CN116593529B - 一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法，涉及高温热管实验领域。包括加热机构、测温机构、数据采集系统和机械干预机构，针对高温热管前期快速测试及评估试验，考虑采集的实时温度、温度变化率和毛细极限模型计算三种因素，采取不同的干预方法使热管温度回稳，便于下一工况测试，同时采用考虑不凝性气体的声速极限计算模型判断热管启动过程是否达到声速极限，结合考虑内部层流摩擦计算声速极限发生位置，改变蒸发段与声速极限发生的相对位置进行干预使热管平稳度过声速极限完成后续测试。
Description
技术领域
本发明涉及高温热管实验领域，具体而言，涉及一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法。
背景技术
热管是依靠自身内部工质实现两相自然循环的传热元件，基本结构是一根内部装有可气液转换工质（钠、钾）的真空管，管壁贴合着吸液芯；热管工作时，蒸发段（加热端）的液相工质吸收热量变成气体，受到蒸发段与冷凝段的压差影响，在真空管腔内将热量传递至未加热的冷凝段，在冷凝段凝结成小液滴，通过附在管壁的洗液芯由毛细力带回蒸发段，如此往复工作，可以自发的将热量从蒸发段传递给冷凝段，具有良好的导热性、理想的恒温性、传热方向可逆性以及结构简单等特点，在航空航天、深海探测及核反应堆电源等领域应用广泛。即使热管传热能力出众，但仍会受到诸如毛细极限、声速极限的限制，因此针对不同实用领域，研究热管传热极限在研发设计过程中有着重要的意义。
在针对高温热管前期测试实验，往往在安装过程中比较复杂，同时实验中遇到毛细极限、声速极限等不利于热管正常工作的现象，无法完成后续更高功率测试，现有一般采取降低功率的方法去干预，在实验过程中无法得到改善，同时将面临二次实验升功率时间较长的问题，大范围变功率也将影响电阻丝的寿命，实验效率大幅下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温热管传热极限的判断、干预装置及方法，其能够针对于现有技术的不足，提出解决方案，解决了高温热管快速测试实验中安装和拆卸繁琐、加热不均匀，影响测试进度的问题，解决了测试进行到高功率时导致电阻丝失效而无法进行下一步实验的问题，达到高温热管快速测试的目的；提供了在热管测试中遇到毛细极限、声速极限等传热极限的判断方法、不影响测试进度的干预措施，便于后续高温热管的性能测试。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高温热管传热极限的判断、干预装置，其包括加热机构、测温机构、数据采集系统和机械干预机构；
所述机械干预机构设于所述加热机构的一侧，高温热管的冷凝段端部固定于所述机械干预机构，所述高温热管的蒸发段穿设于所述加热机构内部，所述机械干预机构用于控制所述高温热管沿所述加热机构轴向移动；
所述测温机构设于所述加热机构，并与所述数据采集系统连接；所述数据采集系统与所述机械干预机构连接，所述数据采集系统用于接收并处理所述测温机构采集的温度数据，并将生成的控制信号发送至所述机械干预机构。
进一步地，在本发明中，所述加热机构包括加热筒，所述加热筒内沿其轴向开设有中心通道，所述中心通道与所述高温热管的外径相适配；所述中心通道周侧开设有加热槽，所述加热槽内均匀分布有多根电阻丝；
所述加热筒内设有多根带螺纹微孔导管，多根所述带螺纹微孔导管沿所述加热筒轴向间隔排列，其中，所述带螺纹微孔导管与所述中心通道连通。
进一步地，在本发明中，所述测温机构包括多根热电偶，所述带螺纹微孔导管的外端部设有固定器，所述热电偶穿设于所述带螺纹微孔导管内，并通过所述固定器固定。
进一步地，在本发明中，所述固定器包括双头螺杆、锥形螺帽和夹头，所述双头螺杆的一端旋入所述带螺纹微孔导管，所述夹头设于所述双头螺杆的另一端，所述锥形螺帽旋合于所述双头螺杆的另一端，并套设于所述夹头的外侧。
进一步地，在本发明中，所述数据采集系统包括计算机、PLC控制仪、温度采集板卡和调压器，所述温度采集板卡分别与所述热电偶和所述计算机连接，所述计算机还分别与所述PLC控制仪和所述机械干预机构连接，所述PLC控制仪与所述调压器连接，所述调压器与所述电阻丝连接。
进一步地，在本发明中，所述机械干预机构包括丝杆滑台结构、步进电机和夹持器，所述步进电机与所述丝杆滑台结构传动连接，所述夹持器设于所述丝杆滑台结构顶部，所述夹持器用于夹持所述高温热管的冷凝段端部。
进一步地，在本发明中，所述加热筒由两个不锈钢外壳连接形成，两个所述不锈钢外壳上下对接，并在两端通过抱箍连接。
一种基于上述装置的高温热管传热极限的判断、干预方法，包括如下步骤：
获取所述测温机构采集的温度数据；
当所述温度数据满足预设条件，依据当前所述温度数据和所述高温热管的实验参数计算实验载出功率；
计算预设条件下的理论传热极限，对比所述实验载出功率与相同工况下的理论传热极限，获得比对结果；
依据所述比对结果生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述机械干预机构；
依据所述控制信号带动所述高温热管沿所述加热机构轴向移动，改变实验条件。
进一步地，在本发明中，所述获取所述测温机构采集的温度数据，具体包括：
获取所述温度采集板卡采集的多个热电偶测量位置的温度数据，并将所述温度数据处理后以图文形式显示。
进一步地，在本发明中，所述当所述温度数据满足预设条件，依据当前所述温度数据和所述高温热管的实验参数计算实验载出功率，具体包括：
当所述温度数据满足第一预设条件，截取当前时间前第一预设时间内的瞬态温度趋势图，并计算升温速率；其中，所述第一预设条件为温度大于等于850℃；
当所述升温速率大于等于100℃/min，触发异常升温信号，并获取所述第一预设时间内所述冷凝段进出口温差，依据所述冷凝段进出口温差计算实验载出功率；
当所述温度数据满足第二预设条件，计算不同冷凝条件下的实验载出功率；其中，所述第二预设条件为启动过程中蒸发段温度持续升高，其余位置温度变化不明显，热量明显无法传递到高温热管冷凝段。
进一步地，在本发明中，所述计算预设条件下的理论传热极限，对比所述实验载出功率与相同工况下的理论传热极限，获得比对结果，具体包括：
计算第一预设条件下的理论毛细极限，对比所述第一预设条件下的所述实验载出功率与相同工况下的理论毛细极限，获得第一比对结果；
计算第二预设条件下的理论声速极限，对比所述第二预设条件下的所述实验载出功率与相同工况下的理论声速极限，获得第二比对结果。
进一步地，在本发明中，所述计算第二预设条件下的理论声速极限，具体包括：
计算第二预设条件下考虑不凝性气体影响的理论声速极限，计算公式为：
，/>；
其中为最大传热量，/>；/>为蒸汽腔横截面积，/>；/>为蒸汽密度，与运行温度有关，/>；/>为汽化潜热，/>；/>为比热比，为/>；/>、/>分别为运行压力和不凝性气体气塞有效压力，/>；
，/>；
；
式中，为蒸汽腔直径，/>；/>为不凝性气体长度，/>；/>为运行温度，/>。
进一步地，在本发明中，所述依据所述比对结果生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述机械干预机构，具体包括：
当所述实验载出功率不符合所述理论毛细极限，生成第一控制信号，并将所述第一控制信号发送至所述机械干预机构；当所述实验载出功率符合理论毛细极限，生成第二控制信号，并将所述第二控制信号发送至所述机械干预机构；
当所述实验载出功率符合所述理论声速极限，生成第三控制信号，并将所述第三控制信号发送至所述机械干预机构。
进一步地，在本发明中，所述当所述实验载出功率符合所述理论声速极限，生成第三控制信号，并将所述第三控制信号发送至所述机械干预机构，具体包括：
当所述实验载出功率符合所述理论声速极限，依据声速理论模型计算所述高温热管的轴向位置对应内部蒸汽的马赫数，获取声速极限发生位置，计算公式为：
；
其中，为饱和蒸汽密度，/>；/>和/>分别为蒸汽轴向和径向速度，/>；/>为蒸发段单位长度的注入蒸汽质量流量，/>；/>为蒸汽在蒸汽腔内主流的质量流量，/>；/>与/>分别为蒸汽主流和蒸汽在饱和状态下的比焓，/>；/>为蒸汽与蒸汽腔的切应力，/>；/>为蒸汽腔直径，/>；
；
式中，为线功率密度，/>；/>为蒸发段有质量注入的充分发展层流摩擦因子；对于无质量注入的圆管充分发展层流摩擦因子/>；/>为径向雷诺数，/>为蒸汽的动力粘度，/>；
计算所述声速极限发生位置与电阻丝末端之间的距离差，生成第三控制信号，并将所述第三控制信号发送至所述机械干预机构；其中，所述电阻丝末端为靠近所述冷凝段一端。
进一步地，在本发明中，所述依据所述控制信号带动所述高温热管沿所述加热机构轴向移动，改变实验条件，具体包括：
依据所述第一控制信号和所述第三控制信号，控制所述机械干预机构带动所述高温热管朝向电阻丝初始端一侧移动；其中，所述电阻丝初始端为远离所述冷凝段一端；
依据所述第二控制信号，控制所述机械干预机构带动所述高温热管朝向电阻丝末端一侧移动；其中，所述电阻丝末端为靠近所述冷凝段一端。
进一步地，在本发明中，还包括计算所述高温热管启动时间，具体包括：
获取实验开始时刻，并间隔第二预设时间获取所述温度采集板卡采集的所述高温热管各热电偶测量点的温度数据列；
将各测点的所述温度数据列依次代入热管启动温度计算公式，迭代计算蒸汽流状态参数；
当所述蒸汽流状态参数满足启动条件，输出当前时刻为启动时刻；
计算所述启动时刻与所述实验开始时刻的差值，获取并显示各测点的启动时间。
本发明至少具有如下优点或有益效果：
本发明通过加热机构、测温机构、数据采集系统和机械干预机构，针对高温热管前期快速测试及评估试验，考虑采集的实时温度、温度变化率和毛细极限模型计算三种因素，采取不同的干预方法使热管温度回稳，便于下一工况测试，同时采用考虑不凝性气体的声速极限计算模型判断热管启动过程是否达到声速极限，结合考虑内部层流摩擦计算声速极限发生位置，改变蒸发段与声速极限发生的相对位置进行干预使热管平稳度过声速极限完成后续测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例一种高温热管传热极限的判断、干预装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例加热机构的结构示意图；
图3为本发明实施例机械干预机构的结构示意图；
图4为本发明实施例固定器的结构示意图；
图5为本发明实施例高温热管温度逐步超温到850℃瞬态图；
图6为本发明实施例升温速率异常瞬态图；
图7为本发明实施例理论毛细极限与载出功率对比图；
图8为本发明实施例启动过程声速极限温度分布特征图；
图9为本发明实施例考虑不凝性气体理论声速极限与载出功率对比图；
图10为本发明实施例高温热管轴向位置对应马赫数分布图；
图11为本发明实施例高温热管轴向位置对应启动时间示意图；
图12为本发明实施例机械一种高温热管传热极限的判断、干预方法的步骤流程图。
图标：100-高温热管，200-加热机构，210-加热筒，211-抱箍，220-中心通道，230-电阻丝，240-带螺纹微孔导管，250-异形保温材料，300-测温机构，310-热电偶，320-固定器，321-双头螺杆，322-锥形螺帽，323-夹头，400-数据采集系统，410-计算机，420-PLC控制仪，430-温度采集板卡，440-调压器，500-机械干预机构，510-步进电机，520-夹持器，530-丝杆滑台，540-丝杆支撑座，550-直线导轨，600-支架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参照图1-图4，所示为本发明实施例中一种高温热管传热极限的判断、干预装置的结构示意图；
本实施例提供一种高温热管传热极限的判断、干预装置，其包括加热机构200、测温机构300、数据采集系统400和机械干预机构500；
机械干预机构500设于加热机构200的一侧，高温热管100的冷凝段端部固定于机械干预机构500，高温热管100的蒸发段穿设于加热机构200内部，机械干预机构500用于控制高温热管100沿加热机构200轴向移动；
测温机构300设于加热机构200，并与数据采集系统400连接；数据采集系统400与机械干预机构500连接，数据采集系统400用于接收并处理测温机构300采集的温度数据，并将生成的控制信号发送至机械干预机构500。
下面，将对本示例性实施例一种高温热管100传热极限的判断、干预装置作进一步说明。
在本申请实施例中，上述加热机构200、测温机构300、数据采集系统400和机械干预机构500均设置在支架600上；如图2所示，上述加热机构200包括加热筒210，加热筒210由两个不锈钢外壳连接形成，两个不锈钢外壳上下对接，并在两端通过抱箍211连接；上述加热筒210内沿其轴向开设有中心通道220，中心通道220与高温热管100的外径相适配，中心通道220大小20mm；上述中心通道220周侧开设有加热槽，加热槽内均匀分布有多根电阻丝230，电阻丝230用于给高温热管100加热升温；上述两个不锈钢外壳内部放置异形保温材料250，具体地，根据加热筒210内部结构定制异形纳米保温材料，本实施例厚度优选为10cm，紧贴不锈钢外壳内壁面和电阻丝230，达到内部温度700℃而不锈钢外壳外壁温度小于30℃的效果，减少过多的热损失，起到保温作用。上述加热筒210内焊接有多根带螺纹微孔导管240，多根带螺纹微孔导管240沿加热筒210轴向间隔排列，其中，带螺纹微孔导管240与中心通道220连通，头部距离中心通道2203-4mm，测温机构300设于带螺纹微孔导管240内，用于检测高温热管100轴向多个测点的温度。
在本申请实施例中，上述测温机构300包括多根热电偶310，上述带螺纹微孔导管240的外端部设有固定器320，上述热电偶310穿设于带螺纹微孔导管240内，并通过固定器320固定。具体地，上述固定器320包括双头螺杆321、锥形螺帽322和夹头323，上述双头螺杆321的一端旋入带螺纹微孔导管240，夹头323设于双头螺杆321的另一端，上述锥形螺帽322旋合于双头螺杆321的另一端，并套设于夹头323的外侧。热电偶310从带螺纹微孔导管240插入，通过夹头323、双头螺杆321和锥形螺帽322配合固定，如图4所示，同时热电偶310也可实验过程中轻易移动，使测温头部与高温热管100保持1-2mm距离，起到快速测试实验中移动高温热管100不损害热电偶310的作用。
在本申请实施例中，上述数据采集系统400包括计算机410、PLC控制仪420、温度采集板卡430和调压器440，上述温度采集板卡430分别与热电偶310和计算机410连接，温度采集板卡430采集热电偶310检测到的高温热管100轴向各测点位置的温度，并将温度数据发送给计算机410，计算机410接收温度采集板卡430采集的温度数据，并将数据以图像的形式展示，并在采集的过程中做针对特殊测点位置做传热极限相关计算以及启动时间的计算，最后将采集的数据和处理的数据保存至后端存储器中；上述计算机410还分别与PLC控制仪420和机械干预机构500连接，计算机410依据采集的温度变化通过PLC控制仪420控制机械干预机构500带动高温热管100水平移动，以改变高温热管100的热流或载入功率；上述PLC控制仪420与调压器440连接，调压器440与电阻丝230连接，上述PLC控制仪420可以调控调压器440分别控制每根电阻丝230的电压产生热量，同时反馈功率信号到计算机410。
在本申请实施例中，上述机械干预机构500包括丝杆滑台530结构、步进电机510和夹持器520，上述步进电机510与丝杆滑台530结构传动连接，上述夹持器520设于丝杆滑台530结构顶部，夹持器520用于夹持高温热管100的冷凝段端部。具体地，上述丝杆滑台530结构包括丝杆滑台530、直线导轨550和丝杆支撑座540，直线导轨550固定于丝杆支撑座540上，丝杆滑台530滑动设于直线导轨550上，夹持器520固定于丝杆滑台530顶部，如图3所示。
在一具体实施例中，上述步进电机510通过计算机410精确到厘米量级控制丝杆滑台530在直线导轨550上滑动，通过夹持器520的带动实现高温热管100与电阻丝230的相对位移，从而起到降低热流密度和改变热流密度的作用，同时反馈高温热管100底部相对电阻丝230初始端的位置，得到电阻丝230处于高温热管100的具体位置，除用于高温热管100快速测试实验，也可深入研究不同热流密度对热管启动或者传热极限的影响。
实施例2
请参照图5-图12，所示为本发明实施例中一种高温热管传热极限的判断、干预方法的步骤流程图；
本实施例还提供一种高温热管传热极限的判断、干预方法，包括如下步骤：
S110、获取测温机构300采集的温度数据；
S120、当温度数据满足预设条件，依据当前温度数据和高温热管100的实验参数计算实验载出功率；
S130、计算预设条件下的理论传热极限，对比实验载出功率与相同工况下的理论传热极限，获得比对结果；
S140、依据比对结果生成控制信号，并将控制信号发送至机械干预机构500；
S150、依据控制信号带动高温热管100沿加热机构200轴向移动，改变实验条件。
下面，将对本示例性实施例一种高温热管100传热极限的判断、干预方法作进一步说明。
需要说明的是，本申请实施例分别针对高温热管100的毛细极限和声速极限进行判断和干预，下述将两种判断和干预方法的过程分开说明。
判断毛细极限的方法及干预方式包括以下步骤：
S110、获取测温机构300采集的温度数据；具体包括：获取温度采集板卡430实时采集的高温热管100不同测量位置的温度数据并以图像的形式反馈到计算机410。
S120、当温度数据满足第一预设条件，依据当前温度数据和高温热管100的实验参数计算实验载出功率；其中，上述实验参数为实验开始前，在计算机410中输入本次实验高温热管100内部吸液芯结构的参数、不同温度下对应的蒸汽密度、液相密度、液体粘度和汽化潜热等参数和关系式；
具体包括：当温度达到850℃的标准后，计算机410自动截取前二十分钟的瞬态温度趋势图，并计算得到升温速率，是否达到100℃/min，如图6所示，当升温速率大于等于100℃/min，触发异常升温的信号，计算机410获取20分钟内冷凝段进出口冷却剂的温度，即冷凝段进出口温差，根据计算公式计算该事件段内的载出功率（载出功率代表高温热管100真实的最大传热量），载出功率计算公式如下：
，
为载出功率，/>； 其中/>为比热容，/>；/>为单位下冷却剂的质量，；/>为进出口温差，/>。
需要说明的是，根据毛细极限的传热特点，由于毛细力作用抽回的液体不足以满足蒸发所需的量，蒸发段洗液芯干涸，冷凝段末端温度骤降，蒸发段管壁温度剧烈上升，如图5所示，计算机410收到温度超过850℃信号。
S130、计算第一预设条件下的理论毛细极限，对比第一预设条件下的实验载出功率与相同工况下的理论毛细极限，获得比对结果；
具体包括：根据实验前输入的吸液芯结构及不同运行温度下的参数得到理论毛细极限计算结果，理论毛细极限计算公式如下：
，
，/>，
其中，为最大传热量，/>；其中/>为液体表面张力系数，/>；/>为有效毛细半径，/>，与吸液芯结构有关；/>为热管直径方向上重力产生的压降，/>为蒸气腔直径，/>；/>为热管轴线与水平方向的夹角；/>为液体摩擦系数，其中/>为液体粘度，；/>为渗透率，/>；/>为洗液芯横截面积，/>；/>为液体密度，/>；/>为汽化潜热，/>；/>为蒸汽流摩擦系数，其中/>为阻力系数，/>为蒸汽粘度，/>；/>为蒸汽流道的横截面积，/>；/>为水力半径，/>为蒸汽密度，/>；/>为热管有效的长度，/>。
对比同一时间段内的载出功率曲线与理论毛细极限计算模型，偏差小于15%符合理论上的毛细极限，如图7所示。
S140、当实验载出功率不符合理论毛细极限，生成第一控制信号，并将第一控制信号发送至机械干预机构500；当实验载出功率符合理论毛细极限，生成第二控制信号，并将第二控制信号发送至机械干预机构500；
具体包括：当计算机410得到超温信号以及异常升温的信号，但载出功率计算结果不符合理论毛细极限，认定为第一类特殊状况，生成第一控制信号，将第一控制信号发送至步进电机510。当计算机410得到超温信号、异常升温信号以及计算结果符合理论毛细极限，认定为第二类特殊状况，生成第二控制信号，并将第二控制信号发送至步进电机510。
S150、依据第一控制信号、第二控制信号分别控制机械干预机构500带动高温热管100沿加热机构200轴向移动，改变实验条件；
具体包括：步进电机510接收到第一控制信号，按照处理第一类特殊现象状况进行工作，将按照实验前设置的第一类移动方式，在夹持器520的带动下水平移动，起到电阻丝230向高温热管100冷凝段移动的效果，防止温度过高不利于后续测试。步进电机510接收到第二控制信号，将按照实验前设置的第二类移动方式，在夹持器520的带动下使高温热管100水平移动，起到电阻丝230向高温热管100蒸发段移动的效果，远离电阻丝230的加热，起到降低热流的效果。抑制上述特殊工况后，即可迅速改变实验条件，进行后续不同实验条件下测试。
需要说明的是，上述两类移动方式的区别是移动方向不一样，第一类移动方式的移动方向就是将热管往电阻丝230初始端方向移动，第一类没有起到减小功率的效果，只是改变了加热位置，第二类移动方式的移动方向就是将热管往电阻丝230末端方向移动，起到了降低功率的效果，两种移动方式的目的都是防止热管温度持续升高，容易损坏内部的结果以及不利于人员安全。其中，上述电阻丝230初始端为远离冷凝段一端，电阻丝230末端为靠近冷凝段一端。
判断声速极限的方法和干预方式包括以下步骤：
S110、获取测温机构300采集的温度数据；具体包括：获取温度采集板卡430实时采集的高温热管100不同测量位置的温度数据并以图像的形式反馈到计算机410，如图8所示。
S120、当温度数据满足第二预设条件，依据当前温度数据和高温热管100的实验参数分别计算实验载出功率；其中，上述实验参数为实验开始前，在计算机410输入本次实验高温热管100的蒸汽腔横截面积、蒸汽腔的横截面积、不凝性气体的长度参数以及蒸汽密度和汽化潜热与运行温度的关系式等；
需要说明的是，上述不凝性气体存在热管内部，一般热管放置时间长了，内部的工质会与热管壁面材质发生化学反应产生不凝性气体，影响热管声速极限的最大传热量，通过常规的手段计算往往与实验值会有极大的误差，因此本申请在计算过程中考虑不凝性气体的含量进行计算，会与实验值符合较好，图9对比了考虑不凝性气体的结果与经典公式的计算结果与实验值的对比。
具体包括：当温度数据满足第二预设条件，计算不同冷凝条件下的实验载出功率；其中，第二预设条件为启动过程中蒸发段温度持续升高，其余位置温度变化不明显，热量明显无法传递到高温热管100冷凝段，即观察到不同冷凝条件下蒸发段温度升高而冷凝段温度不受影响时，符合声速极限的现象，其中，上述不同冷凝条件为人为改变冷凝段通入不同温度的冷凝工质。上述载出功率计算公式同上：
，
为载出功率，/>； 其中/>为比热容，/>；/>为单位下冷却剂的质量，；/>为进出口温差，/>。
S130、计算第二预设条件下的理论声速极限，对比所述第二预设条件下的所述实验载出功率与相同工况下的理论声速极限，分别获得比对结果；
具体包括：采用考虑不凝性气体的声速极限计算模型，计算不同冷凝稳定条件下的最大传热量，计算公式为：
，/>；
其中为最大传热量，/>；/>为蒸汽腔横截面积，/>；/>为蒸汽密度，与运行温度有关，/>；/>为汽化潜热，/>；/>为比热比，为/>；/>、/>分别为运行压力和不凝性气体气塞有效压力，/>；
，/>；
；
式中，为蒸汽腔直径，/>；/>为不凝性气体长度，/>；/>为运行温度，/>。
根据计算结果，计算机对比实验载出功率与理论模型计算的最大传热量（即理论声速极限），获得比对结果。
S140、当实验载出功率符合理论声速极限，生成第三控制信号，并将第三控制信号发送至机械干预机构500；
具体包括：当实验载出功率与理论模型计算的最大传热量偏差小于10%，如图9所示，即可说明实验遇到声速极限的限制，视为第三类特殊状况；根据考虑内部层流摩擦情况下，计算高温热管100的轴向位置对应内部蒸汽的马赫数，当马赫数趋近于1时，证明该点内部蒸汽的流速达到声速；如图10所示，依据声速理论模型计算高温热管100的轴向位置对应内部蒸汽的马赫数，获取声速极限发生位置，计算公式为：
；
其中，为饱和蒸汽密度，/>；/>和/>分别为蒸汽轴向和径向速度，/>；/>为蒸发段单位长度的注入蒸汽质量流量，/>；/>为蒸汽在蒸汽腔内主流的质量流量，/>；/>与/>分别为蒸汽主流和蒸汽在饱和状态下的比焓，/>；/>为蒸汽与蒸汽腔的切应力，/>；/>为蒸汽腔直径，/>；
；
式中，为线功率密度，/>；/>为蒸发段有质量注入的充分发展层流摩擦因子；对于无质量注入的圆管充分发展层流摩擦因子/>；/>为径向雷诺数，/>为蒸汽的动力粘度，/>；
计算得到声速极限发生位置后，计算机410将从步进电机510获取得到电阻丝230末端处于高温热管100的轴向位置，从而计算求取声速极限发生位置与电阻丝230末端之间的距离差，生成距离信号，并生成第三控制信号，并将第三控制信号发送至步进电机510。其中，由于电阻丝230的位置是确定的，高温热管100移动的距离是通过步进电机510控制，相当于在x轴上电阻丝230的坐标是确定的，高温热管100可移动的距离在一定范围，以高温热管100底部为参照点（高温热管100底部即蒸发段端部），步进电机510控制高温热管100在X轴方向移动，从而可确定电阻丝230位于高温热管100的位置，将位置信息实时反馈至计算机410；通过第三控制信号将电阻丝230末端移动到声速极限计算模型计算得到发生声速极限的位置，使该处位置位于蒸发段，声速极限往往发生在蒸发段后面靠近冷凝段。
S150、依据第三控制信号控制机械干预机构500带动高温热管100沿加热机构200轴向移动，改变实验条件；
具体包括：步进电机510接收到第三控制信号后，按照处理第三类特殊现象状况进行工作，将按照实验前设置的第三类移动方式，移动方向为电阻丝230的初始端方向，移动距离为上述声速极限发生位置与电阻丝230末端之间的距离差，以使声速极限发生位置处于加热端，起到改变热流密度的作用，提高该位置的运行温度，使高温热管100平稳度过声速极限的限制；当高温热管100发生声速极限位置后的运行温度提高，方可继续改变热流密度完成后续测试。
本申请实施例还包括步骤S160、计算高温热管100启动时间。启动时间是说明高温热管100好坏的一个量，在测试实验中可以表征热管是否达到使用或者科研的标准。
具体包括：计算机410获取并记录下实验开始时间刻，以当前开始的时间作为起始时间，并间隔第二预设时间获取温度采集板卡430采集的高温热管100各热电偶310测量点的温度数据列；其中，第二预设时间为1s，即间隔1s获取温度数据列；
将各测点的温度数据列依次代入热管启动温度计算公式，迭代计算蒸汽流状态参数；其中，实验前在计算机410中输入高温热管100需要计算启动时间的轴向位置、蒸汽腔的直径、高温热管100内部工质的有效分子直径以及饱和蒸汽压与蒸汽温度的关系式；计算公式为：
，
，
式中，为温度，/>；/>为蒸汽流状态；/>为蒸汽腔直径，/>；/>为工质分子的有效分子直径，/>； />为饱和蒸汽压，/>；/>，为玻尔兹曼常数，/>。
当所述蒸汽流状态参数满足启动条件，输出当前时刻为启动时刻。其中，上述启动条件为的计算结果为：/>=0.01。计算机计算所述启动时刻与所述实验开始时刻的差值，获取各测点的启动时间，依次将高温热管轴向已启动位置的启动时间显示，如图11所示。最后将输入的测点位置和对应的启动时间保存到存储器中。/>
本申请实施例针对高温热管100前期快速测试及评估试验，考虑采集的实时温度、温度变化率和毛细极限模型计算三种因素，采取不同的干预方法使热管温度回稳，便于下一工况测试，同时采用考虑不凝性气体的声速极限计算模型判断热管启动过程是否达到声速极限，结合考虑内部层流摩擦计算声速极限发生位置，改变蒸发段与声速极限发生的相对位置进行干预使热管平稳度过声速极限完成后续测试。解决了高温热管100快速测试实验中安装和拆卸繁琐、加热不均匀，影响测试进度，解决了测试进行到高功率时导致电阻丝230失效而无法进行下一步实验的问题，达到高温热管100快速测试的目的；提供了在热管测试中遇到毛细极限、声速极限等传热极限的判断方法、不影响测试进度的干预措施，便于后续高温热管100的性能测试。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种高温热管传热极限的判断、干预装置，其特征在于，包括加热机构、测温机构、数据采集系统和机械干预机构；
所述机械干预机构设于所述加热机构的一侧，高温热管的冷凝段端部固定于所述机械干预机构，所述高温热管的蒸发段穿设于所述加热机构内部，所述机械干预机构用于控制所述高温热管沿所述加热机构轴向移动；
所述测温机构设于所述加热机构，并与所述数据采集系统连接；所述数据采集系统与所述机械干预机构连接，所述数据采集系统用于接收并处理所述测温机构采集的温度数据，并将生成的控制信号发送至所述机械干预机构；
所述加热机构包括加热筒，所述加热筒内沿其轴向开设有中心通道，所述中心通道与所述高温热管的外径相适配；所述中心通道周侧开设有加热槽，所述加热槽内均匀分布有多根电阻丝；所述加热筒内设有多根带螺纹微孔导管，多根所述带螺纹微孔导管沿所述加热筒轴向间隔排列，其中，所述带螺纹微孔导管与所述中心通道连通；
所述机械干预机构包括丝杆滑台结构、步进电机和夹持器，所述步进电机与所述丝杆滑台结构传动连接，所述夹持器设于所述丝杆滑台结构顶部，所述夹持器用于夹持所述高温热管的冷凝段端部。
2.根据权利要求1所述的高温热管传热极限的判断、干预装置，其特征在于，所述测温机构包括多根热电偶，所述带螺纹微孔导管的外端部设有固定器，所述热电偶穿设于所述带螺纹微孔导管内，并通过所述固定器固定。
3.根据权利要求2所述的高温热管传热极限的判断、干预装置，其特征在于，所述固定器包括双头螺杆、锥形螺帽和夹头，所述双头螺杆的一端旋入所述带螺纹微孔导管，所述夹头设于所述双头螺杆的另一端，所述锥形螺帽旋合于所述双头螺杆的另一端，并套设于所述夹头的外侧。
4.根据权利要求2所述的高温热管传热极限的判断、干预装置，其特征在于，所述数据采集系统包括计算机、PLC控制仪、温度采集板卡和调压器，所述温度采集板卡分别与所述热电偶和所述计算机连接，所述计算机还分别与所述PLC控制仪和所述机械干预机构连接，所述PLC控制仪与所述调压器连接，所述调压器与所述电阻丝连接。
5.根据权利要求1所述的高温热管传热极限的判断、干预装置，其特征在于，所述加热筒由两个不锈钢外壳连接形成，两个所述不锈钢外壳上下对接，并在两端通过抱箍连接。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述装置的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取所述测温机构采集的温度数据；
当所述温度数据满足预设条件，依据当前所述温度数据和所述高温热管的实验参数计算实验载出功率；
计算预设条件下的理论传热极限，对比所述实验载出功率与相同工况下的理论传热极限，获得比对结果；
依据所述比对结果生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述机械干预机构；
依据所述控制信号带动所述高温热管沿所述加热机构轴向移动，改变实验条件。
7.根据权利要求6所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述获取所述测温机构采集的温度数据，具体包括：
获取所述温度采集板卡采集的多个热电偶测量位置的温度数据，并将所述温度数据处理后以图文形式显示。
8.根据权利要求6所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述当所述温度数据满足预设条件，依据当前所述温度数据和所述高温热管的实验参数计算实验载出功率，具体包括：
当所述温度数据满足第一预设条件，截取当前时间前第一预设时间内的瞬态温度趋势图，并计算升温速率；其中，所述第一预设条件为温度大于等于850℃；
当所述升温速率大于等于100℃/min，触发异常升温信号，并获取所述第一预设时间内所述冷凝段进出口温差，依据所述冷凝段进出口温差计算实验载出功率；
当所述温度数据满足第二预设条件，计算不同冷凝条件下的实验载出功率；其中，所述第二预设条件为启动过程中蒸发段温度持续升高，其余位置温度变化不明显，热量明显无法传递到高温热管冷凝段。
9.根据权利要求6所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述计算预设条件下的理论传热极限，对比所述实验载出功率与相同工况下的理论传热极限，获得比对结果，具体包括：
计算第一预设条件下的理论毛细极限，对比所述第一预设条件下的所述实验载出功率与相同工况下的理论毛细极限，获得第一比对结果；
计算第二预设条件下的理论声速极限，对比所述第二预设条件下的所述实验载出功率与相同工况下的理论声速极限，获得第二比对结果。
10.根据权利要求9所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述计算第二预设条件下的理论声速极限，具体包括：
计算第二预设条件下考虑不凝性气体影响的理论声速极限，计算公式为：
，/>；
其中为最大传热量，W；/>为蒸汽腔横截面积，m2；/>为蒸汽密度，与运行温度有关，kg/m3；/>为汽化潜热，/>；/>为比热比，为/>；/>、/>分别为运行压力和不凝性气体气塞有效压力，/>；
，/>；
；
式中，D为蒸汽腔直径，m；为不凝性气体长度，m；/>为运行温度，K。
11.根据权利要求9所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述依据所述比对结果生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述机械干预机构，具体包括：
当所述实验载出功率不符合所述理论毛细极限，生成第一控制信号，并将所述第一控制信号发送至所述机械干预机构；当所述实验载出功率符合理论毛细极限，生成第二控制信号，并将所述第二控制信号发送至所述机械干预机构；
当所述实验载出功率符合所述理论声速极限，生成第三控制信号，并将所述第三控制信号发送至所述机械干预机构。
12.根据权利要求11所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述当所述实验载出功率符合所述理论声速极限，生成第三控制信号，并将所述第三控制信号发送至所述机械干预机构，具体包括：
当所述实验载出功率符合所述理论声速极限，依据声速理论模型计算所述高温热管的轴向位置对应内部蒸汽的马赫数，获取声速极限发生位置，计算公式为：
；
其中，为饱和蒸汽密度，/>；/>和/>分别为蒸汽轴向和径向速度，m/s；/>为蒸发段单位长度的注入蒸汽质量流量，kg/(m·s)；/>为蒸汽在蒸汽腔内主流的质量流量，kg/s；h与hE分别为蒸汽主流和蒸汽在饱和状态下的比焓，J/kg；/>为蒸汽与蒸汽腔的切应力，Pa；D为蒸汽腔直径，m；
；
式中，为线功率密度，w/m；/>为蒸发段有质量注入的充分发展层流摩擦因子；对于无质量注入的圆管充分发展层流摩擦因子/>；/>为径向雷诺数，/>为蒸汽的动力粘度，Pa·s；
计算所述声速极限发生位置与电阻丝末端之间的距离差，生成第三控制信号，并将所述第三控制信号发送至所述机械干预机构；其中，所述电阻丝末端为靠近所述冷凝段一端。
13.根据权利要求11所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，所述依据所述控制信号带动所述高温热管沿所述加热机构轴向移动，改变实验条件，具体包括：
依据所述第一控制信号和所述第三控制信号，控制所述机械干预机构带动所述高温热管朝向电阻丝初始端一侧移动；其中，所述电阻丝初始端为远离所述冷凝段一端；
依据所述第二控制信号，控制所述机械干预机构带动所述高温热管朝向电阻丝末端一侧移动；其中，所述电阻丝末端为靠近所述冷凝段一端。
14.根据权利要求6所述的高温热管传热极限的判断、干预方法，其特征在于，还包括计算所述高温热管启动时间，具体包括：
获取实验开始时刻，并间隔第二预设时间获取所述温度采集板卡采集的所述高温热管各热电偶测量点的温度数据列；
将各测点的所述温度数据列依次代入热管启动温度计算公式，迭代计算蒸汽流状态参数；
当所述蒸汽流状态参数满足启动条件，输出当前时刻为启动时刻；
计算所述启动时刻与所述实验开始时刻的差值，获取并显示各测点的启动时间。
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