流動沸騰換熱機理實驗裝置及方法
2023-07-26 21:30:21
專利名稱：流動沸騰換熱機理實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種流動沸騰換熱機理實驗裝置，特別是採用超聲波檢測裝置測量通道出口含汽率，對換熱器出口的帶液量實驗裝置及方法。
背景技術：
由於窄通道的流動沸騰換熱具有沸騰過熱度低、換熱性能好、流動壓降升高和結構緊湊等獨特的特性，使其已成為強化傳熱的常用結構形式之一。窄通道沸騰換熱廣泛的存在於各種換熱設備中，如在核電站核反應堆中使用的管板式蒸汽發生器，在微電子和醫 療行業中使用微通道熱沉內液氮沸騰換熱來進行冷卻，在大型蒸發系統中的板式蒸發器採用了窄通道沸騰換熱的原理來強化換熱。所以，對窄通道沸騰換熱機理的研究，揭示其內在規律和特點，對於研究高效換熱器有重要意義。兩相流體混合物在管道內流動時，會出現不同的相分界面的幾何圖形。當液體在通道中受熱蒸發時，液體及其產生的蒸汽也會具有不同的流動結構。兩相流流型就是指，在兩相流中，兩相界面分布的不同的幾何圖形或結構形式。而氣液兩相流中氣相易於壓縮，相交界面易於變形，是兩相流組合中最為複雜的情況。在窄通道的沸騰換熱中，不同的流型有其獨特的傳熱和流動機理，流型的變化會弓I起流阻和流動穩定性的改變以及導致傳熱危機的出現。所以，對窄通道的流型進行可視化的研究意義重大，可以為窄通道內流動沸騰換熱和傳熱傳質理論模型的建立及深入探討窄通道內的換熱機理提供最直觀的判據。
發明內容
本發明為充分了解窄通道沸騰換熱機理，而提供一種流動沸騰換熱機理實驗裝置及方法，對窄通道內流動沸騰換熱和傳熱傳質理論模型的建立及深入探討窄通道內的換熱機理提供判據。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是
一種流動沸騰換熱機理實驗裝置，包括蠕動泵、轉子流量計、恆溫水浴、實驗段、出口實驗段、高速攝像儀、超聲波顆粒檢測裝置、矽橡膠電加熱片、冷凝器、水箱，其特點是蠕動泵依次通過轉子流量計和恆溫水浴與實驗段進水口連接，實驗段出水口依次通過出口實驗段、冷凝器和水箱連接蠕動泵進水口，實驗段的矽橡膠電加熱片連接功率表和調壓器，對應實驗段處分別設有與數據採集系統及計算機連接的高速攝像儀，出口實驗段上安裝超聲波顆粒檢測裝置。實驗段由鋼化玻璃板、耐高溫矽膠墊片、矩形窄縫流道、銅板、T型熱電偶、矽橡膠電加熱片、保溫層和鋼板構成，鋼化玻璃板、矽橡膠電加熱片、耐高溫矽膠墊片和保溫層依次疊加在一起，其中，鋼化玻璃板與矽橡膠電加熱片之間的邊緣上放置銅板形成矩形窄縫流道，矽橡膠電加熱片中設有若干個T型熱電偶，鋼化玻璃板外側平面上放置銅板，並通過前鋼板和螺栓與位於保溫層後面的後鋼板固定連接形成一整體，前鋼板平面上開有可視窗□。
—種採用流動沸騰換熱機理實驗裝置的實驗方法，具體步驟如下
(1)實驗前準備工作
每次實驗前將蒸餾水需裝滿水箱，檢查實驗段的矽橡膠電加熱片，檢查數據採集系統，檢查高速攝像儀及超聲波顆粒檢測裝置；
(2)啟動實驗裝置
首先將蠕動泵調到一個固定轉速，此時轉子流量計顯示一個數值，同時調整恆溫水浴，使進入實驗段水的入口溫度為某一定值，使實驗裝置穩定分鐘後，變換不同電加熱功率；
(3)啟動數據採集系統及高速攝像儀
當步驟(2)中某一功率下，系統穩定時，記錄數據，同時利用高速攝像儀對實驗段進行 快速拍攝，變換不同電加熱功率時重複此步驟；
(4)啟動超聲波檢測裝置5
當啟動步驟(3)時，同時啟動超聲波檢測裝置，並記錄數據，變換不同電加熱功率時重複此步驟；
(5)調整蠕動泵I轉速及恆溫水浴3功率
在流量、入口溫度為定值和不同加熱功率下的工況結束後，變換蠕動泵轉速及恆溫水浴功率，重複上述步驟試驗。本發明的有益效果在於
1.採用電加熱方式對實驗段加熱，電加熱功率穩定，加熱均勻，誤差較小；
2.實驗段使用鋼化玻璃，利用高速攝像儀，觀察沸騰特性及氣泡生長特性；
3.出口實驗段利用超聲波顆粒檢測裝置，得出實驗段不同工況下的含汽率，對於研究窄通道出口的(例如板式換熱器)帶液量有重大意義。本發明通過可視化及超聲波檢測可以充分了解窄通道沸騰換熱機理，為深入探討窄通道內的換熱機理提供判據。
圖I是本發明的結構示意 圖2是實驗段結構剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。如圖I所示，流動沸騰換熱機理實驗裝置由蠕動泵I、轉子流量計2、恆溫水浴3、實驗段6、出口實驗段12、功率表8、調壓器9、高速攝像儀4、超聲波顆粒檢測裝置、矽橡膠電加熱片7、冷凝器10、水箱11以及管路、閥門和數據採集系統及計算機5等組成。蠕動泵I依次通過轉子流量計2和恆溫水浴3與實驗段6進水口連接，實驗段6出水口依次通過出口實驗段12、冷凝器10和水箱11連接蠕動泵I進水口，實驗段6的矽橡膠電加熱片7連接功率表8和調壓器9，對應實驗段6處分別設有與數據採集系統及計算機5連接的高速攝像儀4，出口實驗段12上安裝超聲波顆粒檢測裝置。如圖2所示，流動沸騰換熱機理實驗裝置的實驗段6由鋼化玻璃板22、螺栓23、耐高溫矽膠墊片28、矩形窄縫流道25、銅板24、T型熱電偶27 (從上到下依次T1-T8)、矽橡膠電加熱片7、保溫層29、鋼板26。鋼化玻璃板22與矽橡膠電加熱片7之間的邊緣上放置銅板24形成矩形窄縫流道25，矽橡膠電加熱片7中設有若干個T型熱電偶27，鋼化玻璃板22外側平面上放置銅板24，並通過前鋼板26和螺栓23與位於保溫層29後面的後鋼板26固定連接形成一整體，前鋼板26平面上開有可視窗口。本發明適用於研究窄通道內的換熱機理。本發明的具體步驟是
(1)每次實驗前將蒸餾水需裝滿水箱11，檢查實驗段6的矽橡膠電加熱片7，檢查數據採集系統及計算機5，檢查高速攝像儀4及超聲波顆粒檢測裝置；
(2)啟動實驗裝置，首先將蠕動泵I調到一個固定轉速，此時轉子流量計2顯示一個數值，同時調整恆溫水浴3，使進入實驗段6水的入口溫度為某一定值，確保系統穩定10分鐘 的情況下，變換不同電加熱功率，確保功率上限不超過設計值；
(3)當步驟(2)中某一功率下，實驗裝置穩定時，記錄數據，同時利用高速攝像儀4對實驗段6進行快速拍攝，變換不同電加熱功率時重複此步驟；
(4)當啟動步驟(3)時，同時啟動超聲波顆粒檢測裝置，並記錄數據，變換不同電加熱功率時重複此步驟；
(5)某一流量，某一入口溫度，不同加熱功率下的工況結束後，變換蠕動泵I轉速及恆溫水浴3功率，重複上述步驟試驗。
權利要求
1.一種流動沸騰換熱機理實驗裝置，包括蠕動泵(I)、轉子流量計(2)、恆溫水浴(3)、實驗段(6)、出口實驗段(12)、高速攝像儀(4)、超聲波顆粒檢測裝置、矽橡膠電加熱片(7)、冷凝器(10)、水箱(11)、數據採集系統及計算機(5)，其特徵在於所述蠕動泵(I)依次通過轉子流量計(2 )和恆溫水浴(3 )與實驗段(6 )進水口連接，實驗段(6 )出水口依次通過出口實驗段(12)、冷凝器(10 )和水箱(11)連接蠕動泵(I)進水口；所述實驗段(6 )的矽橡膠電加熱片(7 )連接功率表(8 )和調壓器(9 )，對應實驗段(6 )處分別設有與數據採集系統及計算機(5)連接的高速攝像儀(4)，出口實驗段(12)上安裝超聲波顆粒檢測裝置。
2.根據權利要求I所述的流動沸騰換熱機理實驗裝置，其特徵在於所述實驗段(6)由鋼化玻璃板(22 )、耐高溫矽膠墊片(28 )、矩形窄縫流道(25 )、銅板(24)、T型熱電偶(27 )、矽橡膠電加熱片(7)、保溫層(29)和鋼板(26)構成，鋼化玻璃板(22)、矽橡膠電加熱片(7)、耐高溫矽膠墊片(28 )和保溫層(29 )依次疊加在一起，其中，鋼化玻璃板(22 )與矽橡膠電加熱片(7)之間的邊緣上放置銅板(24)形成矩形窄縫流道925)，矽橡膠電加熱片(7)中設有若干個T型熱電偶(27 )，鋼化玻璃板(22 )外側平面上放置銅板(24 )，並通過前鋼板(26 )和螺栓(23)與位於保溫層(29)後面的後鋼板(26)固定連接形成一整體，前鋼板(26)平面上開有可視窗口。
3.一種採用權利要I或2所述的流動沸騰換熱機理實驗裝置的實驗方法，其特徵在於，具體步驟如下 1)實驗前準備工作 每次實驗前將蒸餾水需裝滿水箱(11)，檢查實驗段(6)的矽橡膠電加熱片(7)，檢查數據採集系統及計算機(5)，檢查高速攝像儀(4)及超聲波顆粒檢測裝置； 2)啟動實驗裝置 首先將蠕動泵(I)調到一個固定轉速，此時轉子流量計(2)顯示一個數值，同時調整恆溫水浴(3)，使進入實驗段(6)水的入口溫度為某一定值，使實驗裝置穩定(10)分鐘後，變換不同電加熱功率； 3)啟動數據採集系統及高速攝像儀 當步驟2)中某一功率下，系統穩定時，記錄數據，同時利用高速攝像儀(4)對實驗段(6)進行快速拍攝，變換不同電加熱功率時重複此步驟； 4)啟動超聲波顆粒檢測裝置 當啟動步驟3)時，同時啟動超聲波顆粒檢測裝置，並記錄數據，變換不同電加熱功率時重複此步驟； 5)調整蠕動泵轉速及恆溫水浴功率 在流量、入口溫度為定值和不同加熱功率下的工況結束後，變換蠕動泵(I)轉速及恆溫水浴功率(3 )，重複上述步驟試驗。
全文摘要
本發明涉及一種流動沸騰換熱機理實驗裝置及方法，蠕動泵依次通過轉子流量計和恆溫水浴與實驗段進水口連接，實驗段出水口依次通過出口實驗段、冷凝器和水箱連接蠕動泵進水口，實驗段的矽橡膠電加熱片連接功率表和調壓器，對應實驗段處分別設有與數據採集系統及計算機連接的高速攝像儀。採用電加熱方式對實驗段加熱,電加熱功率穩定,加熱均勻,誤差較小；實驗段使用鋼化玻璃，利用高速攝像儀，觀察沸騰特性及氣泡生長特性；出口實驗段利用超聲波顆粒檢測裝置,得出實驗段不同工況下的含汽率,對於研究窄通道出口的帶液量有重大意義。本發明通過可視化及超聲波檢測可以充分了解窄通道沸騰換熱機理，為深入探討窄通道內的換熱機理提供判據。
文檔編號G01M10/00GK102680206SQ20121019970
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者鄭志皋, 陶樂仁, 黃理浩 申請人:上海理工大學