[发明专利]一种深低温冷凝换热过程的可视化实验装置

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。