[发明专利]研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种研究低温流体流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，特别是一种测试饱和温度在77K以上的各类低温流体，包括易燃易爆的低温流体的流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，属于低温工程与低温技术领域。

背景技术：

有关低温流体流动沸腾传热特性和压降特性的研究是低温领域最重要的基础研究之一，了解低温流体的流动沸腾传热特性和压降特性，对指导相关的低温流体换热器，如汽化器、蒸发器的优化设计非常重要。

研究低温流体在某一特定待测换热设备中的流动沸腾传热和压降特性时，需要实现低温流体在该种待测换热设备中的流动沸腾，即低温流体以饱和或过冷状态进入待测换热设备，并在其中受热、蒸发。在此过程中，需要对低温流体的进口压力、流量和待测换热设备的加热功率等参数在较大范围内进行准确调节；根据需要可方便地更换待测换热设备，以便降低试验成本。以往对低温流体流动沸腾传热和压降的研究多集中于液氮、液氦等安全性高的低温流体上，对易燃、易爆的低温流体，如液氧、液体甲烷、液化天然气较少，相关的试验系统多采用低温泵或高压氮气作为动力源，系统整体集成度高，预冷器、流量计等装置多与特定待测换热设备一起装在真空容器中，并在真空容器中再填入绝热材料。

已有技术中， D. Steinera和E.U. Schlünder在论文“Heat transfer and pressure drop for boiling nitrogen flowing in a horizontal tube: 1. Saturated flow boiling”（Cryogenics，Volume 16，Issue 7，July 1976，Pages 387-398）中介绍的试验系统，和V.V. Klimenko在论文“Heat transfer intensity at forced flow boiling of cryogenic liquids in tubes”（Cryogenics，Volume 22，Issue 11，November 1982，Pages 569-576）中所介绍的试验系统，均为典型的研究低温流体流动沸腾传热和压降特性的试验系统。齐守良、张鹏等在论文“Flow boiling of liquid nitrogen in micro-tubes: Part I – The onset of nucleate boiling, two-phase flow instability and two-phase flow pressure drop”（International Journal of Heat and Mass Transfer，Volume 50，Issues 25-26，December 2007， Pages 4999-5016）中，提出了研究微通道中液氮的流动沸腾传热特性和压降特性的试验系统。上述各试验系统均存在以下不足：1）在系统中单独设置动力源，系统复杂，投资大；2）采用低温泵或高压氮气做动力源，大范围调节蒸发压力的能力有限；3）系统整体集成度高，测试平台应用较为单一，不适合对多种低温流体进行测试；4）测试系统中更换特定待测换热设备比较困难；5）当系统内出现流体泄漏时，无紧急处理装置，不可用于易燃、易爆的低温流体的试验。这些不足极大地限制了对低温流体流动沸腾传热特性和压降特性的试验和理论研究，也影响了相关低温换热设备的研究和应用。

发明内容：

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种研究低温流体的流动沸腾传热特性与压降特性的试验系统，对应的低温流体为液氮、液氧、液氩、液态甲烷、液化天然气以及它们的各种混合物。该试验系统中使用自增压低温储罐作为低温流体的存储容器，并作为试验系统的动力源；冷却盘管和广口杜瓦构成的预冷装置置于试验真空杜瓦的外部；气体流量计置于试验系统末端，测试蒸发后的低温流体气体质量流量，从而简化了试验真空杜瓦内设备的复杂程度，提高了流量测试的准确性，并能方便地更换待测换热设备，提高了试验系统的利用效率，降低了试验成本。在试验真空杜瓦上专门设置供氮气接入的真空阀，当试验真空杜瓦内低温流体发生泄漏时，可以通过该阀用高压氮气对实验真空杜瓦进行吹扫，从而达到稀释和安全排出泄漏低温流体的目的，提高了测试系统的安全性，使得该套系统可应用于易燃易爆的低温流体的试验工作。

本发明是通过下述技术方案实现的。