CN109612683A - 一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，包括由入口导电铜柱、入口固定电极、铜辫、滑动电极、加热板和出口固定电极、出口导电铜柱构成的导电回路，由入口通道、入口缓冲腔、矩形窄缝通道和出口缓冲腔、出口通道组成的流体流动通道，由嵌在陶瓷基体凹槽中的加热板和石英玻璃构成的可承受高温高压汽液两相流体冲击的矩形窄缝通道，嵌入在陶瓷基体中用于测量相关实验参数的测压组件及热电偶组件；流体经过入口通道和入口缓冲腔后进入矩形窄缝通道，在矩形窄缝通道中流体受热后沸腾形成汽液两相流型结构，通过石英玻璃可有效地观察到通道内汽泡行为及流型转变，为深入研究窄通道内流动和传热机理提供了实验保障条件。
Description
技术领域
本发明属于汽液两相流体可视化实验装置，具体涉及一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，该装置满足矩形窄缝通道内高温高压条件下两相气泡行为与流型的可视化研究。
背景技术
矩形窄缝流道是窄缝通道一种重要的结构形式，窄缝通道传热技术由于具有传热温差小、结构紧凑、无需复杂的表面加工和处理、在通道内高速流体的冲刷下，换热表面不易发生沉淀和污染等特点，已作为一种新兴传热技术日益被人们所重视，它在反应堆工程及其他的诸如航天技术、制冷技术、电子器件冷却等工程领域，都得到了广泛的实际工程应用。
通道中汽液两相的汽液内部结构-流型决定着各传热流动区域的传热流动机理。由于汽泡受到狭缝通道的限制，狭缝通道内的汽液两相流流型和常规通道有很大的区别，通道的可视化有助于对两相中气泡行为及流型转变的直接观测研究，进而有助于揭示窄缝通道内两相沸腾传热机理。
目前在窄缝可视化方面，相关实验装置很少且基本都是针对常温常压的两相流体。
例如中国专利CN 102313641A提供了一种可视化矩形窄缝实验装置，其包括导热铜板、可视化窗口、电加热原件、底部承压体、测压组件等部件导热铜板与可视窗上的矩形窄缝凹形流道组成矩形窄缝封闭流道，形成用于单相和两相可视化研究的矩形窄缝装置。该装置可从宽面和窄面立体可视化观察矩形窄缝通道内单向流态、汽泡立体形态和流行转变等演化规律。但该装置是由电加热原件产生热量传递给导热铜板，再由导热铜板加热流体，无法做到直接加热流体；该装置外部连接件比较多，因此承压能力有限。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，可承受高温高压汽液两相流体，该装置结构件简单，可直接加热流体至沸腾状态，通过可视化窗口观察汽泡行为及流型转变特征。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，包括烧结而成的陶瓷基体P，置入陶瓷基体P一侧凹形通道中的加热板G，压合在凹形通道中与加热板G间留有间隙的石英玻璃E，加热板G宽度与凹形通道宽度之间采用公差配合的方式紧固，加热板G长度小于凹形通道长度，两边留有空腔；还包括由嵌在陶瓷基体P中导电装置即入口导电铜柱U、入口固定电极J、铜辫R、滑动电极H、加热板G和出口固定电极D、出口导电铜柱N构成的导电回路，陶瓷基体P另一侧的一端插入导电铜柱U，另一端插入出口导电铜柱N，入口固定电极J与导电铜柱U由圆孔配合连接并焊接紧固，滑动电极H的一部分垫在固定电极J之上，接触面为自由滑动面，滑动电极H与入口固定电极J之间靠铜辫R连接用于导电，且二者之间留有间隙I，滑动电极H上底面和出口固定电极D的上底面均完全贴合于加热板G下底面并焊接而成，出口导电铜柱N与出口固定电极D圆孔配合并焊接紧固；还包括由入口通道T、入口缓冲腔K、矩形窄缝通道F和出口缓冲腔C、出口通道M组成的流体流动通道，入口导电铜柱U的中空间隙为入口通道T，出口导电铜柱N的中空间隙为出口通道M，入口导电铜柱U顶部与加热板G一侧面、石英玻璃E部分底面围城的区域为入口缓冲腔K，出口导电铜柱N顶部与加热板G另一侧面、石英玻璃E部分底面围城的区域为出口缓冲腔C，石英玻璃E与加热板G之间的间隙即为矩形窄缝通道F；还包括位于陶瓷基体P上的进口测压组件孔S、出口测压组件孔O和多个热电偶组件系列孔Q以及用于压合石英玻璃E和陶瓷基体P的上不锈钢紧固件B和下不锈钢紧固件L，进口测压孔S穿过下不锈钢紧固件L、陶瓷基体P、滑动电极H和加热板G与窄缝通道F连通，出口测压组件孔O穿过不锈钢下紧固件L、陶瓷基体P、固定电极D和加热板G与窄缝通道F连通，多个热电偶组件系列孔Q均穿过不锈钢下紧固件L和陶瓷基体P直达加热板G但不穿过加热板G，孔位横向布置在加热板G中心线上且等间距分布，入口测压组件孔S和首个热电偶组件孔以及出口测压组件孔O和最后一个热电偶组件孔均相隔一定距离，上不锈钢紧固件B和下不锈钢紧固件L用螺栓A紧固连接以便压合石英玻璃E与陶瓷基体P，上不锈钢紧固件B为一平板，中间开方形槽，方形槽尺寸小于石英玻璃E，以上所有组件与陶瓷基体P的接触面之间全部涂抹高温密封胶用于密封连接；
流体通过入口通道T进入实验装置，经过入口缓冲腔K后流经矩形窄缝通道F，此时流体流动处于充分发展阶段，再经出口缓冲腔C及出口通道M流出，当流体流量达到预定值后稳步增加压力，在入口导电铜柱U和出口导电铜柱N上接入直流电源，电流流经加热板G后发热直接加热通道中的流体，缓慢升高电源功率直至出现两相沸腾，随着加热功率的不同，两相结构也会发生相应的变化，透过石英玻璃E能够直观的观察汽液两相流体的流型结构及汽泡行为。
所述石英玻璃E透光率高达98％，且承压能力强，能够承受高温流体的冲击。
石英玻璃E与陶瓷基体P之间涂抹高温密封胶，有效地实现装置在高温高压条件下的密封。
在入口通道T和矩形窄缝通道F之间、出口通道M和矩形窄缝通道F之间分别设置有入口缓冲腔K和出口缓冲腔C，有助于流体在窄缝通道中形成充分发展流动。
入口固定电极J和滑动电极H之间的间隙I有效的解决了加热板G受热膨胀而带来的结构件之间的挤压问题。
入口导电铜柱U和出口导电铜柱N既作为导电装置，又作为流体的流道，有效的减少了结构件的使用，从而减轻了由此带来的密封问题。
通过调整加热板G的厚度来调整矩形窄缝通道F的间隙尺寸为1～3mm。
所有的导电装置均嵌在陶瓷基体P中，无需考虑与实验装置的绝缘问题。
通过直达加热板G上的热电偶组件系列孔Q置入热电偶组件用于测量加热板温度，通过入口测压组件孔S和出口测压组件孔O连接测压组件用于测量通道压力。
整个实验装置除石英玻璃外全部用保温棉包裹起来，减少散热。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.石英玻璃E透光率高，保证从正面获得汽泡和流型的直观信息。
2.通电电极均嵌入陶瓷基体P中，因此无需考虑与实验装置的绝缘问题。
3.石英玻璃E与陶瓷基体P之间涂抹高温密封胶，确保实验装置的密封问题。
4.在入口通道T与矩形窄缝通道F之间设有入口缓冲腔K，有利于流体流动的充分发展。
5.入口固定电极J和滑动电极H之间的间隙I有效的解决了加热板G受热膨胀挤压的问题。
6.入口导电铜柱U和出口导电铜柱N既作为导电装置，又作为流体的流道，有效的减少了结构件的使用，且减轻了由此带来的密封问题。
7.保温棉的使用有效地减少了热损失，一定程度上减轻了加热板的加热功率。
8.本装置可承受高温高压的汽液两相流动，并可进行可视化研究，对于深入研究窄通道内流型转换机理有重要意义
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为热电偶组件系列孔及入口测压组件孔、出口测压组件孔位置布置示意图；
图3为图1的K-K截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，包括烧结而成的陶瓷基体P，置入陶瓷基体P一侧凹形通道中的加热板G，压合在凹形通道中与加热板G间留有间隙的石英玻璃E，加热板G宽度与凹形通道宽度之间采用公差配合的方式紧固，加热板G长度小于凹形通道长度，两边留有空腔；还包括由嵌在陶瓷基体P中导电装置即入口导电铜柱U、入口固定电极J、铜辫R、滑动电极H、加热板G和出口固定电极D、出口导电铜柱N构成的导电回路，陶瓷基体P另一侧的一端插入导电铜柱U，另一端插入出口导电铜柱N，入口固定电极J与导电铜柱U由圆孔配合连接并焊接紧固，滑动电极H的一部分垫在固定电极J之上，接触面为自由滑动面，滑动电极H与入口固定电极J之间靠铜辫R连接用于导电，且二者之间留有间隙I，滑动电极H上底面和出口固定电极D的上底面均完全贴合于加热板G下底面并焊接而成，出口导电铜柱N与出口固定电极D圆孔配合并焊接紧固；还包括由入口通道T、入口缓冲腔K、矩形窄缝通道F和出口缓冲腔C、出口通道M组成的流体流动通道，入口导电铜柱U的中空间隙为入口通道T，出口导电铜柱N的中空间隙为出口通道M，入口导电铜柱U顶部与加热板G一侧面、石英玻璃E部分底面围城的区域为入口缓冲腔K，出口导电铜柱N顶部与加热板G另一侧面、石英玻璃E部分底面围城的区域为出口缓冲腔C，石英玻璃E与加热板G之间的间隙即为矩形窄缝通道F；还包括位于陶瓷基体P上的进口测压组件孔S、出口测压组件孔O和多个热电偶组件系列孔Q以及用于压合石英玻璃E和陶瓷基体P的上不锈钢紧固件B和下不锈钢紧固件L，进口测压孔S穿过下不锈钢紧固件L、陶瓷基体P、滑动电极H和加热板G与窄缝通道F连通，出口测压组件孔O穿过不锈钢下紧固件L、陶瓷基体P、固定电极D和加热板G与窄缝通道F连通，多个热电偶组件系列孔Q均穿过不锈钢下紧固件L和陶瓷基体P直达加热板G但不穿过加热板G，孔位横向布置在加热板G中心线上且等间距分布，入口测压组件孔S和首个热电偶组件孔以及出口测压组件孔O和最后一个热电偶组件孔均相隔一定距离，上不锈钢紧固件B和下不锈钢紧固件L用螺栓A紧固连接以便压合石英玻璃E与陶瓷基体P，上不锈钢紧固件B为一平板，中间开方形槽，方形槽尺寸小于石英玻璃E，以上所有组件与陶瓷基体P的接触面之间全部涂抹高温密封胶用于密封连接。
流体通过入口通道T流入实验装置，经过入口缓冲腔K后再进入矩形窄缝流道F，此时流体流动基本处于充分发展阶段，流体经过出口缓冲腔C后通过出口通道M流出，当流量达到预定值后稳步增加压力，在入口导电铜柱U和出口导电铜柱N上接入直流电源，电流流经加热板G后发热直接加热通道中的流体，缓慢升高电源功率直至出现两相沸腾，随着加热功率的不同，两相结构也会发生相应的变化，透过石英玻璃E便可对相应的汽泡生长过程及流型转换过程进行可视化研究，并可用高速摄影仪记录。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：包括烧结而成的陶瓷基体(P)，置入陶瓷基体(P)一侧凹形通道中的加热板(G)，压合在凹形通道中与加热板(G)间留有间隙的石英玻璃(E)，加热板(G)宽度与凹形通道宽度之间采用公差配合的方式紧固，加热板(G)长度小于凹形通道长度，两边留有空腔；还包括由嵌在陶瓷基体(P)中导电装置即入口导电铜柱(U)、入口固定电极(J)、铜辫(R)、滑动电极(H)、加热板(G)和出口固定电极(D)、出口导电铜柱(N)构成的导电回路，陶瓷基体(P)另一侧的一端插入导电铜柱(U)，另一端插入出口导电铜柱(N)，入口固定电极(J)与导电铜柱(U)由圆孔配合连接并焊接紧固，滑动电极(H)的一部分垫在固定电极(J)之上，接触面为自由滑动面，滑动电极(H)与入口固定电极(J)之间靠铜辫(R连接用于导电，且二者之间留有间隙(I)，滑动电极(H)上底面和出口固定电极(D)的上底面均完全贴合于加热板(G)下底面并焊接而成，出口导电铜柱(N)与出口固定电极(D)圆孔配合并焊接紧固；还包括由入口通道(T)、入口缓冲腔(K)、矩形窄缝通道(F)和出口缓冲腔(C)、出口通道(M)组成的流体流动通道，入口导电铜柱(U)的中空间隙为入口通道(T)，出口导电铜柱(N)的中空间隙为出口通道(M)，入口导电铜柱(U)顶部与加热板(G)一侧面、石英玻璃(E)部分底面围城的区域为入口缓冲腔(K)，出口导电铜柱(N)顶部与加热板(G)另一侧面、石英玻璃(E)部分底面围城的区域为出口缓冲腔(C)，石英玻璃(E)与加热板(G)之间的间隙即为矩形窄缝通道(F)；还包括位于陶瓷基体(P)上的进口测压组件孔(S)、出口测压组件孔(O)和多个热电偶组件系列孔(Q)以及用于压合石英玻璃(E)和陶瓷基体(P)的上不锈钢紧固件(B)和下不锈钢紧固件(L)，进口测压孔(S)穿过下不锈钢紧固件(L)、陶瓷基体(P)、滑动电极(H)和加热板(G)与窄缝通道(F)连通，出口测压组件孔(O)穿过不锈钢下紧固件(L)、陶瓷基体(P)、固定电极(D)和加热板(G)与窄缝通道(F)连通，多个热电偶组件系列孔(Q)均穿过不锈钢下紧固件(L)和陶瓷基体(P)直达加热板(G)但不穿过加热板(G)，孔位横向布置在加热板(G)中心线上且等间距分布，入口测压组件孔(S)和首个热电偶组件孔以及出口测压组件孔(O)和最后一个热电偶组件孔均相隔一定距离，上不锈钢紧固件(B)和下不锈钢紧固件(L)用螺栓(A)紧固连接以便压合石英玻璃(E)与陶瓷基体(P)，上不锈钢紧固件(B)为一平板，中间开方形槽，方形槽尺寸小于石英玻璃(E)，以上所有组件与陶瓷基体(P)的接触面之间全部涂抹高温密封胶用于密封连接；
流体通过入口通道(T)进入实验装置，经过入口缓冲腔(K)后流经矩形窄缝通道(F)，此时流体流动处于充分发展阶段，再经出口缓冲腔(C)及出口通道(M)流出，当流体流量达到预定值后稳步增加压力，在入口导电铜柱(U)和出口导电铜柱(N)上接入直流电源，电流流经加热板(G)后发热直接加热通道中的流体，缓慢升高电源功率直至出现两相沸腾，随着加热功率的不同，两相结构也会发生相应的变化，透过石英玻璃(E)能够直观的观察汽液两相流体的流型结构及汽泡行为。
2.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：所述石英玻璃(E)透光率高达98％，且承压能力强，能够承受高温流体的冲击。
3.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：石英玻璃(E)与陶瓷基体(P)之间涂抹高温密封胶，有效地实现装置在高温高压条件下的密封。
4.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：在入口通道(T)和矩形窄缝通道(F)之间、出口通道(M)和矩形窄缝通道(F)之间分别设置有入口缓冲腔(K)和出口缓冲腔(C)，有助于流体在窄缝通道中形成充分发展流动。
5.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：入口固定电极(J)和滑动电极(H)之间的间隙(I)有效的解决了加热板(G)受热膨胀而带来的结构件之间的挤压问题。
6.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：入口导电铜柱(U)和出口导电铜柱(N)既作为导电装置，又作为流体的流道，有效的减少了结构件的使用，从而减轻了由此带来的密封问题。
7.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：通过调整加热板(G)的厚度来调整矩形窄缝通道F的间隙尺寸为1～3mm。
8.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：所有的导电装置均嵌在陶瓷基体(P)中，无需考虑与实验装置的绝缘问题。
9.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：通过直达加热板(G)上的热电偶组件系列孔(Q)置入热电偶组件用于测量加热板温度，通过入口测压组件孔(S和出口测压组件孔(O)连接测压组件用于测量通道压力。
10.如权利要求1所述的一种耐高温高压可视化矩形窄缝通道实验装置，其特征在于：整个实验装置除石英玻璃外全部用保温棉包裹起来，减少散热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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