CN113295730B - 精细表面单相及两相对流传热传质实验装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置及其制备方法，本发明的装置由实验段、进口保护段和出口保护段组成；所述进口保护段、所述实验段和所述出口保护段依次拼接成整体；并对拼接之后的整体金属表面进行精细化处理；所述进口保护段和出口保护段的金属材料与所述实验段的金属材料不相同，且所述进口保护段和出口保护段的材料根据强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性因素来确定；本发明的实验装置通过进出口端盖嵌入进出口联箱，并辅以绝缘块和承压壳实现电加热时的绝缘和高压下的承压能力。本发明利用保护金属有效避免了焊接过程中高温对精细表面的影响，提高精细化表面传热传质实验数据的准确性。

Description

精细表面单相及两相对流传热传质实验装置及其制备方法

技术领域

本发明属于压力容器设备技术领域，具体涉及一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置及其制备方法。

背景技术

随着微纳米加工技术以及材料涂层技术的发展，通过表面处理技术去改善原有材料传热、抗腐蚀、耐磨等各方面的性能的技术已经得到较好的发展。对于航天航空、动力工程以及石油化工等诸多领域，进行表面处理后的元器件的传热传质性能，是影响其整体性能的关键过程。为此，开展精细化表面处理之后的改性表面的传热传质特性研究对于整个性能优化过程中的验证、迭代与反馈有重要意义。

然而，在对这一类进行了精细化处理的表面开展通道内的传热传质实验的过程中，需要利用这样的表面制备相应的压力容器(实验件)，而在实验件的制造和组装过程中大多采用焊接等工艺是满足压力容器的密封和承压。在焊接的过程中，难免会有导致基体材料温度的升高从而影响表面精细化处理的效果，造成实验获得的现象和数据难以表征真实的传热传质性能。

发明内容

为了解决现有实验装置导致实验获得的现象和数据不够准确和可靠的技术问题，本发明提供了一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置。本发明利用保护金属有效避免了焊接过程中高温对精细表面的影响，提高精细化表面传热传质实验数据的准确性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置，该实验装置由实验段、进口保护段和出口保护段组成；

所述进口保护段、所述实验段和所述出口保护段依次拼接成整体；并对拼接之后的整体金属表面进行精细化处理；

所述进口保护段和出口保护段的金属材料与所述实验段的金属材料不相同，且所述进口保护段和出口保护段的材料根据强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性因素来确定；

该实验装置通过进出口端盖嵌入进出口联箱，并辅以绝缘块和承压壳实现电加热时的绝缘和高压下的承压能力。

本发明针对进行了精细表面处理的传热传质实验，通过提供保护金属和实验基体拼接，利用保护金属的散热能力使得在焊接工艺过程中的优化保护实验基体不受焊接高温的影响，从而保护实验基体材料不受热损失，确保精细表面传热传质实验装置获得的实验现象和数据主要表征真实的精细化表面，以提高此类传热传质实验数据的准确性。

优选的，本发明的实验段采用但不限于不锈钢，所述进口保护段和出口保护段采用但不限于镍。

优选的，本发明的进口保护段和出口保护段的长度采用CFD方法来确定，利用CFD方法构建保护段的几何模型；

通过计算不同保护段长度L条件下，冷端温度T′₂，当T′₂＜T₂时则当前长度L₀为保护段长度的最小限制；其中，T₂为实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度；

最后考虑20％～100％的裕量，则保护段长度为1.2L₀～2.0L₀。

进一步的，本发明的进口保护段和出口保护段的长度利用等截面直肋导热计算得到，具体为：

肋片的传热微分方程为：

边界条件为：

x＝0,T＝T₁；x＝L,

式中，P为截面周长，A_c为截面积；

求解所述传热微分方程，获得冷端温度T′₂和保护金属长度L的关系式为：

式中，ch为双曲函数，T₁为保护段和端盖焊接处的温度，h为对流换热系数，P为截面周长，λ为导热系数，T_f为环境温度；

采用不同的金属长度L能够获得对应的冷端温度T′₂，当T′₂＜T₂时则当前金属长度L₀为保护段长度的最小限制；其中，T₂为实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度；

最后考虑20％～100％的裕量，则保护段长度为1.2L₀～2.0L₀。

优选的，本发明的保护段和实验段之间通过激光焊接或电子束焊接方式实现异种金属材料的拼接。

优选的，本发明采用飞秒激光技术对金属表面进行精细化处理。

另一方面，本发明还提出了上述实验装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一，选取所述进口保护段和所述出口保护段的材料；

步骤二，确定所述进口保护段和所述出口保护段的长度；

步骤三，将所述进口保护段、所述实验段和所述出口保护段依次拼接成装置整体；

步骤四，对拼接成装置整体的金属表面进行精细化处理。

优选的，本发明的步骤一根据强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性因素，对所述进口保护段和所述出口保护段的材料进行选取：

当所述实验段的材料选取不锈钢时，所述进口保护段和所述出口保护段的材料选用镍。

优选的，本发明的步骤二利用保护段和端盖焊接处的温度T₁、实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度T₂，并以第三类边界条件下的肋片导热形式进行计算得到，最后考虑20％～100％的安全裕量，确定保护段的长度。

优选的，本发明的步骤五采用氩弧焊技术或银钎焊技术将装置整体进出口分别与端盖进行焊接。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明利用保护金属的散热能力使得在焊接工艺过程中的优化保护实验基体不受焊接高温的影响，从而保护实验基体材料不受热损失，确保精细表面传热传质实验装置获得的实验现象和数据主要表征真实的精细化表面，以提高此类传热传质实验数据的准确性，并且成本低廉且精度较好，并具备良好的拓展性，满足精细化表面传热传质实验的精确测量要求。

2、本发明可用于精确控制表面几何及相关特征的传热传质实验，可有效保护实验段基体材料并提高此类传热传质实验数据的准确性。

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为本发明的实验装置结构示意图。

图2为本发明的保护段结构几何模型。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-进口保护段，2-实验段，3-出口保护段。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

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1

本实施例提出了一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置，具体如图1所示，本实施例的实验装置由实验段2、进口保护段1和出口保护段3组成。

本实施例的进口保护段1、实验段2和出口保护段3依次拼接成整体，为确保高温高压下的实验本体的强度，保护段金属和实验段金属之间的拼接极为重要，本实施例可利用激光焊或电子束焊接均实现异种金属材料的拼接。

本实施例对拼接之后的整体金属表面进行精细化处理；为了保护精细处理的表面不受焊接过程中的影响，本实施例提出先进行实验段金属和保护段金属的拼接之后，后开展精细化的表面处理，对于金属材料而言，可利用飞秒激光技术实现金属表面的精细化处理。

本实施例的进口保护段和出口保护段的金属材料与实验段的金属材料不相同，且进口保护段和出口保护段的材料根据强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性因素来确定；

本实施例的实验装置通过进出口端盖(本实施例的实验装置的进出口分别与端盖焊接)嵌入进出口联箱，并辅以绝缘块和承压壳实现电加热时的绝缘和高压下的承压能力。

本实施例的实验段采用但不限于不锈钢，针对实验段材料为不锈钢的情况下，考虑到强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性等因素，对保护段材料进行选取，本实施例的进口保护段和出口保护段材料采用但不限于镍(N4或者N6)。

本实施例的进口保护段和出口保护段的长度采用CFD方法来确定，利用CFD方法构建保护段的几何模型，其结构和边界条件如图2所示(图中，h_v为对流换热系数，T_f为环境温度)；

通过计算不同保护段长度L条件下，冷端温度T′₂，当T′₂＜T₂时则当前长度L₀为保护段长度的最小限制；其中，T₂为实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度；再考虑20％～100％的裕量，则保护段长度为1.2L₀～2.0L₀。

本实施例的进口保护段和出口保护段的长度利用等截面直肋导热计算得到，具体为：

肋片的传热微分方程为：

边界条件为：

x＝0,T＝T₁；x＝L,

式中，P为截面周长，A_c为截面积；

求解所述传热微分方程，获得冷端温度T′₂和保护金属长度L的关系式为：

式中，ch为双曲函数，T₁为保护段和端盖焊接处的温度，h为对流换热系数，P为截面周长，λ为导热系数，T_f为环境温度；

采用不同的金属长度L能够获得对应的冷端温度T′₂，当T′₂＜T₂时则当前金属长度L₀为保护段长度的最小限制；其中，T₂为实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度；

最后考虑20％～100％的裕量，则保护段长度为1.2L₀～2.0L₀。

实施例2

本实施例提出了上述实施例1的实验装置的制备方法，本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一，选取所述进口保护段和所述出口保护段的材料。

针对预开展精细表面的传热传质实验的实验段材料选取性能相近的保护金属。本实施例针对实验段材料为不锈钢的情况下，考虑到强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性等因素，对保护材料进行选取。由于镍与不锈钢膨胀系数相近，可有效避免高温热膨胀下的焊缝膨胀剪切；同时镍的电阻率约为不锈钢的10％，通过串联拼接，在利用直接电加热的情况下可以确保不锈钢实验段的发热远大于进出口保护段(尤其对临界热流密度实验而言，可以让临界发生在实验段而避免了非精细化表面的出口端出现沸腾临界现象)，为此，本实施例提出针对不锈钢的实验段，可以采用采用镍作为保护材料(N4或者N6)。

步骤二，确定所述进口保护段和所述出口保护段的长度。

本实施例的实验装置进出口(进口保护段和出口保护段)分别与端盖进行焊接，常用的焊接方式为氩弧焊或银钎焊(1000℃或以上)，其焊接时的温度定义为T₁，同时精细表面的不锈钢材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度为T₂，通过保护段金属的散热实现拼接处的温度低于T₂，即本实施例的保护段金属长度利用端盖焊接处的温度(T1)以及实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度(T2)进行计算，计算利用第三类边界条件的肋片导热形式进行，并取120％～200％的安全裕量(具体计算过程如上述实施例1中所述，此处不再赘述)。

步骤三，将所述进口保护段、所述实验段和所述出口保护段依次拼接成装置整体。

为确保高温高压下的实验本体的强度，保护金属和实验段金属材料之间的拼接极为重要，本实施例可利用激光焊或电子束焊接均实现异种金属材料的拼接。

步骤四，对拼接成装置整体的金属表面进行精细化处理。

为了保护精细处理的表面不受焊接过程中的影响，本实施例提出先进行实验段金属和保护金属的拼接之后，开展精细化的表面处理，对于金属材料而言，本实施例可利用飞秒激光技术实现金属表面的精细化处理。

本实施例将精细化处理之后的实验装置整体通过进出口端盖嵌入进出口联箱，并辅以绝缘块和承压壳实现电加热时的绝缘和高压下的承压能力。

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 (8)

1.一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置，其特征在于，该实验装置由实验段、进口保护段和出口保护段组成；

所述进口保护段、所述实验段和所述出口保护段依次拼接成整体；并对拼接之后的整体金属表面进行精细化处理；

所述进口保护段和出口保护段的金属材料与所述实验段的金属材料不相同，且所述进口保护段和出口保护段的材料根据强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性因素来确定；

该实验装置通过进出口端盖嵌入进出口联箱，并辅以绝缘块和承压壳实现电加热时的绝缘和高压下的承压能力；

所述进口保护段和出口保护段的长度采用CFD方法来确定，利用CFD方法构建保护段的几何模型；

通过计算不同保护段长度L条件下，冷端温度

，当

时则当前长度L ₀为保护段长度的最小限制；其中，T ₂为实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度；

最后考虑20%~100%的裕量，则保护段长度为1.2 L ₀~2.0 L ₀；

所述进口保护段和出口保护段的长度利用等截面直肋导热计算得到，具体为：

肋片的传热微分方程为：

边界条件为：

式中，P为截面周长，A _c 为截面积；

求解所述传热微分方程，获得冷端温度

和保护金属长度L的关系式为：

式中，ch为双曲函数，T ₁为保护段和端盖焊接处的温度，h为对流换热系数，P为截面周长，

为导热系数，T _f 为环境温度；

采用不同的金属长度L能够获得对应的冷端温度

，当

时则当前金属长度L ₀为保护段长度的最小限制；其中，T ₂为实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度；

最后考虑20%~100%的裕量，则保护段长度为1.2 L ₀~2.0 L ₀。

2.根据权利要求1所述的一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置，其特征在于，所述实验段采用不锈钢，所述进口保护段和出口保护段采用镍。

3.根据权利要求1所述的一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置，其特征在于，所述保护段和实验段之间通过激光焊接或电子束焊接方式实现异种金属材料的拼接。

4.根据权利要求1所述的一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置，其特征在于，采用飞秒激光技术对金属表面进行精细化处理。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种精细表面单相及两相对流传热传质实验装置的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，选取所述进口保护段和所述出口保护段的材料；

步骤二，确定所述进口保护段和所述出口保护段的长度；

步骤三，将所述进口保护段、所述实验段和所述出口保护段依次拼接成装置整体；

步骤四，对拼接成装置整体的金属表面进行精细化处理。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一根据强度、电阻率、热膨胀系数以及可加工性因素，对所述进口保护段和所述出口保护段的材料进行选取：

当所述实验段的材料选取不锈钢时，所述进口保护段和所述出口保护段的材料选用镍。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二利用保护段和端盖焊接处的温度T ₁、实验段材料在不影响其表面特性的情况下的限制温度T ₂，并以第三类边界条件下的肋片导热形式进行计算得到，最后考虑20%~100%的安全裕量，确定保护段的长度。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三采用氩弧焊技术或银钎焊技术将装置整体进出口分别与端盖进行焊接。

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