CN110133037A - 一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，解决了现有技术中的处理方式存在成本高或液位和系统压力精确控制难的问题。本发明包括沸腾水池、沸腾表面加热系统、饱和水供应水箱，以及连接沸腾水池和饱和水供应水箱的蒸汽释放管路、注水管路和回水管路。通过增设饱和水供应水箱实现了恒压系统和液位恒定系统的功能分离，沸腾产生的蒸汽在饱和水供应水箱顶部的横管冷凝区实现冷凝后回收，同时沸腾水池中损失的液位通过注水和回水回路得到补充。本发明可以实现系统压力、水池液位、液体饱和温度等参数保持恒定、独立可调的功能，通过更换不同加热面结构试件可研究其对池式沸腾的敏感性，同时具备高效、紧凑、便利的特点。

Description

一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置

技术领域

本发明涉及热工流体的实验系统领域，具体涉及一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置。

背景技术

依据沸腾曲线，池式沸腾可分为泡核沸腾区、过渡沸腾区、膜态沸腾区三个区段，沸腾起始点、临界热流密度点、最小膜态沸腾热流密度点三个分界点。

研究池式沸腾不仅对锅炉、蒸发器等传热设备的设计计算有实用意义，而且还可以应用池式沸腾的研究结果去解释具有类似基本沸腾模式但实际复杂得多的流动沸腾现象。进行池式沸腾实验，因液相不断相变汽化，沸腾水箱液位不断下降、汽化的蒸汽不断提升沸腾水箱的系统压力，想在各影响因素为恒定值的稳态条件下研究池式沸腾存在较大的难度。

影响池式沸腾的因素有系统压力、表面效应、加热面大小和方位、不凝气体、重力场效应、液体纯度、液体过冷度、液位高低等，通过控制变量法研究单个因素对池式沸腾的影响特性需要保持其他因素为恒定值，但在实际池式沸腾实验中，要同时保持系统压力的恒定和液位的恒定较为困难。

现有的处理方案主要分为两种，一种是将产生的蒸汽在恒压控制器下不间断的按量排除，损失的液位也不断补充；另一种是在密闭的沸腾水箱顶部增添回流冷凝器，冷凝蒸汽补充水位。前一种不能形成循环，稳态工况的维持成本较高，饱和水的超大供应量使得设备系统臃肿；后一种的冷凝回流补充水位解决了第一种的弊端，但通过冷凝回水来补充液位的设计存在滞后性，特别是在加热面热流密度提升后，液位呈现先下降后回升，系统压力先升高再降低的波动过程；其次在不同的热流密度的稳态条件下呈现不同的液位和系统压力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术针对池式沸腾实验装置中系统压力、液位两个变量联动变化，难以独立控制的困难，采取的处理方式存在成本高、液位和系统压力精确控制难的问题。本发明的目的在于提供一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其通过合理的结构设计，使装置具有系统压力、液位高低、加热面结构均可独立、可控变化的能力，特别在保持系统压力恒定和液位恒定方面更加可靠。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，包括：用于安装加热面结构的沸腾水箱，对沸腾水箱中安装的加热面结构进行加热的沸腾表面加热系统，以及饱和水供应水箱；所述饱和水供应水箱与沸腾水箱之间连通有三条管路，分别为蒸汽释放管路、注水管路和回水管路。

其中，蒸汽释放管路用于饱和水供应水箱与沸腾水箱顶部之间的连通；所述蒸汽释放管路包括连通饱和水供应水箱与沸腾水箱顶部的蒸汽管道。注水管路用于饱和水供应水箱与沸腾水箱底部之间的连通；所述注水管路包括连通饱和水供应水箱与沸腾水箱底部的注水管道，安装在注水管道上的阀门和注水循环泵。回水管路用于饱和水供应水箱与沸腾水箱中间部位之间的连通；所述回水管路包括连通饱和水供应水箱与沸腾水箱中间部位的回水管道，安装在回水管道上的阀门和U型水封。

所述饱和水供应水箱顶部设置冷凝区，所述冷凝区与蒸汽释放管路以及回水管路组成恒压系统，使得沸腾水箱中的蒸汽产支平衡，保持系统压力的恒定。所述饱和水供应水箱的底部为饱和水池，所述饱和水池与注水管路以及回水管路组成液位恒定系统，使得沸腾水箱中的液位保持恒定。

相比于现有技术中的方案，本发明通过增添一个饱和水供应水箱为沸腾水箱提供冷凝蒸汽和储存饱和水的场所，饱和水供应水箱的底部为饱和水池，饱和水池中增设加热器维持饱和温度，饱和水供应水箱的顶部为冷凝区，沸腾水池中产生的蒸汽在此区域冷凝，中间为汽空间，为整个系统的增压提供缓冲空间。本发明以控制沸腾水箱的液位、系统压力独立可变为目标，实验装置系统设计中确立了“以蒸汽冷凝设计为主的压力恒定系统与以注水和回水设计为主的液位恒定系统功能相互分离”的思路，具体实现原理如下：

首先阐述恒压系统的实现过程。

在沸腾开始后，沸腾水箱中的压力就不断升高，产生的蒸汽通过顶部的蒸汽释放管路来到饱和水供应水箱顶部的冷凝区实现冷凝，沸腾水箱在蒸汽产支平衡的稳态情况下保持恒定压力，此压力虽然略高于实验初始的系统压力，但可通过冷凝区的二次侧冷却水流量调节、饱和水供应水箱的加热器功率调节、不凝气体充压阶段初始系统压力的调节等三种调节手段，使得稳态压力调节为目标系统压力。同时，回水管路中设计了U型水封，沸腾水箱中的蒸汽只有当沸腾水箱和饱和水供应水箱中的压差达到U型水封高度的压降时才能穿过U型水封进入饱和水供应水箱，此外，蒸汽只能从蒸汽释放管路注入饱和水供应水箱顶部的冷凝区。系统压力的调节可以通过初始打压阶段向整个系统充不凝气体的方式得以实现，不凝气体不会被冷凝，会一直维持初始的基本压力。进一步，所述冷凝区由多排横管平行设置而成，同排中相邻两根横管的距离为L，其中一排横管中的一根横管与相邻一排中与其最近的横管之间的距离为M，则M＝L。即，本发明的冷凝区截面中多排横管呈斜向正三角形排布的方式，通过该排列方式，可以提供更大的蒸汽冷凝效率。

其次再阐述液位恒定系统的实现过程。

液位恒定是通过注水循环泵将饱和水供应水箱中的饱和水注入沸腾水箱，同时将池内多余的水通过回水管路送回饱和水供应水箱的过程实现的。注水管路的注水接口安装在沸腾水箱的底部，回水管路的回水接口在沸腾水箱目标液位的位置，注水流量略大于池内水蒸发速率。同时通过饱和水供应水箱中的电加热器保持注入的水始终维持在相应压力下的饱和温度。通过回水管路与沸腾水池侧壁上不同高度的液位调节接口连接来实现沸腾水池内液位的调节。

沸腾表面供热系统由导热铜柱和插入铜柱中的电加热棒组成，铜柱由较细圆柱段、锥体段、较粗圆柱段组成，电加热棒插入较粗圆柱段的中底部，导热铜柱细颈段的顶端设置在沸腾水箱底端加热面结构安装位置处。这种结构下，较细圆柱段的温度梯度明显，径向温度分布和热流密度分布均匀，适合在细颈端面粘结不同结构的加热表面进行池式沸腾实验，加热表面与铜柱细颈端面通过金属锡进行粘合，不同结构的加热表面材质为铜，或者导热系数较大的金属，导热铜柱周围用保温材料包裹。

综上所述，本发明可以实现系统压力、液位、加热表面结构三种参数独立、精确、可调节条件下进行池式沸腾的研究，

进一步，所述饱和水供应水箱底端设置有充排水接口，冷凝区下方的饱和水供应水箱顶端位置处设置有系统充排压接口。为了便于观察，所述沸腾水箱的侧壁上设置有可视窗口，或者沸腾水箱的箱壁采用透明材质构成。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明解决了现有池式沸腾实验装置中系统压力、液位变量控制难，联动变化的难题，本发明通过增添一个饱和水供应水箱为沸腾水箱提供冷凝蒸汽和储存饱和水场所，实现了压力恒定系统和液位恒定系统功能分离、独立运行的目的；

2、本发明中的沸腾水箱、饱和水供应水箱与提供均匀热流密度的导热铜柱结构相配合，形成了一套系统压力和沸腾水箱液位独立、可控变化，同时具有高效、紧凑、便利等特点的池式沸腾系统装置，通过更换不同加热面结构试件可研究其对池式沸腾的敏感性，可用于开展不同加热表面结构的敏感性分析实验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的整体结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-电加热棒；2-导热铜柱；3-保温材料；4-导热胶或金属锡；5-加热面结构；6-固定环；7-沸腾水箱；8-可视窗口；9-沸腾水箱充排水接口；10-蒸汽管道；11-回水管道；12-注水管道；13-注水循环泵；14-饱和水供应水箱；15-电加热器；16-横管冷凝区；17-系统充压接口；18-饱和水供应水箱充排水接口；19-液位调节接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，如图1所示，包括在底端设置有用于安装加热面结构5的沸腾水箱7，设置在沸腾水箱7上的沸腾水箱充排水接口9，对沸腾水箱7中安装的加热面结构5进行加热的沸腾表面加热系统，饱和水供应水箱14，以及饱和水供应水箱14与沸腾水箱7之间连通三条管路：蒸汽释放管路、注水管路和回水管路。

蒸汽释放管路用于饱和水供应水箱14与沸腾水箱7顶部之间的连通；所述蒸汽释放管路包括连通饱和水供应水箱14与沸腾水箱7顶部的蒸汽管道10。注水管路用于饱和水供应水箱14与沸腾水箱7底部之间的连通；所述注水管路包括连通饱和水供应水箱14与沸腾水箱7底部的注水管道12，安装在注水管道12上的阀门和注水循环泵13。回水管路用于饱和水供应水箱14与沸腾水箱7中间部位之间的连通；所述回水管路包括连通饱和水供应水箱14与沸腾水箱7中间部位的回水管道11，安装在回水管道11上的阀门和U型水封。

其中，所述饱和水供应水箱14顶部设置冷凝区16，所述冷凝区16与蒸汽释放管路以及回水管路组成用于通过蒸汽的产支平衡维持系统压力恒定的恒压系统。所述饱和水供应水箱14的底部为饱和水池，所述饱和水池与注水管路以及回水管路组成与沸腾蒸发效率平衡的液位恒定系统。

本发明具有系统压力、液位高低、加热面结构均可独立、可控变化的能力。本发明结构实现相应功能的过程和工作原理如下：

(1)本发明的整个系统装置主要由可视化沸腾水箱、沸腾表面加热系统、饱和水供应水箱，以及连接沸腾水箱和饱和水供应水箱的三条管路组成，三条管路为蒸汽释放管路、注水管路和回水管路。本发明装置相比于常规只有沸腾水箱7的实验装置，本发明增添了一个饱和水供应水箱14作为蒸汽冷凝和储存饱和水的场所，同时也是恒压系统和液位恒定系统实现功能分离、独立运行的设备基础。饱和水供应水箱14的顶部为冷凝区16，冷凝效率符合最高加热功率规模和系统压力调节需求；底部为一定液位的饱和水池，水池中插入加热器15，使用闭环控制维持饱和水温，该加热器15优选为电加热器；中部为汽空间，为整个系统的增压提供缓冲空间。

(2)恒压系统由蒸汽释放管路、冷凝区16、饱和水供应水箱14汽空间、回水管路、沸腾水箱7汽空间组成。沸腾水箱7中的压力随着气泡的产生而不断升高，由于回水管路用U型水封实现汽水隔离，因而产生的蒸汽只能通过顶部的蒸汽释放管路来到饱和水供应水箱14顶部的冷凝区16实现冷凝，沸腾水箱7在蒸汽产支平衡的稳态情况下保持恒定压力，此压力虽然略高于实验初始的系统压力，但可通过横管冷凝区16二次侧冷却水流量调节、饱和水供应水箱电加热器15功率调节、初始打压略小于目标系统压力的三种调节手段，使得稳态压力调节为目标系统压力。

本发明中的冷凝区16由多排横管斜向正三角形排布而成，即由多排横管平行设置而成，同排中相邻两根横管的距离为L，其中一排横管中的一根横管与相邻一排中与其最近的横管之间的距离为M，则M＝L。

(3)液位恒定系统由沸腾水箱7、注水管路、注水循环泵13、回水管路、饱和水供应水箱14组成，饱和水通过注水循环泵13以大于蒸发速率的注水流量注入到沸腾水箱7的底部，注入的饱和水大部分补充蒸发掉的水量，多余超过目标液位的通过回水管路流回饱和水供应水箱14。同时，通过回水管路与沸腾水池接口位置高度的调节实现液位的调节，具体的：

所述沸腾水箱7的侧壁上设置有可视窗口；所述沸腾水箱7上具有多个沿着沸腾水箱7不同高度设置的液位调节接口19；所述回水管路和注水管路均通过液位调节接口19与沸腾水箱7连通。所述饱和水供应水箱14底端设置有饱和水供应水箱充排水接口18，该冷凝区16下方的饱和水供应水箱14顶端位置处设置有系统充压接口17，如图1所示。

(4)本发明中沸腾水箱7中液体饱和温度维持是通过饱和水供应水箱14底部水池中加热器15实现的，加热器15以所处水池中的水温为功率控制信号，实现闭环恒温的功率控制，饱和水池产生的蒸汽也可调节系统压力。

(5)本发明中的沸腾表面加热系统包括导热铜柱2，设置在导热铜柱2底端位置处的电加热棒1，以及包裹导热铜柱2的保温材料3；所述导热铜柱2的顶端设置在沸腾水箱7底端加热面结构5安装位置处。所述导热铜柱2由底端圆柱段、中间锥体段和顶端圆柱段，底端圆柱段的直径大于顶端圆柱段，顶端圆柱段的直径与中间锥体段的上表面直径相同，中间锥体段下表面直径与底端圆柱段直径相同；底端圆柱段的中下部插入有沿着径向设置的电加热棒1。所述加热面结构5通过导热胶或金属锡4粘接在导热铜柱2上。所述加热面结构5通过固定环6安装在沸腾水箱7内部底端位置处。

本发明图1中所示的导热铜柱结构2为加热面结构提供了径向均匀的热流密度，通过将不同的加热面结构5通过导热胶4黏贴在铜柱细颈端面进行池式沸腾实验，不同加热面结构5试件更换更加方便。导热铜柱结构的尺寸比例如表1所示。

表1沸腾表面加热系统部件尺寸比例

a	b	c	d	e	f	g	h	i	j
										2	1	1	2.5	0.5	1	1.2	1	4	4

上述表1中的a～j为图1中相应部件尺寸编号。

(6)本发明的整个池式沸腾系统装置可以实现沸腾稳态下系统压力、水池液位、水池饱和温度保持恒定，通过更换不同加热面结构5试件研究其对池式沸腾的敏感性；同时具备系统压力、水池液位可独立、精确调节的功能，满足不同工况下系统压力、水池液位可独立调节的需求；系统装置的设计具备高效、紧凑、便利的特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，包括：沸腾水箱(7)，对沸腾水箱(7)中安装的加热面结构(5)进行加热的沸腾表面加热系统；其特征在于，

还包括饱和水供应水箱(14)；所述饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)之间连通有三条管路，分别为蒸汽释放管路、注水管路和回水管路；

蒸汽释放管路用于饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)顶部之间的连通；

注水管路用于饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)底部之间的连通；

回水管路用于饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)中间部位之间的连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，

所述蒸汽释放管路包括连通饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)顶部的蒸汽管道(10)；

所述注水管路包括连通饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)底部的注水管道(12)，安装在注水管道(12)上的阀门和注水循环泵(13)；

所述回水管路包括连通饱和水供应水箱(14)与沸腾水箱(7)中间部位的回水管道(11)，安装在回水管道(11)上的阀门和U型水封。

3.根据权利要求1所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述饱和水供应水箱(14)顶部设置冷凝区(16)，所述冷凝区(16)与蒸汽释放管路以及回水管路组成用于通过蒸汽的产支平衡维持系统压力恒定的恒压系统。

4.根据权利要求3所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述饱和水供应水箱(14)底端设置有加热器(15)，通过加热器(15)的功率调节、冷凝区(16)二次侧冷却水流量调节以及不凝气体充压阶段初始系统压力调节的手段实现系统压力调节。

5.根据权利要求4所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述冷凝区(16)由多排横管斜向正三角形排布而成，同排中相邻两根横管的距离为L，其中一排横管中的一根横管与相邻一排中与其最近的横管之间的距离为M，则M＝L。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述饱和水供应水箱(14)的底部为饱和水池，所述饱和水池与注水管路以及回水管路组成与沸腾蒸发效率相匹配的液位恒定系统。

7.根据权利要求6所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述沸腾水箱(7)上具有多个沿着沸腾水箱(7)不同高度设置的液位调节接口(19)；所述回水管路(11)通过连接不同高度的液位接口来独立调节沸腾水箱(7)的液位。

8.根据权利要求1所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述沸腾表面加热系统包括导热铜柱(2)，和插入导热铜柱(2)中的电加热棒(1)；导热铜柱(2)由底端圆柱段、中间锥体段和顶端圆柱段组成，底端圆柱段的直径大于顶端圆柱段，顶端圆柱段的直径与中间锥体段的上表面直径相同，中间锥体段下表面直径与底端圆柱段直径相同；所述电加热棒(1)插入底端圆柱段的中底部。

9.根据权利要求8所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述加热面结构(5)通过导热胶或金属锡(4)粘接在导热铜柱(2)上。

10.根据权利要求8或9所述的一种用于研究不同加热面结构下池式沸腾传热的实验装置，其特征在于，所述加热面结构(5)通过固定环(6)安装在沸腾水箱(7)内部底端位置处，固定环(6)与加热表面边缘锥形面之间的面密封实现了加热表面安装后的高温承压密封。