目的在於提供一種空浴式汽化器結霜特性測試系統及測試方法。本發明解決其技術問題的方案是一種空浴式汽化器結霜特性測試系統，包括低 溫液體儲罐、真空絕熱管道、過冷器、測試段、汽化器及溫度和壓力測試裝置，其特徵在於A、低溫液體儲罐(1)右側下部設有輸出端，輸出端連接室內的真空絕熱管道(2) 一端，真空絕熱管道(2)的另一端連接過冷器(3) —端，過冷器(3)的另一端連接T型熱電 偶溫度傳感器(4)下端，T型熱電偶溫度傳感器(4)的上端連接汽化器(14) 一端，汽化器 (14)的另一端皆有氣體質量流計(15)，所述的T型熱電偶溫度傳感器的上下兩端設有八翅 片星形翅片管(6)的測試段，在八翅片星形翅片管的表面設有數字千分尺(11)，所述的數 字千分尺設在標尺及支架(10)上，在T型熱電偶溫度傳感器的上端右側抽頭一端連接差壓 變送器(9) 一端，差壓變送器(9)的另一端連接壓力變送器(12)和T型熱電偶溫度傳感器 的下端，在T型熱電偶溫度傳感器設有八翅片星形翅片管(6)的測試段外側中間左面位置 設有非接觸式紅外測溫儀(5)，所述的室內設有大氣壓力及溫度計(7)和控溫裝置(8)及超 聲波增溼器(13)；B、液氮由低溫液體儲罐自增壓經真空絕熱管道輸送至過冷器進行預冷，達到一定 的過冷度後進入測試段進行汽化，流出測試段的測試介質經空浴式汽化器完全汽化並升溫 至環境溫度後由氣體質量流量計測量及流量；所述的測試段長度為2m的八翅片星形翅片管，翅片外徑200mm，基管尺寸為 28 X 3mm ；
所述的翅片等距離等間隔均勻設有若干銅_康銅熱電偶以測量翅片上不同位置 處的溫度變化；所述的支架上設有標尺，標尺上設有數字千分尺，所述的支架是可以旋轉的支架 或託架；一種空浴式汽化器結霜特性測試系統的測試方法，其特徵在於先用丙酮將翅片清 洗乾淨，用鋁質膠帶將經過校準的銅-康銅熱電偶按一定的排列固定在測試段的某個翅片 上，根據選擇技術參數旋轉設備，連接好管道和各測量儀器，將儲罐出液閥擰開一個小的開 度，檢查完整個管道的氣密性後，再根據工況要求調整出液閥開度，然後開啟溫度、壓力、壓 差、流量各種數據採集儀器進行數據記錄，並每隔半小時人工記錄一次室溫、溼度以及測試 段上下五個位置處的霜層厚度，分析結霜對翅片管綜合換熱性能影響，測試過程中要隨時 注意對儲罐進行增壓或減壓，以保持罐內壓力穩定。所述的設備技術參數低溫液體儲罐為5.0m3、1.6MPa，真空絕熱管為_15、 3. OMPa,過冷器為5000W，翅片管為DN21、Φ 200 X 2000，汽化器為60Nm7h，標尺及託架為 2m, T型熱電偶溫度傳感器為士0. 1K，紅外測溫儀為士 1.0K、-50 100°C，壓力變送器為 0 3. 0MPa、0. 5%，差壓變送器為0 100KPa、0. 5%，氣體質量流量計為0 1500SLPM、 0. 5%，數字千分尺為0 30謹、0. 1%，大氣壓力及溫溼度計為-40 80°C、0 100%，高 速攝像機為2000FPS，超聲波增溼器為2000W，控溫裝置為5000W。本發明的有益效果是為了研究翅片管結霜對其傳熱及水力特性的影響，建立了 測試裝置並以液氮為工質，在不同操作條件及環境條件下進行了測試分析，結果表明，翅片 管表面的霜層生長是一個逐漸發展的過程，這一過程使得霜層厚度和翅片表面溫度都逐漸 趨於一個穩定的值，翅片管的操作參數和環境參數對霜層的生長速度都具有一定的影響， 相比之下，環境溼度對於霜層生長的速度具有最為顯著的影響，隨著霜層厚度的增加，翅片 管換熱效率降低，進出口溫差增大，同時也導致管內兩相區拉長，翅片管流動阻力增大。

圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明翅片表面溫度變化曲線示意圖；圖3是本發明霜層厚度變化示意圖；圖4是本發明不同流量和溼度下的霜層生長速度示意圖；圖5是本發明不同壓力和溼度下的霜層生長速度示意圖；圖6是本發明霜層厚度及進出口溫差隨時間的變化示意圖；圖7是本發明霜層厚度與進出口溫差的關係示意圖；圖8是本發明進出口壓差與平均霜厚的關係示意圖。指定圖1為摘要附圖。下面通過具體的實施例並結合附圖對本發明做進一步詳細的描述。圖1中的，1為低溫液體儲罐，2為真空絕熱管，3為過冷器，4為T型熱電偶溫度傳 感器，5為紅外測溫儀，6為翅片管，7為大氣壓力及溫溼度計，8為控溫裝置，9為差壓變送
4器，10為標尺及託架，11為數字千分尺，12為壓力變送器，13為超聲波增溼器，14為汽化器， 15為氣體質量流量計。本發明包括低溫液體儲罐、真空絕熱管道、過冷器、測試段、汽化器等。液氮由自增 壓儲罐經真空絕熱管輸送至過冷器進行預冷，達到一定的過冷度後進入測試段進行汽化， 流出測試段的測試介質經空浴式汽化器完全汽化並升溫至環境溫度後由氣體質量流量計 測量及流量。裝置的主體部分安裝於室內，以模擬環境自然對流的換熱條件。其中，測試段為長 度為2m的八翅片星形翅片管，翅片外徑200mm，基管尺寸為28 X 3mm。翅片上均勻安裝若 幹銅-康銅熱電偶以測量翅片上不同位置處的溫度變化。同時，為了實現可控的環境溫溼 度條件，室內安裝了控溫裝置及超聲波增溼器。本裝置的測量設備包括溫度、壓力、流量、 壓差、環境溫溼度和霜層厚度等的測量和控制設備。各設備的技術參數低溫液體儲罐為 5. 0m3、l. 6MPa，真空絕熱管為·15、3. OMPa，過冷器為5000W，翅片管為DN21、Φ200，汽化器 為60Nm3/h，真空絕熱玻璃管為·16、1. 6MPa，鉬電阻溫度傳感器為士0. 1K，T型熱電偶溫度 傳感器為士0. 1Κ，紅外測溫儀為士 1.0Κ、-50 100°C，壓力變送器為0 3. OMPa,0.5%, 差壓變送器為0 100KPa、0. 5%，氣體質量流量計為0 1500SLPM、0. 5%，數字千分尺為 0 30mm、0. 1 %，大氣壓力及溫溼度計為-40 80°C、0 100%，高速攝像機為2000FPS， 超聲波增溼器為2000W，控溫裝置為5000W。其中，霜層表面溫度和霜層厚度是本研究十分 重要的參數，設計了可以旋轉的支架，其上安裝數字千分尺，用於測量不同位置處的霜層厚 度。霜層表面溫度採用非接觸式的紅外測溫儀進行測量。先用丙酮將翅片清洗乾淨，用鋁質膠帶將經過校準的銅_康銅熱電偶按一定的排 列固定在測試段的某個翅片上。連接好管道和各測量儀器，將儲罐出液閥擰開一個小的開 度，檢查完整個管道的氣密性後，再根據工況要求調整出液閥開度，然後開啟溫度、壓力、壓 差、流量各種數據採集儀器進行數據記錄，並每隔半小時人工記錄一次室溫、溼度以及測試 段上下五個位置處的霜層厚度。要隨時注意對儲罐進行增壓或減壓，以保持罐內壓力穩定。翅片管上離進口 160cm處霜層的生長情況。測試工況為壓力0. 5MPa，流量15Nm3/ h。測試開始後5分鐘後，此時翅片表面已經出現很薄的冰層，之後開始出現小沙丘狀冰粒， 即結晶胚胎。20分鐘後翅頂處霜的冰柱外形已經非常明顯。測試進行30分鐘後，管壁處和 翅片表面有零星絨球狀霜花形成。此時該處霜進入霜層生長期，其結構為枝狀晶體。絨球 裝霜花即由霜枝狀晶體形成的霜晶體簇。而翅片處霜層表面已經趨於平坦，已經進入霜層 生長期。隨著測試繼續進行，在60分鐘後可以看到翅片表面已經基本被霜全部覆蓋，翅頂 處已經形成一種表面平整的弧形霜蓋，這層霜蓋正是之前表面上的霜層融化後再結冰形成 的老化霜層，這表明翅翅頂處的霜層已經進入充分生長期。測試進行到90分鐘時，翅片表 面的霜層明顯增厚。120分鐘時翅片表面的霜層結構還是非常疏鬆，150分鐘後可以看出， 枝狀晶體簇已經變大，此時枝狀晶體之間通過相互作用正在逐漸形成網狀的霜層。到了 180 分鐘，翅片表面上的霜層已經開始出現平整的跡象，霜層厚度生長速度放緩。240分鐘和 300分鐘後翅片表面霜層增長到與翅頂處霜厚一致，二者的霜表完成結合，平整的霜表面積 擴大，並沿著翅高開始向內擴張，而霜厚增長繼續變慢。360分鐘後這種平整的霜層表面已 經覆蓋翅片表面絕大部分；到了 420分鐘，霜層表面到達管壁，擴張基本完成，此時整個翅 片都被霜層厚厚覆蓋，此後霜層生長速度達到平衡，霜層維繫在一個相對穩定的厚度值。
如圖2所示，為了分析結霜對翅片管綜合換熱性能的影響，特別對翅片表面溫度 進行了測量。測試中對距翅片管底部40cm、80cm、120cm、160cm和200cm的五個位置進行了 溫度的測量。圖3為系統壓力0. 8MPa,介質流量15Nm3/h工況下各點的溫度變化過程。可以看出，翅片管入口附近(40cm)溫度變化非常迅速，在翅片管工作不到20分鐘 就從環境溫度下降到了 -140°C。隨後溫度變化緩慢，在測試的大部分時間內其溫度值都保 持在一個相對穩定的低溫狀態，可知此位置管內流體狀態為液態，處於單相液體對流換熱 區。隨著測試的進行，該處溫度值緩慢降低，溫度變動範圍很小。隨著高度的增加，溫度變 化過程趨於緩慢。80cm處的溫度在1小時內從環境溫度降到-100°C，在3小時之後溫度 在-120°C -140°C之間發生明顯的波動。此時液體開始進入氣化階段，管內流體的流動狀 態為氣液兩相流。120cm處和160cm處的翅表溫度變化類似，穩定後相互之間的溫差不大。 與80cm處溫度變化曲線相比，兩曲線溫度下降趨勢比較平穩，沒有產生很大的波動。此時 管內流體仍處在氣化階段，其形態為氣液兩相流。分析200cm處翅片表面溫度溫度變化曲 線可知，其溫度也是隨時間一直趨於下降，但變化更為緩慢。與160cm處同期壁溫相差比 160cm和120cm處同期壁溫溫差更大。此時管內流體處於氣化中後期，主要為蒸汽，同時還 存在少量液體。如圖3所示，除了測試翅片溫度夕卜，測試了霜層的生長速度。圖3為0.8MPa，15Nm3/ h工況下測試段上五處霜層厚度的變化情況。可以看出，在的初始階段((2h)，各測點處 結霜的速度都很快，隨著時間的推移，霜厚的增長越來越慢，在進行到6小時左右，霜層厚 度基本穩定不變。由於結霜是一個傳熱傳質過程，初期，翅片表面與環境存在較大的溫度差 和濃度差，空氣中的水分直接與翅片表面接觸傳熱，迅速結霜。最初形成的霜層很薄，熱阻 很小，並且其粗糙度還擴大了翅片表面的換熱面積，從而促進了翅片管的換熱，使結霜仍然 能保持一個較快的速度。150分鐘後，隨著霜層厚度的增加，翅片表面與空氣之間的傳熱熱 阻開始增大，另一方面由於霜層的阻塞作用，空氣流量減少，使空氣側對流換熱係數減少， 翅片管的換熱效率開始下降，另外由於霜表溫度不斷增加，霜表與空氣的溫度差減小，使結 霜減慢，這個時期的結霜量主要是增加霜密度。此後各測點霜層生長都進入緩慢發展期，最 終達到一個準穩定狀態。如圖4和圖5所示，翅片管表面上霜層生長源自空氣中水蒸氣在翅片管表面的凝 華，因此，空氣的相對溼度對霜層的生長速度具有十分顯著的影響。另外，不同的操作條件 也可能對霜層的生長速度具有顯著影響。為了以上因素與霜層生長速度之間的定量關係， 本文在不同條件下進行了研究。如圖4所示為不同溼度、不同流量下翅片管各處的霜層生 長速度。可以看出，壓力一定時，在溼度相近的情況下，平均霜厚隨著流量的增大而增大， 說明流量增大對結霜有促進作用。這是因為流量越大，管內液氮氣化時單位管長向周圍空 氣吸收的熱量越多，因而結霜越多。而在流量為20Nm3/h時候，其平均霜厚反而要比流量為 35Nm3/h甚至50Nm3/h還要大，這是由於在該工況下，其室內的溼度要高於流量為35Nm3/h和 50Nm3/h兩個工況下的溼度。由此可見，空氣溼度對結霜的影響非常明顯，溼度越大，則平均 霜厚越大。為了進一步弄清以上因素對霜層生長速度的影響，本文還在不同壓力和環境溼 度下進行了測試研究，結果如圖5所示。可以看出，流量一致時，在溼度相近的情況下，平均 霜厚隨壓力的增大而增大。這說明壓力增大對結霜有促進作用。這是因為壓力越大，液體 的過冷度越大，完全汽化所需的熱量更多，因此引起的結霜量也就更大。同樣，由該圖還可以看出，平均霜厚隨溼度的增大而增大，而且增幅更為明顯。 如圖6、圖7和圖8所示，翅片管結霜後，由於霜層的熱阻效應，導致翅片管換熱效 率降低。為了確定霜層厚度對翅片管換熱效率的影響，本文分析了平均霜層厚度與翅片管 進出口溫差之間的關係，如圖6和7所示。可以看出，翅片管表面霜層增長的速度越快，進 出口溫差下降的也越快，表明隨著霜層厚度的增長，結霜對翅片管表面傳熱產生不利的影 響，翅片管的換熱效率開始下降。進入結霜後期，隨著霜層增長的速度變緩，進出口溫差下 降的速度也開始減慢，在測試進行到300min時，平均霜層厚度穩定在8mm左右，此時進出 口溫差約為32°C。結霜除了對翅片管的換熱效率有影響外，還對翅片管的水力特性具有一 定影響。圖8為翅片管壓差與霜層厚度之間的關係。可以看出，在一定系統壓力和介質流 量的情況下，翅片管進出口之間的壓差隨著霜層厚度的增加整體上呈獻一個波動上升的趨 勢。這主要是由於翅片管結霜導致整體換熱效率下降，管內兩相區拉長，使得翅片管壓降也 隨著表現出不同的值。
權利要求
1.一種空浴式汽化器結霜特性測試系統，包括低溫液體儲罐、真空絕熱管道、過冷器、 測試段、汽化器及溫度和壓力測試裝置，其特徵在於A、低溫液體儲罐(1)右側下部設有輸出端，輸出端連接室內的真空絕熱管道(2)—端， 真空絕熱管道(2)的另一端連接過冷器(3) —端，過冷器(3)的另一端連接T型熱電偶溫 度傳感器(4)下端，T型熱電偶溫度傳感器(4)的上端連接汽化器(14) 一端，汽化器(14) 的另一端皆有氣體質量流計(15)，所述的T型熱電偶溫度傳感器的上下兩端設有八翅片星 形翅片管(6)的測試段，在八翅片星形翅片管的表面設有數字千分尺(11)，所述的數字千 分尺設在標尺及支架(10)上，在T型熱電偶溫度傳感器的上端右側抽頭一端連接差壓變送 器(9) 一端，差壓變送器(9)的另一端連接壓力變送器(12)和T型熱電偶溫度傳感器的下 端，在T型熱電偶溫度傳感器設有八翅片星形翅片管(6)的測試段外側中間左面位置設有 非接觸式紅外測溫儀(5)，所述的室內設有大氣壓力及溫度計(7)和控溫裝置⑶及超聲波 增溼器(13)；B、液氮由低溫液體儲罐自增壓經真空絕熱管道輸送至過冷器進行預冷，達到一定的過 冷度後進入測試段進行汽化，流出測試段的實驗介質經空浴式汽化器完全汽化並升溫至環 境溫度後由氣體質量流量計測量及流量。
2.如權利要求1所述的一種空浴式汽化器結霜特性測試系統，其特徵在於測試段長度 為2m的八翅片星形翅片管，翅片外徑200mm，基管尺寸為28X 3mm。
3.如權利要求1或2所述的一種空浴式汽化器結霜特性測試系統，其特徵在於翅片等 距離等間隔均勻設有若干銅-康銅熱電偶以測量翅片上不同位置處的溫度變化。
4.如權利要求1所述的一種空浴式汽化器結霜特性測試系統，其特徵在於支架上設有 標尺，標尺上設有數字千分尺，所述的支架是可以旋轉的支架或託架。
5.一種空浴式汽化器結霜特性測試系統的測試方法，其特徵在於先用丙酮將翅片清 洗乾淨，用鋁質膠帶將經過校準的銅-康銅熱電偶按一定的排列固定在測試段的某個翅片 上，根據選擇技術參數設備，連接好管道和各測量儀器，將儲罐出液閥擰開一個小的開度， 檢查完整個管道的氣密性後，再根據工況要求調整出液閥開度，然後開啟溫度、壓力、壓差、 流量各種數據採集儀器進行數據記錄，並每隔半小時人工記錄一次室溫、溼度以及測試段 上下五個位置處的霜層厚度，分析結霜對翅片管綜合換熱性能影響，測試過程中要隨時注 意對儲罐進行增壓或減壓，以保持罐內壓力穩定。
6.如權利要求5所述的一種空浴式汽化器結霜特性測試系統的測試方法，其特徵在於 所述的設備技術參數低溫液體儲罐為5. 0m3、l. 6MPa，真空絕熱管為·15、3. OMPa，過冷器 為5000W，翅片管為DN21、Φ 200 X 2000，汽化器為60Nm3/h，標尺及託架為2m，T型熱電偶溫 度傳感器為士0. 1K，紅外測溫儀為士 1.0K、-50 100°C，壓力變送器為0 3. OMPa,0.5%, 差壓變送器為0 100KPa、0. 5%，氣體質量流量計為0 1500SLPM、0. 5%，數字千分尺為 0 30mm、0. 1 %，大氣壓力及溫溼度計為-40 80°C、0 100%，高速攝像機為2000FPS， 超聲波增溼器為2000W，控溫裝置為5000W。
全文摘要
本發明涉及空浴式汽化器的技術領域，具體地說是在一種空浴式汽化器結霜特性測試系統及測試方法。包括低溫液體儲罐、真空絕熱管道、過冷器、測試段、汽化器及溫度和壓力測試裝置，液氮由低溫液體儲罐自增壓經真空絕熱管道輸送至過冷器進行預冷，達到一定的過冷度後進入測試段進行汽化，流出測試段的測試介質經空浴式汽化器完全汽化並升溫至環境溫度後由氣體質量流量計測量及流量。翅片管表面的霜層生長是一個逐漸發展的過程，這一過程使得霜層厚度和翅片表面溫度都逐漸趨於一個穩定的值，翅片管的操作參數和環境參數對霜層的生長速度都具有一定的影響，相比之下，環境溼度對於霜層生長的速度具有最為顯著的影響。
文檔編號F17C7/04GK101994904SQ20101025228
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者吳興華, 李祥東 申請人:上海市特種設備監督檢驗技術研究院