CN109799260A - 一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统，其包括：氢热虹吸管，呈封闭中空状，其包括由上至下依次设置的冷凝段、绝热段和蒸发段，冷凝段包括至少两个子冷凝段，蒸发段包括至少两个子蒸发段；每一子冷凝段和每一子蒸发段均分别控制；第一杜瓦，具有密闭空间，其内腔面缠绕控温换热管，工质可在控温换热管中流动,用于控制第一杜瓦内温度；固定装置，用于将氢热虹吸管悬空置于第一杜瓦中。本申请试验系统通过对冷凝段子冷凝段的分别控制以及蒸发段子蒸发段的分别控制，进而改变蒸发段、冷凝段的长度，以研究蒸发段、冷凝段、绝热段长度变化对氢虹吸换热器的影响。

Description

一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统

技术领域

本申请涉及氢液化换热器领域，特别涉及一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统。

背景技术

近年来，随着我国大型氦液化低温系统的建立，利用冷氦气制冷氢液化换热器生产液氢得以进行更为深入的研究和开发。设计氢液化换热器需要掌握氢的冷凝物性。由于氢的危险性，氢冷凝的公开实验很少，而且实验数据与常温流体得到的经验关系式存在较大出入；所以需要进一步实验总结氢的冷凝物性，以得到适合氢冷凝的关系式，指导氦制冷氢换热器的设计。

直接利用换热器进行实验，具有设备投资成本高、运行成本高、实验时间长等缺点。利用仿真软件对氢的冷凝进行仿真，具有安全和成本低等优点，但其有效性还需要实验的验证。热虹吸管是研究冷凝物性的有效装置，具有投资低，效果直接、明显等优点，也能够大大简化仿真结构。因此，有必要设计氢热虹吸管实验系统来研究氢的冷凝性质。

氢作为一种低温流体，氢热虹吸管需要工作在20K左右的低温下，需要配套低温系统，而低温系统的降温需要较长的时间和较高的成本，所以，对氢热虹吸管实验系统的工况还有在低温下即可连续切换的要求。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统，以研究氢的冷凝特性。

一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统，其包括：氢热虹吸管，呈封闭中空状，其包括由上至下依次设置的冷凝段、绝热段和蒸发段，冷凝段包括至少两个子冷凝段，蒸发段包括至少两个子蒸发段；每一子冷凝段和每一子蒸发段均分别控制；第一杜瓦，具有密闭空间，其内腔面缠绕控温换热管，工质可在控温换热管中流动；固定装置，用于将氢热虹吸管悬空设置于第一杜瓦中。

其中，实验系统进一步包括第二杜瓦，第一杜瓦放置于第二杜瓦内，第二杜瓦内盛装液氮，液氮液面不高于所述第一杜瓦顶部，液氮的温度高于第一杜瓦内工质的温度。

其中，冷凝段上紧密环绕冷凝换热管，该冷凝换热管自每一子冷凝段的顶部开始沿氢热虹吸管的外壁缠绕至该冷凝段的底部后再缠绕回其顶部，冷凝工质在冷凝换热管中流动。

其中，冷凝换热管的出口端包括第一分支和第二分支，第一分支和第二分支上分别设置开关，第一分支连接控温换热管的入口端并在冷凝换热管与控温换热管中的工质一致时打开第一分支上的开关；第二分支连接外部工质回收装置并在冷凝换热管与控温换热管中的工质不一致时打开第二分支上的开关。

其中，冷凝段与绝热段之间、绝热段与蒸发段之间、相邻的子冷凝段之间、相邻的子蒸发段之间均采用绝热材料进行隔离。

其中，冷凝段、绝热段和蒸发段的外部，以及氢热虹吸管上下表面均包覆绝热材料。

其中，固定装置包括平衡盘、多个内牵引带、多个波纹结和多个外牵引带，内牵引带、波纹结和外牵引带一一对应，波纹结包括盲板、孔板和连接二者的波纹管，平衡盘固定在绝热段外侧，内牵引带的顶端和外牵引带的底端分别固定至盲板的相反侧面，内牵引带的底端固定至平衡盘上，外牵引带的顶端露出第二杜瓦，波纹结的孔板密封固定至第一杜瓦的顶盖上，且第一杜瓦的顶盖对应于波纹结的安装位置处设置牵引带通孔，波纹结的可伸展长度决定牵引带的最大行程。其中，内牵引带、波纹结和外牵引带的数量均为3个，平衡盘上开设有用于安装内牵引带的3个牵引带安装通孔，其中两个牵引带安装通孔的中心距离平衡盘的中心具有相等的第一距离D1，另一个牵引带安装通孔的中心到平衡盘中心的距离为第二距离D2，D1＞D2，三个牵引带安装通孔的中心与平衡盘中心的连线两两之间呈120°。

其中，固定装置还包括与外牵引带一一对应的多个电机。

其中，氢热虹吸管外周呈圆柱状、圆锥状或台阶状。

本申请试验系统通过对冷凝段上子冷凝段的分别控制以及控制蒸发段上子蒸发段分别控制，进而改变蒸发段、冷凝段的长度，以研究蒸发段、冷凝段、绝热段长度变化对氢虹吸换热器的影响；此外，通过电机或工具牵引外牵引带，可以使氢热虹吸管的中心轴线保持竖直或呈现一定倾角，以研究倾角的影响，或者使氢热虹吸管呈现一定频率的上下振动，以研究振动的影响。此外，由于该实验系统可以实现在同一装置多工况工作，且工况可连续切换，不需要整体温度恢复到室温切换工况，一次降温可以完成多工况的实验，大大节约了实验时间和成本。综上，该实验系统可以用于研究氢热虹吸管的倾角、充液率、振动、蒸发段长度、冷凝段长度、绝热段长度、冷凝温度、蒸发温度、冷凝热流密度、蒸发热流密度等多种参数的影响，且无需多次启停机就可完成多工况的连续切换。且在启停机的情况下，可以完成对不同形状氢热虹吸管的实验研究。

附图说明

图1为本发明一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统的剖视结构示意图；

图2为图1所示实验系统的氢热虹吸管的第一实施方式的剖视结构示意图；

图3为图1所示实验系统的氢热虹吸管的第二实施方式的剖视结构示意图；

图4是图1所示实验系统的氢热虹吸管的第三实施方式的剖视结构示意图；

图5是图1所示实验系统的第一杜瓦的透视图；

图6是图1所示实验系统的平衡盘的透视图；

图7是图1所示实验系统的波纹结与内、外牵引带连接示意图。

具体实施方式

图1-图7为本申请一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统的一种较佳实施例。在该较佳实施例中，实验系统包括氢热虹吸管10、第一杜瓦20、固定装置30和第二杜瓦40。

氢热虹吸管10呈封闭中空状。从功能上划分，氢热虹吸管10包括由上至下依次设置的冷凝段11、绝热段12和蒸发段13；从结构上划分，氢热虹吸管10包括中空的管材和包覆于管材外的其他功能层。

管材为一根封闭的、内部掏空的、具有一定壁厚的无氧铜管。请进一步结合图2至图4，优选地，氢热虹吸管外周呈圆柱状、圆锥状或台阶状。圆锥状的意义在于模拟翅片有一定斜角的板翅式换热器。在长度方向上有外周直径发生阶跃变化称为台阶状热虹吸管，意义在于模拟一般的板翅式换热器。管材的内壁表面可以为光滑的表面，也可以有微小、整齐均匀的翅片。管材的壁面开有用于充入和排出工质的开孔，实验过程中，管材中密封一定充液率的工质，例如，液氢。管材内外安装有用于监控温度的温度计和用于监控压力的压力计。

冷凝段11包括至少两个子冷凝段(未图示)，蒸发段13包括至少两个子蒸发段(未图示)，每一子冷凝段和每一子蒸发段均分别控制。因此，冷凝段11和加热段13的长度均可调。

冷凝段11上紧密环绕冷凝换热管，该冷凝换热管自每一子冷凝部的顶部(亦即远离蒸发段的一端)开始沿氢热虹吸管的管材外壁缠绕至该冷凝段的底部(即靠近蒸发段的一端)后再缠绕回其顶部。冷凝换热管用于导入流动工质。各子冷凝段的冷凝换热管的入口由相同的冷源提供流动工质，各子冷凝段的冷凝换热管的出口可以汇流在一起。冷凝段11的换热管中的工质可以是冷氦气或液氢。冷凝段11的冷凝换热管中的工质来自实验系统外部，去向实验系统外部的回收装置。通过调节冷凝管内的工质的温度、流量等参数，可以给冷凝段以恒热流、恒壁温等边界条件。可以靠制冷机的制冷、膨胀机的膨胀，以及在恒温液氢液池中通过等方式保证管内工质来流的温度的恒定。

每一子蒸发段均为包覆于氢虹吸热管的管材外壁的加热器。加热器为蒸发段13提供恒定热流、恒定温度等热流条件。

冷凝段11与绝热段12之间、绝热段12与蒸发段13之间，相邻的子冷凝段之间、相邻的子蒸发段之间均采用绝热材料进行隔离。

冷凝段11、绝热段12和蒸发段13的外部以及管材的其他位置外部均包覆多层绝热材料101，以保证多层绝热材料内外尽可能少的能量交换。

此外，关于蒸发段13的设置位置，其可以位于氢热虹吸管的管材的下部亦可以位于管材的底部。当蒸发段13位于氢热虹吸管的下部时，冷凝段11、绝热段12和蒸发段13分设于管材的侧面上。当蒸发段13位于氢热虹吸管的底部时，氢热虹吸管的管材的侧面上仅设置冷凝部11和绝热部12。

第一杜瓦20，具有密闭的空间，实验过程中处于真空状态。第一杜瓦的内腔面缠绕控温换热管，工质可在控制换热管中流动，用于控制第一杜瓦内温度。该流动的工质可以是冷氦气或者液氢，第一杜瓦内温度约为20K。换热管自第一杜瓦20筒体的内表面顶部开始环绕到底部，在底部环绕成盘状覆盖底面后再沿着内杜瓦内腔环绕返回顶部。可以采用制冷机、膨胀机、恒温液池保证换热管内工质的温度恒定等。

关于第一杜瓦20的控温换热管的工质来源，还可以做出如下设置：冷凝段11的换热管的出口端包括第一分支(未图示)和第二分支(未图示)，第一分支和第二分支上分别设置开关。第一分支连接第一杜瓦20的控温换热管的入口端并在冷凝段11的冷凝换热管中的工质与第一杜瓦20的控温换热管中的工质一致时打开第一分支上的开关以实现对氢热虹吸管10的冷凝换热管流出的工质进行余冷量的利用；第二分支连接外部装置并在冷凝段11的冷凝换热管中的工质与控温换热管中的工质不一致时打开第二分支上的开关。

第二杜瓦40内盛装液氮，第一杜瓦20浸泡于第二杜瓦40盛装的液氮中，液氮液面不高于所述第一杜瓦顶部。液氮的温度约为77k，而第一杜瓦内的温度约为20k，因此，液氮的温度高于第一杜瓦20内的温度。

第二杜瓦40的设置可以降低第一杜瓦内腔表面换热管内工质(冷氦气或液氢)的消耗，实际应用中亦可以省略第二杜瓦40的设置。

固定装置30包括平衡盘31、多个内牵引带32、多个波纹结33、多个外牵引带34和多个电机35。内牵引带32、波纹结33和外牵引带34一一对应。

平衡盘31固定在绝热段12外侧，用于悬挂氢热虹吸管以及控制氢热虹吸管的姿态。优选地，平衡盘31呈圆盘状，在其他的实施例中，平衡盘31亦可以选择其他形状。平衡盘31的轴线与氢热虹吸管的轴线重合。平衡盘31的中心开设用于安装氢热虹吸管10的通孔(未标示)。

内牵引带32的底端固定至平衡盘31上、顶端固定至波纹结33。外牵引带34的底端固定至波纹结33、顶端露出第二杜瓦40。

波纹结33是两端为圆形平板、中间为波纹管的一个整体结构，两端的圆形平板即盲板331和孔板332，波纹管连接二者。盲板331的两相反侧面上分别设置用于固定内牵引带32和外牵引带34的固定结构(未图示)。

内牵引带32的顶端和外牵引带34的底端均固定至波纹结33的盲板331的相反侧面；孔板332密封固定至第一杜瓦20的顶盖上，且第一杜瓦20的顶盖对应于波纹结33的安装位置处设置牵引带通孔(未图示)；波纹结33的可伸展长度决定牵引带的最大行程。

图1和图6所示的实施例中，内牵引带32的顶端和外牵引带34的底端均固定至波纹结33的盲板331，具体地，内牵引带32的顶端固定至波纹结33的盲板331下表面，外牵引带34的底端固定至波纹结33的盲板331上表面。在这种情况下，波纹结33的孔板332固定至第一杜瓦20的上盖的顶面上，即波纹结33设置于第一杜瓦20的外部，内牵引带32穿过波纹结33的孔板332以及第一杜瓦20顶盖与平衡盘31连接。

实际应用中，还可以将波纹结33设置于第一杜瓦20的内部，此时，内牵引带的顶端和外牵引带的底端仍固定至波纹结的盲板331。具体地，内牵引带32的顶端固定至波纹结33的盲板331下表面，外牵引带34的底端固定至波纹结33的盲板331上表面。在这种情况下，波纹结33的孔板332固定至第一杜瓦20的上盖的底面上，外牵引带34穿过波纹结33的孔板332以及第一杜瓦20的顶盖后再露出第二杜瓦40外。

进一步地，本申请中，内牵引带32、波纹结33和外牵引带34的数量均为3个，平衡盘31上开设有用于安装内牵引带32的3个牵引带安装通孔311。对于内牵引带32与平衡盘31的连接方式，除了在平衡盘31上设置牵引带安装通孔外，还可以通过其他的连接方式实现。

为了便于快速实现对氢热虹吸热管进行角度调整，优选地，其中两个牵引带安装通孔311的中心距离平衡盘31的中心具有相同的距离，假设该距离为第一距离D1，另一个牵引带安装通孔311的中心到平衡盘31中心的距离为第二距离D2，D1＞D2。换句话说,三个牵引带安装通孔311中需设置一个距离平衡盘中心较近的安装孔，在进行氢热虹吸管的倾角测试中只需牵引固定至该牵引带安装通孔的内牵引带即可。

进一步地，三个牵引带安装通孔311的中心与平衡盘31中心的连线两两之间呈120°夹角。

多个电机35与外牵引带34一一对应。电机35用于驱动对应的外牵引带34进而拉动内牵引带32及平衡盘31，以实现氢热虹吸管10的倾角调整或振动调整。倾角调整如前所述，仅需驱动一台电机即可；而振动调整则需要对多个电机进行同时驱动。

优选地，电机35为闭环控制的电机。除此之外，电机35亦可以采用其他驱动装置代替。

除上述实施例提及的固定装置30外，固定装置还可以有其他的实现形式。例如通过位置不可变化的悬挂式结构将氢虹吸热管固定在第一杜瓦20的内部。此时，可以通过倾斜第一杜瓦20或者震荡第一杜瓦20的方式模拟氢热虹吸管10的倾角和振动情形。

本申请试验系统通过对冷凝段上子冷凝段的分别控制以及控制蒸发段上子蒸发段分别控制，进而改变蒸发段、冷凝段的长度，以研究蒸发段、冷凝段、绝热段长度变化对氢虹吸换热器的影响；此外，通过电机或工具牵引外牵引带34，可以使氢热虹吸管10的中心轴线保持竖直或呈现一定倾角，以研究倾角的影响，或者使氢热虹吸管10呈现一定频率的上下振动，以研究振动的影响。此外，由于该实验系统可以实现在同一装置多工况工作，且变换工况可连续切换，不需要整体温度恢复到室温拆开装置更换，一次降温可以完成所有工况的实验，大大节约了实验时间和成本。综上，该实验系统可以用于研究氢热虹吸管10的倾角、充液率、振动、蒸发段长度、冷凝段长度、绝热段长度、冷凝温度、蒸发温度、冷凝热流密度、蒸发热流密度等多种参数的影响，且无需启停机就可完成多工况的连续切换。且在启停机的情况下，可以完成对不同形状氢热虹吸管的实验研究。

以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多工况连续切换氢热虹吸管实验系统，其特征在于，所述实验系统包括：

氢热虹吸管，呈封闭中空状，其包括由上至下依次设置的冷凝段、绝热段和蒸发段，所述冷凝段包括至少两个子冷凝段，所述蒸发段包括至少两个子蒸发段；每一子冷凝段和每一子蒸发段均分别控制；

第一杜瓦，具有密闭的空间，其内腔面缠绕控温换热管，工质可在所述控温换热管中流动，用于控制第一杜瓦内温度；

固定装置，用于将氢热虹吸管悬空设置于所述第一杜瓦中。

2.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述实验系统进一步包括第二杜瓦，所述第一杜瓦放置于所述第二杜瓦内，所述第二杜瓦内盛装液氮，液氮液面不高于所述第一杜瓦顶部，所述液氮的温度高于所述第一杜瓦内的温度。

3.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述冷凝段上环绕冷凝换热管，该冷凝换热管自每一子冷凝段的顶部开始沿所述氢热虹吸管的外壁缠绕至该冷凝段的底部后再缠绕回其顶部，冷凝工质在冷凝换热管中流动。

4.根据权利要求3所述的实验系统，其特征在于，所述冷凝换热管的出口端包括第一分支和第二分支，第一分支和第二分支上分别设置开关，第一分支连接所述控温换热管的入口端并在冷凝换热管与控温换热管中的工质一致时打开第一分支上的开关；第二分支连接外部工质回收装置并在冷凝换热管与控温换热管中的工质不一致时打开第二分支上的开关。

5.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述冷凝段与绝热段之间、所述绝热段与蒸发段之间、相邻的所述子冷凝段之间、相邻的所述子蒸发段之间均采用绝热材料进行隔离。

6.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述冷凝段、绝热段和蒸发段的外部，以及氢热虹吸管上下表面均包覆绝热材料。

7.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，所述固定装置包括平衡盘、多个内牵引带、多个波纹结和多个外牵引带，所述内牵引带、波纹结和外牵引带一一对应，所述波纹结包括盲板、孔板和连接二者的波纹管，所述平衡盘固定在所述绝热段外侧，所述内牵引带的顶端和所述外牵引带的底端分别固定至所述盲板的相反侧面，所述内牵引带的底端固定至平衡盘上，所述外牵引带的顶端露出所述第二杜瓦，所述波纹结的孔板密封固定至所述第一杜瓦的顶盖上，且所述第一杜瓦的顶盖对应于波纹结的安装位置处设置牵引带通孔，波纹结的可伸展长度决定牵引带的最大行程。

8.根据权利要求7所述的实验系统，其特征在于，所述内牵引带、波纹结和外牵引带的数量均为3个，所述平衡盘上开设有用于安装内牵引带的3个牵引带安装通孔，其中两个牵引带安装通孔的中心距离平衡盘的中心具有相等的第一距离D1，另一个牵引带安装通孔的中心到平衡盘中心的距离为第二距离D2，D1＞D2，三个牵引带安装通孔的中心与平衡盘中心的连线两两之间呈120°。

9.根据权利要求7所述的实验系统，其特征在于，所述固定装置还包括与所述外牵引带一一对应的多个电机。

10.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述氢热虹吸管外周呈圆柱状、圆锥状或台阶状。