CN114636313B - 一种用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法,设备包括:高温脉动热管、加热块、隔热涂层、保温棉、保温箱、直流电源、加热棒和线缆,保温箱为具有带盖箱体的密封箱,中间有腔体,用于布置加热装置等;加热块上开圆形通道,通道内插入加热棒组成加热装置;加热棒为由陶瓷保护壳进行绝缘与保护的硅钼棒,一共至少四根并通过线缆进行串联后连接到直流电源,用于提供热源;加热块上除与被加热的高温脉动热管接触的面外,其余面都均匀涂抹隔热涂层,加热装置与保温箱腔体内壁之间塞满保温棉,用于减少漏热。本发明可实现对高温脉动热管进行最高1800℃的高温加热,并且能大幅减少漏热带来的热损失,节省能源。
Description
技术领域
本发明涉及脉动热管研究技术领域,具体而言,尤其涉及一种用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法。
背景技术
脉动热管是Akachi在20世纪90年代初提出的一种传热元件。脉动热管通过利用工质在管内形成的液塞与气塞受热后存在的压差,驱动工质在管内振荡流动,从而实现热量的高效传递。与传统热管相比,它具有结构简单、传热能力强、反重力运行效果好等优点。目前关于脉动热管的研究主要集中于常温(0~200℃)与低温(-270~0℃)温区,工作温度超过500℃的脉动热管称为高温脉动热管,其研究十分困难且相关成果较少。国内外对于高温脉动热管在1000℃以上工作温区的研究成果更是及其缺少。
高温脉动热管以液态金属作为工质,液态金属沸点较高,因此在对其性能进行研究时其加热段需要非常高的加热温度和较大的加热功率,如果加热温度或者加热功率达不到,脉动热管的性能将不能达到预期,甚至无法工作。
现有技术中液态金属高温脉动热管的加热装置具有如下不足之处:(1)目前适用于高温脉动热管的常规加热方式为马弗炉加热,其加热方式主要依赖于热辐射,且很难达到预期的加热温度,严重影响到对高温脉动热管的性能研究。(2)传统的电加热方式加热通过电加热丝等加热元件以接触导热的形式进行热量输入,比辐射的方式能更快更高效地进行高温加热,但是目前的电加热元器件的加热温度都有极大的限制,通常不会超过1000℃,而更耐高温的硅碳棒等由于自身高温软化及自身不绝缘等特性一般都只用于马弗炉辐射加热。(3)目前无论是哪种加热方式靠传统地保温棉方式进行隔热一般漏热比较严重,会造成能源的极大浪费并且造成测量结果出现严重波动及较大偏差。因此,发明一种用于高温脉动热管的加热及保温设备和方法是实现液态金属高温脉动热管研究及应用的基础。
发明内容
根据上述提出的现有液态金属高温脉动热管的加热装置无法达到期望的加热温度且漏热严重的技术问题,而提供一种用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法。本发明主要通过高温脉动热管的加热及保温设备,从而实现对液态金属高温脉动热管进行至高1800℃的高温加热,使脉动热管的研究及工作温区大幅提升,从而更好地研究高温脉动热管地性能及工作特性,填补在高温工作区的研究空白;实现极好地保温效果,可以尽可能地减少漏热,从而使得研究结论及测量结果精度大幅提升。
本发明采用的技术手段如下:
一种用于高温脉动热管的加热保温设备,包括:
加热装置,包括加热块、直流电源、多根加热棒和线缆,所述加热块的中部开设有多个通道,多根加热棒安装在多个通道中,并通过线缆与外部直流电源相连;
高温脉动热管,其加热段固定在加热块外侧壁上开设的槽道中,通过加热装置实现高温脉动热管的加热处理;
保温装置,包括保温棉和保温箱,所述保温箱内部具有容纳腔体,加热块、高温脉动热管和加热棒置于容纳腔体中,加热棒两端贯穿出保温箱外部,所述保温棉塞满在保温箱腔体内壁与腔内设备之间(腔内设备即指加热块、高温脉动热管和加热棒),用于减少漏热,所述加热装置与保温箱腔体内壁保持距离、不接触。
进一步地,所述加热块上除去与高温脉动热管连接的面以外的所有面上均涂抹有隔热涂层,隔热涂层的主要成分为纳米陶瓷微珠及硅锆酸盐化合物,导热系数为0.03W/(m*K),耐温最高1800℃。
进一步地,所述加热棒至少设有四根,包括硅钼棒和环形截面陶瓷保护壳,所述硅钼棒由三段结构组成,分别为中间较细的加热段以及两端较粗的冷却段,所述加热段的外部套设有外壳结构,所述外壳结构由扣放在加热段上的第一半环截面陶瓷保护壳和第二半环截面陶瓷保护壳组成,所述加热段通过外壳结构固定在加热块的槽道上;所述环形截面陶瓷保护壳套设在整个硅钼棒的外部;
多根所述加热棒通过线缆串联连接至直流电源,用于提供热源;
所述加热棒插入加热块的圆形槽道中时,加热棒的加热段与加热块对齐,加热棒两端的冷却段在位于加热块的外部,以保证热量正常输入到加热块中且加热棒可以正常工作。
进一步地,所述第一半环截面陶瓷保护壳和第二半环截面陶瓷保护壳为两个相同规格的截面为半环且与硅钼棒的加热段等长的短保护套,每个短保护套的半环内径均与硅钼棒加热段直径相同,两个短保护套扣合在硅钼棒的加热段组成一个等径的圆柱体,即为所述外壳结构,其外径与硅钼棒冷却段直径相同;
所述环形截面陶瓷保护壳为一个截面为圆环且与整个硅钼棒长度相等的长保护套,其圆环内径与硅钼棒冷却段直径相同。
进一步地,所述硅钼棒与三个陶瓷保护壳的组装方法包括如下步骤:
步骤一、将两个截面为半环的短保护套扣放在硅钼棒的加热段,使得两个半环截面正好拼凑为一个环截面,使扣放有短保护套的硅钼棒成为一根等径的圆柱体;两个短的半环的陶瓷保护套对加热时高温状态下变软的硅钼棒加热段产生支撑、保护及绝缘的作用,同时使得整个硅钼棒变为等径,具有填充的作用;
步骤二、将步骤一中组装好的两个半环的短保护套与硅钼棒整体套进环形截面长的陶瓷保护套中,从而组成完整的加热棒,环形截面长的陶瓷保护套的作用为对加热时高温状态下变软的整根硅钼棒起支撑、保护及绝缘的作用。
进一步地,所述加热块、所述外壳结构和所述环形截面陶瓷保护壳的材料均为高纯度氧化铝陶瓷,耐温最高1800℃。
进一步地,所述保温箱为具有带盖箱体的密封箱,箱体采用氧化铝多晶纤维材料,导热系数为0.1W/(m*K);所述保温棉采用硅酸铝保温棉,导热系数为0.1W/(m*K),起到填充、固定及减少漏热的作用。
进一步地,所述加热块与保温箱内外壁至少各自布置一个温度测点,高温脉动热管的加热段至少布置3个温度测点,用于查看对应温度并进一步进行研究。
本发明还提供了一种用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,包括如下步骤:
步骤一、根据所需要的加热功率及加热温度计算保温箱壁厚及隔热涂层厚度;
步骤二、根据所需要的加热功率及温度选择合适的硅钼棒,并将硅钼棒与三个陶瓷保护套进行组装成为加热棒;
步骤三、多个加热棒插加热块的圆形通道中组成加热装置,并将多个加热棒通过线缆串联连接至直流电源;
步骤四、高温脉动热管加热段固定到加热块的对应槽道中,并将组装好的加热棒、加热块、高温脉动热管放入保温箱的容纳腔体中进行固定;
步骤五、在加热块上除了与高温脉动热管连接的面以外的所有面上均涂抹合适厚度的隔热涂层,并在保温箱腔体内壁与腔内设备之间塞满保温棉;
步骤六、根据研究工况设定加热温度或者加热功率,对高温脉动热管进行加热处理;在测试期间可计算保温箱整体漏热量用于误差分析及性能评估。
进一步地,所述隔热涂层厚度可由下列公式求得:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;
所述保温箱壁厚可由下列公式求得:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;k2为保温箱的导热系数,W/(m*K);δ2为保温箱壁厚,m;
所述漏热满足如下公式
Q=hA(T-Tair);
式中:Q为漏热;h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法,可以实现对液态金属高温脉动热管的加热段进行高温加热,加热温度最高可达到1800摄氏度,相对于常规马弗炉等加热方式,大大提高了脉动热管的加热段的加热温度,因此可以对更宽的加热温区范围内高温脉动热管的性能及其特性进行研究,利于高温脉动热管的研究及利用。
2、本发明提供的用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法,相较于普通保温箱及隔热设备,利用隔热涂层加保温材料的双重组合措施,可更大程度的减少漏热,这使得更多热量可以直接加到脉动热管上,有利于节能,同时,极大程度减少漏热还可以保证实验的准确性、稳定性并且可以减小误差。
3、本发明提供的用于高温脉动热管的加热保温设备及其设计方法,相较于传统的硅钼棒、硅碳棒等高温加热元件的使用方式,在本发明中所述的加热棒中,硅钼棒被套上高纯度氧化铝陶瓷保护壳,从而避免了加热棒因高温软化变形引发的断裂风险,实现加热棒的倾斜、甚至水平使用,同时高纯度氧化铝陶瓷保护壳也起到绝缘作用,使得整个发明所述用于高温脉动热管的加热及保温设备具有极高的安全性。
综上,应用本发明的技术方案能够解决现有液态金属高温脉动热管的加热装置无法达到期望的加热温度且漏热严重的问题。
基于上述理由本发明可在脉动热管等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于高温脉动热管的加热及保温设备的结构示意图。
图2为本发明实施例中加热棒的具体结构示意图。
图3为本发明实施例中保温结构示意图。
图4为本发明实施例中保温结构计算结果示意图,其中(a)为隔热材料厚度计算结果示意图,(b)为保温箱壁厚计算结果示意图。
图5为本发明实施例中用于高温脉动热管的加热及保温设备漏热情况计算结果示意图。
图6为本发明实施例中各个温度测点示意图,其中(a)为保温箱外壁温度测点及周围环境温度测点示意图,(b)为加热块温度测点示意图,(c)为高温脉动热管加热段温度测点示意图。
图中:1、高温脉动热管;2、加热块;3、隔热涂层;4、保温棉;5、保温箱;6、加热棒;6a、硅钼棒;6b、第一半环截面陶瓷保护壳;6c、第二半环截面陶瓷保护壳;6d、环形截面陶瓷保护壳;7、直流电源;8、线缆。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当清楚,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任向具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制:方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图所示,本发明提供了一种用于高温脉动热管的加热保温设备,包括:
加热装置,包括加热块2、直流电源7、多根加热棒6和线缆8,所述加热块2的中部开设有多个通道,多根加热棒6安装在多个通道中,并通过线缆8与外部直流电源7相连;
高温脉动热管1,其加热段固定在加热块2外侧壁上开设的槽道中,通过加热装置实现高温脉动热管1的加热处理;
保温装置,包括保温棉4和保温箱5,所述保温箱5内部具有容纳腔体,加热块2、高温脉动热管1和加热棒6置于容纳腔体中,加热棒6两端贯穿出保温箱5外部,所述保温棉4塞满在保温箱5腔体内壁与腔内设备之间(腔内设备即指加热块2、高温脉动热管1和加热棒6),用于减少漏热,所述加热装置与保温箱5腔体内壁保持距离、不接触。
作为优选的实施方式,所述加热块2上除去与高温脉动热管1连接的面以外的所有面上均涂抹有隔热涂层3,隔热涂层3的主要成分为纳米陶瓷微珠及硅锆酸盐化合物,导热系数为0.03W/(m*K),耐温最高1800℃。
作为优选的实施方式,所述加热棒6至少设有四根,包括硅钼棒6a和环形截面陶瓷保护壳6d,所述硅钼棒6a由三段结构组成,分别为中间较细的加热段以及两端较粗的冷却段,所述加热段的外部套设有外壳结构,所述外壳结构由扣放在加热段上的第一半环截面陶瓷保护壳6b和第二半环截面陶瓷保护壳6c组成,所述加热段通过外壳结构固定在加热块2的槽道上;所述环形截面陶瓷保护壳6d套设在整个硅钼棒6a的外部;
多根所述加热棒6通过线缆8串联连接至直流电源7,用于提供热源;
所述加热棒6插入加热块2的圆形槽道中时,加热棒6的加热段与加热块2对齐,加热棒6两端的冷却段在位于加热块2的外部,以保证热量正常输入到加热块2中且加热棒6进行正常工作。
作为优选的实施方式,所述第一半环截面陶瓷保护壳6b和第二半环截面陶瓷保护壳6c为两个相同规格的截面为半环且与硅钼棒6a的加热段等长的短保护套,每个短保护套的半环内径均与硅钼棒6a加热段直径相同,两个短保护套扣合在硅钼棒6a的加热段组成一个等径的圆柱体,即为所述外壳结构,其外径与硅钼棒6a冷却段直径相同;
所述环形截面陶瓷保护壳6d为一个截面为圆环且与整个硅钼棒6a长度相等的长保护套,其圆环内径与硅钼棒6a冷却段直径相同。
作为优选的实施方式,所述硅钼棒6a与三个陶瓷保护壳的组装方法包括如下步骤:
步骤一、将两个截面为半环的短保护套扣放在硅钼棒6a的加热段,使得两个半环截面正好拼凑为一个环截面,使扣放有短保护套的硅钼棒6a成为一根等径的圆柱体;两个短的半环的陶瓷保护套对加热时高温状态下变软的硅钼棒6a加热段产生支撑、保护及绝缘的作用,同时使得整个硅钼棒6a变为等径,具有填充的作用;
步骤二、将步骤一中组装好的两个半环的短保护套与硅钼棒6a整体套进环形截面长的陶瓷保护套中,从而组成完整的加热棒6,环形截面长的陶瓷保护套的作用为对加热时高温状态下变软的整根硅钼棒6a起支撑、保护及绝缘的作用。
作为优选的实施方式,所述加热块2、所述外壳结构和所述环形截面陶瓷保护壳6d的材料均为高纯度氧化铝陶瓷,耐温最高1800℃。
作为优选的实施方式,所述保温箱5为具有带盖箱体的密封箱,箱体采用氧化铝多晶纤维材料,导热系数为0.1W/(m*K);所述保温棉4采用硅酸铝保温棉4,导热系数为0.1W/(m*K),起到填充、固定及减少漏热的作用。
作为优选的实施方式,所述加热块2与保温箱5内外壁至少各自布置一个温度测点,高温脉动热管1的加热段至少布置3个温度测点,用于查看对应温度并进一步进行研究。
本发明还提供了一种用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,包括如下步骤:
步骤一、根据所需要的加热功率及加热温度计算保温箱5壁厚及隔热涂层3厚度;
步骤二、根据所需要的加热功率及温度选择合适的硅钼棒6a,并将硅钼棒6a与三个陶瓷保护套进行组装成为加热棒6;
步骤三、多个加热棒6插加热块2的圆形通道中组成加热装置,并将多个加热棒6通过线缆8串联连接至直流电源7;
步骤四、高温脉动热管1加热段固定到加热块2的对应槽道中,并将组装好的加热棒6、加热块2、高温脉动热管1放入保温箱5的容纳腔体中进行固定;
步骤五、在加热块2上除了与高温脉动热管1连接的面以外的所有面上均涂抹合适厚度的隔热涂层3,并在保温箱5腔体内壁与腔内设备之间塞满保温棉4;
步骤六、根据研究工况设定加热温度或者加热功率,对高温脉动热管1进行加热处理;在测试期间可计算保温箱5整体漏热量用于误差分析及性能评估。
作为优选的实施方式,所述隔热涂层(3)厚度可由下列公式求得:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;
所述保温箱(5)壁厚可由下列公式求得:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;k2为保温箱的导热系数,W/(m*K);δ2为保温箱壁厚,m;
所述漏热满足如下公式
Q=hA(T-Tair);
式中:Q为漏热;h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃。
实施例1
如图1所示,一种用于高温脉动热管的加热保温设备,包括高温脉动热管1、氧化铝陶瓷加热块2、隔热涂层3、保温棉4、保温箱5、直流电源7、4根加热棒6和线缆8。加热块2的一个外侧壁上开圆形通道,通道内插入加热棒6组成加热设备,四根加热棒6通过线缆8串联连接至直流电源7。加热块2及组成加热棒6的陶瓷保护套材料都为高纯度氧化铝陶瓷,耐温最高1800℃。
如图2所示,加热棒6由硅钼棒6a、第一半环截面陶瓷保护壳6b、第二半环截面陶瓷保护壳6c和环形截面陶瓷保护壳6d组成,硅钼棒6分为中间较细的加热段以及两端较粗的冷却段。第一半环截面陶瓷保护壳6b和第二半环截面陶瓷保护壳6c扣放在硅钼棒6a的加热段上,硅钼棒6a整体外面套上一个环形截面陶瓷保护壳6d。硅钼棒6a的加热段固定在与加热块2上的圆形槽道上,加热棒6插入加热块2的时候,需要保证加热棒6的加热段与加热块对齐,两端的冷却段在加热块2的外面,以保证热量能正常输入到加热块2中且加热棒6可以正常工作。具体地,陶瓷保护套分为三部分,即,两个相同规格的截面为半环且与硅钼棒的加热段等长的短保护套,其半环内径与硅钼棒加热段直径相同,扣在硅钼棒的加热段从而组成一个等径的圆柱体;一个截面为圆环的且与整个硅钼棒长度相等的长保护套,其圆环内径与硅钼棒冷却段直径相同。
硅钼棒与陶瓷保护套的组装步骤如下:
(1)将两个截面为半环的短保护套扣放在硅钼棒的加热段,使得两个半环截面正好拼凑为一个环截面,从而使得扣放短陶瓷保护套的硅钼棒成为一根等径的圆柱体。这里的两个短的半环的保护套对加热时高温状态下变软的硅钼棒加热段产生一个支撑、保护及绝缘的作用,同时使得整个硅钼棒变为等径,具有填充的作用。
(2)将上述组装好的两个半环的短保护套与硅钼棒整体套进环形截面长的陶瓷保护套中,从而组成完整的加热棒,环形截面长的陶瓷保护套的作用为对加热时高温状态下变软的整根硅钼棒支撑、保护及绝缘的作用。
如图3所示,保温结构由隔热涂层3、保温棉4以及保温箱5组成,加热块2上除了与高温脉动热管1连接的面以外的所有面上均涂抹了隔热涂层3,并在保温箱腔体内壁与腔内设备之间塞满保温棉4。隔热涂层3主要成分为纳米陶瓷微珠及硅锆酸盐化合物,导热系数为0.03W/(m*K),耐温最高1800℃,。保温箱5为具有带盖箱体的密封箱,中间有腔体,用于布置加热设备等,箱体为氧化铝多晶纤维材料,导热系数为0.1W/(m*K)。在保温箱腔体内壁与腔内设备之间的硅酸铝保温棉4的导热系数为0.1W/(m*K),起到填充、固定及减少漏热的作用。
加热设备放入保温箱5中进行固定时应保证牢固,且与保温箱腔体内壁面保持合适距离,不能接触,防止加热棒6等设备在工作过程中受力后损坏。
如图6(b)所示,加热块2上设置3个温度测点(分布在加热块2的上下面和背面,可测量加热块2不同位置的温度),测得值取平均值可得加热块温度Tin,用于设置及记录加热块温度。如图6(a)所示,保温箱周围空气中布置3个温度测点,测得值取平均值得到周围环境空气温度Tair,获得的Tin和Tair可用于公式(2)中漏热Q的计算;保温箱外壁设置4个测温点,测得值取平均值得到保温箱外壁面温度T,实际测得的T以及漏热Q可用来评估所设计的设备实际保温效果。如图6(c)所示,高温脉动热管1的加热段布置12个温度测点,测得值用来查看并记录在高温脉动热管工作状态下加热段的各个弯头通道的温度变化,从而进一步可以分析脉动热管的性能及内部液态金属流型并进一步进行研究。所有测温点均采用S型热电偶进行温度采集。
保温箱5壁厚及隔热涂层3的厚度根据所需要的加热功率及加热温度计算所得。根据所需要的加热功率及温度选择合适的硅钼棒并将硅钼棒6a与陶瓷保护套进行组装成为加热棒6。加热棒6插入加热块2的圆形通道中组成加热设备,并将加热棒6通过线缆8连接至直流电源7。高温脉动热管1加热段固定到加热块2的对应槽道中,并将上述组装好的加热棒6、加热块2、高温脉动热管1放入保温箱5的腔体中然后固定。在加热块2上除了与高温脉动热管1连接的面以外的所有面上均涂抹合适厚度的隔热涂层3,并在保温箱5腔体内壁与腔内设备之间塞满保温棉4。根据研究工况设定加热温度或者加热功率,对高温脉动热管1进行加热处理。在测试期间可计算保温箱5整体漏热量用于误差分析及性能评估。
上述所需隔热涂层厚度可使用以下公式(1)进行计算并确定:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m。
上述保温箱壁厚可使用以下公式(2)进行计算并确定:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;k2为保温箱的导热系数,W/(m*K);δ2为保温箱壁厚,m;
漏热满足以下公式(3):
Q=hA(T-Tair) (3)
式中:Q为漏热;h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃。
根据公式(1)确定隔热涂层3的厚度,计算结果如图4(a)所示,只考虑隔热涂层3的情况下,当加热温度为1500℃,环境空气温度为20℃的时候,如果要隔热涂层3外表面温度小于77℃的时候,所需厚度明显快速增加,因此确定隔热涂层厚度3为30mm。由于保温棉4以及保温箱5的导热系数相同,计算时可以当作整体计算。根据公式(2)确定保温箱5壁厚和保温棉4厚度,计算结果如图4(b)所示,已确定隔热涂层3厚度为30mm,当加热温度为1500℃,环境空气温度为20℃的时候,如果要保温箱3外表面温度小于36℃的时候,所需保温箱3和保温棉整体厚度明显快速增加,因此确定保温箱3壁厚150mm,保温棉4厚度50mm。
直流电源7提供的加热功率为15kW,加热棒6及加热块2温度为1500℃,整个加热及保温设备的漏热根据公式(3)进行计算,其结果如图5所示,当隔热涂层3厚度为30mm,保温箱3壁厚150mm,保温棉4厚度50mm时候,系统的总漏热为86.4W,为总漏热的0.57%,可见具有很好的隔热效果,在很高的加热温度下极大程度地减少了漏热。
本发明可实现对脉动热管进行最高1800℃的高温加热,并且能大幅减少漏热带来的热损失,节省能源。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,包括:
加热装置,包括加热块(2)、直流电源(7)、多根加热棒(6)和线缆(8),所述加热块(2)的中部开设有多个通道,多根加热棒(6)安装在多个通道中,并通过线缆(8)与外部直流电源(7)相连;
高温脉动热管(1),其加热段固定在加热块(2)外侧壁上开设的槽道中,通过加热装置实现高温脉动热管(1)的加热处理;
保温装置,包括保温棉(4)和保温箱(5),所述保温箱(5)内部具有容纳腔体,加热块(2)、高温脉动热管(1)和加热棒(6)置于容纳腔体中,加热棒(6)两端贯穿出保温箱(5)外部,所述保温棉(4)塞满在保温箱(5)腔体内壁与腔内设备之间,所述加热装置与保温箱(5)腔体内壁保持距离、不接触;
所述设计方法,包括如下步骤:
步骤一、根据所需要的加热功率及加热温度计算保温箱(5)壁厚及隔热涂层(3)厚度;
步骤二、根据所需要的加热功率及温度选择合适的硅钼棒(6a),并将硅钼棒(6a)与三个陶瓷保护套进行组装成为加热棒(6);
步骤三、多个加热棒(6)插加热块(2)的圆形通道中组成加热装置,并将多个加热棒(6)通过线缆(8)串联连接至直流电源(7);
步骤四、高温脉动热管(1)加热段固定到加热块(2)的对应槽道中,并将组装好的加热棒(6)、加热块(2)、高温脉动热管(1)放入保温箱(5)的容纳腔体中进行固定;
步骤五、在加热块(2)上除了与高温脉动热管(1)连接的面以外的所有面上均涂抹合适厚度的隔热涂层(3),并在保温箱(5)腔体内壁与腔内设备之间塞满保温棉(4);
步骤六、根据研究工况设定加热温度或者加热功率,对高温脉动热管(1)进行加热处理;在测试期间可计算保温箱(5)整体漏热量用于误差分析及性能评估;
所述隔热涂层(3)厚度可由下列公式求得:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;
所述保温箱(5)壁厚可由下列公式求得:
式中:h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为预期保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃;Tin为设定的加热块温度,℃;k1为隔热涂层的导热系数,W/(m*K);δ1为隔热涂层厚度,m;k2为保温箱的导热系数,W/(m*K);δ2为保温箱壁厚,m;
所述漏热满足如下公式
Q=hA(T-Tair);
式中:Q为漏热;h为空气与壁面对流换热系数,W/(m2*K);A为传热面积,m2;T为保温箱外壁面温度,℃;Tair为周围环境空气温度,℃。
2.根据权利要求1所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述加热块(2)上除去与高温脉动热管(1)连接的面以外的所有面上均涂抹有隔热涂层(3),隔热涂层(3)的成分为纳米陶瓷微珠及硅锆酸盐化合物,导热系数为0.03W/(m*K),耐温最高1800℃。
3.根据权利要求1所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述加热棒(6)至少设有四根,包括硅钼棒(6a)和环形截面陶瓷保护壳(6d),所述硅钼棒(6a)由三段结构组成,分别为中间较细的加热段以及两端较粗的冷却段,所述加热段的外部套设有外壳结构,所述外壳结构由扣放在加热段上的第一半环截面陶瓷保护壳(6b)和第二半环截面陶瓷保护壳(6c)组成,所述加热段通过外壳结构固定在加热块(2)的槽道上;所述环形截面陶瓷保护壳(6d)套设在整个硅钼棒(6a)的外部;
多根所述加热棒(6)通过线缆(8)串联连接至直流电源(7),用于提供热源;
所述加热棒(6)插入加热块(2)的圆形槽道中时,加热棒(6)的加热段与加热块(2)对齐,加热棒(6)两端的冷却段在位于加热块(2)的外部,以保证热量正常输入到加热块(2)中且加热棒(6)进行正常工作。
4.根据权利要求3所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述第一半环截面陶瓷保护壳(6b)和第二半环截面陶瓷保护壳(6c)为两个相同规格的截面为半环且与硅钼棒(6a)的加热段等长的短保护套,每个短保护套的半环内径均与硅钼棒(6a)加热段直径相同,两个短保护套扣合在硅钼棒(6a)的加热段组成一个等径的圆柱体,即为所述外壳结构,其外径与硅钼棒(6a)冷却段直径相同;
所述环形截面陶瓷保护壳(6d)为一个截面为圆环且与整个硅钼棒(6a)长度相等的长保护套,其圆环内径与硅钼棒(6a)冷却段直径相同。
5.根据权利要求4所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述硅钼棒(6a)与三个陶瓷保护壳的组装方法包括如下步骤:
步骤一、将两个截面为半环的短保护套扣放在硅钼棒(6a)的加热段,使得两个半环截面正好拼凑为一个环截面,使扣放有短保护套的硅钼棒(6a)成为一根等径的圆柱体;两个短的半环的陶瓷保护套对加热时高温状态下变软的硅钼棒(6a)加热段产生支撑、保护及绝缘的作用,同时使得整个硅钼棒(6a)变为等径,具有填充的作用;
步骤二、将步骤一中组装好的两个半环的短保护套与硅钼棒(6a)整体套进环形截面长的陶瓷保护套中,从而组成完整的加热棒(6),环形截面长的陶瓷保护套的作用为对加热时高温状态下变软的整根硅钼棒(6a)起支撑、保护及绝缘的作用。
6.根据权利要求3、4或5所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述加热块(2)、所述外壳结构和所述环形截面陶瓷保护壳(6d)的材料均为高纯度氧化铝陶瓷,耐温最高1800℃。
7.根据权利要求1所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述保温箱(5)为具有带盖箱体的密封箱,箱体采用氧化铝多晶纤维材料,导热系数为0.1W/(m*K);所述保温棉(4)采用硅酸铝保温棉(4),导热系数为0.1W/(m*K),起到填充、固定及减少漏热的作用。
8.根据权利要求1所述的用于高温脉动热管的加热保温设备的设计方法,其特征在于,所述加热块(2)与保温箱(5)内外壁至少各自布置一个温度测点,高温脉动热管(1)的加热段至少布置3个温度测点。
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