一种天然气烟气冷凝换热分析系统的制作方法

本发明涉及一种冷凝换热分析系统，具体涉及一种天然气烟气冷凝换热分析系统，属于烟气冷凝换热技术领域。

背景技术：

在以天然气为燃料时，天然气燃烧产生的烟气中大约有体积份额为20％水蒸气和80％的不凝结气体。为了提高热工装置的热效率，一般将天然气烟气的排烟温度控制在40℃到50℃之间，以回收烟气中的部分显热和水蒸气的气化潜热。为更好地利用烟气中的热量，需要对天然气烟气中水蒸气凝结换热特性进行研究。目前实验室中采用水蒸气和其他气体混合的方法模拟燃烧后的天然气烟气，但采用配汽混合的方式并不能表征烟气真实的物理特性，进而影响天然气烟气凝结换热特性的研究。

综上，现有采用水蒸气和其他气体混合，不能很好地反映出真实烟气冷凝过程的物理特性，影响对冷凝机理研究的问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有的采用水蒸气和其他气体混合，不能很好地反映出真实烟气冷凝过程的物理特性，影响对冷凝机理研究的问题，进而提供一种天然气烟气冷凝换热分析系统。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的天然气烟气冷凝换热分析系统包括天然气烟气发生系统、烟气降温系统、烟气冷凝系统、数据采集系统、质量测定系统、烟道11、风机21、烟气分析仪22；

所述天然气烟气发生系统包括天然气瓶1、第一水泵2、燃气热水器9和两个第一阀门3；

所述烟气降温系统包括两个烟气均布装置12、翅片管式换热器14、两个第二水泵23和两个第二阀门24；

所述烟气冷凝系统包括冷凝板换热器18、竖直冷凝板19和光学可视玻璃20；

所述数据采集系统包括多个电磁流量计4、多个压力变送器5、多个温度传感器6、涡街流量计7、气体压力计8、ccd高速摄像机和红外热像仪17和数据集成器10；

所述质量测定系统包括液体导流片15和电子天平16；

所述天然气瓶1与燃气热水器9通过不锈钢燃气管连接，不锈钢燃气管管路上依次布置涡街流量计7和气体压力计8；第一水泵2与燃气热水器9通过第一波纹水管连接，第一波纹水管上依次布置有电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6，不锈钢燃气管管路和第一波纹水管上均设置有一个第一阀门3；

燃气热水器9与翅片管式换热器14通过烟道11连接，烟道11的出口设置有烟气均布装置12，第二水泵23中的一个与翅片管式换热器14通过第二波纹水管连接，第二波纹水管上依次布置有电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6；翅片管式换热器14下部布置有液体导流片15，液体导流片15出口正下方设置有电子天平16，翅片管式换热器14的底部出口端设置有烟气均布装置12、冷凝板换热器18、竖直冷凝板19和光学可视玻璃20，冷凝板换热器18、竖直冷凝板19和光学可视玻璃20沿水平方向依次布置，ccd高速摄像机和红外热像仪17朝向光学可视玻璃20一侧设置，冷凝板换热器18下方设置有风机21和烟气分析仪22，烟气分析仪22与风机21。

进一步地，所述翅片管式换热器14的侧壁上加工有多个烟气取样孔13，烟气取样孔13设置有上下两层。

进一步地，燃气热水器9的额定热负荷为30kw，额定燃气压力为2000pa，燃气热水器9的排烟方式为强排式。

进一步地，电磁流量计4精度为0.001l/min。

进一步地，第一水泵2和第二水泵23的供水扬程均为6m。

进一步地，温度传感器6为铜-康铜t型热电偶，精度为0.01℃。

进一步地，光学可视玻璃20材质为锗玻璃，光学可视玻璃20两侧均涂有增透性碳膜。

进一步地，燃气热水器9与翅片管式换热器14通过烟道11连接完全密封，烟道11

直径为700mm，烟道11材质为薄铁皮，烟道11外包裹有玻璃棉保温。

进一步地，翅片管式换热器14由3～6根紫铜基u型管组成，每根紫铜基u型管的外径为20mm，内径为18mm，u型管总长为460mm。

进一步地，电子天平16量程为0-100g,精度为0.001g。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的天然气烟气冷凝换热分析系统可在实验室中观察、研究天然气真实烟气冷凝过程现象和微观机理，对于以后提高热工装置的效率和节能环保具有非常重要的指导意义；

2、本发明采用ccd高速摄像机、红外热像仪相结合方式，可以实时拍摄天然气烟气在竖直铜板上液滴分布规律及冷凝表面的温度场；

3、本发明烟气降温后发生部分冷凝的小液滴通过导流板直接送入到天平称重，进而能够计算出烟气冷凝前烟气的含湿量；

4、本发明采用数据集成器对燃气管路和冷却水循环管路上的工质温度、压力、流量数据进行集合，方便实验数据的记录；

5、本发明提出的天然气冷凝试验系统功能多样，可通过改变燃气流量、循环冷却水流量等不同操作参数来研究不同工况下的天然气烟气的凝结特性，大大节约了科研经费。

附图说明

图1是本发明的天然气烟气冷凝换热分析系统的整体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一中烟气降温系统的主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2的右视图；

图5是图2中烟气冷凝系统的局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的天然气烟气冷凝换热分析系统包括天然气烟气发生系统、烟气降温系统、烟气冷凝系统、数据采集系统、质量测定系统、烟道11、风机21、烟气分析仪22；

所述天然气烟气发生系统包括天然气瓶1、第一水泵2、燃气热水器9和两个第一阀门3；

所述烟气降温系统包括两个烟气均布装置12、翅片管式换热器14、两个第二水泵23和两个第二阀门24；

所述烟气冷凝系统包括冷凝板换热器18、竖直冷凝板19和光学可视玻璃20；

所述数据采集系统包括多个电磁流量计4、多个压力变送器5、多个温度传感器6、涡街流量计7、气体压力计8、ccd高速摄像机和红外热像仪17和数据集成器10；

所述质量测定系统包括液体导流片15和电子天平16；

所述天然气瓶1与燃气热水器9通过不锈钢燃气管连接，不锈钢燃气管上依次布置涡街流量计7和气体压力计8；第一水泵2与燃气热水器9通过第一波纹水管连接，第一波纹水管上依次布置有电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6，不锈钢燃气管和第一波纹水管上均设置有一个第一阀门3；

燃气热水器9与翅片管式换热器14通过烟道11连接，烟道11的出口设置有烟气均布装置12，第二水泵23中的一个与翅片管式换热器14通过第二波纹水管连接，第二波纹水管上依次布置有电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6；翅片管式换热器14下部布置有液体导流片15，液体导流片15出口正下方设置有电子天平16，翅片管式换热器14的底部出口端设置有烟气均布装置12、冷凝板换热器18、竖直冷凝板19和光学可视玻璃20，冷凝板换热器18、竖直冷凝板19和光学可视玻璃20沿水平方向依次布置，ccd高速摄像机和红外热像仪17朝向光学可视玻璃20一侧设置，冷凝板换热器18下方设置有风机21和烟气分析仪22，烟气分析仪22与风机21。

天然气由天然气瓶1输出，经由不锈钢燃气管输送到燃气热水器9中进行扩散燃烧，不锈钢燃气管上分别布置了第一阀门3、涡街流量计7、气体压力计8，分别调节燃气热水器进口的燃气流量、压力，燃气管路为耐压、密封不锈钢软管；燃气热水器9的另一端口连接循环冷却水管路，管路上分别布置了第一水泵2、第一阀门3、电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6，分别测量冷却水的流量、压力、温度。燃气热水器9燃烧产生高温烟气由保温、密封烟道输送到烟气降温系统；烟气进入烟气降温系统由烟气均布装置12使烟气分布均匀，高温烟气经过翅片管式换热器14进行对流换热，降低烟气整体温度；翅片管换热器14连接的冷却水管路上分别布置了第二水泵23、第二阀门24、电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6，用于测量翅片管换热器14冷却水管路上的水工质流量、压力、温度；降温后的烟气会有一小部分冷凝液滴析出，析出的冷却水由液体导流片15送入到电子天平16称重，计算出冷凝前烟气的含湿量；降温后的烟气经由烟气均布装置12送入到烟气冷凝系统，烟气冷凝系统由冷凝板换热器18，竖直冷凝板19和第二水泵23组成，烟气在竖直冷凝板19上发生冷凝换热；在此过程中，烟气的冷凝现象由同一水平面上透过光学可视玻璃的ccd高速摄像机和红外摄像仪17拍摄记录，拍摄记录的数据连同冷却水管路上的电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6、涡街流量计7、气体压力测量的数据送入数据集成器10中进行记录，同时风机为烟气的流动提供动力。

具体实施方式二：如图1和图2所示，本实施方式所述翅片管式换热器14的侧壁上加工有多个烟气取样孔13，烟气取样孔13设置有上下两层。如此设计，可以在不同高度位置取样，取样测量降温前后烟气温度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式燃气热水器9的额定热负荷为30kw，额定燃气压力为2000pa，燃气热水器9的排烟方式为强排式。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式电磁流量计4精度为0.001l/min。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式第一水泵2和第二水泵23的供水扬程均为6m。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图1和图4所示，本实施方式温度传感器6为铜-康铜t型热电偶，精度为0.01℃。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图1和图2所示，本实施方式光学可视玻璃20材质为锗玻璃，光学可视玻璃20两侧均涂有增透性碳膜。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：如图1所示，本实施方式燃气热水器9与翅片管式换热器14通过烟道11连接完全密封，烟道11直径为700mm，烟道11材质为薄铁皮，烟道11外包裹有玻璃棉保温。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：如图1和图2所示，本实施方式翅片管式换热器14由3～6根紫铜基u型管组成，每根紫铜基u型管的外径为20mm，内径为18mm，u型管总长为460mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四、六或八相同。

具体实施方式十：如图1所示，本实施方式电子天平16量程为0-100g,精度为0.001g。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

天然气由天然气瓶1提供，通过管路输送到燃气热水器9中进行扩散燃烧。燃气热水器9与天然气钢瓶1连接管路上分别布置了第一阀门3、涡街流量计7、气体压力计8分别测量燃气的流量，压力。燃气热水器另一端与冷却水管路连接，冷却水由第一水泵2提供动力，冷却水管路上依次布置了第一阀门3、电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6分别记录冷却水的流量、压力、温度。

燃气热水器9燃烧产生的高温烟气由密封的烟道11输送到烟气降温系统中降温，烟气进入烟气降温系统前需经过烟气均布装置12使烟气分布均匀。烟气降温系统包括烟气取样孔13、翅片管换热器14，翅片管换热器内工质为冷却水，由第二水泵23输送，冷却水循环管路上依次布置了第二阀门24、电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6分别记录循环冷却水的流量、压力、温度。降温后的烟气部分冷凝成小液滴，冷凝下来的小液滴经由导流板15送入到电子天平16中进行称重。

降温后的烟气通过烟气均布装置12后进入烟气冷凝系统，烟气冷凝系统包括冷凝板换热器18、竖直冷凝铜板19、光学可视玻璃20，ccd高速摄像机17透过同一水平面上的光学可视玻璃20拍摄记录竖直冷凝铜板上的烟气冷凝过程，冷凝铜板上均匀布置了8个温度传感器6。

冷凝后的烟气由烟气分析仪22分析其成分，并由风机21带出系统。

数据集成器10集成了电磁流量计4、压力变送器5、温度传感器6、涡街流量计7、气体压力计8、烟气采样孔13、电子天平16、ccd高速摄像机和红外热像仪17、烟气分析仪22采集的数据信息。

一种天然气烟气冷凝换热分析系统操作步骤：

步骤一：开启电源开关，使数据采集器10进入工作状态；

步骤二：开启燃气热水器9、翅片管换热器14、冷凝板换热器19连接的冷却水循环水路上的第一水泵2、第一阀门3、第二水泵23和第二阀门24；

步骤三：开启燃气管路上的第一阀门3，对燃气热水器9进行点火；

步骤四：系统稳定运行后，实时记录数据集成器10采集的数据，并用ccd高速摄像机17实时拍摄记录竖直冷凝铜板19烟气冷凝过程。