CN113758967A - 一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法 - Google Patents

一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法，该装置包括压力传感器、防护加热器、安全壳、热电偶、蒸发器、铜芯安装板、冷凝器、液位控制器、不锈钢压板、吸液芯和涤纶/棉材料等；铜芯安装板沿轴向均匀分为三部分，从左至右分别为蒸发端、绝热端、冷凝端；压力传感器通过连接元件与测试回路处相连，实现压力的检测；安全壳在装置的外围，可以有效防止工质的泄露；防护加热器安装在安全壳的上下两端，可以提供热源；吸液芯被不锈钢压板夹紧，以确保吸液芯固定在铜芯安装板上；热电偶通过铜芯安装板上的小孔安装，可以实现温度的测量；冷凝端处提供冷却；液位控制器安装在测试回路下侧，可实现液体的灌装与导出。

Description

一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法
技术领域
本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法。
背景技术
一个简单的热管由一个衬有环形多孔吸液芯材料的密封外壳组成。吸液芯中充满了液体状态下的工作液体。热负载与蒸发器端的外壳接触。热量通过外壳通过径向传递到吸液芯中。这导致液体蒸发，将质量从吸液芯转移到管壳中。在管壳中增加的质量增加了管道蒸发端的蒸汽的压力，从而产生一个压差，驱动蒸汽流到热管的冷凝端。通过连接在冷凝端处的散热器去除热量。这导致蒸汽冷凝，取代之前蒸发到管壳的液体质量。在没有轴向上的力(重力、离心力等)的情况下，毛细管强制将液体轴向泵回蒸发端。而当传热极限出现时，蒸发端液体蒸发的速度远大于冷凝端蒸汽冷凝的速度，导致液体不能回流，会使热管的传热性能恶化。因此，研究吸液芯的传热极限显得尤为重要。
发明内容
为实现对吸液芯传热极限的研究，本发明设计了一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法，研究传热极限到来前的情况，可以有效预防传热极限的发生。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，包括压力传感器1、防护加热器2、安全壳3、热电偶4、蒸发器5、铜芯安装板6、冷凝器7、液位控制器8、不锈钢压板9、吸液芯10和涤纶/棉材料11；所述热电偶4、蒸发器5、铜芯安装板6、冷凝器7、液位控制器8、不锈钢压板9、吸液芯10组成测试回路；所述铜芯安装板6置于安全壳3内部，铜芯安装板6沿轴向均匀分为三部分，从左至右分别为蒸发端、绝热端和冷凝端；所述压力传感器1通过连接元件与安全壳3相连，实现压力的检测；所述防护加热器2安装在安全壳3的上下两端，提供热源；所述吸液芯10被不锈钢压板9机械夹紧，以确保吸液芯10固定在铜芯安装板6上；所述蒸发器5连接到铜芯安装板6的蒸发端处，以提供热源；所述冷凝器7通过在铜芯安装板6上钻入的冷却通道，利用循环冷水机组在铜芯安装板6的冷凝端提供冷却；所述铜芯安装板6的一侧安装有多个热电偶4；所述液位控制器8安装在测试回路下侧，控制液体的灌装与排泄；所述蒸发器5和铜芯安装板6的绝热端的厚度为3.5mm～5mm，尽可能薄，以尽量减少沿铜芯安装板6长度的热传导，同时仍然保持结构稳定性；所述铜芯安装板6的表面采用电化学氧化方法进行处理，以提高铜芯材料的润湿性；所述涤纶/棉材料11设置在安全壳3内部减少测试回路的热损失。
由于吸液芯10中工质同一时刻在任意位置情况下分布都是相同的，因此测试回路能够在相对于重力平面的任何方向上操作，不会受到重力带来的影响；其次，测试回路适用于蒸发器区域的流量可视化研究。
所述铜芯安装板6的表面采用电化学氧化方法，电化学氧化方法为铜及铜合金在热碱性溶液中进行阳极电解时，在阳极上析出的氧将使铜及铜合金氧化生成氧化膜。
所述蒸发器5使用传导环氧树脂连接到铜芯安装板6的蒸发端处。
铜芯安装板6的任一侧均匀钻有12个通孔，使用导热环氧树脂将热电偶4放置在通孔中。
述一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置的实验方法，所有试验均在20～30℃的设定点上完成；由热电偶4测量的冷凝器7平均温度为21～25℃，将冷凝器7功率设置到第一蒸发器5功率设定值以上后，设置防护加热器2功率并维持与冷凝器7相同的功率水平，以提供蒸发器5总热负荷；温度不断上升后逐渐到达稳态；取2～5分钟的温度数据的平均值，以确定稳态值；记录两组数据，两组数据记录间隔时间为5～10min；在给定的功率水平上记录数据后，提高防护加热器2的功率设定，并重复测试，直到蒸发器5的末端温度显著升高，此时传热极限出现。
所述实验方法，将吸液芯10工质相变现象与蒸汽相压降和声波极限分离出来，蒸汽相压降和声波极限受热管几何形状而不是吸液芯10特性的影响；同时，由于测试回路中不锈钢压板9能够通过调节螺母松紧度上下调节，所以测试回路很容易兼容宽范围的吸液芯10类型和厚度。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
所述铜芯安装板6的表面采用电化学氧化方法进行处理：铜及铜合金在热碱性溶液中进行阳极电解时，在阳极上析出的氧将使铜及铜合金氧化生成氧化膜，以提高铜芯材料的润湿性；所述涤纶/棉材料11设置在安全壳3内部减少测试回路的热损失；铜芯安装板6的任一侧均匀布置多个热电偶，可以精确测量出温度分布。
本发明针对热管传热性能受限的问题，提出一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置及方法，本发明具有减少热损失、精确测温、避免工质泄露等优势；结构紧凑，特殊的结构设计能够精确测量出吸液芯的传热极限，可以有效预防传热极限的发生。
附图说明
图1为阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置示意图。
具体实施方式
现结合实例和附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本实施例一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，包括压力传感器1、防护加热器2、安全壳3、热电偶4、蒸发器5、铜芯安装板6、冷凝器7、液位控制器8、不锈钢压板9、吸液芯10、涤纶/棉材料11；所述热电偶4、蒸发器5、铜芯安装板6、冷凝器7、液位控制器8、不锈钢压板9、吸液芯10组成测试回路；所述铜芯安装板6沿轴向均匀分为三部分，从左至右分别为蒸发端、绝热端、冷凝端；所述压力传感器1通过连接元件与测试回路处相连，实现压力的检测；所述防护加热器2安装在安全壳3的上下两端，可以提供热源；所述吸液芯10被不锈钢压板9机械夹紧，以确保吸液芯10固定在铜芯安装板6上；所述蒸发器5使用传导环氧树脂连接到铜芯安装板6的蒸发端处，以提供热源；所述冷凝器7通过在铜芯安装板6上钻入的冷却通道，利用循环冷水机组在铜芯安装板6的冷凝端提供冷却；所述热电偶4在铜芯安装板6的一侧钻了12个孔，使用导热环氧树脂将热电偶4放置在孔中；所述液位控制器8安装在测试回路下侧，可实现液体的灌装与排泄；所述蒸发器5和铜芯安装板6的绝热端尽可能薄(5mm以下)，以尽量减少沿铜芯安装板6长度的热传导，同时仍然保持足够的厚度(3.5mm以上)以保持结构稳定性；所述铜芯安装板6的表面采用电化学氧化方法(铜及铜合金在热碱性溶液中进行阳极电解时，在阳极上析出的氧将使铜及铜合金氧化生成氧化膜)进行处理，以提高铜芯材料的润湿性；所述涤纶/棉材料11可以减少测试回路的热损失。
本实施例一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置的实验方法为：所有试验均在20℃的设定点上完成；由热电偶4测量的冷凝器7平均温度为21℃，将冷凝器7功率设置到第一蒸发器5功率设定值以上后，设置防护加热器2功率并维持与冷凝器7相同的功率水平，以提供蒸发器5总热负荷；温度不断上升后逐渐到达稳态；取两分钟的温度数据的平均值，以确定稳态值；记录两组数据，两组数据记录间隔时间为5min；在给定的功率水平上记录数据后，提高防护加热器2的功率设定，并重复测试，直到蒸发器5的末端温度显著升高，此时传热极限出现。

Claims (7)

1.一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，其特征在于：包括压力传感器(1)、防护加热器(2)、安全壳(3)、热电偶(4)、蒸发器(5)、铜芯安装板(6)、冷凝器(7)、液位控制器(8)、不锈钢压板(9)、吸液芯(10)和涤纶/棉材料(11)；所述热电偶(4)、蒸发器(5)、铜芯安装板(6)、冷凝器(7)、液位控制器(8)、不锈钢压板(9)、吸液芯(10)组成测试回路；所述铜芯安装板(6)置于安全壳(3)内部，铜芯安装板(6)沿轴向均匀分为三部分，从左至右分别为蒸发端、绝热端和冷凝端；所述压力传感器(1)通过连接元件与安全壳(3)相连，实现压力的检测；所述防护加热器(2)安装在安全壳(3)的上下两端，提供热源；所述吸液芯(10)被不锈钢压板(9)机械夹紧，以确保吸液芯(10)固定在铜芯安装板(6)上；所述蒸发器(5)连接到铜芯安装板(6)的蒸发端处，以提供热源；所述冷凝器(7)通过在铜芯安装板(6)上钻入的冷却通道，利用循环冷水机组在铜芯安装板(6)的冷凝端提供冷却；所述铜芯安装板(6)的一侧安装有多个热电偶(4)；所述液位控制器(8)安装在测试回路下侧，控制液体的灌装与排泄；所述蒸发器(5)和铜芯安装板(6)的绝热端的厚度为3.5mm～5mm，尽可能薄，以尽量减少沿铜芯安装板(6)长度的热传导，同时仍然保持结构稳定性；所述铜芯安装板(6)的表面采用电化学氧化方法进行处理，以提高铜芯材料的润湿性；所述涤纶/棉材料(11)设置在安全壳(3)内部减少测试回路的热损失。
2.根据权利要求1所述一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，其特征在于：由于吸液芯(10)中工质同一时刻在任意位置情况下分布都是相同的，因此测试回路能够在相对于重力平面的任何方向上操作，不会受到重力带来的影响；其次，测试回路适用于蒸发器区域的流量可视化研究。
3.根据权利要求1所述一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，其特征在于：所述铜芯安装板(6)的表面采用电化学氧化方法，电化学氧化方法为铜及铜合金在热碱性溶液中进行阳极电解时，在阳极上析出的氧将使铜及铜合金氧化生成氧化膜。
4.根据权利要求1所述的一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，其特征在于：所述蒸发器(5)使用传导环氧树脂连接到铜芯安装板(6)的蒸发端处。
5.根据权利要求1所述的一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置，其特征在于：铜芯安装板(6)的任一侧均匀钻有12个通孔，使用导热环氧树脂将热电偶(4)放置在通孔中。
6.权利要求1至5任一项所述一种阶梯式金属热管吸液芯的传热极限测量实验装置的实验方法，其特征在于：所有试验均在20～30℃的设定点上完成；由热电偶(4)测量的冷凝器(7)平均温度为21～25℃，将冷凝器(7)功率设置到第一蒸发器(5)功率设定值以上后，设置防护加热器(2)功率并维持与冷凝器(7)相同的功率水平，以提供蒸发器(5)总热负荷；温度不断上升后逐渐到达稳态；取2～5分钟的温度数据的平均值，以确定稳态值；记录两组数据，两组数据记录间隔时间为5～10min；在给定的功率水平上记录数据后，提高防护加热器(2)的功率设定，并重复测试，直到蒸发器(5)的末端温度显著升高，此时传热极限出现。
7.根据权利要求6所述实验方法，其特征在于：将吸液芯(10)工质相变现象与蒸汽相压降和声波极限分离出来，蒸汽相压降和声波极限受热管几何形状而不是吸液芯(10)特性的影响；同时，由于测试回路中不锈钢压板(9)能够通过调节螺母松紧度上下调节，所以测试回路很容易兼容宽范围的吸液芯(10)类型和厚度。
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