CN115406930A - 一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，采用换热器进行液态金属单相流与冷媒的热交换，通过测得的冷媒在热交换过程中的吸热量、冷媒与外界环境进行热交换而损失的热量和液态金属的质量流量计算液态金属的热沉；本发明还涉及一种适用于所述测试方法的宽温区液态金属单相流的热沉测试系统。本发明可以快速、精准地测量高温、高压工况下的液态金属的热沉参数，为液态金属作为燃烧室壁面冷却工质提供准确的数据基础，测试系统结构简单，测试方法易操作，可有效降低液态金属热沉参数测量的难度和成本，本发明适用测试工况的条件范围广，尤其适用于航空航天和核领域内的冷却流体的技术研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法及系统，属于液态金属性能测试技术领域。
背景技术
随着高超声速飞行器速度的不断攀升，来流空气对飞行器表面的气动加热与燃烧室中燃烧过程释热导致燃烧室壁面处于极端恶劣的热环境。当飞行速度达到马赫6时，燃烧室中的温度达到3000K，这个温度远超过现有发动机材料的耐受温度，面对如此恶劣的热环境，挖掘具有超强换热性能的流体，发展发动机的热防护工作显得尤为重要。目前进行了相关研究的超燃冲压发动机的第三流体冷却工质有氦气、苯、甲苯、超临界二氧化碳、氦氙混合气体、氨水和液钠等，其中液态金属具有导热系数大、热扩散系数大、室温下呈液态等特点，作为冷却流体拥有很强的转移热量能力，故液态金属作为壁面冷却工质极具潜力。然而，因高温下液态金属具有易氧化性、腐蚀性或化学性质活泼等特点，加大了其热沉参数的测量难度和研制成本，导致某些液态金属在高温下的物性难以准确进行测量。
现有技术下的一种液态金属的热沉测量方式为使用“冰量热计”的方法进行测量，这种方法的原理为：采用带有冰套的中空容器，将高温的液态金属放入其中，液态金属被冷却放热，冰吸热融化，当系统最终热平衡时温度降到0℃，通过测量融化产生的水的质量获得冷热工质交换的热量，通过液态金属的质量计算其热沉值。这种方法的温度测量范围很高，需要高温炉和量热器等专门的测量工具，且测量工具还需具有一定的耐腐蚀性能，测量方法比较复杂，并且仪器中需要用到水银，水银毒性的防护问题也很难处理，种种局限性使这种测量方式难以得到普遍利用，使得部分液态金属的高温热沉无法测量，例如镓铟锡合金在高温下的热沉值仅开发到(仅能测量到)437℃。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法及系统，能够准确测量液态金属的热沉。
本发明实现上述目的采用的技术方案是：一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，采用换热器进行液态金属单相流与冷媒的热交换，依据下列公式计算液态金属单相流的热沉：
其中，
Δt＝tout-tin
即
Δh为液态金属的热沉；
为液态金属的散热量；Wh为液态金属的质量流量；
为冷媒在热交换过程中的吸热量；
为冷媒与外界环境进行热交换而损失的热量；Wc为冷媒的质量流量；Cp为冷媒的定压比热容；Δt为换热器的冷媒进出口处的温度变化量(冷媒的与液态金属单相流换热前后的温度变化量)；tout为换热器的冷媒出口处的冷媒温度，tin为换热器的冷媒入口处的冷媒温度。
优选的，换热器的热媒通道位于液态金属循环管道中，换热器的冷媒通道位于冷媒循环管道中，液态金属单相流在所述液态金属循环管道中进行循环流动的过程中，持续对液态金属进行加热。
优选的，液态金属在注入所述液态金属循环管道之前，对液态金属进行加热。
优选的，液态金属在注入所述液态金属循环管道之前，将所述液态金属循环管道内的空气排出。
优选的，所述液态金属循环管道内的空气的排出方式为：先向所述液态金属循环管道内充入惰性气体，再采用真空泵将所述液态金属循环管道内的气体抽出。
一种宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，包括热媒循环管道、冷媒循环管道、换热器和储液罐，所述换热器的热媒通道连接在所述热媒循环管道中，所述换热器的冷媒通道连接在所述冷媒循环管道中，所述热媒通道两端的管道上分别设有热媒温度传感器，所述冷媒通道两端的管道上分别设有冷媒温度传感器，所述热媒循环管道上设有热媒质量流量计，所述冷媒循环管道上设有冷媒质量流量计，所述储液罐设有进液口和出液口，所述出液口连接在所述热媒循环管道上，所述进液口连接液态金属源。
优选的，所述换热器为套管换热器。
优选的，所述冷媒采用去离子水。
所述热媒质量流量计可以采用电磁质量流量计，所述冷媒质量流量计可以采用科氏质量流量计。
优选的，所述热媒循环管道上设有热媒加热装置，所述热媒加热装置位于所述热媒质量流量计与所述热媒通道的进口之间。
优选的，所述热媒加热装置为马弗炉。
优选的，所述储液罐设有加热器。
优选的，所述宽温区液态金属单相流的热沉测试系统还包括惰性气体瓶、真空泵和膨胀罐，所述储液罐设有进气口，所述膨胀罐设有进口和出口，所述惰性气体瓶的出气管分别连接所述储液罐的进气口和所述膨胀罐的进口，所述膨胀罐的出口连接在所述热媒循环管道上，连接位置位于所述热媒质量流量计与所述热媒加热装置之间，所述储液罐的出液口与所述热媒循环管道的连接位置位于所述热媒通道的出口与所述热媒质量流量计之间，所述真空泵通过真空抽吸管连接在所述惰性气体瓶的出气管上。
优选的，所述热媒循环管道上设有热媒输送泵，所述冷媒循环管道上设有冷媒输送泵和冷媒容器。
优选的，所述热媒输送泵位于所述热媒通道的出口与所述热媒质量流量计之间，所述冷媒容器位于所述冷媒质量流量计与所述冷媒通道的出口之间，所述冷媒输送泵位于所述冷媒质量流量计与所述冷媒容器之间。
优选的，所述热媒通道的两端的管道上分别设有压力传感器。
优选的，所述冷媒通道的两端的管道上分别设有压力传感器。
优选的，所述热媒加热装置的两端的管道上分别设有温度传感器和压力传感器。
各管道上可以依据现有技术设置控制阀门。
可以依据现有技术设置配套的控制装置进行相关元件/装置的控制，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集各检测元件的输出信号，送入控制装置作为控制相关元件/装置工作的依据。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可以快速、精准地测量高温、高压工况下的液态金属的热沉参数，为液态金属作为燃烧室壁面冷却工质提供准确的数据基础，测试系统结构简单，测试方法易操作，可有效降低液态金属热沉参数测量的难度和成本，高温工况的温度可达1000℃，高压工况的压力可达3MPa，适用测试工况的条件范围广，尤其适用于航空航天和核领域内的冷却流体的技术研究；
(2)本发明在将液态金属注入所述液态金属循环管道之前，采用惰性气体将液态金属循环管道内的空气排出，可有效避免液态金属在高温高压的测试环境及测试过程中被氧化，导致测试结果受到影响，并可抑制液态金属的腐蚀性和活泼的化学性质，避免高温高压的液态金属腐蚀管道或发生化学反应；
(3)本发明在测试的过程中，持续对液态金属进行加热，既可以保证液态金属的单相流的物理状态，又可以避免换热后的液态金属由于温度降低而发生物理状态的改变(例如结晶)，从而保证测试条件的稳定性和一致性以及测试结果的准确性；
(4)本发明在测试结束后，可以通过向将液态金属循环管道内通入惰性气体的方式将管道内的液态金属排出回收再利用，可有效避免液态金属的浪费和对环境的污染。
附图说明
图1是本发明的测试系统的一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，采用换热器进行液态金属单相流与冷媒的热交换，依据下列公式计算液态金属单相流的热沉：
其中，
Δt＝tout-tin
即
Δh为液态金属的热沉；
为液态金属的散热量；Wh为液态金属的质量流量；
为冷媒在热交换过程中的吸热量；
为冷媒与外界环境进行热交换而损失的热量；Wc为冷媒的质量流量；Cp为冷媒的定压比热容；Δt为换热器的冷媒进出口处的温度变化量(冷媒的与液态金属单相流换热前后的温度变化量)；tout为换热器的冷媒出口处的冷媒温度，tin为换热器的冷媒入口处的冷媒温度。
所述换热器优选采用套管换热器，结构简单，传热效能高，有助于提高测试结果的准确性。换热器的热媒通道优选位于液态金属循环管道中，换热器的冷媒通道优选位于冷媒循环管道中，液态金属和冷媒在各自的循环管道中持续反向流动，进行换热。液态金属单相流在所述液态金属循环管道中进行循环流动的过程中，持续对液态金属进行加热，补充液态金属由于换热损失的温度，保持液态金属在测试过程中(除换热过程)的温度恒定(保持的恒定温度依据金属的物理特性而定，以金属采用镓基合金为例，在所述液态金属循环管道内保持的恒定温度优选为300℃)，既可以保证液态金属的单相流的物理状态，又可以避免换热后的液态金属由于温度降低而发生物理状态的改变(例如结晶)，从而保证测试条件的稳定性和一致性以及测试结果的准确性。所述冷媒优选采用去离子水。
液态金属在注入所述液态金属循环管道之前，优选对液态金属进行加热，使液态金属保持液态单相状态，并初步达到测试所需维持的恒定温度(以金属采用镓基合金为例，可以在液态金属注入所述液态金属循环管道之前，将其加热至300℃)。
液态金属在注入所述液态金属循环管道之前，优选将所述液态金属循环管道内的空气排出，避免液态金属在高温高压的测试环境及测试过程中被氧化，导致测试结果受到影响。
所述液态金属循环管道内的空气的排出方式优选为：先向所述液态金属循环管道内充入惰性气体，将空气排出，再采用真空泵将所述液态金属循环管道内的气体抽出。在排出所述液态金属循环管道内的空气时，上述方式可以反复进行多次，以保证所述液态金属循环管道内的空气排除彻底。
所述惰性气体可以采用氩气，既可以避免液态金属在高温高压的测试环境及测试过程中被氧化，又可以抑制液态金属的腐蚀性和活泼的化学性质，避免高温高压的液态金属腐蚀管道或发生化学反应。所述惰性气体也可以其他现有技术下适宜的惰性气体。
参见图1，本发明还公开了一种适用于所述宽温区液态金属单相流的热沉测试方法的宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，包括热媒循环管道、冷媒循环管道、换热器1和储液罐2，所述热媒循环管道用于液态金属的循环流动，所述冷媒循环管道用于冷媒(例如，去离子水)的循环流动，所述储液罐用于存储液态金属，所述换热器的热媒通道连接在所述热媒循环管道中，所述换热器的冷媒通道连接在所述冷媒循环管道中，所述换热器用于液态金属与冷媒的换热。所述热媒通道两端的管道上分别设有热媒温度传感器，所述热媒温度传感器优选设在所述换热器的热媒进口和热媒出口处，用于检测所述热媒进口和所述热媒出口处的液态金属温度，即检测液态金属换热前后的温度。所述冷媒通道两端的管道上分别设有冷媒温度传感器，所述冷媒温度传感器优选设在所述换热器的冷媒进口和冷媒出口处，用于检测所述冷媒进口和所述冷媒出口处的去离子水温度，即检测去离子水换热浅口的温度。所述热媒循环管道上设有热媒质量流量计3，用于检测所述热媒循环管道内的液态金属的质量流量，所述冷媒循环管道上设有冷媒质量流量计4，用于检测所述冷媒循环管道内的去离子水的质量流量。所述储液罐设有进液口和出液口，所述出液口连接在所述热媒循环管道上，用于向所述热媒循环管道内注入液态金属，所述进液口连接液态金属源，用于将液态金属源的液态金属通入所述储液罐。所述储液罐内优选设有液位计、压力计和温度计(或相应的传感器)。
所述换热器优选采用套管换热器，结构简单，传热效能高，有助于提高测试结果的准确性。所述换热器也可以采用其他适于流体换热的换热器。
所述热媒质量流量计可以采用接触式耐高温的电磁质量流量计，利用电磁感应原理测量液态金属的质量流量，可在耐高温的同时具备更高的测量精度。所述冷媒质量流量计可以采用科氏质量流量计。
优选的，所述热媒循环管道上设有热媒加热装置5，用于对所述热媒循环管道内的液态金属持续进行加热，所述热媒加热装置优选位于所述热媒质量流量计与所述热媒通道的进口之间，所述热媒加热装置可以采用马弗炉，也可以采用其他适于对流体进行加热的装置。
所述储液罐优选设有加热器，例如电加热器，用于在液态金属注入所述热媒循环管道之前对液态金属进行加热，使液态金属保持液态单相状态，并初步达到测试所需维持的恒定温度。
所述宽温区液态金属单相流的热沉测试系统还优选包括惰性气体瓶6、真空泵7和膨胀罐8，所述惰性气体瓶用于盛装惰性气体，所述真空泵用于所述热媒循环管道抽真空(排出所述热媒循环管道内的气体)，所述膨胀罐用于判断所述热媒循环管道内是否充满惰性气体和是否注满液态金属，所述膨胀罐内优选设有液位计、压力计和温度计(或相应的传感器)。所述储液罐设有进气口，所述膨胀罐设有进口和出口，所述惰性气体瓶的出气管分别连接所述储液罐的进气口和所述膨胀罐的进口，用于向所述储液罐和所述膨胀罐内通入惰性气体，所述惰性气体瓶内盛装的惰性气体优选为氩气，所述膨胀罐的出口连接在所述热媒循环管道上，用于气、液流通，连接位置优选位于所述热媒质量流量计与所述热媒加热装置之间，所述储液罐的出液口与所述热媒循环管道的连接位置优选位于所述热媒通道的出口与所述热媒质量流量计之间，所述真空泵通过真空抽吸管连接在所述惰性气体瓶的出气管上。
所述热媒循环管道上优选设有热媒输送泵9，用于为液态金属在所述热媒循环管道内的循环流动提供动力，所述热媒输送泵可以采用耐高温且风冷散热的电磁泵，利用电磁感应原理驱动液态金属在所述热媒循环管道内循环流动，泵管优选采用316L不锈钢材质，其形成的液态金属流动状态相比于蠕动泵输送的液态金属流态更为连续。所述热媒输送泵优选位于所述热媒通道的出口与所述热媒质量流量计之间。
所述冷媒循环管道上设有冷媒输送泵10和冷媒容器11，所述冷媒输送泵用于为去离子水在所述冷媒循环管道内的循环流动提供动力，所述冷媒输送泵可以采用恒流泵，输送流量稳定且便于流量的控制调节。所述冷媒容器可以采用水箱。所述冷媒容器优选位于所述冷媒质量流量计与所述冷媒通道的出口之间，所述冷媒输送泵优选位于所述冷媒质量流量计与所述冷媒容器之间。
所述热媒通道的两端的管道上可以分别设有压力传感器，优选分别设于所述热媒通道的进口和出口处，所述冷媒通道的两端的管道上可以分别设有压力传感器，优选分别设于所述冷媒通道的进口和出口处，便于通过热媒和冷媒流经所述换热器前后的压力变化判断是否出现泄露。
所述热媒加热装置的两端的管道上可以分别设有温度传感器和压力传感器，优选分别设于所述热媒加热装置的进口和出口处，便于通过液态金属流经所述热媒加热装置前后的压力变化判断是否出现泄露，以及检测液态金属流经所述热媒加热装置前后的温度变化(以便对所述热媒加热装置的加热温度进行控制)。
由此，所述测试系统包括由依次连接在所述热媒循环管道上热媒输送泵、热媒质量流量计、热媒加热装置和换热器的热媒通道构成的液态金属回路，由依次连接在所述冷媒循环管道上的冷媒容器、冷媒输送泵、冷媒质量流量计和换热器的冷媒通道构成的去离子水回路，以及由并联的惰性气体瓶、真空泵、储液罐和膨胀罐(储液罐和膨胀罐与热媒循环管道连通)构成的气路。
各管道上可以依据现有技术设置控制阀门，便于管道的通断控制。
所述测试系统中的管道及装置或设备可以采用适宜的直通、三通或四通进行连接，所述热媒循环管道内采用的接头优选均采用耐高温的卡套接头。
所述测试系统可以依据现有技术设置配套的控制装置进行相关元件/装置(例如，泵、罐和加热装置等)的控制，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集各检测元件(例如，传感器、计量装置等)的输出信号，送入控制装置作为控制相关元件/装置工作的依据。
所述测试系统中的各装置和设备可以设置总电源，便于系统的总体控制。
所述测试系统在进行液态金属单相流的热沉测试时的一种优选的实施步骤为(以液态金属为镓基合金、冷媒为去离子水为例)：
(1)连接管路、各装置及设备并检查是否有泄露；
(2)排出热媒循环管道内的空气；
(3)向热媒循环管道内充注液态金属；
(4)开启热媒加热装置的总电源，启动液态金属和去离子水供给系统的总电源，启动各数据采集系统(测试系统的控制装置)电路；
(5)启动热媒输送泵和冷媒输送泵，将流量调节到所需要的试验流量(液态金属的流量与去离子水的流量有差值即可)；
(6)启动热媒加热装置的升温程序或开启升温功能，使热媒加热装置逐渐提高加热温度，通过各传感器检测相应数据信号并进行记录；
(7)待测试或试验加热环节结束，关闭热媒加热装置的电源，保持液态金属和去离子水在各自的循环管道内继续循环流动，待热媒加热装置冷却到安全温度后，关闭热媒加热装置的总电源，关闭测试系统的总电源；
(8)整理试验数据，关闭数据采集系统，整理试验工具，处理废液(液态金属)。
所述步骤(1)中，先将测试所述的各设备或设备在热媒循环管道和冷媒循环管道上依次按顺序连接，再完成各温度和压力传感器的安装，连接数据采集仪；连接气路，进行管路检漏。
所述步骤(2)中，打开惰性气体瓶的出气管及储液罐和膨胀罐上的相应控制阀门，通过储液罐向热媒循环管道内充入氩气，直至膨胀罐内的压力计显示的压力有变化，关闭惰性气体瓶的出气管上的阀门，打开真空泵及相应阀门对热媒循环管道进行抽真空，当膨胀罐内的压力计显示的压力有变化时停止抽真空(关闭真空泵)，重复上述操作数次，直至热媒循环管道内的空气基本全部排出。
所述步骤(3)中，通过真空泵对热媒循环管道进行最后一次抽真空后，关闭气路上的相应阀门(惰性气体瓶的出气管上的阀门和储液罐的进气阀门)，向储液罐内充注液态金属，启动储液罐的加热装置，待储液罐内的温度上升至300℃后，关闭加热装置，打开气路上的相应阀门，利用氩气将储液罐内加热后的液态金属挤压至热媒循环管道内，直至膨胀罐内的液位计显示的液位有变化，完成向热媒循环管道内充注液态金属。
所述步骤(6)中，热媒加热装置的加热温度维持在300℃，最高可加热至1000℃。
所述步骤(8)中，待测试结束后，可以通过膨胀罐向热媒循环管道内通入氩气将液态金属挤入储液罐内进行回收，回收的液态金属进行处理后可进行再利用，从而避免液态金属的浪费和对环境的污染。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。
Claims (10)
1.一种宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，其特征在于采用换热器进行液态金属单相流与冷媒的热交换，依据下列公式计算液态金属单相流的热沉：
其中，
Δt＝tout-tin
2.根据权利要求1所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，其特征在于换热器的热媒通道位于液态金属循环管道中，换热器的冷媒通道位于冷媒循环管道中，液态金属单相流在所述液态金属循环管道中进行循环流动的过程中，持续对液态金属进行加热。
3.根据权利要求2所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，其特征在于液态金属在注入所述液态金属循环管道之前，对液态金属进行加热。
4.根据权利要求3所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，其特征在于液态金属在注入所述液态金属循环管道之前，将所述液态金属循环管道内的空气排出。
5.根据权利要求4所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试方法，其特征在于所述液态金属循环管道内的空气的排出方式为：先向所述液态金属循环管道内充入惰性气体，再采用真空泵将所述液态金属循环管道内的气体抽出。
6.一种宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，其特征在于包括热媒循环管道、冷媒循环管道、换热器和储液罐，所述换热器的热媒通道连接在所述热媒循环管道中，所述换热器的冷媒通道连接在所述冷媒循环管道中，所述热媒通道两端的管道上分别设有热媒温度传感器，所述冷媒通道两端的管道上分别设有冷媒温度传感器，所述热媒循环管道上设有热媒质量流量计，所述冷媒循环管道上设有冷媒质量流量计，所述储液罐设有进液口和出液口，所述出液口连接在所述热媒循环管道上，所述进液口连接液态金属源。
7.根据权利要求6所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，其特征在于所述热媒循环管道上设有热媒加热装置，所述热媒加热装置位于所述热媒质量流量计与所述热媒通道的进口之间。
8.根据权利要求7所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，其特征在于所述储液罐设有加热器。
9.根据权利要求8所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，其特征在于还包括惰性气体瓶、真空泵和膨胀罐，所述储液罐设有进气口，所述膨胀罐设有进口和出口，所述惰性气体瓶的出气管分别连接所述储液罐的进气口和所述膨胀罐的进口，所述膨胀罐的出口连接在所述热媒循环管道上，连接位置位于所述热媒质量流量计与所述热媒加热装置之间，所述储液罐的出液口与所述热媒循环管道的连接位置位于所述热媒通道的出口与所述热媒质量流量计之间，所述真空泵通过真空抽吸管连接在所述惰性气体瓶的出气管上。
10.根据权利要求9所述的宽温区液态金属单相流的热沉测试系统，其特征在于所述热媒循环管道上设有热媒输送泵，所述冷媒循环管道上设有冷媒输送泵和冷媒容器。
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