CN115656007B - 高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置及方法，该装置包括石英玻璃外壁、压板、调节臂、真空泵、排气阀、橡胶紧固件、真空计、不锈钢提拉杆、固定夹、吸液芯、法兰、进气阀、皮氏培养皿、精密电子天平、O型环压缩配件等。真空泵、排气阀、进气阀及真空计通过连接元件与法兰相连，监测腔室的相对真空度并实现真空环境；吸液芯通过固定夹与不锈钢提拉杆固定，通过O型环压缩配件上下移动并保证密封性；精密电子天平在腔室底部，实现皮氏培养皿中液体质量的监测；石英玻璃外壁在保证足够负压强度的同时，实现了质量监测的可视化。调节臂通过控制橡胶紧固件对压板实施固定，实施缓冲作用的同时保证密封性。

Description

高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置。

背景技术

高温碱金属热管是在密闭空间中利用气液两相变换传热的高效热传导元件；吸液芯结构是热管的关键，合理的选用吸液芯类型对热管性能有至关重要的影响。热管内循环的主要驱动力来自于吸液芯多孔结构产生的毛细力，毛细力可以克服一定的回流阻力，但有限的毛细力只能驱使有限的流体回流，一旦超出毛细结构所能提供的最大毛细力会导致回流液体不足发生传热极限，对热管造成不可逆的破坏。有效毛细半径是表征毛细力的参数，渗透率是表征回流阻力的参数；有效毛细半径越小，毛细力就越大；渗透率越大，回流阻力就越小。但由于渗透率和有效毛细半径属于微观参数，难以被测量；因此，研究吸液芯的有效毛细半径和渗透率的测试对热管性能有至关重要的作用。

目前已有的测量有效毛细半径和渗透率专利，例如：中国专利CN202210832724.7提出了一种测量小尺寸多孔材料渗透率的方法和装置；其主要特征是封闭多孔介质未与上游腔体和下游腔体中任一个腔体连通的面，使得上游腔体中的流体经过所述多孔介质的内部空隙后进入下游腔体；通过记录上游腔体随时间变化的压强数据与下游腔体随时间变化的压强数据，计算得到所述小尺寸多孔材料渗透率K。但是，该方法受限于压强测量精度低且不均匀，同时，该装置无法测量大尺寸吸液芯的渗透率，也无法测量有效毛细半径。

目前已有的测量有效毛细半径和渗透率专利，例如：中国专利CN202210561522.3提出了一种多孔介质渗透率的测试方法；其特征包括将多孔介质制作为具有规则形状的块体，通过液体抽吸实验使多孔介质的孔隙充满液体，得到多孔介质吸收液体的质量随时间的变化关系，计算得到多孔介质的渗透率。但是，一方面，该装置在室外环境下进行，无法模拟在热管中的负压环境；另一方面，实验开始前需要对多孔介质进行造孔处理，过程繁琐并影响测量精度，对实际渗透率造成影响；此外，该装置及方法无法测量有效毛细半径。

目前已有的测量有效毛细半径和渗透率专利，例如：中国专利CN202110315077.8提出了一种测量不同温度下碱金属表面张力系数的方法与装置；其特征包括用于熔化碱金属的电加热台；用于盛装碱金属熔液的容器；用于测量碱金属熔液表面张力系数的吸液芯；用于加热吸液芯的加热器；用于夹持、并调整吸液芯高度的升降机构，该方法直接将有效毛细半径等效为沟槽宽度。但是，该方法受限于规则多孔介质的测量，而吸液芯种类多种多样：复合式吸液芯，烧结式吸液芯，纤维式吸液芯、泡沫式吸液芯等都是工业上常见的吸液芯形式，其孔隙不均匀，无法将其等效为孔隙半径或沟槽宽度；另一方面，该装置及方法无法测量渗透率。

发明内容

为实现对吸液芯基本参数的研究，本发明设计了一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，研究吸液芯毛细力和回流阻力的平衡，可以有效预防传热极限的发生，为高温碱金属热管的设计提供指导。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，包括石英玻璃外壁1、压板2、调节臂3、真空泵4、排气阀5、橡胶紧固件6、真空计7、不锈钢提拉杆8、固定夹9、吸液芯10、法兰11、进气阀12、皮氏培养皿13和精密电子天平14；所述石英玻璃外壁1、压板2、不锈钢提拉杆8、固定夹9、吸液芯10、皮氏培养皿13、精密电子天平14、法兰11组成真空测试回路；所述法兰11为进气阀12、不锈钢提拉杆8、真空计7提供了与石英玻璃外壁1内的腔室相连的接口，缓冲压板2的负压压强，并提升腔室密封性；所述真空泵4、排气阀5及真空计7通过连接元件与法兰11相连，监测腔室内的相对真空度并实现真空环境；所述进气阀12控制腔室内外压力平衡，保证了实验的可重复性；所述不锈钢提拉杆8通过法兰11连接到腔室，控制位于腔室内与不锈钢提拉杆8连接的吸液芯10的升降；所述固定夹9与不锈钢提拉杆8相连，通过夹紧吸液芯10保证了一体化升降过程；所述调节臂3控制橡胶紧固件6升降，调节压板2的松紧，改变腔室密封性；所述精密电子天平14和皮氏培养皿13位于腔室内，精密电子天平14测量皮氏培养皿13中无水乙醇的质量变化；所述石英玻璃外壁1的透明性实现质量监测的可视化。

所述石英玻璃外壁1保证了负压强度，并使精密电子天平14上的读数可见被记录；精密电子天平14的精度为±0.001g，使用采样时间为0.01s的高速摄像机记录读数，测量结果精确有效。

所述不锈钢提拉杆8使用O型环压缩配件15连接到法兰11，使不锈钢提拉杆8升降的同时，保证腔体的密封性。

所述真空泵4抽取腔室内气体时，真空计7实时监测腔室内负压程度，达到负压标准后，关闭排气阀5与进气阀12维持负压状态；实验结束后，打开进气阀12平衡内外压差，保证实验的可持续性。

所述调节臂3通过控制橡胶紧固件6升降调节对压板的压紧松紧程度，橡胶紧固件6的材料为乙丙橡胶，保护压板2并增强密封性。

所述一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置的测量方法，所有测量均在常温的环境下完成；在皮氏培养皿13中注入无水乙醇，将吸液芯10固定在不锈钢提拉杆8上；通过调节臂3将橡胶紧固件6压紧压板2，打开排气阀5，使用真空泵4将腔室抽至相对真空度-95kPa，关闭排气阀5，充分模拟实际热管中的压力环境，记录初始读数；控制吸液芯10缓慢下降到无水乙醇中，直至尖端浸没；在无水乙醇上升过程中，保持吸液芯10静止，使用高速摄像机记录精密电子天平14的读数变化，当读数不再变化，即吸液芯10内液体质量达到饱和后，停止记录；打开进气阀12，恢复腔室内压力，抬起橡胶紧固件6，打开压板2，取出吸液芯10，进行重复性实验；包括以下数据处理方法：无水乙醇在吸液芯10中的毛细上升过程中，吸液芯10提供的毛细压力ΔP_cap与无水乙醇流动过程中的压力损失即静水压ΔP_g和阻力压降ΔP_f相平衡：

ΔP_cap+ΔP_g+ΔP_f＝0 (1)

其中：静水压ΔP_g用下式表示：

毛细压力ΔP_cap为：

阻力压降ΔP_f通过达西定律计算：

整理(1-4)式可得：

将瞬态液升数据应用到上式：

对等式(6)时间进行积分，整理得到关于时间、质量、有效毛细半径、渗透率的四因子超越方程：

方程(7)为该超越方程的具体形式，其中：

t——实验时间，s；

m——吸液芯抽取的液体质量，kg；

t_o——初始时间，s；

m_o——初始液体质量，kg；

A——吸液芯的横截面积，m²；

σ——无水乙醇的表面张力，N/m；

μ——无水乙醇的粘度，Pa/s；

ρ——无水乙醇的密度，kg/m³；

r_eff——吸液芯的有效毛细半径，m；

K——吸液芯的渗透率，m²；

g——重力加速度，m/s²；

ε——吸液芯的孔隙率，％；

ψ——虚拟时间变量，s；

无水乙醇在吸液芯(10)的毛细上升过程中，可以得到若干组t和m，在吸液芯与液体材料已知的情况下，将每一组t和m带入到四因子超越方程，可以得到关于r_eff和K的空间样本；对于空间样本中每一组r_eff和K，输入若干个m能够得到计算时间t_c；在最小二乘意义上，通过计算时间t_c与实验时间t的平均绝对离差选择渗透率和有效毛细半径误差最小点作为方程的解；

由于计算时间t_c与实验时间t涵盖了实验的全过程，因此得到的有效毛细半径和渗透率能够真实反映实际情况，通过反复迭代精细化处理，使渗透率和有效毛细半径误差不断减小，从而得到最优解。

通过监测质量的变化而不是液升高度，克服了测量高度带来的液升前沿模糊不清的缺陷，使结果更合理精确。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

所述精密电子天平14可以精确测量液体上升数据，克服了通过观测高度带来的液升前沿模糊不清的缺陷，提高了测量精度；腔室内的近似真空环境高度还原了热管内的真实环境，可以为热管设计提供精确指导；所述不锈钢提拉杆8使用O型环压缩配件15连接到法兰11，O型环压缩配件15材料为丁基橡胶，其优异的弹性与密封性，既能保证不锈钢提拉杆8的升降的同时维持腔体内的负压环境。

本发明针对热管传热性能受限的问题，提出一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量实验装置及方法，本发明具有还原热管真实环境、测量结果精确、克服观测高度带来的液升前沿模糊等优势；结构紧凑，特殊的结构设计能够精确测量出吸液芯的有效毛细半径和渗透率。

附图说明

图1为一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径实验装置。

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径数据处理方法中平均绝对百分比离差、有效毛细半径及渗透率的曲面图和两个侧视图。

具体实施方式

现结合实例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，包括石英玻璃外壁1、压板2、调节臂3、真空泵4、排气阀5、橡胶紧固件6、真空计7、不锈钢提拉杆8、固定夹9、吸液芯10、法兰11、进气阀12、皮氏培养皿13、精密电子天平14、O型环压缩配件15；所述石英玻璃外壁1、压板2、不锈钢提拉杆8、固定夹9、吸液芯10、皮氏培养皿13、精密电子天平14、O型环压缩配件15、法兰11组成真空测试回路；所述法兰11为进气阀12、不锈钢提拉杆8、真空计7提供了与石英玻璃外壁1内的腔室相连的接口，缓冲压板2的负压压强，并提升腔室密封性。所述真空泵4、排气阀5及真空计7通过连接元件与法兰11相连，监测腔室内的相对真空度并实现真空环境；所述进气阀12控制腔室内外压力平衡，保证了实验的可重复性；所述不锈钢提拉杆8通过法兰11连接到腔室，控制位于腔室内与不锈钢提拉杆8连接的吸液芯10的升降；所述固定夹9与不锈钢提拉杆8相连，通过夹紧吸液芯10保证了一体化升降过程；所述调节臂3控制橡胶紧固件6升降，调节压板2的松紧，改变腔室密封性；所述精密电子天平14和皮氏培养皿13位于腔室内，精密电子天平14测量皮氏培养皿13中无水乙醇的质量变化；所述石英玻璃外壁1的透明性实现质量监测的可视化。

如图1所示，一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置的测量方法，所有测量均在常温25℃的环境下完成；在皮氏培养皿13中注入无水乙醇，将吸液芯10固定在不锈钢提拉杆8上；通过调节臂3将橡胶紧固件6压紧压板2，打开排气阀5，使用真空泵4将腔室抽至相对真空度-95kPa，关闭排气阀5，充分模拟实际热管中的压力环境，记录初始读数；控制吸液芯10缓慢下降到无水乙醇中，直至尖端浸没；在无水乙醇上升过程中，保持吸液芯10静止，使用高速摄像机记录精密电子天平14的读数变化，当读数基本不再变化，即吸液芯10内液体质量达到饱和后，停止记录；打开进气阀12，恢复腔室内压力，抬起橡胶紧固件6，打开压板2，取出吸液芯10，进行重复性实验。

包括以下数据处理方法：无水乙醇在吸液芯10中的毛细上升过程中，吸液芯10提供的毛细压力ΔP_cap与无水乙醇流动过程中的压力损失(静水压ΔP_g和阻力压降ΔP_f)相平衡：

ΔP_cap+ΔP_g+ΔP_f＝0 (1)

其中：静水压ΔP_g用下式表示：

毛细压力ΔP_cap为：

阻力压降ΔP_f通过达西定律计算：

整理(1-4)式可得：

将瞬态液升数据应用到上式：

对等式(6)时间进行积分，整理得到关于时间。质量、有效毛细半径、渗透率的四因子超越方程：

方程(7)为该超越方程的具体形式，其中：

t——实验时间，s；

m——吸液芯抽取的液体质量，kg；

t_o——初始时间，s；

m_o——初始液体质量，kg；

A——吸液芯的横截面积，m²；

σ——无水乙醇的表面张力，N/m；

μ_l——无水乙醇的粘度，Pa/s；

ρ——无水乙醇的密度，kg/m³；

r_eff——吸液芯的有效毛细半径，m；

K——吸液芯的渗透率，m²；

g——重力加速度，m/s²；

ε——吸液芯的孔隙率，％；

ψ——虚拟时间变量，s；

无水乙醇在吸液芯10中的毛细上升过程中，可以得到若干组t和m，在吸液芯与液体材料已知的情况下，将每一组t和m带入到方程，可以得到关于r_eff和K的空间样本；对于空间样本中每一组r_eff和K，输入若干个m可以得到计算时间t_c；在最小二乘意义上，通过计算值t_c与实验时间t的平均绝对离差选择出渗透率和有效毛细半径误差最小点作为方程的解。

如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，由于方程(7)为关于r_eff的超越方程，难以求得其解析解，因此通过表征平均绝对离差、渗透率、有效毛细半径的空间三维图来选取平均绝对离差最小的点作为数值解，图中可以看到，数值解对应的平均绝对离差小于1％，可认为结果是准确的。

Claims (5)

1.一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，其特征在于：包括石英玻璃外壁(1)、压板(2)、调节臂(3)、真空泵(4)、排气阀(5)、橡胶紧固件(6)、真空计(7)、不锈钢提拉杆(8)、固定夹(9)、吸液芯(10)、法兰(11)、进气阀(12)、皮氏培养皿(13)和精密电子天平(14)；所述石英玻璃外壁(1)、压板(2)、不锈钢提拉杆(8)、固定夹(9)、吸液芯(10)、皮氏培养皿(13)、精密电子天平(14)、法兰(11)组成真空测试回路；所述法兰(11)为进气阀(12)、不锈钢提拉杆(8)、真空计(7)提供了与石英玻璃外壁(1)内的腔室相连的接口，缓冲压板(2)的负压压强，并提升腔室密封性；所述真空泵(4)、排气阀(5)及真空计(7)通过连接元件与法兰(11)相连，监测腔室内的相对真空度并实现真空环境；所述进气阀(12)控制腔室内外压力平衡，保证了实验的可重复性；所述不锈钢提拉杆(8)通过法兰(11)连接到腔室，控制位于腔室内与不锈钢提拉杆(8)连接的吸液芯(10)的升降；所述固定夹(9)与不锈钢提拉杆(8)相连，通过夹紧吸液芯(10)保证了一体化升降过程；所述调节臂(3)控制橡胶紧固件(6)升降，调节压板(2)的松紧，改变腔室密封性；所述精密电子天平(14)和皮氏培养皿(13)位于腔室内，精密电子天平(14)测量皮氏培养皿(13)中无水乙醇的质量变化；所述石英玻璃外壁(1)的透明性实现质量监测的可视化；

所有测量均在常温的环境下完成；在皮氏培养皿(13)中注入无水乙醇，将吸液芯(10)固定在不锈钢提拉杆(8)上；通过调节臂(3)将橡胶紧固件(6)压紧压板(2)，打开排气阀(5)，使用真空泵(4)将腔室抽至相对真空度-95kPa，关闭排气阀(5)，充分模拟实际热管中的压力环境，记录初始读数；控制吸液芯(10)缓慢下降到无水乙醇中，直至尖端浸没；在无水乙醇上升过程中，保持吸液芯(10)静止，使用高速摄像机记录精密电子天平(14)的读数变化，当读数不再变化，即吸液芯(10)内液体质量达到饱和后，停止记录；打开进气阀(12)，恢复腔室内压力，抬起橡胶紧固件(6)，打开压板(2)，取出吸液芯(10)，进行重复性实验；包括以下数据处理方法：无水乙醇在吸液芯(10)中的毛细上升过程中，吸液芯(10)提供的毛细压力ΔP_cap与无水乙醇流动过程中的压力损失即静水压ΔP_g和阻力压降ΔP_f相平衡：

ΔP_cap+ΔP_g+ΔP_f＝0 (1)

其中：静水压ΔP_g用下式表示：

毛细压力ΔP_cap为：

阻力压降ΔP_f通过达西定律计算：

整理(1-4)式可得：

将瞬态液升数据应用到上式：

对等式(6)时间进行积分，整理得到关于时间、质量、有效毛细半径、渗透率的四因子超越方程：

方程(7)为该超越方程的具体形式，其中：

t——实验时间，s；

m——吸液芯抽取的液体质量，kg；

t_o——初始时间，s；

m_o——初始液体质量，kg；

A——吸液芯的横截面积，m²；

σ——无水乙醇的表面张力，N/m；

μ——无水乙醇的粘度，Pa/s；

ρ——无水乙醇的密度，kg/m³；

r_eff——吸液芯的有效毛细半径，m；

K——吸液芯的渗透率，m²；

g——重力加速度，m/s²；

ε——吸液芯的孔隙率，％；

ψ——虚拟时间变量，s；

无水乙醇在吸液芯(10)的毛细上升过程中，可以得到若干组t和m，在吸液芯与液体材料已知的情况下，将每一组t和m带入到四因子超越方程，可以得到关于r_eff和K的空间样本；对于空间样本中每一组r_eff和K，输入若干个m能够得到计算时间t_c；在最小二乘意义上，通过计算时间t_c与实验时间t的平均绝对离差选择渗透率和有效毛细半径误差最小点作为方程的解；

由于计算时间t_c与实验时间t涵盖了实验的全过程，因此得到的有效毛细半径和渗透率能够真实反映实际情况，通过反复迭代精细化处理，使渗透率和有效毛细半径误差不断减小，从而得到最优解。

2.根据权利要求1所述的一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，其特征在于：所述石英玻璃外壁(1)保证了负压强度，并使精密电子天平(14)上的读数可见被记录；精密电子天平(14)的精度为±0.001g，使用采样时间为0.01s的高速摄像机记录读数，测量结果精确有效。

3.根据权利要求1所述的一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，其特征在于：所述不锈钢提拉杆(8)使用O型环压缩配件(15)连接到法兰(11)，使不锈钢提拉杆(8)升降的同时，保证腔体的密封性。

4.根据权利要求1所述的一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，其特征在于：所述真空泵(4)抽取腔室内气体时，真空计(7)实时监测腔室内负压程度，达到负压标准后，关闭排气阀(5)与进气阀(12)维持负压状态；实验结束后，打开进气阀(12)平衡内外压差，保证实验的可持续性。

5.根据权利要求1所述的一种高温热管吸液芯的渗透率和有效毛细半径测量装置，其特征在于：所述调节臂(3)通过控制橡胶紧固件(6)升降调节对压板的压紧松紧程度，橡胶紧固件(6)的材料为乙丙橡胶，保护压板(2)并增强密封性。

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