專利名稱：空浴式汽化器結霜特性測試臺的制作方法
技術領域：
空浴式汽化器結霜特性測試臺[技術領域][0001]本實用新型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 霜特性測試臺。[背景技術][0002]眾所周知，空浴式汽化器是一種換熱氣化器裝置，為使傳熱系數提高，通過提 高換熱面積來實現的。[0003]我國目前具有很大的空浴式汽化器生產規模和裝備量，對于這一類型的產品， 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，由于空 浴式汽化器結構簡單，制造和生產較為方便，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于對空浴式 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，也正是由于這個 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，并深入了 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。[發明內容][0004]本實用新型的目的在于提供一種空浴式汽化器結霜特性測試臺。[0005]本實用新型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臺，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 特征在于低溫液體儲罐(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( 的另一端連接過冷器C3) —端，過冷器C3)的另一端連接T型熱 電偶溫度傳感器⑷下端，T型熱電偶溫度傳感器⑷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(1 ，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(1 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)及超聲波增濕器(13)；[0006]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 ；[0007]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；[0008]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 架或托架；[0009]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DN15、 3.0MPa,過冷器為5000W，翅片管為DN21、Φ200x2000,汽化器為60Nm7h，標尺及 托架為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 3.0MRI、0.5%,差壓變送器為0 lOOKPa、0.5%,氣體質量流量計為 O 1500SLPM、0.5%,數字千分尺為O 30mm、0.1%,大氣壓力及溫濕度計為-40 80°C、O 100%，高速攝像機為2000FPS，超聲波增濕器為2000W，控溫裝置為5000W[0010]本實用新型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， 建立了測試裝置并以液氮為工質，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 面溫度都逐漸趨于一個穩定的值，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，環境濕度對于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。[
][0011]圖1是本實用新型的結構示意圖；[0012]圖2是本實用新型翅片表面溫度變化曲線示意圖；[0013]圖3是本實用新型霜層厚度變化示意圖；[0014]圖4是本實用新型不同流量和濕度下的霜層生長速度示意圖；[0015]圖5是本實用新型不同壓力和濕度下的霜層生長速度示意圖；[0016]圖6是本實用新型霜層厚度及進出口溫差隨時間的變化示意圖；[0017]圖7是本實用新型霜層厚度與進出口溫差的關系示意圖；[0018]圖8是本實用新型進出口壓差與平均霜厚的關系示意圖。[0019]指定圖1為摘要附圖。[具體實施方式
][0020]下面通過具體的實施例并結合附圖對本實用新型做進一步詳細的描述。[0021]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為大氣壓力及溫濕度計，8為控溫裝置，9 為差壓變送器，10為標尺及托架，11為數字千分尺，12為壓力變送器，13為超聲波增濕 器，14為汽化器，15為氣體質量流量計。[0022]本實用新型包括低溫液體儲罐、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，達到一定的過冷度后進入測試 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并升溫至環境溫度后由氣 體質量流量計測量及流量。[0023]裝置的主體部分安裝于室內，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^X3mm。翅片上均勻安裝若干銅-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 控的環境溫濕度條件，室內安裝了控溫裝置及超聲波增濕器。本裝置的測量設備包括溫 度、壓力、流量、壓差、環境溫濕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、1.6MPa,真空絕熱管為DN15、3.0MPa,過冷器為5000W， 翅片管為DN21、Φ 200，汽化器為60Nm3/h，真空絕熱玻璃管為DN16、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0.1K，紅外測溫儀為士 1.0K、-50 IOO0C,壓力變送器為0 3.0MPa、0.5%,差壓變送器為0 lOOKPa、0.5%,氣體質量 流量計為0 1500SLPM、0.5%,數字千分尺為0 30mm、0.1%,大氣壓力及溫濕度計 為-40 80°C、0 100%，高速攝像機為2000FPS，超聲波增濕器為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，用于測量不同位置處的霜層厚度。霜層表面溫度采用非 接觸式的紅外測溫儀進行測量。[0024]先用丙酮將翅片清洗干凈，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后，再根據工況要求調整出液閥開度，然后開啟溫 度、壓力、壓差、流量各種數據采集儀器進行數據記錄，并每隔半小時人工記錄一次室 溫、濕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。[0025]翅片管上離進口 160cm處霜層的生長情況。測試工況為壓力0.5MRi，流量 15Nm3/h。測試開始后5分鐘后，此時翅片表面已經出現很薄的冰層，之后開始出現小 沙丘狀冰粒，即結晶胚胎。20分鐘后翅頂處霜的冰柱外形已經非常明顯。測試進行30分 鐘后，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于 平坦，已經進入霜層生長期。隨著測試繼續進行，在60分鐘后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 的霜層融化后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 常疏松，150分鐘后可以看出，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分鐘后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，并沿著翅高開始向內擴張，而霜厚增長繼 續變慢。360分鐘后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，此后霜層生長速 度達到平衡，霜層維系在一個相對穩定的厚度值。[0026]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O.SMPa，介質流量15Nm3/h工況下各點的溫度 變化過程。[0027]可以看出，翅片管入口附近GOcm)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。隨后溫度變化緩慢，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，處于單相液體對 流換熱區。隨著測試的進行，該處溫度值緩慢降低，溫度變動范圍很小。隨著高度的增 加，溫度變化過程趨于緩慢。80cm處的溫度在1小時內從環境溫度降到-100°C，在3小 時之后溫度在-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，穩定后相互 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于下降，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。此時管內流體處于氣化 中后期，主要為蒸汽，同時還存在少量液體。[0028]如圖3所示，除了測試翅片溫度外，測試了霜層的生長速度。圖3為O.SMPa， 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(Uh)， 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。由于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，并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分鐘后，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，另一方面由于霜層的阻塞作用，空氣流量減 少，使空氣側對流換熱系數減少，翅片管的換熱效率開始下降，另外由于霜表溫度不斷 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。 此后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。[0029]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，空氣的相對濕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 關系，本文在不同條件下進行了研究。如圖4所示為不同濕度、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，在濕度相近的情況下，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，這是由于在該工況下，其室內的濕 度要高于流量為35Nm3/h和50Nm3/h兩個工況下的濕度。由此可見，空氣濕度對結霜 的影響非常明顯，濕度越大，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濕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，在濕度相近的情況下，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，平均霜厚隨濕度的增大而 增大，而且增幅更為明顯。[0030]如圖6、圖7和圖8所示，翅片管結霜后，由于霜層的熱阻效應，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6翅片管進出口溫差之間的關系，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。進入結霜后期，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300η ι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系。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。這主要是由于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臺，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，其特征在于低溫液體儲罐(1)右側下部 設有輸出端，輸出端連接室內的真空絕熱管道( 一端，真空絕熱管道( 的另一端連接 過冷器C3) —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)及超聲波增濕器(13)。
2.如權利要求1所述的一種空浴式汽化器結霜特性測試臺，其特征在于測試段長度為 2m的八翅片星形翅片管，翅片外徑200mm，基管尺寸為^X3mm。
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臺，其特征在于翅片等距 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臺，其特征在于支架上設有 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托架。
5.如權利要求1所述的一種空浴式汽化器結霜特性測試臺，其特征在于所述的設備 技術參數低溫液體儲罐為5.0m3、1.6MPa,真空絕熱管為DN15、3.0MPa,過冷器為 5000W,翅片管為DN21、Φ200x2000,汽化器為60Nm7h，標尺及托架為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 lOOKPa、0.5%,氣體質量流量計為0 1500SLPM、 0.5%,數字千分尺為0 30mm、0.1%,大氣壓力及溫濕度計為-40 80°C、0 100%,高速攝像機為2000FPS，超聲波增濕器為2000W，控溫裝置為5000W。
專利摘要本實用新型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臺。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，本實用新型的有益效果是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于一個穩定的值，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，環境濕度對于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。
文檔編號F17C7/04GK201810981SQ20102029037
公開日2011年4月27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