CN104457358B - 基于u型管的高温热管腔内压力实时测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其包括热管、U型管、隔热元件、控温组件、电磁阀和测压组件，U型管的一端借助隔热元件与热管的蒸汽通道连通，U型管的外壁上安装有控温组件，控温组件通过冷却或加热能够使U型管路维持在设定的温度范围，U型管的另一端安装有电磁阀，U型管中充满了与热管中工作介质相同或相容的介质，并且通过控温组件使介质在进行压力测量时保持液体状态，测压组件通过电磁阀与U型管连接，用于对U型管端面的液体的压力进行测量。本发明避免了高温腔体压力测量对压力传感器耐热温度的苛刻要求，以及由于温度变化引起碱金属饱和蒸汽压力变化可能产生的压力直接测量误差。

Description

基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统
技术领域
本发明属于高温压力测量领域，具体涉及一类碱金属高温热管高温腔体内部压力的实时测量。
背景技术
高温热管一般采用碱金属(钠、钾、锂等)作为工质，由于碱金属汽化潜热很大，在其工作温度范围内的饱和压力也不高，因此碱金属高温热管在高超声速飞行器、太阳能电站、高温余热回收利用、原子能温度控制以及工业高温等温炉等方面具备着广阔的应用需求，部分领域已具备了不可替代的作用。中国航天空气动力技术研究院长期从事我国航天器热控制系统工程和先进热防护基础与应用技术研究，发现高温热管应用于某些特殊高温环境时需对热管工作状态进行准确判断，而对高温热管腔体压力实时测量，可以为高温热管工作状态的分析提供必要的数据支撑。
碱金属高温蒸汽压力测量相比传统测压对象存在很大的特殊性和更高的技术难度：(1)处于工作状态的热管内部碱金属蒸汽的温度很高(如锂热管的蒸汽温度可达到1800℃甚至更高)，现有高温压力传感器产品无法满足其直接测量的需求；(2)碱金属蒸汽压力与温度密切相关，随温度降低会出现冷凝或凝结现象，通过水冷导管间接测压方法测得的气压与热管内部蒸汽压力不符，或根本无法感受热管内部蒸汽压力。目前还未见对高温环境下碱金属高温热管压力测量方法的公开报道，因此开发一种高温热管腔体压力测量系统，对使用高温热管解决特殊高温环境的热控或热防护问题具有重要的工程意义。
发明内容
本发明提出了基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其目的在于对处于高温工作状态的热管腔体压力的实时测量。通过控制阀门的开启和关闭，实现对测压通道的打开和切断；通过电加热装置和管路冷却装置确保压力传递介质处于液体状态；通过设置介质充装口保证系统的长期稳定工作。压力实时测量系统设计具有高的稳定性和准确性。
本发明提出的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统包括热管、U型管、隔热元件、控温组件、电磁阀和测压组件，所述U型管的一端借助所述隔热元件与所述热管的蒸汽通道连通，所述U型管的外壁上安装有所述控温组件，所述控温组件通过冷却或加热能够使所述U型管路维持在设定的温度范围，所述U型管的另一端安装有所述电磁阀，所述U型管中充满了与所述热管中工作介质相同或相容的介质，并且通过所述控温组件使所述介质在进行压力测量时保持液体状态，所述测压组件通过所述电磁阀与所述U型管连接，用于对所述U型管端面的液体的压力进行测量。
优选所述热管的外壳内壁上安装有毛细芯层，所述U型管的一端穿过所述外壳与所述毛细芯层，其端面和所述热管内部的毛细芯层与蒸汽通道的交界面持平。
优选所述控温组件包括电加热器和冷却装置，在所述U型管的外壁上设有多个所述控温组件，通过调整所述电加热器加热功率和所述冷却装置的冷却剂流量，能够实现对所述U型管的温度控制。
优选所述测压组件包括测压管路、压力表、压力传感器和控制阀，所述测压管路的一端通过所述电磁阀与所述U型管连通，其另一端通过所述控制阀与所述介质源连通，所述测压管路上连接有压力表和压力传感器。
优选所述U型管的内部直径大于2mm，且小于所述热管内部蒸汽通道直径的1/2。
优选所述U型管的中部设置有丝网缓冲器。
本发明的优点和积极效果在于：
(1)通过在U型控温管内注入液态碱金属或与液态碱金属相容的液态介质实现了腔内压力的传递，解决了饱和蒸汽压随温度变化的高温碱金属蒸汽压力测量问题；
(2)系统在高温热管和U型管路控温元件之间设置有隔热垫，且系统管路为封闭管路，不会对高温热管的正常工作及热管内部碱金属含量产生明显影响；
(3)测压管路通道设置有电磁控制阀门，能够确保系统停止工作后热管内部的真空环境不被破坏；
(4)U型管冷端测压管路中部设置有丝网缓冲器，可有效减缓特殊情况下开关阀门引起的管路压力冲击。
附图说明
图1为基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统图。
具体实施方式
本发明首次提出了基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
如图1所示，本发明的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统包括热管蒸汽通道1、热管毛细芯2、热管壳体3、高效隔热垫4、控温组件5、7、10、温度传感器6、8、11、丝网缓冲器9、电磁阀门12\15、压力传感器13、压力仪表14和U型管。
高温热管在工作时的内部温度很高，U型管的一端通过高效隔热垫4与高温热管的蒸汽通道1连通，控温组件5、7、10安装在U型管的外壁上，能够通过冷却或加热能够使U型管路维持在设定的温度范围，本实施例中的控温组件安装有三组、每组都包括电加热带和冷却管道，先将电加热带缠在U型管的外壁上，再在上面绕上冷却管，当需要加热时就对电加热带进行通电，当需要冷却时就在冷却管中流通冷却介质。U型管的另一端安装有电磁阀12，U型管中充满了与高温热管中工作介质相同或相容的介质，通过控温组件5、7、10使U型管中的介质在进行压力测量时保持液体状态。U型管的连通高温热管的一端穿过热管外壳3与热管毛细芯2，U型管的该端的端面和高温热管内部的毛细芯2与蒸汽通道1的交界面持平。
U型管通过电磁阀12与测压管路连通，在测压管路上连接有压力表和压力传感器和控制阀，并且测压管路通过电磁阀15与介质源连通。
U型管的直径的内部直径大于2mm，且小于所述热管内部蒸汽通道直径的1/2。能够防止管路过细产生毛细力影响测压精度，并且能够防止管路通径过大影响温度控制灵敏度。
丝网缓冲器设置在U型管的中部，避免开关阀门引起的管路压力冲击。
进行系统安装前，完成所有传感器件和阀门6、8、11、13、14的标定和校准；完成对U型管控温段(取压口至阀门12之间的管路)进行压力传递介质的充装和冷却，充装量由管路体积确定；完成对热管内部本身进行抽真空处理；安装时使阀门12阀芯位置与热管毛细芯2内表面处于同一水平面。
本系统工作过程设计如下：
1.设定热管单次工作温度区间为[Tmin，Tmax]，换算对应饱和蒸汽压力测压范围为[Pmin，Pmax]，查看当前压力仪表14读数，若该读数与Pmin不等，通过阀门15向阀门12至阀门15之间管路空间预充/泄气压至Pmin；
2.加温使高温热管开始启动，同时监测温度传感器6、8、11温度数据T6、T8、T11；
3.开关控温组件5、7、10，并通过调整电加热功率和冷却剂流量，使T6、T8、T11维持在压力传递介质熔点Tm之上和管路许用温度Ts之下，并通过控温达到对压力传递介质逐级降温(T6＞T8＞T11)的效果，设定控温目标为：Tm+30℃＜T6.8，11＜Ts-30℃；
4.待高温热管完成启动，且热管工作温度达到工作温区下限Tmin时，打开电磁阀12，此时压力仪表14和压力传感器13感受到的压力读数为Pm；
5.改变热管工作状态，压力传感器13的读数Pm即为高温热管腔体内部实时压力；
6.压力实时测量完成后，关闭电磁阀12，控温组件5、7、10，使U型管控温段温度下降至碱金属熔点Tm之下，设定控温目标为：T6，8，11＜Tm-30℃；
9.待系统完全冷却至室温，系统恢复至原始状态。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。
以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其特征在于：包括热管、U型管、隔热元件、控温组件、电磁阀和测压组件，所述U型管的一端借助所述隔热元件与所述热管的蒸汽通道连通，所述U型管的外壁上安装有所述控温组件，所述控温组件通过冷却或加热能够使所述U型管路维持在设定的温度范围，所述U型管的另一端安装有所述电磁阀，所述U型管中充满了与所述热管中工作介质相同或相容的介质，并且通过所述控温组件使所述介质在进行压力测量时保持液体状态，所述测压组件通过所述电磁阀与所述U型管连接，用于对所述U型管端面的液体的压力进行测量。
2.根据权利要求1所述的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其特征在于：所述热管采用碱金属作为工作介质，所述热管的外壳内壁上安装有毛细芯层，所述U型管的一端穿过所述外壳与所述毛细芯层，其端面和所述热管内部的毛细芯层与蒸汽通道的交界面持平。
3.根据权利要求1所述的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其特征在于：所述控温组件包括电加热器和冷却装置，在所述U型管的外壁上设有多个所述控温组件，通过调整所述电加热器加热功率和所述冷却装置的冷却剂流量，能够实现对所述U型管的温度控制。
4.根据权利要求1所述的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其特征在于：所述测压组件包括测压管路、压力表、压力传感器和控制阀，所述测压管路的一端通过所述电磁阀与所述U型管连通，其另一端通过所述控制阀与所述介质源连通，所述测压管路上连接有压力表和压力传感器。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其特征在于：所述U型管的内部直径大于2mm，且小于所述热管内部蒸汽通道直径的1/2。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的基于U型管的高温热管腔内压力实时测量系统，其特征在于：所述U型管的中部设置有丝网缓冲器。
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