CN115791871A - 一种用于真空池沸腾换热测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于真空池沸腾换热测试平台及测试方法，沸腾室内部下方的正中间设有加热铜棒保温层、加热铜棒和热流道弹簧加热器，加热铜棒上半段的侧壁上沿轴向上下依次开有五个测温孔，每个测温孔中各装有一个型热电偶，加热铜棒的正上方设置第六个K型热电偶，加热铜棒下半段侧壁上有螺旋槽，螺旋槽中容纳螺旋形的热流道弹簧加热器，加热铜棒以及热流道弹簧加热器的外部均紧密包裹有加热铜棒保温层，加热铜棒保温层外部设有固定连接在沸腾腔体底部的辅助加热器，通过研究气泡的生长特性可以从气泡动力学的角度来研究真空下池沸腾换热的机理，解决了池沸腾实验时对气泡行为进行采集和处理的问题。

Description

一种用于真空池沸腾换热测试平台及测试方法

技术领域

本发明涉及换热测量领域，特别涉及一种用于冷却工质在封闭大空间内池沸腾中热流密度的测试技术，尤其涉及一种在真空条件下冷却液池沸腾的测试技术。

背景技术

真空池沸腾在工业领域中得到广泛的应用，包括高热流密度设备冷却、海水淡化和药物生产提取等。由于沸腾冷却具有极高的换热效率，因此被视为未来电子设备的冷却系统重要的发展趋势之一，以保证电子设备工作的可靠性，并延长使用寿命，特别是目前电子设备集成度的提高。通过将电子设备浸没在沸腾工质中，可以通过气液相变迅速带走电子设备中的热量，从而对其进行冷却。然而，池沸腾的换热效率无法直接测量，仅能通过一系列的推导公式来计算出此时的热流密度。由于池沸腾的换热机理十分复杂，单个参数的改变对测量结果的误差影响很大，尤其是在真空池沸腾中压力波动较大的情况下，因此传统的测量方法的精度很低。例如：文献“闫美月,潘良明,马在勇,李想,万灵峰.基于汽泡动力学特性的窄矩形通道内的CHF机理模型[J].核技术,2022,45(10):103-111”，建立一种基于矩形通道汽泡动力学特性的热流密度机理模型，对热流密度进行计算，并同时使用实验数据进行对比，发现误差在30％以内。文献“郑翔远,叶新,罗志涛,王阔传,宋宝奇.高精度辐射热流计的不确定度分析与评价[J].中国光学(中英文),2022,15(04):780-788”，基于电替代测量原理设计了一种新型辐射热流计对物体表面的热流密度进行测量，但是该方法的精确度极易受到蒸汽的影响，因此可适用的工况较少。赵威[3]通过有限元法对热流密度进行求解，但这种方法是基于实验参数求解的，且受选用的预测模型影响，因此较为复杂且精度不高。

目前，对封闭大空间内池沸腾中热流密度的测试技术相对匮乏，尤其是涉及真空条件下的池沸腾的换热过程缺乏相应的测量手段，严重阻碍了真空池沸腾机理的研究，亟需寻求一种新型的测试平台和测试方法来解决这一难题。

发明内容

本发明的目的是针对封闭大空间内池沸腾中热流密度的测试技术相对匮乏，尤其是无法精确测量真空条件下的池沸腾的热流密度的技术现状，提供了一种测量精确，操作简单用于真空池沸腾换热测试平台及其测试方法。

为实现上述目的，本发明一种用于真空池沸腾换热测试平台采用的技术方案是：包括一个密封的沸腾室，沸腾室内部下方的正中间设有加热铜棒保温层、加热铜棒和热流道弹簧加热器，加热铜棒上半段的侧壁上沿轴向上下依次开有五个测温孔，每个测温孔中各装有一个型热电偶，加热铜棒的正上方设置第六个K型热电偶，每个K型热电偶均经电线依次连接沸腾室外部的温度变送器、数据采集卡和计算机；加热铜棒下半段侧壁上有螺旋槽，螺旋槽中容纳螺旋形的热流道弹簧加热器，加热铜棒以及热流道弹簧加热器的外部均紧密包裹有加热铜棒保温层，加热铜棒保温层外部设有固定连接在沸腾腔体底部的辅助加热器，热流道弹簧加热器和辅助加热器分别经导线连接在沸腾室外部的可调直流电源，沸腾室内壁上装有电容式液位计，沸腾室的侧壁四周均布至少有两个视镜孔，每个视镜孔处装有一个视镜，其中一个视镜处装有无频闪光源，无频闪光源对面的另一个视镜处装有高速摄像机，沸腾室顶部经管道依次连接输送泵、流量计、冷凝储液罐、温度控制阀以及板式冷凝器的冷凝管道出口；冷凝储液罐内装有电子液体温度计，沸腾室顶部经管道依次连接真空缓冲罐、真空泵、三向阀以及板式冷凝器；真空缓冲罐内装有压力传感器，真空泵的出气口与三向阀的第一通道相连接，三向阀的第二通道连接板式冷凝器的冷凝管道入口，三向阀的第三通道连接水槽，板式冷凝器的冷却液管道出入口之间串联恒温槽和循环水泵；所述的无频闪光源、高速摄像机、循环水泵、输送泵、温度控制阀、真空泵和三向阀分别经控制线连接计算机，所述的可调直流电源、电容式液位计、流量计、电子液体温度计、压力传感器分别经数据采集卡连接计算机。

本发明一种用于真空池沸腾换热测试平台的测试方法采用的技术方案是包括：

步骤一：计算机控制三向阀的第一通和第三通道打开，开启真空泵，沸腾室内的空气经真空缓冲罐、真空泵、三向阀进入水槽，当计算机通过压力传感器检测到真空缓冲罐内达到预设的维持压力时关闭三向阀及关闭真空泵；

步骤二：计算机控制输送泵开启，冷凝储液罐内冷却液流经流量计输送至沸腾室内，当计算机通过电容式液位计检测到沸腾室内的冷却液达到预定的液面高度时，关闭输送泵；

步骤三：计算机控制辅助加热器通电加热，当第六个K型热电偶检测到冷却液温度达到设定温度时，辅助加热器中止加热，反之，则辅助加热器工作以维持沸腾室内温度；

步骤四：计算机开启热流道弹簧加热器，对加热铜棒加热，根据可调直流电源输出的电流和电压计算出热流道弹簧加热器的加热功率；

步骤五：计算机控制循环水泵开启，三向阀的第一通道和第二通道打开，真空泵将气态冷却液抽吸至板式冷凝器中，当温度控制阀监控的冷却液温度降低到设定温度时，打开温度控制阀，将冷却液排放至冷凝储液罐内；五个K型热电偶采集加热铜棒上的五个温度，计算机计算出加热铜棒的热流密度和换热系数；

步骤六：计算机控制无频闪光源打开及高速摄像机工作，高速摄像机采集沸腾室内部的视频，计算机对视频处理，得到气泡脱离时的等效直径、近圆率、纵横比、脱离频率和气泡脱离后运动速度。

所述的加热铜棒的热流密度

换热系数

k_cu为导热系数，T₁-T₅为五个K型热电偶采样温度，T₆为第六个K型热电偶采样温度，Δx₁₃、Δx₂₄、Δx₃₅分别为从上至下的第一个K型热电偶和第三个K型热电偶之间的距离、第二个K型热电偶和第四个K型热电偶之间的距离、第三个K型热电偶和第五个K型热电偶之间的距离。

所述的气泡脱离时的等效直径

近圆率

纵横比

脱离频率

运动速度

S_b为气泡的投影面积，L_b为气泡边缘的长度，L_bx为气泡x轴方向的最长长度，L_by为气泡y轴方向的最长长度，N_bs为脱离气泡的个数，L_bs和t_bs分别是统计脱离数目的长度和时间区间，m和n分别为单个气泡周期内的两个时刻，x_m和y_m分别为m时刻气泡形心x轴和y轴坐标位置，x_n和y_n分别为n时刻气泡形心x轴和y轴坐标位置。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明通过热流道弹簧加热器对铜棒进行加热，使得热流密度更加均匀，与实际工况更加贴合，且热流道弹簧加热器在沸腾室浸入端均为绝缘，可以测试导电工质的沸腾换热特性，安全性更高。

2.在沸腾室内壁和加热铜棒的四周设置保温层，能防止实验过程时热量的损失，以提高测量结果的精度；

3.在真空泵与沸腾室之间加设有真空缓冲罐，并安装有电子压力控制阀，保证了试验过程中试验罐中真空度的稳定性，避免真空泵的抽吸对沸腾室内液体工质造成的扰动，并且防止真空泵频繁的启停，节约电能。

4.通过专用的补液系统来保持沸腾室内的液面高度，且通过温度控制阀来保证补充的液体工质保持一定温度，使得进液温度保持稳定，减小进液温度的波动带来的误差。

5.采用高速摄像机和辅助LED光源拍摄沸腾室内的沸腾现象，从不同角度观测测试底板表面气泡的生长特性，通过研究气泡的生长特性可以从气泡动力学的角度来研究真空下池沸腾换热的机理。

6.本发明解决了池沸腾实验时对气泡行为进行采集和处理的问题，并与换热性能进行对比分析，所以本发明具有实际的工程意义，具有可观的应用前景。

7.本发明具有智能化等优点，适用于池沸腾的换热测量技术，更适用于真空条件下的池沸腾热流密度的测量技术。

8.本发明可以对沸腾容器内的压力、液面高度、冷却工质温度等参数进行实时监控，并进行控制；通过温度采集点温度、加热功率等信号，利用加热铜棒监控点的温差和加热功率，计算求得铜棒表面的热流密度；解决了封闭大空间内池沸腾实验研究中测量热流密度的问题，不仅可以有效应用于海水淡化、制药等相关工业领域，而且可以应用于真空下沸腾换热冷却系统的沸腾过程分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种用于真空池沸腾换热测试平台的结构示意图；

图2为图1中沸腾室的立体图；

图3为图1加热铜棒的结构放大图；

图4为对沸腾室内图像作预处理的流程图。

图中：1.温度变送器；2.螺栓；3.法兰上盖板；4.法兰下盖板；5.电容式液位计；6.视镜；7.无频闪光源；8.沸腾室；9.排水阀；10.支架；11.加热棒保温层；12.加热铜棒；13.热流道弹簧加热器；14.辅助加热器；15.可调直流电源；16.真空缓冲罐；17.压力传感器；18.真空泵；19.水槽；20.恒温槽；21.循环水泵；22.电子液体温度计；23.冷凝储液罐；24.流量计；25.数据采集卡；26.计算机；27.密封圈；28.三向阀；29.输送泵；30.板式冷凝器；31.温度控制阀；32.高速摄像机；33.冷却液回收罐；K1-K.6K型热电偶；a.冷凝液回流口；b.抽气口；c.导线接口；d.温度传感器线路接口；e.液位计线路接口；f.排液口。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种用于真空池沸腾换热测试平台包括一个沸腾室8，沸腾室8的顶部是开口，顶部开口处是密封的，使沸腾室8整体密封，对冷却液进行密封且隔绝冷却液与外界的热量的交换。沸腾室8在顶部开口处用法兰下盖板4、密封圈27和法兰上盖板3密封，其中，法兰上盖板3在法兰下盖板4的正上方，法兰下盖板4内壁与沸腾室8顶部通过氩弧焊连接，密封圈27放置在法兰上盖板3与法兰下盖板4之间，并通过螺栓2压紧密封。

沸腾室8是采用KF150型无缝钢管制成的圆形室，其高度一般大于150mm，直径一般大于50mm但小于其高度。沸腾室8的体外侧包覆有聚氨酯发泡材料，内壁四周设置保温层，用于减少热量的流失。

法兰上盖板3与法兰下盖板4的中间位置开有贯通到沸腾室8内的一个视镜孔，该视镜孔处装有一个视镜6，该视镜6通过氩弧焊固定连接于法兰上盖板3与法兰下盖板4的视镜孔位置处。在沸腾室8的侧壁四周均布至少有两个视镜孔，每个视镜孔处装有一个视镜6，方便观察到沸腾室8内部。侧壁四周均布的视镜孔位置位于沸腾室8高度的1/3至1/2的位置处。视镜5选用KF50型法兰视镜，用于监测和观察沸腾室8内的沸腾状态。

正对着沸腾室8侧壁四周的一个视镜5的位置安装无频闪光源7，在无频闪光源7，对面的沸腾室8侧壁四周的另一个视镜5处安装高速摄像机32，高速摄像机32正对着该另一个视镜5，无频闪光源7和高速摄像机32分位于沸腾室8的两侧外，各通过支架固定在沸腾室8的外侧方，无频闪光源7和高速摄像机32均与计算机26连接，控制无频闪光源7打开后，高速摄像机32拍摄沸腾室8内部的视频并传送到计算机26。

沸腾室8顶部的法兰上盖板3与法兰下盖板4上开有贯通沸腾室8内部的冷凝液回流口a、抽气口b、导线接口c、温度传感器线路接口d、液位计线路接口e。其中的冷凝液回流口a经管道依次连接输送泵29、流量计24、冷凝储液罐23、温度控制阀31以及板式冷凝器30。板式冷凝器30具有冷凝管道出入口和冷却液管道出入口，温度控制阀31连接板式冷凝器30的冷凝管道出口。冷凝储液罐23内安装电子液体温度计22，用以检测冷凝储液罐23内的液体温度。输送泵29和温度控制阀31分别经控制线连接计算机26，温度控制阀31检测冷凝储液罐23冷凝管道出口输出的液体的温度并传送给计算机26，计算机26控制输送泵29的启停和温度控制阀31的开闭，在板式冷凝器30中的冷却液温度降低到一定值时，才会控制温度控制阀31打开，使冷却液流入冷凝储液罐23中。输送泵29将冷却液定量输送至沸腾室8内，流量计24和电子液体温度计22分别由信号线经数据采集卡25连接计算机26，将检测到的液体的流量和温度输送到计算机26中。

其中的抽气口b经管道依次连接真空缓冲罐16、真空泵18、三向阀28以及板式冷凝器30。真空泵18和三向阀28分别经控制线连接计算机26，计算机26控制真空泵18的启停和三向阀28的开闭，三向阀28用于控制气体输送管道的通断。真空缓冲罐16用于稳定沸腾室8内的压力，防止真空泵18的频繁启停导致沸腾室8内压力的不稳定，并可以气液分离，防止液态沸腾工质进入真空泵18内。在真空缓冲罐16内安装压力传感器17，以检测真空缓冲罐16内的气压，压力传感器17由信号线经数据采集卡25连接计算机26，将真空缓冲罐16内的气压传送至计算机26。

真空泵18的出气口与三向阀28的第一通道相连接，用于抽出沸腾室8内的气体，向阀28的第二通道连接板式冷凝器30的冷凝管道入口，三向阀28的第三通道经管道连接水槽19，水槽19用于清洗罐内的残留气态冷却液。

三向阀28在预抽真空阶段，将气体输出至水槽19内并排除，用于排出沸腾室8内多余气体，在测试过程中，则将气体输出至板式冷凝器30中。

板式冷凝器30的冷却液管道出入口之间串联恒温槽20和循环水泵21，形成循环回路，循环水泵21经控制线连接计算机26，计算机26控制循环水泵21工作时，冷却水通过循环水泵21的驱动依次流经恒温槽20、板式冷凝器30，最终循环至恒温槽20内。板式冷凝器30采用水冷钎焊板式换热器，通过循环水泵21将恒温槽20内的水进行循环，带走热量，以此对气态冷却液进行冷凝降温，当温度降低至一定温度时，温度控制阀31才打开，液体流入至冷凝储液罐23中。

沸腾室8的底部开有排液口f，排液口f经管道连接排水阀9和冷却液回收罐33，排水阀9经控制线连接计算机26，计算机26控制排水阀9的开闭，排水阀9打开时，排出沸腾室8内的冷却液，将沸腾室8内液体排放至冷却液回收罐33中储存。

沸腾室8的底部用三个支架10固定，三个支架10支撑沸腾室8。

结合图3所示，在沸腾室8内部下方的正中间设有加热铜棒保温层11、加热铜棒12和热流道弹簧加热器13，加热铜棒12选用紫铜材质，加热铜棒12的外径大小是在沸腾室8内径的1/8至1/4之间。在加热铜棒12的上半段的侧壁上，沿轴向上下依次开有五个测温孔，五个测温孔的结构完全相同，每个测温孔中各安装一个K型热电偶，五个K型热电偶的结构完全相同，分别是第一个至第五个K型热电偶K1-K5，五个K型热电偶K1-K5均通过热电偶胶固定在加热铜棒12的测温孔上。最上方第一个K型热电偶K1的中心位置距离加热铜棒12顶端距离约2mm。在加热铜棒12的正上方位置设置第六个K型热电偶K6，K型热电偶K6通过相应的支架支在沸腾室8的内壁上，伸在加热铜棒12的正上方，与加热铜棒12不接触，距离加热铜棒12顶部约有10-15mm的正上方位置处。六个K型热电偶K1-K6均经电线穿过所述的温度传感器线路接口d后依次连接沸腾室8外部的温度变送器1、数据采集卡25和计算机26。

在加热铜棒12的下半段侧壁上加工有螺旋槽，螺旋槽中容纳螺旋形的热流道弹簧加热器13，即热流道弹簧加热器13绕在螺旋槽中。加热铜棒12以及热流道弹簧加热器13的外部均紧密包裹有加热铜棒保温层11，加热铜棒保温层11的底部放置于沸腾室8的底壁上，加热铜棒12和热流道弹簧加热器13与加热铜棒保温层11固定连接在一起。加热铜棒保温层11由聚四氟乙烯管料加工而成。加热铜棒保温层11由聚四氟乙烯管料加工而成，在加热铜棒保温层11和加热铜棒12的安装缝隙处采用高温环氧树脂密封。加热铜棒保温层11的外部设置辅助加热器14，辅助加热器14通过螺纹固定连接在沸腾腔体8底部，辅助加热器14的最大功率在100-150W范围内，能将沸腾室8内冷却液加热并处于饱和温度。

热流道弹簧加热器13和辅助加热器14分别经导线穿过所述的导线接口c后连接可调直流电源15，可调直流电源15在沸腾室8外部，可调直流电源15输出电源以满足热流道弹簧加热器13和辅助加热器14的工作需求，可调直流电源15通过数据采集卡25与计算机26连接，采集与控制相关的工作参数。

在沸腾室8内壁上方安装电容式液位计5，电容式液位计5通过螺栓固定在沸腾室8的内壁，用于监测沸腾室8内的液面高度。液位计5经信号线穿过所述的液位计线路接口e后依次连接数据采集卡25和计算机26。

本发明一种用于真空池沸腾换热测试平台开始测试前，三向阀28和温度控制阀31均在关闭状态，向冷凝储液罐23中加入冷却液备用，冷却液的量与沸腾室8内腔体积相等。然后按以下步骤实施：

步骤一：计算机26控制三向阀28的第一通和第三通道打开，开启真空泵18，真空泵18工作，控制沸腾室8内的压力，使沸腾室8内形成真空环境。沸腾室8内的空气经真空缓冲罐16、真空泵18、三向阀28进入水槽19，将沸腾室8内的空气抽入水槽19中，洗气后排到空气中。此时，压力传感器17时刻检测真空缓冲罐16中的压力，当计算机26通过压力传感器17检测到真空缓冲罐16内达到预设的维持压力P1时，关闭三向阀28的第一通和第三通道，以及关闭真空泵18，使沸腾室8进入维持压力P1的状态，当压力传感器17测得的压力高于所需维持压力P1值的5％时，计算机26又控制真空泵18开启，当压力传感器17测得的压力低于所需维持压力值P1的5％时，又关闭真空泵18，如此反复工作，以维持沸腾室8内的压力。

步骤二：计算机26控制输送泵29开启，冷凝储液罐23内冷却液流经流量计24输送至沸腾室8内。流量计24对流入至沸腾室8内的冷却液进行监控并传输至计算机26中进行记录。同时，电容式液位计5检测沸腾室8内部的冷却液的高度H，当计算机26通过电容式液位计5检测到沸腾室8内的冷却液达到预定的液面高度时，关闭输送泵29，进入维持液面状态，反之，则输送泵29又开启工作，给沸腾室8内补充冷却液。

步骤三：计算机26控制辅助加热器14通电加热，对沸腾室8内的冷却液加热，并维持沸腾室8内的冷却液处于饱和温度。此时，K型热电偶K6检测到冷却液温度T₆，并将该冷却液温度T₆信息由温度变送器1、数据采集卡25传输至计算机26，当冷却液温度T₆达到设定的温度C1时，计算机26控制辅助加热器14中止加热，使沸腾室8进入维持温度C1的稳定状态；反之，则辅助加热器14工作，如此反复以维持沸腾室8内温度C1。

步骤四：计算机26开启热流道弹簧加热器13，对加热铜棒12进行加热，提供加热铜棒12表面沸腾所需的热量，此时，可调直流电源15输出的电流I和电压U信号传输至计算机26，计算机26根据此时可调直流电源15的电流I和电压U计算出热流道弹簧加热器13的加热功率P为P＝UI。

步骤五：计算机26控制循环水泵21开启，控制三向阀28的第一通道和第二通道打开，真空泵18将气态冷却液抽吸至板式冷凝器30中，对板式冷凝器30中的气态冷却液进行冷却，温度控制阀31对冷凝后的液态冷却液温度进行监控，当冷却液温度降低到沸腾室8内的维持温度C1时，打开温度控制阀31，将冷却液排放至冷凝储液罐23内。与此同时，五个K型热电偶K1-K5采集加热铜棒12上的五个采样点温度，得到对应的五个温度T₁-T₅，并将五个温度T₁-T₅信息经温度变送器1、数据采集卡传送到计算机26中，计算机26根据五个温度T₁-T₅计算出加热铜棒12的热流密度q值和换热系数h。

由于加热铜棒12为单一紫铜材质的圆柱体，无内热源且四周被加热棒保温层11包覆，可以将其视为稳定态条件，其导热系数在圆柱体内始终一致，因此可以用傅里叶定律进行传热分析，推导计算可得到加热铜棒12的热流密度q为：

其中，k_cu为加热铜棒12的导热系数，T₁-T₅为五个采样点温度；如图3所示，Δx₁₃、Δx₂₄、Δx₃₅分别为从上至下的第一个K型热电偶K1和第三个K型热电偶K1之间的距离、第二个K型热电偶K2和第四个K型热电偶K4之间的距离、第三个K型热电偶K3和第五个K型热电偶K5之间的距离。

根据热流密度q、第一个K型热电偶K1检测到的温度T₁以及第六个K型热电偶K6检测冷却液温度T₆计算出加热铜棒12表面的换热系数h：

步骤六：计算机26控制无频闪光源7打开以及高速摄像机32工作，高速摄像机32采集沸腾室8内部的视频，将视频回传至计算机26。高速摄像机32对加热铜棒12表面的沸腾现象进行监控，由于沸腾室内光线条件不足，所以采用无频闪光源7对其进行补光。

如图4所示，计算机26通过图像转换模块将视频提取为一组时序排列的图像，建立xy坐标轴，通过标尺对像素尺寸进行换算，然后，为了减少处理时间，仅在原始图像中提取气泡周围的矩形区域，对图像依次进行二值化、减背景处理，以去除气泡之外的多余部分，得到处理后的气泡图像；之后，对处理后的气泡图像进行边缘定位和形心的标记，输出气泡的投影面积、边缘以及形心信息；气泡的脱离由气泡脱离沸腾表面的前一帧图像的信息进行表征，气泡脱离时的等效直径D_b可以计算为：

其中，S_b为气泡的投影面积。

为了定量分析，计算机26基于气泡的投影面积S_b、气泡边缘的长度L_b以及气泡x轴方向的最长长度L_bx、气泡y轴方向的最长长度L_by计算出气泡的近圆率α和纵横比β这两个参数，以表征气泡的形状：

再根据下式计算出气泡的脱离频率f：

其中，N_bs是脱离气泡的个数，L_bs和t_bs分别是统计脱离数目的长度和时间区间。

气泡脱离后的运动速度v由气泡的形心坐标位置进行计算：

其中，m和n分别为单个气泡周期内的两个时刻，x_m和y_m为m时刻气泡形心x轴和y轴坐标位置，x_n和y_n为n时刻气泡形心x轴和y轴坐标位置。

最终，图像中的沸腾状态基于深度学习，通过气泡脱离时的等效直径D_b、近圆率α、纵横比β、气泡的脱离频率f和气泡脱离后运动速度v的特征参数进行分类识别。

步骤七：在计算机26中可视化模块将沸腾室8的维持压力P1、液面高度H、加热功率P、热流密度q、沸腾图像、沸腾状态、气泡脱离时的等效直径D_b、近圆率α、纵横比β、频率f和气泡脱离后运动速度v这些关键参数通过可视化分析界面进行展示，便于对沸腾室8的池沸腾机理的进一步分析研究。

在执行步骤二至步骤七的同时，压力传感器17始终在检测真空缓冲罐16内的压力，真空泵18始终间隙性工作以维持沸腾室8内的压力。由于真空泵18的工作会导致沸腾室8内液体量减小，因此，步骤二中的电容式液位计5始终在检测沸腾室8内部的冷却液高度，当冷却液未达到预定的液面高度时，输送泵29工作完成补液，以维持液面状态。

步骤八：测试完成后，先关闭高速摄像机32、无频闪光源17、热流道弹簧加热器13、真空泵18、循环水泵21、输送泵29、辅助加热器14，接着关闭三向阀28和温度控制阀31，待沸腾室8内的冷却液温度降至室温时，打开排水阀8，将沸腾室8内的冷却液回收至冷却液回收罐33中，以便下次实验循环利用。

Claims (10)

1.一种用于真空池沸腾换热测试平台，包括一个密封的沸腾室(8)，其特征是：沸腾室(8)内部下方的正中间设有加热铜棒保温层(11)、加热铜棒(12)和热流道弹簧加热器(13)，加热铜棒(12)上半段的侧壁上沿轴向上下依次开有五个测温孔，每个测温孔中各装有一个K型热电偶，加热铜棒(12)正上方设置第六个K型热电偶，每个K型热电偶均经电线依次连接沸腾室(8)外部的温度变送器(1)、数据采集卡(25)和计算机(26)；加热铜棒(12)下半段侧壁上有螺旋槽，螺旋槽中容纳螺旋形的热流道弹簧加热器(13)，加热铜棒(12)以及热流道弹簧加热器(13)的外部均紧密包裹有加热铜棒保温层(11)，加热铜棒保温层(11)外部设有固定连接在沸腾腔体(8)底部的辅助加热器(14)，热流道弹簧加热器(13)和辅助加热器(14)分别经导线连接在沸腾室(8)外部的可调直流电源(15)，沸腾室(8)内壁上装有电容式液位计(5)，沸腾室(8)的侧壁四周均布至少有两个视镜孔，每个视镜孔处装有一个视镜(6)，其中一个视镜(6)处装有无频闪光源(7)，无频闪光源(7)对面的另一个视镜(5)处装有高速摄像机(32)，沸腾室(8)顶部经管道依次连接输送泵(29)、流量计(24)、冷凝储液罐(23)、温度控制阀(31)以及板式冷凝器(30)的冷凝管道出口；冷凝储液罐(23)内装有电子液体温度计(22)，沸腾室(8)顶部经管道依次连接真空缓冲罐(16)、真空泵(18)、三向阀(28)以及板式冷凝器(30)；真空缓冲罐(16)内装有压力传感器(17)，真空泵(18)的出气口与三向阀(28)的第一通道相连接，三向阀(28)的第二通道连接板式冷凝器(30)的冷凝管道入口，三向阀(28)的第三通道连接水槽(19)，板式冷凝器(30)的冷却液管道出入口之间串联恒温槽(20)和循环水泵(21)；所述的无频闪光源(7)、高速摄像机(32)、循环水泵(21)、输送泵(29)、温度控制阀(31)、真空泵(18)和三向阀(28)分别经控制线连接计算机(26)，所述的可调直流电源(15)、电容式液位计(5)、流量计(24)、电子液体温度计(22)、压力传感器(17)分别经数据采集卡(25)连接计算机(26)。

2.根据权利要求1所述的一种用于真空池沸腾换热测试平台，其特征是：沸腾室(8)的底部开有排液口，排液口经管道依次连接排水阀(9)和冷却液回收罐(33)，排水阀(9)经控制线连接计算机(26)。

3.根据权利要求1所述的一种用于真空池沸腾换热测试平台，其特征是：沸腾室(8)顶部开口处用法兰下盖板(4)、密封圈(27)和法兰上盖板(3)密封，法兰上盖板(3)在法兰下盖板(4)的正上方，密封圈(27)放置在法兰上盖板(3)与法兰下盖板(4)之间，以螺栓压紧密封。

4.根据权利要求3所述的一种用于真空池沸腾换热测试平台，其特征是：法兰上盖板(3)与法兰下盖板(4)的中间位置开有贯通到沸腾室(8)内的一个视镜孔，视镜孔处装有一个视镜(6)。

5.根据权利要求1所述的一种用于真空池沸腾换热测试平台，其特征是：五个K型热电偶中最上方的第一个K型热电偶的中心距离加热铜棒(12)顶端2mm，第六个K型热电偶距离加热铜棒(12)顶部10-15mm。

6.一种如权利要求1所述的用于真空池沸腾换热测试平台的测试方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一：计算机(26)控制三向阀(28)的第一通和第三通道打开，开启真空泵(18)，沸腾室(8)内的空气经真空缓冲罐(16)、真空泵(18)、三向阀(28)进入水槽(19)，当计算机(26)通过压力传感器(17)检测到真空缓冲罐(16)内达到预设的维持压力时关闭三向阀(28)及真空泵(18)；

步骤二：计算机(26)控制输送泵(29)开启，冷凝储液罐(23)内冷却液流经流量计(24)输送至沸腾室(8)内，当计算机(26)通过电容式液位计(5)检测到沸腾室(8)内的冷却液达到预定的液面高度时关闭输送泵(29)；

步骤三：计算机(26)控制辅助加热器(14)通电加热，当第六个K型热电偶检测到冷却液温度达到设定温度时，辅助加热器(14)中止加热，反之，辅助加热器(14)工作以维持沸腾室(8)内温度；

步骤四：计算机(26)开启热流道弹簧加热器(13)，对加热铜棒(12)加热，根据可调直流电源(15)输出的电流和电压计算出热流道弹簧加热器(13)的加热功率；

步骤五：计算机(26)控制循环水泵(21)开启，三向阀(28)的第一通道和第二通道打开，真空泵(18)将气态冷却液抽吸至板式冷凝器(30)中，当温度控制阀(31)监控的冷却液温度降低到设定温度时，打开温度控制阀(31)，将冷却液排放至冷凝储液罐(23)内；五个K型热电偶分别采集加热铜棒(12)的温度，计算机(26)计算出加热铜棒(12)的热流密度值和换热系数；

步骤六：计算机(26)控制无频闪光源(7)打开及高速摄像机(32)工作，高速摄像机(32)采集沸腾室(8)内部的视频，计算机(26)对视频处理，得到气泡脱离时的等效直径、近圆率、纵横比、脱离频率和气泡脱离后运动速度。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征是：压力传感器(17)始终检测真空缓冲罐(16)中的压力，当压力传感器(17)测得的压力高于所需维持压力值的5％时，真空泵(18)开启，反之关闭真空泵(18)。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征是：电容式液位计(5)始终检测沸腾室(8)内部冷却液高度，当冷却液未达到预定的液面高度时，输送泵(29)工作补液。

9.根据权利要求7所述的测试方法，其特征是：加热铜棒(12)的热流密度

换热系数

k_cu为导热系数，T₁-T₅为五个K型热电偶采样温度，T₆为第六个K型热电偶采样温度，Δx₁₃、Δx₂₄、Δx₃₅分别为从上至下的第一个K型热电偶K1和第三个K型热电偶K1之间的距离、第二个K型热电偶K2和第四个K型热电偶K4之间的距离、第三个K型热电偶K3和第五个K型热电偶K5之间的距离。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征是：所述的气泡脱离时的等效直径

近圆率

纵横比

脱离频率

运动速度

S_b为气泡的投影面积，L_b为气泡边缘的长度，L_bx为气泡x轴方向的最长长度，L_by为气泡y轴方向的最长长度，N_bs为脱离气泡的个数，L_bs和t_bs分别是统计脱离数目的长度和时间区间，m和n分别为单个气泡周期内的两个时刻，x_m和y_m分别为m时刻气泡形心x轴和y轴坐标位置，x_n和y_n分别为n时刻气泡形心x轴和y轴坐标位置。

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