CN105136843A - 汽液两相热工实验热损失的标定方法及其标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽液两相热工实验热损失的标定方法及其标定装置，装置包括连接在实验段进口与实验回路之间的预热器、实验段外壁的壁温测量装置、流量计；实验段的进口和出口均设置有温度测量装置和压力测量装置；流量计设置在实验段进口与实验回路之间或实验段出口与实验回路之间。标定方法首先通过调节预热器功率，控制通入的单相流体热工参数，达到涵盖两相正式实验中的壁温范围，拟合得到实验段壁温与散热量的关系式或关系图，在正式两相热工实验中测量壁温并根据关系式或关系图确定散热量，从而可实现汽液两相实验条件下实验段热损失量的确定，为准确测定流动工质吸热量、获得可靠实验数据提供支撑，提升了汽液两相热工实验的精度和可靠性。

Description

汽液两相热工实验热损失的标定方法及其标定装置

技术领域

本发明涉及汽液两相热工实验技术领域，具体地，涉及一种汽液两相热工实验热损失的标定方法及其标定装置。

背景技术

汽液两相流在能源动力、核能、制冷、石油化工及航空航天等工业领域广泛存在。科学研究及工业设计过程中经常涉及汽液两相热工实验，如何确定热工实验中流体的有效吸热量是获得准确实验结果的关键，也是进一步研究流动传热规律及物理机理的基础。因此，对热工实验热平衡分析方法的研究对于改进实验步骤、获取精确实验结果、掌握准确实验规律均具有重要意义。

单相流体流动传热实验热平衡分析方法较为成熟。以电加热实验为例，可测量实验段电压U及电流I，则电热功率为：

Q=UI

通过测量实验段进口温度T_in、出口温度T_out及压力参数可计算流体在流经实验段后的焓值增量，再结合实验测量的流量参数可确定热功率Q_T为：

Q_T=WC_p（T_out-T_in），其中，W为质量流量（单位kg/s）,Cp为定压比热容（单位kj/kg℃）。

则热损失率η为：

η=（Q-Q_T）/Q=Q_loss/Q

其中Q_loss=Q-Q_T，为热损失量。

但汽液两相热工实验热平衡分析较为复杂，由于汽液两相流动传热过程中热量一部分传递给单相液体，还有一部分用于产生蒸汽，此时无法通过进出口热工参数计算实验段有效热功率，并且在饱和沸腾区域内，出口温度达到饱和温度不再随加热功率而变化，因此，也无法进行热平衡分析。目前大量文献中采用的两相热平衡分析方法如下：在两相实验前，需先进行一系列单相加热实验计算热损失率，多次改变电加热功率，可获得一系列η值并计算取平均值，即认为两相过程中热损失率为该平均值。这种方法显然是近似的处理，并不完全符合物理实际，不准确，特别是在小流量条件下采用这种平均方法，过低的评估了热损失，而在高流量条件下采用这种平均方法，过高的评估了热损失。现有技术中，也缺少汽液两相热工实验热损失的标定装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种汽液两相热工实验热损失的标定方法及其标定装置，该标定方法及其标定装置能够准确对汽液两相热工实验热损失进行标定。

本发明解决上述问题所采用的的技术方案是：

汽液两相热工实验热损失的标定装置，包括连接在实验段进口与实验回路之间的预热器、测量实验段的外壁的壁温测量装置、测量流经实验段流体流量的流量计；所述实验段的进口和出口均设置有测量流体温度的温度测量装置和测量流体压力的压力测量装置；所述流量计设置在实验段进口与实验回路之间或实验段出口与实验回路之间。现有技术中，正式两相实验中，由于出口温度已为饱和温度，一部分热量已通过相变传递，无法直接通过现有技术中实验段内单相流体的计算方法直接获得两相过程中有效吸热量。针对上述问题，发明人经过长期的思考和试验验证，基于热损失基本传热原理，即热损失是实验段外壁面与环境之间的热量传递，如果其具有相同的壁温热工参数条件，其散热量也相同。提出了首先向实验段通入单相流体测量并建立实验段壁温与散热量的关系式或关系图，在正式两相热工实验中测量壁温并根据上述关系式或关系图确定热损失量的方法。基于上述方法，构建了汽液两相热工实验热损失的标定装置，通过通入单相流体，测量相应的热工参数采用单相流体的计算方法获得壁温与散热量关系，在正式两相热工实验时，依据实验段的壁温以及上述获得的壁温与散热量关系，即可确定两相的热损失。

汽液两相热工实验热损失的标定方法，包括单相流体标定步骤，单相流体标定步骤包括以下步骤：

S1、根据汽液两相热工实验中实验段外壁的温度范围，选取一系列壁温标定点；

S2、向实验回路通单相流体进行标定，采用标定装置测量每一壁温标定点对应的实验段的热工参数，并根据热工参数计算相对应的散热量；所述标定装置为上述方案中任一方案所述的汽液两相热工实验热损失的标定装置；

S3、将全部壁温标定点的散热量进行拟合，建立壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式或者建立壁面温度Tw与热损失量Qloss的关系图。

进一步，上述汽液两相热工实验热损失的标定方法，还包括两相热工实验热损失量确定步骤，具体包括以下步骤：

S41、两相热工实验中，测量实验段的外壁温度；

S42、将步骤S41中测得的实验段的外壁温度代入步骤S3中获得的壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式计算出热损失量，或者根据步骤S41中测得的实验段的外壁温度从步骤S3中获得的关系图中找出对应的热损失量。

发明人意识到实验段中流体是单相至两相转变的连续过程，无法准确获取壁温与环境的散热关系，而从热损失的产生机理即热损失是实验段壁面与环境之间的热量传递出发进行研究，发现如果实验段具有相同的壁温热工参数条件，其散热量也相同或基本相同，因此提出了上述首先向实验段通入单相流体测量并建立实验段壁温与散热量的关系式或关系图，在正式两相热工实验中测量壁温并根据关系式或关系图确定热损失量的方法，为准确测定流动工质吸热量、获得可靠实验数据提供支撑，提升了汽液两相热工实验的精度和可靠性。

进一步，步骤S2中，采用预热器对流体进行预加热，使流体流经实验段时实验段的外壁壁温达到选定的壁温标定点。

进一步，步骤S2中，标定装置测量的热工参数包括测量流经实验段的流体流量W、实验段进口的流体温度T_in和流体压力P_in、实验段出口的流体温度T_OUT和流体压力P_OUT。

进一步，步骤S2中，所述散热量的计算方法为：所述散热量的计算方法为：

Q_Ti=W_iC_p（T_outi-T_ini），i=0,1,2…n，n为壁温标定点总个数，其中Cp为定压比热容，Q_Ti为第i个壁温标定点的散热量，T_outi为第i个壁温标定点对应的实验段出口的流体温度，T_ini为第i个壁温标定点对应的实验段进口的流体温度，W_i为第i个壁温标定点对应的流经实验段1的流体流量。

进一步，步骤S1中，选取壁温标定点时，相邻两个壁温标定点的温度间隔不大于5度。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种汽液两相条件下实验工质热损失的标定方法及标定装置，使用本发明的标定装置按本发明的标定方法进行标定时可实现汽液两相实验条件下实验段热损失量的标定及计算，为准确测定流动工质吸热量、获得可靠实验数据提供支撑，提升了汽液两相热工实验的精度和可靠性。

2、利用本发明进行热损失标定实验时，可对不同壁面温度条件下散热量进行标定，获得不同壁温区段内热损失量，为进一步准确分析实验数据提供可靠保证。

3、实验段采用单相流体标定过程中只要测量出实验段的外壁温度、进出口温度、压力和流量等即可进行标定，标定过程简单准确；正式汽两相热工实验中，只需要测定实验段的外壁温度即可根据采用单相流体标定步骤获得的函数式或函数图像确定热损失，热损失的评估值可靠且更加简单方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-实验段；11-实验管段；12-保温棉；2-预热器；3-流量计；4-温度测量装置；5-压力测量装置；6-壁温测量装置；7-联接法兰。

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的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

在热工实验中，实验段1两端一般通过管路联接在实验回路中，本发明的标定装置对实验段1的热损失量进行标定。

如图1所示，汽液两相热工实验热损失的标定装置，包括连接在实验回路中的实验段1、对流体进行加热的预热器2、测量实验段1的外壁的壁温测量装置6、测量流经实验段1流体流量的流量计3；所述流量计3、预热器2、实验段1依次串联在一起，且预热器2连接实验段1的进口，实验段1的出口和流量计3均连接到实验回路上，实验回路中的流体依次流过流量计3、预热器2和实验段1后流回实验回路中。

所述实验段1的进口和出口均设置有测量流体温度的温度测量装置4和测量流体压力的压力测量装置5。

所述实验段1包括实验管段11和包敷在实验管段11外的保温棉12，所述保温棉12外壁设置有多个壁温测点，壁温测量装置6测量实验段1壁温时连接壁温测点。本实施例中的壁温测量装置6采用热电偶，所述温度测量装置4采用热电阻，所述压力测量装置5采用压力传感器。压力测量装置5用于测量和检测实验段1的进口和出口的压力信号，测得的压力值具有3个作用：一、通过压力值可以计算出该压力下流体的饱和温度，单相流体标定步骤中控制流体温度在饱和温度以下，避免所用的流体出现两相行为，影响标定的准确性；二、用于配合实验段1的进出口温度获得流体的定压比热容Cp；三、保护试验装置，避免超压。

本实施例中的标定装置的使用步骤如下：首先将实验段1通过联接法兰7联接到标定装置上，实验管段11上包敷保温棉12，达到与正式实验相同的状态后开始标定实验，调节流量计3的阀门使标定装置中工质流量达到热工实验指定值，调节预热器2功率使实验段1外壁的壁温平均值达到指定值，测量实验段1进出口温度、压力参数，计算散热量；然后改变预热器2功率，重复上述过程，分别对不同壁温条件下的散热量进行标定。

以下对标定方法进行具体说明:

汽液两相热工实验热损失的标定方法，包括单相流体标定步骤，具体包括以下步骤：

S1、根据正式的汽液两相热工实验中实验段1外壁能达到的温度范围，选取一系列壁温标定点，壁温标定点的选择一般为在前述温度范围内均匀选取，相邻两个壁温标定点的温度间隔不大于5度。

S2、向实验回路通单相流体进行标定，采用上述汽液两相热工实验热损失的标定装置测量每一壁温标定点对应的流经实验段1的流体流量W、实验段1进口的流体温度T_in和流体压力P_in、实验段1出口的流体温度T_OUT和流体压力P_OUT共5个热工参数，并根据这5个热工参数计算相对应的散热量；前述测量中，为了使实验段1外壁的壁温达到选定的壁温标定点，采用预热器2对流体进行预加热，从而使加热后的流体流经实验段1时实验段1的外壁壁温达到选定的壁温标定点；当测量完一个壁温标定点对应的热工参数并计算出其对应的散热量后，调节预热器2功率，使实验段1外壁的壁温达到下一个壁温标定点进行测量和计算散热量；重复前述过程，直至测完所有的壁温标定点对应的热工参数并计算出了所有壁温标定点对应的散热量，从而对不同壁温条件下的散热量进行标定；

所述散热量的计算方法采用现有技术中单相流体的散热量计算方法，例如以下方法：

第i个壁温标定点的散热量Q_Ti=W_iC_p（T_outi-T_ini），i=0,1,2…n，n为壁温标定点总个数，其中Cp为定压比热容，可以通过实验段1的进口温度和出口温度的平均值配合任一个压力测量装置5测得的流体压力值查物性表获得具体值；T_outi为第i个壁温标定点对应的实验段1出口的流体温度，T_ini为第i个壁温标定点对应的实验段1进口的流体温度，W_i为第i个壁温标定点对应的流经实验段1的流体流量。

S3、将全部壁温标定点的散热量进行拟合，建立壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式或者建立壁面温度Tw与热损失量Qloss的关系图；该关系图或函数关系式中，壁面温度Tw对应的热损失量Qloss即为步骤2中壁面温度Tw对应测得的散热量Q_Ti。

实施例2：

汽液两相热工实验热损失的标定方法，还包括两相热工实验热损失量确定步骤，具体包括以下步骤：

S41、两相热工实验中，测量实验段1的外壁温度；前述两相热工实验是指通入汽液两相流体进行的正式热工实验；

S42、将步骤S41中测得的实验段1的外壁温度代入步骤S3中获得的壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式计算出热损失量，或者根据步骤S41中测得的实验段1的外壁温度从步骤S3中获得的关系图中找出对应的热损失量。如果步骤S3中仅建立了壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式，则本步骤中将步骤S41中测得的实验段1的外壁温度带入函数关系式计算出热损失量；如果步骤S3中仅建立了壁面温度Tw与热损失量Qloss的关系图，本步骤中从关系图中找出根据步骤S41中测得的实验段1的外壁温度对应的热损失量；如果步骤S3中，同时建立了壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式和关系图，本步骤中的热损失量可以通过函数关系式计算出也可以直接根据关系图确定。

现有技术中，正式两相实验中，由于出口温度已为饱和温度，一部分热量已通过相变传递，无法直接通过现有技术中实验段内单相流体的计算方法直接获得两相过程中有效吸热量。因此发明人经过长期的思考和研究试验，提出了本发明的标定方法。发明人考虑到实验段中流体是单相至两相转变的连续过程，无法通过单相热平衡计算方法获取散热量，设计了首先向实验段1通入单相流体测量并建立实验段1壁温与散热量的关系式或关系图，在正式两相热工实验中测量壁温并根据关系式或关系图确定热损失量的方法。由于热损失是实验段1壁面与环境之间的热量传递，如果其具有相同的壁温参数条件，其散热量也相同或基本相同，因此构建出与正式实验相同的标定装置，通过调节预热器功率，控制通入的单相流体热工参数，达到涵盖两相正式实验中的壁温范围，拟合得到壁温与散热量关系，最终通过这个关系，以及测得正式两相热工实验时实验段1的壁温，就可确定两相的热损失。这也是本发明的特别之处，通过建立标定装置与标定方法，准确获得实验段1壁面与环境的散热关系，达到确定两相热损失的目的，为准确测定流动工质吸热量、获得可靠实验数据提供支撑，提升了汽液两相热工实验的精度和可靠性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.汽液两相热工实验热损失的标定装置，其特征在于，包括连接在实验段（1）进口与实验回路之间的预热器（2）、测量实验段（1）的外壁的壁温测量装置（6）、测量流经实验段（1）流体流量的流量计（3）；所述实验段（1）的进口和出口均设置有测量流体温度的温度测量装置（4）和测量流体压力的压力测量装置（5）；所述流量计（3）设置在实验段（1）进口与实验回路之间或实验段（1）出口与实验回路之间。

2.汽液两相热工实验热损失的标定方法，其特征在于，包括单相流体标定步骤，单相流体标定步骤包括以下步骤：

S1、根据汽液两相热工实验中实验段（1）外壁的温度范围，选取一系列壁温标定点；

S2、向实验回路通单相流体进行标定，采用标定装置测量每一壁温标定点对应的实验段（1）的热工参数，并根据热工参数计算相对应的散热量；所述标定装置为权力要求1中任一所述的汽液两相热工实验热损失的标定装置；

S3、将全部壁温标定点的散热量进行拟合，建立壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式或者建立获得壁面温度Tw与热损失量Qloss的关系图。

3.根据权利要求2所述的汽液两相热工实验热损失的标定方法，其特征在于，还包括两相热工实验热损失量确定步骤，具体包括以下步骤：

S41、两相热工实验中，测量实验段（1）的外壁温度；

S42、将步骤S41中测得的实验段（1）的外壁温度代入步骤S3中获得的壁面温度Tw与热损失量Qloss的函数关系式计算出热损失量，或者根据步骤S41中测得的实验段（1）的外壁温度从步骤S3中获得的关系图中找出对应的热损失量。

4.根据权利要求2或3所述的汽液两相热工实验热损失的标定方法，其特征在于，步骤S2中，采用预热器（2）对流体进行预加热，使流体流经实验段（1）时实验段（1）的外壁壁温达到选定的壁温标定点。

5.根据权利要求2或3所述的汽液两相热工实验热损失的标定方法，其特征在于，步骤S2中，标定装置测量的热工参数包括测量流经实验段（1）的流体流量W、实验段（1）进口的流体温度T_in和流体压力P_in、实验段（1）出口的流体温度T_OUT和流体压力P_OUT。

6.根据权利要求2或5所述的汽液两相热工实验热损失的标定方法，其特征在于，步骤S2中，所述散热量的计算方法为：

Q_Ti=W_iC_p（T_outi-T_ini），i=0,1,2…n；其中，n为壁温标定点总个数，其中Cp为定压比热容，Q_Ti为第i个壁温标定点的散热量，T_outi为第i个壁温标定点对应的实验段（1）出口的流体温度，T_ini为第i个壁温标定点对应的实验段（1）进口的流体温度，W_i为第i个壁温标定点对应的流经实验段1的流体流量。

7.根据权利要求2或3所述的汽液两相热工实验热损失的标定方法，其特征在于，步骤S1中选取壁温标定点时，相邻两个壁温标定点的温度间隔不大于5度。