CN102500441B - 微细化沸腾传热实验装置的加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种微细化沸腾传热实验装置的加热器。包括壳体、盖板、联接螺栓、加热铜块，所述加热铜块为锥形台，壳体上有与加热铜块的锥形台上顶相匹配的孔，加热铜块的上顶位于壳体上的孔中，加热铜块的下底置于盖板上，盖板与壳体之间通过联接螺栓连接，加热铜块与壳体相接触的位置设置有隔热套，加热铜块的底部或内部设置有加热棒。本发明能够实现高热流密度下的传热实验，加热面的热流密度可以达到107W/m2，保证不出现临界热负荷现象，同时能够观察微细化沸腾时的气泡行为。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以实现在极高热流密度下的可视化沸腾传热性能实验的微细化沸腾传热实验装置的加热器。
背景技术
关于气泡微细化沸腾的研究还比较零散，只有少数几个国家进行了初步研究。一般的微细化沸腾实验装置存在两个缺点：其一，加热面由于热流密度非常高，在加热面和非加热面之间温差很大，往往热膨胀量相差很大，造成绝热材料很容易发生胀裂现象，并造成泄露；其二，有的实验回路会在加热及非加热表面焊一层薄金属片的方法实现密封功能，但是，往往会增加新的热阻，导致无法在加热表面出现微细化沸腾现象。与本发明相关的公开文献包括：①Koichi Suzuki et al.Microbubble emission boiling，6th World Conference on ExperimentalHeat Transfer，Fluid Mechanics，and Thermodynamics April 17-21，2005，Matsushima，Miyagi，Japan；②Koichi Suzuki et al.，Enhancement of heat transfer in subcooled flow boiling withmicrobubble emission，Experimental Thermal and Fluid Science 29，2005，827-832。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种安全和稳定的微细化沸腾传热实验装置的加热器。
本发明的目的是这样实现的：
包括壳体、盖板、联接螺栓、加热铜块，所述加热铜块为锥形台，壳体上有与加热铜块的锥形台上顶相匹配的孔，加热铜块的上顶位于壳体上的孔中，加热铜块的下底置于盖板上，盖板与壳体之间通过联接螺栓连接，加热铜块与壳体相接触的位置设置有隔热套，加热铜块的底部或内部设置有加热棒。
本发明还可以包括：
1、所述的加热铜块的上部带有两级阶梯，隔热套与第一级阶梯接触处设置有绝热垫片和均压垫圈，隔热套与第二级阶梯及壳体接触处设置有密封垫圈。
2、联接螺栓的螺母与壳体之间设置有螺旋弹簧。
3、所述隔热套是陶瓷隔热套。
气泡细微化沸腾指在沸腾到达临界热负荷点以后，随着壁面温度的进一步升高，热流密度不降反升的一类特殊的沸腾现象。可以获得比临界热负荷点更高热流密度，同时又不会烧毁壁面，热传递的效率可以达到目前最好换热设备几倍到十几倍之多、有效解决换热设备换热极限的瓶颈问题，在高速电子芯片冷却、小型冷却系统、大功率半导体芯片和反应堆冷却等诸多方面都有很好的应用前景。
本发明的用于微细化沸腾传热实验装置中，与循环系统、可视化实验段、控制系统和数据采集系统构成微细化沸腾传热实验装置。能够实现高热流密度下的传热实验，加热面的热流密度可以达到107W/m2，保证不出现临界热负荷现象，同时能够观察微细化沸腾时的气泡行为。循环系统控制回路中水的流速和温度，系统中的汽水分离器可以排出蒸汽，实现汽水分离功能，水箱内的冷却水回路，可以降低水箱内水温，以控制进入到循环泵的水温；可视化实验段可以观察到微细化沸腾的全过程，并可以利用高速摄影机进行拍摄；加热装置能够保证加热面与实验段之间的绝热和密封，并能够达到微细化沸腾所需要的加热温度和热流密度；数据采集和控制系统能完成实验数据及影像数据的采集、传输，同时控制加热功率，保护加热面不出现烧毁等事故。
本发明的加热结构，消除加热表面和非加热表面热膨胀不一致性产生的应力，使陶瓷绝热套受力均匀，保证加热部在多次重复实验过程中，不会出现开裂、渗水等以往实验装置中经常出现的现象。
附图说明
图1是本发明的加热器的结构示意图；
图2是本发明的加热器与可视化实验段的配合示意图；
图3是本发明的加热器在微细化沸腾传热实验装置中的使用示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述：
结合图1，本发明的微细化沸腾传热实验装置的加热器由陶瓷隔热套13-6、密封垫圈13-9和13-10、不锈钢均压垫圈13-7、盖板13-1和紧固螺栓13-11等构成。盖板13-1和试验段壳体13-2之间的固定通过紧固螺栓实现，盖板与加热铜块13-12紧靠在一起，加热铜块13-12顶端加工有台阶，台阶上方分别安装着绝热垫片13-8和不锈钢均压垫圈13-7，不锈钢均压垫圈和试验段壳体之间为陶瓷隔热套13-6，加热铜块13-12和隔热套13-6之间有密封圈13-9，隔热套13-6和试验段壳体13-2之间也装有密封圈13-10，联接螺栓的螺，13-3与壳体之间设置有垫片13-4和螺旋弹簧13-5，加热铜块的底部或内部设置有加热棒。
结合图2和图3，本发明的加热器13与主循环系统、可视化实验段、控制系统和数据采集系统构成联合组成微细化沸腾传热实验装置。按照工质流动的方向，主循环系统的水箱18连接循环泵17，然后循环泵的出口连接到预热器16的入口，预热器16出口处接流量计15，实验段21和流量计15出口连接，试验段出口接入汽水分离器19，汽水分离器最终和水箱18连接。图2给出了加热段内工质流动方向以及加热面的位置关系，流道截面形状为矩形，实验段三面可视，可以对整个实验过程进行观察。加热控制系统由功率调节器14和控制柜20构成。控制系统和数据采集系统由数据采集板、计算机、电源控制柜和布置在加热部及回路当中的热电偶构成。
水箱内的水在循环水冷却条件下，温度较低，这样不会在泵的入口产生汽化，泵17将低温水打入预热器16，在预热器16内加热到预定温度，水的流量可由流量计15前面的调节阀和泵的旁通阀共同来调节，这样就实现了对工质温度和流量的控制。水进入实验段21后，在加热部加热作用下产生沸腾，逐步提高加热功率，就能逐步得到沸腾传热特性曲线。在适当的流速和入口过冷度及加热功率条件下，就能产生微细化沸腾现象，并且可由高速摄像仪22拍摄实验现象，并记录到计算机23中。由于加热面积比较小，流过加热面后。大部分蒸汽会凝结下来，少数未凝结的蒸汽，可以在汽水分离器19中分离，并排入大气中，而剩下的水会回到水箱，进一步在水箱18冷却后，进入下一次循环。
由于微细化沸腾时的热流密度非常高，甚至高于一般实验条件下发生传热危机时的临界热负荷，所以，实验过程中要监控加热面的温度，一旦出现温度过高情况时，要能够及时切断加热电源，以免导致沸腾危机、甚至烧毁壁面的事故发生。加热功率的控制可以通过加热控制柜进行控制，控制柜内的变压器可以通过调节电压来调整加热功率，同时里面的温控仪也会在沸腾危机发生前，切断加热电源，从而达到保护加热面的目的。
由于加热面的热流密度和温度都非常高，如何保证隔热陶瓷套的安全可靠非常重要。以往的实验装置中，由于铜膨胀量比陶瓷大的原因，经常造成陶瓷隔热套的尖角出应力集中而发生破裂，从而出现漏水现象。为解决这个问题，本发明对整个加热部的结构进行了改造。主要有三点重要改进，其一，在紧固螺母13-3下面安装了弹簧13-5，这样通过弹簧变形可以吸收部分铜块和螺栓间膨胀的不一致性，从而大大减小了陶瓷隔热套13-6所受的应力；其二，在陶瓷隔热套和铜块间安装一个较大的不锈钢均压垫圈13-7，以均衡陶瓷隔热套的受力，将部分剪切力变为了压应力，直接减少了陶瓷薄弱环节所受的剪切应力。这两种方法，使陶瓷隔热套所受的应力减少了70％以上，同时受力更加均匀合理，没有再出现破碎的情况。其三，在密封方法上也做了改进，在陶瓷隔热套的上下密封面上，分别采用了耐高温0形圈和石棉线圈，彻底解决了密封线圈抗温能力不足的问题。改进设计的加热部，没有再出现隔热套破裂、漏水等情况的发生，保证了微细化沸腾传热实验的顺利进行。
Claims (2)
1.一种微细化沸腾传热实验装置的加热器，包括壳体、盖板、联接螺栓、加热铜块，其特征是：所述加热铜块为锥形台，壳体上有与加热铜块的锥形台上顶相匹配的孔，加热铜块的上顶位于壳体上的孔中，加热铜块的下底置于盖板上，盖板与壳体之间通过联接螺栓连接，加热铜块与壳体相接触的位置设置有隔热套，加热铜块的底部或内部设置有加热棒；
所述的加热铜块的上部带有两级阶梯，隔热套与第一级阶梯接触处设置有绝热垫片和均压垫圈，隔热套与第二级阶梯及壳体接触处设置有密封垫圈；
联接螺栓的螺母与壳体之间设置有螺旋弹簧。
2.根据权利要求1所述的微细化沸腾传热实验装置的加热器，其特征是：所述隔热套是陶瓷隔热套。
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