一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，所述装置由制冷剂循环、热水循环、冷却水循环组成。冷却水循环和热水循环采用常规的循环泵实现液体流动。制冷剂循环利用冷凝器与单套管式蒸发器的高度差，通过加热，制冷剂汽化，制冷剂蒸汽从一侧蒸腾到达冷凝器，在冷凝器内冷凝，然后在重力作用下流下来，形成自然循环流动。该装置可以模拟制冷剂管内流动沸腾换热过程，为研究制冷剂在不同工况下管内沸腾换热系数提供了实验手段。通过合理设置，可以模拟制冷剂进入蒸发器的状态参数，同时，该装置没有使用压缩机和屏蔽泵作为制冷循环的动力装置，更容易控制制冷剂在蒸发器内的流动换热过程。
【专利说明】一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型的模拟制冷剂在水平管内流动沸腾工况的实验装置，并可较为准确地测出制冷剂管内流动沸腾换热系数。
【背景技术】
[0002]为了研究制冷剂管内流动沸腾换热系数，需要模拟实际制冷系统中蒸发器内的制冷剂管内流动沸腾过程，通常采用压缩机或者屏蔽泵来为制冷剂在系统内流动提供循环动力。如果仅仅是为了研究蒸发器内的制冷剂流动沸腾换热系数而搭建一套完整的制冷循环系统实验转置，不仅实验装置复杂，不可控因素也增多，测控难度增大。目前，研究表面换热系数国内外公认比较成熟的方法是用威尔逊图解法拟合表征表面换热系数和影响参数的函数关系式，威尔逊图解法需要的参数比较多，所以对实验装置附属的测量系统也有较高要求。
【发明内容】
[0003]本发明目的是提供一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，该装置可以不依靠压缩机或者屏蔽泵提供循环动力来模拟制冷剂管内流动沸腾过程，完全满足威尔逊图解法所需各参数的要求，可以较为简便地测量制冷剂管内流动沸腾表面换热系数。
[0004]本发明采用以下技术方案:
[0005]一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，所述装置由制冷剂循环、热水循环、冷却水循环组成，
[0006]制冷剂循环包括冷凝器(I)、下降管(2)、制冷剂流量调节阀(3)、单向阀(4)、制冷剂预热器(5)、视镜(14)、截止阀(18)、单套管式蒸发器(6)、截止阀(19)、视镜(15)、上升管(7)、视镜(16)，其连接方式为:冷凝器(I)的壳程出液口(a)经过下降管(2)、制冷剂流量调节阀⑶与单向阀⑷进口相连，单向阀⑷出口连接制冷剂预热器(5)进口，制冷剂预热器(5)出口经过视镜(14)、截止阀(18)与单套管式蒸发器(6)制冷剂进口(b)相连，单套管式蒸发器(6)制冷剂出口(c)经过截止阀(19)和两个具有高度差的视镜(15)、(16)及二者之间的上升管(7)，然后与冷凝器(I)壳程进口(d)相连，由此构成制冷剂循环；
[0007]热水循环包括单套管式蒸发器(6)、膨胀水箱(8)、热水循环泵(9)、旁通阀(10)、热水循环加热器(11)、热水流量计(12)，其连接方式为:膨胀水箱(8)出口与单套管式蒸发器(6)热水出口(e)并联后与热水循环泵(9)进口连接，热水循环泵(9)进出口跨接旁通阀(10)，热水循环泵(9)与旁通阀(10)并接后与热水循环加热器(11)进口相接，热水循环加热器(11)出口与热水流量计(12)进口相接，热水流量计(12)出口与单套管式蒸发器
(6)热水进口(f)相连接，形成热水循环；
[0008]冷却水循环包括冷凝器(I)、冷却水流量计(13)、截止阀(20)、截止阀(21)、截止阀(22)、截止阀(23)，其连接方式为:利用外部冷源提供实验所需要温度的冷却水，冷却水经过冷却水流量计(13)后分为两路:一路经截止阀(20)接入冷凝器(I)管程进口(g)，经过冷凝器内上层布置的冷凝管，从冷凝器(1)管程出口 00出来，管程出口 00处设置截止阀(21)；另一路经截止阀(22)接入冷凝器(1)管程进口(1),经过冷凝器(1)内下层布置的过冷管，从冷凝器⑴管程出口 0)出来，管程出口 0)处设置截止阀(23)；
[0009]冷凝器(1)设置在单套管式蒸发器(6)的上方，制冷剂预热器(5)、视镜(14)和截止阀(18).(19)与单套管式蒸发器(6)在同一水平高度，视镜(15)的高度高出视镜(14),视镜(16)的高度高出视镜(15)，在冷凝器⑴壳体上安装视镜(17)，视镜(17)和视镜(16)位于同一水平高度。
[0010]进一步地，视镜(15)的高度高出视镜(14)0.1米，视镜(16)的高度高出视镜(15)0.9米，在冷凝器(1)壳体1/3高度位置上安装视镜(17)。
[0011]进一步地，所述单套管式蒸发器出)为可拆卸式单套管式蒸发器，内管可以更换，以方便各种经不同方法处理的强化内管换热系数的研究。
[0012]本发明装置没有常规压缩式制冷系统所采用的压缩机作为动力装置，也没有采用一般实验台用屏蔽泵提供动力的做法，而是利用冷凝器与单套管式蒸发器的高度差，通过加热，制冷剂汽化，制冷剂蒸汽从一侧蒸腾到达冷凝器，在冷凝器内冷凝，然后在重力作用下流下来，形成自然循环流动。制冷剂循环的动力来自于下降液与上升汽的重力差，并且可以通过调节加热功率来控制制冷剂流量。可以通过调节自耦调压器电压的方式改变制冷剂预热器加热功率，以改变进入单套管式蒸发器的制冷剂干度，以此模拟多种压缩式制冷循环中蒸发器进口制冷剂的实际工况。
[0013]本发明的有益效果:
[0014]本发明装置可以模拟制冷剂管内流动沸腾换热过程，为研究制冷剂在不同工况下管内流动沸腾换热系数提供了简便的实验手段。通过合理设置，可以来模拟制冷剂进入蒸发器的状态参数，同时，该实验装置没有压缩机和屏蔽泵作为制冷循环的动力装置，更容易控制制冷剂在蒸发器内的流动换热过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明装置示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范围之中。
[0017]一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，如图1所示，所述装置由制冷剂循环①、热水循环②、冷却水循环③组成。
[0018]制冷剂循环①包括冷凝器1、下降管2、制冷剂流量调节阀3、单向阀4、制冷剂预热器5、视镜14、截止阀18、单套管式蒸发器6、截止阀19、视镜15、上升管7、视镜16，其连接方式如下:冷凝器1的壳程出液口 3经过下降管2、制冷剂流量调节阀3与单向阀4进口相连，单向阀4出口连接制冷剂预热器5进口，制冷剂预热器5出口经过视镜14、截止阀18与单套管式蒸发器6制冷剂进口 6相连，单套管式蒸发器6制冷剂出口 0经过截止阀19和两个具有高度差的视镜15、16及二者之间的上升管7，然后与冷凝器1壳程进口 (1相连，由此构成制冷剂循环①。
[0019]热水循环②包括单套管式蒸发器6、膨胀水箱8、热水循环泵9、旁通阀10、热水循环加热器11、热水流量计12，其连接方式如下:膨胀水箱8出口与单套管式蒸发器6热水出口 e并联后与热水循环泵9进口连接，热水循环泵9进出口跨接旁通阀10，热水循环泵9与旁通阀10并接后与热水循环加热器11进口相接，热水循环加热器11出口与热水流量计12进口相接，热水流量计12出口与单套管式蒸发器6热水进口 f相连接，形成热水循环②。
[0020]冷却水循环③包括冷凝器1、冷却水流量计13、截止阀20、截止阀21、截止阀22、截止阀23，其连接方式如下:利用外部冷源提供需要温度的冷却水，冷却水经过冷却水流量计13后分为两路:一路经截止阀20接入冷凝器I管程进口 g，经过冷凝器内的冷凝管，从冷凝器I管程出口 h出来，管程出口 h处设置截止阀21 ;另一路经截止阀22接入冷凝器I管程进口 i，经过冷凝器I内的过冷管，从冷凝器I管程出口 j出来，管程出口 j处设置截止阀23。
[0021]冷凝器I和单套管式蒸发器6之间留有I米左右的高度差，冷凝器I在上，单套管式蒸发器6在下，制冷剂预热器5、视镜14和截止阀18、19与单套管式蒸发器6在同一水平高度，视镜15的高度高出视镜14为0.1米，视镜16比视镜15高0.9米，在冷凝器壳体1/3高度位置安装视镜17，视镜17和视镜16位于同一水平高度。
[0022]冷凝器I的壳程出液口 a和壳程进口 d，单套管式蒸发器6热水出口 e和热水进口f，热水循环泵9进出口处均设有截止阀，膨胀水箱8上分别设有溢流口、补水口和放空口。
[0023]单套管式蒸发器6为可拆卸式单套管式蒸发器，可以将其中的内管拆下来，换上同样尺寸的采用不同内部强化措施加工出来的铜管，以便测量不同强化管的管内流动沸腾换热系数，进行比较。制冷剂预热器5通过自耦调压器进行电加热功率调节。热水循环加热器11则通过固态继电器的控制电路进行出口水温调节，实现热水出水温度恒定的要求。单向阀4的作用是防止循环反向流动，视镜14、15、16、17的作用是便于观察制冷剂工质在铜管内的流动状态。
[0024]该装置中冷却水循环③和热水循环②采用常规的循环泵实现液体流动，所需冷源由外部提供。制冷剂循环①摒弃了传统的实验装置所需要的压缩机和节流设备，利用冷凝器I和单套管式蒸发器6之间两根连接管(一根为下降管2，一根为上升管7)内流体的密度差形成循环动力，并可以通过调节单套管式蒸发器6的吸热量来控制制冷剂循环流量。整个环路，主要由单套管式蒸发器6、冷凝器I以及构成制冷剂循环的相关管路组成，运行中整个系统处于同一压力下(不计管路阻力和液柱静压力)。装置的核心部件是一个单套管式蒸发器6，在单套管式蒸发器6进液管路上设置一个制冷剂预热器5进行预先加热，使制冷剂进入单套管式蒸发器6前具有一定的干度，以此模拟压缩式制冷系统制冷剂进入单套管式蒸发器6前的两相状态。单套管蒸发器6内管和外管之间的环形空间内流过温度高于内管内制冷剂饱和温度的热水，通过间壁换热使内管内的制冷剂沸腾，模拟制冷系统中蒸发器铜管内的制冷剂流动沸腾过程。
[0025]冷凝器I壳体内制冷剂充注到视镜17的2/3所在高度。启动实验装置前，把制冷剂回路管路阀门均置于开启状态，在视镜16、17内可以观察到平齐的制冷剂液面，根据需要的制冷剂蒸发工况要求，首先对制冷循环系统进行预冷，利用外部冷源提供所需要温度的冷却水，关闭截止阀20、21，开启截止阀22、23，利用冷凝器下层的过冷管这一回路对冷凝器1内的制冷剂进行降温，降温完成后，整个制冷剂循环处于同一饱和状态下，饱和温度为丁1。打开截止阀20、21，关闭截止阀22、23。启动热水循环泵9，利用旁通阀10调节热水流量，设定热水循环加热器11的加热温度12 011).,热水循环加热器11的加热量由高精度？10调节仪接收由单套管式蒸发器6热水进口 ？处的温度反馈信号自动调节，使单套管式蒸发器6热水进口？处的温度恒定为所设定温度12。循环热水在单套管式蒸发器6内与内管中的饱和制冷剂发生换热，制冷剂沸腾汽化成饱和蒸汽，蒸汽由于受到一端单向阀4的制约，只能沿着上升管7上升至冷凝器1，经冷凝器1内上层冷凝盘管冷凝成饱和液体，在重力作用下，沿下降管2经制冷剂流量调节阀3流下，重新在单套管式蒸发器6内被来自热水循环②的热水加热汽化。整个过程稳定后，原本视镜16、17中观察到平齐的制冷剂液面发生变化，上升管7中的制冷剂液位下降，冷凝器1的制冷剂液位略有上升，二者形成高度差八11，由此构成了制冷剂在制冷剂循环①内流动动力，蒸发器换热量0由进出蒸发器热水的温度差乘以热水流量和水的比热来确定，制冷剂循环流量此等于单套管蒸发器6中换热量0与对应饱和温度下制冷剂汽化潜热I的比值。通过设定不同的热水循环加热器11出口温度12和调节热水循环流量，可以改变单套管式蒸发器6中的换热量0，即实现可控的制冷剂循环流量此。
[0026]达到以上稳态过程，对应的单套管式蒸发器6制冷剂入口干度为0，这时逐步调小热水循环加热器11的出口温度12，使得每次调节后单套管式蒸发器6中的换热量0减小八0，相应的通过调节制冷剂预热器5控制电路中自耦调压器的电压，使得制冷剂预热器5的加热功率增加八0，这样一方面保证整个制冷剂循环的总的换热量0不变，即制冷剂循环流量此不变；另一方面，随着制冷剂在单套管式蒸发器6和制冷剂预热器5两部分的换热量调整，单套管式蒸发器6制冷剂入口干度逐渐增大，可以近似模拟各种不同入口干度工况，从而研究入口干度参数对单套管式蒸发器6内制冷剂流动沸腾换热系数的影响。注:上述推论均在该实验装置所有部件与环境绝热条件下得出，因此，该装置各部件的保温性能优劣对测试结果具有重要的影响，对单套管蒸发器、制冷剂预热器及其连接管道应做漏热量测定，以便在计算换热量过程中补偿修正。
【权利要求】
1.一种测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，其特征在于，所述装置由制冷剂循环、热水循环、冷却水循环组成， 制冷剂循环包括冷凝器(1)、下降管(2)、制冷剂流量调节阀(3)、单向阀(4)、制冷剂预热器(5)、视镜(14)、截止阀(18)、单套管式蒸发器(6)、截止阀(19)、视镜(15)、上升管(7)、视镜(16)，其连接方式为:冷凝器⑴的壳程出液口(a)经过下降管(2)、制冷剂流量调节阀⑶与单向阀⑷进口相连，单向阀⑷出口连接制冷剂预热器(5)进口，制冷剂预热器(5)出口经过视镜(14)、截止阀(18)与单套管式蒸发器(6)制冷剂进口(b)相连，单套管式蒸发器(6)制冷剂出口(c)经过截止阀(19)和两个具有高度差的视镜(15)、(16)及二者之间的上升管(7)，然后与冷凝器(1)壳程进口(d)相连，由此构成制冷剂循环； 热水循环包括单套管式蒸发器￠)、膨胀水箱(8)、热水循环泵(9)、旁通阀(10)、热水循环加热器(11)、热水流量计(12)，其连接方式为:膨胀水箱(8)出口与单套管式蒸发器(6)热水出口(e)并联后与热水循环泵(9)进口连接，热水循环泵(9)进出口跨接旁通阀(10)，热水循环泵(9)与旁通阀(10)并接后与热水循环加热器(11)进口相接，热水循环加热器(11)出口与热水流量计(12)进口相接，热水流量计(12)出口与单套管式蒸发器(6)热水进口(f)相连接，形成热水循环； 冷却水循环包括冷凝器(1)、冷却水流量计(13)、截止阀(20)、截止阀(21)、截止阀(22)、截止阀(23)，其连接方式为:利用外部冷源提供实验所需要温度的冷却水，冷却水经过冷却水流量计(13)后分为两路:一路经截止阀(20)接入冷凝器(1)管程进口(g)，经过冷凝器内上层布置的冷凝管，从冷凝器(1)管程出口(h)出来，管程出口(h)处设置截止阀(21);另一路经截止阀(22)接入冷凝器(1)管程进口(i)，经过冷凝器(1)内下层布置的过冷管，从冷凝器⑴管程出口(j)出来，管程出口(j)处设置截止阀(23)； 冷凝器(1)设置在单套管式蒸发器(6)的上方，制冷剂预热器(5)、视镜(14)和截止阀(18)、(19)与单套管式蒸发器(6)在同一水平高度，视镜(15)的高度高出视镜(14)，视镜(16)的高度高出视镜(15)，在冷凝器⑴壳体上安装视镜(17)，视镜(17)和视镜(16)位于同一水平高度。
2.根据权利要求1所述的测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，其特征在于，视镜(15)的高度高出视镜(14)0.1米，视镜(16)的高度高出视镜(15)0.9米，在冷凝器(1)壳体1/3高度位置上安装视镜(17)。
3.根据权利要求1所述的测量制冷剂管内流动沸腾换热系数的实验装置，其特征在于，所述单套管式蒸发器￠)为可拆卸式单套管式蒸发器，可以更换内部换热管。
【文档编号】G01N25/20GK104297291SQ201410629263
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】杜垲, 储云霄, 李彦军, 李舒宏 申请人:东南大学