CN115326870B - 一种低压下管内流动沸腾换热实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流动沸腾换热实验技术领域，具体公开了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，包括氮气瓶、液氮储罐、流量计、过冷箱、高真空实验腔、主流路汽化加热器、稳压罐、主流路真空泵、分子泵、数据采集系统、阀门系统及其连接的管路；氮气瓶输入氮气对实验系统进行清洗检漏；液氮储罐通过管路和阀门系统向实验系统提供液氮，液氮经过流量计后进入过冷箱中的过冷换热器中被冷却至过冷状态，过冷液氮进入高真空实验腔中的实验段中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入主流路汽化加热器中完全汽化，最后汽化产生的氮气经过稳压罐被主流路真空泵抽出后排入大气。本发明可实现实验段入口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。
Description
技术领域
本发明涉及流动沸腾换热实验技术领域，更具体地，涉及一种低压下管内流动沸腾换热实验系统。
背景技术
目前超导技术的迅速发展，常见的液氮温区高温超导材料已经在超导电缆、超导磁体、超导电机等设备中得到广泛应用。超导体必须在临界温度以下才具有超导特性，因此超导设备中必须有冷却系统带走由于交流损耗和系统漏热带来的热负荷。
N2化学性质稳定，在空气中的占比大，其制取成本较其他的低温换热工质低，常压下沸点约为77K，因此是高温超导设备冷却系统的理想换热工质。在实际应用中，液氮在吸收热量后可能进入沸腾状态，且流动沸腾换热本身具有更高的换热系数，有利于提高超导设备冷却系统的功重比。根据减压制冷原理，可以进一步降低压力可以获取更低的制冷温度，从而提高超导设备的性能。
国内外学者对液氮的沸腾换热机理已经开展了广泛的研究，在流动沸腾的主导机理、两相流动流态等议题上有了丰富的结论。相关研究结果表明，饱和压力对流动沸腾换热存在实质影响，但对其影响机理解释目前尚无定论。目前，入口压力在101kPa以上的液氮流动沸腾换热实验平台已存在设计方案和实物，积累了一定的实验数据，但是能够实现入口压力在101kPa以下工况的流动沸腾换热实验平台尚未出现，因此也缺乏低压下的流动沸腾换热数据。
基于以上技术背景，为开展液氮在负压下流动沸腾换热的实验研究，解决尚无可实现入口压力在101kPa以下工况的实验平台问题，本发明提出了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，可以实现实验段入口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。
作为本发明的第一个方面，提供一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，包括氮气瓶、液氮储罐、流量计、过冷箱、高真空实验腔、主流路汽化加热器、稳压罐、主流路真空泵、分子泵、数据采集系统、阀门系统及其连接的管路；
所述过冷箱包括过冷换热器、过冷箱汽化加热器和过冷箱真空泵，所述过冷箱真空泵连接所述过冷箱汽化加热器的一端，所述过冷箱汽化加热器的另一端伸入所述过冷箱的箱体内部；
所述高真空实验腔包括实验段和实验段加热电源，所述实验段加热电源连接在所述实验段的两端；
所述氮气瓶通过管路和阀门系统向所述过冷箱、高真空实验腔、主流路汽化加热器、稳压罐以及主流路真空泵输入高压氮气，在低温实验前用于对所述实验系统进行清洗检漏，并排出所述实验系统内的空气；
所述液氮储罐通过所述管路和阀门系统向所述实验系统提供实验工质液氮，所述实验工质液氮经过所述流量计计量流量后进入所述过冷箱中的所述过冷换热器中，在所述过冷换热器中被冷却至过冷状态，之后过冷液氮进入所述高真空实验腔中的实验段中，在所述实验段中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入所述主流路汽化加热器中完全汽化并被加热到所述主流路真空泵的许用最低温度，最后产生的氮气通过所述稳压罐被所述主流路真空泵抽出后排入大气；
其中，所述分子泵通过所述管路和阀门系统为所述过冷箱的真空绝热夹层和所述高真空实验腔提供高真空环境；
其中，所述数据采集系统采集所述流量计、过冷箱、实验段以及实验段加热电源产生的数据信号。
进一步地，所述阀门系统包括氮气截止阀、液氮截止阀、过冷箱充液阀、流量计前截止阀、流量计后截止阀、流量调节阀、背压调节球阀、主流路真空泵前球阀、主流路真空泵旁路球阀、过冷箱真空泵旁路球阀、过冷箱真空泵前球阀、过冷箱绝热夹层抽气阀、高真空实验腔抽气阀以及高真空实验腔放气阀；
所述氮气截止阀、所述过冷箱充液阀、所述液氮截止阀和所述流量计前截止阀之间通过管路形成的四通连接，所述氮气瓶连接所述氮气截止阀的另一端，所述液氮储罐连接所述液氮截止阀的另一端，所述过冷箱充液阀的另一端连接至所述过冷箱的箱体内部，所述流量计前截止阀的另一端依次通过所述流量计和所述流量计后截止阀连接所述过冷换热器的输入端，所述过冷换热器的输出端通过所述流量调节阀连接所述实验段的一端，所述实验段的另一端通依次通过所述主流路汽化加热器、背压调节球阀、主流路真空泵前球阀连接所述稳压罐的输入端，所述稳压罐的输出端与所述主流路真空泵连接，所述背压调节球阀、主流路真空泵前球阀和所述主流路真空泵旁路球阀之间通过管路形成的三通连接，所述主流路真空泵旁路球阀的另一端接入大气；
所述过冷箱汽化加热器的一端、所述过冷箱真空泵旁路球阀的一端和过冷箱真空泵前球阀的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱真空泵旁路球阀的另一端接入大气，所述过冷箱真空泵前球阀的另一端连接所述过冷箱真空泵；
所述分子泵、所述过冷箱绝热夹层抽气阀的一端和所述高真空实验腔抽气阀的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱绝热夹层抽气阀的另一端连接至所述过冷箱的真空绝热夹层，所述高真空实验腔抽气阀的另一端连接至所述高真空实验腔的内部，所述高真空实验腔放气阀连接在所述高真空实验腔抽气阀和所述高真空实验腔之间的管路上。
进一步地，所述过冷箱采用减压制冷原理，所述过冷箱的制冷功率Q的计算公式如下：
其中，Q0为所述过冷箱由于辐射、构件导热、真空绝热夹层残余气体传热产生的漏热量，G为所述实验段的质量通量，d为所述实验段的管内径，cp0为所述过冷换热器内液氮在工作状态下的定压比热，T1为所述过冷换热器进口液氮温度，T2为所述过冷换热器出口液氮温度，T2需小于液氮在实验段进口压力下的饱和温度；
所述过冷箱的设计容积为Vg，Vg的计算公式如下：
其中，t为过冷箱设计运行时间，rsat为所述过冷箱内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρsat所述过冷箱内液氮在工作状态下的密度。
进一步地，所述主流路汽化加热器的加热功率Qzh的计算公式为：
其中，G为所述实验段的质量通量，d为所述实验段的管内径，r为所述实验段液氮在工作状态下的汽化潜热，cp为所述主流路汽化加热器内氮气在工作状态下的平均定压比热，Tzv为所述主流路真空泵许用最低温度，To为所述实验段的出口温度。
进一步地，所述主流路真空泵在所述实验段出口压力下的抽速应不小于主流路真空泵设计抽速S1，所述主流路真空泵设计抽速S1的计算公式如下：
其中，G为所述实验段的质量通量，d为所述实验段的管内径，ρ为所述主流路汽化加热器出口氮气的密度。
进一步地，所述过冷箱汽化加热器的加热功率Qgh的计算公式为：
其中，Q为所述过冷箱的制冷功率、rsat为所述过冷箱内液氮在工作状态下的汽化潜热，cpg为所述过冷箱汽化加热器内氮气在工作状态下的平均定压比热，Tgv为所述过冷箱真空泵许用最低温度，Tsat所述过冷箱内液氮在工作状态下的饱和温度。
进一步地，所述过冷箱真空泵在所述过冷箱工作压力下的抽速应不小于过冷箱真空泵设计抽速S2，所述过冷箱真空泵设计抽速S2的计算公式如下：
其中，Q为所述过冷箱的制冷功率、rsat为所述过冷箱内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρg为所述过冷箱汽化加热器出口氮气的密度。
进一步地，所述数据采集系统包括电压采集装置和电流采集装置，所述电流采集装置用于采集所述流量计产生的电流信号、所述实验段内的压力传感器产生的电流信号以及所述过冷箱内的液位传感器产生的电流信号和压力传感器产生的电流信号；所述电压采集装置用于采集所述过冷箱内的温度传感器产生的电压信号以及所述实验段内的温度传感器产生的电压信号。
进一步地，所述实验段加热电源为程控电源，其电压和电流数据信号被所述数据采集系统中的计算机直接采集。
本发明提供的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统具有以下优点：使用真空泵、稳压罐等形成背压控制系统，可以使实验段入口压力达到低于常压的负压状态，同时使用减压制冷原理的过冷箱可以使实验段入口处的液氮达到过冷状态，进而实现实验段入口压力在101kPa以下工况的管内流动沸腾换热实验。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的低压下管内流动沸腾换热实验系统的框架图。
图2为本发明提供的实验段示意图。
图3为本发明提供的数据采集系统示意图。
附图标记：1、氮气瓶；2、液氮储罐；3、流量计；4、过冷箱；41、过冷换热器；42、过冷箱汽化加热器；43、过冷箱真空泵；5、高真空实验腔；51、实验段；52、实验段加热电源；6、主流路汽化加热器；7、稳压罐；8、主流路真空泵；9、分子泵；10、数据采集系统；v1、氮气截止阀；v2、液氮截止阀；v3、过冷箱充液阀；v4、流量计前截止阀；v5、流量计后截止阀；v6、流量调节阀；v7、背压调节球阀；v8、主流路真空泵前球阀；v9、主流路真空泵旁路球阀；v10、过冷箱真空泵旁路球阀；v11、过冷箱真空泵前球阀；v12、过冷箱绝热夹层抽气阀；v13、高真空实验腔抽气阀；v14、高真空实验腔放气阀；T为温度测点；P为压力测点；L为液位测点；V为电压采集装置；A为电流采集装置。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的解释中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，除非是特殊标明。例如，连接可以是固定连接，也可以是通过特殊的接口连接，也可以是中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本实施例中提供了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，如图1-3所示，所述低压下管内流动沸腾换热实验系统包括氮气瓶1、液氮储罐2、流量计3、过冷箱4、高真空实验腔5、主流路汽化加热器6、稳压罐7、主流路真空泵8、分子泵9、数据采集系统10、阀门系统及其连接的管路；
所述过冷箱4包括过冷换热器41、过冷箱汽化加热器42和过冷箱真空泵43，所述过冷箱真空泵43连接所述过冷箱汽化加热器42的一端，所述过冷箱汽化加热器42的另一端伸入所述过冷箱4的箱体内部；
所述高真空实验腔5包括实验段51和实验段加热电源52，所述实验段加热电源52连接在所述实验段51的两端；
所述氮气瓶1通过管路和阀门系统向所述过冷箱4、高真空实验腔5、主流路汽化加热器6、稳压罐7以及主流路真空泵8输入高压氮气，在低温实验前用于对所述实验系统进行清洗检漏，并排出所述实验系统内的空气，防止冰堵；
所述液氮储罐2通过所述管路和阀门系统向所述实验系统提供实验工质液氮，所述实验工质液氮经过所述流量计3计量流量后进入所述过冷箱4中的所述过冷换热器41中，在所述过冷换热器41中被冷却至过冷状态，之后过冷液氮进入所述高真空实验腔5中的实验段51中，在所述实验段51中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入所述主流路汽化加热器6中完全汽化并被加热到所述主流路真空泵8的许用最低温度，最后产生的氮气通过所述稳压罐7被所述主流路真空泵8抽出后排入大气；
其中，所述分子泵9通过所述管路和阀门系统为所述过冷箱4的真空绝热夹层和所述高真空实验腔5提供高真空环境，所述过冷箱4的真空绝热夹层和所述高真空实验腔5内的压力一般应小于10-3Pa；
其中，所述数据采集系统10采集所述流量计3、过冷箱4、实验段51以及实验段加热电源52产生的数据信号。
具体地，本实施例中的液氮储罐2可以是自增压式，也可以是通过高压氮气驱动液氮的形式。本实施例中的流量计3可以为科氏力质量流量计或其它种类的适用于低温下液氮质量流量或体积流量测量的流量计。本实施例中的过冷换热器41可以是单层盘管式、双层盘管式、密集管束式等形式。本实施例中的实验段51可以为常规通道、小通道或微通道，实验段51的温度测点周向布置方式可以是两点180°对向布置、四点90°均匀布置或其它根据需要的采取的布置形式。本实施例中的主流路汽化加热器6和过冷箱汽化加热器42可以是电加热式，也可以是水浴加热式或空气加热式等其他形式。本实施例中的主流路真空泵8和过冷箱真空泵43可以是无油旋片泵，也可以是添加了防止返油措施的油式真空泵。
优选地，所述阀门系统包括氮气截止阀v1、液氮截止阀v2、过冷箱充液阀v3、流量计前截止阀v4、流量计后截止阀v5、流量调节阀v6、背压调节球阀v7、主流路真空泵前球阀v8、主流路真空泵旁路球阀v9、过冷箱真空泵旁路球阀v10、过冷箱真空泵前球阀v11、过冷箱绝热夹层抽气阀v12、高真空实验腔抽气阀v13以及高真空实验腔放气阀v14；
所述氮气截止阀v1、所述过冷箱充液阀v3、所述液氮截止阀v2和所述流量计前截止阀v4之间通过管路形成的四通连接，所述氮气瓶1连接所述氮气截止阀v1的另一端，所述液氮储罐2连接所述液氮截止阀v2的另一端，所述过冷箱充液阀v3的另一端连接至所述过冷箱4的箱体内部，所述流量计前截止阀v4的另一端依次通过所述流量计3和所述流量计后截止阀v5连接所述过冷换热器41的输入端，所述过冷换热器41的输出端通过所述流量调节阀v6连接所述实验段51的一端，所述实验段51的另一端通依次通过所述主流路汽化加热器6、背压调节球阀v7、主流路真空泵前球阀v8连接所述稳压罐7的输入端，所述稳压罐7的输出端与所述主流路真空泵8连接，所述背压调节球阀v7、主流路真空泵前球阀v8和所述主流路真空泵旁路球阀v9之间通过管路形成的三通连接，所述主流路真空泵旁路球阀v9的另一端接入大气；
所述过冷箱汽化加热器42的一端、所述过冷箱真空泵旁路球阀v10的一端和过冷箱真空泵前球阀v11的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱真空泵旁路球阀v10的另一端接入大气，所述过冷箱真空泵前球阀v11的另一端连接所述过冷箱真空泵43；
所述分子泵9、所述过冷箱绝热夹层抽气阀v12的一端和所述高真空实验腔抽气阀v13的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱绝热夹层抽气阀v12的另一端连接至所述过冷箱4的真空绝热夹层，所述高真空实验腔抽气阀v13的另一端连接至所述高真空实验腔5的内部，所述高真空实验腔放气阀v14连接在所述高真空实验腔抽气阀v13和所述高真空实验腔5之间的管路上。
优选地，所述过冷箱4采用减压制冷原理，所述过冷箱4的制冷功率Q的计算公式如下：
其中，Q0为所述过冷箱4由于辐射、构件导热、真空绝热夹层残余气体传热产生的漏热量，G为所述实验段51的质量通量，d为所述实验段51的管内径，cp0为所述过冷换热器41内液氮在工作状态下的定压比热，T1为所述过冷换热器41进口液氮温度，T2为所述过冷换热器41出口液氮温度，T2需小于液氮在实验段51进口压力下的饱和温度；
所述过冷箱4的设计容积为Vg，Vg的计算公式如下：
其中，t为过冷箱4设计运行时间，rsat为所述过冷箱4内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρsat所述过冷箱4内液氮在工作状态下的密度。
优选地，所述主流路汽化加热器6应具有使得所述实验段液氮完全汽化并加热到所述主流路真空泵许用最低温度的加热功率，所述主流路汽化加热器6的加热功率Qzh的计算公式为：
其中，G为所述实验段51的质量通量，d为所述实验段51的管内径，r为所述实验段51液氮在工作状态下的汽化潜热，cp为所述主流路汽化加热器6内氮气在工作状态下的平均定压比热，Tzv为所述主流路真空泵8许用最低温度，To为所述实验段51的出口温度。
优选地，所述主流路真空泵8在所述实验段51出口压力下的抽速应不小于主流路真空泵设计抽速S1，所述主流路真空泵设计抽速S1的计算公式如下：
其中，G为所述实验段51的质量通量，d为所述实验段51的管内径，ρ为所述主流路汽化加热器6出口氮气的密度。
优选地，所述过冷箱汽化加热器42的加热功率Qgh的计算公式为：
其中，Q为所述过冷箱4的制冷功率、rsat为所述过冷箱4内液氮在工作状态下的汽化潜热，cpg为所述过冷箱汽化加热器42内氮气在工作状态下的平均定压比热，Tgv为所述过冷箱真空泵43许用最低温度，Tsat所述过冷箱4内液氮在工作状态下的饱和温度。
优选地，所述过冷箱真空泵43在所述过冷箱4工作压力下的抽速应不小于过冷箱真空泵设计抽速S2，所述过冷箱真空泵设计抽速S2的计算公式如下：
其中，Q为所述过冷箱4的制冷功率、rsat为所述过冷箱4内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρg为所述过冷箱汽化加热器42出口氮气的密度。
优选地，如图2-3所示，所述数据采集系统10包括电压采集装置V和电流采集装置A，所述电流采集装置A用于采集所述流量计3产生的电流信号、所述实验段51内的压力传感器产生的电流信号以及所述过冷箱4内的液位传感器产生的电流信号和压力传感器产生的电流信号；所述电压采集装置V用于采集所述过冷箱4内的温度传感器产生的电压信号以及所述实验段51内的温度传感器产生的电压信号。
优选地，所述实验段加热电源52为程控电源，其电压和电流数据信号被所述数据采集系统10中的计算机直接采集。
下面对低压下管内流动沸腾换热实验系统的工作过程进行说明：
(1)低温实验前准备：开启氮气截止阀v1、过冷箱充液阀v3和流量计前截止阀v4，关闭液氮截止阀v2，氮气瓶1向实验系统(包括过冷箱4的箱体内部)供应高压氮气，相应的开闭其余阀门，对实验系统进行检漏，并排出实验系统内的空气防止冰堵；确认所述高真空实验腔5、过冷箱4的真空绝热夹层和分子泵9之间连接管路的连接状况，开启过冷箱绝热夹层抽气阀v12和高真空实验腔抽气阀v13，关闭高真空实验腔放气阀v14，之后开启分子泵9，分子泵9将过冷箱4真空绝热夹层和高真空实验腔5的压力均抽至10-3Pa以下，保持所述高真空实验腔5和过冷箱4的真空绝热夹层高真空度一定时间后，关闭过冷箱绝热夹层抽气阀v12和高真空实验腔抽气阀v13，关闭分子泵9。
(2)实验系统预冷：开启主流路汽化加热器6和过冷箱汽化加热器42，确认过冷箱4的密封状况，关闭氮气截止阀v1和流量计前截止阀v4，开启液氮截止阀v2和过冷箱充液阀v3，向过冷箱4中加液氮至液位计显示已满。关闭氮气截止阀v1和过冷箱充液阀v3，开启液氮截止阀v2和流量计前截止阀v4，向主流路中通入少量液氮进行预冷，再次检查管路和腔体的密封状况。
(3)开启主流路液氮过冷系统：关闭过冷箱真空泵旁路球阀v10，打开过冷箱真空泵前球阀v11，开启过冷箱真空泵43，过冷箱4内的液氮在低压下汽化，其饱和温度低于常压下液氮饱和温度，过冷箱4内液氮汽化后通过过冷箱汽化加热器42加热后经过冷箱真空泵43抽出排入大气，监测过冷箱4中液氮的液位L、压力P和温度T变化，监测所述过冷换热器41进出口液氮温度变化。
(4)开始沸腾换热实验：向主流路中通入液氮，开启主流路真空泵8，通过流量调节阀v6调节液氮流量，通过背压调节球阀v7调节背压，调节实验段加热电源52的加热功率以改变加热段热流密度，记录不同压力、热流密度、流量下实验段51的温度数据。数据采集系统10采集流量计3、过冷箱4、实验段51和实验段加热电源52产生的电流、电压或其它信号。
(5)停止实验：关闭过冷箱真空泵前球阀v11，关闭过冷箱真空泵43，打开过冷箱真空泵旁路球阀v10，使过冷箱4内恢复常压，剩余液氮自然消耗。关闭实验段加热电源52，关闭液氮截止阀v2停止向系统供应液氮，开启氮气截止阀v1向系统供应氮气避免水汽进入，关闭主流路真空泵前球阀v8并关闭主流路真空泵8，开启主流路真空泵旁路球阀v9。调节主流路汽化加热器6和过冷箱汽化加热器42，待所有管路、腔体恢复常温后关闭。开启高真空实验腔5放气阀v14，使之恢复常压后可以对实验段51进行检查。
本发明提供的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，使用真空泵、稳压罐和阀门等形成背压控制系统，可以使实验段入口压力达到低于常压的负压状态，同时使用减压制冷原理的过冷箱可以使实验段入口处的液氮达到过冷状态，进而实现实验段入口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，包括氮气瓶(1)、液氮储罐(2)、流量计(3)、过冷箱(4)、高真空实验腔(5)、主流路汽化加热器(6)、稳压罐(7)、主流路真空泵(8)、分子泵(9)、数据采集系统(10)、阀门系统及其连接的管路；
所述过冷箱(4)包括过冷换热器(41)、过冷箱汽化加热器(42)和过冷箱真空泵(43)，所述过冷箱真空泵(43)连接所述过冷箱汽化加热器(42)的一端，所述过冷箱汽化加热器(42)的另一端伸入所述过冷箱(4)的箱体内部；
所述高真空实验腔(5)包括实验段(51)和实验段加热电源(52)，所述实验段加热电源(52)连接在所述实验段(51)的两端；
所述氮气瓶(1)通过管路和阀门系统向所述过冷箱(4)、高真空实验腔(5)、主流路汽化加热器(6)、稳压罐(7)以及主流路真空泵(8)输入高压氮气，在低温实验前用于对所述实验系统进行清洗检漏，并排出所述实验系统内的空气；
所述液氮储罐(2)通过所述管路和阀门系统向所述实验系统提供实验工质液氮，所述实验工质液氮经过所述流量计(3)计量流量后进入所述过冷箱(4)中的所述过冷换热器(41)中，在所述过冷换热器(41)中被冷却至过冷状态，之后过冷液氮进入所述高真空实验腔(5)中的实验段(51)中，在所述实验段(51)中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入所述主流路汽化加热器(6)中完全汽化并被加热到所述主流路真空泵(8)的许用最低温度，最后产生的氮气通过所述稳压罐(7)被所述主流路真空泵(8)抽出后排入大气；
其中，所述分子泵(9)通过所述管路和阀门系统为所述过冷箱(4)的真空绝热夹层和所述高真空实验腔(5)提供高真空环境；
其中，所述数据采集系统(10)采集所述流量计(3)、过冷箱(4)、实验段(51)以及实验段加热电源(52)产生的数据信号。
2.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述阀门系统包括氮气截止阀(v1)、液氮截止阀(v2)、过冷箱充液阀(v3)、流量计前截止阀(v4)、流量计后截止阀(v5)、流量调节阀(v6)、背压调节球阀(v7)、主流路真空泵前球阀(v8)、主流路真空泵旁路球阀(v9)、过冷箱真空泵旁路球阀(v10)、过冷箱真空泵前球阀(v11)、过冷箱绝热夹层抽气阀(v12)、高真空实验腔抽气阀(v13)以及高真空实验腔放气阀(v14)；
所述氮气截止阀(v1)、所述过冷箱充液阀(v3)、所述液氮截止阀(v2)和所述流量计前截止阀(v4)之间通过管路形成的四通连接，所述氮气瓶(1)连接所述氮气截止阀(v1)的另一端，所述液氮储罐(2)连接所述液氮截止阀(v2)的另一端，所述过冷箱充液阀(v3)的另一端连接至所述过冷箱(4)的箱体内部，所述流量计前截止阀(v4)的另一端依次通过所述流量计(3)和所述流量计后截止阀(v5)连接所述过冷换热器(41)的输入端，所述过冷换热器(41)的输出端通过所述流量调节阀(v6)连接所述实验段(51)的一端，所述实验段(51)的另一端通依次通过所述主流路汽化加热器(6)、背压调节球阀(v7)、主流路真空泵前球阀(v8)连接所述稳压罐(7)的输入端，所述稳压罐(7)的输出端与所述主流路真空泵(8)连接，所述背压调节球阀(v7)、主流路真空泵前球阀(v8)和所述主流路真空泵旁路球阀(v9)之间通过管路形成的三通连接，所述主流路真空泵旁路球阀(v9)的另一端接入大气；
所述过冷箱汽化加热器(42)的一端、所述过冷箱真空泵旁路球阀(v10)的一端和过冷箱真空泵前球阀(v11)的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱真空泵旁路球阀(v10)的另一端接入大气，所述过冷箱真空泵前球阀(v11)的另一端连接所述过冷箱真空泵(43)；
所述分子泵(9)、所述过冷箱绝热夹层抽气阀(v12)的一端和所述高真空实验腔抽气阀(v13)的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱绝热夹层抽气阀(v12)的另一端连接至所述过冷箱(4)的真空绝热夹层，所述高真空实验腔抽气阀(v13)的另一端连接至所述高真空实验腔(5)的内部，所述高真空实验腔放气阀(v14)连接在所述高真空实验腔抽气阀(v13)和所述高真空实验腔(5)之间的管路上。
3.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述过冷箱(4)采用减压制冷原理，所述过冷箱(4)的制冷功率Q的计算公式如下：
其中，Q0为所述过冷箱(4)由于辐射、构件导热、真空绝热夹层残余气体传热产生的漏热量，G为所述实验段(51)的质量通量，d为所述实验段(51)的管内径，cp0为所述过冷换热器(41)内液氮在工作状态下的定压比热，T1为所述过冷换热器(41)进口液氮温度，T2为所述过冷换热器(41)出口液氮温度，T2需小于液氮在实验段(51)进口压力下的饱和温度；
所述过冷箱(4)的设计容积为Vg，Vg的计算公式如下：
其中，t为过冷箱(4)设计运行时间，rsat为所述过冷箱(4)内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρsat所述过冷箱(4)内液氮在工作状态下的密度。
4.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述主流路汽化加热器(6)的加热功率Qzh的计算公式为：
其中，G为所述实验段(51)的质量通量，d为所述实验段(51)的管内径，r为所述实验段(51)液氮在工作状态下的汽化潜热，cp为所述主流路汽化加热器(6)内氮气在工作状态下的平均定压比热，Tzv为所述主流路真空泵(8)许用最低温度，To为所述实验段(51)的出口温度。
5.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述主流路真空泵(8)在所述实验段(51)出口压力下的抽速应不小于主流路真空泵设计抽速S1，所述主流路真空泵设计抽速S1的计算公式如下：
其中，G为所述实验段(51)的质量通量，d为所述实验段(51)的管内径，ρ为所述主流路汽化加热器(6)出口氮气的密度。
6.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述过冷箱汽化加热器(42)的加热功率Qgh的计算公式为：
其中，Q为所述过冷箱(4)的制冷功率、rsat为所述过冷箱(4)内液氮在工作状态下的汽化潜热，cpg为所述过冷箱汽化加热器(42)内氮气在工作状态下的平均定压比热，Tgv为所述过冷箱真空泵(43)许用最低温度，Tsat所述过冷箱(4)内液氮在工作状态下的饱和温度。
7.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述过冷箱真空泵(43)在所述过冷箱(4)工作压力下的抽速应不小于过冷箱真空泵设计抽速S2，所述过冷箱真空泵设计抽速S2的计算公式如下：
其中，Q为所述过冷箱(4)的制冷功率、rsat为所述过冷箱(4)内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρg为所述过冷箱汽化加热器(42)出口氮气的密度。
8.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述数据采集系统(10)包括电压采集装置(V)和电流采集装置(A)，所述电流采集装置(A)用于采集所述流量计(3)产生的电流信号、所述实验段(51)内的压力传感器产生的电流信号以及所述过冷箱(4)内的液位传感器产生的电流信号和压力传感器产生的电流信号；所述电压采集装置(V)用于采集所述过冷箱(4)内的温度传感器产生的电压信号以及所述实验段(51)内的温度传感器产生的电压信号。
9.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述实验段加热电源(52)为程控电源，其电压和电流数据信号被所述数据采集系统(10)中的计算机直接采集。
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