CN103091355A - 一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热性能测量技术，具体涉及一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置。目的是验证和测评电磁泵驱动液态金属传热系统的传热及传热控制性能。它包括：电磁泵、可控电加热器、载荷散热器、注-排液装置、膨胀补偿装置、测量传感器、管路，管路实现上述各个部件的串联，各部件中均含中空流道使液态金属流通；液态金属流动的顺序为：经注-排液及膨胀补偿装置注入整个测试装置，然后经过管路流动到可控电加热器，经过可控电加热器加热后流至载荷散热器，然后经过电磁泵回到注-排液装置。本发明的优点是能够实现液态金属的加热、循环、温度压力检测，并能够补偿液态金属的热胀冷缩，自动对液态金属中的气体进行排出，解决了电磁泵驱动液态金属循环传热的性能测试问题。

Description

一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置

技术领域

本发明涉及传热性能测量装置，具体是一种液态金属循环传热性能测试装置。

背景技术

电磁泵驱动液态金属传热是一种高效传热方式，通过不同设计可用于核反应堆传热、芯片冷却、飞行器主动冷却等诸多领域。有效测定电磁泵驱动液态金属流动温度、流量、压力损失及电磁泵效率，是验证和测评电磁泵驱动液态金属传热系统的传热及传热控制性能的必要手段，是对电磁泵驱动液态金属循环传热系统进行设计和优化的基础。

目前对电磁泵驱动液态金属传热尚未有精确测试装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，以验证和测评电磁泵驱动液态金属传热系统的传热及传热控制性能，并对电磁泵驱动液态金属循环传热系统进行设计和优化。

本发明是这样实现的：一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，其中，包括：电磁泵、可控电加热器、载荷散热器、注-排液装置、膨胀补偿装置、测量传感器、管路，管路实现上述各个部件的串联，各部件中均含中空流道使液态金属流通；

液态金属流动的顺序为：经注-排液装置注入整个测试装置，然后经过管路流动到可控电加热器，经过可控电加热器加热后流至载荷散热器，然后经过电磁泵回到注-排液装置；

其中的测量传感器包括：可控电加热器前后分别布置的测温一传感器、测温二传感器，载荷散热器前后分别布置的测温三传感器、测温四传感器，以及在载荷散热器前后分别布置的测压一传感器、测压二传感器，电磁泵与注-排液装置之间布置的测压三传感器，在电磁泵与注-排液装置之间安装的流量计；

可控电加热器：选择循环式电加热方式；工作中低温流体介质通过管道在压力作用下进入其输入口，沿着电加热容器内部换热流道，运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热器出口得到高温介质；

载荷散热器选择液体或空气强制冷却方式；

注-排液装置包括：注液槽、排气阀和排液泵；

配阀门的注液槽用于存贮液态金属，利用液态金属自身重量将流体压注入到上述管路中；排气阀安装在管路上，为气-液联动式阀门，利用浮子随液面升降之力，联动排气装置启闭，达到自动排气的目的；管路中的流体通过排气阀时，气体被收集到阀体内时，由于气压作用，阀体内液面下移，浮子随之下降，其降至下限时，联动杠杆系统，打开排气阀阀口，向管道外放出带压气体，结果因阀内压力减小液面随之上移，浮子上升，在弹簧弹力作用下，排气口关闭；这样气体就不断被收集、排放、再收集、再排放，完成管道系统的自动排气过程；排液泵用于实现试验后液态金属的回收；排液泵安装位置处于整个结构的最低点；

膨胀补偿装置为在管路中安装的波纹管。

如上所述的一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，其中，载荷散热器为在管路中设置的散热片，以及冷风机。

如上所述的一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，其中，载荷散热器两端设置为拆卸接口。

本发明的优点是提出一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，能够实现液态金属的加热、循环、温度压力检测，并能够补偿液态金属的热胀冷缩，自动对液态金属中的气体进行排出，解决了电磁泵驱动液态金属循环传热的性能测试问题。

附图说明

图1是电磁泵驱动液态金属循环传热装置结构示意图；

图2是加热设备工作过程图；

图3是流体排注辅助机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，主要包括：电磁泵、可控电加热器、载荷散热器、注-排液装置、膨胀补偿装置、测量传感器、管路及接口六部分，各部件中均含中空流道使液态金属流通，装置整体采用工业通用的安全防护措施，防止高温的液态金属可能对人和设备带来的损害。

其原理在于：

电磁泵驱动液态金属在各部件和管路中循环流动，液态金属在可控电加热器处吸热，通过流动将热量传递至载荷散热器处散出，循环过程通过温度传感器、压力传感器、流量计实时测量(同时测量可控电加热器、电磁泵电流和电压，以推算功率和效率)。

液态金属流动的顺序为：经注-排液及膨胀补偿装置注入整个测试装置，然后经过管路流动到可控电加热器，经过可控电加热器加热后流至载荷散热器，然后经过电磁泵回到注-排液及膨胀补偿装置。

其中的测量传感器包括：可控电加热器前后分别布置的测温一传感器、测温二传感器，载荷散热器前后分别布置的测温三传感器、测温四传感器，以及在载荷散热器前后分别布置的测压一传感器、测压二传感器，电磁泵与注-排液装置之间布置的测压三传感器，在电磁泵与注-排液装置之间安装的流量计。

除了测量传感器外，进一步的，为了实现本发明所述测试装置的自动化，可以设置完整的测控系统，包括如下的结构和工作过程；

1)回路中接入的温度、压力、流量传感器，获得温度、压力、流量信号；

2)变送器将传感器信号转换为标准电压(电流)信号；

3)温控装置用于调节回路温度；

4)电压转换器实现传感器供电电压和市电之间的电压转换；

5)采集仪对经变送后的标准电压(电流)信号进行数据记录，并送入计算机保存。

电加热器：

针对整套设备体积尽量小的设计原则，加热设备选择循环式电加热方式。工作中低温流体介质通过管道在压力作用下进入其输入口，沿着电加热容器内部特定换热流道，运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热器出口得到工艺要求的高温介质。

这类加热器加热功率可达20KW以上，工作电压380V，加热温控过程可以归结为如图2所示的工作流程；

电加热器内部控制系统依据输出口的温度传感器信号自动调节电加热器输出功率，使输出口的介质温度均匀；当发热元件超温时，发热元件的独立的过热保护装置立即切断加热电源，避免加热物料超温。

其中，载荷散热器选择液体或空气强制冷却方式；

为模拟热量转化功能，需保证一定的温差要求，拟在管路中设置散热片，以增大散热面积，并通过大功率冷风机增强空气对流，起到散热效果。

通过调整裸露管长度和风冷器功率风冷器可以将散热功率保证在所需要的范围。

进一步的，载荷散热器两端可以设置为拆卸接口，在需要时替换为其他公知的吸热装置(只要是能够吸收热量的装置均可以)。

注-排液装置为液态金属注入和排出装置，同时膨胀补偿装置具备膨胀补偿能力(使循环管路具备对液态金属体积随温度变化的适应性)。

排、注工作过程：

(1)通过注液槽注入金属流体，直至排气阀封闭，流体注满，注满关闭注液槽阀门。

(2)流体风冷过程中造成的体积膨胀，通过膨胀补偿器实现补偿。

(3)自动控制方案下，当温度超出电磁泵允许范围，电磁泵两侧阀门自动关闭，并停止加热，以防止高温下电磁泵失效。

(4)工作完成后，通过电动排液泵将流体泵出。

注液槽+排气阀：

注液槽(配阀门)用于存贮液态金属，利用液态金属自身重量将流体压注入到密闭管路中。

排气阀安装在管路上，为气-液联动式阀门；利用浮子随液面升降之力，联动排气装置启闭，达到自动排气的目的。管路中的流体通过排气阀时，气体被收集到阀体内时，由于气压作用，阀体内液面下移，浮子随之下降，其降至下限时，联动杠杆系统，打开排气阀阀口，向管道外放出带压气体，结果因阀内压力减小液面随之上移，浮子上升，在弹簧弹力作用下，排气口关闭。这样气体就不断被收集、排放、再收集、再排放，完成管道系统的自动排气过程。

排液泵：

液态金属冷却后会凝固，因此试验完毕后，应及时回收。该部分用于实现试验后液态金属的回收。由于整个回路处于同一水平面，需要外部动力辅助排液。通过电动排液泵将液态金属流体排出。因此，电动排液泵安装位置要处于整个结构的最低点，此处在实际设计中将予以体现。

膨胀补偿器：

和管壁不同，液态金属具有热缩冷涨特性。为防止管路受压，在管路中，安装膨胀补偿器，以补偿液态金属和金属管路膨胀的反向性。

膨胀补偿器可以安装在管路中的任意位置，如水冷换热器出口端、注-排液装置处等等。

膨胀补偿采用波纹膨胀节实现，主要是靠波纹管来实现，对波纹管的不同设计及组合，可以使波纹管拉伸、压缩或弯曲，从而形成轴向、横向2种基本形式的波纹膨胀节。采用市场上的耐蚀性，耐高温波纹管膨胀节，其耐温范围可达-196℃～600℃。

目前，上述的电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置已经能够应用于钠、钾、镓等低熔点液态金属的传热性能测试；不同的金属进行实验时，将电磁泵驱动电源、可控加热器电源、传感器供电电源、测试系统按实际需求配置，即可测得在不同的电磁泵、加热器、以及不同金属组合的情况下的热传导性能。

Claims (3)

1.一种电磁泵驱动液态金属循环传热性能测试装置，其特征在于：包括：电磁泵、可控电加热器、载荷散热器、注-排液装置、膨胀补偿装置、测量传感器、管路，管路实现上述各个部件的串联，各部件中均含中空流道使液态金属流通；

液态金属流动的顺序为：经注-排液装置注入整个测试装置，然后经过管路流动到可控电加热器，经过可控电加热器加热后流至载荷散热器，然后经过电磁泵回到注-排液装置；

其中的测量传感器包括：可控电加热器前后分别布置的测温一传感器、测温二传感器，载荷散热器前后分别布置的测温三传感器、测温四传感器，以及在载荷散热器前后分别布置的测压一传感器、测压二传感器，电磁泵与注-排液装置之间布置的测压三传感器，在电磁泵与注-排液装置之间安装的流量计；

可控电加热器：选择循环式电加热方式；工作中低温流体介质通过管道在压力作用下进入其输入口，沿着电加热容器内部换热流道，运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热器出口得到高温介质；

载荷散热器选择液体或空气强制冷却方式；

注-排液装置包括：注液槽、排气阀和排液泵；

配阀门的注液槽用于存贮液态金属，利用液态金属自身重量将流体压注入到上述管路中；排气阀安装在管路上，为气-液联动式阀门，利用浮子随液面升降之力，联动排气装置启闭，达到自动排气的目的；管路中的流体通过排气阀时，气体被收集到阀体内时，由于气压作用，阀体内液面下移，浮子随之下降，其降至下限时，联动杠杆系统，打开排气阀阀口，向管道外放出带压气体，结果因阀内压力减小液面随之上移，浮子上升，在弹簧弹力作用下，排气口关闭；这样气体就不断被收集、排放、再收集、再排放，完成管道系统的自动排气过程；排液泵用于实现试验后液态金属的回收；排液泵安装位置处于整个结构的最低点；

膨胀补偿装置为在管路中安装的波纹管。

2.如权利要求1所述的一种，其特征在于：载荷散热器为在管路中设置的散热片，以及冷风机。

3.如权利要求2所述的一种，其特征在于：载荷散热器两端设置为拆卸接口。

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