一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置及其使用方法

1.本发明涉及一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置及其使用方法，属于射流换热及蓄热领域。


背景技术：

2.蒸汽浸没射流直接接触冷凝现象具有较高的传热传质效率，被广泛应用于余热回收、航空航天以及能源与核工领域，对蒸汽浸没射流直接接触冷凝的换热特性进行研究可用于直接接触冷凝换热设备的设计与运行，因此各相关领域的研究者对蒸汽浸没射流现象以及换热特性进行了大量的研究。
3.专利cn214366251u公开了一种防水击蒸汽浸没射流喷嘴换热系统，包括蒸汽供汽管路、射流布汽管、射流分配管、一个或多个带有自动闭锁组件的蒸汽射流换热喷嘴，蒸汽射流换热喷嘴上的蒸汽入口连通射流布汽管，蒸汽供汽管路连通汽轮机发电机组的蒸汽出口，蒸汽供汽管路的出口、射流布汽管和射流分配管依次连通；蒸汽射流换热喷嘴上设有自动闭锁组件；蒸汽供汽管路上设有蒸汽流量调节阀；蒸汽射流换热喷嘴浸没在蓄热水体中；能通过带有自动闭锁组件的蒸汽射流换热喷嘴进行高效率的射流换热，能实现快速蒸汽与蓄热水体的换热；此专利主要用于解决水进入喷嘴内，与蒸汽形成水击而制造巨大噪音的问题，但此专利没有参数采集和形态研究的装置，无法提供不凝性气体，不能用于一些直接接触冷凝现象实验。
4.目前与蒸汽稳定射流直接接触冷凝现象的研究，由于在实际工程应用中蒸汽射流中会含有部分不凝性气体，开始集中于探究不凝性气体含量对该现象以及流场特性的影响，其中空气作为最易获取的不凝性气体可以当做实验装置的不凝性气体气源。因此有必要设计出一种可以在大流量与小流量工况下都能提供一定流量与空气含量蒸汽稳定射流的实验装置，保证两气体充分混合、保证流量、流体形态等数据的准确采集。


技术实现要素：

5.本发明基于上述问题，提出了一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置及其使用方法，能实现在大流量与小流量工况下都能提供一定流量与空气含量的蒸汽稳定射流的装置，保证两气体充分混合，保证流量、流体形态等数据准确采集的功能，以解决现有技术中没有参数采集和形态研究的装置，无法提供不凝性气体，不能用于一些直接接触冷凝现象实验的问题。
6.一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置，包括电加热锅炉、空气压缩机、蒸汽储气罐、空气储气罐、蒸汽供应支路、空气供应支路、主输运管路、可视化水箱和冷却管路，电加热锅炉、蒸汽储气罐和蒸汽供应支路依次联通，空气压缩机、空气储气罐和空气供应支路依次联通，蒸汽供应支路和空气供应支路通过主输运管路与可视化水箱联通，冷却管路部分穿过可视化水箱内设置。
7.进一步的，蒸汽供应支路包括第一减压阀、第一调节阀、第一涡街流量计、第一压
力变送器和第一热电偶，第一减压阀、第一调节阀、第一涡街流量计、第一压力变送器和第一热电偶依次设置在蒸汽供应支路上。
8.进一步的，空气供应支路包括第二减压阀、第二调节阀、第二涡街流量计、第二压力变送器和第二热电偶，第二减压阀、第二调节阀、第二涡街流量计、第二压力变送器和第二热电偶依次设置在空气供应支路上。
9.进一步的，空气供应支路设置有一大一小两条支路，两条支路分别依次安装有第二调节阀、第二涡街流量计、第二压力变送器和第二热电偶。
10.进一步的，主输运管路包括静态管道混合器、第三压力变送器、第三热电偶、第三调节阀、法兰和第一单侧法兰盘，静态管道混合器、第三压力变送器、第三热电偶、第三调节阀、法兰和第一单侧法兰盘依次设置在主输运管路上。
11.进一步的，可视化水箱包括喷嘴、前视窗、左视窗、后视窗、视窗框、水箱顶盖、第二单侧法兰盘、主水箱出水孔、第四调节阀、溢流板、溢流水箱出水孔、溢流板框、法兰盲板和仪表安装孔，前视窗、左视窗和后视窗分别开设在可视化水箱的前方、左侧和右侧，视窗框通过螺栓安装在箱体上，并将前视窗、左视窗和后视窗压紧在箱体上，水箱顶盖通过螺栓安装在箱体顶部，密封箱体，第二单侧法兰盘焊接于箱体底部，主输运管路通过第一单侧法兰盘与第二单侧法兰盘连通，法兰盲板设置在箱体内，并通过螺栓固定连接于第二单侧法兰盘上，法兰盲板开孔并焊接有喷嘴，溢流板框焊接于箱体的内壁上，溢流板通过螺栓固定安装在溢流板框上，并将箱体内部分为主水箱和溢流水箱，水箱顶盖左右两侧共开有六个仪表安装孔，水箱顶盖的右侧开有主水箱出水孔并焊接管段，管段上安装有第四调节阀，使可视化水箱内部与大气联通，可视化水箱的底部开有溢流水箱出水孔并焊接有直管段，前视窗上方开孔并焊接管道作为上水孔。
12.进一步的，冷却管路包括冷却盘管、出口调节阀、冷却水泵、冷却塔和入口调节阀，冷却塔、冷却水泵、出口调节阀、冷却盘管和入口调节阀依次设置在冷却管路上形成回路，冷却盘管设置于主水箱内。
13.进一步的，可视化水箱为304不锈钢材质，前视窗、左视窗和后视窗采用透明有机玻璃板。
14.一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置的使用方法，基于上述的一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置，使用方法为:
15.首先打开电加热锅炉，利用小流量蒸汽对罐体与管路进行预热，同时打开罐体与管路上的伴热装置，补偿实验装置的散热，当暖管预热的过程进行完毕后，打开电加热锅炉与空气压缩机，产生的蒸汽经过蒸汽储气罐稳压后进入蒸汽供应支路，产生的空气经过空气储气罐稳压后进入空气供应管路，
16.在进行不凝性气体含量较小的工况研究时，通过口径较小的空气供应管路供气，反之，则采用口径较大的空气供应管路供气，蒸汽在进入管路后通过第一减压阀进一步稳压，控制第一调节阀的开度调节蒸汽流量至研究工况并通过第一涡街流量计监控，使用第一压力变送器以及第一热电偶测量蒸汽气流的参数，空气在进入管路后通过第二减压阀进一步稳压，控制第二调节阀的开度调节蒸汽流量至研究工况并通过第二涡街流量计监控，使用第二压力变送器以及第二热电偶测量蒸汽气流的参数，使用参数对空气流量进行温压补偿，空气与蒸汽汇合后通过静态管道混合器充分混合，经过喷嘴喷注至可视化水箱中与
箱体中的过冷水发生直接接触冷凝现象，将可视化水箱的后视窗作为光源照入的视窗，左视窗作为方便操作的窗口，前视窗作为高速摄影机拍摄图像信息的窗口，利用水箱顶盖上开设的仪表安装孔在可视化水箱内布置高频压力测点以及温度测点研究直接接触冷凝现象的特性，当实验过程中可视化水箱内的过冷水温度上升时，打开冷却管路上的出口调节阀、冷却水泵、冷却塔、入口调节阀，使冷却盘管工作，稳定可视化水箱内的温度。
17.本发明的有益效果：
18.1.本发明提供的含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置，可模拟能源核工行业中使用直接接触冷凝进行换热的工作过程。
19.2.本发明提供的含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置，通过涡街流量计监控、测量各气体组分流量，调节阀门开度控制各气体流量，安装静态管路混合器充分混合两种气体，可提供研究所需的具有一定流量与确定不凝气体含量的蒸汽稳定射流。
20.3.本发明提供的含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置，通过采用不同口径的管路输运空气、测量空气流量、调节空气流量，实现小流量与大流量空气的测量与提供，可满足各种工况研究的需求。
21.4.本发明提供的含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置，通过可视化水箱的设计，为研究过程中采集流体图像信息和流场特性参数提供一个场所，本实验装置可以研究气体喷注参数、流场参数以及结构参数对直接接触冷凝现象特性的影响。
附图说明
22.图1为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置系统示意图；
23.图2为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置三维示意图；
24.图3为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置可视化水箱正面示意图；
25.图4为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置可视化水箱底面示意图；
26.图5为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置可视化水箱顶面示意图；
27.图6为图3中的a-a横截面示意图；
28.图7为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置可视化水箱内部溢流板框示意图；
29.图8为本发明一种含不凝气体蒸汽稳定浸没射流实验装置可视化水箱内部喷嘴安装示意图。
30.其中，1为电加热锅炉、2为空气压缩机、3为蒸汽储气罐、4为空气储气罐、5为蒸汽供应支路、501为第一减压阀、502为第一调节阀、503为第一涡街流量计、504为第一压力变送器、505为第一热电偶、6为空气供应支路、601为第二减压阀、602为第二调节阀、603为第二涡街流量计、604为第二压力变送器、605为第二热电偶、7为主输运管路、701为静态管道混合器、702为第三压力变送器、703为第三热电偶、704为第三调节阀、705为法兰、706为第一单侧法兰盘、8为可视化水箱、801为喷嘴、802为前视窗、803为左视窗、804为后视窗、805为视窗框、806为水箱顶盖、808为第二单侧法兰盘、809为主水箱出水孔、810为第四调节阀、
811为溢流板、812为溢流水箱出水孔、813为溢流板框、814为法兰盲板、815为仪表安装孔、9为冷却管路、901为冷却盘管、902为出口调节阀、903为冷却水泵、904为冷却塔、905为入口调节阀。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.参照图1-图8所示，一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置，包括电加热锅炉1、空气压缩机2、蒸汽储气罐3、空气储气罐4、蒸汽供应支路5、空气供应支路6、主输运管路7、可视化水箱8和冷却管路9，电加热锅炉1、蒸汽储气罐3和蒸汽供应支路5依次联通，空气压缩机2、空气储气罐4和空气供应支路6依次联通，蒸汽供应支路5和空气供应支路6通过主输运管路7与可视化水箱8联通，冷却管路9部分穿过可视化水箱8内设置。
33.进一步的，蒸汽供应支路5包括第一减压阀501、第一调节阀502、第一涡街流量计503、第一压力变送器504和第一热电偶505，第一减压阀501、第一调节阀502、第一涡街流量计503、第一压力变送器504和第一热电偶505依次设置在蒸汽供应支路5上。
34.具体的，第一减压阀501、第一调节阀502和第一涡街流量计503法兰安装于蒸汽供应支路5上，第一压力变送器504和第一热电偶505开口螺纹安装于蒸汽供应支路5。
35.进一步的，空气供应支路6包括第二减压阀601、第二调节阀602、第二涡街流量计603、第二压力变送器604和第二热电偶605，第二减压阀601、第二调节阀602、第二涡街流量计603、第二压力变送器604和第二热电偶605依次设置在空气供应支路6上。
36.进一步的，空气供应支路6设置有一大一小两条支路，两条支路分别依次安装有第二调节阀602、第二涡街流量计603、第二压力变送器604和第二热电偶605。
37.具体的，第二减压阀601法兰安装于空气供应支路6，第二调节阀602和第二涡街流量计603法兰安装于两条支路上，第二压力变送器604和第二热电偶605开口螺纹安装。
38.进一步的，主输运管路7包括静态管道混合器701、第三压力变送器702、第三热电偶703、第三调节阀704、法兰705和单侧法兰盘706，静态管道混合器701、第三力变送器702、第三热电偶703、第三调节阀704、法兰705和第一单侧法兰盘706依次设置在主输运管路7上。
39.具体的，静态管道混合器701和第三调节阀704法兰式安装在管路上，第三压力变送器702和第三热电偶703开口螺纹式安装在管路上，法兰705焊接在主输运管路7中，主输运管路7末端焊接有第一单侧法兰盘706。
40.进一步的，可视化水箱8包括喷嘴801、前视窗802、左视窗803、后视窗804、视窗框805、水箱顶盖806、第二单侧法兰盘808、主水箱出水孔809、第四调节阀810、溢流板811、溢流水箱出水孔812、溢流板框813、法兰盲板814和仪表安装孔815，前视窗802、左视窗803和后视窗804分别开设在可视化水箱8的前方、左侧和右侧，视窗框805通过螺栓安装在箱体上，并将前视窗802、左视窗803和后视窗804压紧在箱体上，水箱顶盖806通过螺栓安装在箱体顶部，密封箱体，第二单侧法兰盘808焊接于箱体底部，主输运管路7通过第一单侧法兰盘
706与第二单侧法兰盘808连通，法兰盲板814设置在箱体内，并通过螺栓固定连接于第二单侧法兰盘808上，法兰盲板814开孔并焊接有喷嘴801，溢流板框813焊接于箱体的内壁上，溢流板811通过螺栓固定安装在溢流板框813上，并将箱体内部分为主水箱和溢流水箱，水箱顶盖806左右两侧共开有六个仪表安装孔815，水箱顶盖806的右侧开有主水箱出水孔809并焊接管段，管段上安装有第四调节阀810，使可视化水箱8内部与大气联通，可视化水箱8的底部开有溢流水箱出水孔812并焊接有直管段，前视窗802上方开孔并焊接管道作为上水孔。
41.具体的，第一单侧法兰盘706与第二单侧法兰盘808螺栓连接使主输运管路7通入可视化水箱8底部。
42.进一步的，冷却管路9包括冷却盘管901、出口调节阀902、冷却水泵903、冷却塔904和入口调节阀905，冷却塔904、冷却水泵903、出口调节阀902、冷却盘管901和入口调节阀905依次设置在冷却管路9上形成回路，冷却盘管901设置于主水箱内。
43.进一步的，可视化水箱8为304不锈钢材质，前视窗802、左视窗803和后视窗804采用透明有机玻璃板。
44.具体的，蒸汽储气罐3、空气储气罐4、蒸汽供应支路5和空气供应支路6均采用岩棉保温材料包裹减少散热，使用伴热带加热补偿散热。
45.参照图1-图2所示，一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置的使用方法，基于上述的一种含不凝性气体蒸汽浸没射流实验装置，使用方法为:
46.首先打开电加热锅炉1，利用小流量蒸汽对罐体与管路进行预热，同时打开罐体与管路上的伴热装置，补偿实验装置的散热，当暖管预热的过程进行完毕后，打开电加热锅炉1与空气压缩机2，产生的蒸汽经过蒸汽储气罐3稳压后进入蒸汽供应支路5，产生的空气经过空气储气罐4稳压后进入空气供应管路6，
47.在进行不凝性气体含量较小的工况研究时，通过口径较小的空气供应管路6供气，反之，则采用口径较大的空气供应管路6供气，蒸汽在进入管路后通过第一减压阀501进一步稳压，控制第一调节阀502的开度调节蒸汽流量至研究工况并通过第一涡街流量计503监控，使用第一压力变送器504以及第一热电偶505测量蒸汽气流的参数，空气在进入管路后通过第二减压阀601进一步稳压，控制第二调节阀602的开度调节蒸汽流量至研究工况并通过第二涡街流量计603监控，使用第二压力变送器604以及第二热电偶605测量蒸汽气流的参数，使用参数对空气流量进行稳压补偿，空气与蒸汽汇合后通过静态管道混合器701充分混合，经过喷嘴801喷注至可视化水箱8中与箱体中的过冷水发生直接接触冷凝现象，将可视化水箱8的后视窗804作为光源照入的视窗，左视窗803作为方便操作的窗口，前视窗802作为高速摄影机拍摄图像信息的窗口，利用水箱顶盖806上开设的仪表安装孔815在可视化水箱8内布置高频压力测点以及温度测点研究直接接触冷凝现象的特性，当实验过程中可视化水箱8内的过冷水温度上升时，打开冷却管路9上的出口调节阀902、冷却水泵903、冷却塔904、入口调节阀905，使冷却盘管901工作，稳定可视化水箱8内的温度。
48.本发明能实现在大流量与小流量工况下都能提供一定流量与空气含量的蒸汽稳定射流的装置，保证两气体充分混合，保证流量、流体形态等数据准确采集的功能，用于对含不凝性气体蒸汽浸没射流的换热特性等进行研究。