CN104048986A - Plif-piv可视化池式沸腾实验装置加热器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，主要包括加热面基座、加热面上盖板、加热面底部紧固块、ITO玻璃、导电铜箔、绝热圈、加热面上盖板密封圈、沸腾表面密封圈以及紧固螺丝。加热面上盖板和加热面底部紧固块由紧固螺丝固定在加热面基座上，ITO玻璃夹在加热面上盖板和加热面底部紧固块之间，绝热圈位于ITO玻璃的底部，导电铜箔与ITO玻璃紧密连接作为加热电极，加热面上盖板密封圈位于加热面上盖板与加热面基座之间，沸腾表面密封圈位于加热面上盖板与ITO玻璃之间。本发明可以满足PLIF-PIV技术在光学可视化上面的要求，沸腾表面的热流密度按照预定的分布形式进行设置，进而研究汽泡周围的温度场以及速度场的变化。

Description

PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器

技术领域

本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是沸腾实验装置。

背景技术

沸腾行为作为一种高效的换热方式广泛存在于多种换热设备中，如微电子设备的冷却器、空调以及核反应堆等。然而由于汽泡行为的复杂特性，对其研究尚不充分，因而在很大程度上限制了沸腾换热的应用。汽泡周围的温度场和速度场对汽泡行为的研究有着重要的影响，由于尺度较小采用常规方法很难实现精确测量。而PLIF(平面诱导荧光)-PIV(平面粒子测速)技术则可以同时获取液体内平面内的温度场分布以及速度场分布，有利于对汽泡行为和沸腾行为的进一步研究。然而一般的沸腾加热装置由于没有考虑到PLIF-PIV研究中的可视化需求，设计的加热装置很难满足实验的要求，同时由于密封以及热流密度控制上的缺点，很难获取较好的实验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供用于研究汽泡周围的温度场以及速度场的变化的PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，其特征是：包括ITO玻璃、左加热器单元、右加热器单元；左加热器单元包括加热面上盖板、加热面基座、加热面底部紧固块、沸腾表面密封圈、绝热圈、导电铜箔，加热面基座和加热面底部紧固块的剖面均为由短剖面和长剖面构成的L型，加热面基座的长剖面和加热面底部紧固块的长剖面相固定，且加热面基座的长剖面位于加热面底部紧固块长剖面的上方，加热面基座的短剖面面向下方，加热面上盖板固定在加热面基座的上方且相对于加热面基座有伸出部分，加热面上盖板的伸出部分与加热面底部紧固块的短剖面相对，ITO玻璃的左端部安装在加热面上盖板的伸出部分与加热面底部紧固块的短剖面之间，ITO玻璃的左端部与加热面上盖板的伸出部分之间安装沸腾表面密封圈，ITO玻璃的左端部与加热面底部紧固块之间依次安装导电铜箔、绝热圈；右加热器单元与左加热器单元结构相同，且右加热器单元与ITO玻璃的装配关系与左加热器单元相同。

本发明还可以包括：

1、所述的ITO玻璃包括基板，基板的中部上镀有ITO镀膜，ITO镀膜的左端和右端即分别与左加热器单元和右加热器单元的导电铜箔相连的部分设置导电胶带。

2、加热面基座的上表面设置开设密封槽道，密封槽道里安装加热面上盖板密封圈，加热面基座短剖面的下表面开设加热器密封槽道和加热器螺孔。

3、加热面上盖板密封圈的材质为丁晴橡胶；密封槽道经过铣削加工为矩形槽道，其宽度为3mm，槽深为2mm；加热器密封槽道的宽度和深度都是5mm；沸腾表面密封圈的材质为硅胶；ITO玻璃的基板为厚度1.1mm的蓝宝石玻璃；绝热圈由环氧树脂加工而成，厚度为2mm；加热面底部紧固块短剖面与加热面基座长剖面的缝隙尺寸为1mm。

本发明的优势在于：

(1)采用ITO玻璃作为沸腾表面和加热元件使得本发明具备了更好的可视化效果，且其表面热流密度可以更好的进行控制，获取较高的热流密度从而可以极大扩展实验参数的范围。

(2)独立设计的PLIF-PIV沸腾实验装置具有较高的适用性，通过简单的容器设计改变就可以分别研究各种壁面朝向条件下的沸腾汽泡行为。

(3)本发明在很大程度上可以消除边角部位的沸腾现象，给高速摄影拍摄汽泡图像以及结合PLIF-PIV技术对汽泡周围温度场以及速度场的测量带来方便。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2a为本发明ITO玻璃结构示意图a，图2b为本发明ITO玻璃结构示意图b。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～2，本发明所涉及的PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器主要包括以下几部分，加热面基座1、加热面上盖板2、加热面底部紧固块3、ITO玻璃4、导电铜箔5、绝热圈6、加热面上盖板密封圈7、沸腾表面密封圈8、紧固螺丝9、加热器密封槽道10、密封槽道11以及加热器螺孔12。沸腾表面为矩形，加热面基座1、加热面上盖板2以及加热面底部紧固块3全部由不锈钢加工而成。为了保证加工精度，加热面上盖板直接采用1mm厚度的不锈钢板线切割加工。通过紧固螺丝9的紧固，将ITO玻璃4夹在这些结构体中间，并通过沸腾表面密封圈8形成密封，避免了泄露的发生。

加热面上盖板密封圈7的材质为丁晴橡胶，本加热装置主要针对常压条件下的水沸腾而设计，而丁晴橡胶的耐温可达到100摄氏度，因此可以满足设计的要求。加热面上盖板密封圈7位于预先加工在加热面基座1上的密封槽道11内，可以固定在槽内不发生位移并实现密封的作用。密封槽经过铣削加工为矩形槽道，其宽度为3mm，槽深为2mm。此外，在加热面基座的底部也设置有加热器密封槽道10，槽道宽度和深度都是5mm，用于加热器安装到容器后的密封。

沸腾表面密封圈8由硅胶板裁剪而成，位于ITO玻璃4与加热面上盖板2之间。在这里虽然沸腾表面密封圈8处并没有热量产生，然而其紧靠加热位置由于横向导热的作用温度较高，因此采用耐温高达200摄氏度以上的硅胶垫圈。硅胶垫圈的加工较为容易，而且成本较低。在这里沸腾表面密封圈8不仅起到了密封的作用，同时也为ITO玻璃4的热变形提供了空间，从而有效保护了ITO玻璃4不至于因为热胀冷缩而发生破裂。

ITO玻璃4的制备在本发明中至关重要，本发明采用成本较低且可靠性较高的紫外显影蚀刻法对其进行制备。ITO玻璃4的基板14为厚度1.1mm的蓝宝石玻璃，具有较高的导热系数，可以有效降低内外板温差。ITO玻璃4边缘部位的ITO镀膜通过蚀刻技术去除掉，露出基板14，这样可以消除边角部位的加热，如图2所示。

在准备好蚀刻完毕加工成型的ITO玻璃4之后，裁剪合适大小的导电胶带15贴于ITO玻璃4具有ITO镀膜13的一面，将其压紧并从另外一面确认没有形成空隙，保证导电胶带与ITO镀膜之间的良好接触。本设计中ITO玻璃4的电极由导电铜箔5制成，首先裁剪合适大小的紫铜箔，根据图1中的形状进行弯折，注意弯折过程中不要反复从而折断铜箔或降低其导电性能。

本发明中所涉及的绝热圈6位于作为加热表面的ITO玻璃4的底部，既起到了对加热面基座的绝热作用，也作为与加热面基座1之间的绝缘材料。本发明中绝热圈6由环氧树脂加工而成，厚度为2mm，首先将整块环氧树脂板加工成与ITO玻璃4大小相同的矩形板，进一步将其中心掏空，使其成为中空矩形，以便于从底部对沸腾表面上的汽泡行为进行观察，同时提供激光片光从底部照射沸腾区域的光路。

整个加热器通过紧固螺丝9固定在一起，各个部件压紧形成本发明中所述的加热器。加热面底部紧固块3与加热面基座1侧面的缝隙尺寸均大约1mm，既保证了装配时所需的余量，也确保了导电铜箔5与整个金属结构部件(如加热面基座1、加热面底部紧固块3)之间的绝缘。

本发明的目的是这样实现的：

主要包括加热面基座、加热面上盖板、加热面底部紧固块、ITO玻璃、导电铜箔、绝热圈、加热面上盖板密封圈、沸腾表面密封圈以及紧固螺丝。加热面上盖板和加热面底部紧固块由紧固螺丝固定在加热面基座上，ITO玻璃夹在加热面上盖板和加热面底部紧固块之间，绝热圈位于ITO玻璃的底部，导电铜箔与ITO玻璃紧密连接作为加热电极，加热面上盖板密封圈位于加热面上盖板与加热面基座之间，沸腾表面密封圈位于加热面上盖板与ITO玻璃之间。

ITO玻璃作为沸腾表面，由金刚石笔加工成矩形，通过化学蚀刻的方法将ITO镀膜加工成所需的形状，进而控制热流密度在沸腾表面上的分布形式。

加热面基座和加热面底部紧固块为主要的结构部件，由不锈钢加工而成，加热面上盖板由1mm厚的不锈钢板线切割加工而成。

绝热圈是环氧树脂绝热圈，形状为中空矩形。。

导电铜箔与ITO玻璃之间通过导电胶带连接，即将导电胶带粘贴到ITO镀膜上，利用加热面底部紧固块紧压导电铜箔将二者紧密连接。

ITO镀膜的化学蚀刻通过紫外显影蚀刻法完成，即首先使用激光打印机将所需蚀刻的形状打印到菲林纸上，将打印好的菲林纸紧密贴到涂有感光蓝油ITO镀膜上，采用紫外线灯对感光蓝油进行曝光，曝光完成后使用显影液进行显影，随后将ITO玻璃放置到稀盐酸与双氧水的混合溶液中对ITO镀膜进行蚀刻，蚀刻完成后使用脱膜液进行脱膜，即可得到加工好的ITO玻璃。

加热面密封圈位于加热面基座上加工的密封槽中，经过紧固螺丝固定之后加热面上盖板与加热面基座紧密连接，中间无缝隙。

为了克服已有技术的不足，本发明所设计的加热器可以独立安装在任意池式沸腾容器内部，通过设置不同的安装位置，加热表面可以为水平放置、垂直放置或者倾斜放置，基于此通过实验研究不同表面朝向对沸腾汽泡行为的影响。

本发明中所述的表面沸腾加热装置的加热面采用ITO玻璃，同时作为加热源和沸腾表面。加热电源采用直流电源，配合控制系统可以对加热功率实现精确控制。相比于以往常用的电阻式加热器向沸腾表面导热的加热方式和辐射加热方式而言，由于ITO镀膜与玻璃表面紧密连接，二者之间热阻较小，因此可以达到较高的热流密度，有利于实验参数范围的扩展。另一方面，相比于直流电加热金属板(或管)的加热方式，ITO玻璃的未镀膜侧并没有通电，即达到了良好的绝缘效果，进而避免了加入PLIF或者PIV所用的示踪粒子之后所引起的工质导电率的改变而带来的电解现象，从而消除了其他因素对实验的影响。

ITO玻璃沸腾表面的ITO镀膜采用紫外显影蚀刻法对其进行精细加工，使其表面的导电介质达到预定的分布。由于导电介质的形状是影响直流电加热中热流密度分布的主要原因之一，因此在可控的ITO镀膜分布下可以实现对热流密度分布的精确控制，达到同时实现高热流密度加热且保护加热装置表面的目的。此外，由于边角部位的传热恶化情况，传统加热器并不能对其进行很好的控制，因此很大一部分汽泡在边角密封部位处产生，由此既对传热的分析产生了较大的影响，也对中心处汽泡的拍摄造成了一定的困难。而在热流密度可控的情况下，以上影响都可以最大限度地避免。

ITO玻璃沸腾表面相比于金属沸腾表面而言可视化效果更好，其对可见光的透射率可以达到85％以上，因此既可以从沸腾表面底部对沸腾汽泡行为进行观察。此外也可以直接使用激光片光源从底部照射沸腾表面，进而结合PLIF-PIV技术获取汽泡周围的温度场和速度场信息。

导电铜箔与ITO镀膜之间采用导电胶带进行连接，导电胶带使沸腾表面密封面处没有与沸腾工质直接接触的部位处于同一电势，不会产生额外的热量，这样既实现了对沸腾表面密封圈的保护，也降低了边缘部位产生汽泡的可能性。通过分析可知，ITO镀膜的方阻为10-15欧姆，实验所涉及的电阻相对金属介质较大，因此加热过程中所需的电流不大，采用导电胶带完全可以满足设计要求。相比于其他设计中采用镀银的方法对ITO电极部位的处理，本发明中采用的方法工艺更加简单，且成本更低。

在对沸腾表面固定的过程中，本发明设计了加热面上盖板对其进行固定。没有直接采用铣削加工成型的主要原因有以下两点，其一是由于该部位处的厚度不能太大，否则将影响到侧面观察汽泡行为，而在深度较大的情况下铣床的加工精度以及表面光洁度难以得到保证。其二是由于此处为密封面且厚度较小，因此会在承受应力的情况下发生一定的形变，采用加热面上盖板的设计则可以非常方便的对此密封面进行替换。

加热面上盖板密封圈位于加热面基座内的密封槽内，这样在使用紧固螺丝对加热板密封圈和加热面基座进行固定之后二者之间将紧密配合且无缝隙，由此可以更好的保证光学可视化的要求。

绝热圈位于作为加热表面的ITO玻璃的底部，既实现了与加热面基座之间的绝热，也作为加热面与加热面基座之间的绝缘材料。本发明中绝热圈由环氧树脂加工而成，这种材料容易加工，且具有较高的绝缘系数和较低的导热性，加工成中空矩形则保证了加热面底部的可视化要求。

Claims (5)

1.PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，其特征是：包括ITO玻璃、左加热器单元、右加热器单元；左加热器单元包括加热面上盖板、加热面基座、加热面底部紧固块、沸腾表面密封圈、绝热圈、导电铜箔，加热面基座和加热面底部紧固块的剖面均为由短剖面和长剖面构成的L型，加热面基座的长剖面和加热面底部紧固块的长剖面相固定，且加热面基座的长剖面位于加热面底部紧固块长剖面的上方，加热面基座的短剖面面向下方，加热面上盖板固定在加热面基座的上方且相对于加热面基座有伸出部分，加热面上盖板的伸出部分与加热面底部紧固块的短剖面相对，ITO玻璃的左端部安装在加热面上盖板的伸出部分与加热面底部紧固块的短剖面之间，ITO玻璃的左端部与加热面上盖板的伸出部分之间安装沸腾表面密封圈，ITO玻璃的左端部与加热面底部紧固块之间依次安装导电铜箔、绝热圈；右加热器单元与左加热器单元结构相同，且右加热器单元与ITO玻璃的装配关系与左加热器单元相同。

2.根据权利要求1所述的PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，其特征是：所述的ITO玻璃包括基板，基板的中部上镀有ITO镀膜，ITO镀膜的左端和右端即分别与左加热器单元和右加热器单元的导电铜箔相连的部分设置导电胶带。

3.根据权利要求1或2所述的PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，其特征是：加热面基座的上表面设置开设密封槽道，密封槽道里安装加热面上盖板密封圈，加热面基座短剖面的下表面开设加热器密封槽道和加热器螺孔。

4.根据权利要求1或2所述的PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，其特征是：加热面上盖板密封圈的材质为丁晴橡胶；密封槽道经过铣削加工为矩形槽道，其宽度为3mm，槽深为2mm；加热器密封槽道的宽度和深度都是5mm；沸腾表面密封圈的材质为硅胶；ITO玻璃的基板为厚度1.1mm的蓝宝石玻璃；绝热圈由环氧树脂加工而成，厚度为2mm；加热面底部紧固块短剖面与加热面基座长剖面的缝隙尺寸为1mm。

5.根据权利要求3所述的PLIF-PIV可视化池式沸腾实验装置加热器，其特征是：加热面上盖板密封圈的材质为丁晴橡胶；密封槽道经过铣削加工为矩形槽道，其宽度为3mm，槽深为2mm；加热器密封槽道的宽度和深度都是5mm；沸腾表面密封圈的材质为硅胶；ITO玻璃的基板为厚度1.1mm的蓝宝石玻璃；绝热圈由环氧树脂加工而成，厚度为2mm；加热面底部紧固块短剖面与加热面基座长剖面的缝隙尺寸为1mm。