CN114740040B - 一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段及实验方法，包括摇摆台和安装在摇摆台顶端的可视化密闭容器；可视化密闭容器内部底端安装有多孔介质吸液芯，多孔介质吸液芯顶端与可视化密闭容器之间形成气体通道；可视化密闭容器顶部两端分别安装有气体出口、充液口，可视化密闭容器底端沿多孔介质吸液芯方向依次设置有冷凝段、绝热段和蒸发段，可视化密闭容器的冷凝段安装有冷却装置，绝热段覆盖有保温层，蒸发段安装有加热装置，且加热装置和冷却装置分别设置于多孔介质吸液芯的两端。本发明实验段采用可视化密闭容器，可实时观测到多孔介质内的相界面变化过程，通过合理的布置光源和高速摄影仪，能够满足相界面变化特性可视化观测的需要。

Description

一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段及实验方法
技术领域
本发明涉及热管传热性能实验研究技术领域，特别是涉及一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段及实验方法。
背景技术
热管冷却技术在海洋微小型核动力系统方面具有很大应用前景。热管基于其内部工质的蒸发和冷凝作用实现高功率密度热量的远距离传输。液体工质在蒸发段吸热蒸发为气态，在冷凝段放热冷凝为液态，然后在多孔介质毛细力的驱动下流回蒸发段。虽然热管在工质、毛细吸液芯的形状和位置以及槽道结构等方面各不相同，但热管多孔介质内相界面位置过高或过低都会影响热管的整体性能。特别是在特殊的海洋条件附加力影响下，相界面位置的持续波动可能引发多种传热极限，进而造成因热管失效导致堆芯损毁的严重事故。
目前，国内外针对运动条件下热管内部的可视化研究尚不完善，且相关试验研究主要集中在低温或中温热管，缺乏能够针对摇摆条件下高温热管多孔介质内相界面传热稳定性进行研究的实验段设计方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段及实验方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段，包括摇摆台和安装在所述摇摆台顶端的可视化密闭容器；所述可视化密闭容器内部底端安装有多孔介质吸液芯，所述多孔介质吸液芯顶端与所述可视化密闭容器之间形成气体通道；所述可视化密闭容器顶部两端分别安装有气体出口、充液口，所述气体出口和所述充液口均与所述可视化密闭容器内部连通；所述可视化密闭容器底端沿所述多孔介质吸液芯方向依次设置有冷凝段、绝热段和蒸发段，所述可视化密闭容器的冷凝段安装有冷却装置，所述可视化密闭容器的绝热段覆盖有保温层，所述可视化密闭容器的蒸发段安装有加热装置，且所述加热装置和所述冷却装置分别设置于所述多孔介质吸液芯的两端。
优选的，所述可视化密闭容器包括可视化容器本体，所述可视化容器本体中部开设有上下贯通的长矩形槽道；所述长矩形槽道两端均设置有金属板，所述金属板与所述可视化容器本体抵接，两所述金属板通过螺栓固定；所述长矩形槽道与两所述金属板之间形成密闭空间，所述多孔介质吸液芯位于所述密闭空间底部；所述冷却装置、所述保温层和所述加热装置均安装在位于所述可视化容器本体底端的所述金属板上。
优选的，所述可视化容器本体采用长方体型透明石英玻璃。
优选的，所述金属板的材质为适用于碱金属工质的热管壁面材料。
优选的，所述多孔介质吸液芯内部填充有碱金属颗粒。
优选的，所述冷却装置为恒温冷却水通道，所述恒温冷却水通道内的冷却水的流量、温度可调。
优选的，所述摇摆台为高精度自由度摇摆台。
一种摇摆条件下热管相界面可视化实验方法，具体实验方法步骤如下：
S1、使用真空泵将实验段内部抽至真空状态，根据真空度调节试验段内的不凝性气体含量；
S2、通过充液口向实验段内充入碱金属工质；
S3、启动加热装置、冷却装置和摇摆台，实时观测并记录实验段内的相界面变化过程。
与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明通过石英玻璃与金属板构成的密闭空间，具有低膨胀、抗热震、耐高温、耐腐蚀、强度高等一系列优良性能，能够满足碱金属工质在吸液芯内相变传热研究的需要。
2、本发明实验段两侧均采用透明石英玻璃，且石英玻璃的透光性非常好，可透过石英玻璃实时观测到多孔介质内的相界面变化过程，通过合理的布置光源和高速摄影仪，能够满足相界面变化特性可视化观测的需要。
3、本发明采用高性能6自由度摇摆台，实验段能够与摇摆台良好适配，能够满足摇摆条件下运行特性研究的需要。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明摇摆条件下热管相界面可视化实验段的左视剖面图；
图2为本发明摇摆条件下热管相界面可视化实验段的正视剖面图；
图3为本发明摇摆条件下热管相界面可视化实验段的俯视剖面图；
其中，可视化容器本体-1；金属板-2；多孔介质吸液芯-3；螺栓-4；加热装置-5；冷却装置-6；保温层-7；气体出口-8；摇摆台-9；充液口-10；长矩形槽道-11。
具体实施方式
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。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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段，包括摇摆台9和安装在摇摆台9顶端的可视化密闭容器；可视化密闭容器内部底端安装有多孔介质吸液芯3，多孔介质吸液芯3顶端与可视化密闭容器之间形成气体通道；可视化密闭容器顶部两端分别安装有气体出口8、充液口10，气体出口8和充液口10均与可视化密闭容器内部连通；可视化密闭容器底端沿多孔介质吸液芯3方向依次设置有冷凝段、绝热段和蒸发段，可视化密闭容器的冷凝段安装有冷却装置6，可视化密闭容器的绝热段覆盖有保温层7，可视化密闭容器的蒸发段安装有加热装置5，且加热装置5和冷却装置6分别设置于多孔介质吸液芯3的两端；而且气体出口8设置在冷凝段末端，通过使用真空泵可将实验段内部抽至真空状态，根据真空度调节试验段内的不凝性气体含量；充液口10设置在蒸发段末端，可根据不同充液率需求充入不同质量的碱金属工质。
多孔介质吸液芯3内部工质在蒸发段通过加热相变为气体，经上部气体通道流动至冷凝段进行冷却，再次相变为液体并回流至蒸发段，以此来完成对热管内相变传热过程等效实验。实验段中间位置与摇摆台9连接，摇摆台9可模拟各种空间运动姿态，实验段内的相界面变化过程可透过可视化密闭容器实时观测记录。
进一步的，为方便实验段的安装及拆卸，可视化密闭容器包括可视化容器本体1，可视化容器本体1中部开设有上下贯通的长矩形槽道11；长矩形槽道11两端均设置有金属板2，金属板2与可视化容器本体1抵接，两金属板2通过螺栓4固定；长矩形槽道11与两金属板2之间形成密闭空间，多孔介质吸液芯3位于密闭空间底部；冷却装置6、保温层7和加热装置5均安装在位于可视化容器本体1底端的金属板2上。
进一步的，可视化容器本体1采用长方体型透明石英玻璃，长矩形槽道11的尺寸依据圆柱形热管实际尺寸等效得到，以保证气体的流通面积和多孔介质吸液芯3容积能够满足相变传热需要。
进一步的，金属板2的材质为适用于碱金属工质的热管壁面材料，本实施例中金属板2选用钼铼合金，且根据不同的碱金属工质可选择不同的金属板2材料。
进一步的，多孔介质吸液芯3内部填充有碱金属颗粒，如锂、钠、钾等，且实验段内的充液率可调节，可根据需要更换不同结构和材料的多孔介质吸液芯3。
进一步的，冷却装置6为恒温冷却水通道，恒温冷却水通道内的冷却水的流量、温度可调。
进一步的，摇摆台9为高精度6自由度摇摆台9，可实现在空间六个自由度的运动，从而模拟出各种空间运动姿态。
本实施例所提供的一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段的工作原理如下：
1)实验段中多孔介质吸液芯3内填充的碱金属工质加热后会发生相变，蒸发并不断产生气体，气体经多孔介质吸液芯3上方空间移动至冷凝段，在外部冷却条件下重新冷凝为液体，并在多孔介质吸液芯3所产生的毛细力的作用下，流回蒸发段，形成循环。
2)实验段内相变传热达到稳定运行状态时，多孔介质吸液芯3内会形成一气液分界面，蒸发段气体从分界面上不断产生，而在冷凝段分界面处，又重新相变为液体。
3)通过调整实验段加热功率或冷却条件，气液分界面的位置会相应改变，进而传热效率受到影响；当功率过大导致蒸发段位置干涸时，实验段内的传热过程失效。
一种摇摆条件下热管相界面可视化实验方法，具体实验方法步骤如下：
S1、使用真空泵将实验段内部抽至真空状态，根据真空度调节试验段内的不凝性气体含量；
S2、通过充液口10向实验段内充入碱金属工质；
S3、启动加热装置5、冷却装置6和摇摆台9，实时观测并记录实验段内的相界面变化过程。
本实施例所提供的一种摇摆条件下高温热管相界面可视化实验段及实验方法，通过石英玻璃与金属板2构成的密闭空间来等效研究热管内的相变传热过程，采用摇摆台9来提供运动条件，可透过石英玻璃实时观测到多孔介质内的相变过程，能够满足摇摆条件下相界面变化特性可视化观测的需要。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种摇摆条件下热管相界面可视化实验段，其特征在于，包括摇摆台(9)和安装在所述摇摆台(9)顶端的可视化密闭容器：所述摇摆台(9)为高精度6自由度摇摆台(9)，所述可视化密闭容器内部底端安装有多孔介质吸液芯(3)，所述多孔介质吸液芯(3)顶端与所述可视化密闭容器之间形成气体通道；所述可视化密闭容器顶部两端分别安装有气体出口(8)、充液口(10)，所述气体出口(8)和所述充液口(10)均与所述可视化密闭容器内部连通；所述可视化密闭容器底端沿所述多孔介质吸液芯(3)方向依次设置有冷凝段、绝热段和蒸发段，所述可视化密闭容器的冷凝段安装有冷却装置(6)，所述可视化密闭容器的绝热段覆盖有保温层(7)，所述可视化密闭容器的蒸发段安装有加热装置(5)，且所述加热装置(5)和所述冷却装置(6)分别设置于所述多孔介质吸液芯(3)的两端；所述可视化密闭容器包括可视化容器本体(1)，所述可视化容器本体(1)中部开设有上下贯通的长矩形槽道(11)；所述长矩形槽道(11)两端均设置有金属板(2)，所述金属板(2)与所述可视化容器本体(1)抵接，两所述金属板(2)通过螺栓(4)固定；所述长矩形槽道(11)与两所述金属板(2)之间形成密闭空间，所述多孔介质吸液芯(3)位于所述密闭空间底部；所述冷却装置(6)、所述保温层(7)和所述加热装置(5)均安装在位于所述可视化容器本体(1)底端的所述金属板(2)上。
2.根据权利要求1所述的摇摆条件下热管相界面可视化实验段，其特征在于，所述可视化容器本体(1)采用长方体型透明石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的摇摆条件下热管相界面可视化实验段，其特征在于，所述金属板(2)的材质为适用于碱金属工质的热管壁面材料。
4.根据权利要求1所述的摇摆条件下热管相界面可视化实验段，其特征在于，所述多孔介质吸液芯(3)内部填充有碱金属颗粒。
5.根据权利要求1所述的摇摆条件下热管相界面可视化实验段，其特征在于，所述冷却装置(6)为恒温冷却水通道，所述恒温冷却水通道内的冷却水的流量、温度可调。
6.一种摇摆条件下热管相界面可视化实验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的摇摆条件下热管相界面可视化实验段，具体实验方法步骤如下：
S1、使用真空泵将实验段内部抽至真空状态，根据真空度调节试验段内的不凝性气体含量；
S2、通过充液口(10)向实验段内充入碱金属工质；
S3、启动加热装置(5)、冷却装置(6)和摇摆台(9)，实时观测并记录实验段内的相界面变化过程。
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