CN110161076A - 一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，包括实验段、循环回路、控制系统和数据采集与图像拍摄系统，实验段为一根镀膜石英玻璃管；循环回路包括蓄水箱、预热器、齿轮泵、过滤器、出口观察段和冷却器组成；控制系统为一个伺服控制电箱；数据采集与图像拍摄系统由质量流量计、压差计、热电偶、高速摄影仪、计算机、模拟电流输入模块、隔离热电偶输入模块及Labview程序组成。本发明可以观测圆管内气泡的产生、增长、脱离、湮灭等行为，并采集相关热参数，包括壁温、压差、压力、流速等。本发明可应用在单相混合对流换热特性分析、非稳态流动条件下沸腾起始点特性研究、非稳态流动条件下单个气泡观测、过冷沸腾换热特性分析等研究中。
Description
技术领域
本发明涉及一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，属于气液两相流、反应堆热工水力、传热学领域。
背景技术
流动不稳定性的主要特征为流量波动，而流量波动会进一步影响换热设备的运行特性。非稳态流动条件下，换热设备的运行特性是海洋反应堆热工分析所面临的问题之一。换热设备的运行特性包括了沸腾起始、换热、流型与阻力等内容。沸腾起始特性决定了流体是否发生沸腾，而沸腾起始后换热机理极为复杂，现阶段关于流量波动条件下的过冷沸腾起始与换热特性的研究收到广泛关注。过冷沸腾起始是指由亚稳态的流体首先核化产生气泡的过程。同过冷沸腾换热一致，过冷沸腾起始也涉及到流体力学与热力学等学科，受到壁面微纳尺寸几何结构、润湿性能的影响，现象极为复杂，是气液相变研究的基础问题之一。因此有必要设计一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，用于采集换热过程中的热参数波动和拍摄高清气泡图像。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，可采集加热圆管间压差、壁温、水温、流速和拍摄气泡流动行为的相关图像，其采集数据精确，图像清晰度高。
本发明的目的是这样实现的：包括循环回路、数据采集与图像拍摄系统，循环回路包括通过管路依次连接的蓄水箱、齿轮泵、过滤器、实验段、螺旋搅混器、可视化段以及设置在管路上的阀门，可视化段的端部通过管路与蓄水箱连接，齿轮泵连接有伺服控制器，齿轮泵还设置有旁通路，蓄水箱下端设置有预热器，蓄水箱上端通过管路连接排气罐，蓄水箱的一个侧面上设置有石英玻璃视窗、内部设置有冷却圆盘，冷却圆盘进出口与冷却水箱连接，冷却水箱与冷却圆盘之间设置有离心泵，数据采集与图像拍摄系统包括设置在过滤器与实验段之间的电磁流量计、设置在实验段两端的入流热电偶和出口热电偶、设置在实验段上部和下部的引压管之间的压差计、用于拍摄实验段的高速摄像仪、设置在实验段上的壁面热电偶，伺服控制器、数据采集与图像拍摄系统与计算机连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.壁面热电偶有5个，且等间距设置在实验段上。
2.冷却圆盘为紫铜材料的螺旋管，其进口与出口穿过蓄水箱上的圆孔与冷却水箱连接，冷却水箱内的冷却水通过离心泵持续流过冷却圆盘内部，冷却圆盘的外壁面带走蓄水箱内高温水的热量。
3.排气罐是一个液封式玻璃容器。
4.实验段为一根镀膜石英玻璃管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的目的在于提供一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，本发明的优势在于：(1)各种测量仪器精度较高，并通过数据采集系统连接，高速摄影仪另配一个同步触发开关，因此各热参数与图像为同步测量；(2)实验段为镀膜石英玻璃管，对自然光的透射率高，内壁面热功率均匀，拍摄图像清晰度高；(3)齿轮泵经伺服控制器由数控程序控制，可供调节的范围广；(4)蓄水箱下部焊接预热器，另有一组冷却圆盘，便于调节蓄水箱内水温。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的循环回路流动示意图；
图3为本发明的正弦式脉动的瞬态流量；
图4为本发明的阶跃式脉动的瞬态流量；
图5为本发明的脉动信号输入与传递形式；
图6数据采集系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合附图1，本系统包括ITO可视化实验段、循环回路、控制系统和数据采集与图像拍摄系统四个部分。ITO可视化实验段为：镀膜石英玻璃管1，外径8mm、长度为300mm，内壁的ITO薄膜与18.直流电源连接，可加热管内流体。数据采集与图像拍摄系统由：壁面热电偶2是5个间距为50mm的T型热电偶，壁面热电偶通过耐高温的热电偶胶带固定在实验段外壁面，并在热电偶测点位置涂抹导热胶，使其与壁面紧密接触；入流热电偶3，通过实验段上游的小孔嵌入上游的管道中，用于测量入口流体温度；出口热电偶4，通过实验段下游的小孔嵌入下游的管道中，用于测量出口的流体温度；压差计5，与实验段上部和下部的引压管相连，测量实验段的进出口压差；高速摄影仪6，用于拍摄实验段内气泡的高清图像；电磁流量计7，记录实验段内流体流速。循环回路由：蓄水箱8的主体为密闭的不锈钢，其中一面不锈钢内嵌石英玻璃视窗9，用于观测蓄水箱内是否有不凝性气体；预热器10为一个板式加热器，焊接在蓄水箱下方，通过72V直流电源发热并对蓄水箱内流体加热；蓄水箱另有4个圆孔，其中2个圆孔连接循环回路的两根管道，用于去离子水的流入和流出；另外2个圆孔与冷却圆盘11连接，冷却圆盘为紫铜材料的螺旋管，冷却圆盘位于蓄水箱内部，其进口与出口通过蓄水箱上的圆孔与冷却水箱20相连，冷却水箱20内的冷却水通过离心泵21持续流过冷却圆盘内部，冷却圆盘的外壁面带走蓄水箱内高温水的热量；齿轮泵12安装在循环回路上，用于驱动回路内流体；过滤器13安装在循环回路上，用于过滤回路内可能存在的杂质；螺旋搅浑器14为一个黄铜材料的螺旋管，其外径与循环回路内径相当，固定在实验段出口附近的管道内，破坏出口流体的热边界层，使出口热电偶能够测量到出口流体的平均水温；可视化段(观察段)15为一段石英玻璃管，通过软管连接在螺旋搅混器的下游位置附近的管道之间，观测出口段下游的气液两相流流动，为实验工况调整作参考；排气罐16为一个液封式玻璃容器，蓄水箱8顶部的小孔通过软管浸没于排气罐16；除气阶段预热器10功率全开，蓄水箱内的产生蒸汽，不溶性气体随着蒸汽一起进入排气罐16，随后排入大气。控制系统为：伺服控制器17，通过程序调节齿轮泵转速，实现循环回路内的流量以特定函数形式波动。
本发明的循环回路分为主回路与冷却回路，主回路包括蓄水箱、预热器、齿轮泵、过滤器和观察段，连接的管道为外径8mm、壁厚为1mm的316不锈钢实验段圆管；冷却回路包括冷却盘管、立式离心泵和冷却水箱。循环回路为实验段入口连续提供离子水，并通过冷却回路将蓄水箱中的去离子水温度控制在一定范围内。
ITO可视化实验段为一段外径8mm、长度为300mm的石英玻璃管，其内壁镀有一层ITO薄膜用于加热流体。整个ITO实验段置于密闭有机玻璃容器中以减小散热损失，仅进出口与循环回路连接。
控制系统包括伺服控制电箱和Labview程序，用于控制主回路齿轮泵和冷却回路立式离心泵的转速，调节主回路内流体流速和换热管的冷却速率。
数据采集系统包括质量流量计、压差计和热电偶，其中，流量计位于实验段上游，压差计分别连接实验段上下游，5热电偶置于实验段外表面，2个热电偶嵌入实验段上下游，通过数据采集机箱记录流速、压差、壁温和水温；图像拍摄系统包括高速摄影仪和相应的操作软件，用于拍摄非稳态流动沸腾条件下实验段内的气泡行为。
结合图3和图4，在本发明回路中，流体可以以正弦式和阶跃式函数脉动。采用齿轮泵12与伺服驱动器17结合的方法，来实现这两种非稳态流体流动。在实验之前，将正弦函数与阶跃函数编写进伺服驱动器的控制程序，然后伺服驱动器输出特性电信号来控制磁力驱动齿轮泵的转速，最终使得回路内流体照相应形式的脉动；齿轮泵转速与回路内流体流速存在相位差，流体的瞬态流速按流量计记录的数据为准；
结合图5，在本发明中，计算机19通过数套硬件和软件，同时为控制系统、数据采集与图像拍摄系统服务。计算机与数据采集机箱连接，采集各测量装置的电流电压信号并转化为热参数数据；计算机主板插入高速摄影仪同步板卡，实现热参数与气泡图像的同步测量；计算机与伺服控制电箱连接，通过Labview程序控制齿轮泵转速。
实验循环回路为闭式回路，回路中的去离子水经齿轮泵驱动循环流动，通过ITO实验段时被加热进入气液两相流动状态；布置在ITO实验段外表面的热电偶记录实验段不同位置的外壁面温度，压差计记录实验段进出口的压差变化，高速摄影机记录气液两相流动过程。
结合附图2对循环回路内流体流动方向进行说明。蓄水箱中的去离子水如箭头1a所示离开水箱；在箭头2a位置，部分去离子水经旁通回到管道上游，其余部分沿箭头4a方向依次流经流量计和过滤器；随后如箭头5a-6a所示进入实验段被加热后离开实验段；最后按箭头7a所示，通过观察段，回到蓄水箱中。
调节蓄水箱内的预热器与冷却回路的离心泵转速可将实验段入口流体温度控制在一定范围内；伺服控制电箱可调节齿轮泵转速，使实验段入口流体以非稳态形式波动。
实验段外壁面的热电偶记录壁温波动；嵌入到实验段上下游的热电偶记录进出口水温；质量流量计记录流速变化；通过直流电源的电子显示屏可读取加热功率；高速摄影仪拍摄气液两相流动的高清图像。
综上，本发明是一种对圆管内非稳态流动加热条件下的流动换热特性与气泡行为进行研究的实验装置。本装置由ITO可视化实验段、循环回路、控制系统和数据采集与图像拍摄系统四个部分组成。实验段为一根镀膜石英玻璃管；循环回路包括蓄水箱、预热器、齿轮泵、过滤器、出口观察段(可视化段)和冷却器组成；控制系统为一个伺服控制电箱；数据采集与图像拍摄系统由质量流量计、压差计、热电偶、高速摄影仪、计算机、模拟电流输入模块、隔离热电偶输入模块及Labview程序组成。本发明可以观测圆管内气泡的产生、增长、脱离、湮灭等行为，并采集相关热参数，包括壁温、压差、压力、流速等。本发明通过控制伺服控制器的电信号，改变实验回路内流体流量的脉动形式，输送正弦式、阶跃式等非稳态流动流量。通过采集非稳态流动条件下的热参数和拍摄气泡行为，可以对非稳态流动换热与气泡行为的相关研究提供有效数据。本发明可以应用在单相混合对流换热特性分析、非稳态流动条件下沸腾起始点特性研究、非稳态流动条件下单个气泡观测、过冷沸腾换热特性分析等研究中。
Claims (9)
1.一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：包括循环回路、数据采集与图像拍摄系统，循环回路包括通过管路依次连接的蓄水箱、齿轮泵、过滤器、实验段、螺旋搅混器、可视化段以及设置在管路上的阀门，可视化段的端部通过管路与蓄水箱连接，齿轮泵连接有伺服控制器，齿轮泵还设置有旁通路，蓄水箱下端设置有预热器，蓄水箱上端通过管路连接排气罐，蓄水箱的一个侧面上设置有石英玻璃视窗、内部设置有冷却圆盘，冷却圆盘进出口与冷却水箱连接，冷却水箱与冷却圆盘之间设置有离心泵，数据采集与图像拍摄系统包括设置在过滤器与实验段之间的电磁流量计、设置在实验段两端的入流热电偶和出口热电偶、设置在实验段上部和下部的引压管之间的压差计、用于拍摄实验段的高速摄像仪、设置在实验段上的壁面热电偶，伺服控制器、数据采集与图像拍摄系统与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：壁面热电偶有5个，且等间距设置在实验段上。
3.根据权利要求1或2所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：冷却圆盘为紫铜材料的螺旋管，其进口与出口穿过蓄水箱上的圆孔与冷却水箱连接，冷却水箱内的冷却水通过离心泵持续流过冷却圆盘内部，冷却圆盘的外壁面带走蓄水箱内高温水的热量。
4.根据权利要求1或2所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：排气罐是一个液封式玻璃容器。
5.根据权利要求3所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：排气罐是一个液封式玻璃容器。
6.根据权利要求1或2所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：实验段为一根镀膜石英玻璃管。
7.根据权利要求3所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：实验段为一根镀膜石英玻璃管。
8.根据权利要求4所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：实验段为一根镀膜石英玻璃管。
9.根据权利要求5所述的一种非稳态流动换热特性与气泡行为的分析装置，其特征在于：实验段为一根镀膜石英玻璃管。
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