CN105911094B - 微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置及高温传热实验方法 - Google Patents

微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置及高温传热实验方法 Download PDF

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Abstract

微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置及高温传热实验方法，涉及一种微/纳米孔隙材料高温传热的实验方法，为解决现有微/纳米孔隙材料的实验测量系统不能提供超高温加热、气氛压力不可变、加热模式单一、采集信号单一的问题。本发明能够获得微/纳米孔隙材料在不同压力环境下的高温耦合传热特性数据，将待测试件固定于密封舱中，抽出密封舱内空气，充入保护性气体，控制供气装置、压力传感器和抽气装置，使密封舱内气体压力达到预期压力且处于动态平衡状态；根据稳态实验、瞬态实验、阶跃辐照实验和周期性辐照实验四种类型，加热周期调节装置控制隔热板开闭状态，数据采集装置采集实验数据。本发明用于微/纳孔隙材料的耦合传热特性的研究。

Description

微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置及高温传热实验方法
技术领域
本发明涉及一种微/纳米孔隙材料高温传热的实验方法。
背景技术
微/纳孔隙材料在飞行器热防护、太阳能高温热应用等领域起着重要的作用。在实际应用的过程中，由于该类材料特殊的多孔结构特征，其内部多种传热方式并存且相互耦合。真空环境中，其传热方式为辐射、导热耦合；在气氛环境中，还需要考虑对流，因此为复杂的辐射-导热-对流耦合传热。多种传热方式共同决定材料的传热性能，因此对该类材料内耦合传热特性进行研究变得极为重要。近年来对该类材料耦合传热的研究主要集中在理论和数值研究，在实验研究领域开展较少；为数不多开展的实验研究中，存在以下问题：此类材料在高温领域有着重要应用，但少见超高温条件下的实验系统和相应的实验研究工作；现有实验系统难以为试件提供不同的气氛压力环境；现有实验系统采集数据主要为温度信号，少见热流密度信号，罕见光谱辐射信号；现有实验系统加热模式单一，无法为试件提供复杂的加热模式。因此，研制可提供超高温加热、气氛压力可变、加热模式多样、采集信号全面的试验系统显得非常必要。
发明内容
本发明目的是为了解决现有微/纳米孔隙材料的实验测量系统存在不能提供超高温加热、气氛压力不可变、加热模式单一、采集信号单一的问题，提供了一种微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置及高温传热实验方法。
本发明所述微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置，包括密封舱1、高温隔热层2、隔热板3、高温辐射加热单元4、温度传感器5、红外探测器6、温控装置7、电源8、供气装置9、压力传感器10、加热周期调节装置11、水冷背景12、抽气装置13、水冷装置14和数据采集装置15；密封舱1为夹层结构，夹层内循环充入冷却水；密封舱1内的底部设置有中空的长方体高温隔热层2，高温辐射加热单元4安装在高温隔热层2空腔内；高温辐射加热单元4连接水冷电极，通过密封舱1引出并与电源8相连接；温度传感器5设置在高温辐射加热单元4的外表面，温控装置7通过温度传感器5监测高温辐射加热单元4的表面温度，温度传感器5将温度信号反馈到温控装置7，温控装置7同时连接电源8；密封舱1的侧壁上设置有正对高温辐射加热单元4的第一圆形红外窗口17，第一圆形红外窗口17外部设置有红外探测器6，红外探测器6连接温控装置7；待测试件18安装在高温隔热层2侧壁的开口处，待测试件18的受热面正对高温辐射加热单元4，隔热板3置于待测试件18和高温辐射加热单元4之间，且高温辐射加热单元4、隔热板3和待测试件18平行放置，隔热板3通过加热周期调节装置11控制开闭状态，并产生不同类型的辐射加热模式；待测试件18的非受热面正对密封舱1内壁面设置的水冷背景12，水冷背景12上设置有圆形小孔，密封舱1的侧壁上设置有正对待测试件18非受热面的第二圆形红外窗口16；第二圆形红外窗口16与水冷背景12的圆形小孔同轴，且尺寸相同；数据采集装置15通过第二圆形红外窗口16与待测试件18相连，采集待测试件18受热面的温度信号、非受热面的温度信号、热流密度信号和光谱能量信号；抽气装置13连接密封舱1排出密封舱1内空气，供气装置9连接密封舱1的第一气路向密封舱1充入保护性气体，压力传感器10连接在供气装置9与密封舱1之间的第二气路上，供气装置9、压力传感器10和抽气装置13配合控制气体流量，控制密封舱1内的保护性气体达到预期压力，同时保持动态平衡；水冷装置14同时与密封舱1和水冷背景12相连，为密封舱1的冷却水夹层和水冷背景12提供循环冷却水。
本发明所述基于微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置的高温传热实验方法，该实验方法能够获得微/纳米孔隙材料在不同压力环境下的高温耦合传热特性数据，该实验方法的具体过程为：
步骤1、将待测试件18加工为正方形平板，边长尺寸稍小于高温辐射加热单元4的长度，厚度尺寸满足：待测试件18中心被数据采集装置15探测的区域内沿厚度方向的传热近似为一维；
步骤2、将待测试件18垂直置于密封舱1中固定，待测试件18厚度方向为受热面的法向；
步骤3、抽气装置13抽出密封舱1内空气，供气装置9向密封舱1充入保护性气体，控制供气装置9、压力传感器10和抽气装置13，使密封舱1内气体压力达到预期压力，供气装置9、压力传感器10和抽气装置13继续工作，保证密封舱1内气体压力处于动态平衡状态；
步骤4、根据实验类型，加热周期调节装置11控制隔热板3的开闭状态，
实验类型为稳态实验，在实验前打开隔热板3，设定高温辐射加热单元4的预定温度，高温辐射加热单元4通电并加热到预定温度，待密封舱1内温度达到稳态后，数据采集装置15采集实验数据，实验结束；
实验类型为瞬态实验，在实验前打开隔热板3，设定高温辐射加热单元4为升温过程，高温辐射加热单元4通电加热，数据采集装置15采集实验数据，实验结束；
实验类型为阶跃辐照实验，实验前关闭隔热板3，设定高温辐射加热单元4的预定温度，高温辐射加热单元4通电并加热到预定温度，待密封舱1内温度达到稳态后，打开隔热板3，数据采集装置15采集实验数据，实验结束；
实验类型为周期性辐照实验，实验前关闭隔热板3，设定高温辐射加热单元4的预定温度，高温辐射加热单元4通电并加热到预定温度，待密封舱1内温度达到稳态后，设置辐照周期，加热周期调节装置11控制隔热板3自动打开和关闭，实现周期性辐照加热，数据采集装置15采集实验数据，实验结束。
本发明的优点：本发明中供气装置、抽气装置以及密封舱一起为微/纳孔隙材料提供不同的压力环境，考察不同压力环境对材料内耦合传热的影响，特别地，当密封舱内接近真空环境时，可近似剥离材料内的对流传热；高温辐射加热单元可为待测试件提供高温面辐射加热环境，加热温度根据需要进行调节，从而进行不同温度下的材料内耦合传热的研究；通过控制加热周期调节装置，可为待测试件提供稳态、瞬态、阶跃辐照以及周期性辐照四种实验模式，实现不同加热模式下微/纳米孔隙材料耦合传热特性研究；数据采集装置可进行材料受热面温度信号、非受热面温度、热流密度以及光谱能量信号采集，采集信号全面。本发明能够为微/纳孔隙材料内耦合传热机理的认识提供多样的实验条件，实验测量结果可为材料内耦合传热数值计算结果提供验证，同时还可作为材料辐射、导热物性参数辨识所必须的实验输入数据。
附图说明
图1是本发明所述微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置的结构示意图；
图2是本发明所述基于微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置的高温传热实验方法的流程框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置，包括密封舱1、高温隔热层2、隔热板3、高温辐射加热单元4、温度传感器5、红外探测器6、温控装置7、电源8、供气装置9、压力传感器10、加热周期调节装置11、水冷背景12、抽气装置13、水冷装置14和数据采集装置15；
密封舱1为夹层结构，夹层内循环充入冷却水；密封舱1内的底部设置有中空的长方体高温隔热层2，高温辐射加热单元4安装在高温隔热层2空腔内；高温辐射加热单元4连接水冷电极，通过密封舱1引出并与电源8相连接；
温度传感器5设置在高温辐射加热单元4的外表面，温控装置7通过温度传感器5监测高温辐射加热单元4的表面温度，温度传感器5将温度信号反馈到温控装置7，温控装置7同时连接电源8；
密封舱1的侧壁上设置有正对高温辐射加热单元4的第一圆形红外窗口17，第一圆形红外窗口17外部设置有红外探测器6，红外探测器6连接温控装置7；
待测试件18安装在高温隔热层2侧壁的开口处，待测试件18的受热面正对高温辐射加热单元4，隔热板3置于待测试件18和高温辐射加热单元4之间，且高温辐射加热单元4、隔热板3和待测试件18平行放置，隔热板3通过加热周期调节装置11控制开闭状态，并产生不同类型的辐射加热模式；
待测试件18的非受热面正对密封舱1内壁面设置的水冷背景12，水冷背景12上设置有圆形小孔，密封舱1的侧壁上设置有正对待测试件18非受热面的第二圆形红外窗口16；第二圆形红外窗口16与水冷背景12的圆形小孔同轴，且尺寸相同；
数据采集装置15通过第二圆形红外窗口16与待测试件18相连，采集待测试件18受热面的温度信号、非受热面的温度信号、热流密度信号和光谱能量信号；
抽气装置13连接密封舱1排出密封舱1内空气，供气装置9连接密封舱1的第一气路向密封舱1充入保护性气体，压力传感器10连接在供气装置9与密封舱1之间的第二气路上，供气装置9、压力传感器10和抽气装置13配合控制气体流量，控制密封舱1内的保护性气体达到预期压力，同时保持动态平衡；
水冷装置14同时与密封舱1和水冷背景12相连，为密封舱1的冷却水夹层和水冷背景12提供循环冷却水。
本实施方式中，密封舱1为待测试件18提供压力环境，高温辐射加热单元4用于向待测试件18提供面辐射加热环境，高温隔热层2保证高温辐射加热单元4快速加热到设定的温度，水冷背景12为待测试件18的非受热面提供稳定的水冷辐射背景；温度传感器5、温控装置7和电源8构成闭环控制系统，实现对高温辐射加热单元4温度的智能控制。供气装置9、压力传感器10和抽气装置13相配合，实现对密封舱1内压力的准确控制。红外探测器6通过红外窗口对高温辐射加热单元4的表面温度进行测量，监测高温辐射加热单元4的温度是否超过温度传感器5的测温范围。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，数据采集装置15包括数据采集卡、光谱仪、红外探测器和热流计，数据采集卡采集待测试件18受热面的温度信号，光谱仪采集待测试件18的光谱能量信号，红外探测器正对第二圆形红外窗口16，采集待测试件18非受热面的温度信号，热流计采集待测试件18的热流密度信号。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一圆形红外窗口17和第二圆形红外窗口16的材料能够根据光谱透过需求进行更换。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，密封舱1能够提供正压或负压环境，能够提供的绝对压力范围为：0.01Pa-200kPa。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，高温辐射加热单元4能够提供的最高温度为2300K。
具体实施方式六：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置的高温传热实验方法，该实验方法能够获得微/纳米孔隙材料在不同压力环境下的高温耦合传热特性数据，该实验方法的具体过程为：
步骤1、将待测试件18加工为正方形平板，边长尺寸稍小于高温辐射加热单元4的长度，厚度尺寸满足：待测试件18中心被数据采集装置15探测的区域内沿厚度方向的传热近似为一维；
步骤2、将待测试件18垂直置于密封舱1中固定，待测试件18厚度方向为受热面的法向；
步骤3、抽气装置13抽出密封舱1内空气，供气装置9向密封舱1充入保护性气体，控制供气装置9、压力传感器10和抽气装置13，使密封舱1内气体压力达到预期压力，供气装置9、压力传感器10和抽气装置13继续工作，保证密封舱1内气体压力处于动态平衡状态；
步骤4、根据实验类型，加热周期调节装置11控制隔热板3的开闭状态，
实验类型为稳态实验，在实验前打开隔热板3，设定高温辐射加热单元4的预定温度，高温辐射加热单元4通电并加热到预定温度，待密封舱1内温度达到稳态后，数据采集装置15采集实验数据，实验结束；
实验类型为瞬态实验，在实验前打开隔热板3，设定高温辐射加热单元4为升温过程，高温辐射加热单元4通电加热，数据采集装置15采集实验数据，实验结束；
实验类型为阶跃辐照实验，实验前关闭隔热板3，设定高温辐射加热单元4的预定温度，高温辐射加热单元4通电并加热到预定温度，待密封舱1内温度达到稳态后，打开隔热板3，数据采集装置15采集实验数据，实验结束；
实验类型为周期性辐照实验，实验前关闭隔热板3，设定高温辐射加热单元4的预定温度，高温辐射加热单元4通电并加热到预定温度，待密封舱1内温度达到稳态后，设置辐照周期，加热周期调节装置11控制隔热板3自动打开和关闭，实现周期性辐照加热，数据采集装置15采集实验数据，实验结束。
本实施方式中，通过高温传热实验方法可实验测量获得微/纳孔隙材料在不同加热温度下、不同保护气氛压力环境中、不同加热模式下的耦合传热特性数据。

Claims (6)

1.微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置， 包括密封舱(1)、高温隔热层(2)、隔热板(3)、高温辐射加热单元(4)、温度传感器(5)、温控装置(7)、电源(8)、压力传感器(10)、抽气装置(13)、数据采集装置(15)；温度传感器将温度信号反馈到温控装置，温控装置同时连接电源；抽气装置连接密封舱排出密封舱内空气，其特征在于，它包括红外探测器(6)、供气装置(9)、加热周期调节装置(11)、水冷背景(12)和水冷装置(14)
密封舱(1)为夹层结构，夹层内循环充入冷却水；密封舱(1)内的底部设置有中空的长方体高温隔热层(2)，高温辐射加热单元(4)安装在高温隔热层(2)空腔内；高温辐射加热单元(4)连接水冷电极，通过密封舱(1)引出并与电源(8)相连接；
温度传感器(5)设置在高温辐射加热单元(4)的外表面，温控装置(7)通过温度传感器(5)监测高温辐射加热单元(4)的表面温度，温度传感器(5)将温度信号反馈到温控装置(7)，温控装置(7)同时连接电源(8)；
密封舱(1)的侧壁上设置有正对高温辐射加热单元(4)的第一圆形红外窗口(17)，第一圆形红外窗口(17)外部设置有红外探测器(6)，红外探测器(6)连接温控装置(7)；
待测试件(18)安装在高温隔热层(2)侧壁的开口处，待测试件(18)的受热面正对高温辐射加热单元(4)，隔热板(3)置于待测试件(18)和高温辐射加热单元(4)之间，且高温辐射加热单元(4)、隔热板(3)和待测试件(18)平行放置，隔热板(3)通过加热周期调节装置(11)控制开闭状态，并产生不同类型的辐射加热模式；
待测试件(18)的非受热面正对密封舱(1)内壁面设置的水冷背景(12)，水冷背景(12)上设置有圆形小孔，密封舱(1)的侧壁上设置有正对待测试件(18)非受热面的第二圆形红外窗口(16)；第二圆形红外窗口(16)与水冷背景(12)的圆形小孔同轴，且尺寸相同；
数据采集装置(15)通过第二圆形红外窗口(16)与待测试件(18)相连，采集待测试件(18)受热面的温度信号、非受热面的温度信号、热流密度信号和光谱能量信号；
抽气装置(13)连接密封舱(1)排出密封舱(1)内空气，供气装置(9)连接密封舱(1)的第一气路向密封舱(1)充入保护性气体，压力传感器(10)连接在供气装置(9)与密封舱(1)之间的第二气路上，供气装置(9)、压力传感器(10)和抽气装置(13)配合控制气体流量，控制密封舱(1)内的保护性气体达到预期压力，同时保持动态平衡；
水冷装置(14)同时与密封舱(1)和水冷背景(12)相连，为密封舱(1)的冷却水夹层和水冷背景(12)提供循环冷却水。
2.根据权利要求1所述的微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置，其特征在于，数据采集装置(15)包括数据采集卡、光谱仪、红外探测器和热流计，数据采集卡采集待测试件(18)受热面的温度信号，光谱仪采集待测试件(18)的光谱能量信号，红外探测器正对第二圆形红外窗口(16)，采集待测试件(18)非受热面的温度信号，热流计采集待测试件(18)的热流密度信号。
3.根据权利要求1所述的微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置，其特征在于，第一圆形红外窗口(17)和第二圆形红外窗口(16)的材料能够根据光谱透过需求进行更换。
4.根据权利要求1所述的微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置，其特征在于，密封舱(1)能够提供正压或负压环境，能够提供的绝对压力范围为：0.01Pa-200kPa。
5.根据权利要求1所述的微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置，其特征在于，高温辐射加热单元(4)能够提供的最高温度为2300K。
6.基于权利要求1所述微/纳米孔隙材料高温传热的测量装置的高温传热实验方法，其特征在于，该实验方法能够获得微/纳米孔隙材料在不同压力环境下的高温耦合传热特性数据，该实验方法的具体过程为：
步骤1、将待测试件(18)加工为正方形平板，边长尺寸稍小于高温辐射加热单元(4)的长度，厚度尺寸满足：待测试件(18)中心被数据采集装置(15)探测的区域内沿厚度方向的传热近似为一维；
步骤2、将待测试件(18)垂直置于密封舱(1)中固定，待测试件(18)厚度方向为受热面的法向；
步骤3、抽气装置(13)抽出密封舱(1)内空气，供气装置(9)向密封舱(1)充入保护性气体，控制供气装置(9)、压力传感器(10)和抽气装置(13)，使密封舱(1)内气体压力达到预期压力，供气装置(9)、压力传感器(10)和抽气装置(13)继续工作，保证密封舱(1)内气体压力处于动态平衡状态；
步骤4、根据实验类型，加热周期调节装置(11)控制隔热板(3)的开闭状态，
实验类型为稳态实验，在实验前打开隔热板(3)，设定高温辐射加热单元(4)的预定温度，高温辐射加热单元(4)通电并加热到预定温度，待密封舱(1)内温度达到稳态后，数据采集装置(15)采集实验数据，实验结束；
实验类型为瞬态实验，在实验前打开隔热板(3)，设定高温辐射加热单元(4)为升温过程，高温辐射加热单元(4)通电加热，数据采集装置(15)采集实验数据，实验结束；
实验类型为阶跃辐照实验，实验前关闭隔热板(3)，设定高温辐射加热单元(4)的预定温度，高温辐射加热单元(4)通电并加热到预定温度，待密封舱(1)内温度达到稳态后，打开隔热板(3)，数据采集装置(15)采集实验数据，实验结束；
实验类型为周期性辐照实验，实验前关闭隔热板(3)，设定高温辐射加热单元(4)的预定温度，高温辐射加热单元(4)通电并加热到预定温度，待密封舱(1)内温度达到稳态后，设置辐照周期，加热周期调节装置(11)控制隔热板(3)自动打开和关闭，实现周期性辐照加热，数据采集装置(15)采集实验数据，实验结束。
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