CN114199908A - 碱金属热管相分布测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了碱金属热管相分布测量装置和方法，测量装置包括射线源、射线准直器和闪烁体探测器；所述射线源和闪烁体探测器分别置于碱金属热管径向的两端，所述射线源和接收闪烁体探测器分别用于发射伽马射线；所述射线准直器设置在射线源的前端，用于调整伽马射线的束流强度。本发明所述测量装置能够实现对碱金属热管的气液两相分布测量。

Description

碱金属热管相分布测量装置和方法
技术领域
本发明涉及传热技术领域，具体涉及碱金属热管相分布测量装置和方法。
背景技术
热管作为一种高效的非能动传热设备，能够实现较长距离下的高效传热，兼具等温性好、设计简单、加工制造简便、结构简单、维修方便、无需泵功的优点。热管可按照工作温度范围划分，包括低温热管(-273～0℃)、常温热管(0～250℃)、中温热管(250～450℃)、高温热管(450～1000℃)等。其中高温热管通常采用碱金属作为工质，因此亦称为碱金属高温热管，该类型热管主要应用于航空航天、核工程等特种用途。
碱金属热管内部的运行状态检测，对于碱金属热管运行监控和安全生产具有重要意义。由于碱金属热管的工质本身不透明，无法使用光学类型的探针或者视窗等搭建可视化实验装置获得热管内部气液两相流体的相分布。
发明内容
本发明的目的在于提供碱金属热管相分布测量装置和方法，以实现对碱金属热管的气液两相分布测量。
本发明通过下述技术方案实现：
碱金属热管相分布测量装置，包括射线源、射线准直器和闪烁体探测器；
所述射线源和闪烁体探测器分别置于碱金属热管径向的两端，所述射线源和接收闪烁体探测器分别用于发射伽马射线；
所述射线准直器设置在射线源的前端，用于调整伽马射线的束流强度。
本发明所述测量装置可以加载在热管绝热段、绝热段、冷凝段任意需要检测的位置，也可以设计成多个伽马射线，形成阵列，对于热管同一位置不同角度，或者同一角度不同热管位置(射线测量装置安装位置可以沿热管长度方向上进行移动，从而获得不同位置上的热管相分布)，同时进行实时测量。
本发明可以在碱金属热管的外侧设置与碱金属热管的中心轴平行的直线导轨已实现测量装置在碱金属热管长度方向上的移动；可通过在碱金属热管的外侧设置一个环形导轨以实现测量装置在同一截面上的转动，该环形导轨与碱金属热管具有相同中心轴。
本发明所述测量装置能够实现对碱金属热管的气液两相分布测量，解决了无法使用光学类型的探针或者视窗等搭建可视化实验装置获得热管内部气液两相流体的相分布。
进一步地，伽马射线经过射线准直器准直后形成的束流包括窄束伽马射线和宽束伽马射线。
所述束流在碱金属热管为追星束流。
本发明的窄束伽马射线和宽束伽马射线是两个相对概念，射线准直角度小于10度为窄束伽马射线，射线准直角度大于30度为宽束伽马射线。
进一步地，宽束伽马射线用于测量相分布信息；所述窄束伽马射线用于测量重构相分布信息。
进一步地，射线源置于铅屏蔽壳内。
进一步地，射线源包括241Am和135Cs。
基于碱金属热管相分布测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1、调节射线准直器，使伽马射线在碱金属热管内的束流为宽束伽马射线，在碱金属热管的同一截面上进行多个角度测量，使多个角度的宽束伽马射线全覆盖该截面，测量得到的碱金属热管内部的截面相分率；
S2、调节射线准直器，使伽马射线在碱金属热管内的束流为窄束伽马射线，在碱金属热管的同一截面上进行多个角度测量，使多个角度的窄束伽马射线全覆盖该截面，测量得到的碱金属热管在各个角度下的线相分率。
进一步地，步骤S1中，采用环形阵列布置多个测量装置实现截面相分率的测量，或通过周向转动同一测量装置实现截面相分率的测量。
进一步地，步骤S1中，采用环形阵列布置多个测量装置实现线相分率的测量，或通过周向转动同一测量装置实现线相分率的测量。
进一步地，步骤S1中，截面相分率α的计算公式如下：
Figure BDA0003408028830000021
式中，I为出射强度，
Figure BDA0003408028830000022
其中，μr是样品的平均线性衰减系数，d是样本厚度，I0是初始活度；IL和IG是用作定标的量，下标L和G分别指的是当管道内为全液相或者全气相时的工作条件。
进一步地，步骤S1中，线相分率αline的计算公式如下：
Figure BDA0003408028830000023
式中，I为出射强度，
Figure BDA0003408028830000024
其中，μr是样品的平均线性衰减系数，d是样本厚度，I0是初始活度；IL和IG是用作定标的量，下标L和G分别指的是当管道内为全液相或者全气相时的工作条件。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述测量装置能够实现对碱金属热管的气液两相分布测量。
2、本发明所述测量装置结构简单且测量方法易实现。
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为本发明碱金属热管测量装置的宽束伽马射线测量示意图；
图2为同一截面宽束伽马阵列布置示意图；
图3为本发明碱金属热管测量装置的窄束伽马射线测量示意图；
图4为同一截面窄束伽马阵列布置示意图；
图5为相分布扫描测量重构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-热管蒸发段，2-热管绝热段，3-热管冷凝段，4-热管包壳，5-热管吸液芯，6-热管中心气腔，7-保温层，8-射线源，9-射线准直器，10-闪烁体探测器，11-伽马射线束，12-铅屏蔽壳。
具体实施方式
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：
如图1-图5所示，碱金属热管相分布测量装置，包括射线源8、射线准直器9和闪烁体探测器10；
所述射线源8和闪烁体探测器10分别置于碱金属热管径向的两端，所述射线源8和接收闪烁体探测器10分别用于发射伽马射线；
所述射线准直器9设置在射线源8的前端，用于调整伽马射线的束流强度；伽马射线经过射线准直器9准直后形成的束流包括窄束伽马射线和宽束伽马射线；所述宽束伽马射线用于测量相分布信息；所述窄束伽马射线用于测量重构相分布信息。
在本实施例中，所述射线源8置于铅屏蔽壳12内；所述射线源8为241Am或135Cs。
碱金属热管由热管蒸发段1，热管绝热段2，热管冷凝段3，热管包壳4，热管吸液芯5，气腔6，绝热段保温层7构成，本实施例所述测量装置可以加载在热管蒸发段1、热管绝热段2和热管冷凝段3任意需要检测的位置，也可以设计成多个伽马射线，形成阵列，对于热管同一位置不同角度，或者同一角度不同热管位置，同时进行实时测量。
射线源8发射的伽马射线经过射线准直器9准直后，在热管内进行透射，形成锥形的伽马射线束11。该伽马射线束11透射热管后，通过伽马射线的强度可以反算射线路径上的相分布。
射线测量装置安装位置可以沿热管长度方向上进行移动，从而获得不同位置上的热管相分布。
同一热管截面位置上可以布置多个伽马射线装置，形成阵列测量。闪烁体探测器10用于接收透射后的伽马射线的信息，可以设置闪烁体探测器10的道址来选择和匹配对应的伽马射线能量。
伽马射线衰减法用于相含率的测量，基于的是伽马射线的指数衰减规律。伽马源可以视作为点源，出射强度I可以表示为：
Figure BDA0003408028830000041
其中，μr是样品的平均线性衰减系数，d是样本厚度，I0是初始活度。
值得注意的是，伽马射线准直后进入管道，覆盖的范围并非全流道而是一个锥形范围，可以通过伽马射线源后的射线准直器9和闪烁体探测器10接收面积，来调整测量中的锥形束大小，可以分为窄束伽马射线探测和宽束伽马射线探测两种情形。
本实施例的测量方法，包括以下步骤：
S1、调节射线准直器9，使伽马射线在碱金属热管内的束流为宽束伽马射线，在碱金属热管的同一截面上进行多个角度测量，使多个角度的宽束伽马射线全覆盖该截面，测量得到的碱金属热管内部的截面相分率；采用环形阵列布置多个测量装置实现截面相分率的测量，或通过周向转动同一测量装置实现截面相分率的测量；
S2、调节射线准直器9，使伽马射线在碱金属热管内的束流为窄束伽马射线，在碱金属热管的同一截面上进行多个角度测量，使多个角度的窄束伽马射线全覆盖该截面，测量得到的碱金属热管在各个角度下的线相分率；采用环形阵列布置多个测量装置实现线相分率的测量，或通过周向转动同一测量装置实现线相分率的测量。
具体地：
宽束伽马射线探测器的情形：
测量得到的碱金属热管内部的截面相分率α可以用如下公式表示：
Figure BDA0003408028830000042
式中，I为出射强度，
Figure BDA0003408028830000043
其中，μr是样品的平均线性衰减系数，d是样本厚度，I0是初始活度；IL和IG是用作定标的量，下标L和G分别指的是当管道内为全液相或者全气相时的工作条件。
同样地，持液率，εL，可以用以下关系式计算：
εL＝1-α
如图1，宽束伽马射线可以呈现比较大范围内的相分率的信息；还可以采用多个伽马射线测量装置，进行不同角度的测量。采用宽束伽马射线进行多个角度测量，可以覆盖更大的范围，如图2所示。
窄束伽马射线探测器的情形：
如图3，窄束伽马射线可以体现特定直线上的相分率信息；
采用窄束伽马射线进行多个角度测量，可以获取碱金属热管内部多条直线上的衰减信息，如图4所示，从而测量多个角度下的内部信息，探测器可以转动获得各个角度下的内部的信息。为了区分通常意义上的截面相分率的说法，我们将这个测量结果称之为线相分率，记作αline。线相分率αline随着伽马射线系统的测量角度θ变化。可以用进行计算：
Figure BDA0003408028830000051
式中，I是出射强度，其他条件一定时，随着气相和液相的占比发生变化，
Figure BDA0003408028830000052
下标L和G分别指的是当管道内为全液相或者全气相时的工作条件。IL和IG是用作定标的量。
同样地，线持液率，εL,line，可以用以下关系式计算：
εL,line(θ)＝1-α(θ)
窄束伽马射线探测器的扫描测量方法：
如图4，可以采用多个窄束伽马探测器，进行多条直线上信息的精确测量，同时，可以设置伽马射线沿着切线方向转动，测量不同角度下的测量：
θ(t)＝ωt
测量得到的相分布信息如下：
Figure BDA0003408028830000053
进行扫描测量，从而获得热管内部各个直线上的截面相含率的信息，进行内部的相分布的重构，如图5所示。
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 (10)

1.碱金属热管相分布测量装置，其特征在于，包括射线源(8)、射线准直器(9)和闪烁体探测器(10)；
所述射线源(8)和闪烁体探测器(10)分别置于碱金属热管径向的两端，所述射线源(8)和接收闪烁体探测器(10)分别用于发射伽马射线；
所述射线准直器(9)设置在射线源(8)的前端，用于调整伽马射线的束流强度。
2.根据权利要求1所述的碱金属热管相分布测量装置，其特征在于，伽马射线经过射线准直器(9)准直后形成的束流包括窄束伽马射线和宽束伽马射线。
3.根据权利要求2所述的碱金属热管相分布测量装置，其特征在于，所述宽束伽马射线用于测量相分布信息；所述窄束伽马射线用于测量重构相分布信息。
4.根据权利要求1所述的碱金属热管相分布测量装置，其特征在于，所述射线源(8)置于铅屏蔽壳(12)内。
5.根据权利要求1所述的碱金属热管相分布测量装置，其特征在于，所述射线源(8)包括241Am和135Cs。
6.基于权利要求1-5任一项所述的碱金属热管相分布测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调节射线准直器(9)，使伽马射线在碱金属热管内的束流为宽束伽马射线，在碱金属热管的同一截面上进行多个角度测量，使多个角度的宽束伽马射线全覆盖该截面，测量得到的碱金属热管内部的截面相分率；
S2、调节射线准直器(9)，使伽马射线在碱金属热管内的束流为窄束伽马射线，在碱金属热管的同一截面上进行多个角度测量，使多个角度的窄束伽马射线全覆盖该截面，测量得到的碱金属热管在各个角度下的线相分率。
7.根据权利要求6所述的碱金属热管相分布测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S1中，采用环形阵列布置多个测量装置实现截面相分率的测量，或通过周向转动同一测量装置实现截面相分率的测量。
8.根据权利要求6所述的碱金属热管相分布测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S1中，采用环形阵列布置多个测量装置实现线相分率的测量，或通过周向转动同一测量装置实现线相分率的测量。
9.根据权利要求6所述的碱金属热管相分布测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S1中，截面相分率α的计算公式如下：
Figure FDA0003408028820000011
式中，I为出射强度，
Figure FDA0003408028820000023
其中，μr是样品的平均线性衰减系数，d是样本厚度，I0是初始活度；IL和IG是用作定标的量，下标L和G分别指的是当管道内为全液相或者全气相时的工作条件。
10.根据权利要求6所述的碱金属热管相分布测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S1中，线相分率αline的计算公式如下：
Figure FDA0003408028820000021
式中，I为出射强度，
Figure FDA0003408028820000022
其中，μr是样品的平均线性衰减系数，d是样本厚度，I0是初始活度；IL和IG是用作定标的量，下标L和G分别指的是当管道内为全液相或者全气相时的工作条件。
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