CN116718401A - 液态金属高温脉动热管风冷装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液态金属高温脉动热管风冷装置和测试方法，装置包括热风机、干燥机、冷却室、高温脉动热管、加热装置、测温装置、气体流道、湿度计、压力计、气体质量流量计、冷却器、信号采集装置和数据处理系统，热风机与冷却室相连，内部形成气体流道；高温脉动热管的蒸发段伸入加热装置内部，冷凝段伸入冷却室内部；测温装置与冷却室和高温脉动热管相连；湿度计、气体质量流量计和压力计安装在干燥机和冷却室连接的管道上；冷却器与冷却室和第六管道相连；湿度计、压力计、气体质量流量计和测温装置与信号采集装置相连。本发明可满足液态金属高温脉动热管在1200℃以上加热环境中的冷却需求，实现高达400℃的可控风冷环境。
Description
技术领域
本发明涉及脉动热管研究技术领域，具体而言，尤其涉及一种液态金属高温脉动热管风冷装置和测试方法。
背景技术
脉动热管于20世纪90年代最先提出，是一种新型、高效的传热元件，可用于满足微小空间、高热流密度条件下的被动式散热与集热需求，因其良好的传热性能备受关注。脉动热管主要结构包括蒸发段、绝热段和冷凝段，其中蒸发段为吸热部分，冷凝段为放热部分，根据实际需求，在蒸发段和冷凝段之间布置绝热段。由于表面张力的作用，工质在管内形成液塞、气塞间隔分布的状态。在工作时，热量通过管壁对蒸发段工质进行加热，工质受热后，在壁面产生核态沸腾，随着加热的进行，核态沸腾加剧，更多的气泡在活跃的成核点形成、生长、脱离，气塞压力增大，体积膨胀，进而推动液塞流向冷凝段，工质在冷凝段通过与低温壁面进行换热，气塞收缩甚至破裂，压力降低，液塞在重力和弯头之间压差的作用下回流至蒸发段，完成一次工作循环。目前脉动热管已应用于电池热管理、工业控温炉、大功率LED灯散热、数据中心冷却系统和芯片散热等领域。
随着高超音速飞行器、原子能热控制、太阳能及其他高温工业领域的迅速发展，高温环境下的高热流疏导问题越发制约尖端设备的发展，亟需一种在极端高温环境下具有良好传热性能的元件。目前对于工作温区在-270℃～250℃的低温和常温脉动热管已进行大量研究，但极少涉及高温领域。液态金属高温脉动热管的发明填补了脉动热管在超过500℃的高温区中应用的空白，将脉动热管的研究与应用扩展到高温领域，为高温环境下高热流疏导及散热问题的解决提供了一种新思路。
结合高温脉动热管的高温应用环境，在高温脉动热管的冷却方面，使用风冷对其进行冷却是一种高效可行的冷却方式。但由于液态金属工质的特性和高温环境测试与应用存在较大难度，目前的热管及脉动热管风冷装置无法适用于高温脉动热管，缺乏液态金属高温脉动热管强制对流冷却装置和方法，无法满足液态金属高温脉动热管在风速、风量、温度、湿度等多影响因素耦合影响下的测试与计量需求，难以对平均温度超过500℃、热流密度可超过1000W/cm2的高温脉动热管进行性能优化，缺少工业应用的基础。本发明提供了一种液态金属高温脉动热管强制对流冷却装置和方法，基于此装置和方法可满足不同风速、风量、温度、湿度等影响下的高温脉动热管性能测试，测试过程中高温脉动热管的平均温度可超过500℃，热流密度可超过1000W/cm2，根据应用场景，对多个因素的影响进行耦合，获得一种基于应用场景的液态金属高温脉动热管风冷性能分析与优化指标，通过对风冷指标进行分析，提高其传热性能，为高温脉动热管的研究与应用打下基础。
发明内容
根据上述提出的目前的热管及脉动热管风冷装置无法适用于高温脉动热管，缺乏液态金属高温脉动热管强制对流冷却装置和方法，无法满足液态金属高温脉动热管在风速、风量、温度、湿度等多影响因素耦合影响下的测试与计量需求，难以对平均温度超过500℃、热流密度可超过1000W/cm2的高温脉动热管进行性能优化，缺少工业应用的基础的技术问题，而提供一种液态金属高温脉动热管风冷装置和测试方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种液态金属高温脉动热管风冷装置，包括：热风机、干燥机、冷却室、高温脉动热管、加热装置、测温装置、气体流道、湿度计、压力计、气体质量流量计、冷却器、信号采集装置和数据处理系统，所述热风机、干燥机和冷却室依次通过管道相连，内部形成气体流道；所述热风机用于提供冷却气体，通过第一管道与干燥机相连；所述干燥机用于对冷却气体进行干燥；
所述加热装置与高温脉动热管相连，所述高温脉动热管为液态金属高温脉动热管，包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述蒸发段伸入加热装置内部进行吸热，所述冷凝段伸入冷却室内部，通过冷却室内的冷却气体对冷凝段进行冷却；绝热段位于蒸发段和冷凝段之间；
所述测温装置与冷却室和高温脉动热管相连，用于测量冷却室和高温脉动热管的壁温，以及流经冷却室进出口处的冷却气体温度；
所述湿度计、压力计和气体质量流量计依次安装在干燥机和冷却室连接的管道上，所述湿度计靠近干燥机，用于测量当前冷却气体的湿度；所述气体质量流量计用于测量冷却气体的质量流量；所述压力计用于测量管道内部气体压力，对气体质量流量计进行校准；
所述冷却器的一侧通过第五管道与冷却室相连，另一侧与第六管道相连，所述第六管道与外界环境相连，所述冷却器用于对冷却气体进行降温和过滤，冷却器处理后的气体通过第六管道排放至大气；
所述湿度计、压力计、气体质量流量计和测温装置与信号采集装置相连，所述信号采集装置与数据处理系统相连。
进一步地，所述测温装置包括RTD温度传感器和多个K型热电偶，所述RTD温度传感器至少设有两个，分布在冷却室前后侧的进风口和出风口处，用于测量进风口和出风口处的冷却气体温度；所述冷却室的内外侧均布置至少4个K型热电偶，用于测量冷却室内外壁温；所述高温脉动热管的外表面至少布置三倍于弯头数的K型热电偶，用于测量高温脉动热管壁温。
进一步地，所述RTD温度传感器、湿度计、压力计和气体质量流量计均用于测量气体流道中心位置数据。
进一步地，所述冷却室和各管道的外侧布置保温棉，所述高温脉动热管的绝热段使用保温棉包裹进行绝热。
进一步地，所述热风机可控制排气温度和排气量，排气温度范围为0～400℃，排气量不小于每小时220立方米；
所述冷却气体为非易燃易爆气体，所述非易燃易爆气体至少为空气、氩气或氮气等。
进一步地，所述加热装置至少为加热炉、加热块、加热丝、感应加热器、红外加热装置或石英灯加热装置，所述加热装置采用高温加热炉时的最高温度可达1400℃。
进一步地，所述干燥机依次通过第二管道和第三管道与冷却室连接，所述冷却室采用第四管道；
所述湿度计安装在第二管道上，用于测量第二管道处冷却气体湿度；所述气体质量流量计连接在第二管道和第三管道之间，所述压力计伸入第二管道中心位置，用于测量气体质量流量计前端气体压力，以对气体质量流量计进行校准；
所述第四管道的进出口处分别布置进风口RTD温度传感器和出风口RTD温度传感器，所述进风口RTD温度传感器和出风口RTD温度传感器均伸入第四管道的中心位置；
所述信号采集装置采用数据采集系统。
进一步地，所述高温脉动热管可在高于500℃以上环境中工作，通过工质振荡传递热量；所述高温脉动热管的结构表现为耐高温金属管弯曲组成的密闭蛇形阵列；
所述高温脉动热管的工质至少为钠、钾、锂、铯、铷或汞中的一种，或一种以上组成的合金，合金中每种金属的比例均为0～100％；
所述高温脉动热管的形式至少为管式脉动热管、板式脉动热管、异形脉动热管或高温脉动热管换热器，所有形式均包括开式和闭式两种形式。
本发明还提供了一种液态金属高温脉动热管风冷装置的测试方法，用于对高温脉动热管进行性能测试，包括如下步骤：
步骤一、将湿度、风量和温度分别分为x、y和z个梯度；
步骤二、启动热风机进行供气，根据需求设定风量和温度，启动干燥机，对冷却气体进行干燥，可控制湿度范围10％～30％，根据压力对气体质量流量计进行校准，数据采集系统实时记录湿度计、压力计、气体质量流量计、进风口RTD温度传感器、出风口RTD温度传感器、第四管道内外表面K型热电偶和高温脉动热管表面的K型热电偶数据；
步骤三、调节高温加热炉倾角，将高温加热炉调至低功率加热状态进行暖机，在暖机过程中，对K型热电偶、RTD温度传感器和数据采集系统进行调试；将高温加热炉设置多段加热功率、加热温度和加热时间，对高温脉动热管进行加热，在实验过程中，气体流量和温度维持恒定；达到设定温度后，记录高温脉动热管温度变化和冷却气体温度变化等实验数据，观察相关设备运转情况；
步骤四、实验结束后，关闭高温加热炉，调低气体温度进入降温过程，完成一组实验；
步骤五、根据实际需求，更改湿度、风量和温度，至少进行x·y·z组实验，每组实验至少重复3次，全面获得冷却气体湿度、风量和温度对高温脉动热管性能影响的数据，通过数据处理获取湿度、风量和温度耦合作用对高温脉动热管的影响规律，掌握风冷条件下的高温脉动热管启动和传热性能，进一步实现高温脉动热管传热性能的优化。
进一步地，基于所述高温加热炉温度较高，在加热过程中向环境中存在大量的漏热，高温加热炉的电功率无法等价于高温脉动热管的输入功率，将高温脉动热管的加热功率通过测量冷凝段传递的热量来计算，加热功率包括风冷带走的热量和冷凝段向环境的漏热；
所述高温脉动热管的输入功率满足如下公式：
Qe＝Qw+Qd；
Qw＝(Cp)wqm(Tp-Tj)；
式中：Qe为高温脉动热管加热功率，Qw为高温脉动热管的冷凝段由冷却气体带走的热量，Qd为冷凝段漏热，(Cp)w为当前温度下气体的比热容，根据湿度查表得到，qm为气体质量流量计所测冷却气体的质量流量，Tp为出风口三通处RTD温度传感器所测温度，Tj为进风口三通处RTD温度传感器所测温度，kd为冷凝段保温层材料的导热系数，Ad为保温层的面积，H为保温层厚度，为保温层内部平均温度，/>为保温层外部平均温度；
所述高温脉动热管的热流密度满足如下公式：
式中：Qe′为高温脉动热管热流密度，A为高温脉动热管截面面积，N为弯头数，Do为外径；
所述高温脉动热管的导热系数满足如下公式：
式中：k为高温脉动热管的导热系数，Leff为冷热端有效距离，Leva、Ladi和Lcon分别为蒸发段、绝热段和冷凝段的长度，为蒸发段的平均温度，/>为冷凝段的平均温度；
所述高温脉动热管的热阻满足如下公式：
式中：R为高温脉动热管热阻。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的液态金属高温脉动热管风冷装置和测试方法，可满足液态金属高温脉动热管在1200℃以上加热环境中的冷却需求，实现高达400℃的可控风冷环境，高温脉动热管的平均温度可超过500℃，热流密度可超过1000W/cm2。
2、本发明提供的液态金属高温脉动热管风冷装置和测试方法，其风道前后设置了两个RTD温度传感器、气体质量流量计、气体湿度计、压力计等，风道外侧设置多层保温棉，可准确计量风速、风量、温度、湿度等多因素影响下的传热性能，保证冷却部分漏热小于5％。
3、现有关于脉动热管风冷装置中，仅可控制冷却风速，而无法控制空气的湿度和温度。在脉动热管的研究和应用中，湿度和温度影响空气的质量、密度和比热容，不同湿度和温度下的空气物性存在较大区别，这导致仅控制风速得到的研究结果存在较大误差。特别是在高温环境下，空气的湿度对脉动热管的性能、寿命等影响更大。更重要的是在高温脉动热管性能计算中，涉及到空气的比热容，现有风冷技术更加无法适用。本发明克服上述缺点，通过热风机、干燥机、湿度仪、RTD温度传感器等控制冷气空气的风速、湿度和温度，实现高温脉动热管在不同风冷环境下的测试和性能计算。
4、现有研究中的风冷测试方法中，研究的为风速单一变量影响下的常温脉动热管性能，无法实现高达400℃的可控风冷环境，且无法通过冷凝段传热量计算传热性能。而脉动热管应用过程中，其传热性能受风速、风量、温度、湿度等多个因素的耦合影响，单一变量的研究无法对其性能优化与应用提供参考。本发明提供的液态金属高温脉动热管强制对流冷却装置和方法，可通过精确测量风速、风量、温度、湿度等多个参数值，并根据管路排布计算得到对流换热系数，将对流换热系数作为衡量强制对流冷却强度的指标，通过进行对流换热系数影响下的高温脉动热管传热性能分析，掌握多个风冷因素耦合影响下的高温脉动热管传热性能规律，实现高温脉动热管结构和性能的优化。
综上所示，本发明提供的液态金属高温脉动热管风冷装置和性能测试方法，能够解决现有脉动热管技术方案中无法提供高达400℃的风冷条件问题，将脉动热管的风冷技术首次推向高温。克服了现有技术中只能控制风速单一变量的缺点，实现了风速、风量、温度、湿度等多个因素的耦合影响下的高温脉动热管测试与优化。
基于上述理由本发明可在脉动热管的冷却等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1为本发明高温脉动热管示意图。
图2为本发明装置示意图。
图3为本发明冷凝段对流换热示意图(俯视)。
图中：1、热风机；2、第一管道；3、干燥机；4、湿度计；5、第二管道；6、压力计；7、气体质量流量计；8、第三管道；9、进风口RTD温度传感器；10、第四管道；11、数据采集系统；12、高温脉动热管；13、出风口RTD温度传感器；14、第五管道；15、冷却器；16、第六管道；17、数据处理系统；18、高温加热炉；19、蒸发段；20、绝热段；21、冷凝段。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1-3所示，本发明提供了一种液态金属高温脉动热管风冷装置和性能测试方法。
本发明中，高温脉动热管12为液态金属高温脉动热管，可在高于500℃以上环境中工作，通过工质振荡传递热量。结构包括蒸发段19、绝热段20、冷凝段21，表现为耐高温金属管弯曲组成的密闭蛇形阵列。高温脉动热管12使用工质为钠、钾、锂、铯、铷或汞中的一种金属，或一种以上组成的合金，合金中每种金属的比例均为0～100％。高温脉动热管12的形式包括管式脉动热管、板式脉动热管、异形脉动热管、高温脉动热管换热器，其中所有形式均包括开式、闭式两种形式。
高温脉动热管的加热装置可用加热炉、加热块、加热丝、感应加热器、红外加热或石英灯加热。本实施方式中，加热装置采用高温加热炉18。
高温脉动热管强制对流冷却装置(风冷装置)和方法使用的冷却介质(冷却气体)为空气、氩气或氮气等非易燃易爆气体。
本发明的高温脉动热管强制对流冷却装置主要包括：高温加热炉18、高温脉动热管12、K型热电偶、RTD温度传感器、热风机1、气体质量流量计7、湿度计4、压力计6、冷却室、气体流道和信号采集装置。其中，热风机1通过管道与冷却室相连，内部形成气体流道。高温脉动热管12的蒸发段19伸入高温加热炉18内部，高温加热炉18最高温度可达1400℃。绝热段20使用保温棉包裹进行绝热。冷凝段21伸入冷却室内部，通过冷却室内的气体对冷凝段21进行冷却。冷却气体由热风机1进行供气，可控制排气温度和排气量，热风机1排气温度范围为0～400℃，排气量不小于每小时220立方米。气体质量流量计7用于测量冷却气体的质量流量。湿度计4用于测量当前冷却气体的湿度。压力计6用于测量风道(靠近热风机1的管道)内部气体压力，以对气体质量流量计7进行校准。冷却室前后(进风口和出风口处)各放置至少一个RTD温度传感器，用于测量前后冷却气体温度。冷却室和各管道的外侧布置保温棉，减少因辐射导致的漏热，冷却室的内外侧均布置至少4个K型热电偶，用于测量冷却室内外壁温。高温脉动热管12外表面至少布置三倍于弯头数的K型热电偶，用于测量高温脉动热管12壁温，计算传热性能。RTD温度传感器、气体质量流量计7、湿度计4和压力计6均用于测量气体流道中心位置数据。
本发明的液态金属高温脉动热管风冷装置，包括上述高温脉动热管强制对流冷却装置。具体包括：干燥机3、第一管道2、湿度计4、热风机1、第二管道5、压力计6、气体质量流量计7、第三管道8、进风口RTD温度传感器9、第四管道10(冷却室)、数据采集系统11(信号采集装置)、高温脉动热管12、出风口RTD温度传感器13、第五管道14、冷却器15、第六管道16、数据处理系统17和高温加热炉18。高温脉动热管12包括蒸发段19、绝热段20和冷凝段21，其外表面放置不少于弯头数三倍数量的K型热电偶以测量壁温。热风机1、干燥机3和第四管道10依次通过管道相连，内部形成气体流道。第二管道5、第三管道8、第四管道10、第五管道14的外表面外壁面包裹保温棉，减少管道漏热，第四管道10内外表面各布置不少于4个K型热电偶，用于测量壁温。湿度计4用于测量冷却气体管道入口湿度；冷却气体由热风机1进行供气，可控制排气温度和排气量，热风机1排气温度范围为0～400℃，排气量不小于每小时220立方米；压力计6用于测量第二管道5内部气体压力，压力值用于对气体质量流量计7进行调试，增加质量流量精度；气体质量流量计7用于测量冷却气体的质量流量，流量范围0～360kg/h，测量精度小于0.2％；进风口RTD温度传感器9和出风口RTD温度传感器13用于测量第四管道10进口处和出口处温度；数据采集系统11由湿度计4、压力计6、气体质量流量计7、进风口RTD温度传感器9、出风口RTD温度传感器13、第四管道10内外表面K型热电偶和高温脉动热管12表面的K型热电偶组成，通过数据线将采集数据传递至数据处理系统17，进一步对数据进行处理；冷却器15用于对高温冷却气体进行冷却。
热风机1对风冷装置进行供气，通过第一管道2与干燥机3相连，干燥机3用于对冷却气体进行干燥。干燥机3通过第二管道5连接气体质量流量计7，湿度计4靠近干燥机3并伸入第二管道5中心位置，测量第二管道5处冷却气体湿度；压力计6位于湿度计4和气体质量流量计7之间，并伸入第二管道5中心位置，测量气体质量流量计7前端气体压力，以对气体质量流量计7进行校准；气体质量流量计7通过第三管道8连接第四管道10，第四管道10的进出口处分别布置进风口RTD温度传感器9和出风口RTD温度传感器13，用于测量高温脉动热管前后的冷却气体温度，进风口RTD温度传感器9和出风口RTD温度传感器13均伸入第四管道10中心位置；高温脉动热管12的蒸发段19伸入高温加热炉18进行吸热，冷凝段21伸入第四管道10内部进行冷却，绝热段20位于蒸发段19和冷凝段21之间，由保温棉进行包裹绝热；第四管道10通过第五管道14连接冷却器15，冷却器15用于对冷却气体进行降温和过滤；冷却器15处理后的气体通过第六管道16排放至大气。
通过上述强制对流装置，可控制高温脉动热管12的加热温度、加热速度、加热功率，通过调节高温加热炉18的加热程序可以设定多段加热过程参数，调节加热速度与目标炉温并进行保温，且保证稳定工作后加热功率保持恒定；通过强制对流冷却装置，可控制冷却介质的入口湿度、流量和温度，保证冷却环境的稳定；通过数据采集系统11和数据处理系统17，可以精确采集温度的变化、系统漏热和冷却介质温度的变化，满足高温环境中多种复杂风冷测试需求。
本发明的液态金属高温脉动热管风冷装置的测试方法，用于对高温脉动热管12进行性能测试，具体测试流程为：
将湿度、风量和温度分别分为x、y和z个梯度。启动热风机1进行供气，根据需求设定风量和温度，启动干燥机3，对冷却气体进行干燥，可控制湿度范围10％～30％，根据压力对气体质量流量计7进行校准，数据采集系统11实时记录湿度计4、压力计6、气体质量流量计7、进风口RTD温度传感器9、出风口RTD温度传感器13、第四管道10内外表面K型热电偶和高温脉动热管12表面的K型热电偶数据。调节高温加热炉18倾角，将高温加热炉18调至低功率加热状态进行暖机，在暖机过程中，对K型热电偶、RTD温度传感器和数据采集系统11进行调试。对高温加热炉18设置多段加热功率、加热温度和加热时间，对高温脉动热管12进行加热，在实验过程中，气体流量和温度维持恒定。达到设定温度后，记录高温脉动热管12温度变化和冷却介质温度变化等实验数据，观察相关设备运转情况。实验结束后，关闭高温加热炉18，调低气体温度进入降温过程，完成一组实验。根据实际需求，更改湿度、风量和温度，至少进行x·y·z组实验，每组实验至少重复3次，全面获得冷却气体湿度、风量和温度对高温脉动热管12性能影响的数据，通过数据处理获取湿度、风量和温度耦合作用对高温脉动热管12的影响规律，掌握风冷条件下的高温脉动热管12启动和传热性能，进一步实现高温脉动热管12传热性能的优化。
高温脉动热管12的平均温度可超过500℃，热流密度可超过1000W/cm2。由于高温加热炉18温度较高，在加热过程中向环境中存在大量的漏热，因此高温加热炉18的电功率无法等价于高温脉动热管12的输入功率。高温脉动热管12的加热功率需通过测量冷凝段21传递的热量来计算，加热功率包括风冷带走的热量和冷凝段21向环境的漏热。为此，高温脉动热管12的输入功率可由如下公式求得：
Qe＝Qw+Qd (1)
Qw＝(Cp)wqm(Tp-Tj) (2)
式中：Qe为高温脉动热管加热功率，Qw为高温脉动热管的冷凝段由冷却介质带走的热量，Qd为冷凝段漏热，(Cp)w为当前温度下气体的比热容，需根据湿度查表得到，qm为气体质量流量计所测冷却介质的质量流量，Tp为出风口三通处RTD温度传感器所测温度，Tj为进风口三通处RTD温度传感器所测温度，kd为冷凝段保温层材料的导热系数，Ad为保温层的面积，H为保温层厚度，为保温层内部平均温度，/>为保温层外部平均温度。
高温脉动热管12的热流密度可由如下公式求得：
式中：Qe′为高温脉动热管热流密度，A为高温脉动热管截面面积，N为弯头数，Do为外径。
高温脉动热管12的导热系数可由如下公式求得：
式中：k为高温脉动热管的导热系数，Leff为冷热端有效距离，Leva、Ladi和Lcon分别为蒸发段、绝热段和冷凝段的长度，为蒸发段的平均温度，/>为冷凝段的平均温度。
高温脉动热管12的热阻可由如下公式求得：
式中：R为高温脉动热管热阻。
冷凝段平均对流换热系数计算，风冷强度指标确定。
液态金属高温脉动热管风冷装置中，高温脉动热管12与冷却气体进行对流换热，如图3的冷凝段对流换热示意图所示，高温脉动热管12与第四管道10的进风口垂直放置，为冷却气体横向流入管阵列。在高温脉动热管实验中，高温脉动热管12一共有n个弯头，即2n个管。首先对流入第四管道10的冷却气体风速进行计算：
式中：ua为冷却气体流入风道的速度，Af为管道的横截面积，ρf为冷却气体密度，ρf受湿度影响。高温脉动热管阵列为顺排，排数为1，则有最大风速umax出现在脉动热管排布的横向平面上，根据不可压缩流体的质量守恒要求，有：
式中：S是顺排管簇的横向间距。
下一步计算最大雷诺数，根据最大雷诺数定义，其表达式为：
式中：Remax为最大雷诺数，μ为冷却气体的运动粘度。
高温脉动热管的平均对流换热系数与努赛尔数有关，努塞尔数的确定采用茹卡乌斯卡关系式，其关系式与最大雷诺数和普朗特数有关。在0℃～400℃的范围内，普朗特数均大于0.6，小于500，冷却气体的努塞尔数在关系式如下：
式中：Nud为努塞尔数，分别是冷却气体在温度在进风口三通RTD温度传感器所测温度Tj、冷凝段的平均温度/>时的普朗特数。
由于高温脉动热管排数为1，努塞尔数需采用下式进行修正：
Nur＝0.69Nud (13)
式中：Nur为修正后的努塞尔数。
平均对流换热系数可有下式求得：
式中：ka为冷却气体的导热系数。
平均对流换热系数即为风速、温度、湿度等多个因素的耦合影响下的高温脉动热管风冷测试指标，其中风速影响雷诺数，温度和湿度主要影响冷却气体的密度、粘度、比热容和导热系数。进而得到平均对流换热系数对高温脉动热管传热性能的影响规律，进一步根据不同冷却条件，实现高温脉动热管的性能优化。
本发明提供的强制对流冷却装置可满足液态金属高温脉动热管在1200℃以上加热环境中的冷却需求，实现高达400℃的可控风冷环境，高温脉动热管的平均温度可超过500℃，热流密度可超过1000W/cm2。
本发明提供的液态金属高温脉动热管强制对流冷却装置，其测试系统的风道前后设置了两个RTD温度传感器，气体质量流量计，气体湿度计，压力计等，风道外侧设置多层保温棉，可准确计量风速、风量、温度、湿度等多因素影响下的传热性能，保证冷却部分漏热小于5％。
现有关于脉动热管风冷装置中，仅可控制冷却风速，而无法控制空气的湿度和温度。在脉动热管的研究和应用中，湿度和温度影响空气的质量、密度和比热容，不同湿度和温度下的空气物性存在较大区别，这导致仅控制风速得到的研究结果存在较大误差。特别是在高温环境下，空气的湿度对脉动热管的性能、寿命等影响更大。更重要的是在高温脉动热管性能计算中，涉及到空气的比热容，现有风冷技术更加无法适用。本发明克服上述缺点，通过热风机、干燥机、湿度仪、RTD温度传感器等控制冷气空气的风速、湿度和温度，实现高温脉动热管在不同风冷环境下的测试和性能计算。
现有研究中的风冷测试方法中，研究的为风速单一变量影响下的常温脉动热管性能，无法实现高达400℃的可控风冷环境，且无法通过冷凝段传热量计算传热性能。而脉动热管应用过程中，其传热性能受风速、风量、温度、湿度等多个因素的耦合影响，单一变量的研究无法对其性能优化与应用提供参考。本发明提供的液态金属高温脉动热管强制对流冷却装置和方法，可通过精确测量风速、风量、温度、湿度等多个参数值，并根据管路排布计算得到对流换热系数，将对流换热系数作为衡量强制对流冷却强度的指标，通过进行对流换热系数影响下的高温脉动热管传热性能分析，掌握多个风冷因素耦合影响下的高温脉动热管传热性能规律，实现高温脉动热管结构和性能的优化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，包括：热风机(1)、干燥机(3)、冷却室、高温脉动热管(12)、加热装置、测温装置、气体流道、湿度计(4)、压力计(6)、气体质量流量计(7)、冷却器(15)、信号采集装置和数据处理系统(17)，所述热风机(1)、干燥机(3)和冷却室依次通过管道相连，内部形成气体流道；所述热风机(1)用于提供冷却气体，通过第一管道(2)与干燥机(3)相连；所述干燥机(3)用于对冷却气体进行干燥；
所述加热装置与高温脉动热管(12)相连，所述高温脉动热管(12)为液态金属高温脉动热管，包括蒸发段(19)、绝热段(20)和冷凝段(21)，所述蒸发段(19)伸入加热装置内部进行吸热，所述冷凝段(21)伸入冷却室内部，通过冷却室内的冷却气体对冷凝段(21)进行冷却；绝热段(20)位于蒸发段(19)和冷凝段(21)之间；
所述测温装置与冷却室和高温脉动热管(12)相连，用于测量冷却室和高温脉动热管(12)的壁温，以及流经冷却室进出口处的冷却气体温度；
所述湿度计(4)、压力计(6)和气体质量流量计(7)依次安装在干燥机(3)和冷却室连接的管道上，所述湿度计(4)靠近干燥机(3)，用于测量当前冷却气体的湿度；所述气体质量流量计(7)用于测量冷却气体的质量流量；所述压力计(6)用于测量管道内部气体压力，对气体质量流量计(7)进行校准；
所述冷却器(15)的一侧通过第五管道(14)与冷却室相连，另一侧与第六管道(16)相连，所述第六管道(16)与外界环境相连，所述冷却器(15)用于对冷却气体进行降温和过滤，冷却器(15)处理后的气体通过第六管道(16)排放至大气；
所述湿度计(4)、压力计(6)、气体质量流量计(7)和测温装置与信号采集装置相连，所述信号采集装置与数据处理系统(17)相连。
2.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述测温装置包括RTD温度传感器和多个K型热电偶，所述RTD温度传感器至少设有两个，分布在冷却室前后侧的进风口和出风口处，用于测量进风口和出风口处的冷却气体温度；所述冷却室的内外侧均布置至少4个K型热电偶，用于测量冷却室内外壁温；所述高温脉动热管(12)的外表面至少布置三倍于弯头数的K型热电偶，用于测量高温脉动热管(12)壁温。
3.根据权利要求2所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述RTD温度传感器、湿度计(4)、压力计(6)和气体质量流量计(7)均用于测量气体流道中心位置数据。
4.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述冷却室和各管道的外侧布置保温棉，所述高温脉动热管(12)的绝热段(20)使用保温棉包裹进行绝热。
5.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述热风机(1)可控制排气温度和排气量，排气温度范围为0～400℃，排气量不小于每小时220立方米；
所述冷却气体为非易燃易爆气体，所述非易燃易爆气体至少为空气、氩气或氮气。
6.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述加热装置至少为加热炉、加热块、加热丝、感应加热器、红外加热装置或石英灯加热装置，所述加热装置采用高温加热炉(18)时的最高温度可达1400℃。
7.根据权利要求1所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述干燥机(3)依次通过第二管道(5)和第三管道(8)与冷却室连接，所述冷却室采用第四管道(10)；
所述湿度计(4)安装在第二管道(5)上，用于测量第二管道(5)处冷却气体湿度；所述气体质量流量计(7)连接在第二管道(5)和第三管道(8)之间，所述压力计(6)伸入第二管道(5)中心位置，用于测量气体质量流量计(7)前端气体压力，以对气体质量流量计(7)进行校准；
所述第四管道(10)的进出口处分别布置进风口RTD温度传感器(9)和出风口RTD温度传感器(13)，所述进风口RTD温度传感器(9)和出风口RTD温度传感器(13)均伸入第四管道(10)的中心位置；
所述信号采集装置采用数据采集系统(11)。
8.根据权利要求1-7任意一项权利要求所述的液态金属高温脉动热管风冷装置，其特征在于，所述高温脉动热管(12)可在高于500℃以上环境中工作，通过工质振荡传递热量；所述高温脉动热管(12)的结构表现为耐高温金属管弯曲组成的密闭蛇形阵列；
所述高温脉动热管(12)的工质至少为钠、钾、锂、铯、铷或汞中的一种，或一种以上组成的合金，合金中每种金属的比例均为0～100％；
所述高温脉动热管(12)的形式至少为管式脉动热管、板式脉动热管、异形脉动热管或高温脉动热管换热器，所有形式均包括开式和闭式两种形式。
9.一种如权利要求8所述的液态金属高温脉动热管风冷装置的测试方法，用于对高温脉动热管(12)进行性能测试，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将湿度、风量和温度分别分为x、y和z个梯度；
步骤二、启动热风机(1)进行供气，根据需求设定风量和温度，启动干燥机(3)，对冷却气体进行干燥，可控制湿度范围10％～30％，根据压力对气体质量流量计(7)进行校准，数据采集系统(11)实时记录湿度计(4)、压力计(6)、气体质量流量计(7)、进风口RTD温度传感器(9)、出风口RTD温度传感器(13)、第四管道(10)内外表面K型热电偶和高温脉动热管(12)表面的K型热电偶数据；
步骤三、调节高温加热炉(18)倾角，将高温加热炉(18)调至低功率加热状态进行暖机，在暖机过程中，对K型热电偶、RTD温度传感器和数据采集系统(11)进行调试；将高温加热炉(18)设置多段加热功率、加热温度和加热时间，对高温脉动热管(12)进行加热，在实验过程中，气体流量和温度维持恒定；达到设定温度后，记录高温脉动热管(12)温度变化和冷却气体温度变化实验数据，观察相关设备运转情况；
步骤四、实验结束后，关闭高温加热炉(18)，调低气体温度进入降温过程，完成一组实验；
步骤五、根据实际需求，更改湿度、风量和温度，至少进行x·y·z组实验，每组实验至少重复3次，全面获得冷却气体湿度、风量和温度对高温脉动热管(12)性能影响的数据，通过数据处理获取湿度、风量和温度耦合作用对高温脉动热管(12)的影响规律，掌握风冷条件下的高温脉动热管(12)启动和传热性能，进一步实现高温脉动热管(12)传热性能的优化。
10.根据权利要求9所述的液态金属高温脉动热管风冷装置的测试方法，其特征在于，基于所述高温加热炉(18)温度较高，在加热过程中向环境中存在大量的漏热，高温加热炉(18)的电功率无法等价于高温脉动热管(12)的输入功率，将高温脉动热管(12)的加热功率通过测量冷凝段(21)传递的热量来计算，加热功率包括风冷带走的热量和冷凝段(21)向环境的漏热；
所述高温脉动热管(12)的输入功率满足如下公式：
Qe＝Qw+Qd；
Qw＝(Cp)wqm(Tp-Tj)；
式中：Qe为高温脉动热管加热功率，Qw为高温脉动热管的冷凝段由冷却气体带走的热量，Qd为冷凝段漏热，(Cp)w为当前温度下气体的比热容，根据湿度查表得到，qm为气体质量流量计所测冷却气体的质量流量，Tp为出风口三通处RTD温度传感器所测温度，Tj为进风口三通处RTD温度传感器所测温度，kd为冷凝段保温层材料的导热系数，Ad为保温层的面积，H为保温层厚度，为保温层内部平均温度，/>为保温层外部平均温度；
所述高温脉动热管(12)的热流密度满足如下公式：
式中：Qe′为高温脉动热管热流密度，A为高温脉动热管截面面积，N为弯头数，Do为外径；
所述高温脉动热管(12)的导热系数满足如下公式：
式中：k为高温脉动热管的导热系数，Leff为冷热端有效距离，Leva、Ladi和Lcon分别为蒸发段、绝热段和冷凝段的长度，为蒸发段的平均温度，/>为冷凝段的平均温度；
所述高温脉动热管(12)的热阻满足如下公式：
式中：R为高温脉动热管热阻。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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