CN111998706A - 一种“内窥式”热管可视化装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种“内窥式”热管可视化装置及测试方法。“内窥式”热管可视化装置包括“内窥式”热管(A1或A2)、冷却系统(B)、拍摄系统(C)和加热系统(D)。其中“内窥式”热管(A1或A2)由热管主体管(3A1或3A2)、透明玻璃管(4)和工质(11)组成，通过第一可伐合金环(2)和第二可伐合金环(5)、膨胀节(6)、第一端盖(1)和第二端盖(7)进行封接；透明玻璃管(4)放置在热管主体管(3A1或3A2)内部，内窥镜(22)与高速相机(20)连接，并伸入透明玻璃管(4)内拍摄热管主体管(3A1或3A2)内部工质(11)的相变及两相流型；本发明构建的装置及方法适用于揭示热管内部工质在金属壁面下的相变传热传质机理，测试过程更贴近实际工况，提高了测试结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种“内窥式”热管及其可视化测试方法，特别适用于金属热管内部工质相变和两相流机理可视化实验研究。
背景技术
热管是一种高效的传热设备，具有结构简单、灵活多变的特点，已经广泛应用于航空航天电子元件散热、动车组散热、石油化工、太阳能集热器以及余热回收等领域。热管是在受限空间内发生复杂的沸腾、冷凝以及两相流动现象，具有复杂的传热传质机理。研究其相变传热及两相流机理对优化热管结构、提升传热性能具有重要作用。
在热管的传热传质机理研究方面，电容层析成像和中子成像等技术是揭示热管相变和两相流传热特性的有效途径。电容层析成像技术是根据被测物质各相的介电常数获得相态分布规律，可用于了解热管内工质的两相分布。但是难以捕捉到气泡的形态变化和两相流动规律，并且存在一定的放射性危险。中子成像技术是基于射线穿过物体时会发生衰减的基本原理，获得样品内部工质的空间分布和密度变化等。但对中子源的高要求也制约了中子成像的发展，且费用高、设备笨重，安全性要求高。目前研究较多的是通过全透明材质可视化实验考察热管内部工质的相变和两相流特性。申请号为201811288549.X的中国发明专利公开了一种可视化脉动热管实验系统及实验方法。系统中脉动热管的竖直部分采用石英玻璃管连接热管的弯头部分，通过石英玻璃管的透明特征观测脉动热管内工质的运行状态。申请号为201620118407.9和20161006588.3分别公开了分离式热管可视化测量装置和一种石英可视化热管。上述的两个专利均采用全玻璃材质制成的热管，通过高速摄像机拍摄热管内部工质的蒸发冷凝现象。尽管玻璃可视化实验能够清晰的观察到热管内部两相流动状态，管壁为玻璃材质的热管无法真实反映工质在金属壁面上相变行为和两相流传热机理。总的来说，目前对于金属壁面热管内部工质的相变及两相流动机理的可视化探究工作未有报道。
发明内容
本发明的目的是针对热管两相流传热传质机理研究目前存在的问题，开发一套“内窥式”热管可视化装置，本发明的另一目的是提出一种利用上述的“内窥式”热管可视化装置进行内窥式可视化测试方法，探索金属壁面热管内部工质的相变传热和流动机制。
本发明的技术方案为：一种“内窥式”热管可视化装置，其特征在于由“内窥式”重力热管A1、冷却系统B、拍摄系统C和加热系统D组成；其中“内窥式”重力热管A1由重力热管主体管3A1、透明玻璃管4、第一可伐合金环2和第二可伐合金环5、膨胀节6、第一端盖1和第二端盖7，以及工质11组成；重力热管主体管3A1由蒸发段10、绝热段9和冷凝段8组成；重力热管主体管3A1垂直放置，透明玻璃管4同轴放置在重力热管主体管3A1内部，两端分别与第二和第一可伐合金环5和2的一端过渡封接；第二可伐合金环5的另一端与膨胀节6的一端进行封接，膨胀节6的另一端和重力热管主体管3A1通过第二端盖7进行封接；第二可伐合金环2的另一端和重力热管主体管3A1通过第一端盖1进行封接；工质11置于重力热管主体管3A1内部；冷却系统B由恒温浴槽16、泵15和冷却装置14组成，冷却装置14固定在冷凝段8外壁面，冷却装置14的进液口与泵15的出液口通过管路连接，泵15的进液口与恒温浴槽16的出液口通过管路连接，冷却装置14的出液口与恒温浴槽16的进液口通过管路连接；拍摄系统C由高速摄像机20、内窥镜22、光纤管23、冷光源18、镜头转接器21和图像处理器19组成；其中高速摄像机20固定在位移台13上，通过镜头转接器21与内窥镜22下端的观察口连接，冷光源18通过光纤管23与内窥镜22观察口上端的光源接口连接，内窥镜垂直伸入重力热管主体管3A1的透明玻璃管4内部，图像处理器19通过数据线与高速摄像机20的数据输出端口连接；加热系统D由调压器12和加热装置17组成，其中加热装置缠绕在蒸发段10壁面，通过导线与调压器12连接。
优选重力热管主体管3A1的材质为不锈钢、铝、铜或碳钢；所述的蒸发段10直径范围为20～100mm，长度50～500mm，壁厚0.5～4mm；所述的蒸发段10内表面填充吸液芯10a；吸液芯10a的形状为金属丝网、沟槽吸液芯或泡沫金属吸液芯；所述的冷凝段8直径范围为20～100mm，长度范围为50～500mm，壁厚0.5～4mm，其形状为直管或波纹管；所述的绝热段9直径范围为20～100mm，长度50～500mm，壁厚0.5～4mm。
本发明还提供了一种“内窥式”热管可视化装置，其特征在于由“内窥式”环路热管A2、冷却系统B、拍摄系统C和加热系统D组成；其中“内窥式”环路热管A2由环路热管主体管3A2、透明玻璃管4、第一可伐合金环2和第二可伐合金环5、膨胀节6、第一端盖1和第二端盖7、冷凝段8、绝热段9、蒸发段10和工质11组成；其中绝热段9包括：冷凝液下降管9a、段蒸汽上升管9b和U型储液管9c；环路热管主体管3A2水平放置，透明玻璃管4放置在环路热管主体管3A2内部，两端分别与第一可伐合金环2和第二可伐合金环5进行封接；第二可伐合金环5另一端与膨胀节6的一端进行封接；膨胀节6的另一端和环路热管主体管3A2通过第二端盖7进行封接；第一可伐合金环2的另一端和环路热管主体管3A2通过第一端盖1进行封接；环路热管主体管3A2靠近第二端盖7侧的底部与U型储液管9c的一端封接；U型储液管9c的另一端与冷凝液下降管9a的下端焊接，冷凝液下降管9a的另一端与冷凝段8的一端封接，冷凝段8另一端与蒸汽上升管9b的一端封接，蒸汽上升管9b的另一端与环路热管主体管3A2靠近第一端盖1侧的顶部进行封接；冷却系统B由恒温浴槽16、泵15和冷却装置14组成，冷却装置14固定在冷凝段8外壁面，冷却装置14的进液口与泵15的出液口通过管路连接，泵15的进液口与恒温浴槽16的出液口通过管路连接，冷却装置14的出液口与恒温浴槽16的进液口通过管路连接；拍摄系统C由高速摄像机20、内窥镜22、光纤管23、冷光源18、镜头转接器21和图像处理器19组成；其中高速摄像机20固定在位移台13上，通过镜头转接器21与内窥镜22下端的观察口连接，冷光源18通过光纤管23与内窥镜22观察口上端的光源接口连接，内窥镜水平伸入环路热管主体管3A2的透明玻璃管4内部，图像处理器19通过数据线与高速摄像机20的数据输出端口连接；加热系统D由调压器12和加热装置17组成，其中加热装置缠绕在蒸发段10壁面，通过导线与调压器12连接。
优选环路热管主体管3A2的材质为不锈钢、铝、铜或碳钢；所述的蒸发段10直径范围为30～100mm，长度200～2000mm，壁厚1～4mm；所述的蒸发段10内表面填充吸液芯10a；吸液芯10a形状为金属丝网、沟槽吸液芯或泡沫金属吸液芯；所述的冷凝段8直径范围为5～40mm，长度范围为100～2000mm，壁厚1～4mm，其形状为直管或翅片管；所述的冷凝液下降管9a直径范围为5～40mm，长度范围为100～500mm，壁厚1～4mm；所述的蒸汽上升管9b直径范围为5～40mm，长度范围为100～500mm，壁厚1～4mm；所述的U型储液管9c直径范围为5～40mm，其中心线宽度为40～150mm。
优选所述的透明玻璃管4材质为高硼硅或石英，长度范围为20～1000mm，直径范围为5～50mm，壁厚2～4mm；优选透明玻璃管4内壁面镀纳米级减反涂层4a；涂层厚度30～200nm；纳米级减反涂层4a为SiO2或MgF；透明玻璃管4的外表面镀一层超亲水性涂层4b；超亲水性涂层4b为超亲水性TiO2或ZnO；涂层厚度1～3μm。
优选膨胀节6材质为不锈钢、铝、铜或碳钢等金属材料；波形为U型或Ω型等，波数范围为3～10。
优选所述的“内窥式”热管可视化装置的内部充装工质11为氨、丙酮、蒸馏水或导热姆A；充装工质11的体积与蒸发段10容积比(充液率)为15％～90％。
优选加热装置17为镍铬电热丝、碳纤维电阻丝或加热炉；冷却装置14为盘管或冷凝夹套；内窥镜22为高清工业硬性内窥镜或柔性纤维内窥镜。
本发明还提供了一种采用上述的“内窥式”热管可视化装置的可视化测试方法，其测试过程为：首先开启冷却系统B，打开恒温浴槽16和泵15的开关，冷却介质通过泵15驱动进入冷却装置14，并采用恒温浴槽16设定冷却温度；然后打开调压器12开关，通过改变加热装置17的输入电压进行调控热管工作温度；开启拍摄系统C，打开高速摄像机20和冷光源18，通过冷光源18为内窥镜22提供足够的光线，高速摄像机20固定在位移台13上，通过调节位移台13改变内窥镜22在透明玻璃管4内部的相对位置，进而拍摄不同区域工质11的相变行为及两相流型。
优选热管的工作温度的范围为10～400℃；恒温浴槽16设定冷却温度的范围为5～100℃。
有益效果：
热管管壁由金属加工而成，可伐合金、膨胀节和透明玻璃管的配合使用，在热管内部设置可视化观测通道，其可视化结果能反映金属壁面热管内部工质相变及两相流动的现象。
热管内部的透明玻璃管内外表面分别镀了具有增透特性和自洁特性的涂层，增强了可视化效果。
内窥镜、冷光源和位移台的配合使用，内窥镜可伸入热管内部，能够清晰的观测热管不同位置的两相流动现象。
凡是形式上进行改进，没有本质改变的“内窥式”热管及其可视化测试方法，都落在本发明之内。
附图说明
图1为实施例1“内窥式”重力热管可视化装置测试系统图；
图2为实施例1“内窥式”重力热管结构示意图；
图3为实施例1“内窥式”热管内部气泡的生成和演变图；
图4为实施例2所述“内窥式”重力热管结构示意图；
图5为实施例3“内窥式”环路热管可视化装置测试系统图；
图6为实施例3“内窥式”环路热管结构示意图；
图7(a)为实施例4“内窥式”环路热管结构示意图；
图7(b)为实施例4“内窥式”环路热管A-A截面剖面图；
其中，1-第一端盖；2-第一可伐合金环；3A1-重力热管主体管；3A2-环路热管主体管；4-透明玻璃管；4a-增透性涂层；4b-自洁性涂层；5-第二可伐合金环；6-膨胀节；7-第二端盖；8-冷凝段；9-绝热段，9a-冷凝液下降管，9b-蒸汽上升管，9c-U型储液管；10-蒸发段，10a-金属吸液芯；11-工质；12-加热电源；13-螺旋移动装置；14-冷却装置；15-泵；16-恒温浴槽；17-加热装置；18-冷光源；19-图像显示器；20-高速摄像机；21-转接器；22-内窥镜；23-光纤管。
具体实施方式
实施例1
图1所示为该实例的“内窥式”重力热管可视化装置测试系统图，该实例的“内窥式”重力热管结构示意图如图2所示。
该“内窥式”重力热管可视化实验装置，由“内窥式”重力热管A1、冷却系统B、拍摄系统C和加热系统D组成；其中“内窥式”重力热管A1由重力热管主体管3A1、透明玻璃管4、第一可伐合金环2、第二可伐合金环5、膨胀节6、第一端盖1和第二端盖7，以及工质11组成；其中热管主体管3A1由蒸发段10、绝热段9和冷凝段8组成；重力热管主体管3A1垂直放置，透明玻璃管4同轴放置在重力热管主体管3A1内部，上下两端分别与第二可伐合金环5和第一可伐合金环2的一端过渡封接；第二可伐合金环5的另一端与膨胀节6的一端进行封接，膨胀节6的另一端和重力热管主体管3A1通过第二端盖7进行封接；第一可伐合金环2的另一端和重力热管主体管3A1通过第一端盖1进行封接；工质11置于重力热管主体管3A1内部；冷却系统B由恒温浴槽16、泵15和冷却装置14组成，冷却装置14固定在冷凝段8外壁面，冷却装置14的进液口与泵15的出液口通过管路连接，泵15的进液口与恒温浴槽16的出液口通过管路连接，冷却装置14的出液口与恒温浴槽16的进液口通过管路连接；拍摄系统C由高速摄像机20、内窥镜22、光纤管23、冷光源18、镜头转接器21和图像处理器19组成；其中高速摄像机20固定在位移台13上，通过镜头转接器21与内窥镜22下端的观察口连接，冷光源18通过光纤管23与内窥镜22观察口上端的光源接口连接，内窥镜垂直伸入重力热管主体管3A1的透明玻璃管4内部，图像处理器19通过数据线与高速摄像机22的数据输出端口连接；加热系统D由直流电源12和加热装置17组成，加热装置17紧密缠绕在蒸发段10壁面，通过导线与直流电源12连接。
重力热管主体管3A1材料为304不锈钢，形状均为直管，其中蒸发段10长度100mm，冷凝段8长度100mm，绝热段9长度450mm，直径均为30mm，壁厚1mm；透明玻璃管4的材质为高硼硅玻璃，长度600mm，直径14mm，壁厚2mm，内表面镀一层SiO2纳米级减反柱4a，涂层厚度40nm，外表面镀一层超亲水性TiO2薄膜4b，涂层厚度1.2μm；第一和第二可伐合金环2和5长度均为10mm，直径30mm，厚度1mm；膨胀节6材质为不锈钢，长度30mm，直径30mm，波形为U型，波数5；工质11为蒸馏水，充液率20％；其加热装置为具有陶瓷加热环包覆的镍铬电热丝，调压器12为直流电源，冷却装置17为夹套冷凝，泵15为蠕动泵；内窥镜22为工业硬性内窥镜；位移台13为垂直升降台。
其测试过程为：首先开启冷却系统B，打开低温恒温浴槽16和蠕动泵15的开关，冷却水通过蠕动泵15驱动进入冷凝夹套14，并采用低温恒温浴槽16设定冷却温度为5℃；然后打开直流电源12开关，通过直流电源12改变镍铬电热丝17的输入电压进而调控热管的工作温度为55℃；开启拍摄系统C，打开高速摄像机20和冷光源18，通过冷光源为内窥镜22提供足够的光线，高速摄像机20固定在垂直升降台13上，通过调节垂直升降台13改变工业硬性内窥镜22在透明玻璃管4内部的相对位置，进而拍摄不同区域工质蒸馏水11的蒸发冷凝及两相流型。
本实施例的“内窥式”重力热管可视化实验装置拍摄到热管的工作温度在55℃的内部工质蒸馏水在金属壁面下的相变行为及两相流型。图3展示了“内窥式”热管内部气泡的生成和演变过程。从图3(a)中可以看出金属壁面热管内部气泡的生成方式，由于不锈钢壁面是沟壑状而非光滑壁面，当金属壁面达到过热度后，汽化核心被激发，生成气泡并迅速长大，最后脱离壁面。图3(b)可以看出气泡的另一种生成方式，在液池内有残存的不凝性气体形成小气泡，小气泡在液池内四处游走过程不断吸热，当气泡壁的表面工质达到液体过热度时被蒸发汽化，此时蒸汽进入小气泡而迅速生长。图3(c)展示了热管内部气泡的融合过程，两个独立气泡在热管内部受限空间中发生碰撞，受到挤压而凹陷，接触范围逐渐扩大形成纺锤形，然后两个气泡之间形成的气泡壁发生破裂变为圆柱形，接着在表面张力的作用下逐渐向中心点收缩，最终形成一个完整的大气泡。
实施例2
图4所示为该实例的“内窥式”重力热管结构示意图。本实施例结构形式、部分材质以及测试流程与实施例1基本相同。不同之处在于：“内窥式”重力热管主体管3A1为组合管，材料为铝，其中冷凝段8特征形状为波纹管，总长度450m，波纹管直线段直径80mm，波纹管波峰直径100mm，直线段长度20mm，弧形段长度30mm，厚度均为3mm；绝热段9特征形状为直管，长度100mm，直径80mm，厚度3mm；蒸发段10特征形状为直管，长度400mm，直径80mm，壁厚3mm，其内壁面填充的为金属丝网吸液芯10a，长度400mm，其规格为200目，6层；透明玻璃管4材质为高硼硅玻璃，长度900mm，直径25mm，壁厚3mm，内表面镀一层MgF纳米级减反柱4a，涂层厚度150nm，外表面镀一层超亲水性ZnO薄膜4b，涂层厚度3μm；第一和第二可伐合金环2和5长度均为10mm，直径80mm，厚度2mm；膨胀节6材质为铝，长度30mm，直径80mm，波形为Ω型，波数为4；热管充装工质11为液氨，充液率为80％；其加热装置17为碳纤维电阻丝，通过直流电源12改变镍铬丝17的输入电压进而调控热管的工作温度为15℃；恒温浴槽16采用低温恒温浴槽，设定冷却温度为5℃。
本实施例的“内窥式”重力热管可视化实验装置拍摄到热管工作温度在15℃时内部工质氨在金属壁面下的相变行为及两相流型。热管在启动的过程中，蒸发段的上部壁面的汽化核心首先被激发，随着热流的持续输入，热管下部也逐渐开始产生气泡。同样观察到在工作温度15℃时的稳定状态下，蒸发段内工质氨为泡状流，蒸发段金属壁面上的气化核心被激发产生气泡，气泡在上升的过程逐渐吸热并融合周围的小气泡变成大气泡；冷凝段为不连续的沟状流；随着工作温度的提升，蒸发段生成的气泡增加。
实施例3
图5所示为该实例的“内窥式”环路热管可视化装置测试系统图，该实例的“内窥式”环路热管结构示意图如图6所示；该实例的可视化装置与实施例1基本相同，不同之处在于“内窥式”环路热管A2，由环路热管主体管3A2、透明玻璃管4、第一可伐合金环2和第二可伐合金环5、膨胀节6、第一端盖1和第二端盖7、U型储液管9c、蒸汽上升管9b、冷凝液下降管9a、冷凝段8、吸液芯10a和热管工质11组成；环路热管主体管3A2水平放置，透明玻璃管4放置在环路热管主体管3A2内部，两端分别与第一可伐合金环2和第二可伐合金环5进行封接；第二可伐合金环5另一端与膨胀节6的一端进行封接；膨胀节6的另一端和环路热管主体管3A2通过第二端盖7进行封接；第一可伐合金环2的另一端和环路热管主体管3A2通过第一端盖1进行封接；环路热管主体管3A2管壁的两端通过第一端盖1和第二端盖7进行封接，环路热管主体管3A2在靠近第二端盖7侧的底部与U型储液管9c的一端焊接；U型储液管9c的另一端与冷凝液下降管9a的下端焊接，冷凝液下降管9a的另一端与冷凝段8的一端封接，冷凝段8另一端与蒸汽上升管9b的上端封接，蒸汽上升管9b的另一端与环路热管主体管3A2在靠近第一端盖1侧的顶部进行封接。冷却系统B由恒温浴槽16、泵15和冷却装置14组成，冷却装置14固定在冷凝段8外壁面，冷凝装置14的进液口通过管路与泵15的出液口连接，冷凝装置14的出液口通过管路与恒温浴槽16的进液口连接，泵15的进液口与恒温浴槽16的出液口通过管路连接；拍摄系统C由高速摄像机20、内窥镜22、光纤管23、冷光源18、镜头转接器21和图像处理器19组成；其中高速摄像机20固定在位移台13上，通过镜头转接器21与内窥镜22下端的观察口连接，冷光源18通过光纤管23与内窥镜22观察口上端的光源接口连接，内窥镜水平伸入重力热管主体管3A1的透明玻璃管4内部，图像处理器19通过数据线与高速摄像机20的数据输出端口进行连接；加热系统D由调压器12和加热装置17组成，其中加热装置包覆在蒸发段10壁面，通过导线与调压器12连接。
环路热管主体管3A2水平放置，其蒸发段10管壁材料为不锈钢，特征形状为直管，长度为350mm，外径50mm，壁厚1mm，内壁面填充的金属吸液芯10a为不锈钢丝网，规格为50目，填充5层；透明玻璃管4材质为高硼硅玻璃，长度300mm，直径16mm，壁厚2mm，其内表面镀一层MgF纳米级减反柱4a，涂层厚度150nm，外表面镀一层超亲水性ZnO薄膜4b，涂层厚度2μm；膨胀节6材质为不锈钢，长度30mm，直径16mm壁厚1mm，波形为U型，波数为6；第一和第二可伐合金环2和5长度均为10mm直径16mm，壁厚1mm；U型储液管9c材料为304不锈钢，中心线宽度为40mm，高度30mm，直径6mm，壁厚1mm；冷凝液下降管9a材料为不锈钢，长度为200mm，直径6mm，壁厚1mm；冷凝段8为304不锈钢翅片管，长度400mm，直径6mm，壁厚1mm，翅片高度5mm，间距10mm；蒸汽上升管9b材料为不锈钢，长度150mm，管径6mm，壁厚1mm；填充工质11为丙酮，充液率为35％；其加热装置为加热炉，调压器12为直流电源，冷却装置17为夹套冷凝，泵15为蠕动泵；内窥镜22为柔性纤维内窥镜；位移台13为直线位移台。
其测试过程为：首先开启冷却系统B，打开低温恒温浴槽16和蠕动泵15的开关，冷却介质通过蠕动泵15驱动进入冷凝夹套14，并采用低温恒温浴槽16设定冷却温度为15℃；然后打开调压器12开关，通过调控调压器12改变加热炉17的输出热流进而调控热管工作温度为30℃；开启拍摄系统C，打开高速摄像机20和冷光源18，通过冷光源为内窥镜22提供足够的光线，高速摄像机20固定在直线平移台13上，通过调节位移台13改变内窥镜22在透明玻璃管4内部的相对位置，进而拍摄不同区域工质11丙酮的蒸发冷凝现象及两相流型。
本实施例的“内窥式”环路热管可视化实验装置可拍摄到工作温度在30℃时内部工质丙酮在金属壁面下的相变行为及两相流型，观测到蒸发段液池内工质为核态沸腾，气泡产生的频率较快。
实施例4
图7(a)所示为本实施例的“内窥式”环路热管结构示意图，图7(b)为“内窥式”环路热管A-A截面剖面图；本实施例涉及部分结构形式、材质、结构参数和测试流程与实施例3基本相同；不同之处在于：透明玻璃管4垂直相贯分布式放置于环路热管主体管3A2内，两端分别与第一和第二可伐合金环2和5封接，第二可伐合金环5另一端与膨胀节6一端封接；第一可伐合金环2和膨胀节6的另一端分别与环路热管主体管3A2管壁进行封接。
环路热管主体管3A2水平放置，其材料为碳钢，其特征形状为直管，长度2000m，直径100mm，壁厚4mm；冷凝段形状为直管，长度2000mm，直径24mm，壁厚3mm；冷凝液下降管9a长度400mm，直径24mm，壁厚3mm；蒸汽上升管9b长度300mm，直径24mm，壁厚3mm；U型储液管9c中心线宽度为150mm，高度60mm，直径24mm，壁厚3mm；透明玻璃管4材质为石英玻璃，直径15mm，长度45mm，壁厚3mm；波形膨胀节6材质为碳钢，长度30mm，波形为U型，波数为6；第二可伐合金环5长度为10mm，第一可伐合金环2长度为25mm，直径均为24mm，壁厚2mm；透明玻璃管4材质为高硼硅玻璃，中心线与环路热管主体管3A2中心线垂直距离20mm；蒸发段10管内壁填充的金属吸液芯10(a)为不锈钢丝网，规格为100目，填充8层；填充工质11为导热姆A，充液率为40％；其加热装置17为碳纤维电阻丝，通过直流电源12改变镍铬丝17的输入电压进而调控热管的工作温度为350℃；采用恒温浴槽16设定冷却温度为90℃。
本实施例的“内窥式”环路热管可视化实验装置可拍摄到工作温度在350℃范围内的热管内部工质丙酮在金属壁面下的相变行为及两相流型，可观测到蒸发段内工质发生稳定的核态沸腾。
Claims (10)
1.一种“内窥式”热管可视化装置，其特征在于由“内窥式”重力热管(A1)、冷却系统(B)、拍摄系统(C)和加热系统(D)组成；其中“内窥式”重力热管(A1)由重力热管主体管(3A1)、透明玻璃管(4)、第一可伐合金环(2)和第二可伐合金环(5)、膨胀节(6)、第一端盖(1)和第二端盖(7)，以及工质(11)组成；重力热管主体管(3A1)由蒸发段(10)、绝热段(9)和冷凝段(8)组成；重力热管主体管(3A1)垂直放置，透明玻璃管(4)同轴放置在重力热管主体管(3A1)内部，两端分别与第二和第一可伐合金环(5)和(2)的一端过渡封接；第二可伐合金环(5)的另一端与膨胀节(6)的一端进行封接，膨胀节(6)的另一端和重力热管主体管(3A1)通过第二端盖(7)进行封接；第二可伐合金环(2)的另一端和重力热管主体管(3A1)通过第一端盖(1)进行封接；工质(11)置于重力热管主体管(3A1)内部；冷却系统(B)由恒温浴槽(16)、泵(15)和冷却装置(14)组成，冷却装置(14)固定在冷凝段(8)外壁面，冷却装置(14)的进液口与泵(15)的出液口通过管路连接，泵(15)的进液口与恒温浴槽(16)的出液口通过管路连接，冷却装置(14)的出液口与恒温浴槽(16)的进液口通过管路连接；拍摄系统(C)由高速摄像机(20)、内窥镜(22)、光纤管(23)、冷光源(18)、镜头转接器(21)和图像处理器(19)组成；其中高速摄像机(20)固定在位移台(13)上，通过镜头转接器(21)与内窥镜(22)下端的观察口连接，冷光源(18)通过光纤管(23)与内窥镜(22)观察口上端的光源接口连接，内窥镜垂直伸入重力热管主体管(3A1)的透明玻璃管(4)内部，图像处理器(19)通过数据线与高速摄像机(20)的数据输出端口连接；加热系统(D)由调压器(12)和加热装置(17)组成，其中加热装置缠绕在蒸发段(10)壁面，通过导线与调压器(12)连接。
2.根据权利要求1所述的“内窥式”热管可视化装置，其特征在于重力热管主体管(3A1)的材质为不锈钢、铝、铜或碳钢；所述的蒸发段(10)直径范围为20～100mm，长度50～500mm，壁厚0.5～4mm；所述的蒸发段(10)内表面填充吸液芯(10a)；吸液芯(10a)形状为金属丝网、沟槽吸液芯或泡沫金属吸液芯；所述的冷凝段(8)直径范围为20～100mm，长度范围为50～500mm，壁厚0.5～4mm，其形状为直管或波纹管；所述的绝热段(9)直径范围为20～100mm，长度50～500mm，壁厚0.5～4mm。
3.一种“内窥式”热管可视化装置，其特征在于由“内窥式”环路热管(A2)、冷却系统(B)、拍摄系统(C)和加热系统(D)组成；其中“内窥式”环路热管(A2)由环路热管主体管(3A2)、透明玻璃管(4)、第一可伐合金环(2)和第二可伐合金环(5)、膨胀节(6)、第一端盖(1)和第二端盖(7)、冷凝段(8)、绝热段(9)、蒸发段(10)和工质(11)组成；其中绝热段(9)包括：冷凝液下降管(9a)、段蒸汽上升管(9b)和U型储液管(9c)；环路热管主体管(3A2)水平放置，透明玻璃管(4)放置在环路热管主体管(3A2)内部，两端分别与第一可伐合金环(2)和第二可伐合金环(5)进行封接；第二可伐合金环(5)另一端与膨胀节(6)的一端进行封接；膨胀节(6)的另一端和环路热管主体管(3A2)通过第二端盖(7)进行封接；第一可伐合金环(2)的另一端和环路热管主体管(3A2)通过第一端盖(1)进行封接；环路热管主体管(3A2)靠近第二端盖(7)侧的底部与U型储液管(9c)的一端封接；U型储液管(9c)的另一端与冷凝液下降管(9a)的下端焊接，冷凝液下降管(9a)的另一端与冷凝段(8)的一端封接，冷凝段(8)另一端与蒸汽上升管(9b)的一端封接，蒸汽上升管(9b)的另一端与环路热管主体管(3A2)靠近第一端盖(1)侧的顶部进行封接；冷却系统(B)由恒温浴槽(16)、泵(15)和冷却装置(14)组成，冷却装置(14)固定在冷凝段(8)外壁面，冷却装置(14)的进液口与泵(15)的出液口通过管路连接，泵(15)的进液口与恒温浴槽(16)的出液口通过管路连接，冷却装置(14)的出液口与恒温浴槽(16)的进液口通过管路连接；拍摄系统(C)由高速摄像机(20)、内窥镜(22)、光纤管(23)、冷光源(18)、镜头转接器(21)和图像处理器(19)组成；其中高速摄像机(20)固定在位移台(13)上，通过镜头转接器(21)与内窥镜(22)下端的观察口连接，冷光源(18)通过光纤管(23)与内窥镜(22)观察口上端的光源接口连接，内窥镜水平伸入环路热管主体管(3A2)的透明玻璃管(4)内部，图像处理器(19)通过数据线与高速摄像机(20)的数据输出端口连接；加热系统(D)由调压器(12)和加热装置(17)组成，其中加热装置缠绕在蒸发段(10)壁面，通过导线与调压器(12)连接。
4.根据权利要求3所述的“内窥式”热管可视化装置，其特征在于环路热管主体管(3A2)的材质为不锈钢、铝、铜或碳钢；所述的蒸发段(10)直径范围为30～100mm，长度200～2000mm，壁厚1～4mm；所述的蒸发段(10)内表面填充吸液芯(10a)；吸液芯(10a)形状为金属丝网、沟槽吸液芯或泡沫金属吸液芯；所述的冷凝段(8)直径范围为5～40mm，长度范围为100～2000mm，壁厚1～4mm，其形状为直管或翅片管；所述的冷凝液下降管(9a)直径范围为5～40mm，长度范围为100～500mm，壁厚1～4mm；所述的蒸汽上升管(9b)直径范围为5～40mm，长度范围为100～500mm，壁厚1～4mm；所述的U型储液管(9c)直径范围为5～40mm，其中心线宽度为40～150mm。
5.根据权利要求1或3所述的“内窥式”热管可视化装置，其特征在于所述的透明玻璃管(4)材质为高硼硅或石英，长度范围为20～1000mm，直径范围为5～50mm，壁厚2～4mm；透明玻璃管(4)内壁面镀纳米级减反涂层(4a)；涂层厚度30～200nm；纳米级减反涂层(4a)为SiO2或MgF；透明玻璃管(4)的外表面镀一层超亲水性涂层(4b)；超亲水性涂层(4b)为超亲水性TiO2或ZnO；涂层厚度1～3μm。
6.根据权利要求1或3所述的“内窥式”热管可视化装置，其特征在于膨胀节(6)材质为不锈钢、铝、铜或碳钢等金属材料；波形为U型或Ω型等，波数范围为3～10。
7.根据权利要求1或3所述的“内窥式”热管可视化装置，其特征在于内部充装工质(11)为氨、丙酮、蒸馏水或导热姆A；充装工质(11)的体积与蒸发段(10)容积比(充液率)为15％～90％。
8.根据权利要求1或3所述的“内窥式”热管可视化装置，其特征在于加热装置(17)为镍铬电热丝、碳纤维电阻丝或加热炉；冷却装置(14)为盘管或冷凝夹套；内窥镜(22)为高清工业硬性内窥镜或柔性纤维内窥镜。
9.一种采用如权利要求1或3所述的“内窥式”热管可视化装置的可视化测试方法，其测试过程为：首先开启冷却系统(B)，打开恒温浴槽(16)和泵(15)的开关，冷却介质通过泵(15)驱动进入冷却装置(14)，并采用恒温浴槽(16)设定冷却温度；然后打开调压器(12)开关，通过改变加热装置(17)的输入电压进行调控热管工作温度；开启拍摄系统(C)，打开高速摄像机(20)和冷光源(18)，通过冷光源(18)为内窥镜(22)提供足够的光线，高速摄像机(20)固定在位移台(13)上，通过调节位移台(13)改变内窥镜(22)在透明玻璃管(4)内部的相对位置，进而拍摄不同区域工质(11)的相变行为及两相流型。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于热管的工作温度的范围为10～400℃；恒温浴槽(16)设定冷却温度的范围为5～100℃。
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