CN105158115A - 一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，涉及一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置。本发明是为了解决目前气体通过多孔材料时压降和换热效果的瞬态试验数据难以保证分析的可靠性的技术问题。本发明由气源、气体流量计、加热器、多孔测试段组成；所述的多孔测试段由压差表、绝对压力表、热电偶、导压管和圆形管路组成；在法兰之间且靠近法兰处各设置一个导压管，两个导压管之间再连通一个设置有压差表的导压管，在法兰和导压管之间的管路内设置热电偶，在导压管之间的圆形管路的管壁设置热电偶。本发明优点：本发明组装方便，待测的多孔材料更换方便，可以测量不同气体工质通过不同多孔材料在一定来流温度和速度的传热和压降瞬时数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置。
背景技术
近年来，高孔隙率、轻质多孔材料以其优越的性能在热防护、强化传热、太阳能利用、燃烧器技术等方面得到广泛应用。在揭示多孔材料内各种传递现象的机理和规律方面已开展较多研究。由于多孔介质材料本身结构复杂多变，孔隙具有弯曲性、无定向性和随机性，导致多孔材料内流动与换热过程非常复杂。其流动换热特性与常规条件具有明显区别，需要相关的实验研究为多孔传热系统的设计和优化提供基础数据支持。然而，当前多孔材料流动换热机理的相关实验数据十分缺乏，尤其是有关气体通过多孔材料时压降和换热效果的瞬态试验数据，难以保证分析的可靠性。需要搭建可靠的实验装置进行实验测量，为相关研究提供更有力的数据支撑。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前气体通过多孔材料时压降和换热效果的瞬态试验数据难以保证分析的可靠性的技术问题，而提供一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置。
本发明的多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置是由气源(1)、气体流量计(2)、加热器(3)、多孔测试段(4)和出口稳定段(18)组成；所述的气源(1)的出气口与气体流量计(2)的入口相连，气体流量计(2)的出口与加热器(3)的入口相连，加热器(3)的出口与多孔测试段(4)的入口(16)相连，多孔测试段(4)的出口(17)与出口稳定段(18)的入口相连；
所述的多孔测试段(4)是由压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)、绝热垫片(8)、保温层(9)、热电偶(10)、法兰a(11)、法兰b(20)、导压管a(13)、导压管b(14)、导压管c(15)和圆形管路(19)组成；在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的入口(16)的一端设置一个法兰a(11)，法兰a(11)中间夹着一个绝热垫片(8)，在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的出口(17)的一端设置一个法兰b(20)，法兰b(17)中间夹着一个绝热垫片(8)，出口稳定段(18)与加热器(3)之间的管路外壁设置一层保温层(9)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰a(11)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管a(13)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰b(20)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管b(14)，导压管a(13)的另一端设置一个绝对压力表b(7)，导压管b(14)的另一端设置一个绝对压力表a(6)，导压管a(13)和导压管b(14)之间设置一个导压管c(15)，导压管c(15)的两端分别与导压管a(13)和导压管b(14)连通，导压管c(15)上设置一个压差表(5)，在法兰a(11)和导压管a(13)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在法兰b(20)和导压管b(14)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的管路内水平设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的圆形管路(19)的管壁水平设置多个热电偶(10)。
本发明以研究管内多孔材料的流动换热特性和阻力压降特性为目的，针对各类多孔材料，获得在不同多孔结构参数、气体工质、气流速度以及来流温度条件下换热过程中的温度和压力瞬时变化数据；实验测量结果可为多孔材料内流动换热的数值计算结果提供验证，同时还可以为多孔材料流动换热研究基本的传热性能参数依据。
本发明的测量装置中气源(1)提供稳定气流，通过气体流量计(2)对气流流量进行测量，设定并开启加热器(3)加热进入多孔测试段(4)的气流，同时采用压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)和热电偶(10)分别对多孔测试段(4)的管壁温度、待测的多孔材料(12)温度及其前后的气流温度和压力及压差进行测量，使用与压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)和热电偶(10)均连接的数据采集及存储设备对测试数据进行采集和存储。
气源(1)为整个测试过程提供稳定压力和流量的气流；针对不同测试气体采用不同供气装置，如空气可采用压缩机，并配套稳压罐、油水分离器、过滤器和流量调节阀进行气流控制；如氮气可采用高压氮气瓶，通过减压阀和调节阀进行气量调节。结合气体流量计(2)调节气源(1)，使气流流量达到指定测试流速下的流量。
圆形管路(19)使用不锈钢管，多孔测试段(4)两端采用法兰连接，便于安装、拆卸以及更换多孔材料；其中，待测的多孔材料(12)可以是泡沫金属、泡沫陶瓷或金属丝网；法兰a(11)和法兰b(20)连接部分采用隔热垫片(8)防止漏热；出口稳定段(18)与加热器(3)连接管路外部均覆盖保温层(9)进行保温处理。
测试过程中，待流量稳定、设定加热器(3)加热温度后，开启加热器(3)的同时通过数据采集及存储设备采集压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)和热电偶(10)的传感器信号，通过改变加热温度和气流流速，可获得气流与多孔材料瞬态流动换热过程的温度和压降基本实验数据。
本发明的多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置的使用方法：
1、安装未填充待测的多孔材料(12)的多孔测试段(4)，开启气源(1)获得稳定气流，气流对装置管路进行冲刷，去除实验装置中残留的固体杂质；检验装置的气密性，防止其影响流量及压力测量的精确性及实验可靠性。在确保装置安全可靠的条件下，安装多孔材料样品，准备实验；
2、打开气源(1)开始供气，配合使用气体流量计(2)对来流流量进行监测、调节，以获得指定测试工况流速下的气体流量，为多孔测试段(4)提供稳定的气流；
3、设定加热器(3)的加热温度，打开加热开关进行加热，经加热器(3)加热后的气流进入多孔测试段(4)，通过内部待测的多孔材料(12)后排出；利用压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)和热电偶(10)测量相关温度及压力压差数值，通过数据采集及存储设备对整个瞬态过程的数据进行采集、储存；
4、变换待测的多孔材料(12)、来流温度及速度，重复上述步骤，获得不同多孔材料在不同多孔结构参数、气体工质、气流速度以及来流温度条件下的温度及压力压差数据，根据获得的数据得到其阻力压降和流动换热特性的变化规律及影响因素。
本发明具有以下优点：
本发明的不同段管路之间通过法兰连接，组装方便，便于检查装置的可靠性及修复处理；多孔测试段(4)的待测的多孔材料(12)更换方便；本发明可以用来测量不同气体工质通过不同待测的多孔材料(12)在一定来流温度和速度条件下的传热和压降瞬时数据；稳态时的压降可分析不同气体工质通过不同待测的多孔材料(12)的压降随来流温度、速度的变化规律；此发明还具有各设备间协同运行、安全稳定、重复测量性高等特点。
附图说明
图1为本发明的一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置的示意图，1为气源、2为气体流量计、3为加热器、4为多孔测试段，18为出口稳定段；
图2为本发明的多孔测试段的示意图，5为压差表、6为绝对压力表a、7为绝对压力表b、8为绝热垫片、9为保温层、10为热电偶、11为法兰a、20为法兰b、13为导压管a、14为导压管b、15为导压管c、19为圆形管路，12为待测的多孔材料，16为多孔测试段的入口，17为多孔测试段的出口。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，结合图1，本实施方式是由气源(1)、气体流量计(2)、加热器(3)、多孔测试段(4)和出口稳定段(18)组成；所述的气源(1)的出气口与气体流量计(2)的入口相连，气体流量计(2)的出口与加热器(3)的入口相连，加热器(3)的出口与多孔测试段(4)的入口(16)相连，多孔测试段(4)的出口(17)与出口稳定段(18)的入口相连；
所述的多孔测试段(4)是由压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)、绝热垫片(8)、保温层(9)、热电偶(10)、法兰a(11)、法兰b(20)、导压管a(13)、导压管b(14)、导压管c(15)和圆形管路(19)组成；在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的入口(16)的一端设置一个法兰a(11)，法兰a(11)中间夹着一个绝热垫片(8)，在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的出口(17)的一端设置一个法兰b(20)，法兰b(17)中间夹着一个绝热垫片(8)，出口稳定段(18)与加热器(3)之间的管路外壁设置一层保温层(9)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰a(11)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管a(13)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰b(20)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管b(14)，导压管a(13)的另一端设置一个绝对压力表b(7)，导压管b(14)的另一端设置一个绝对压力表a(6)，导压管a(13)和导压管b(14)之间设置一个导压管c(15)，导压管c(15)的两端分别与导压管a(13)和导压管b(14)连通，导压管c(15)上设置一个压差表(5)，在法兰a(11)和导压管a(13)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在法兰b(20)和导压管b(14)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的管路内水平设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的圆形管路(19)的管壁水平设置多个热电偶(10)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的圆形管路(19)为不锈钢管。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：所述的绝热垫片(8)为陶瓷纤维隔热材料。其它与具体实施方式一至二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的导压管a(13)、导压管b(14)和导压管c(15)的材质均是不锈钢。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的保温层(9)的材质是玻璃棉和石棉保温毡的混合物。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：热电偶(10)插在焊接在圆形管路(19)上的套管内。其它与具体实施方式一至五之一相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：本试验为一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，结合图1，本试验是由气源(1)、气体流量计(2)、加热器(3)、多孔测试段(4)和出口稳定段(18)组成；所述的气源(1)的出气口与气体流量计(2)的入口相连，气体流量计(2)的出口与加热器(3)的入口相连，加热器(3)的出口与多孔测试段(4)的入口(16)相连，多孔测试段(4)的出口(17)与出口稳定段(18)的入口相连；
所述的多孔测试段(4)是由压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)、绝热垫片(8)、保温层(9)、热电偶(10)、法兰a(11)、法兰b(20)、导压管a(13)、导压管b(14)、导压管c(15)和圆形管路(19)组成；在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的入口(16)的一端设置一个法兰a(11)，法兰a(11)中间夹着一个绝热垫片(8)，在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的出口(17)的一端设置一个法兰b(20)，法兰b(17)中间夹着一个绝热垫片(8)，出口稳定段(18)与加热器(3)之间的管路外壁设置一层保温层(9)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰a(11)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管a(13)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰b(20)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管b(14)，导压管a(13)的另一端设置一个绝对压力表b(7)，导压管b(14)的另一端设置一个绝对压力表a(6)，导压管a(13)和导压管b(14)之间设置一个导压管c(15)，导压管c(15)的两端分别与导压管a(13)和导压管b(14)连通，导压管c(15)上设置一个压差表(5)，在法兰a(11)和导压管a(13)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在法兰b(20)和导压管b(14)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的管路内水平设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的圆形管路(19)的管壁水平设置多个热电偶(10)。所述的圆形管路(19)为不锈钢管；所述的绝热垫片(8)为陶瓷纤维隔热材料；所述的导压管a(13)、导压管b(14)和导压管c(15)的材质均是不锈钢；所述的保温层(9)的材质是玻璃棉和石棉保温毡的混合物；热电偶(10)插在焊接在圆形管路(19)上的套管内；待测的多孔材料(12)为泡沫金属。
本试验的不同段管路之间通过法兰连接，组装方便，便于检查装置的可靠性及修复处理；多孔测试段(4)的待测的多孔材料(12)更换方便；本发明可以用来测量不同气体工质通过不同待测的多孔材料(12)在一定来流温度和速度条件下的传热和压降瞬时数据；稳态时的压降可分析不同气体工质通过不同待测的多孔材料(12)的压降随来流温度、速度的变化规律；此发明还具有各设备间协同运行、安全稳定、重复测量性高等特点。
Claims (6)
1.一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，其特征在于多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置是由气源(1)、气体流量计(2)、加热器(3)、多孔测试段(4)和出口稳定段(18)组成；所述的气源(1)的出气口与气体流量计(2)的入口相连，气体流量计(2)的出口与加热器(3)的入口相连，加热器(3)的出口与多孔测试段(4)的入口(16)相连，多孔测试段(4)的出口(17)与出口稳定段(18)的入口相连；
所述的多孔测试段(4)是由压差表(5)、绝对压力表a(6)、绝对压力表b(7)、绝热垫片(8)、保温层(9)、热电偶(10)、法兰a(11)、法兰b(20)、导压管a(13)、导压管b(14)、导压管c(15)和圆形管路(19)组成；在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的入口(16)的一端设置一个法兰a(11)，法兰a(11)中间夹着一个绝热垫片(8)，在圆形管路(19)靠近多孔测试段(4)的出口(17)的一端设置一个法兰b(20)，法兰b(17)中间夹着一个绝热垫片(8)，出口稳定段(18)与加热器(3)之间的管路外壁设置一层保温层(9)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰a(11)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管a(13)，在法兰a(11)和法兰b(20)之间且靠近法兰b(20)一侧设置一个与圆形管路(19)垂直并且连通的导压管b(14)，导压管a(13)的另一端设置一个绝对压力表b(7)，导压管b(14)的另一端设置一个绝对压力表a(6)，导压管a(13)和导压管b(14)之间设置一个导压管c(15)，导压管c(15)的两端分别与导压管a(13)和导压管b(14)连通，导压管c(15)上设置一个压差表(5)，在法兰a(11)和导压管a(13)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在法兰b(20)和导压管b(14)之间的管路内竖直设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的管路内水平设置多个热电偶(10)，在导压管a(13)和导压管b(14)之间的圆形管路(19)的管壁水平设置多个热电偶(10)。
2.根据权利要求1所述的一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，其特征在于所述的圆形管路(19)为不锈钢管。
3.根据权利要求1所述的一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，其特征在于所述的绝热垫片(8)为陶瓷纤维隔热材料。
4.根据权利要求1所述的一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，其特征在于所述的导压管a(13)、导压管b(14)和导压管c(15)的材质均是不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，其特征在于所述的保温层(9)的材质是玻璃棉和石棉保温毡的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种多孔材料对流传热与压降的瞬态测量装置，其特征在于热电偶(10)插在焊接在圆形管路(19)上的套管内。
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