CN105151315A - 一种微通道蒸汽相变过载测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于过载情况下微通道蒸汽相变测试系统，以通过观察过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，分析不同过载环境下流体微尺度相变的流型流态，进而更深入研究微尺度换热的机理为目的。该方案通过改进改善过载微通道内蒸发流态观测系统的压力源系统和过热气体冷凝收集系统，使其具有抗过载能力，新设计了蒸发器出口段真空度控制系统，保证蒸发器具有合适的真空度同时避免了冷凝回收系统堵塞对测试系统的影响，保证了测试能够有效进行；通过控制测试系统和试验机的安装角度，模拟不同的过载环境，利用测试观测系统获得过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，分析不同过载环境下流体微尺度相变的流型流态，进而更深入研究微尺度换热的机理。
Description
技术领域
本发明涉及一种微通道蒸汽相变过载测试系统和方法。
背景技术
作用在飞机上的气动力和发动机推力的合力与飞机重力之比称为飞机的过载，飞机所能承受过载的大小是衡量飞机机动性的重要参数。过载的产生主要是由于机翼的升力，当水平转弯，或者翻筋斗时，机翼产生的升力大于重力；当飞机俯冲，或者快速爬升后改平时，机翼产生的升力小于重力，换句话说飞机在飞行中做出高机动动作后均会有过载产生，所做的机动动作越剧烈，产生的过载就越大，因此在飞行任务中无法避免的会产生过载甚至不利高过载环境。一般来说，我们主要考虑的是过载对于飞机的操纵者也就是飞行员的影响，但是不可忽视的是过载不仅对于飞机运动产生影响，还会对飞机环境控制部分造成影响。
飞机环境控制系统是保证飞机座舱和设备舱内具有乘员和设备正常工作所需的适当环境条件的整套装置。飞机环境控制系统包括座舱供气和空气分配、座舱压力控制、温度控制、湿度控制等。其中，温度控制系统合理地控制热空气和冷空气，对座舱的热载荷进行平衡，以达到控制座舱温度的目的。在温度控制系统中我们不可避免的要用到换热器。随着科技的进步，微通道换热器逐渐走上舞台，慢慢发挥出其有别于传统换热器的优势。更重要的是，随着科学技术的发展，现代飞机机载电子设备日益增加，也会产生大量的热,这不仅使电子设备的温度环境恶化,对座舱温度也有很大的影响，因此必须对电子设备进行冷却。为了保证飞机安全飞行，需要对以电子设备为代表的各类热源进行冷却，而微通道换热器正是经此而生，并逐渐发展为车载空调等等设备的必备核心器件而广为应用。
基于以上两点，在过载条件下，微通道换热能否有效进行成为了关键的问题。虽然在地面条件下针对微通道的微小尺度下工质在换热工程中发生新的相的变化从而影响换热功效已被学者研究，但是在过载环境下微通道的微小尺度下工质在换热工程中发生新的相的变化从而影响换热功效成为了业界关心的问题。基于此，为评估机载环境对微通道换热的影响，本文提出了一种基于过载情况下微通道蒸汽相变测试系统，适用于基于拍摄到的过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，分析不同过载环境下流体微尺度相变的流型流态，进而更深入研究微尺度换热的机理。
发明内容
根据本发明的一个方面，把过载微通道内蒸发流态观测系统和离心试验机结合起来，通过改进改善过载微通道内蒸发流态观测系统的压力源系统和过热气体冷凝收集系统，使其具有抗过载能力，新设计了蒸发器出口段真空度控制系统，保证蒸发器具有合适的真空度同时避免了冷凝回收系统堵塞对测试系统的影响，保证了测试能够有效进行；通过控制测试系统和试验机的安装角度，模拟不同的过载环境，利用测试观测系统获得过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，分析不同过载环境下流体微尺度相变的流型流态，进而更深入研究微尺度换热的机理。
根据本发明的一个方面，提出了一种基于过载情况下微通道蒸汽相变测试系统，其特征在于包括：
抗过载压力源系统，用于保证在高过载环境下提供稳定的工质雾化压力；
过载微通道内蒸发流态观测系统，用于观测过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，探究流体微尺度相变的流动规律，更深入研究微尺度换热的机理；
蒸发器出口段真空度控制系统，用于维持微通道内部稳定流动，保证通道的正常流动并不回流、堵塞，通过压力传感器与安全阀配合，调节微通道出口过热制冷剂气体的流量压力，保证过热制冷剂的收集；
过热气体冷凝收集系统，用于将微通道换热后的过热制冷剂冷凝并收集到制冷剂回收罐，在过载条件下采用单循环换热，保证制冷剂顺利回收；
离心试验机，用于提供各种过载加速度环境；
微通道内蒸发流态观测系统过载实现方法，用于提供测试所需的各种过载环境以及进行各种过载环境下的微通道蒸汽相变测试。
根据本发明的另一个方面，提供了基于上述的微通道蒸汽相变过载测试系统的微通道蒸汽相变过载测试方法
附图说明
图1是本发明的一个实施例的一种基于过载情况下微通道蒸汽相变测试系统的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的过载微通道内蒸发流态观测系统的详细实施流程图。
图3是根据本发明的一个实施例的过热气体冷凝收集系统的详细实施流程图。
图4是根据本发明的一个实施例的蒸发器出口段真空度控制系统的详细实施流程图。
具体实施方式
本发明的一个目的是建立一种基于过载情况下微通道蒸汽相变测试系统，以通过过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，分析不同过载环境下流体微尺度相变的流型流态，进而更深入研究微尺度换热的机理为目的。本发明通过改进改善过载微通道内蒸发流态观测系统的压力源系统和过热气体冷凝收集系统，使其具有抗过载能力，并新设计了蒸发器出口段真空度控制系统，保证蒸发器具有合适的真空度同时避免了冷凝回收系统堵塞对测试系统的影响，保证了测试能够有效进行；通过控制测试系统在离心试验机上的的安装角度，模拟不同的过载环境，利用测试观测系统获得过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，分析不同过载环境下流体微尺度相变的流型流态，进而更深入研究微尺度换热的机理。
作用在飞机上的气动力和发动机推力的合力与飞机重力之比称为飞机的过载，飞机所能承受过载的大小是衡量飞机机动性的重要参数。过载的产生主要是由于机翼的升力，当水平转弯，或者翻筋斗时，机翼产生的升力大于重力；当飞机俯冲，或者快速爬升后改平时，机翼产生的升力小于重力，换句话说飞机在飞行中做出高机动动作后均会有过载产生，所做的机动动作越剧烈，产生的过载就越大，因此在飞行任务中无法避免的会产生过载甚至不利高过载环境。一般来说，主要考虑的是过载对于飞机的操纵者也就是飞行员的影响，但是不可忽视的是过载不仅对于飞机运动产生影响，还会对飞机环境控制部分造成影响。飞机环境控制系统是保证飞机座舱和设备舱内具有乘员和设备正常工作所需的适当环境条件的整套装置。其中，温度控制系统合理地控制热空气和冷空气，对座舱的热载荷进行平衡，以达到控制座舱温度的目的。在温度控制系统中我们不可避免的要用到换热器。随着科技的进步，微通道换热器逐渐走上舞台，慢慢发挥出其有别于传统换热器的优势。更重要的是，随着科学技术的发展，现代飞机机载电子设备日益增加，也会产生大量的热,这不仅使电子设备的温度环境恶化,对座舱温度也有很大的影响，因此必须对电子设备进行冷却。为了保证飞机安全飞行，需要对以电子设备为代表的各类热源进行冷却，而微通道换热器正是经此而生，并逐渐发展为车载空调等等设备的必备核心器件而广为应用。基于以上两点，在过载条件下，探究微通道换热能否有效进行成为了关键的问题。虽然在地面条件下针对微通道的微小尺度下工质在换热工程中发生新的相的变化从而影响换热功效已被学者研究，但是在过载环境下微通道的微小尺度下工质在换热工程中发生新的相的变化从而影响换热功效成为了业界关心的问题。
本发明提出了一种基于过载情况下微通道蒸汽相变测试系统，用于基于拍摄到的过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态探究不同过载环境对于流体微尺度相变的流型流态的影响，为更深入评估机载环境对微尺度换热的机理的影响提供有力的测试支持。
根据本发明的一个方面，提供了一种微通道内蒸发流态观测系统过载实现方法测试系统，用于模拟预期的各种过载环境；如图1所示，根据本发明的一个实施例的一种微通道内蒸发流态观测系统过载实现方法测试系统包括：
抗过载压力源系统(101,102)，用于保证在高过载环境下提供稳定的工质雾化压力；
微通道测试段(108)，其上盖板为透明材料，易于观测微通道内部的蒸发相变流态；过载微通道内蒸发流态观测系统(103)，用于观测过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态，探究流体微尺度相变的流动规律，更深入研究微尺度换热的机理；
蒸发器出口段真空度控制系统(104)，用于维持微通道内部稳定流动，保证通道的正常流动并不回流、堵塞，通过压力传感器与安全阀配合，调节微通道出口过热制冷剂气体的流量压力，保证过热制冷剂的收集；
过热气体冷凝收集系统(105)，用于将微通道换热后的过热制冷剂冷凝并收集到制冷剂回收罐，在过载条件下采用单循环换热，保证制冷剂顺利回收；
离心试验机(106)，用于提供各种过载加速度环境；微通道内蒸发流态观测系统过载实现方法，用于提供测试所需的各种过载环境以及进行各种过载环境下的微通道蒸汽相变测试。
在根据本发明的一个实施例中，如图1所示，抗过载压力源系统(101,102)、过载微通道内蒸发流态观测系统(103)、蒸发器出口段真空度控制系统(104)、过热气体冷凝收集系统(105)，微通道测试段(108)都安装在离心试验机(106)上；通过调整过载微通道内蒸发流态观测系统(103)以及微通道测试段(108)在离心试验机转臂(106)上的安装角度，控制微通道平面与过载加速度间夹角，近似实现水平过载、垂直超重过载和垂直失重过载环境模拟；通过电机驱动离心试验机转臂(106)转动，配重(107)用来平衡转臂重量使旋转稳定，保证测试质量。
根据本发明的一个实施例的一种过载微通道内蒸发流态观测系统包括：
冷却工质(201)，微通道蒸发器(202)，透明挡板(203)，热源(204)，过热冷却工质(205)，显微镜(206)和高速摄像机(307)。
如图2所示，根据本发明的一个实施例，来自抗过载压力源(101,102)的稳定的冷却工质(201)流经微通道蒸发器(202)，在流动过程中通过细微通道在微尺度下和热源(204)表面接触并发生相变，由液态变为气态同时吸收大量的热，产生冷却作用，使热源降低温度，之后变为过热冷却工质(205)排出。高速摄像机(207)通过显微镜(206)的作用可以拍摄到透明挡板(203)下面过载情况下微通道蒸发相变时流体的流态，进而为研究不同过载环境下，流体微尺度相变的流型流态提供测试支持，方便更深入研究微尺度换热的机理。
根据本发明的一个实施例的一种过热气体冷凝收集系统包括：过热冷却工质(301)，冷却盘管覆冰块冰槽(302)，真空泵(303)和制冷剂回收罐(304)。
在根据本发明的一个实施例中，如图3所示，来自过载微通道内蒸发流态观测系统(103)的过热冷却工质(301)流入冷却盘管中，在冷却盘管覆冰块冰槽(302)中放入冰块并固定好，当过热工质流过冷却盘管时，经过冰块的冷却作用发生相变，由气态重新变为液态，经过真空泵(303)的抽吸作用，工质流入制冷剂回收罐(304)，实现了工质收集。
根据本发明的一个实施例的一种蒸发器出口段真空度控制系统包括：
冷却工质(401)，蒸发器前测压计(402)，微通道蒸发器(406)，热源(407)，蒸发器后测压计(403)，安全阀(404)和过热冷却工质(405)。
在根据本发明的一个实施例中，如图4所示，来自抗过载压力源系统(101,102)的稳定的冷却工质在流经微通道蒸发器(406)前经过蒸发器前测压计(402)测量压力，在微通道蒸发器(406)内与热源(407)换热产生相变，冷却热源后再次经过蒸发器后测压计(403)测量压力；通过比较两个测压计(402、403)的压力，控制安全阀(404)排气使得蒸发器前工质压力高于蒸发器后工质压力，产生真空度，便于工质顺利稳定地流过微通道蒸发器(406)，如果在过热气体冷凝系统(105)中遭到液体堵塞造成蒸发器后压力过大，通过安全阀控制排压保证整个测试系统顺利运行。
与传统的微通道蒸汽相变测试系统相比，本发明的优点包括：
(1)抗过载压力源部分在气液罐内使用可控制的气压挤压可移动密封板，利用其对于工质的挤压使工质稳定流出，不论周围处于何种不利高过载环境，都不会受到影响，进一步保证喷雾的稳定，与传统的直接采用泵的方法相比，避免了高过载环境对于泵旋转等的影响；
(2)过热气体冷凝收集系统部分与传统的过热工质冷凝部分相比，本测试方法采用制冷剂单循环换热，利用冷却盘管，盘管上覆冰，快速将过热制冷剂冷凝并收集到制冷剂回收罐，克服了整个系统置于高速旋转的离心机悬臂上，不能采用传统的制冷循环系统制冷的缺点，同时冰块造价低廉，节约测试成本；
(3)蒸发器出口段真空度控制系统利用微通道换热器前后的两个测压计，通过比较两个测压计的压力，来控制安全阀实施放气，即可以保证蒸发换热部分存在足够的真空度便于测试顺利进行，还可以防止因为冷凝部分水汽相遇造成的堵塞；
(4)抗过载压力源系统，过载微通道内蒸发流态观测系统，蒸发器出口段真空度控制系统，过热气体冷凝收集系统都安装在离心试验机上，通过调整过载微通道内蒸发流态观测系统在离心试验机转臂上的安装角度，控制喷雾方向与过载加速度间夹角，近似实现水平过载、垂直超重过载和垂直失重过载环境模拟，操作简单。
本发明的有益效果
抗过载压力源部分在气液罐内使用可控制的气压挤压可移动密封板，利用其对于工质的挤压使工质稳定流出，不论周围处于何种不利高过载环境，都不会受到影响，进一步保证喷雾的稳定，与传统的直接采用泵的方法相比，避免了高过载环境对于泵旋转等的影响；
过热气体冷凝收集系统部分与传统的过热工质冷凝部分相比，本测试方法采用制冷剂单循环换热，利用冷却盘管，盘管上覆冰，快速将过热制冷剂冷凝并收集到制冷剂回收罐，克服了整个系统置于高速旋转的离心机悬臂上，不能采用传统的制冷循环系统制冷的缺点，同时冰块造价低廉，节约测试成本；
蒸发器出口段真空度控制系统利用微通道换热器前后的两个测压计，通过比较两个测压计的压力，来控制安全阀实施放气，即可以保证蒸发换热部分存在足够的真空度便于测试顺利进行，还可以防止因为冷凝部分水汽相遇造成的堵塞；
抗过载压力源系统，过载微通道内蒸发流态观测系统，蒸发器出口段真空度控制系统，过热气体冷凝收集系统都安装在离心试验机上，通过调整过载微通道内蒸发流态观测系统在离心试验机转臂上的安装角度，控制喷雾方向与过载加速度间夹角，近似实现水平过载、垂直超重过载和垂直失重过载环境模拟，操作简单。
Claims (10)
1.一种微通道蒸汽相变过载测试系统，其特征在于包括：
抗过载压力源系统(101,102)，用于保证在高过载环境下提供稳定的工质雾化压力；
微通道测试段(108)，其上盖板为透明材料，易于观测微通道内部的蒸发相变流态；
过载微通道内蒸发流态观测系统(103)，用于观测过载情况下微尺度蒸发相变时流体的流态；
蒸发器出口段真空度控制系统(104)，用于维持微通道内部稳定流动，保证通道的正常流动并不回流、不堵塞，通过压力传感器与安全阀配合，调节微通道出口过热制冷剂气体的流量压力，保证过热制冷剂的收集；
过热气体冷凝收集系统(105)，用于将微通道换热后的过热制冷剂冷凝并收集到制冷剂回收罐，其中在过载条件下采用单循环换热，保证制冷剂顺利回收；
离心试验机(106)，用于提供各种过载加速度环境，离心试验机(106)的一侧安装微通道测试段(108)，离心试验机(106)的另一侧安装配重块(107)，用于平衡转壁重量使旋转稳定，保证测试质量。
2.根据权利要求1的微通道蒸汽相变过载测试系统，其特征在于：
抗过载压力源系统(101,102)，过载微通道内蒸发流态观测系统(103)，蒸发器出口段真空度控制系统(104)，过热气体冷凝收集系统(105)，微通道测试段(108)都安装在离心试验机(106)上；
通过调整过载微通道内蒸发流态观测系统(103)以及微通道测试段(108)在离心试验机转臂(106)上的安装角度，控制喷雾方向与过载加速度间夹角，实现水平过载、垂直超重过载和垂直失重过载环境模拟；
通过电机驱动离心试验机转臂(106)转动，配重(107)用来平衡转臂重量使旋转稳定，保证测试质量。
3.根据权利要求1的微通道蒸汽相变过载测试系统，其特征在于过载微通道内蒸发流态观测系统(103)包括：冷却工质(201)，微通道蒸发器(202)，上侧透明挡板(203)，热源(204)，过热冷却工质(205)，显微镜(206)和高速摄像机(207)，
其中
来自抗过载压力源(101,102)的稳定的冷却工质(201)流经微通道蒸发器(202)，在流动过程中通过细微通道在微尺度下和热源(204)表面接触并发生相变，由液态变为气态同时吸收大量的热，产生冷却作用，使热源降低温度，之后变为过热冷却工质(205)排出，
高速摄像机(207)用于通过显微镜(206)拍摄透明挡板(203)下微通道蒸发相变时流体的过载流态。
4.根据权利要求1的微通道蒸汽相变过载测试系统，其特征在于过热气体冷凝收集系统(105)包括：过热冷却工质(301)，冷却盘管覆冰块冰槽(302)，真空泵(303)和制冷剂回收罐(304)，
其中
来自过载微通道内蒸发流态观测系统(103)的过热冷却工质(301)流入冷却盘管中，
在冷却盘管覆冰块冰槽(302)中放入有冰块，且该冰块被固定好，
当过热气态工质流过冷却盘管时，经过冰块的冷却作用发生相变，由气态重新变为液态，经过真空泵(303)的抽吸作用，冷却工质(301)流入制冷剂回收罐(304)，实现了冷却工质(301)的收集。
5.根据权利要求1的微通道蒸汽相变过载测试系统，其特征在于蒸发器出口段真空度控制系统(104)包括：冷却工质(401)，蒸发器前测压计(402)，微通道蒸发器(406)，热源(407)，蒸发器后测压计(403)，安全阀(404)和过热冷却工质(405)，
其中
来自抗过载压力源系统(101,102)的稳定的冷却工质在流经微通道蒸发器(406)前由蒸发器前测压计(402)测量压力，在微通道蒸发器(406)内与热源(407)换热产生相变，冷却热源后再由蒸发器后测压计(403)测量压力，
通过比较蒸发器前测压计(402)和蒸发器后测压计(403)所测得的压力，控制安全阀(404)排气使得蒸发器前工质压力高于蒸发器后工质压力，从而产生真空度，便于工质顺利稳定地流过微通道蒸发器(406)，
如果在过热气体冷凝系统(105)中遭到液体堵塞造成蒸发器后的压力过大，则通过安全阀控制排压，以保证整个微通道蒸汽相变过载测试系统的顺利运行。
6.基于根据权利要求1所述的微通道蒸汽相变过载测试系统的微通道蒸汽相变过载测试方法。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于
抗过载压力源系统(101,102)，过载微通道内蒸发流态观测系统(103)，蒸发器出口段真空度控制系统(104)，过热气体冷凝收集系统(105)，微通道测试段(108)都安装在离心试验机(106)上，
且所述方法进一步包括：
调整过载微通道内蒸发流态观测系统(103)以及微通道测试段(108)在离心试验机转臂(106)上的安装角度，
控制微通道平面与过载加速度间夹角，实现水平过载、垂直超重过载和垂直失重过载环境模拟,
转动电机驱动离心试验机转臂(106)，用配重(107)来平衡转臂重量使旋转稳定，保证测试质量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于
过载微通道内蒸发流态观测系统(103)包括：冷却工质(201)，微通道蒸发器(202)，上侧透明挡板(203)，热源(204)，过热冷却工质(205)，显微镜(206)和高速摄像机(207)，
且所述方法进一步包括：
使来自抗过载压力源(101,102)的稳定的冷却工质(201)流经微通道蒸发器(202)，
使所述冷却工质(201)在流动过程中通过细微通道在微尺度下和热源(204)表面接触并发生相变，由液态变为气态同时吸收大量的热，产生冷却作用，使热源降低温度，之后变为过热冷却工质(205)排出，
用高速摄像机(207)，通过显微镜(206)，拍摄透明挡板(203)下微通道蒸发相变时流体的过载流态。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于
过热气体冷凝收集系统(105)包括：过热冷却工质(301)，冷却盘管覆冰块冰槽(302)，真空泵(303)和制冷剂回收罐(304)，
且所述方法进一步包括：
使来自过载微通道内蒸发流态观测系统(103)的过热冷却工质(301)流入冷却盘管中，
在冷却盘管覆冰块冰槽(302)中放入冰块并固定好，从而当过热气态工质流过冷却盘管时，经过冰块的冷却作用发生相变，由气态重新变为液态，
利用真空泵(303)的抽吸，使冷却工质(301)流入制冷剂回收罐(304)，实现了冷却工质(301)的收集。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于
蒸发器出口段真空度控制系统(104)包括：冷却工质(401)，蒸发器前测压计(402)，微通道蒸发器(406)，热源(407)，蒸发器后测压计(403)，安全阀(404)和过热冷却工质(405)，
且所述方法进一步包括：
用蒸发器前测压计(402)测量来自抗过载压力源系统(101,102)的稳定的冷却工质流经微通道蒸发器(406)前的压力，
使冷却工质在微通道蒸发器(406)内与热源(407)换热产生相变，
用蒸发器后测压计(403)测量冷却热源后的冷却工质的压力，
比较蒸发器前测压计(402)和蒸发器后测压计(403)所测得的压力，并根据比较的结果控制安全阀(404)的排气以使得蒸发器前工质压力高于蒸发器后工质压力，从而产生真空度，便于工质顺利稳定地流过微通道蒸发器(406)，
当在过热气体冷凝系统(105)中遭到液体堵塞造成蒸发器后的压力过大时，通过安全阀控制排压，保证整个微通道蒸汽相变过载测试系统的顺利运行。
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2015
- 2015-09-16 CN CN201510591579.8A patent/CN105151315B/zh not_active Expired - Fee Related
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