[发明专利]混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法

说明书

本发明公开了一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法，该系统包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统；实验工质自储液罐进入蒸汽发生器，产生蒸汽进入实验段，在环形套管换热器的冷却下，在实验管道内部凝结后经过气液分离器，未完全凝结的混合工质经过凝汽器完全冷却最后再回到储液罐，形成闭式循环，本发明还提供了该系统的实验方法，能够用于混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究，用于获得管内凝结换热机理，适用于多种工质、不同工况研究，同时又能做到简便快速的调节系统参数。本发明可为珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持。

技术领域

本发明涉及能源动力工程领域对流凝结实验研究技术领域，尤其涉及一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及其实验方法。

背景技术

在某些混合工质凝结过程中，凝结液自由表面存在表面张力梯度，导致表面张力低的局部流体向表面张力高的局部流动，即出现所谓的“马兰戈尼(Marangoni)对流”，使膜状的液膜出现波动，甚至撕裂，最终形成珠状或者类珠状的凝结形态，称为马兰戈尼(Marangoni)凝结或者类珠状凝结。可形成马兰戈尼凝结的混合工质有水-酒精混合物、氨水混合物等物质，它们都属于正系统工质。正系统工质是指在混合工质体系中高沸点组分表面张力比低沸点组分表面张力大的二元混合工质。在具有正系统特性的混合工质液态自由表面上，微小的扰动会使自由表面产生局部压力、温度和浓度分布的不同，引起液体局部表面张力差异，从而在液体表面形成表面张力梯度，导致出现马兰戈尼对流。

目前的马兰戈尼凝结的实验研究多是集中于外部凝结，包括竖直壁面、管外壁面等。而在实际工业应用下，管内凝结过程在低温制冷、石油化工、动力系统等领域广泛存在。与外部凝结不同，蒸气在管内的流动凝结将受到蒸气流速的重要影响，对于不同的流型，其换热机理也相应变化，远比外部凝结复杂。传统观点认为，蒸气在管内凝结一般出现的都是膜状凝结难以实现珠状凝结。

中国专利申请公布号CN201210540382.8公开了一种含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置，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，研究蒸汽流向、不凝性气体层等因素对冷凝换热的影响机理。但只能针对蒸汽管外冷凝过程进行实验，且进行的是竖直管外的冷凝。

中国专利申请公布号CN201310084890.4公开了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，自然循环系统的排热与流动特性的实验研究，但该实验系统并不能进行管内凝结实验研究，且实验工质为纯蒸汽，不能用于混合工质马兰戈尼凝结实验研究。

中国专利申请公布号CN201710168093.2公开了一种宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验系统，适用于研究核电站安全壳过滤排放系统内冷凝换热器性能的宽过冷度含多元气体的水平管内蒸汽冷凝换热实验研究，该系统用于研究含有不凝结气体的管内蒸汽流动冷凝换热特性，适用于其它领域含多元不凝性气体的水平管内蒸汽流动冷凝换热特性研究，但不能应用于混合工质马兰戈尼管内对流凝结实验，不能对管内由马兰戈尼对流形成的珠状凝结进行直接观测。不满足马兰戈尼凝结管内对流凝结实验研究需要。

为解决现有马兰戈尼凝结管内对流凝结实验研究不足，实现混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究、凝结换热与阻力特性研究、凝结换热机理研究和凝结参数优化研究。更全面和准确的研究不同混合蒸气浓度、蒸气质量流量、干度、蒸气入口饱和压力等蒸气参数及不同倾斜角度和管径，管长等几何参数条件对马兰戈尼凝结管内对流凝结特性的影响，从而为珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持，设计了本套综合实验系统。

发明内容