CN103323488B - 一种强化沸腾传热测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化沸腾传热测试装置及测试方法，包括冷凝器、主容器、底座和加热器，冷凝器与主容器连通，主容器安装在底座上；所述主容器包括玻璃容器、丝杆、覆盖在玻璃容器顶端的上盖板及覆盖在玻璃容器底端的下盖板，所述上、下盖板均开有通孔，所述丝杆穿过上、下盖板的通孔，并与上、下盖板固定；所述底座包括内置于底座内部的陶瓷底座；所述加热器包括主加热器和辅助加热器，所述主加热器位于底座中间位置，安装在陶瓷底座上，并与下盖板通孔固定，所述辅助加热器位于主容器内，并安装在下盖板上，本发明试样更换灵活，操作方便，可以测出较高热流密度下沸腾状态，比较不同测试结构下沸腾时的测试效果，测试结果稳定可靠。

Description

一种强化沸腾传热测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及沸腾传热技术领域，具体涉及一种强化沸腾传热测试装置及测试方法。

背景技术

关于沸腾测试文献一直都没有系统明确的测试方法，因而测试误差比较大，

首先密封性问题，关于沸腾容器怎么保证密封是一个问题，传统的方法是涂密封胶在容器内壁，不仅不美观，而且做实验时较为繁琐，实验前的密封工作会占用较大的时间，且经常漏水。

其次在更换样品方面，每次测试若不断更换不同参数的样品，关于沸腾样品测试，怎么样能使热量传导测试工件，普通的导热通过硅脂传导，热损失大，但对于试样定位及是否与热源结合牢固仍是一个问题。

测试方法方面，一般测试误差较大，主要是传热装置保温效果不好，难免有热损失，通过总热量减去热损失求得热流的方法处理数据较为复杂且很难验证其准确性。且传统装置热电偶安装麻烦。

沸腾传热具有可以传递高热流的潜力，但对于光滑表面仍不能满足要求，因此需要研究出新的表面结构提高沸腾强化。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种强化沸腾传热测试装置及测试方法。

本发明方便测试不同烧结结构样品的热流密度曲线，具有操作方便，更换简单、测试精确稳定性好。

本发明采用如下技术方案：

一种强化沸腾传热测试装置，包括冷凝器、主容器、底座和加热器；

所述冷凝器与主容器连通，所述主容器安装在底座上；

所述主容器包括玻璃容器、丝杆、覆盖在玻璃容器顶端的上盖板及覆盖在玻璃容器底端的下盖板，所述上、下盖板的左右两端均开有通孔，所述丝杆穿过上、下盖板的左右两端通孔，并与上、下盖板固定；

所述底座包括内置于底座的陶瓷底座；

所述加热器包括主加热器和辅助加热器，所述主加热器安装在陶瓷底座上，所述辅助加热器位于玻璃容器内，并安装在下盖板上。

所述上、下盖板设有凹圆与玻璃容器外壁配合，配合处采用环形平面密封圈密封。

所述主加热器由主传热柱和主加热棒构成，所述主加热棒安装在主传热柱的内部，并固定在主传热柱的底部中心，所述主传热柱顶部开有螺纹孔，测试工件安装在所述螺纹孔内，与下盖板左右两端之间的通孔固定。

所述丝杆为4个，两两一组固定在上、下盖板的左右两端。

所述陶瓷底座底部设有微调螺钉，所述主加热器与陶瓷底座之间填充陶瓷纤维棉。

还包括热电偶，所述热电偶为4个，其中第一热电偶和第二热电偶分别安装在测试工件侧面，且在竖直方向位于同一条直线上，第三热电偶安装在主传热柱，第四热电偶安装在下盖板。

所述辅助加热器包括相互连接的带螺纹的加热棒和温控仪，所述带螺纹的加热棒安装在下盖板上，且有垫圈配合。

一种强化沸腾传热的测试方法，包括如下步骤：

S1将底部带有螺纹，且侧面带有两个热电偶孔的的测试圆柱在石墨模具中烧结出多孔结构层得到测试工件；

S2测试工件安装在主传热柱的顶部螺纹孔内，与下盖板左右两端之间的通孔固定，并在螺纹连接处涂抹导热硅脂保证热量的传递，然后将主传热柱安装在陶瓷底座上，陶瓷底座内置于底座内，所述底座与陶瓷底座之间填充陶瓷纤维棉；

S3通过冷凝器将液体工质引入主容器内，同时开启辅助加热器和主加热器，使主容器内液体工质达到饱和沸腾点并保持，直到排除液体工质中的不凝气体；

S4当主容器内液体工质冷却至室温，开启辅助加热器保持液体工质在饱和沸腾点，同时开启主加热器，待系统到达准稳态，记录热电偶采集的数据，然后多次改变主加热器功率，记录系统在不同功率作用下，到达准稳态时，热电偶采集的数据；

S5根据采集第一热电偶和第二热电偶的温度差值、两个热电偶之间的距离及第一热电偶到测试工件顶面的距离，得到沸腾传热曲线图。

所述液体工质为去离子水。

本发明的有益效果：

实验装置中测试工件选用螺纹导热连接的方法易于更换不同参数测试试样，安装方便，可节省时间，容器密封效果好，操作简便，旋紧螺纹即可达到容器密封效果，同时外观透明，偏于观察沸腾气泡形态，测试过程简单，实验可重复性强。

附图说明

图1是本发明的一种强化沸腾传热测试装置的结构示意图；

图2是图1中A-A方向的剖面图；

图3是图1中的底部结构示意图；

图4是实施例中测试工件与主加热器的安装结构示意图；

图5是实施例中三种不同厚度的测试工件与光滑表面测试工件的过热度和热流密度曲线图；

图6是实施例中三种不同厚度的测试工件与光滑表面测试工件的热流密度和传热效率曲线图；

图7是实施例中三种不同厚度的测试工件与光滑表面测试工件依靠螺纹连接导热的传热效率曲线图。

图中示出：

1-上盖板，2-丝杆，3-螺母，4-环形平面密封圈，5-辅助加热器，6-内六角螺母，7-垫圈，8-陶瓷纤维棉，9-陶瓷底座，10-底座，12-下盖板，13-玻璃容器，14-冷凝器，15-测试工件，16-主传热柱，17-主加热棒，18-微调螺钉，T1-第一热电偶，T2-第二热电偶，T3-第三热电偶，T4-第四热电偶。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示一种强化沸腾传热测试装置，包括冷凝器14、主容器、底座10和加热器；

所述冷凝器14与主容器连通，具体连接于上盖板1左右两端之间的通孔，用于收集主容器沸腾时的工质，气体冷凝流回主容器，同时开口接通外界，保持测试过程中主容器气压稳定，始终保持一个大气压。

所述主容器包括玻璃容器13、丝杆2、覆盖在玻璃容器顶端的上盖板1及覆盖在玻璃容器底端的下盖板12，所述玻璃容器13为透明，所述上、下盖板的左右两端均开有通孔用于连接丝杆2，所述丝杆2穿过上、下盖板的通孔，并通过螺母3与上、下盖板固定，所述丝杆2为4个，两两一组固定在上、下盖板的左右两端，丝杆2上旋有螺母预紧，旋动螺母挤压密封圈达到密封效果。此结构装置比传统装配时涂密封胶有更好的密封效果，且拆卸方便，灵巧，美观。

所述上、下盖板设有凹圆与玻璃容器外壁配合，配合处采用环形平面密封圈密封4。

凹圆有一定尺寸，下面放入环形平面密封圈4，因为玻璃有一定厚度，实际上凹圆内径＞平面密封圈外径＞玻璃管外径＞玻璃管内径＞平面密封圈内径，不管玻璃管放置是否与凹圆同圆心，都可保证玻璃管圆弧面圆弧点与平面密封圈接触，保证密封。

如图2所示，所述主容器安装在底座10上，具体为主容器的下盖板12通过4个内六角螺母6安装在底座部分，所述上、下盖板均为方形，保持实验装置的稳定。

所述底座10包括内置于底座内部的陶瓷底座9，所述底座10为圆柱形结构，支撑整个测试装置，垂直方向有一定深度的平底孔，用于安装陶瓷底座9，如图3所示，陶瓷底座9的底部设有微调螺钉18，所述微调螺钉18为尖头螺钉，微调螺钉18实现陶瓷底座9上下方向的位移调节，用于保证测试工件高于下盖板上表面。

所述加热器包括主加热器和辅助加热器，所述主加热器位于底座10中间位置，安装在陶瓷底座9上，并与下盖板12通孔固定，主加热器和底座孔内部间隙填充陶瓷纤维棉8绝热，减少热量损失。

所述辅助加热器5位于玻璃容器内，所述辅助加热器5包括相互连接的带螺纹的加热棒和温控仪，所述温控仪安装在主容器外部，所述带螺纹的加热棒安装在下盖板上，且有垫圈7配合，用于控制液体工质的温度。

如图4所示，所述主加热器由主传热柱16和主加热棒17构成，所述主加热棒17安装在主传热柱16的内部，且固定在主传热柱16的底部中心，所述主传热柱16顶部开有螺纹孔，所述测试工件15在烧结炉中通过模具与铜粉烧结为一体，通过螺纹连接在主传热柱16上，并在螺纹连接空隙中涂导热硅脂加强传热，主加热棒17同样涂导热硅脂装配在主传热柱底部中心，热量可以通过主传热柱16传到测试工件部分，具有很高的传热效率，所述主传热柱16具体为铜块。

所述本装置还包括4个热电偶，其中第一热电偶T1和第二热电偶T2分别安装在测试工件的侧面，且在竖直方向位于同一条直线，深度刚好到达测试工件的轴线，并相隔一定距离，用于测试测试工件的轴心温度，第三热电偶T3安装在主传热柱16的侧面，用于测试主传热柱16的温度，防止因装配不好导致螺纹导热效率误差和避免温度过高烧坏装置，因此安装位置可以是主传热柱侧面的任意位置，第四热电偶T4安装在下盖板12，用于检测沸腾测试时的液体工质的温度。

所述上、下盖板材料为环氧树脂板，具有防水绝热的效果。

所述底座材料为酚醛塑料，能够绝热保温，防止热量散失。

所述主传热柱和测试工件材料均为紫铜。

所述凹圆内环形密封圈和辅助加热器下密封圈材料均为硅橡胶。

所述主加热器底座材料为陶瓷，能承受高温。

所述的测试工质为去离子水。

一种强化沸腾传热测试方法，包括如下步骤：

S1将底部带有螺纹，且侧面带有热电偶孔的的测试圆柱在石墨模具中烧结出多孔结构层，得到测试工件；所述热电偶孔要与热电偶相配合，防止孔洞对传热梯度造成影响；

S2测试工件安装在主传热柱的螺纹孔内，与下盖板左右两端之间的通孔固定，并在螺纹连接处涂抹热硅脂保证热量的传递，然后将主传热柱安装在陶瓷底座上，陶瓷底座内置于底座内，所述底座与陶瓷底座之间填充陶瓷纤维棉；

S3装配实验装置，保证测试工件面配合容器下盖板通孔，涂密封胶保证密封性，通过冷凝器将液体工质引入主容器内，同时开启辅助加热器和主加热器，使主容器内液体工质达到饱和沸腾点，直到排除液体工质中的不凝气体；

本步骤中，开启主加热器排除测试工件装配及注入液体后孔隙内及工件周围的不凝气体，辅助加热器排除内壁及主容器底部的不凝气体。

S4当主容器内液体工质冷却至室温，开启辅助加热器保持液体工质处在饱和沸腾点，同时开启主加热器，待系统到达准稳态，所述准稳态具体为在一定时间内所采集到热电偶温度变化小于某一值，记录热电偶采集的数据，多次改变主加热器的功率，记录系统在不同功率作用下，到达准稳态时，热电偶采集的数据；

步骤S4中，辅助加热棒加热液体工质，测得其饱和沸腾点，然后温控仪通过控制辅助加热棒，保持液体在饱和沸腾点。

S5根据采集第一热电偶和第二热电偶的温度差值、两个热电偶之间的距离及第一热电偶到测试工件顶点的距离，得到沸腾传热曲线图。

所述沸腾传热曲线图包括热流度和热流密度曲线图，热流密度和传热效率曲线图。

所述热流密度q=k×温差/距离，本实施例的测试工件为铜，k为铜的热导率，所述壁面过热度为壁面温度减去饱和沸腾温度，所述壁面温度通过两个热电偶之间的距离，及第一热电偶T1到顶面的距离得到。

本实施例在烧结过程中采用颗粒直径为120～150um的铜粉，烧结三种测试工件厚度分别为0.5mm，1mm，2mm，和光滑表面作为测试效果对比。

按照上述步骤S1-S5，得到三种不同厚度测试工件的沸腾传热曲线图。

如图5所示为三种不同厚度测试工件的q～△T即热流密度和壁面过热度的沸腾曲线，根据第一热电偶T1及第二热电偶T2推算测试工件的温度梯度，同时根据T1到顶面距离得到壁面温度Tw，并计算出壁面过热度△T，h～q为传热效率跟热流密度之间的关系，单位分别为w/（cm²·k），w/cm²，h由热流密度q与过热度△T比得出。

由图5可明显看出在低热流阶段烧结铜粉结构的传热效率要明显高于光表面，且烧结0.5mm厚度效果好于1mm好于2mm。

如图6随着热流密度的增加烧结0.5mm厚度样品传热效率一直增加，而对于1mm样品传热效率略有下降，2mm样品传热效率基本保持稳定状态。光表面传热效率随着热流密度的增大一直在提高，在相同热流密度下有较小的壁面过热度则试样测试效果越好。

如图7所示，为本装置整体在特定外部保温绝热测试中利用螺纹加导热硅脂的有效传热效率h′，有效传热效率即为实际测得热流量与总的加热功率之间的比值。横坐标代表加热功率单位为w，纵坐标则代表传热效率，可以明显看出在低功率加热时传热效率较低，而在较大功率时三种结构传热效率都很高，基本维持在0.6～0.8左右，这也充分说明了本装置具有良好的保温同时螺纹连接涂导热硅脂导热也具有相当高的传热效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，包括冷凝器、主容器、底座和加热器；

所述冷凝器与主容器连通，所述主容器安装在底座上；

所述主容器包括玻璃容器、丝杆、覆盖在玻璃容器顶端的上盖板及覆盖在玻璃容器底端的下盖板，所述上、下盖板的左右两端均开有通孔，所述丝杆穿过上、下盖板的左右两端通孔，并与上、下盖板固定；

所述底座包括内置于底座的陶瓷底座；

所述加热器包括主加热器和辅助加热器，所述主加热器安装在陶瓷底座上，所述辅助加热器位于玻璃容器内，并安装在下盖板上。

2.根据权利要求1所述的一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，所述上、下盖板设有凹圆与玻璃容器外壁配合，配合处采用环形平面密封圈密封。

3.根据权利要求1所述的一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，所述主加热器由主传热柱和主加热棒构成，所述主加热棒安装在主传热柱的内部，并固定在主传热柱的底部中心，所述主传热柱顶部开有螺纹孔，测试工件安装在所述螺纹孔内，与下盖板左右两端之间的通孔固定。

4.根据权利要求1所述的一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，所述丝杆为4个，两两一组固定在上、下盖板的左右两端。

5.根据权利要求1所述的一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，陶瓷底座的底部设有微调螺钉，所述主加热器与陶瓷底座之间填充陶瓷纤维棉。

6.根据权利要求5所述的一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，还包括热电偶，所述热电偶为4个，其中第一热电偶和第二热电偶分别安装在测试工件侧面，且在竖直方向位于同一条直线上，第三热电偶安装在主传热柱，第四热电偶安装在下盖板。

7.根据权利要求1所述的一种强化沸腾传热测试装置，其特征在于，所述辅助加热器包括相互连接的带螺纹的加热棒和温控仪，所述带螺纹的加热棒安装在下盖板上，且有垫圈配合。

8.根据权利要求1所述装置的测试方法，其特征在于，装置包括主加热器，所述强化沸腾传热测试装置的主加热器由主传热柱和主加热棒构成，所述主加热棒安装在主传热柱的内部，并固定在主传热柱的底部中心，所述主传热柱顶部开有螺纹孔，测试工件安装在所述螺纹孔内，与下盖板左右两端之间的通孔固定；还包括热电偶，所述热电偶为4个，其中第一热电偶和第二热电偶分别安装在测试工件侧面，且在竖直方向位于同一条直线上，第三热电偶安装在主传热柱，第四热电偶安装在下盖板；

步骤如下：

S1将底部带有螺纹，且侧面带有两个热电偶孔的的测试圆柱在石墨模具中烧结出多孔结构层得到测试工件；

S2测试工件安装在主传热柱的顶部螺纹孔内，与下盖板左右两端之间的通孔固定，并在螺纹连接处涂抹导热硅脂保证热量的传递，然后将主传热柱安装在陶瓷底座上，陶瓷底座内置于底座内，所述主加热器与陶瓷底座之间填充陶瓷纤维棉；

S3通过冷凝器将液体工质引入主容器内，同时开启辅助加热器和主加热器，使主容器内液体工质达到饱和沸腾点并保持，直到排除液体工质中的不凝气体；

S4当主容器内液体工质冷却至室温，开启辅助加热器保持液体工质在饱和沸腾点，同时开启主加热器，待系统到达准稳态，记录热电偶采集的数据，然后多次改变主加热器功率，记录系统在不同功率作用下，到达准稳态时，热电偶采集的数据；

S5根据采集第一热电偶和第二热电偶的温度差值、两个热电偶之间的距离及第一热电偶到测试工件顶面的距离，得到沸腾传热曲线图。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述液体工质为去离子水。