CN113899783A - 一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法，该装置包括上封板、加热板、下封板、左侧封液板、左侧封气板、右侧封液板、右侧封气板、压紧板、吸液芯样品、气体预热器、第一储气室、第一伺服泵、第二储气室、第二伺服泵、工质储藏室、真空泵机组、压差变送器、阀门等。本发明可实现对高温热管吸液芯传热极限的实验研究，获得高温热管毛细极限、夹带极限、沸腾极限等传热极限的可视化研究。

Description

一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法
技术领域
本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法。
背景技术
热管是一种利用工质相变传热的非能动传热设备，具有结构简单、非能动等优点。热管内工质在密封的管壳腔体内工作，难以通过可视化的手段进行观测，特别是高温热管采用液态金属作为工作介质，更加难以直接观测。传热极限对热管的传热能力提出了限制，诸如毛细极限、夹带极限、沸腾极限等类型极大地限制了热管的传热功率，甚至可能导致热管的失效。
发明内容
为实现可视化研究高温热管吸液芯内的传热极限，本发明提出了一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法，实现对传热极限的可视化实验，本装置结构简化，可适用于各种类型热管工质，实现对吸液芯特征参数、毛细极限、夹带极限、沸腾极限等传热极限的研究，应用前景广阔。
本发明采取以下设计方案：
一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法，包括上封板10、加热板20、下封板30、透明侧视板40、左侧封气板11、左侧封液板12、右侧封气板13、右侧封液板14、加热丝21、吸液芯样品100、实心样品101、压紧板200、压差变送器300、第一储气室110、第一储气阀门111、气体预热器112、第一伺服泵120、第一伺服阀门121、气体流量计130、第二储气阀门131、第二储气室132、流量计140、第二伺服泵145、第二伺服阀门141、真空泵机组146、真空泵阀门142、工质储藏室00、工质输出阀门01、工质输入阀门02；所述上封板10、压紧板200、吸液芯样品100、加热板20、下封板30由上到下逐层叠加，压差变送器300连接在吸液芯样品100左右两端，测量吸液芯样品100左右两端压差，实心样品101用以实验过程中替换吸液芯样品100，透明侧视板40位于压紧板200、吸液芯样品100的前后侧面，左侧封气板11和右侧封气板13分别位于压紧板200的左右两侧，左侧封液板12和右侧封液板14分别位于吸液芯样品100左右两侧，加热丝21位于加热板20内部均匀分布，上封板10、加热板20、左侧封气板11、左侧封液板12、右侧封气板13、右侧封液板14为压紧板200和吸液芯样品100创造密封的空间，左侧封气板11经气体预热器112和第一储气阀门111连接至第一储气室110，左侧封液板12分别经第一储气阀门111和第一伺服阀门121连接至第一储气室110和第一伺服泵120，第一伺服泵120经工质输出阀门01连接工质储藏室00，右侧封气板13经气体流量计130和第二储气阀门131连接至第二储气室132，右侧封液板14连接流量计140，流量计140分别经第二伺服阀门141和真空泵阀门142连接至第二伺服泵145和真空泵机组146，第二伺服泵145经工质输入阀门02连接工质储藏室00。
所述第一储气室110和第二储气室132内部气体为惰性气体或工质蒸气。
所述吸液芯样品100可选用丝网、槽道、烧结粉末、烧结纤维、环道等一种或多种复合结构。
所述工质储藏室00内工质可选用高温液态金属、高温熔盐、水或有机物。
所述透明侧视板40可采用亚克力板、透明陶瓷或石英玻璃。
所述下封板30可实现六自由度运动。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明针对吸液芯样品(100)可进行孔隙率、渗透率等特征参数的测定；通过第一伺服泵(120)、第二伺服泵(145)和压差变送器(300)的配合模拟毛细压差，实现毛细极限的模拟；通过第一伺服泵(120)、第二伺服泵(145)调节吸液芯样品(100)的液位，通过第一储气室(110)和第二储气室(132)调节气体流动速度，实现热管内气液两相逆流的模拟，研究夹带的发生和吸液芯样品(100)结构对夹带的影响；通过透明侧视板(40)观察吸液芯样品(100)内的气泡，通过第一储气室(110)和第二储气室(132)调节气体压力，实现对不同工况下沸腾极限的模拟。
本发明针对热管传热性能受限的问题，提出一种高温热管吸液芯传热极限实验装置及方法，本发明结构紧凑，操作简单，可实现对热管吸液芯内传热极限的实验研究。
附图说明
图1为本发明高温热管吸液芯传热极限实验装置的示意图。
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，包括上封板10、加热板20、下封板30、透明侧视板40、左侧封气板11、左侧封液板12、右侧封气板13、右侧封液板14、加热丝21、吸液芯样品100、实心样品101、压紧板200、压差变送器300、第一储气室110、第一储气阀门111、气体预热器112、第一伺服泵120、第一伺服阀门121、气体流量计130、第二储气阀门131、第二储气室132、流量计140、第二伺服泵145、第二伺服阀门141、真空泵机组146、真空泵阀门142、工质储藏室00、工质输出阀门01、工质输入阀门02；所述上封板10、压紧板200、吸液芯样品100、加热板20、下封板30由上到下逐层叠加，压差变送器300连接在吸液芯样品100左右两端，测量吸液芯样品100左右两端压差，实心样品101用以实验过程中替换吸液芯样品100，透明侧视板40位于压紧板200、吸液芯样品100的前后侧面，左侧封气板11和右侧封气板13分别位于压紧板200的左右两侧，左侧封液板12和右侧封液板14分别位于吸液芯样品100左右两侧，加热丝21位于加热板20内部均匀分布，上封板10、加热板20、左侧封气板11、左侧封液板12、右侧封气板13、右侧封液板14为压紧板200和吸液芯样品100创造密封的空间，左侧封气板11经气体预热器112和第一储气阀门111连接至第一储气室110，左侧封液板12分别经第一储气阀门111和第一伺服阀门121连接至第一储气室110和第一伺服泵120，第一伺服泵120经工质输出阀门01连接工质储藏室00，右侧封气板13经气体流量计130和第二储气阀门131连接至第二储气室132，右侧封液板14连接流量计140，流量计140分别经第二伺服阀门141和真空泵阀门142连接至第二伺服泵145和真空泵机组146，第二伺服泵145经工质输入阀门02连接工质储藏室00。
作为本发明优选实施方式，所述第一储气室110和第二储气室132内部气体为惰性气体或工质蒸气。
作为本发明优选实施方式，所述吸液芯样品100可选用丝网、槽道、烧结粉末、烧结纤维、环道等一种或多种复合结构。
作为本发明优选实施方式，所述工质储藏室00内工质可选用高温液态金属、高温熔盐、水或有机物。
作为本发明优选实施方式，所述透明侧视板40可采用亚克力板、透明陶瓷或石英玻璃。
作为本发明优选实施方式，所述下封板30可实现六自由度运动。
本发明的工作原理为：。
泄漏体积测定：采用实心样品101替换吸液芯样品100，打开第一储气阀门111和第二储气阀门131，第一储气室110内气体经第一储气阀门111、气体预热器112、左侧封气板11、实心样品101和压紧板200、右侧封气板13、第二储气阀门131到达第二储气室132，通气5min以上后关闭第一储气阀门111和第二储气阀门131，开启真空泵机组146，打开真空泵阀门142，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门142和真空泵机组146，将工质储藏室00内工质转变为液态工质并记录初始体积V0，打开工质输出阀门01、工质输入阀门02、第一伺服阀门121、第二伺服阀门141、第一伺服泵120和第二伺服泵145，待流量计140示数稳定后，记录工质储藏室00内的液态工质体积V1，故泄漏体积Vloss＝V0-V1。
吸液芯样品100特征参数测定：测量吸液芯样品100的长度L，截面积A，几何体积V2，孔径r，采用吸液芯样品100替换实心样品101，打开第一储气阀门111和第二储气阀门131，第一储气室110内气体经第一储气阀门111、气体预热器112、左侧封气板11、吸液芯样品100和压紧板200、右侧封气板13、第二储气阀门131到达第二储气室132，通气5min以上后关闭第一储气阀门111和第二储气阀门131，开启真空泵机组146，打开真空泵阀门142，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门142和真空泵机组146，将工质储藏室00内工质转变为液态工质并记录初始体积V3，打开工质输出阀门01、工质输入阀门02、第一伺服阀门121、第二伺服阀门141、第一伺服泵120和第二伺服泵145，待流量计140示数稳定记录流量m，记录工质储藏室00内的液态工质体积V4，记录压差变送器300示数ΔP，吸液芯样品100的孔隙率ε＝(V3-V4-Vloss)/V2，吸液芯样品100的渗透率为K＝(mμL)/(ρAεΔP)。其中，μ为液态工质的动力黏度，ρ为液态工质的密度。
吸液芯样品100毛细极限测定：测量吸液芯样品100的孔径r，采用吸液芯样品100替换实心样品101，调节下封板30的工作角度为设计角度，打开第一储气阀门111和第二储气阀门131，第一储气室110内气体经第一储气阀门111、气体预热器112、左侧封气板11、吸液芯样品100和压紧板200、右侧封气板13、第二储气阀门131到达第二储气室132，通气5min以上后关闭第一储气阀门111和第二储气阀门131，开启真空泵机组146，打开真空泵阀门142，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门142和真空泵机组146，将工质储藏室00内工质转变为液态工质，打开工质输出阀门01、工质输入阀门02、第一伺服阀门121、第二伺服阀门141、第一伺服泵120和第二伺服泵145，调节第一伺服泵120或第二伺服泵145，使得压差变送器300示数ΔP＝2σ/r，σ为液态工质的表面张力，记录流量计140流量m，此时的流量m即为毛细极限下吸液芯样品100的毛细流量。
吸液芯样品100夹带极限测定：去掉压紧板200，采用吸液芯样品100替换实心样品101，调节下封板30的工作角度为设计角度，打开第一储气阀门111和第二储气阀门131，第一储气室110内气体经第一储气阀门111、气体预热器112、左侧封气板11、吸液芯样品100和压紧板200、右侧封气板13、第二储气阀门131到达第二储气室132，通气5min以上后关闭第一储气阀门111和第二储气阀门131，开启真空泵机组146，打开真空泵阀门142，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门142和真空泵机组146，将工质储藏室00内工质转变为液态工质，打开工质输出阀门01、工质输入阀门02、第一伺服阀门121、第二伺服阀门141、第一伺服泵120和第二伺服泵145，调节第一伺服泵120或第二伺服泵145来控制吸液芯样品100内液态工质由右侧流向左侧，并控制液态工质的液位和流量，打开第一储气阀门111和第二储气阀门131，第一储气室110内气体经第一储气阀门111、气体预热器112、左侧封气板11、吸液芯样品100、右侧封气板13、第二储气阀门131到达第二储气室132，调节第一储气阀门111或第二储气阀门131控制气体流动速度，通过透明侧视板40观察是否发生夹带，记录夹带发生时的气体流量计130流量m1和流量计140流量m2。此时的流量m1和m2分别为夹带极限下吸液芯样品100的气体流量和液体流量。
吸液芯样品100沸腾极限测定：去掉压紧板200，采用吸液芯样品100替换实心样品101，调节下封板30的工作角度为设计角度，打开第一储气阀门111和第二储气阀门131，第一储气室110内气体经第一储气阀门111、气体预热器112、左侧封气板11、吸液芯样品100和压紧板200、右侧封气板13、第二储气阀门131到达第二储气室132，通气5min以上后关闭第一储气阀门111和第二储气阀门131，开启真空泵机组146，打开真空泵阀门142，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门142和真空泵机组146，将工质储藏室00内工质转变为液态工质，打开工质输出阀门01、工质输入阀门02、第一伺服阀门121、第二伺服阀门141、第一伺服泵120和第二伺服泵145，调节第一伺服泵120或第二伺服泵145来控制吸液芯样品100内液态工质的液位和流量，调节加热丝21的功率，通过透明侧视板40观察吸液芯样品100内气泡产生的时间，并记录此时的加热丝21的功率即为沸腾极限。

Claims (7)

1.一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，其特征在于：包括上封板(10)、加热板(20)、下封板(30)、透明侧视板(40)、左侧封气板(11)、左侧封液板(12)、右侧封气板(13)、右侧封液板(14)、加热丝(21)、吸液芯样品(100)、实心样品(101)、压紧板(200)、压差变送器(300)、第一储气室(110)、第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、第一伺服泵(120)、第一伺服阀门(121)、气体流量计(130)、第二储气阀门(131)、第二储气室(132)、流量计(140)、第二伺服泵(145)、第二伺服阀门(141)、真空泵机组(146)、真空泵阀门(142)、工质储藏室(00)、工质输出阀门(01)、工质输入阀门(02)；所述上封板(10)、压紧板(200)、吸液芯样品(100)、加热板(20)、下封板(30)由上到下逐层叠加，压差变送器(300)连接在吸液芯样品(100)左右两端，测量吸液芯样品(100)左右两端压差，实心样品(101)用以实验过程中替换吸液芯样品(100)，透明侧视板(40)位于压紧板(200)、吸液芯样品(100)的前后侧面，左侧封气板(11)和右侧封气板(13)分别位于压紧板(200)的左右两侧，左侧封液板(12)和右侧封液板(14)分别位于吸液芯样品(100)左右两侧，加热丝(21)位于加热板(20)内部均匀分布，上封板(10)、加热板(20)、左侧封气板(11)、左侧封液板(12)、右侧封气板(13)、右侧封液板(14)为压紧板(200)和吸液芯样品(100)创造密封的空间，左侧封气板(11)经气体预热器(112)和第一储气阀门(111)连接至第一储气室(110)，左侧封液板(12)分别经第一储气阀门(111)和第一伺服阀门(121)连接至第一储气室(110)和第一伺服泵(120)，第一伺服泵(120)经工质输出阀门(01)连接工质储藏室(00)，右侧封气板(13)经气体流量计(130)和第二储气阀门(131)连接至第二储气室(132)，右侧封液板(14)连接流量计(140)，流量计(140)分别经第二伺服阀门(141)和真空泵阀门(142)连接至第二伺服泵(145)和真空泵机组(146)，第二伺服泵(145)经工质输入阀门(02)连接工质储藏室(00)。
2.根据权利要求1所述一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，其特征在于：所述第一储气室(110)和第二储气室(132)内部气体为惰性气体或工质蒸气。
3.根据权利要求1所述一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，其特征在于：所述吸液芯样品(100)采用丝网、槽道、烧结粉末、烧结纤维、环道中一种或多种复合结构。
4.根据权利要求1所述一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，其特征在于：所述工质储藏室(00)内工质采用高温液态金属、高温熔盐、水或有机物。
5.根据权利要求1所述一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，其特征在于：所述透明侧视板(40)采用亚克力板、透明陶瓷或石英玻璃。
6.根据权利要求1所述一种高温热管吸液芯传热极限实验装置，其特征在于：所述下封板(30)能实现六自由度运动。
7.权利要求1至6任一项所述的高温热管吸液芯传热极限实验装置的工作方法，其特征在于：
泄漏体积测定：采用实心样品(101)替换吸液芯样品(100)，打开第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，第一储气室(110)内气体经第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、左侧封气板(11)、实心样品(101)和压紧板(200)、右侧封气板(13)、第二储气阀门(131)到达第二储气室(132)，通气5min以上后关闭第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，开启真空泵机组(146)，打开真空泵阀门(142)，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门(142)和真空泵机组(146)，将工质储藏室(00)内工质转变为液态工质并记录初始体积V0，打开工质输出阀门(01)、工质输入阀门(02)、第一伺服阀门(121)、第二伺服阀门(141)、第一伺服泵(120)和第二伺服泵(145)，待流量计(140)示数稳定后，记录工质储藏室(00)内的液态工质体积V1，故泄漏体积Vloss＝V0-V1；
吸液芯样品(100)特征参数测定：测量吸液芯样品(100)的长度L，截面积A，几何体积V2，孔径r，采用吸液芯样品(100)替换实心样品(101)，打开第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，第一储气室(110)内气体经第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、左侧封气板(11)、吸液芯样品(100)和压紧板(200)、右侧封气板(13)、第二储气阀门(131)到达第二储气室(132)，通气5min以上后关闭第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，开启真空泵机组(146)，打开真空泵阀门(142)，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门(142)和真空泵机组(146)，将工质储藏室(00)内工质转变为液态工质并记录初始体积V3，打开工质输出阀门(01)、工质输入阀门(02)、第一伺服阀门(121)、第二伺服阀门(141)、第一伺服泵(120)和第二伺服泵(145)，待流量计(140)示数稳定记录流量m，记录工质储藏室(00)内的液态工质体积V4，记录压差变送器(300)示数ΔP，吸液芯样品(100)的孔隙率ε＝(V3-V4-Vloss)/V2，吸液芯样品(100)的渗透率为K＝(mμL)/(ρAεΔP)；其中，μ为液态工质的动力黏度，ρ为液态工质的密度；
吸液芯样品(100)毛细极限测定：测量吸液芯样品(100)的孔径r，采用吸液芯样品(100)替换实心样品(101)，调节下封板(30)的工作角度为设计角度，打开第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，第一储气室(110)内气体经第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、左侧封气板(11)、吸液芯样品(100)和压紧板(200)、右侧封气板(13)、第二储气阀门(131)到达第二储气室(132)，通气5min以上后关闭第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，开启真空泵机组(146)，打开真空泵阀门(142)，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门(142)和真空泵机组(146)，将工质储藏室(00)内工质转变为液态工质，打开工质输出阀门(01)、工质输入阀门(02)、第一伺服阀门(121)、第二伺服阀门(141)、第一伺服泵(120)和第二伺服泵(145)，调节第一伺服泵(120)或第二伺服泵(145)，使得压差变送器(300)示数ΔP＝2σ/r，σ为液态工质的表面张力，记录流量计(140)流量m，此时的流量m即为毛细极限下吸液芯样品(100)的毛细流量；
吸液芯样品(100)夹带极限测定：去掉压紧板(200)，采用吸液芯样品(100)替换实心样品(101)，调节下封板(30)的工作角度为设计角度，打开第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，第一储气室(110)内气体经第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、左侧封气板(11)、吸液芯样品(100)和压紧板(200)、右侧封气板(13)、第二储气阀门(131)到达第二储气室(132)，通气5min以上后关闭第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，开启真空泵机组(146)，打开真空泵阀门(142)，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门(142)和真空泵机组(146)，将工质储藏室(00)内工质转变为液态工质，打开工质输出阀门(01)、工质输入阀门(02)、第一伺服阀门(121)、第二伺服阀门(141)、第一伺服泵(120)和第二伺服泵(145)，调节第一伺服泵(120)或第二伺服泵(145)来控制吸液芯样品(100)内液态工质由右侧流向左侧，并控制液态工质的液位和流量，打开第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，第一储气室(110)内气体经第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、左侧封气板(11)、吸液芯样品(100)、右侧封气板(13)、第二储气阀门(131)到达第二储气室(132)，调节第一储气阀门(111)或第二储气阀门(131)控制气体流动速度，通过透明侧视板(40)观察是否发生夹带，记录夹带发生时的气体流量计(130)流量m1和流量计(140)流量m2；此时的流量m1和m2分别为夹带极限下吸液芯样品(100)的气体流量和液体流量；
吸液芯样品(100)沸腾极限测定：去掉压紧板(200)，采用吸液芯样品(100)替换实心样品(101)，调节下封板(30)的工作角度为设计角度，打开第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，第一储气室(110)内气体经第一储气阀门(111)、气体预热器(112)、左侧封气板(11)、吸液芯样品(100)和压紧板(200)、右侧封气板(13)、第二储气阀门(131)到达第二储气室(132)，通气5min以上后关闭第一储气阀门(111)和第二储气阀门(131)，开启真空泵机组(146)，打开真空泵阀门(142)，将真空度降低至10-4Pa后关闭真空泵阀门(142)和真空泵机组(146)，将工质储藏室(00)内工质转变为液态工质，打开工质输出阀门(01)、工质输入阀门(02)、第一伺服阀门(121)、第二伺服阀门(141)、第一伺服泵(120)和第二伺服泵(145)，调节第一伺服泵(120)或第二伺服泵(145)来控制吸液芯样品(100)内液态工质的液位和流量，调节加热丝(21)的功率，通过透明侧视板(40)观察吸液芯样品(100)内气泡产生的时间，并记录此时的加热丝(21)的功率即为沸腾极限。
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