CN116337929A - 一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置及方法，该装置包括热管、定位系统、非均匀释热系统、冷凝系统、数据采集系统、电源系统等；热管包括不锈钢管壳、端盖、吸液芯等，内部充装碱金属工质，实现热管良好的高温工作性能；定位系统包括杆支架、转轴、量角器、夹持箱等，实现热管的固定及不同工作角度的控制；非均匀释热系统包括电源系统、铜基体、加热棒、隔热材料、保温棉等，实现对热管蒸发段的加热和非均匀功率控制；冷凝系统包括惰性气体储藏罐、压强表、循环水泵，冷却水箱、流量计、进气阀、排气阀、进水阀、排水阀、气‑水冷却层、固定装置等；数据采集系统包括热电偶、压力传感器、流量计、计算机等。
Description
技术领域
本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置及方法。
背景技术
热管是目前研究中传热效率最高的传热元件之一，它利用工质相变通过重力、向心力、毛细力进行传热工作，传热效率高。高温热管是一种利用碱金属作为工作介质的传热元件，由于碱金属的汽化潜热非常大，因此在高温环境少量的介质可携带大量热量，相较于其余高温传热元件，有着导热性高、等温性优良、组成结构简单、成本低廉的优点，因而高温热管可广泛应用于化工、航空航天、核能等领域。然而，由于热管内部吸液芯结构的限制等，使其传热能力有限，存在传热极限，因此需要对高温热管在不同工况的传热极限进行研究。传统高温热管的实验测试系统主要采取均匀功率加热且热管兼容性差，本发明针对高温热管的非均匀功率分布进行了研究，同时设计了热管兼容性强的试验系统，有助于揭示热管传热的内在机制，指导热管的设计优化。
目前已有的测量高温热管传热极限专利，例如：中国专利CN202211352670.0提出了一种配备便捷测温箱的高温热管传热极限实验装置及方法；其主要特征是使用电加热系统连接便捷测温箱；便捷测温箱连接气冷换热系统；数据采集系统连接气冷换热系统、便捷测温箱和电加热系统；控制系统连接气冷换热系统、便捷测温箱和电加热系统；可实现气体温度、流量的快速变化，满足高温热管传热极限实验要求。但是，该发明无法实现蒸发段非均匀功率分布要求，无法模拟实际反应堆堆芯释热要求。
目前已有的测量高温热管传热极限专利，例如：中国专利CN202221232986.1提出了一种测量高温碱金属热管传热极限的测试平台；其主要特征是通过油冷换热系统、导热油冷热一体回路相互配合，能够对油温快速、精确的调节，且调节范围广，测试高温碱金属热管在不同的冷凝功率下的传热极限，但是，该发明通过加热丝缠绕式加热导致蒸发段功率过小，无法测量优异性能高温碱金属热管传热极限。
发明内容
为实现对热管传热极限的研究，本发明的目的在于提供一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置及方法，研究倾角、功率分布，热管尺寸对高温热管传热极限的影响，揭示热管的运行机制，指导热管的设计优化，提升热管性能水平。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，包括不锈钢管壳31、端盖27和吸液芯28组成的热管16；包括杆支架30、转轴29、量角器14和夹持箱2组成的定位系统，包括电源系统1、铜基体19、加热棒20、隔热材料21和保温棉15组成的非均匀释热系统17，包括水通道24、气体通道23和保温层22组成的气-水冷却层3，包括惰性气体储藏罐9、压强表10、循环水泵11、冷却水箱13、流量计12、进气阀7、排气阀5、进水阀8、排水阀6、气-水冷却层3和固定装置4组成的冷凝系统，包括热电偶25、压力传感器26、流量计12和计算机18组成的数据采集系统；所述热管16通过不锈钢管壳26、端盖27、吸液芯28组装而成形成封闭真空环境，并充装碱金属工质，具有高温工作性能；所述杆支架30通过转轴29与量角器14连接，并在杆支架30上组装夹持箱2形成定位系统，固定热管16并调整不同倾斜角度；所述电源系统1配有多台调压器提供电能并进行独立功率控制，实现热管16蒸发段的非均匀功率分布；所述铜基体19通过加热棒20加热，再将热量传导至热管16，保温棉15包裹在铜基体19外，减少热损失；所述隔热材料21分别布置在多段式铜基体19之间，实现功率隔断；所述气-水冷却层3内的水通道24通过管线依次连接流量计12、循环水泵11和冷却水箱13，组成水冷回路，气-水冷却层3内的气体通道23连接惰性气体储藏罐9组成惰性气体传输通道；所述气-水冷却层3置于热管16的冷凝段，气体通道23置于热管16与水通道24之间，保温层22位于热管16的冷凝段端部，所述气-水冷却层3通过固定装置4与热管16固定，保持良好冷凝能力；所述热电偶25、压力传感器26、流量计12通过采集线路连接至采集卡，与计算机18组成数据采集系统，实现参数的实时监测。
所述不锈钢管壳26、端盖27采用310S不锈钢；所述吸液芯28为提供毛细抽力的多孔介质，材料选取泡沫镍、不锈钢丝网或不锈钢纤维毡；所述热管16沿轴向0-800mm、800-1200mm、1200-2000mm处分别划分为蒸发段、绝热段、冷凝段，并充装碱金属工质，实现高效热传输；所述保温棉15包裹在热管绝热段和铜基体19外，减小热耗散；所述热电偶25为K型铠装热电偶，测量范围-40-2500℃，精度为0.1℃，采用开槽或焊接方法固定于热管16，并沿轴向均匀布置15个，实现对热管管壁温度的测量，用以评估热管16的传热极限。
所述杆支架30、转轴29、量角器14和夹持箱2组成的定位系统，固定热管16的同时，实现-180°～180°全角度的旋转，研究不同工况下热管16的热性能。
所述电源系统1配备三台调压器，分别控制热管16蒸发段功率；所述铜基体19材料采用热传导性优异的紫铜，呈正六边形柱状，在轴向位置三段式分布，每段长度分别为200mm、400mm、200mm；所述加热棒20尺寸为Φ16×200，可提供最大500W的加热功率，通过对称面均匀插入铜基体19，每段铜基体19分别布置18、36、18根加热棒20；所述隔热材料21采用二氧化硅纳米气凝胶，分别布置在三段式铜基体19之间，实现功率隔断；所述铜基体19中心处能兼容外径16-30mm的热管16，实现宽范围热管16的非均匀功率分布传热极限测量需要。
所述气-水冷却层3为热管16的冷凝段提供冷源；所述气体通道23中的气体根据热管16传热能力选择氦气或氩气，气层避免了冷凝段温度过低形成的巨大温差，保证热管16的启动性能；所述水冷回路为实验装置提供热阱，循环水泵11为JET不锈钢喷射泵，转速2850r/min，流量5m3·h-1，扬程40m，吸程10m，保证足够的冷却效率；所述流量计12和水通道24进出口压力传感器26、热电偶25测量冷却水的流量、进出口压力、温度，流量计12的流量范围800～8000m3·h-1，最大工作压力1.6MPa，介质温度-20～100℃，精度为0.5％，能精确获得冷却功率；所述保温层22置于热管16冷凝段底部之间，选用高温石英玻璃保温材料，减少热量耗散。
所述的一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置的实验方法，通过测量热管功率和管壁温度分布来分析热管传热极限，实验流程如下：将冷却水箱13充水至水位达到80％时停止；打开进水阀8和排水阀6，打开循环水泵11，调节冷却流量至设计值；打开进气阀7、排气阀5，通过惰性气体储藏罐9向气体通道23充入惰性气体并维持0.2MPa的压力稳定后依次关闭排气阀5、进气阀7、惰性气体储藏罐9；将热管16固定于夹持箱2上，调节杆支架30至实验所需角度；打开数据采集系统，输入温度测点位置、水平夹角、运行功率；点击开始记录按钮，数据采集系统自动开始进行数据采集；将调压器调零后，设置调压器功率至实验所需功率，开始加热；当热管16蒸发段任意一个温度测点在1min内急速升温60℃以上时，认为此时传热极限出现，关闭加热电源，冷凝系统继续工作至温度降为室温。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
本发明中铜基体19在轴向位置多段式分布，加热棒20通过对称面均匀插入铜基体19，为热管蒸发段提供足够大的加热功率，同时有较大的功率裕量；隔热材料21采用二氧化硅纳米气凝胶，有较强的保温能力，分别布置在多段式铜基体19之间，实现功率隔断；铜基体19中心处可兼容外径16-30mm的热管16，实现宽范围热管16的非均匀功率分布传热极限测量需要；气-水冷却层3中的气层可以选择氦气和氩气，避免了冷凝段温度过低形成的巨大温差，保证热管16的启动性能，同时，循环水泵11可以实时调节水流量，从而控制冷却功率至设计值；定位系统固定热管(16)的同时，通过转轴实现-180°～180°全角度的旋转，可以研究不同工况下热管(16)的热性能。
本发明针对热管传热极限的问题，提出一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置及方法，可实现非均匀功率加热、多角度工况，宽范围热管等测试，能够极大地改善热管测试分析的手段。
附图说明
图1为非均匀功率高温热管传热极限测试的系统示意图。
图2中(a)、(b)分别为热管蒸发段俯视图和正视图。
图3为气-水冷却层的示意图。
图4为热管的示意图。
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，一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，包括不锈钢管壳31、端盖27、吸液芯28等组成的热管16；包括杆支架30、转轴29、量角器14、夹持箱2等组成的定位系统，包括电源系统1、铜基体19、加热棒20、隔热材料21、保温棉15等组成的非均匀释热系统17，包括水通道24、气体通道23、保温层22组成的气-水冷却层3，包括惰性气体储藏罐9、压强表10、循环水泵11，冷却水箱13、流量计12、进气阀7、排气阀5、进水阀8、排水阀6、气-水冷却层3、固定装置4等组成的冷凝系统，包括热电偶25、压力传感器26、流量计12、计算机18等组成的数据采集系统；所述热管16通过不锈钢管壳26、端盖27、吸液芯28组装而成形成封闭真空环境，并充装碱金属工质，具有良好的高温工作性能；所述杆支架30通过转轴29与量角器14连接，并在杆支架30上组装夹持箱2形成定位系统，固定热管16并调整不同倾斜角度；所述电源系统1配有三台调压器提供电能并进行独立功率控制，实现热管16蒸发段的非均匀功率分布；所述铜基体19通过加热棒20加热，再将热量传导至热管16，保温棉15包裹在铜基体19外，减少热损失；所述隔热材料21分别布置在三段式铜基体19之间，实现功率隔断；所述气-水冷却层3内的水通道24通过管线依次连接流量计12、循环水泵11、冷却水箱13，组成水冷回路，气-水冷却层3内的气体通道23连接惰性气体储藏罐9组成惰性气体传输通道；所述气-水冷却层3置于热管16的冷凝段，气体通道23置于热管16与水通道24之间，保温层22位于热管16的冷凝段端部，所述气-水冷却层3通过固定装置4与热管16固定，保持良好冷凝能力；所述热电偶25、压力传感器26、流量计12通过采集线路连接至采集卡，与计算机18组成数据采集系统，实现参数的实时监测。
所述杆支架30、转轴29、量角器14和夹持箱2组成的定位系统，固定热管16的同时，实现-180°～180°全角度的旋转，研究不同工况下热管16的热性能。
如图2中(a)所示为热管蒸发段的示意图，所述电源系统1、铜基体19、加热棒20、隔热材料21、保温棉15等组成非均匀释热系统17；所述电源系统1配备三台调压器，可分别控制热管16蒸发段功率；如图2中(b)所示，所述铜基体19呈正六边形柱状，在轴向位置三段式分布，每段长度分别为200mm、400mm、200mm，作为其材料的紫铜热传导性优异，在三维温度场上等温性极好；所述加热棒20尺寸为Φ16×200，可提供最大500W的加热功率，通过对称面均匀插入铜基体19，每段铜基体19分别布置18、36、18根加热棒20，为热管蒸发段提供足够大的加热功率，同时有较大的功率裕量；所述隔热材料21采用二氧化硅纳米气凝胶，有较强的保温能力，分别布置在三段式铜基体19之间，实现功率隔断；所述铜基体19中心处可兼容外径16-30mm的热管16，实现宽范围热管16的非均匀功率分布传热极限测量需要。
如图3所示为气-水冷却层的示意图，所述水通道24、气体通道23、保温层22、组成气-水冷却层3，气-水冷却层3为热管16的冷凝段提供冷源；所述气体通道23置于水通道24和热管16之间，根据热管16传热能力可以选择氦气和氩气，气层避免了冷凝段温度过低形成的巨大温差，保证热管16的启动性能；所述水通道24通过管线依次连接流量计12、循环水泵、冷却水箱13，组成水冷回路，为实验装置提供热阱，循环水泵为JET不锈钢喷射泵，转速2850r/min，流量5m3·h-1，扬程40m，吸程10m，保证足够的冷却效率。所述流量计12和水通道24进出口压力传感器26、热电偶25测量冷却水的流量、进出口压力、温度，流量计12的流量范围800～8000m3·h-1，最大工作压力1.6MPa，介质温度-20～100℃，精度为0.5％，可精确获得冷却功率；所述保温层22置于热管16冷凝段底部之间，可选用高温石英玻璃等保温材料，减少热量耗散。
如图4所示为热管的示意图，所述不锈钢管壳26、端盖27采用310S不锈钢，具有极强的抗氧化性和耐腐蚀性，高温性能良好；所述吸液芯28为提供毛细抽力的多孔介质，材料可选取泡沫镍、不锈钢丝网、不锈钢纤维毡等，在高温下有着良好的稳定性，可作为理想流道；所述热管16沿轴向0-800mm、800-1200mm、1200-2000mm处分别划分为蒸发段、绝热段、冷凝段，并充装钠、钾等碱金属工质，实现高效热传输；所述保温棉15包裹在热管绝热段和铜基体19外，减小热耗散；所述热电偶25为K型铠装热电偶，测量范围-40-2500℃，精度为0.1℃，采用开槽、焊接等方法固定于热管16，并沿轴向均匀布置15个，实现对热管管壁温度的测量，用以评估热管16的传热极限。
本发明的工作原理为：通过测量热管功率和管壁温度分布来分析热管传热极限，实验流程如下：将冷却水箱13充水至水位达到80％时停止；打开进水阀8和排水阀6，打开循环水泵11，调节冷却流量至设计值；打开进气阀7、排气阀5，通过惰性气体储藏罐9向气体通道23充入氦气并维持0.2MPa的压力，5分钟后依次关闭排气阀5、进气阀7、惰性气体储藏罐9；将热管16固定于夹持箱2上，调节杆支架30至实验所需角度；打开数据采集系统，输入温度测点位置、水平夹角、运行功率；点击开始记录按钮，数据采集系统自动开始进行数据采集；将调压器调零后，设置调压器功率至实验所需功率，开始加热；当热管16蒸发段任意一个温度测点在1min内急速升温60℃以上时，可认为此时传热极限出现，关闭加热电源，冷凝系统继续工作至温度降为室温。
Claims (6)
1.一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，其特征在于：包括不锈钢管壳(31)、端盖(27)和吸液芯(28)组成的热管(16)；包括杆支架(30)、转轴(29)、量角器(14)和夹持箱(2)组成的定位系统，包括电源系统(1)、铜基体(19)、加热棒(20)、隔热材料(21)和保温棉(15)组成的非均匀释热系统(17)，包括水通道(24)、气体通道(23)和保温层(22)组成的气-水冷却层(3)，包括惰性气体储藏罐(9)、压强表(10)、循环水泵(11)、冷却水箱(13)、流量计(12)、进气阀(7)、排气阀(5)、进水阀(8)、排水阀(6)、气-水冷却层(3)和固定装置(4)组成的冷凝系统，包括热电偶(25)、压力传感器(26)、流量计(12)和计算机(18)组成的数据采集系统；所述热管(16)通过不锈钢管壳(26)、端盖(27)、吸液芯(28)组装而成形成封闭真空环境，并充装碱金属工质，具有高温工作性能；所述杆支架(30)通过转轴(29)与量角器(14)连接，并在杆支架(30)上组装夹持箱(2)形成定位系统，固定热管(16)并调整不同倾斜角度；所述电源系统(1)配有多台调压器提供电能并进行独立功率控制，实现热管(16)蒸发段的非均匀功率分布；所述铜基体(19)通过加热棒(20)加热，再将热量传导至热管(16)，保温棉(15)包裹在铜基体(19)外，减少热损失；所述隔热材料(21)分别布置在多段式铜基体(19)之间，实现功率隔断；所述气-水冷却层(3)内的水通道(24)通过管线依次连接流量计(12)、循环水泵(11)和冷却水箱(13)，组成水冷回路，气-水冷却层(3)内的气体通道(23)连接惰性气体储藏罐(9)组成惰性气体传输通道；所述气-水冷却层(3)置于热管(16)的冷凝段，气体通道(23)置于热管(16)与水通道(24)之间，保温层(22)位于热管(16)的冷凝段端部，所述气-水冷却层(3)通过固定装置(4)与热管(16)固定，保持良好冷凝能力；所述热电偶(25)、压力传感器(26)、流量计(12)通过采集线路连接至采集卡，与计算机(18)组成数据采集系统，实现参数的实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，其特征在于：所述不锈钢管壳(26)、端盖(27)采用310S不锈钢；所述吸液芯(28)为提供毛细抽力的多孔介质，材料选取泡沫镍、不锈钢丝网或不锈钢纤维毡；所述热管(16)沿轴向0-800mm、800-1200mm、1200-2000mm处分别划分为蒸发段、绝热段、冷凝段，并充装碱金属工质，实现高效热传输；所述保温棉(15)包裹在热管绝热段和铜基体(19)外，减小热耗散；所述热电偶(25)为K型铠装热电偶，测量范围-40-2500℃，精度为0.1℃，采用开槽或焊接方法固定于热管(16)，并沿轴向均匀布置15个，实现对热管管壁温度的测量，用以评估热管(16)的传热极限。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，其特征在于：所述杆支架(30)、转轴(29)、量角器(14)和夹持箱(2)组成的定位系统，固定热管(16)的同时，实现-180°～180°全角度的旋转，研究不同工况下热管(16)的热性能。
4.根据权利要求1所述的一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，其特征在于：所述电源系统(1)配备三台调压器，分别控制热管(16)蒸发段功率；所述铜基体(19)材料采用热传导性优异的紫铜，呈正六边形柱状，在轴向位置三段式分布，每段长度分别为200mm、400mm、200mm；所述加热棒(20)尺寸为Φ16×200，可提供最大500W的加热功率，通过对称面均匀插入铜基体(19)，每段铜基体(19)分别布置18、36、18根加热棒(20)；所述隔热材料(21)采用二氧化硅纳米气凝胶，分别布置在三段式铜基体(19)之间，实现功率隔断；所述铜基体(19)中心处能兼容外径16-30mm的热管(16)，实现宽范围热管(16)的非均匀功率分布传热极限测量需要。
5.根据权利要求1所述的一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置，其特征在于：所述气-水冷却层(3)为热管(16)的冷凝段提供冷源；所述气体通道(23)中的气体根据热管(16)传热能力选择氦气或氩气，气层避免了冷凝段温度过低形成的巨大温差，保证热管(16)的启动性能；所述水冷回路为实验装置提供热阱，循环水泵(11)为JET不锈钢喷射泵，转速2850r/min，流量5m3·h-1，扬程40m，吸程10m，保证足够的冷却效率；所述流量计(12)和水通道(24)进出口压力传感器(26)、热电偶(25)测量冷却水的流量、进出口压力、温度，流量计(12)的流量范围800～8000m3·h-1，最大工作压力1.6MPa，介质温度-20～100℃，精度为0.5％，能精确获得冷却功率；所述保温层(22)置于热管(16)冷凝段底部之间，选用高温石英玻璃保温材料，减少热量耗散。
6.权利要求1至5任一项所述的一种非均匀功率高温热管传热极限测试的实验装置的实验方法，其特征在于：通过测量热管功率和管壁温度分布来分析热管传热极限，实验流程如下：将冷却水箱(13)充水至水位达到80％时停止；打开进水阀(8)和排水阀(6)，打开循环水泵(11)，调节冷却流量至设计值；打开进气阀(7)、排气阀(5)，通过惰性气体储藏罐(9)向气体通道(23)充入惰性气体并维持0.2MPa的压力稳定后依次关闭排气阀(5)、进气阀(7)、惰性气体储藏罐(9)；将热管(16)固定于夹持箱(2)上，调节杆支架(30)至实验所需角度；打开数据采集系统，输入温度测点位置、水平夹角、运行功率；点击开始记录按钮，数据采集系统自动开始进行数据采集；将调压器调零后，设置调压器功率至实验所需功率，开始加热；当热管(16)蒸发段任意一个温度测点在1min内急速升温60℃以上时，认为此时传热极限出现，关闭加热电源，冷凝系统继续工作至温度降为室温。
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2023
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