专利名称：一种冷凝传热效果评价系统的制作方法
一种冷凝传热效果评价系统
技术领域：
本发明涉及传热评价技术领域，具体地说，是一种冷凝传热效果评价系统。背景技术：
随着蒸汽动力工程向高温高压、大容量机组方向的发展，核动力在常规动力中所 占的比例不断增长，火箭发动机和各种高热负荷壁面冷却的需求，以及石油、化工、食品和 低温工程等领域内各类新型蒸发器、凝汽器和相变换热器的出现，都促进了沸腾和冷凝领 域研究工作的蓬勃发展，至今仍是国内外传热传质研究者最热衷的重要研究方向之一。蒸气冷凝是蒸气受冷却或在升压条件下放出潜热，于对应压力的饱和温度下形成 液相的过程。工业上的蒸气冷凝方式通常是膜状冷凝，换热系数较小，其热阻主要是由冷 凝液膜引起的，因此，强化膜状冷凝换热的主要方式就是采用各种措施疏导冷凝液的排泄， 减薄液膜的厚度。1930年Schimidt等首次发现比膜状冷凝换热强度高得多的滴状冷凝现 象，之后，尽管国内外的学者一直致力于通过表面处理实现滴状冷凝、滴状冷凝机理及其工 业应用的研究，且在实验室内可以维持上万小时的滴状冷凝，但迄今为止，滴状冷凝仍然没 有得到工业上的具体应用，究其原因，主要是滴状冷凝的机理尚不彻底清楚。传统的冷凝评价方法是采用管状试样进行冷凝试验，主要从宏观平均的角度，根 据试验结果对金属表面的冷凝效果进行判断，缺乏从微观角度对冷凝传热机理的分析，而 只有深入研究冷凝传热的机理，才能更好地促进冷凝强化传热技术的发展。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种冷凝传热效果评价系统。本发明的目的是通过以下技术力案来实现的—种冷凝传热效果评价系统，蒸气发生系统，冷却水系统，测试段，辅助冷凝系统， 数据采集监控系统，可视化观测系统；蒸气发生系统的气化炉与测试段的冷凝室直接相连； 冷却水系统是由水槽的外部恒温水源通过泵输送，经流量计进入测试段的冷却室，以喷射 或喷淋的方式冷却测试试块的背面；测试段的冷凝室下方设有冷凝液出口和多余蒸气出 口，蒸气在测试试块表面冷凝后进入漏斗经疏水阀进入计量罐进行收集计量，多余蒸气通 过多余蒸气出口进入辅助冷凝系统进行凝结；可视化观测系统置于玻璃视镜的前方；所述的蒸气发生系统，包含两个气化炉和过热器，提供评价过程中所需蒸气来 源；所述的冷却水系统，用于控制测试试块冷凝表面的过冷度；主要是外部恒温水源 通过泵输送，经流量计进入冷却室以喷射或喷淋的方式冷却测试试块的背面(冷却面)，从 而使测试试块的冷凝面达到一定的过冷度；所述的测试段由外壁筒体、筒体内腔、测试试样固定平台和玻璃视镜组成，外壁筒 体和筒体内腔构成了冷凝室，筒体内腔，其与测试试块固定平台利用螺栓连接起来，在筒体 内腔内部形成了冷却室；冷凝室内的蒸气在测试试块冷凝表面冷凝，在冷却室内，冷却水以喷淋或者喷射的方法冷却测试试块的冷却面，以提供冷凝面所需的过冷度；冷凝室提供蒸 气冷凝的环境，蒸气由与冷凝室直接相连的两个气化炉和一个过热器组成的蒸气发生系统 提供，过热器是为了保证通入冷凝室的蒸气为饱和干蒸气；所述的冷凝室安装压力测试表，保证冷凝室内蒸气压力符合评测要求；所述的冷凝室的蒸气进口处安装缓冲片，避免蒸气直接吹扫测试试块表面，影响 冷凝效果的评测；所述的辅助冷凝系统，用于冷凝冷凝室内多余的蒸气和调节冷凝室的压力；所述的数据采集监控系统包括测试试块的温度采集、冷凝室内蒸气压力的监测和 冷却水的控制调节，用于测量、采集并监控金属表面的温度、冷凝室内的蒸气压力、冷却水 的流量等；数据采集器与一 PC机连接，利用PC机对温度进行实时采集、监控并进行处理；所述的测试试样两边各加工三个热电偶插孔，采用六根热电偶进行实时温度采 集，因为冷凝传热是一个复杂的过程，特别是滴膜共存的冷凝模式，金属表面的温度并不完 全相同，采用多根热电偶测量表面不同位置的温度再求其平均值才能保证所测温度能够准 确反映测试试块冷凝表面的实际温度；所述的可视化观测系统，由高速摄影仪和放大镜头组成，置于玻璃视镜的前方，用 于观测蒸气在金属表面的冷凝形貌以及冷凝液膜/液滴的动态行为；采用高速摄影仪对冷 凝过程进行记录，根据液膜和/或液滴的动态行为评价冷凝传热效果；所述的冷却水供应系统上安装有喷射和喷淋两种不同的冷却方式，当需要小过冷 度时选择喷头喷射的冷却方式，当需要大过冷度时选择喷淋的冷却方式；是为了达到在大 范围过冷度下获取材料表面的冷凝特性的目的；所述的水槽中的冷却水保持恒温，保证在同一流量的冷却水下能够达到相同的冷 却效果；另外，评测之前对装置的密封性进行测试；在测试前除去冷凝室中不凝性气体，避 免其对蒸气冷凝实验数据和实验现象的影响。本发明适用于各种蒸气环境下的金属表面冷凝效果评价，如水蒸气、乙醇蒸气、烷 烃蒸气等；适用于各种金属材料的冷凝效果评价，如铜、碳钢、钛等。与现有技术相比，本发明的积极效果是(1)本发明的冷凝传热效果评价装置操作简单，可通过高速摄像仪观察冷凝表面 的相变过程，不仅可从实验数据判断冷凝传热性能的优劣性，更能从微观角度揭示冷凝传 热的机理，使冷凝传热效果的评价更为可靠。(2)本发明可以通过改变冷却水的冷却方式，选择喷射或喷淋的方法，在大范围的 过冷度下进行实验，从而判断金属材料在不同过冷度下的冷凝特性。
图1为本发明的冷凝传热效果评价装置示意图。图2为测试试块加工示意图；图3为测试段装配图；图4为测试段内腔；图5为测试试块固定平台；
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图6为玻璃视镜；图7紫铜和工业纯钛表面采用此装置进行冷凝传热效果评价得到的冷凝特性曲 线图；图8为蒸汽在工业纯钛表面的冷凝形貌。
具体实施方式以下提供本发明一种冷凝传热效果评价系统的具体实施方式
。实施例1请参见附图1和2，本发明的冷凝传热效果评价系统，由蒸气发生系统、冷却水系 统、冷凝室和冷却室组成的测试段、辅助冷凝系统、数据采集监控系统以及可视化观测系统 等组成。测试段由外壁筒体、筒体内腔、测试试样固定平台和玻璃视镜组成，如图3所示。 外壁筒体和筒体内腔构成了冷凝室，筒体内腔如图4所示，其与测试试块固定平台(如图5 所示)利用螺栓连接起来，在筒体内腔内部形成了冷却室。冷凝室提供蒸气冷凝的环境，蒸气由与冷凝室直接相连的两个气化炉和一个过热 器组成的蒸气发生系统提供，过热器是为了保证通入冷凝室的蒸气为饱和干蒸气。将测试 试块安装于测试段的固定平台，利用螺栓进行加紧固定，确保冷凝室和冷却室之间的完全 隔绝，避免冷却水渗入冷凝室影响测评结果。冷却水系统主要是外部恒温水源通过泵输送， 经流量计进入冷却室以喷射或喷淋的方式冷却测试试块的背面(冷却面)，从而使测试试 块的冷凝面达到一定的过冷度。冷凝室的蒸气入口处设缓冲片，避免蒸气直接吹扫测试试块表面，影响冷凝效果 的评测。冷凝室下方设有冷凝液出口和多余蒸气出口，蒸气在测试试块表面冷凝后进入漏 斗经疏水阀进入计量罐进行收集计量(仅收集所测试表面的冷凝液)，多余蒸气通过多余 蒸气出口进入辅助冷凝系统进行凝结。冷凝室上方安装一压力表对冷凝室内的蒸气压力进 行监控，通过调节蒸气流量及辅助冷凝系统控制冷凝室内蒸气的压力，保证测试过程中冷 凝室内蒸气压力的稳定。数据采集监控系统包括测试试块的温度采集、冷凝室内蒸气压力的监测和冷却水 的控制调节，对评测过程中的相关数据进行实时监控，一旦发现异常则调节相应的控制系 统实现系统的稳定性。为了便于评测过程中的可视化观测，在冷凝室的前方安装一玻璃视镜，如图6所 示，透过玻璃视镜观察冷凝面的冷凝形貌可初步判断金属表面的冷凝效果。可视化观测系 统主要由高速摄影仪和放大镜头组成，置于玻璃视镜的前方，用于观测金属表面冷凝液滴/ 液膜的分布及动态行为，从而实现从微观角度对于冷凝传热效果的评价及冷凝传热机理的 分析。下面以紫铜和工业纯钛在蒸汽环境下的冷凝传热效果作为评价对象为例，详细说 明本发明的冷凝传热评价系统及评价方法，以及得到的评价结果。首先将待测试块固定在测试平台上，将6根热电偶插入预先开好的孔中，为了保 证温度测量的准确性，热电偶需与测试试块接触良好。完成待测试块和测试段的安装后应 先验证其密封性能保证其密封性能良好。然后将经过气化炉1、2和过热器3产生的蒸汽通入冷凝室内，打开冷却水之前，通入蒸汽至少半个小时，以除去冷凝室内的不凝性气体，避 免不凝性气体对蒸汽冷凝过程的影响。彻底除去不凝性气体后，打开冷却水供应系统并根 据测试试样材料本身的导热性能选择喷射5或喷淋6的冷却方式将冷却水输送到测试试样 背面进行冷却，通过调节流量计4改变冷却水的流量从而控制待测试块13的过冷度。待测 表面凝结得到的冷凝水通过漏斗15进入计量罐11，调节疏水阀16避免冷凝室内的蒸汽直 接进入计量罐影响测试结果。冷凝室内多余蒸汽则进入蒸气辅助冷凝器17进行凝结，调节 蒸汽供给量和辅助冷凝器，保证冷凝室内的蒸汽压力保持恒定不变。通过数据采集监控系 统对整个装置系统进行监控，待系统稳定后开始记录数据。本评测实例中因紫铜在饱和蒸汽环境下的导热系数为395W/(mK)，选择喷射的冷 却方式，而工业纯钛在饱和蒸汽环境下的导热系数仅为20. 8ff/(m · K)，选择喷淋的冷却方
式。具体的冷却水流量控制参数见下表。
测试蒸气冷却冷却水流M流U变化im试块类型方式范围幅度时问紫铜水蒸气喷射50-120 L/h10 L/h15 min工业纯钛水蒸气喷淋150-350 L/h50 L/h15 min利用本装置可得到所测试表面的冷凝特性曲线(冷凝热通量与过冷度的关系曲 线)。热通量通过试验收集到的测试表面的冷凝水量计算得到；过冷度为测试表面的温度 与蒸汽温度的差值，测试表面的温度通过热电偶测得的温度根据傅里叶一维传热定律推导 得到。图7为采用本发明的评价装置得到的紫铜和工业纯钛表面的冷凝特性曲线，可以看 出，紫铜表面的冷凝特性与Nusselt膜状冷凝理论值基本符合，而相同过冷度下，工业纯钛 表面的冷凝传热量则为紫铜表面的3倍左右，这就说明蒸汽在工业纯钛表面的冷凝传热效 果明显优于紫铜表面。利用本装置还可以通过视镜14观察蒸汽在金属表面宏观的冷凝现象(即表面的 冷凝模式)，对金属表面冷凝效果进行初步地评价。蒸气在金属表面的冷凝模式分为膜状 冷凝、滴状冷凝和滴膜共存的冷凝模式，滴状冷凝是冷凝传热效率最高的一种冷凝传热模 式，从表面液滴的宏观表象(液滴在整个金属表面所占的面积比例)可以初步判断冷凝传 热效果的好坏，液滴所占面积比例越大则金属表面的冷凝效果越好，反之，液膜所占面积比 例越大则金属的冷凝效果越差。如图8所示为蒸汽在工业纯钛表面的冷凝形貌，可以看出， 蒸汽在钛表面的冷凝为滴膜共存的冷凝模式，而蒸汽在铜表而的冷凝为膜状冷凝的冷凝模 式，从表观现象可以初步判断在蒸汽环境下，工业纯钛表面的冷凝传热效果优于紫铜表面， 这也符合上述冷凝特性曲线图的结果。更进一步地，针对蒸汽在工业纯钛表面滴膜共存的冷凝模式，采用高速摄像仪 20 (MotionXtra N4, IDT Inc.)对其表面的液滴成核、生长、合并和脱落过程进行动态拍摄， 利用数字图像分析系统对所得图片进行分析，分析蒸汽在冷凝表面上液滴分布、液滴生长 及液滴脱落的规律，从而更进一步地对其冷凝传热效果进行评价。通过以上的实例可以说明，该冷凝传热评价装置能够正确评价金属表面的冷凝效 果，可以有效解决冷凝传热微观机理分析的困难，对促进强化冷凝传热技术的发展具有重
6要的意义。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围内。
权利要求
一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，其包含蒸气发生系统，冷却水系统，测试段，辅助冷凝系统，数据采集监控系统和可视化观测系统；蒸气发生系统的气化炉与测试段的冷凝室直接相连；冷却水系统是由水槽的外部恒温水源通过泵输送，经流量计进入测试段的冷却室，以喷射或喷淋的方式冷却测试试块的背面；测试段的冷凝室下方设有冷凝液出口和多余蒸气出口，蒸气在测试试块表面冷凝后进入漏斗经疏水阀进入计量罐进行收集计量，多余蒸气通过多余蒸气出口进入辅助冷凝系统进行凝结；可视化观测系统置于玻璃视镜的前方。
2.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的蒸气发生系 统，包含两个气化炉和过热器。
3.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的冷却水系统， 是外部恒温水源通过泵输送，经流量计进入冷却室以喷射或喷淋的方式冷却测试试块的背
4.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的测试段由外 壁筒体、筒体内腔、测试试样固定平台和玻璃视镜组成，外壁筒体和筒体内腔构成了冷凝 室，筒体内腔，其与测试试块固定平台利用螺栓连接起来，在筒体内腔内部形成冷却室；冷 凝室内的蒸气在测试试块冷凝表面冷凝，在冷却室内，冷却水以喷淋或者喷射的方法冷却 测试试块的冷却面；冷凝室提供蒸气冷凝的环境，蒸气由与冷凝室直接相连的两个气化炉 和一个过热器组成的蒸气发生系统提供。
5.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的冷凝室安装 压力测试表。
6.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的冷凝室的蒸 气进口处安装缓冲片。
7.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的数据采集监 控系统包括测试试块的温度采集、冷凝室内蒸气压力的监测和冷却水的控制调节，数据采 集器与PC机连接，利用PC机对温度进行实时采集、监控并进行处理。
8.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的可视化观测 系统，由高速摄影仪和放大镜头组成，置于玻璃视镜的前方。
9.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的冷却水供应 装置上安装有喷射和喷淋两种不同的冷却方式。
10.如权利要求1所述的一种冷凝传热效果评价系统，其特征在于，所述的蒸气为水蒸 气、乙醇蒸气、烷烃蒸气中的一种；所述的金属测试材料为铜、碳钢、钛中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种金属表面冷凝传热效果评价系统，其包括冷凝室和冷却室组成的测试段；蒸气发生系统；冷却水系统；辅助冷凝系统；数据采集监控系统；可视化观测系统。本发明的评价装置可通过测试数据、蒸气在金属表面的冷凝形貌及液膜和/或液滴的动态行为等综合评测金属表面的冷凝传热效果。
文档编号G01N25/18GK101963588SQ20101026274
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者廖礼宝, 张莉, 徐宏, 朱登亮, 阮艺平, 齐宝金 申请人:华东理工大学