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1、10申请公布号CN101994904A43申请公布日20110330CN101994904ACN101994904A21申请号201010252281122申请日20100813F17C7/04200601F17C13/1020060171申请人上海市特种设备监督检验技术研究院地址200333上海市普陀区金沙江路915号72发明人吴兴华李祥东74专利代理机构上海三方专利事务所31127代理人吴干权54发明名称空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法57摘要本发明涉及空浴式汽化器的技术领域，具体地说是在一种空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法。包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化。
2、器及温度和压力测试装置，液氮由低温液体储罐自增压经真空绝热管道输送至过冷器进行预冷，达到一定的过冷度后进入测试段进行汽化，流出测试段的测试介质经空浴式汽化器完全汽化并升温至环境温度后由气体质量流量计测量及流量。翅片管表面的霜层生长是一个逐渐发展的过程，这一过程使得霜层厚度和翅片表面温度都逐渐趋于一个稳定的值，翅片管的操作参数和环境参数对霜层的生长速度都具有一定的影响，相比之下，环境湿度对于霜层生长的速度具有最为显著的影响。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页CN101994909A1/1页21一种空浴式汽化器结霜特性测试系统，包括低温液。
3、体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器及温度和压力测试装置，其特征在于A、低温液体储罐1右侧下部设有输出端，输出端连接室内的真空绝热管道2一端，真空绝热管道2的另一端连接过冷器3一端，过冷器3的另一端连接T型热电偶温度传感器4下端，T型热电偶温度传感器4的上端连接汽化器14一端，汽化器14的另一端皆有气体质量流计15，所述的T型热电偶温度传感器的上下两端设有八翅片星形翅片管6的测试段，在八翅片星形翅片管的表面设有数字千分尺11，所述的数字千分尺设在标尺及支架10上，在T型热电偶温度传感器的上端右侧抽头一端连接差压变送器9一端，差压变送器9的另一端连接压力变送器12和T型热电偶温度传感器的。
4、下端，在T型热电偶温度传感器设有八翅片星形翅片管6的测试段外侧中间左面位置设有非接触式红外测温仪5，所述的室内设有大气压力及温度计7和控温装置8及超声波增湿器13；B、液氮由低温液体储罐自增压经真空绝热管道输送至过冷器进行预冷，达到一定的过冷度后进入测试段进行汽化，流出测试段的实验介质经空浴式汽化器完全汽化并升温至环境温度后由气体质量流量计测量及流量。2如权利要求1所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试系统，其特征在于测试段长度为2M的八翅片星形翅片管，翅片外径200MM，基管尺寸为283MM。3如权利要求1或2所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试系统，其特征在于翅片等距离等间隔均匀设有若干铜康铜热。
5、电偶以测量翅片上不同位置处的温度变化。4如权利要求1所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试系统，其特征在于支架上设有标尺，标尺上设有数字千分尺，所述的支架是可以旋转的支架或托架。5一种空浴式汽化器结霜特性测试系统的测试方法，其特征在于先用丙酮将翅片清洗干净，用铝质胶带将经过校准的铜康铜热电偶按一定的排列固定在测试段的某个翅片上，根据选择技术参数设备，连接好管道和各测量仪器，将储罐出液阀拧开一个小的开度，检查完整个管道的气密性后，再根据工况要求调整出液阀开度，然后开启温度、压力、压差、流量各种数据采集仪器进行数据记录，并每隔半小时人工记录一次室温、湿度以及测试段上下五个位置处的霜层厚度，分析结霜对翅。
6、片管综合换热性能影响，测试过程中要随时注意对储罐进行增压或减压，以保持罐内压力稳定。6如权利要求5所述的一种空浴式汽化器结霜特性测试系统的测试方法，其特征在于所述的设备技术参数低温液体储罐为50M3、16MPA，真空绝热管为DN15、30MPA，过冷器为5000W，翅片管为DN21、2002000，汽化器为60NM3/H，标尺及托架为2M，T型热电偶温度传感器为01K，红外测温仪为10K、50100，压力变送器为030MPA、05，差压变送器为0100KPA、05，气体质量流量计为01500SLPM、05，数字千分尺为030MM、01，大气压力及温湿度计为4080、0100，高速摄像机为200。
7、0FPS，超声波增湿器为2000W，控温装置为5000W。权利要求书CN101994904ACN101994909A1/5页3空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法技术领域0001本发明涉及空浴式汽化器的技术领域，具体地说是在一种空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法。背景技术0002众所周知，空浴式汽化器是一种换热气化器装置，为使传热系数提高，通过提高换热面积来实现的。0003我国目前具有很大的空浴式汽化器生产规模和装备量，对于这一类型的产品，我国目前既无国家标准也无行业标准，更没有准入门槛或相关规定，另一方面，由于空浴式汽化器结构简单，制造和生产较为方便，很多企业都能很便利地实现该类型汽化。
8、器的生产，加之国家对这一行业没有行业门槛或相关规定，才使得我国汽化器产品在性能上价格上都参差不齐，使得整个行业较为混乱，造成这一现状的根本原因在于对空浴式汽化器缺乏测试系统及测试方法，生产企业和用户对空浴式汽化器所涉及的负责传热传质过程的机理缺乏必要的了解，更谈不上进行深入的研究和优化设计，也正是由于这个原因，才导致安全事故频发。因此，为了充分了解空浴式汽化器的技术细节，并深入了解该类型汽化器的基本传热机理，有必要建立一套空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法。发明内容0004本发明的目的在于提供一种空浴式汽化器结霜特性测试系统及测试方法。0005本发明解决其技术问题的方案是一种空浴式汽化器结。
9、霜特性测试系统，包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器及温度和压力测试装置，其特征在于0006A、低温液体储罐1右侧下部设有输出端，输出端连接室内的真空绝热管道2一端，真空绝热管道2的另一端连接过冷器3一端，过冷器3的另一端连接T型热电偶温度传感器4下端，T型热电偶温度传感器4的上端连接汽化器14一端，汽化器14的另一端皆有气体质量流计15，所述的T型热电偶温度传感器的上下两端设有八翅片星形翅片管6的测试段，在八翅片星形翅片管的表面设有数字千分尺11，所述的数字千分尺设在标尺及支架10上，在T型热电偶温度传感器的上端右侧抽头一端连接差压变送器9一端，差压变送器9的另一端连接压力。
10、变送器12和T型热电偶温度传感器的下端，在T型热电偶温度传感器设有八翅片星形翅片管6的测试段外侧中间左面位置设有非接触式红外测温仪5，所述的室内设有大气压力及温度计7和控温装置8及超声波增湿器13；0007B、液氮由低温液体储罐自增压经真空绝热管道输送至过冷器进行预冷，达到一定的过冷度后进入测试段进行汽化，流出测试段的测试介质经空浴式汽化器完全汽化并升温至环境温度后由气体质量流量计测量及流量；0008所述的测试段长度为2M的八翅片星形翅片管，翅片外径200MM，基管尺寸为283MM；说明书CN101994904ACN101994909A2/5页40009所述的翅片等距离等间隔均匀设有若干铜康铜。
11、热电偶以测量翅片上不同位置处的温度变化；0010所述的支架上设有标尺，标尺上设有数字千分尺，所述的支架是可以旋转的支架或托架；0011一种空浴式汽化器结霜特性测试系统的测试方法，其特征在于先用丙酮将翅片清洗干净，用铝质胶带将经过校准的铜康铜热电偶按一定的排列固定在测试段的某个翅片上，根据选择技术参数旋转设备，连接好管道和各测量仪器，将储罐出液阀拧开一个小的开度，检查完整个管道的气密性后，再根据工况要求调整出液阀开度，然后开启温度、压力、压差、流量各种数据采集仪器进行数据记录，并每隔半小时人工记录一次室温、湿度以及测试段上下五个位置处的霜层厚度，分析结霜对翅片管综合换热性能影响，测试过程中要随时。
12、注意对储罐进行增压或减压，以保持罐内压力稳定。0012所述的设备技术参数低温液体储罐为50M3、16MPA，真空绝热管为DN15、30MPA，过冷器为5000W，翅片管为DN21、2002000，汽化器为60NM3/H，标尺及托架为2M，T型热电偶温度传感器为01K，红外测温仪为10K、50100，压力变送器为030MPA、05，差压变送器为0100KPA、05，气体质量流量计为01500SLPM、05，数字千分尺为030MM、01，大气压力及温湿度计为4080、0100，高速摄像机为2000FPS，超声波增湿器为2000W，控温装置为5000W。0013本发明的有益效果是为了研究翅片管结霜对。
13、其传热及水力特性的影响，建立了测试装置并以液氮为工质，在不同操作条件及环境条件下进行了测试分析，结果表明，翅片管表面的霜层生长是一个逐渐发展的过程，这一过程使得霜层厚度和翅片表面温度都逐渐趋于一个稳定的值，翅片管的操作参数和环境参数对霜层的生长速度都具有一定的影响，相比之下，环境湿度对于霜层生长的速度具有最为显著的影响，随着霜层厚度的增加，翅片管换热效率降低，进出口温差增大，同时也导致管内两相区拉长，翅片管流动阻力增大。附图说明0014图1是本发明的结构示意图；0015图2是本发明翅片表面温度变化曲线示意图；0016图3是本发明霜层厚度变化示意图；0017图4是本发明不同流量和湿度下的霜层生长。
14、速度示意图；0018图5是本发明不同压力和湿度下的霜层生长速度示意图；0019图6是本发明霜层厚度及进出口温差随时间的变化示意图；0020图7是本发明霜层厚度与进出口温差的关系示意图；0021图8是本发明进出口压差与平均霜厚的关系示意图。0022指定图1为摘要附图。具体实施方式0023下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。0024图1中的，1为低温液体储罐，2为真空绝热管，3为过冷器，4为T型热电偶温度传感器，5为红外测温仪，6为翅片管，7为大气压力及温湿度计，8为控温装置，9为差压变送说明书CN101994904ACN101994909A3/5页5器，10为标尺及托架，1。
15、1为数字千分尺，12为压力变送器，13为超声波增湿器，14为汽化器，15为气体质量流量计。0025本发明包括低温液体储罐、真空绝热管道、过冷器、测试段、汽化器等。液氮由自增压储罐经真空绝热管输送至过冷器进行预冷，达到一定的过冷度后进入测试段进行汽化，流出测试段的测试介质经空浴式汽化器完全汽化并升温至环境温度后由气体质量流量计测量及流量。0026装置的主体部分安装于室内，以模拟环境自然对流的换热条件。其中，测试段为长度为2M的八翅片星形翅片管，翅片外径200MM，基管尺寸为283MM。翅片上均匀安装若干铜康铜热电偶以测量翅片上不同位置处的温度变化。同时，为了实现可控的环境温湿度条件，室内安装了控。
16、温装置及超声波增湿器。本装置的测量设备包括温度、压力、流量、压差、环境温湿度和霜层厚度等的测量和控制设备。各设备的技术参数低温液体储罐为50M3、16MPA，真空绝热管为DN15、30MPA，过冷器为5000W，翅片管为DN21、200，汽化器为60NM3/H，真空绝热玻璃管为DN16、16MPA，铂电阻温度传感器为01K，T型热电偶温度传感器为01K，红外测温仪为10K、50100，压力变送器为030MPA、05，差压变送器为0100KPA、05，气体质量流量计为01500SLPM、05，数字千分尺为030MM、01，大气压力及温湿度计为4080、0100，高速摄像机为2000FPS，超声波。
17、增湿器为2000W，控温装置为5000W。其中，霜层表面温度和霜层厚度是本研究十分重要的参数，设计了可以旋转的支架，其上安装数字千分尺，用于测量不同位置处的霜层厚度。霜层表面温度采用非接触式的红外测温仪进行测量。0027先用丙酮将翅片清洗干净，用铝质胶带将经过校准的铜康铜热电偶按一定的排列固定在测试段的某个翅片上。连接好管道和各测量仪器，将储罐出液阀拧开一个小的开度，检查完整个管道的气密性后，再根据工况要求调整出液阀开度，然后开启温度、压力、压差、流量各种数据采集仪器进行数据记录，并每隔半小时人工记录一次室温、湿度以及测试段上下五个位置处的霜层厚度。要随时注意对储罐进行增压或减压，以保持罐内压。
18、力稳定。0028翅片管上离进口160CM处霜层的生长情况。测试工况为压力05MPA，流量15NM3/H。测试开始后5分钟后，此时翅片表面已经出现很薄的冰层，之后开始出现小沙丘状冰粒，即结晶胚胎。20分钟后翅顶处霜的冰柱外形已经非常明显。测试进行30分钟后，管壁处和翅片表面有零星绒球状霜花形成。此时该处霜进入霜层生长期，其结构为枝状晶体。绒球装霜花即由霜枝状晶体形成的霜晶体簇。而翅片处霜层表面已经趋于平坦，已经进入霜层生长期。随着测试继续进行，在60分钟后可以看到翅片表面已经基本被霜全部覆盖，翅顶处已经形成一种表面平整的弧形霜盖，这层霜盖正是之前表面上的霜层融化后再结冰形成的老化霜层，这表明翅翅。
19、顶处的霜层已经进入充分生长期。测试进行到90分钟时，翅片表面的霜层明显增厚。120分钟时翅片表面的霜层结构还是非常疏松，150分钟后可以看出，枝状晶体簇已经变大，此时枝状晶体之间通过相互作用正在逐渐形成网状的霜层。到了180分钟，翅片表面上的霜层已经开始出现平整的迹象，霜层厚度生长速度放缓。240分钟和300分钟后翅片表面霜层增长到与翅顶处霜厚一致，二者的霜表完成结合，平整的霜表面积扩大，并沿着翅高开始向内扩张，而霜厚增长继续变慢。360分钟后这种平整的霜层表面已经覆盖翅片表面绝大部分；到了420分钟，霜层表面到达管壁，扩张基本完成，此时整个翅片都被霜层厚厚覆盖，此后霜层生长速度达到平衡，霜层。
20、维系在一个相对稳定的厚度值。说明书CN101994904ACN101994909A4/5页60029如图2所示，为了分析结霜对翅片管综合换热性能的影响，特别对翅片表面温度进行了测量。测试中对距翅片管底部40CM、80CM、120CM、160CM和200CM的五个位置进行了温度的测量。图3为系统压力08MPA，介质流量15NM3/H工况下各点的温度变化过程。0030可以看出，翅片管入口附近40CM温度变化非常迅速，在翅片管工作不到20分钟就从环境温度下降到了140。随后温度变化缓慢，在测试的大部分时间内其温度值都保持在一个相对稳定的低温状态，可知此位置管内流体状态为液态，处于单相液体对流换热区。。
21、随着测试的进行，该处温度值缓慢降低，温度变动范围很小。随着高度的增加，温度变化过程趋于缓慢。80CM处的温度在1小时内从环境温度降到100，在3小时之后温度在120140之间发生明显的波动。此时液体开始进入气化阶段，管内流体的流动状态为气液两相流。120CM处和160CM处的翅表温度变化类似，稳定后相互之间的温差不大。与80CM处温度变化曲线相比，两曲线温度下降趋势比较平稳，没有产生很大的波动。此时管内流体仍处在气化阶段，其形态为气液两相流。分析200CM处翅片表面温度温度变化曲线可知，其温度也是随时间一直趋于下降，但变化更为缓慢。与160CM处同期壁温相差比160CM和120CM处同期壁温温。
22、差更大。此时管内流体处于气化中后期，主要为蒸汽，同时还存在少量液体。0031如图3所示，除了测试翅片温度外，测试了霜层的生长速度。图3为08MPA，15NM3/H工况下测试段上五处霜层厚度的变化情况。可以看出，在的初始阶段2H，各测点处结霜的速度都很快，随着时间的推移，霜厚的增长越来越慢，在进行到6小时左右，霜层厚度基本稳定不变。由于结霜是一个传热传质过程，初期，翅片表面与环境存在较大的温度差和浓度差，空气中的水分直接与翅片表面接触传热，迅速结霜。最初形成的霜层很薄，热阻很小，并且其粗糙度还扩大了翅片表面的换热面积，从而促进了翅片管的换热，使结霜仍然能保持一个较快的速度。150分钟后，随着霜层。
23、厚度的增加，翅片表面与空气之间的传热热阻开始增大，另一方面由于霜层的阻塞作用，空气流量减少，使空气侧对流换热系数减少，翅片管的换热效率开始下降，另外由于霜表温度不断增加，霜表与空气的温度差减小，使结霜减慢，这个时期的结霜量主要是增加霜密度。此后各测点霜层生长都进入缓慢发展期，最终达到一个准稳定状态。0032如图4和图5所示，翅片管表面上霜层生长源自空气中水蒸气在翅片管表面的凝华，因此，空气的相对湿度对霜层的生长速度具有十分显著的影响。另外，不同的操作条件也可能对霜层的生长速度具有显著影响。为了以上因素与霜层生长速度之间的定量关系，本文在不同条件下进行了研究。如图4所示为不同湿度、不同流量下翅片。
24、管各处的霜层生长速度。可以看出，压力一定时，在湿度相近的情况下，平均霜厚随着流量的增大而增大，说明流量增大对结霜有促进作用。这是因为流量越大，管内液氮气化时单位管长向周围空气吸收的热量越多，因而结霜越多。而在流量为20NM3/H时候，其平均霜厚反而要比流量为35NM3/H甚至50NM3/H还要大，这是由于在该工况下，其室内的湿度要高于流量为35NM3/H和50NM3/H两个工况下的湿度。由此可见，空气湿度对结霜的影响非常明显，湿度越大，则平均霜厚越大。为了进一步弄清以上因素对霜层生长速度的影响，本文还在不同压力和环境湿度下进行了测试研究，结果如图5所示。可以看出，流量一致时，在湿度相近的情况下。
25、，平均霜厚随压力的增大而增大。这说明压力增大对结霜有促进作用。这是因为压力越大，液体的过冷度越大，完全汽化所需的热量更多，因此引起的结霜量也就更大。同样，由该图还可说明书CN101994904ACN101994909A5/5页7以看出，平均霜厚随湿度的增大而增大，而且增幅更为明显。0033如图6、图7和图8所示，翅片管结霜后，由于霜层的热阻效应，导致翅片管换热效率降低。为了确定霜层厚度对翅片管换热效率的影响，本文分析了平均霜层厚度与翅片管进出口温差之间的关系，如图6和7所示。可以看出，翅片管表面霜层增长的速度越快，进出口温差下降的也越快，表明随着霜层厚度的增长，结霜对翅片管表面传热产生不利的影。
26、响，翅片管的换热效率开始下降。进入结霜后期，随着霜层增长的速度变缓，进出口温差下降的速度也开始减慢，在测试进行到300MIN时，平均霜层厚度稳定在8MM左右，此时进出口温差约为32。结霜除了对翅片管的换热效率有影响外，还对翅片管的水力特性具有一定影响。图8为翅片管压差与霜层厚度之间的关系。可以看出，在一定系统压力和介质流量的情况下，翅片管进出口之间的压差随着霜层厚度的增加整体上呈献一个波动上升的趋势。这主要是由于翅片管结霜导致整体换热效率下降，管内两相区拉长，使得翅片管压降也随着表现出不同的值。说明书CN101994904ACN101994909A1/2页8图1图2图3说明书附图CN101994904ACN101994909A2/2页9图4图5图6图7图8说明书附图CN101994904A。