具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请结合参阅图1、图2和图5，本申请说明书中提供一种低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置，该实验装置可以包括：内部形成有扇形腔体的壳体，所述壳体包括：相对的进口端盖1和出口端盖7，相对的前挡板91和后挡板92，相对的左挡板93和右挡板94，在该扇形腔体内自上而下依次分布着第一均流板2、第二均流板3、中间缠绕管4，所述第一均流板2上设置有第一导流孔21，所述第二均流板3上设置有第二导流孔31，所述第一导流孔21的孔径大于所述第一导流孔21的孔径；所述中间缠绕管4由顺时针、逆时针交叉排列的螺旋绕管形成，所述中间缠绕管4包括最外层绕管、最内层绕管和位于所述最外层绕管和所述最内层绕管之间的中间层绕管；所述外层绕管、所述中间层绕管和所述最内层绕管的弧度与所述扇形腔体的弧度相匹配。

在本实施方式中，该壳体为低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置的外壳，其可整体呈扇形。具体的，该壳体可以包括：相对的进口端盖1和出口端盖7，相对的前挡板91和后挡板92，相对的左挡板93和右挡板94。上述进口端盖1、出口端盖7、前挡板91、后挡板92、左挡板93和右挡板94围成内部形成有扇形腔体的所述壳体。

如图3和图4所示，在该扇形腔体内自上而下依次分布着第一均流板2、第二均流板3、中间缠绕管4，以提供流体流动的空间。所述第一均流板2上设置有第一导流孔21，所述第二均流板3上设置有第二导流孔31，所述第一导流孔21的孔径大于所述第一导流孔21的孔径。

两个均流板均可通过焊接方式固定，径向两侧分别焊接在左、右挡板94的内壁上，弧向两侧分别焊接在前挡板91、后挡板92的内壁上，增强了强度并保证密封性。

如图3所示，该第一均流板2为大孔径均流板，具体的，所述第一导流孔21的孔径在7毫米至15毫米之间。本发明一个具体的实施方式中，第一导流孔21的孔径为10mm，孔数为72，需要说明的是：当选择不同的孔径时，孔数随之适应性改变，原则上，随着孔径的增大，孔数相应减小。该第一均流板2厚度变化范围为10mm至20mm，本发明一个实施方式中，该第一均流板2厚度为20mm。

该第一均流板2的材料根据实际要求选用，本发明一个实施方式中该第一均流板2的材料可以选择5049-O。

如图4所示，该第二均流板3为小孔径均流板，具体的，所述第二导流孔31的孔径在5毫米至12毫米之间。本发明一个实施方式中，该第二导流孔31的孔径可以为7mm，孔数为108，需要说明的是：选择不同的孔径时，孔数随之适应性改变，原则上，随着孔径的增大，孔数相应减小。该第二均流板3厚度变化范围为10mm至20mm，本发明一个实施方式中，该第二均流板3的厚度可以为20mm。

该第二均流板3的材料根据实际要求选用，本发明一个实施方式中，该第二均流板3的材料可以选择5049-O。

现有的由于均流板的长度和宽度受限于绕管式换热器的形状，不易调节，使得均流效果受到影响。本申请实施方式中，通过采用两个孔径不同的均流板作为均布器，流体先经过大孔径均流板一次均流后再经过小孔径均流板二次均流，二次均流使得均流效果增强。

所述中间缠绕管4由顺时针、逆时针交叉排列的螺旋绕管形成，所述中间缠绕管4包括最外层绕管、最内层绕管和位于所述最外层绕管和所述最内层绕管之间的中间层绕管；所述外层绕管、所述中间层绕管和所述最内层绕管的弧度与所述扇形腔体的弧度相同。

具体的，该中间缠绕管4可看作是由顺时针、逆时针交叉排列的螺旋绕管组成，每根绕管与水平方向的夹角(螺旋升角)为固定值4.8°，中间缠绕管4的中间4层中间层绕管为弧度π/8的圆形绕管，最外层绕管、最内层绕管为弧度π/8的半圆形绕管。

在本说明书中，为了能够达到真实模拟实际的绕管式换热器，实现在低温工况下能够观测流型转换过程，研究流型与换热的关系，进而提高换热器的传热性能的目的，本申请提供了一种低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置，该实验装置截取了真实的绕管式换热器的一部分进行分割微型化处理，对关键参数、关键参数关联之间的进行创新性地研究，综合考虑了流量、几何尺寸、不仅能够达到真实模拟的目的，而且能够减小占地面积和成本。

具体的，关于该扇形腔体的壳侧截面积和该扇形腔体的弧度之间的关系如下：

上式中：A_shell为壳侧截面积；R_max、R_min分别表示实验装置的最大缠绕半径和最小缠绕半径，其值由所选取中间缠绕管最外层绕管及最内层绕管距离中心筒的距离决定；Pr表示相邻两层绕管的层间距；D为绕管的外径；rad为扇形腔体的弧度。

所述实验装置内质量流量与所述扇形腔体的弧度的关系如下：

上式中：r_max、r_min分别表示绕管式换热器的最大缠绕半径和最小缠绕半径，其值可根据实际换热器的大小来决定；m为绕管式换热器总质量流量；m_test为实验测试段质量流量；rad为扇形腔体的弧度。

在本说明书中，所述前挡板91和/或所述后挡板92在与所述中间缠绕管4相正对的位置设置有可视化窗口6。具体的，该可视化窗口6可以为真空可视化窗口6，在液化天然气工艺流程中，天然气液化温度可达到-160℃，周围的空气会凝结附着在视镜表面，影响观察，因此采用真空视窗可防止视镜结霜问题。具体的，该可视化窗口6可以采用玻璃真空夹层，用法兰固定并焊接在前挡板91和后挡板92上。

在一个具体的实施方式中，所述扇形腔体的弧度为π/8。在以下的实施方式中，主要以该弧度为π/8为例进行说明。

具体的，在本实施方式中，可以采用π/8弧度，其中，弧度可根据实验需要的流量大小进行设计，相关公式见式(1)和公式(2)。

从结构上看，相当于多根曲率为45°的绕管以固定的螺旋升角顺逆时针交叉排列在壳体内部，此结构占地面积小，适用于低温、大流量工艺流程中绕管式换热器的传热、压降的测量以及流型的观测，π/8弧度的设计将流入壳体的流量折合为实际流量的1/8，不会因为实际中壳侧工质流量过大而导致无法测量。

当该扇形腔体的弧度为π/8，所述中间缠绕管4包括6层顺逆时针交叉排列、弧度π/8的管束，每层管束包括40根绕管。所述最外层绕管、最内层绕管为半圆形绕管，所述中间层绕管为圆形绕管。

所述左挡板93和所述右挡板94外壁面开设有用于固定每根绕管的第一开孔，所述第一开孔与每根绕管之间设置有超低温密封胶；所述前挡板91和所述后挡板92开设有穿透所述半圆形绕管的第二开孔，所述第二开孔用于固定可视化窗口6。

在该前挡板91和后挡板92设置真空可视化窗口6时，半圆形绕管的设计易于将其与前挡板91和后挡板92一齐穿透，从而更清楚的观测流型，最外层半圆形绕管的设计使得壳侧流体自上而下流动时，顺着管壁流动，从而消除流体流至绕管与管壁接触点时产生回流的影响。除此以外，使用半圆形绕管可节约材料，并减小低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置的体积。

由于绕管式换热器的层间距与管间距对换热有显著影响，加工时需要保证精度，可通过在左挡板93、右挡板94外壁面打孔固定每根绕管，并用超低温密封胶将各个孔密封。

具体的，所述的中间缠绕管4竖直方向各个绕管之间的距离为4mm，横向各个绕管之间的距离为2mm，每根绕管的内径为10mm，壁厚1mm。中间缠绕管4材料及壳体材料可根据实际要求选择，本发明一个实施方式中中间缠绕管4可以选用5049-O。壳体材料以及底座8材料根据实际要求选用，本发明一个实施方式中选择5083。

本说明书一个具体实施方式中所选用的参数可以参照如下表1所列举。

表1

前挡板91、后挡板92开孔直至穿透半圆形绕管用来固定真空可视化窗口6，双层真空玻璃夹层通过法兰固定。底座8通过焊接方式连接在出口端盖7两侧。所述的真空可视化窗口6直径可根据实际需要进行调整，双层玻璃材料可根据使用条件选用，本发明选择石英玻璃。

在一个实施方式中，所述中间缠绕管4自上而下包括：充分发展段和压降测试段，所述压降测试段包括用于衔接所述充分发展段的第一部分和用于进行传热测试以及流型观察的第二部分。

其中，该压降测试段其作用是实现对流体压降的测量。具体的，压降测试段在进行压降测量时，可以在压降测试段的进出口布置有压差计来测试流体的压降。其中，压降的计算公式如下：

ΔP_fric＝ΔP_total-ΔP_grav-ΔP_acc

上式中：ΔP_fric为摩擦压降，ΔP_total为总压降，ΔP_grav为重力压降，ΔP_acc为加速压降。公式中的其他参数含义：x为干度，ρ_g为气相密度，ρ_l为液相密度，g为重力加速度，L_z为垂向高度。G为质流密度，ε为空泡系数。

所述第二部分设置有压力传感器、加热机构以及温度传感器。所述可视化窗口6与所述第二部分相正对。其中，加热机构可以为加热棒的形式，当然其还可以为其他具有加热功能的形式，本申请在此并不作具体的限定。

具体的，在高度方向上，所述充分发展段为第一至第十根绕管，所述第一部分为第十一至第二十根绕管，所述第二部分为第二十一至第四十根绕管。

在本说明书中，该第二部分(以下简称传热测试段)的作用是实现对传热系数的测量。在传热测试段的进、出口位置各布置热电偶用来测试流体温度。如图6所示，传热测试段绕管的中心部分设置有电加热棒51，电加热棒51为可调节功率用来调节对热流密度工况参数的控制，在每根设置有电加热棒51的绕管管壁开4个孔，位置分别为管壁的上、下以及左右两侧，孔内插入热电偶52实现对管壁面温度的测量，如图所示。可在热电偶52与管壁面的缝隙填充低温导热介质，例如，低温导热硅脂53，可减小测量温度的偏差。

上式为传热系数的计算公式，其中，Q为热流量，U、I为电加热51所调节的功率，T_in和T_out为传热测试段的进出口温度，T_sur为管壁4根热电偶52所测量的平均温度。

在本说明书中，关于流型观测的方式，除了上述实施方式中所提供的设置可视化窗口进行观测以外，本发明还适用于嵌入式电容探针测量流型。

其中，该电容法的基本原理如下：

管道某一位置处的液膜高度与这一液膜周围某一区域的电容存在一定的关系，因此只要用适当的方法测量该位置处的电容(用电压表示)，则通过事先对探针的标定曲线，就可以得到反应界面波特征的液膜高度。同时，可以根据电压曲线分析高电平和低电平出现的规律和频率获得不同的流型。

本说明书中提供的低温工况下绕管式换热器内流型观测实验装置可应用于测试液化天然气工艺流程中大型LNG绕管式换热器的换热性能。实验时，流体从进口流入，首先经过均流板分配均匀后流入中间缠绕管4，流体充分发展后先经过布置有压力传感器的压降测试段测量压差；再经过传热测试段测量传热，其中，在传热测试段的绕管中插入电加热棒模拟管内流体，并在管壁上设置热电偶测量温度；最后，流入低温观测流型段通过真空可视化窗口6观测流型。整个流动过程中不存在流动死区，流动稳定，性能可靠，换热均匀，流型观测明显。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。