CN109632573B - 一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置，属于超临界压力流体流动传热领域，能够考察多边界条件耦合作用下超临界压力流体在矩形通道内的对流传热、脉动流动等特性以及流动形态特征，为厘清超临界压力流体传热异常和脉动流动现象发生的物理机制和触发条件提供实验数据支撑。

Description

一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化 实验装置

技术领域

本发明属于超临界压力流体流动传热领域，具体涉及一种用于研究多边界条件耦合作用下矩形通道内超临界压力流体对流传热与脉动流动特性以及流动形态特征的实验装置，尤其涉及一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置。

背景技术

超临界压力流体已经在多个工业领域得以应用，包括超临界蒸汽电厂、核反应堆冷却水系统、超临界水氧化、飞行器发动机热防护、超临界二氧化碳循环、超临界有机朗肯循环等。对于传热过程来说，由于流体处于超临界压力状态，其热物理性质如密度、粘度、导热系数和定压比热等会随着温度剧烈变化，尤其是在拟临界温度附近，导致超临界压力流体的流动和传热规律呈现出与亚临界流体不同的特点，主要表现为传热异常和脉动流动等非常规现象的发生。所谓传热异常，是指超临界压力流体热物性参数的骤变以及由此带来的热加速效应和浮升力作用在不同边界条件下造成的传热强化或恶化现象；所谓脉动流动，是指超临界压力流体在近壁区流体密度和粘度综合作用下引起的流动与传热动态振荡现象。虽然学界对超临界压力流体流动与传热研究已持续多年，但由于该过程受到多种耦合因素(实验对象和结构、流动、传热等边界条件)影响，各因子的具体影响机制尚不明确，同步进行传热特性实验与流动可视化测量无疑是探索其流动传热机理的重要研究途径。

目前，超临界压力流体传热可视化研究多是通过承压性较好的圆形管路视窗实现，其优点为结构简单、连接方便且耐高压，不过，该结构通常通过法兰盘连接在加热管路之后，不能实现介质在加热条件下的流动可视化测量，进而无法准确地从流动形态度获得超临界压力流体传热异常和流动脉动的关键信息。另外，部分研究也已实现了受热条件下矩形截面通道内流动介质的可视化测量，但由于矩形通道的承压能力有限，相关研究大多面向低压条件，其应用范围受到限制。如何在宽幅压力条件下实现超临界压力流体流动与传热可视化测量，对探索超临界压力流体传热异常和流动脉动的发生机理有着重要意义。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置，所述装置包括内部流动传热实验段和外部压力保护腔；

其中所述内部流动传热实验段包括流体通道骨架(6.4)，所述流体通道骨架(6.4)的上、下两侧各设置有凹槽，所述上、下凹槽内各设置有金属加热条(6.2)，所述上、下凹槽上对应设置有压盖；

所述压盖包括上压盖(6.5)和下压盖(6.3)，其中所述上压盖(6.5)上设置有流体进口温度测量孔、流体出口温度测量孔、壁温测量孔、加热金属条引出孔、壁温测量热电偶(6.6)和流体温度测量热电偶(6.7)；

所述下压盖(6.3)上设置有流体进口压力测量孔、出口压力测量孔、壁温测量孔、加热金属条引出孔、测压管(6.1)和壁温测量热电偶(6.6)；

所述流体通道骨架(6.4)的可视部分为通孔且四周开有水线，所述流体通道骨架(6.4)的左、右两侧设置有可视窗(6.9)，中间通过石墨垫片(6.8)密封；

所述流体通道骨架(6.4)的进、出口分别与工质进液管(4.2)和工质出液管(7.2)相连；

所述外部压力保护腔套在所述内部流动传热实验段外，包括绝缘端盖(1)、连接端盖(2)、绝缘密封垫片(3)、充压腔(4)、可视腔(5)和测压腔(7)；其中所述绝缘端盖(1)通过螺纹连接，所述连接端盖(2)、绝缘密封垫片(3)、充压腔(4)、可视腔(5)和测压腔(7)通过法兰相连接。

上述壁温测量热电偶(6.6)和流体温度测量热电偶(6.7)通过螺纹连接固定在上压盖上；所述测压管(6.1)和壁温测量热电偶(6.6)通过螺纹连接固定在下压盖上；和/或

上述可视窗(6.9)带有凸台和水线，通过螺栓固定在所述流体通道骨架(6.4)的左右两侧；和/或

上述流体通道骨架(6.4)的进、出口分别与工质进液管(4.2)和工质出液管(7.2)通过螺纹相连。

上述下压盖(6.3)、流体通道骨架(6.4)和上压盖(6.5)的材料为绝缘、硬度为≥88MPa、导热系数为≥25W/m·K、最大使用温度为≥1500℃、抗压强度为≥2500MPa的氧化铝陶瓷材料。例如上述下压盖(6.3)、流体通道骨架(6.4)和上压盖(6.5)的材料为绝缘、硬度为88MPa、导热系数为25W/m·K、最大使用温度为1500℃、抗压强度为2500MPa的氧化铝陶瓷材料。

上述金属加热条(6.2)选用电阻率为≥1.00×10^-06Ω·m的镍铬合金；可视腔(5)与可视窗(6.9)采用最大使用温度和压力分别为≥350℃和≥3MPa且透光率达到95％的钢化玻璃。例如上述金属加热条(6.2)选用电阻率为1.00×10^-06Ω·m的镍铬合金；可视腔(5)与可视窗(6.9)采用最大使用温度和压力分别为350℃和3MPa且透光率达到95％的钢化玻璃。

上述内部流动传热实验段长320mm，且进、出口各有一个测压孔和测温孔；所述壁温测量孔上、下共有六对，可根据具体实验工况增长或缩短实验段长度，相应地增加或减少壁温测量孔数量。

上述上压盖(6.5)、下压盖(6.3)中壁温测量孔底部距金属加热条(6.2)与流体通道壁面距金属加热条(6.2)的距离相等。

上述内部流动传热实验段流体通道截面尺寸为4×2mm，可根据具体实验工况通过流体通道骨架(6.4)尺寸和可视窗(6.9)凸台尺寸来调整其大小。

上述绝缘端盖(1)通过内螺纹与连接端盖(2)相连接，材料选用最大使用压力为≥3Mpa的绝缘材料，例如材料选用最大使用压力为3Mpa的绝缘材料，绝缘端盖(1)侧下方设置有导线孔(1.1)。

上述连接端盖(2)包括热电偶信号输出端子(2.1)和电极连接端子(2.2)，且侧面带有外螺纹；所有热电偶连接导线通过热电偶信号输出端子(2.1)与外部采集仪器相连；电极连接端子(2.2)内部通过导线与金属加热条(6.2)相连，外部与直流电源相连。

上述充压腔(4)由不锈钢制成，包括腔内充压管(4.1)、工质进液管(4.2)和实验段进口压力导压管(4.3)；和/或

所述测压腔(7)由不锈钢制成，包括腔内测压管(7.1)、工质出液管(7.2)和实验段出口压力导压管(7.3)。

基于以上技术方案，本发明提供一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置，能够考察多边界条件耦合作用下超临界压力流体在矩形通道内流动形态特征和对流传热、脉动流动等特性，为厘清超临界压力流体传热异常和脉动流动现象发生的物理机制和触发条件提供实验数据支撑。现对与现有技术，本发明的有益效果是：

1.本发明实验装置中流体通道骨架采用绝缘、高硬度、导热系数大、耐磨耗且耐高温高压的特种陶瓷材料，使得加热金属条与实验工质和实验段完全绝缘，并较好地达到等热流加热边界条件。

2.本发明实验装置中壁温测量孔底部距金属加热条与流体通道壁面距金属加热条的距离相等，由一维导热理论可知，壁温测量热电偶可以方便、快速、准确地获得流体壁温。

3.本发明实验装置中外部压力保护腔承压能力较强，充压后，使得内部实验段内、外压力保持一致，有效解决了实验段因流体压力过高而密封性差的问题，确保实验段内压力能够达到2MPa以上。此外，压力保护腔内充入导热系数为0.024W/m·K的氮气，可有效减缓中间层的热对流，进而降低实验段的热量损失。

4.本发明实验装置可以实现矩形通道内超临界压力流体在等热流加热条件下传热特性实验与流动可视化测量同时进行，为探索超临界压力流体在多边界条件耦合作用下传热异常和流动脉动的机理提供了有效研究手段。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置的内部流动传热实验段结构示意图；

图2是本发明提供的用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置的结构示意图；

图3是本发明提供的用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置的结构示意图；

图4是图3中A-A截面的示意图；

图中：1.绝缘端盖；1.1.导线孔；2.连接端盖；2.1.热电偶信号输出端子；2.2.电极连接端子；3.绝缘密封垫片；4.充压腔；4.1.腔内充压管；4.2.工质进液管；4.3.实验段进口压力导压管；5.可视腔；6.流动传热实验段；6.1.测压管；6.2.金属加热条；6.3.下压盖；6.4.流体通道骨架；6.5.上压盖；6.6.壁温测量热电偶；6.7.流体温度测量热电偶；6.8.密封石墨垫片；6.9.可视窗；7.测压腔；7.1.腔内测压管；7.2.工质出液管；7.3.实验段出口压力导压管。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

以下结合附图详细说明本发明。

如图1-图4所示，示出了本发明提供的用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置，所述装置包括内部流动传热实验段和外部压力保护腔两大部分。流动传热实验段6包括测压管6.1、金属加热条6.2、下压盖6.3、流体通道骨架6.4、上压盖6.5、壁温测量热电偶6.6、流体温度测量热电偶6.7、密封石墨垫片6.8和可视窗6.9；压力保护腔包括绝缘端盖1、连接端盖2、绝缘密封垫片3、充压腔4、可视腔5和测压腔7。

流体通道骨架6.4由氧化铝陶瓷制成，其上、下两侧加工有方形凹槽，用于放置金属加热条6.2，金属加热条(6.2)选用电阻率为≥1.00×10^-06Ω·m的镍铬合金；进、出口附近上侧开有流体测温孔，下侧开有测静压孔。上、下两个压盖同样为氧化铝陶瓷材料，氧化铝陶瓷材料为绝缘、硬度为≥88MPa、导热系数为≥25W/m·K、最大使用温度为≥1500℃、抗压强度为≥2500MPa的氧化铝陶瓷材料，分别压紧在流体通道骨架6.4上、下两侧。上压盖6.5开有流体进、出口温度测量孔，壁温测量孔和加热金属条引出孔，壁温测量热电偶6.6和流体温度测量热电偶6.7通过螺纹连接固定在上压盖6.5上；下压盖6.3开有流体进、出口压力测量孔，壁温测量孔和加热金属条引出孔，测压管6.1和壁温测量热电偶6.6通过螺纹连接固定在下压盖上。其中，为了方便准确测出壁面温度，要求壁温测量孔底部距金属加热条的距离与流体壁面距金属加热条的距离相等。流体通道骨架6.4左、右两侧可视部分为通孔，四周分别开有密封水线，带有凸台和密封水线的可视窗6.9通过螺栓固定在其左右两侧，中间通过石墨垫片6.8密封。流体通道骨架6.4进、出口为螺纹连接，分别与工质进液管4.2和工质出液管7.2相连。流动传热实验段6组装完毕后固定在可视腔5内的支架上，然后依次连接外部压力保护腔的绝缘端盖1、连接端盖2、绝缘密封垫片3、充压腔4和测压腔7，绝缘端盖1(材料选用最大使用压力为≥3Mpa的绝缘材料)通过螺纹连接，其余部分通过法兰相连接，其中可视腔(5)与可视窗(6.9)采用最大使用温度和压力分别为≥350℃和≥3MPa且透光率达到95％的钢化玻璃。实验段进、出口测压管6.1分别与实验段进口压力导压管4.3和出口压力导压管7.3相连。流动传热实验段6上所有热电偶连接导线通过热电偶信号输出端子2.1与外部采集仪器相连；电极连接端子2.2内部通过导线与金属加热条6.2相连，外部与直流电源相连。所有接出线路由导线孔1.1导出。

实验装置工作时，实验工质从工质进液管4.2流入，经过流动传热实验段后6，由工质出液口7.2排除。等热流加热边界条件通过电加热金属加热条6.2来实现。流体进、出口温度通过流体温度测量热电偶6.7来测量，测量点之前安装金属网。流体进、出口压力由测压管6.1通过实验段进口压力导压管4.3和出口压力导压管7.3引出，外接压力变送器。实验段壁温通过壁温测量热电偶6.6测得，要求壁温测量孔底部与流体通道壁面距金属加热条的距离相等，通过一维导热理论可方便、准确获得壁温。工质流体温度通过直流电源输出功率来控制，压力通过背压阀来调节。与此同时，通过腔内充压管4.1向外部压力保护腔内充入导热系数较低的氮气，保证压力保护腔内部压力与实验段内流体压力相一致，这样不仅解决了实验段密封问题，还有效降低了其热损。腔内测压管7.1通过三通接头分别连接压力变送器和安全排气阀来监控保护腔内压力。光源和高速相机分别布置在可视腔5两侧，对准实验段可视窗6.9进行拍摄。所述实验装置，通过控制工质进口温度、压力、流量、加热热流和通道截面尺寸等参数，实现多边界条件耦合作用下对超临界压力流体在矩形通道内对流传热、脉动流动特性以及流动形态特征的研究。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于等热流加热条件下超临界压力流体流动传热可视化实验装置，其特征在于，所述装置包括内部流动传热实验段和外部压力保护腔；

其中所述内部流动传热实验段包括流体通道骨架(6.4)，所述流体通道骨架(6.4)的上、下两侧各设置有凹槽，上、下凹槽内各设置有金属加热条(6.2)，所述上、下凹槽上对应设置有压盖；

所述压盖包括上压盖(6.5)和下压盖(6.3)，其中所述上压盖(6.5)上设置有流体进口温度测量孔、流体出口温度测量孔、壁温测量孔、加热金属条引出孔、壁温测量热电偶(6.6)和流体温度测量热电偶(6.7)；

所述下压盖(6.3)上设置有流体进口压力测量孔、出口压力测量孔、壁温测量孔、加热金属条引出孔、测压管(6.1)和壁温测量热电偶(6.6)；

所述流体通道骨架(6.4)的可视部分为通孔且四周开有水线，所述流体通道骨架(6.4)的左、右两侧设置有可视窗(6.9)，中间通过石墨垫片(6.8)密封；

所述流体通道骨架(6.4)的进、出口分别与工质进液管(4.2)和工质出液管(7.2)相连；

所述外部压力保护腔套在所述内部流动传热实验段外，包括绝缘端盖(1)、连接端盖(2)、绝缘密封垫片(3)、充压腔(4)、可视腔(5)和测压腔(7)；其中所述绝缘端盖(1)通过螺纹连接，所述连接端盖(2)、绝缘密封垫片(3)、充压腔(4)、可视腔(5)和测压腔(7)通过法兰相连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壁温测量热电偶(6.6)和流体温度测量热电偶(6.7)通过螺纹连接固定在上压盖上；所述测压管(6.1)和壁温测量热电偶(6.6)通过螺纹连接固定在下压盖上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可视窗(6.9)带有凸台和水线，通过螺栓固定在所述流体通道骨架(6.4)的左右两侧。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体通道骨架(6.4)的进、出口分别与工质进液管(4.2)和工质出液管(7.2)通过螺纹相连。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述下压盖(6.3)、流体通道骨架(6.4)和上压盖(6.5)的材料为绝缘、硬度为≥88MPa、导热系数为≥25W/m·K、最大使用温度为≥1500℃、抗压强度为≥2500MPa的氧化铝陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属加热条(6.2)选用电阻率为≥1.0×10^-06Ω·m的镍铬合金；可视腔(5)与可视窗(6.9)采用最大使用温度和压力分别为≥350℃和≥3MPa且透光率达到95％的钢化玻璃。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内部流动传热实验段长320mm，且进、出口各有一个测压孔和测温孔；所述壁温测量孔上、下共有六对。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上压盖(6.5)、下压盖(6.3)中壁温测量孔底部距金属加热条(6.2)与流体通道壁面距金属加热条(6.2)的距离相等。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内部流动传热实验段流体通道截面尺寸为4×2mm。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘端盖(1)通过内螺纹与连接端盖(2)相连接，材料选用最大使用压力为≥3Mpa的绝缘材料，绝缘端盖(1)侧下方设置有导线孔(1.1)。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接端盖(2)包括热电偶信号输出端子(2.1)和电极连接端子(2.2)，且侧面带有外螺纹；所有热电偶连接导线通过热电偶信号输出端子(2.1)与外部采集仪器相连；电极连接端子(2.2)内部通过导线与金属加热条(6.2)相连，外部与直流电源相连。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充压腔(4)由不锈钢制成，包括腔内充压管(4.1)、工质进液管(4.2)和实验段进口压力导压管(4.3)。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测压腔(7)由不锈钢制成，包括腔内测压管(7.1)、工质出液管(7.2)和实验段出口压力导压管(7.3)。

Images