CN109298018B - 一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台 - Google Patents
一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台 Download PDFInfo
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Abstract
一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台，属于高效换热特性试验研究领域。本发明主要为了解决喷雾冷却技术研究领域缺乏可研究重力加速度环境对传热特性影响的试验台的问题。主要包括：空冷换热器(1)、第一泵(2)、换热器(3)、低温恒温槽(4)、第一三通阀(5)、第二泵(6)、过滤器(7)、调节阀(8)、喷雾腔(9)、喷嘴(10)、热电偶(11)、加热棒(12)、转盘(13)、电机(14)、无线数据采集仪(15)、第二三通阀(16)、压缩机(17)、储液器(18)、热源表面(19)。本发明具有可调节重力加速度，可进行多种液体和多种制冷剂作为介质的喷雾冷却实验，可调节参数多，使用方便等多个优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台，属于高效换热特性试验研究领域。
背景技术
激光武器在发射后几秒内将产生兆瓦级的热量，导致其表面产生极大的热载荷和极高的热流密度，其热流密度可达数百甚至数千W/cm2。高热流密度会损毁激光介质，高功率定向能武器的发热问题成为制约进一步提高其输出功率的瓶颈，如何及时转移因发射后能量耗散形成的高热流是研制机载大功率定向能武器必须攻克的关键技术。
喷雾冷却是将冷却介质通过雾化分解为无数的离散型小液滴，喷淋到加热表面上通过单相换热和两相换热带走热量的一种新型冷却方式，其优点在于：较小的表面温差；没有沸腾滞后性；良好的换热性能；可实现均匀的冷却壁面温度；工质需求量小。因此，喷雾冷却技术在激光武器冷却领域具有很强的应用前景。
激光武器的重要应用领域是机载领域，被认为是改变未来空战的革命性技术。那么，喷雾冷却在应用至机载激光武器冷却方面时，由于飞机上升下降旋转翻转，喷雾环境中的重力加速度不断变化，导致传热特性会发生剧烈变化，甚至可能导致喷雾冷却提前失效，危害激光武器。为了研究此时的喷雾冷却传热特性，必须通过搭建可靠的试验台完成大量试验，因此一个适用于多种冷却介质、重力加速度大小和方向可调的试验台在喷雾冷却研究中十分重要。
虽然近几年对喷雾冷却性能的研究取得了很大的进展，针对喷雾冷却系统实际应用也有相关的技术涌现，专利ZL201110446869.5提出的一种基于微重力环境的喷雾冷却回路装置，该专利是利用毛细芯的毛细特性营造微重力环境，无法准确地推算出重力大小；专利CN105117558A提出的一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法，该专利是以常重力环境下的VOF模型为基础，将参考系建立在水平加速运动的热源面上，引入惯性力从而建立起非惯性系，建立过载环境下的算法模型，仅仅通过模型演算，没有通过实验来验证。这些技术虽然提出了喷雾冷却的设计方案，但由方案设计到实际应用必须经过大量的实验论证，因此搭建一个可靠实用的实验平台是喷雾冷却系统大规模应用必需要解决的问题。
相对于现有专利成果，本发明的优点在于：本发明是适用于多种介质的实验系统；本发明中喷嘴的高度与角度均可以精确调节；本发明可以控制重力加速度的大小和方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台。
该试验台主要由空冷换热器(1)、第一泵(2)、换热器(3)、低温恒温槽(4)、第一三通阀(5)、第二泵(6)、过滤器(7)、调节阀(8)、喷雾腔(9)、喷嘴(10)、热电偶(11)、加热棒(12)、转盘(13)、电机(14)、无线数据采集仪(15)、第二三通阀(16)、压缩机(17)、储液器(18)、热源表面(19)组成。
该试验台根据使用冷却介质的不同可分为使用制冷剂类介质的试验台和使用非制冷剂类的试验台两部分。使用制冷剂的试验台制冷剂可选用但不仅限于R11、R22、R134a、FC-72、FC-87等；使用非制冷剂的试验台可选用但不仅限于水、盐类溶液、醇类溶液等。
当使用制冷剂类介质进行喷雾试验时的试验台主要由空冷换热器(1)、换热器(3)、低温恒温槽(4)、第一三通阀(5)、过滤器(7)、调节阀(8)、喷雾腔(9)、喷嘴(10)、热电偶(11)、加热棒(12)、转盘(13)、电机(14)、无线数据采集仪(15)、第二三通阀(16)、压缩机(17)、储液器(18)、热源表面(19)组成；空冷换热器(1)的出口与换热器(3)的第一端相连，换热器(3)的第二端与第一泵(2)的入口相连，第一泵(2)的出口与空冷换热器(1)的入口相连，换热器(3)的第四端与低温恒温槽(4)的入口相连，低温恒温槽(4)的出口与第一三通阀(5)的第一端相连，第一三通阀(5)的第二端与过滤器(7)的入口相连，过滤器(7)的出口与调节阀(8)的第一端相连，调节阀(8)的第二端与喷雾腔(9)的第一端相连，喷雾腔(9)的第二端与第二三通阀(16)的第一端相连，喷雾腔(9)设置在转盘(13)上，转盘(13)与电机(14)相连，第二三通阀(16)的第二端与压缩机(17)相连，压缩机(17)与储液器(18)相连，储液器(18)与换热器(3)的第三端相连，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集；
当使用非制冷剂类介质进行喷雾试验时的试验台主要由空冷换热器(1)、第一泵(2)、换热器(3)、低温恒温槽(4)、第一三通阀(5)、第二泵(6)、过滤器(7)、调节阀(8)、喷雾腔(9)、喷嘴(10)、热电偶(11)、加热棒(12)、转盘(13)、电机(14)、无线数据采集仪(15)、第二三通阀(16)、储液器(18)、热源表面(19)组成；空冷换热器(1)的出口与换热器(3)的第一端相连，换热器(3)的第二端与空冷换热器(1)的入口相连，换热器(3)的第四端与低温恒温槽(4)的入口相连，低温恒温槽(4)的出口与第一三通阀(5)的第一端相连，第一三通阀(5)的第三端与第二泵(6)的第一端相连，第二泵(6)的第二端与过滤器(7)的入口相连，过滤器(7)的出口与调节阀(8)的第一端相连，调节阀(8)的第二端与喷雾腔(9)的第一端相连，喷雾腔(9)设置在转盘(13)上，转盘(13)与电机(14)相连，喷雾腔(9)的第二端与第二三通阀(16)的第一端相连，第二三通阀(16)的第三端与储液器(18)相连，储液器(18)与换热器(3)的第三端相连，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集。
使用制冷剂作为冷却介质进行喷雾冷却实验时，向储液器(18)中充注一定量的制冷剂，介质从储液器(18)流出经过空冷换热器(1)初步冷却后经换热器(3)带走废热，流入低温恒温槽(4)的第一端，经低温恒温槽(4)带走因介质与热源表面(19)换热后吸收的热量之后，打开第一三通阀(5)的第三端，关闭第二端，介质经过过滤器(7)过滤掉杂质，再由调节阀(8)调节好流量进入喷雾腔(9)进行喷雾换热，喷嘴(10)设置有高度与角度可调的装置，介质通过喷嘴(10)雾化后对热源表面(19)进行冷却，加热棒(12)为热源提供热量，由电机(14)为转盘(13)提供动力，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集，喷雾完成后的制冷剂经过第二三通阀(16)的第二端进入压缩机(17)流入储液器(18)完成整个循环；
使用非制冷剂作为冷却介质进行喷雾冷却实验时，向储液器(18)中充注一定量的介质，介质从储液器(18)流出经过空冷换热器(1)初步冷却后经换热器(3)带走废热，流入低温恒温槽(4)的第一端，经低温恒温槽(4)带走因介质与热源表面(19)换热后吸收的热量之后，打开第一三通阀(5)的第二端，关闭第三端，利用第二泵(6)为介质提供驱动，介质经过过滤器(7)过滤掉杂质，再由调节阀(8)调节好流量进入喷雾腔(9)进行喷雾换热，喷嘴(10)设置有高度与角度可调的装置，介质通过喷嘴(10)雾化后对热源表面(19)进行冷却，加热棒(12)为热源提供热量，由电机(14)为转盘(13)提供动力，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集，喷雾完成后的介质经过第二三通阀(16)的第三端流入储液器(18)完成整个循环。
转盘(13)设置可调节卡槽(13-1)，可以调节喷雾室位置来改变半径，根据加速度与半径成正比的规律调整了加速度。
喷雾腔(9)中，热电偶(11)布置为：上层(第一热电偶(11-1)、第四热电偶(11-4))、中层(第二热电偶(11-2)、第五热电偶(11-5))、下层(第三热电偶(11-3)、第六热电偶(11-6))3层，每层2根以保证测量结果精确度；加热棒(12)布置为：上层(第一加热棒(12-1)、第三加热棒(12-3)、第五加热棒(12-5))、中层(第二加热棒(12-2)、第四加热棒(12-4)、第六加热棒(12-6))2层，每层3根以增强系统整体加热量。
第一泵(2)可将非制冷剂从换热器中抽出、第二泵(6)可为非制冷剂进入下一环节提供驱动。
压缩机(17)可以将制冷剂从气态转换为液态。
使用制冷剂的实验系统制冷剂的种类有R11、R22、R134a、FC-72、FC-87，使用非制冷剂的实验系统可选用水、盐类溶液、醇类溶液等。
附图说明
附图1为本发明的流程图。
附图1中的标号名称：1.空冷换热器、2.第一泵、3.换热器、4.低温恒温槽、5.第一三通阀、6.第二泵、7.过滤器、8.调节阀、9.喷雾腔、10.喷嘴、11.热电偶、12.加热棒、13.转盘、14.电机、15.无线数据采集仪、16.第二三通阀、17.压缩机、18.储液器、19.热源表面。
附图2为喷雾腔组成图。
附图2中的标号名称：10.喷嘴、19.热源表面、11-1.第一热电偶、11-2.第二热电偶、11-3.第三热电偶、11-4.第四热电偶、11-5.第五热电偶、11-6.第六热电偶、12-1.第一加热棒、12-2.第二加热棒、12-3.第三加热棒、12-4.第四加热棒、12-5.第五加热棒、12-6.第六加热棒。
附图3为转盘卡槽示意图。
附图3中的标号名称：13-1.可调节卡槽。
附图4为喷嘴角度和高度调节示意图。
附图4中的标号名称：9-1.喷嘴高度调节器、9-2.喷嘴角度调节器。
具体实施方式
如图1所示，一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台主要包括空冷换热器1、第一泵2、换热器3、低温恒温槽4、第一三通阀5、第二泵6、过滤器7、调节阀8、喷雾腔9、喷嘴10、热电偶11、加热棒12、转盘13、电机14、无线数据采集仪15、第二三通阀16、压缩机17、储液器18、热源表面19。
喷雾腔9的组成如图2所示，主要包括喷雾腔9、喷嘴10、热电偶11、加热棒12。
转盘13的卡槽如图3所示，主要包括可调节卡槽13-1，可以调节喷雾室位置，从而控制重力加速度。
喷嘴10的角度和高度调节装置如图4所示，主要包括.喷嘴高度调节器9-1、喷嘴角度调节器9-2，可供多种实验需求。
使用制冷剂作为冷却介质进行喷雾冷却实验时，向储液器18中充注一定量的制冷剂，以R134a为例，R134a从储液器18流出经过空冷换热器1初步冷却后经换热器3带走废热，流入低温恒温槽4的第一端，经低温恒温槽4带走因R134a与热源表面19换热后吸收的热量之后，打开第一三通阀5的第三端，关闭第二端，R134a经过过滤器7过滤掉杂质，再由调节阀8调节好流量进入喷雾腔9进行喷雾换热，喷嘴10设置有高度与角度可调的装置，R134a通过喷嘴10雾化后对热源表面19进行冷却，加热棒12为热源提供热量，由电机14为转盘13提供动力，利用无线数据采集仪15对热电偶11进行数据采集，喷雾完成后的R134a经过第二三通阀16的第二端进入压缩机17流入储液器18完成整个循环；
使用非制冷剂作为冷却介质进行喷雾冷却实验时，向储液器18中充注一定量的介质，以水为例，水从储液器18流出经过空冷换热器1初步冷却后经换热器3带走废热，流入低温恒温槽4的第一端，经低温恒温槽4带走因水与热源表面19换热后吸收的热量之后，打开第一三通阀5的第二端，关闭第三端，利用第二泵6为水提供驱动，水经过过滤器7过滤掉杂质，再由调节阀8调节好流量进入喷雾腔9进行喷雾换热，喷嘴10设置有高度与角度可调的装置，水通过喷嘴10雾化后对热源表面19进行冷却，加热棒12为热源提供热量，由电机14为转盘13提供动力，利用无线数据采集仪15对热电偶11进行数据采集，喷雾完成后的水经过第二三通阀16的第三端流入储液器18完成整个循环。
本试验台可变换参数为冷却介质种类、冷却介质流量、冷却介质温度、重力加速度、喷雾高度和喷嘴方向。
本试验台可模拟于任何需要喷雾冷却的动载领域，如航空、航天、航海等，为各领域的样机搭建和探索喷雾冷却规律提供一个安全高效的平台。
Claims (3)
1.一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台，由空冷换热器(1)、第一泵(2)、换热器(3)、低温恒温槽(4)、第一三通阀(5)、第二泵(6)、过滤器(7)、调节阀(8)、喷雾腔(9)、喷嘴(10)、热电偶(11)、加热棒(12)、转盘(13)、电机(14)、无线数据采集仪(15)、第二三通阀(16)、压缩机(17)、储液器(18)、热源表面(19)组成；
当使用制冷剂类介质进行喷雾试验时的试验台连接方式为：空冷换热器(1)的出口与换热器(3)的第一端相连，换热器(3)的第二端与第一泵(2)的入口相连，第一泵(2)的出口与空冷换热器(1)的入口相连，换热器(3)的第四端与低温恒温槽(4)的入口相连，低温恒温槽(4)的出口与第一三通阀(5)的第一端相连，第一三通阀(5)的第二端与过滤器(7)的入口相连，过滤器(7)的出口与调节阀(8)的第一端相连，调节阀(8)的第二端与喷雾腔(9)的第一端相连，喷雾腔(9)的第二端与第二三通阀(16)的第一端相连，喷雾腔(9)设置在转盘(13)上，转盘(13)与电机(14)相连，第二三通阀(16)的第二端与压缩机(17)相连，压缩机(17)与储液器(18)相连，储液器(18)与换热器(3)的第三端相连，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集；
当使用非制冷剂类介质进行喷雾试验时的试验台连接方式为：空冷换热器(1)的出口与换热器(3)的第一端相连，换热器(3)的第二端与空冷换热器(1)的入口相连，换热器(3)的第四端与低温恒温槽(4)的入口相连，低温恒温槽(4)的出口与第一三通阀(5)的第一端相连，第一三通阀(5)的第三端与第二泵(6)的第一端相连，第二泵(6)的第二端与过滤器(7)的入口相连，过滤器(7)的出口与调节阀(8)的第一端相连，调节阀(8)的第二端与喷雾腔(9)的第一端相连，喷雾腔(9)设置在转盘(13)上，转盘(13)与电机(14)相连，喷雾腔(9)的第二端与第二三通阀(16)的第一端相连，第二三通阀(16)的第三端与储液器(18)相连，储液器(18)与换热器(3)的第三端相连，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集；
转盘(13)设置可调节卡槽(13-1)，可以调节喷雾室安装位置来改变半径，根据加速度与半径成正比的规律调整加速度；喷雾腔(9)中，热电偶(11)布置为上层：第一热电偶(11-1)、第四热电偶(11-4)，中层：第二热电偶(11-2)、第五热电偶(11-5)，下层：第三热电偶(11-3)、第六热电偶(11-6)3层，每层2根以保证测量结果精确度；加热棒(12)布置为上层：第一加热棒(12-1)、第三加热棒(12-3)、第五加热棒(12-5)，下层：第二加热棒(12-2)、第四加热棒(12-4)、第六加热棒(12-6)2层，每层3根以增强系统整体加热量。
2.根据权利要求1所述的一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台，其特征在于包括以下过程：
使用制冷剂作为冷却介质进行喷雾冷却实验时，向储液器(18)中充注一定量的制冷剂，介质从储液器(18)流出经过空冷换热器(1)初步冷却后经换热器(3)带走废热，流入低温恒温槽(4)的第一端，经低温恒温槽(4)带走因介质与热源表面(19)换热后吸收的热量之后，打开第一三通阀(5)的第三端，关闭第二端，介质经过过滤器(7)过滤掉杂质，再由调节阀(8)调节好流量进入喷雾腔(9)进行喷雾换热，喷嘴(10)设置有高度与角度可调的装置，介质通过喷嘴(10)雾化后对热源表面(19)进行冷却，加热棒(12)为热源提供热量，由电机(14)为转盘(13)提供动力，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集，喷雾完成后的制冷剂经过第二三通阀(16)的第二端进入压缩机(17)流入储液器(18)完成整个循环；
使用非制冷剂作为冷却介质进行喷雾冷却实验时，向储液器(18)中充注一定量的介质，介质从储液器(18)流出经过空冷换热器(1)初步冷却后经换热器(3)带走废热，流入低温恒温槽(4)的第一端，经低温恒温槽(4)带走因介质与热源表面(19)换热后吸收的热量之后，打开第一三通阀(5)的第二端，关闭第三端，利用第二泵(6)为介质提供驱动，介质经过过滤器(7)过滤掉杂质，再由调节阀(8)调节好流量进入喷雾腔(9)进行喷雾换热，喷嘴(10)设置有高度与角度可调的装置，介质通过喷嘴(10)雾化后对热源表面(19)进行冷却，加热棒(12)为热源提供热量，由电机(14)为转盘(13)提供动力，利用无线数据采集仪(15)对热电偶(11)进行数据采集，喷雾完成后的介质经过第二三通阀(16)的第三端流入储液器(18)完成整个循环。
3.根据权利要求1所述的一种可应用多种冷却介质和模拟不同重力加速度环境的喷雾冷却试验台，其特征在于：
第一泵(2)将非制冷剂从换热器中抽出、第二泵(6)为非制冷剂进入下一环节提供驱动。
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