CN112362689B - 一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置及方法，属于冷凝实验测量领域。所述测量装置包括环境腔体，传热测量模块和数据采集系统，其中环境腔体提供稳定、可视化的蒸汽冷凝环境，传热测量模块用于实现冷凝传热的瞬态非介入式测量，包括测试表面、背热色液晶涂层、侧热色液晶涂层、透明导冷块、透明水冷板、透明隔热层和冷却水隔热层；数据采集用于图像、数据的采集、记录与分析。本装置通过冷凝过程中热色液晶涂层的显色变化来获得透明导冷块和测试表面的瞬态温度分布，进而计算冷凝热流密度和过冷度，可以对不同工况、不同特性表面上的平均或局部冷凝传热的瞬态特性进行定量分析与可视化。

Description

一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置及方法，属于冷凝实验测量领域。

背景技术

蒸汽的冷凝传热是一种工业常见的相变传热过程。强化蒸汽冷凝传热可以实现节能减排，减少资源消耗。调控冷凝表面的物理、化学特性是一种重要的冷凝传热强化手段，为研究不同表面在不同工况下的冷凝传热性能(冷凝传热系数或热流密度)，需要构建稳定可靠的冷凝传热测试装置。

目前研究中常见的冷凝传热测试装置主要针对圆管管外和平直表面上的冷凝实验。圆管管外的冷凝传热测试装置依靠冷却水在管内对流来控制测试表面温度，最终只能获得蒸汽侧与冷却水侧的对数平均温差，而非真正意义上的表面过冷度，因此也就不能准确地获得测试表面的冷凝传热系数。平直表面上的冷凝传热测试装置主要依靠将测试表面通过导热胶或液态金属粘附在导冷块上，在导冷块侧面打一列盲孔并插入热电偶，测量导冷块的温度梯度来计算热流密度，然后反推测试表面的温度。此方法受制于热电偶加工工艺和打孔精度的限制，且打孔会在一定程度上影响导冷块内的温度分布，造成实验误差。特别地，基于微纳结构超疏水表面的冷凝传热强化的研究已成为焦点。不同于传统疏水表面，超疏水表面上的冷凝液滴具有脱离半径小，脱离频率高，生长模式多变，动态行为复杂等特点，而上述热电偶测量法无法实现液滴动态行为对测试表面局部冷凝传热性能影响的研究。此外，以上两种测试装置针对小热流密度工况(如低压蒸汽冷凝、含不凝气的蒸汽冷凝等)普遍存在计算冷凝传热系数误差较大的问题。

发明内容

本发明针对上述提到的技术问题，提出了一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置及方法。本发明通过同步拍摄透明导冷块侧面喷涂的热色液晶涂层和测试表面背面喷涂的热色液晶涂层在冷凝实验过程中的颜色变化，经过计算获得透明导冷块的温度梯度和测试表面的背面温度，最终通过热阻分析法计算出测试表面的平均过冷度和冷凝传热系数；通过对比测试表面背面喷涂的热色液晶涂层和高速相机拍摄的动态液滴行为，可以实现单个液滴的动态行为对局部冷凝传热性能影响的分析。

本发明的目的是这样实现的：

本发明首先提供了一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置，其包括环境腔体、传热测量模块和数据采集系统；

所述的环境腔体包括真空腔体，所述真空腔体的四侧均开设有视窗，真空腔体上还设有冷却水出口、蒸汽接口、冷却水进口和真空泵接口；

所述的传热测量模块整体设置在真空腔体内，包括测试表面、背部热色液晶涂层、侧部热色液晶涂层、透明导冷块、透明水冷板、透明隔热层和冷却水隔热层；透明导冷块的前侧与测试表面之间紧贴设置背部热色液晶涂层，透明导冷块的后侧紧贴透明水冷板的前侧；透明导冷块的两侧与透明隔热层之间紧贴设置有侧部热色液晶涂层；所述透明水冷板通过冷却水管道分别连接冷却水出口和冷却水进口，且冷却水管道上包裹有冷却水隔热层；所述透明水冷板的后侧紧贴设置有透明隔热层；

所述的数据采集系统包括正对真空腔体上后视窗的后CCD摄像机、正对真空腔体上两侧视窗的侧CCD摄像机、正对真空腔体上前视窗的高速相机、布置在真空腔体内用于测量真空腔体压力的压力传感器和测量蒸汽温度的温度传感器。

作为本发明的优选方案，所述测试表面的前端面均正对高速相机，所述透明导冷块两侧的侧部热色液晶涂层分别正对两侧的侧CCD摄像机；所述后CCD摄像机正对背部热色液晶涂层。

作为本发明的优选方案，所述背部热色液晶涂层和侧部热色液晶涂层的厚度不超过1μm，其液晶分子螺距与温度单值对应，不同分子螺距的液晶会反射不同波长的单色光，从而显示不同颜色。

作为本发明的优选方案，所述传热测量模块中，所述测试表面、背部热色液晶涂层、透明导冷块、透明水冷板依次紧贴排布组成方形的一维传热组件，所述透明隔热层包裹所述一维传热组件除前端面外的其余面，防止蒸汽在透明导冷块和透明水冷板上冷凝，实现从透明水冷板到测试表面的一维热传导。

作为本发明的优选方案，所述后CCD摄像机、侧CCD摄像机和高速相机由计算机连接，可以实现同步拍摄；后CCD摄像机、侧CCD摄像机和高速相机的数据、压力传感器和温度传感器的数据均由数据采集仪采集。

作为本发明的优选方案，所述后CCD摄像机、侧CCD摄像机可以获得所拍摄的热色液晶涂层各个像素点的RGB数值，经过计算可以得到各个像素点的温度数值。

作为本发明的优选方案，所述真空腔体相对的前、后两壁面分别装有前视窗和后视窗，分别用于高速相机和后CCD摄像机的拍摄，另外两相对壁面装有侧视窗，用于侧CCD摄像机的拍摄。

作为本发明的优选方案，所述真空腔体各壁面埋设有电加热装置，防止蒸汽在壁面和视窗上冷凝影响拍摄。

本发明还提供了一种所述装置的基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量方法，其包括如下步骤：

首先，启动数据采集系统，将真空腔体壁面加热至高于蒸汽露点温度，使用真空泵将真空腔体内抽真空，将达到实验所需温度的冷却水通过冷却水进口通入透明水冷板实现循环；

然后，向真空腔体通入蒸汽开始冷凝实验；压力传感器监测真空腔体内的压力，温度传感器测量靠近测试表面处的蒸汽温度；随着蒸汽冷凝的进行，热量由蒸汽侧经透明导冷块传到透明水冷板，背热色液晶涂层与侧热色液晶涂层会显示出颜色变化，由同步的后CCD摄像机和侧CCD摄像机分别记录；高速相机记录测试表面上对应时刻的液滴或液膜的动态行为；

最后，结束实验，关闭数据采集系统；通过记录的侧热色液晶涂层的颜色梯度变化可以计算出冷凝传热的瞬态热流密度，通过背热色液晶涂层的颜色变化可以计算出测试表面在冷凝过程中的瞬态温度，结合温度传感器测量的蒸汽温度可以最终计算出测试表面的平均或局部瞬态冷凝传热系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过喷涂一层极薄的热色液晶涂层，实现了冷凝过程中表面温度和温度梯度的瞬态非介入式测量，有效避免了因打孔和热电偶探头的尺寸大小不一引起的测量误差。热色液晶涂层中液晶分子螺距与温度单值对应，不同分子螺距的液晶会反射不同波长的单色光，从而显示不同颜色，通过记录RGB值变化即可得出温度数值的变化，通过计算，可以准确的获得测试表面的平均冷凝传热系数；

(2)通过两台CCD摄像机与高速相机的结合，依靠热色液晶涂层厚度薄、响应快的特点，可以实现冷凝过程中单个液滴动态行为对局部冷凝传热系数的影响的瞬态分析，这是采用传统热电偶测量无法实现的；

(3)本发明装置可以适用于各种测试表面，且冷凝工况可调，因此可以实现各种不同工况、冷凝表面上的冷凝传热测量，为各种冷凝强化表面的强化效果提供参考依据，同时可以比较表面的耐久性。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是冷凝传热系数的计算原理图。

图中：压力传感器1、真空腔体2、冷却水出口3、侧视窗4、蒸汽接口5、前视窗6、温度传感器7、冷却水进口8、真空泵接口9、后视窗10、冷却水隔热层11、透明隔热层12、侧热色液晶涂层13、背热色液晶涂层14、测试表面15、透明导冷块16、透明水冷板17、后CCD摄像机18、侧CCD摄像机19、高速相机20、数据采集仪21、计算机22、热色液晶像素点23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置包括环境腔体，传热测量模块和数据采集系统；

所述的环境腔体包括真空腔体2、冷却水出口3、侧视窗4、蒸汽接口5、前视窗6、冷却水进口8、真空泵接口9、后视窗10；所述环境腔体的相对两壁面分别装有前视窗6和后视窗10，分别用于冷凝液滴或液膜动态行为拍摄与背部热色液晶涂层14显色的记录；所述环境腔体装有侧视窗4，用于侧部热色液晶涂层13显色的记录；

所述的传热测量模块包括测试表面15、背部热色液晶涂层14、侧部热色液晶涂层13、透明导冷块16、透明水冷板17、透明隔热层12和冷却水隔热层11；所述传热测量模块中，蒸汽冷凝在测试表面上进行，背部热色液晶涂层14均匀喷涂在测试表面15背面，用于获取测试表面15的背面温度，侧部热色液晶涂层13均匀喷涂在透明导冷块16侧面，用于获取冷凝热流密度；

所述的数据采集系统由计算机22、数据采集仪21、后CCD摄像机18、侧CCD摄像机19、高速相机20、压力传感器1和温度传感器7组成；所述数据采集系统中，后CCD摄像机18、侧CCD摄像机19和高速相机20可由计算机22实现同步拍摄，并同时记录压力数据和温度数据。在一个具体实施例中，所述环境腔体用于提供稳定可靠的蒸汽冷凝环境，设有的冷却水进出口用于向透明水冷板17提供循环冷却水，蒸汽接口5用于向腔体内通入饱和纯蒸汽或混合蒸汽等其它工质，真空泵接口9用于将腔体抽真空防止不凝气残留。

在一个具体实施例中，所述前视窗6用于高速相机20拍摄冷凝液滴或液膜动态行为，后视窗10与侧视窗4用于CCD摄像机拍摄冷凝过程中热色液晶涂层的颜色变化；所述真空腔体2外表面敷设保温材料与温控装置，用于防止蒸汽在壁面和视窗上冷凝。

在一个具体实施例中，所述热色液晶涂层，其厚度小于1μm，由于热色液晶涂层的厚度相比于其它组件很薄，在测试过程中完全可以忽略其厚度对测试过程和结果的影响，液晶分子螺距与温度单值对应，不同分子螺距的液晶会反射不同波长的单色光，从而显示不同颜色，通过记录RGB值变化即可得出温度数值的变化。

在一个具体实施例中，所述的喷涂热色液晶涂层后的测试表面15、喷涂热色液晶涂层之后的透明导冷块16、透明水冷板17依次装入透明隔热层12中并紧密结合；低温冷却水通过冷却水进口8流入透明水冷板17并沿冷却水出口3返回，冷量通过透明导冷块16传导至测试表面15，使测试表面15降温至设定值低于露点，蒸汽冷凝开始进行。

在一个具体实施例中，所述冷却水保温层11包裹于冷却水管线外，用于冷却水的精确控温；所述测试表面15、背部热色液晶涂层14、透明导冷块16、透明水冷板17依次紧贴排布组成方形的一维传热组件，所述透明隔热层12用于防止蒸汽在透明导冷块16和透明水冷板17上冷凝包裹所述一维传热组件除前端面外的其余面，所述透明隔热层12用于防止蒸汽在透明导冷块16和透明水冷板17上冷凝，影响拍摄，同时为导冷块提供良好的一维热传导条件。

在本发明的一个具体实施例中，所述测试表面15为紫铜材质，其厚度为1mm；背部热色液晶涂层14的厚度为1μm、侧部热色液晶涂层13的厚度为1μm，宽度为7mm(透明导冷块16的厚度为15mm，导热系数20W/m/K)；测试过程中，抽真空结束，通入饱和蒸汽后，真空腔体内的压力为8000Pa，所述蒸汽饱和温度为42℃。

本发明的基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量方法如下所述：

首先，启动数据采集系统，计算机22记录压力传感器1和温度传感器7数值；启动真空泵将真空腔体内抽至真空设定值认为此时不凝气含量为零，通入设定温度的循环冷却水，确保在透明水冷板17内部没有气泡残留同时启动后CCD摄像机18、侧CCD摄像机19和高速相机20；

之后，待后CCD摄像机18拍摄的背部热色液晶涂层14显色对应温度值低于此时露点稳定后，通入饱和纯蒸汽或混合蒸汽，开始冷凝过程，此时可以进行单一工况或不同工况的实验；压力传感器1监测冷凝压力，温度传感器7测量蒸汽温度；随着蒸汽冷凝的进行，热量由蒸汽侧经透明导冷块16传到透明水冷板17，背部热色液晶涂层14与侧部热色液晶涂层13会显示出颜色变化；高速相机20记录冷凝液滴的成核、生长、脱离等动态过程，CCD摄像机同步记录整个过程热色液晶涂层的颜色变化，传入计算机22存储；实验完成后，停止数据采集系统，切断蒸汽和冷却水，将环境腔体通大气；

然后，如图2所示，将侧CCD摄像机19记录的侧部热色液晶涂层13显色图像调出，在图像上沿透明导冷块16对称轴方向标记出nn≥2个像素点23，各像素点距图像上任一固定点在透明导冷块16对称轴方向上的距离记为x_i，读取各像素点颜色的RGB值并转换为对应的温度值，记为T_i，则该时刻的冷凝热流密度值为，

其中λ_b为透明导冷块16的导热系数。根据后CCD摄像机18同步拍摄的背热色液晶涂层14的显色照片，将所有像素点对应的温度值在整个面积上取平均，可以计算得到整个涂层的平均温度，即测试表面15该时刻的背面温度，记为T_s1。最终根据热阻分析法可以计算得到整个测试表面该时刻的平均冷凝传热系数h_con和真实的测试表面15温度T_s，

其中T_v为温度传感器7测得的蒸汽温度，λ_s为测试表面15的导热系数，δ为测试表面15的厚度，过冷度即可表示为，

ΔT＝T_v-T_s。

对CCD摄像机记录的不同时刻的热色液晶显色照片进行上述计算，即可得到冷凝过程中冷凝传热系数随时间的变化曲线，即测试表面15的瞬态冷凝传热系数，同时可以比较表面的耐久性。

最后，将同一时刻的背部热色液晶涂层14的显色照片和高速相机20记录的实际冷凝液滴照片进行对比，同样可以获得单个液滴在测试表面15背面对应覆盖面积的平均温度，进而可以获得单个液滴处的局部冷凝传热系数和局部过冷度，结合单个液滴的传热模型，可以实现单个液滴的动态行为对局部冷凝传热性能影响的分析。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量装置，其特征在于，包括环境腔体、传热测量模块和数据采集系统；

所述的环境腔体包括真空腔体（2），所述真空腔体（2）的四侧均开设有视窗，真空腔体（2）上还设有冷却水出口（3）、蒸汽接口（5）、冷却水进口（8）和真空泵接口（9）；

所述的传热测量模块整体设置在真空腔体（2）内，包括测试表面（15）、背部热色液晶涂层（14）、侧部热色液晶涂层（13）、透明导冷块（16）、透明水冷板（17）、透明隔热层（12）和冷却水隔热层（11）；透明导冷块（16）的前侧与测试表面（15）之间紧贴设置背部热色液晶涂层（14），透明导冷块（16）的后侧紧贴透明水冷板（17）的前侧；透明导冷块（16）的两侧与透明隔热层（12）之间紧贴设置有侧部热色液晶涂层（13）；所述背部热色液晶涂层（14）和侧部热色液晶涂层（13）的厚度不超过1μm，其液晶分子螺距与温度单值对应，不同分子螺距的液晶会反射不同波长的单色光，从而显示不同颜色；所述透明水冷板（17）通过冷却水管道分别连接冷却水出口（3）和冷却水进口（8），且冷却水管道上包裹有冷却水隔热层（11）；所述透明水冷板（17）的后侧紧贴设置有透明隔热层（12）；

所述的数据采集系统包括正对真空腔体上后视窗的后CCD摄像机（18）、正对真空腔体上两侧视窗的侧CCD摄像机（19）、正对真空腔体上前视窗的高速相机（20）、布置在真空腔体（2）内用于测量真空腔体压力的压力传感器（1）和测量蒸汽温度的温度传感器（7）；

所述测试表面（15）的前端面均正对高速相机（20），所述透明导冷块（16）两侧的侧部热色液晶涂层（13）分别正对两侧的侧CCD摄像机（19）；所述后CCD摄像机（18）正对背部热色液晶涂层（14）；

所述后CCD摄像机（18）、侧CCD摄像机（19）和高速相机（20）由计算机（22）连接，能够实现同步拍摄；后CCD摄像机（18）、侧CCD摄像机（19）和高速相机（20）的数据、压力传感器（1）和温度传感器（7）的数据均由数据采集仪（21）采集。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述传热测量模块中，所述测试表面（15）、背部热色液晶涂层（14）、透明导冷块（16）、透明水冷板（17）依次紧贴排布组成方形的一维传热组件，所述透明隔热层（12）包裹所述一维传热组件除前端面外的其余面，防止蒸汽在透明导冷块（16）和透明水冷板（17）上冷凝，实现从透明水冷板（17）到测试表面（15）的一维热传导。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述后CCD摄像机（18）、侧CCD摄像机（19）能够获得所拍摄的热色液晶涂层各个像素点的RGB数值，经过计算得到各个像素点的温度数值。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述真空腔体相对的前、后两壁面分别装有前视窗（6）和后视窗（10），分别用于高速相机（20）和后CCD摄像机（18）的拍摄，另外两相对壁面装有侧视窗（4），用于侧CCD摄像机（19）的拍摄。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述真空腔体各壁面埋设有电加热装置，防止蒸汽在壁面和视窗上冷凝影响拍摄。

6.一种如权利要求1所述装置的基于热色液晶的冷凝传热瞬态测量方法，其特征在于：

首先，启动数据采集系统，将真空腔体（2）壁面加热至高于蒸汽露点温度，使用真空泵将真空腔体（2）内抽真空，将达到实验所需温度的冷却水通过冷却水进口（8）通入透明水冷板（17）实现循环；

然后，向真空腔体通入蒸汽开始冷凝实验；压力传感器（1）监测真空腔体内的压力，温度传感器（7）测量靠近测试表面（15）处的蒸汽温度；随着蒸汽冷凝的进行，热量由蒸汽侧经透明导冷块（16）传到透明水冷板（17），背热色液晶涂层（14）与侧热色液晶涂层（13）会显示出颜色变化，由同步的后CCD摄像机（18）和侧CCD摄像机（19）分别记录；高速相机（20）记录测试表面（15）上对应时刻的液滴或液膜的动态行为；

最后，结束实验，关闭数据采集系统；通过记录的侧热色液晶涂层（13）的颜色梯度变化计算出冷凝传热的瞬态热流密度，通过背热色液晶涂层（14）的颜色变化计算出测试表面（15）在冷凝过程中的瞬态温度，结合温度传感器（7）测量的蒸汽温度最终计算出测试表面（15）的平均或局部瞬态冷凝传热系数。

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