CN104215656A

CN104215656A - 一种可调控式重力热管传热效率测试装置

Info

Publication number: CN104215656A
Application number: CN201310213879.3A
Authority: CN
Inventors: 张明义; 裴万胜; 陈武; 赖远明
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN104215656B

Abstract

本发明涉及一种可调控式重力热管传热效率测试装置，其结构特征为上下两个控温桶分别与冷浴连接，对重力热管冷凝段和蒸发段进行独立控温；通过装置的支架、带刹式手摇绞车、提升架、钢绞线和倾角仪相互配合实现对重力热管倾斜角度的准确控制；上下控温桶内重力热管表面及冷浴液中设置温度传感器，并在重力热管表面布设热流传感器；温度传感器和热流传感器测试数据通过数据采集器和计算机进行自动采集。本发明可在0°~90°范围内自由调整重力热管的倾斜角度，进而实现对不同倾斜角度下重力热管传热效率的准确测试，为充分发挥重力热管的工程效能提供试验基础和技术参数。

Description

一种可调控式重力热管传热效率测试装置

技术领域

本发明涉及一种试验测试装置，尤其是一种可调控式重力热管传热效率测试装置。可有效测量不同结构、工质、充液量和倾斜角度等工况条件下重力热管的传热效率，为充分发挥重力热管的工程效能提供试验基础和技术参数。

背景技术

热管是一种高效的传热元件，其工作原理主要是利用自身内部工质的蒸发和冷凝来实现热量传输。热管技术在空间探测、寒区工程、工业工程和医疗等领域中有着广泛的应用，例如已应用于飞行器温度控制、寒区冻土工程热力稳定性保护、换热器等节能产品以及液氮热管手术器等诸多方面。

重力热管又称两相闭式热虹吸管，是多年冻土区广泛应用的一种热管，例如美国、加拿大、俄罗斯等冻土大国在其寒区工程建设中大量采用了该种热管技术，用于保护冻土，确保工程的稳定。而在中国的青藏铁路、青藏公路等寒区重大道路工程建设与维护中，重力热管也得到了更为广泛的应用，并且工程效果良好，因此该项技术也有望在未来的青藏高速公路建设中成为一种重要的冻土路基工程保护措施。由于重力热管的造价相对较高，这就要求我们必须最大限度地发挥其工作效能，节省工程造价。

很多因素诸如重力热管的结构、工质、充液量、倾斜角度等都会影响其传热效率。而目前对于重力热管在何种工况条件下工作性能最佳，仍存在很大的争议。比如，寒区路基工程中有关重力热管合理倾角的研究结果就有几种：70°~90°、40°~80°以及25°~30°等（杨永平等，多年冻土区路基热管合理倾斜角度的数值分析，中国铁道学报，2006，27（3）：1-7）。为了综合考虑诸多影响重力热管工作状态的因素，充分发挥其传热性能，更好地为工程需求服务，设计合理有效的重力热管传热效率测试装置是非常必要的。然而，目前对重力热管传热效率的有效测试尚无简单易行的方法。

发明内容

为提高多年冻土区重力热管的传热效率，降低工程造价，本发明提供一种可调控式重力热管传热效率测试装置。该装置通过冷浴独立控制重力热管冷凝段和蒸发段的温度，可使重力热管在0°~90°范围内自由旋转，调整倾斜角度，并采用尺寸控制系统实现对不同管径重力热管的传热效率进行测试。该装置具有测试准确，易于操作等优点。

本发明所采用的技术方案是：

一种可调控式重力热管传热效率测试装置，是由支架、带刹式手摇绞车、提升架、钢绞线、倾角仪、卡位、上控温桶、下控温桶、三角支架、密封法兰、连接法兰、导向杆、密封套、温度传感器、热流传感器、1＃冷浴、2＃冷浴、冷浴液、冷浴液接口、导液管、数据采集器及计算机组成。提升架与支架铰接，支架上设有卡位，上控温桶和下控温桶固定卡位上。上控温桶和下控温桶均为圆柱形、或多面体形；其外端置有密封法兰，内端置有连接法兰，之间用连接法兰并通过导向杆连接，重力热管通过三角支架固定在上控温桶和下控温桶中轴线上，并在连接法兰与重力热管之间设置密封套；倾角仪位于上控温桶底部，居于提升架上，在上控温桶和下控温桶两端均设有冷浴液接口，在上控温桶和下控温桶内分别布有温度传感器和热流传感器，温度传感器布设于重力热管表面及冷浴液中，热流传感器布设于重力热管表面；在1＃冷浴和2＃冷浴内盛有冷浴液，冷浴液可为酒精、或煤油、或氟利昂，并通过导液管及冷浴液接口分别连接到上控温桶和下控温桶；上控温桶和下控温桶中的温度传感器和热流传感器分别通过导线与数据采集器连接，数据采集器再通过导线与计算机连接。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明采用的热流传感器为柔式，可对各种不同管径的重力热管传热效率进行测试，该传感器可紧密牢固的布设于重力热管外壁，准确测量重力热管外表面的热流变化，显著提高了对重力热管热流的测量精度。

2、本发明可在0°~90°范围内自由调整重力热管的倾斜角度，进而实现对不同倾斜角度下重力热管传热效率的准确测试。

3、本发明通过更换连接法兰的密封套来实现对不同管径重力热管传热效率的测量，简单易行。

4、本发明在上下控温桶内均采用冷浴液独立循环流动的方式，实现对重力热管冷凝段和蒸发段的独立控温，可进行恒温和变温不同工况下重力热管传热效率的测试。

5、本发明还可对不同充液量、不同工质类型等重力热管的传热效率进行测试，实现对重力热管的全方位优化设计，进而为热管技术的广泛应用提供技术支持。

6、本发明结构简单、易于操作、测量准确，对工作环境条件要求低、工作稳定。

附图说明

图1是本发明侧面结构示意图。

图2是图1的俯图。

图3是本发明在倾斜角度为40°条件下重力热管热流量随其冷凝段与蒸发段外表面温差变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：

如图1~2所示，一种可调控式重力热管传热效率测试装置，是由支架1、带刹式手摇绞车2、提升架3、钢绞线4、倾角仪5、卡位6、上控温桶7、下控温桶8、三角支架9、密封法兰10、连接法兰11、导向杆12、密封套13、温度传感器14、热流传感器15、上冷浴16、1＃冷浴16、2＃冷浴17、冷浴液接口19、导液管20、数据采集器21及计算机22组成。提升架3与支架1铰接，可自由旋转，其上设有四个卡位6，用于固定上控温桶7和下控温桶8，上控温桶7和下控温桶8为圆柱形，内径0.30 m，壁厚0.01 m，两个控温桶长度均为0.81 m。上控温桶7和下控温桶8的外端置有密封法兰10，内端置有连接法兰11，两个控温桶之间用连接法兰11并通过导向杆12连接，重力热管23通过六个三角支架9固定在上控温桶7和下控温桶8中轴线上；为保证上下控温桶8的密封性，在连接法兰11与重力热管23之间设置密封套13。倾角仪5位于上控温桶7底部，居于提升架3上，提升架3通过与带刹式手摇绞车2、钢绞线4和倾角仪5相配合实现对重力热管倾斜角度的准确控制，可调控角度范围为0°~90°，其中支架1、提升架3、上控温桶7、下控温桶8、三脚支架9、密封法兰10、连接法兰11及导向杆12所用钢材为Q235。在上控温桶7和下控温桶8两端均设有冷浴液接口19，上控温桶7和下控温桶8内布设温度传感器14和热流传感器15，温度传感器14布设于重力热管23表面及冷浴液18中，用于对重力热管表面及周围冷浴液温度的测量，热流传感器15布设于重力热管23表面，为柔性可弯、矩形，且长度≤0.15 m，用于对重力热管表面热流变化的监测。在1＃冷浴16和2＃冷浴17内盛有冷浴液18，冷浴液18为酒精，通过导液管20及冷浴液接口19分别连接到上控温桶7和下控温桶8，通过冷浴液的循环实现对两个控温桶的独立控温。上控温桶7、下控温桶8和导液管20外壁设置PVC保温材料，进行隔热保温。保温材料厚度≥5 cm，导热系数≤0.025 W/（m·℃），上控温桶7和下控温桶8中的温度传感器14和热流传感器15通过导线与数据采集器21连接，数据采集器21再通过导线与计算机22连接，实现对试验数据的自动采集。

本装置通过冷浴和控温桶对重力热管冷凝段和蒸发段进行独立控温，利用控温桶内的温度传感器和热流传感器对重力热管冷凝段和蒸发段的温度和热流密度变化进行监测，从而确定重力热管在不同工况条件下的传热效率。

测试实例

利用本发明对某重力热管在倾斜角度（与水平方向夹角）为40°条件下的传热效率进行了测试，该重力热管冷凝段和蒸发段长度相等，即L _c=L _e=0.710 m，外径D _o=0.051 m，因此可计算得到其冷凝段和蒸发段外表面面积A _c=A _e=0.114 m²，横截面面积A _s=0.002 m²。试验在重力热管冷凝段（上控温桶）温度低于蒸发段（下控温桶）的条件下进行。

重力热管的热流量为Q=q _e*A _e（q _e为重力热管蒸发段外表面平均热流密度，A _e为蒸发段外表面面积）。图3是在倾斜角度为40°条件下重力热管热流量随其冷凝段与蒸发段外表面温差变化曲线。从图中可以看出，重力热管热流量随其冷凝段和蒸发段的外表面温差呈线性增大，线性回归方程为Q=-3.83ΔT-0.70=-3.83(ΔT+0.18)，并且相关性极高（R ²＞0.99）。同时，由此得到该重力热管在倾斜角度为40°条件下的综合传热系数k=3.83/A _s=1915.00 W·m^-2·℃^-1及启动温差ΔT ₀=-0.18 ℃。

以上试验结果能够充分、准确地体现重力热管的传热效率，并且易于获得，这足以表明本试验装置具有很高的准确性和实用性。

Claims

1.一种可调控式重力热管传热效率测试装置，是由支架（1）、带刹式手摇绞车（2）、提升架（3）、钢绞线（4）、倾角仪（5）、卡位（6）、上控温桶（7）、下控温桶（8）、三角支架（9）、密封法兰（10）、连接法兰（11）、导向杆（12）、密封套（13）、温度传感器（14）、热流传感器（15）、1＃冷浴（16）、2＃下冷浴（17）、冷浴液（18）、冷浴液接口（19）、导液管（20）、数据采集器（21）及计算机（22）组成，其特征是：提升架（3）与支架（1）铰接，支架（1）上设有卡位（6），用于固定上控温桶（7）和下控温桶（8），上控温桶（7）和下控温桶（8）均为圆柱形、或多面体形；其外端置有密封法兰（10），内端置有连接法兰（11），之间用连接法兰（11）并通过导向杆（12）连接，重力热管（23）通过三角支架（9）固定在上控温桶（7）和下控温桶（8）中轴线上，并在连接法兰（11）与重力热管（23）之间设置密封套（13）；倾角仪（5）位于上控温桶（7）底部，居于提升架（3）上，在上控温桶（7）和下控温桶（8）两端均设有冷浴液接口（19），在上控温桶（7）和下控温桶（8）内分别布有温度传感器（14）和热流传感器（15），温度传感器（14）布设于重力热管（23）表面及冷浴液（18）中，热流传感器（15）布设于重力热管（23）表面；在1＃冷浴（16）和2＃冷浴（17）内盛有冷浴液（18），冷浴液（18）可为酒精、或煤油、或氟利昂，并通过导液管（20）及冷浴液接口（19）分别连接到上控温桶（7）和下控温桶（8）；上控温桶（7）和下控温桶（8）中的温度传感器（14）和热流传感器（15）分别通过导线与数据采集器（21）连接，数据采集器（21）再通过导线与计算机（22）连接。