[发明专利]低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置

说明书

本发明公开了一种低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置，包括内部形成有扇形腔体的壳体，其包括：进口端盖、出口端盖、前挡板、后挡板、左挡板和右挡板，在扇形腔体内自上而下依次分布着第一均流板、第二均流板、中间缠绕管，第一均流板上设置有第一导流孔，第二均流板上设置有第二导流孔，第一导流孔的孔径大于第二导流孔的孔径；中间缠绕管包括最外层绕管、最内层绕管和位于最外层绕管和最内层绕管之间的中间层绕管；外层绕管、中间层绕管和最内层绕管的弧度与扇形腔体的弧度相同。本发明能在低温工况下能够观测流型转换过程，研究流型与换热的关系。

技术领域

本发明涉及低温热交换技术领域，特别涉及一种低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置。

背景技术

绕管式换热器是陆基大型液化天然气流程的首选主低温(-170摄氏度到100摄氏度)换热器，具有结构紧凑、可以多种介质同时换热、操作压力高、热膨胀可自行补偿以及易于实现大型化的特点。绕管式换热器性能的好坏直接决定了天然气液化的效率，进而带来巨大的经济效益。

绕管式换热器的核心结构是螺旋缠绕管，该螺旋缠绕管包括多股高压工质在不同层绕管内自下而上并行流动，与壳侧制冷工质自上而下流动的低压混合冷剂进行换热。壳侧工质在管外流动时，工质从液体状态逐渐加热成气液两相态，在出口处出现全气相状态。随着气相的增多，管壁面逐渐不能被液相完全覆盖，壳侧传热系数下降，因此在绕管式换热器的进出口会出现传热性能偏差的问题。绕管式换热器约70％的热阻集中在壳侧，观测壳侧流型的转换对于绕管式换热器的优化与设计尤为重要，其整个对提高传热性能给出实质性的指导。

目前，国内对于绕管式换热器的设计均将壳侧绕管封闭在腔体内，难以观测流体在壳侧内的流动状态。如果为了观测流体在壳侧内的流动状态而专门设计一比一的绕管式换热器，会导致一系列问题，包括：占地面积大，成本高等。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置，在低温工况下能够观测流型转换过程，研究流型与换热的关系，进而提高换热器的传热性能。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置，包括：内部形成有扇形腔体的壳体，所述壳体包括：相对的进口端盖和出口端盖，相对的前挡板和后挡板，相对的左挡板和右挡板，在该扇形腔体内自上而下依次分布着第一均流板、第二均流板、中间缠绕管，所述第一均流板上设置有第一导流孔，所述第二均流板上设置有第二导流孔，所述第一导流孔的孔径大于所述第二导流孔的孔径；所述中间缠绕管由顺时针、逆时针交叉排列的螺旋绕管形成，所述中间缠绕管包括最外层绕管、最内层绕管和位于所述最外层绕管和所述最内层绕管之间的中间层绕管；所述外层绕管、所述中间层绕管和所述最内层绕管的弧度与所述扇形腔体的弧度相同。

在一个优选的实施方式中，所述扇形腔体的壳侧截面积与所述扇形腔体的弧度的关系如下：

上式中：A_shell为壳侧截面积；R_max、R_min分别表示实验装置的最大缠绕半径和最小缠绕半径，其值由所选取中间缠绕管最外层绕管及最内层绕管距离中心筒的距离决定；Pr表示相邻两层绕管的层间距；D为绕管的外径；rad为扇形腔体的弧度。

在一个优选的实施方式中，所述实验装置内质量流量与所述扇形腔体的弧度的关系如下：

上式中：r_max、r_min分别表示绕管式换热器的最大缠绕半径和最小缠绕半径，其值可根据实际换热器的大小来决定；m为绕管式换热器总质量流量；m_test为实验测试段质量流量；rad为扇形腔体的弧度。

在一个优选的实施方式中，所述扇形腔体的弧度为π/8。