[發明專利]可實現自然循環與強迫循環耦合的冷凝換熱實驗裝置

有效

• 申請號: 201310084890.4
• 申請日: 2013-03-18
• 公開（公告）號: CN103196945A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 孫中寧;丁銘;范廣銘;高力;侯曉凡;閻昌琪;孫立成;王建軍;曹夏昕;谷海峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 哈爾濱市船大專利事務所 23201
• 代理人: 張耀華

技術領域

本發明涉及的是一種冷凝換熱實驗裝置，特別是一種可實現自然循環與強迫循環耦合的冷凝換熱實驗裝置。

背景技術

冷凝傳熱是指蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時發生的一種傳熱形式。由于冷凝傳熱能夠從較低溫差中獲得很高的換熱系數，因而廣泛應用于動力、化工、制冷和核能等諸多領域。加強蒸汽冷凝換熱能力對提高換熱器熱效率意義重大，然而空氣等不凝性氣體對冷凝傳熱具有強烈的抑制作用，比如在水蒸汽中質量分數1%的空氣就能使傳熱系數降低60%，所以其定量研究近年來一直是傳熱學及相關領域的研究熱點。

此外，傳統的冷卻方式是由泵驅動冷卻水從傳熱管內流過，而蒸汽在管外凝結的強迫循環方式，但隨著非能動概念的提出，由自然循環方式提供冷卻已成為研究的焦點之一。那么，不同的冷卻方式對冷凝換熱的強度是否存在影響？哪種冷卻方式更穩定、可靠？在不同的應用條件下采用哪種冷卻方式更合理？這些都是值得我們認真研究的問題。

針對含不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱研究，實驗是不可替代的重要途徑，而實驗裝置則是獲取可靠數據必須倚靠的硬件設施。但從公開發表的文獻和專利來看，目前提出的冷凝實驗裝置大多只能完成純蒸汽的實驗研究，或單一冷卻方式下的混合氣體實驗。如：麻省理工學院H.Liu的非能動安全殼熱量導出實驗裝置（H.Liu,N.E.Todreas,M.T.Driscoll.An?experimental?investigation?of?passive?cooling?unit?for?nuclear?plant?containment[J].Nuclear?Engineering?and?Design，2000，199：243-255.）僅能完成自然循環下的冷凝實驗研究；而麻省理工學院Dehbi的含不凝氣體的豎直管外冷凝實驗裝置（Dehbi.The?Effects?of?Non-condensable?Gases?on?Steam?Condensation?under?Turbulent?Natural?Convection?Conditions,1991.）僅能完成強迫循環下的冷凝實驗研究。而且上述實驗裝置還存在以下缺陷：（1）將蒸汽源設在實驗體內部，需要很大的水空間以維持數據測量的穩定性，造成實驗體體積龐大，對實驗場地、筒體強度和密封性都有很高要求；若實驗體體積較小，頻繁補水將使系統壓力產生大幅波動，甚至根本無法穩定，不能滿足測量精度要求。（2）對于H.Liu的自然循環試驗裝置，冷凝換熱量是通過水箱內飽和水的汽化潛熱總量來確定，導致冷卻劑的實驗起始溫度必須為飽和溫度，因此無法在較寬范圍內研究換熱管壁面過冷度對冷凝換熱的影響。（3）H.Liu的實驗裝置主要針對換熱進行研究，并未考慮外部自然循環冷卻系統的熱力特性與流動特性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可用于研究含有多組分不凝性氣體的可實現自然循環與強迫循環耦合的冷凝換熱實驗裝置。

本發明的目的是這樣實現的：

主要包括蒸汽供應系統、空氣供應系統、氦氣供應系統、自然循環冷卻系統、強迫循環冷卻系統、冷凝實驗體和數據測量與采集系統；所述蒸汽供應系統主要由鍋爐和流量計組成，由鍋爐產生的蒸汽，流經蒸汽流量計進入冷凝實驗體殼側；所述空氣供應系統主要由空氣壓縮機、儲氣罐、油氣分離器組成，空氣壓縮機向儲氣罐充氣，空氣經過油氣分離器進入冷凝實驗體殼側；所述氦氣供應系統主要由高壓氦氣瓶和減壓閥組成，氦氣經減壓閥減壓后進入冷凝實驗體殼側；混合氣體在冷凝實驗體殼側完成換熱后，凝液流至冷凝實驗體下面的凝液罐內，最后由排水管路排出；自然循環冷卻系統主要由高位水箱、電磁流量計、可視化實驗段組成，在冷熱段密度差的驅動下，高位水箱內的冷卻水沿管路向下流經電磁流量計進入冷凝實驗體管側完成換熱后，向上流經可視化實驗段回到高位水箱；強迫循環冷卻系統主要由水池、水泵、流量計、過濾器、穩壓罐組成，冷卻水由水泵從水池中抽出后依次經過過濾器、流量計、穩壓罐進入冷凝實驗體管側完成換熱后返回水池，流量由管側出口調節閥控制。

本發明還可以包括：

1、自然循環冷卻系統與冷凝實驗體管側的連接管路上設置有自然循環管路閥門，強迫循環冷卻系統與冷凝實驗體管側的連接管路上設置有強迫循環管路閥，通過自然循環管路閥門與強迫循環管路閥的切換實現冷凝實驗體殼側環境相同時自然循環冷卻與強迫循環冷卻的冷凝換熱特性的測量、分析與比較，提高對比實驗的準確性。

2、自然循環冷卻系統的上升段采用透明的耐熱玻璃結構，用于觀察自然循環中的兩相流型，追蹤上升管段的閃蒸起始點位置等。