高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統的製作方法
2023-05-02 05:52:41
專利名稱：高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳熱試驗系統，尤其涉及一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統。
背景技術：
隨著現代車輛緊湊型，經濟性要求的不斷提高，乘用車發動機正朝著小型化，能量密度集中化發展。特別是增壓等技術的普及與發展，及發動機轉速的提高，使得缸內溫度較傳統發動機有大幅提高。而氣缸蓋、活塞頂面和缸套是缸內散熱的主要途徑，其直接影響到整機的工作可靠性、使用壽命和性能。因此，研究高功率密度發動機氣缸蓋、活塞頂面和缸套在承受高熱流密度熱負荷時的傳熱規律及熱疲勞性能對於提高發動機的工作可靠性，使用壽命和性能都具有重要意義。目前，在缸內傳熱規律研究領域，主要研究手段有有限元分析、實機試驗和模擬試驗。有限元分析是隨著計算機技術的發展而發展起來的一種計算方法，其耗時短，節約資金，能在有限的試驗條件下進行計算機模擬。但其準確性很大程度上依賴於邊界條件是否符合實際情況，而邊界條件的確定難度較大。實機試驗最接近於發動機實際工作情況，最能真實地反映發動機實際性能，準確性最高。但試驗耗時長，成本高，對試驗條件要求苛刻，具有很大的局限性。模擬試驗是模仿實際情況，自行設計試驗方法，對真實情況進行模擬再現。其適用性廣，試驗周期短，也具有相當程度的準確性，是一種非常有效的試驗方法。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術的不足，提供一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統。高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵、電磁閥、試件安裝支架、噴頭、試件、水箱、感應線圈、閥門、負載電容櫃和電源主機；試件安裝支架內順次設有噴頭和水箱，水箱內順次設有試件和感應線圈，水箱底部設有閥門，噴頭、電磁閥、泵順次相連，感應線圈、負載電容櫃和電源主機順次相連。所述的試件安裝支架內的試件採用無約束、弱約束和全約束三種固定方式。所述的無約束固定方式採用不鏽鋼絲將試件固定於支架上；所述的弱約束固定方式採用不鏽鋼絲槓將試件固定於支架上；所述的全約束固定方式採用陶瓷材料製成的約束框固定試件後，再懸掛於支架上。所述的控制器的內部模塊連接關係為嵌入式實時控制器分別與OT9213熱電偶採集卡、NI9203電流採集卡、NI^63電壓輸出卡、繼電器和通訊模塊相連；NI9213熱電偶採集卡與熱電偶相連；NI9203電流採集卡與壓力傳感器相連；ΝΙ ^63電壓輸出卡與電磁閥相連；繼電器分別與溫度報警器、水壓報警器和熱電偶信號中斷報警器相連；通訊模塊與上位機相連；上位機分別與印表機和顯示器相連；溫控器分別與加熱器和熱電偶相連。
本發明可以實現大功率密度發動機氣缸蓋、活塞和缸套承受高熱流密度熱衝擊時的模擬試驗。對試件採用不同的約束方式以有效模擬真實受力情況。採用自行設計的可控冷卻系統，以實現實時、有效、均勻的冷卻。
圖1是高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統結構示意圖； 圖2是本發明的控制器電路框圖3(a)是本發明的平板試件噴頭結構側視圖； 圖3(b)是本發明的平板試件噴頭結構俯視圖； 圖4(a)是本發明的圓筒試件噴頭結構正視圖； 圖4(b)是本發明的圓筒試件噴頭結構側視圖； 圖5是本發明的平板試件熱電偶布置示意圖； 圖6是本發明的圓筒試件熱電偶布置示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵1、電磁閥2、試件安裝支架3、噴頭4、試件5、水箱6、感應線圈7、閥門8、負載電容櫃9和電源主機10 ；試件安裝支架3內順次設有噴頭4和水箱6，水箱6內順次設有試件5和感應線圈7，水箱6底部設有閥門8，噴頭4、電磁閥2、泵1順次相連，感應線圈7、負載電容櫃9和電源主機10順次相連。所述的試件安裝支架3內的試件5採用無約束、弱約束和全約束三種固定方式。所述的無約束固定方式採用不鏽鋼絲將試件5固定於支架3上；所述的弱約束固定方式採用不鏽鋼絲槓將試件5固定於支架3上；所述的全約束固定方式採用陶瓷材料製成的約束框固定試件5後，再懸掛於支架3上。如圖2所示，所述的控制器的內部模塊連接關係為嵌入式實時控制器分別與 NI9213熱電偶採集卡、NI9203電流採集卡、NI9263電壓輸出卡、繼電器和通訊模塊相連； NI9213熱電偶採集卡與熱電偶相連；NI9203電流採集卡與壓力傳感器相連；NI9263電壓輸出卡與電磁閥相連；繼電器分別與溫度報警器、水壓報警器和熱電偶信號中斷報警器相連； 通訊模塊與上位機相連；上位機分別與印表機和顯示器相連；溫控器分別與加熱器和熱電偶相連。如圖3所示，為針對平板試件的噴水冷卻系統結構。3根支管連接於總管之上，總管通過電磁閥及水泵與水網相連，每根支管上安裝有3個可調噴頭。為了達到較為均勻的冷卻效果，9個噴頭均布於平板上方。噴頭噴出的水柱成實心錐形，錐角可以調節，實際使用時，通過調節錐角使水流覆蓋整個平板上表面，以達到均勻冷卻。為了形成射流以達到較為理想的冷卻效果，冷卻水經水泵加壓後再由噴頭噴出，形成射流換熱。如圖4所示，為針對於圓筒試件的噴水冷卻系統結構。6根支管與圓筒試件平行均布於試件四周，每根支管上布置3個噴頭，共18個噴頭。噴頭任然採用可調噴頭，以達到均勻冷卻的效果。6根支管通過環形管道連接到一起，通過一根總管於水泵相連。冷卻水經水泵加壓後再由噴頭噴出，形成射流換熱。
如圖5所示，為平板試件的熱電偶布置示意圖。試驗時，為了得到試件整個厚度範圍內的溫度分布，並綜合實際條件，K型熱電偶分三層布於平板試件上表面，下表面及中間層。為了快速有效的測得平板各點的溫度，熱電偶採用電容衝擊焊於試件上，使熱電偶球頭與平板緊密接觸。熱電偶通過溫度變送將信號傳送給控制器，用於加熱控制、冷卻控制及過熱報警。同時，上位機實時存儲各點溫度值，用於後期分析。如圖6所示，為圓筒試件的熱電偶布置示意圖。，K型熱電偶分三層布於圓筒試件外表面，內表面及中間層。本發明的工作過程如下
為了模仿氣缸蓋、活塞頂面和缸套的傳熱情況，試驗中以方形平板模擬氣缸蓋和活塞頂面，以圓筒模擬缸套。針對不同的試件，安裝平臺有不同的固定方式。加熱系統是基於電磁感應加熱的原理，採用的是集成化晶閘管感應加熱系統，工作原理是把三相工頻交流電通過晶間管進行三相橋式全控整流後轉變為直流電，再經直流電抗器濾波後輸至單相逆變橋，經過逆變後成為單相中頻交流電，最後輸至負載諧振迴路。 諧振迴路由負載感應線圈和補償電容器組構成，按並聯連接。對於平板試件，線圈繞成平面螺旋狀，置於平板下方；對於圓筒試件，線圈繞成彈簧狀，置於圓筒內部。線圈和試件保持廣2cm的距離。將平板試件下表面(圓筒試件內表面)熱電偶信號接入溫控儀，溫控儀採用 PID控制，輸出0 IOv控制信號至加熱系統，控制加熱功率，將試件高溫加熱面溫度控制在設定值。冷卻系統用於給試件非受熱面降溫冷卻，使試件形成高溫度梯度及高熱流密度， 以模擬高功率密度發動機缸內的受熱情況。其包括噴水系統和水箱兩部分組成。實際試驗時為了使上表面溫度可控，以模擬發動機不同的工況，採用電磁閥控制流向噴頭的水流量， 以改變冷卻效果，控制上表面溫度。實際實施方案是控制器接受上表面熱電偶信號，並綜合下表面和中間層熱電偶信號，根據預期控制要求輸出控制信號到電磁閥，改變電磁閥開度，以改變水流量，改變上表面溫度，形成閉環控制。為了保證試驗臺的安全運行，防止發生危險，試驗臺設有多重報警裝置。主要包括試件過熱報警、冷卻水水壓過低報警、熱電偶信號中斷報警等。控制器用於對試驗過程實現自動數據採集、控制及監視。其主要部件包括NI cRIO-9114底座及CRI0-9014實時控制器，兩塊NI 9213熱電偶信號採集卡和一塊NI 9203 電流信號採集卡用於採集相關信號；一塊NI 9263電壓信號輸出卡用於控制射流冷卻系統的電磁閥；一臺溫控儀用於實現溫度可控的加熱；繼電器接報警器實現各種安全報警。上位機與實時控制器之間的關係是即使上位機關閉，實時控制器仍可正常工作，用於試驗系統的控制和監視，只是數據記錄中斷。控制系統採用上下位機結構，以NI CRI0-9014為主要控制核心，穩定性與可靠性高。試驗中的所有測量數據，包括可能出現的報警信息，都保存於上位機的指定位置。 試驗數據以資料庫的形式保存及管理，既便於操作，又利於數據的安全性。資料庫中根據試件材料及形狀的不同進行分類，每個分類下記錄不同熱流密度時各點的溫度值，用於後期分析時調用。同時，上位機自動生成統計分析報表，所有的試驗數據也可以根據要求裝換成 excel表格或word文檔，並可以列印輸出。
權利要求
1.一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統，其特徵在於包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵(1)、電磁閥(2)、試件安裝支架(3)、噴頭(4)、試件(5)、水箱(6)、感應線圈(7)、閥門(8)、負載電容櫃(9)和電源主機(10)；試件安裝支架(3)內順次設有噴頭(4) 和水箱(6 )，水箱(6 )內順次設有試件(5 )和感應線圈(7 )，水箱(6 )底部設有閥門(8 )，噴頭 (4)、電磁閥(2 )、泵(1)順次相連，感應線圈(7 )、負載電容櫃(9 )和電源主機(10 )順次相連。
2.根據權利要求1所述的一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統，其特徵在於所述的試件安裝支架(3)內的試件(5)採用無約束、弱約束和全約束三種固定方式，所述的無約束固定方式採用不鏽鋼絲將試件(5)固定於支架(3)上；所述的弱約束固定方式採用不鏽鋼絲槓將試件(5)固定於支架(3)上；所述的全約束固定方式採用陶瓷材料製成的約束框固定試件(5)後，再懸掛於支架(3)上。
3.根據權利要求1所述的一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統，其特徵在於所述的控制器的內部模塊連接關係為嵌入式實時控制器分別與NI9213熱電偶採集卡、NI9203電流採集卡、NI9263電壓輸出卡、繼電器和通訊模塊相連；NI9213熱電偶採集卡與熱電偶相連；NI9203電流採集卡與壓力傳感器相連；ΝΙ ^63電壓輸出卡與電磁閥相連；繼電器分別與溫度報警器、水壓報警器和熱電偶信號中斷報警器相連；通訊模塊與上位機相連；上位機分別與印表機和顯示器相連；溫控器分別與加熱器和熱電偶相連。
全文摘要
本發明公開了一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統。它包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵、電磁閥、試件安裝支架、噴頭、試件、水箱、感應線圈、閥門、負載電容櫃和電源主機；試件安裝支架內順次設有噴頭和水箱，水箱內順次設有試件和感應線圈，水箱底部設有閥門，噴頭、電磁閥、泵順次相連，感應線圈、負載電容櫃和電源主機順次相連。高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統可以實現大功率密度發動機氣缸蓋、活塞和缸套承受高熱流密度熱衝擊時的模擬試驗。對試件採用不同的約束方式以有效模擬真實受力情況。並採用自行設計的可控冷卻系統，以實現實時、有效、均勻的冷卻。
文檔編號G01M15/00GK102401807SQ201110352149
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者俞小莉, 傅佳宏, 劉波, 劉震濤, 夏平, 夏琪偉, 尹旭, 張宇, 沈瑜銘, 邵穎慧, 黃瑞 申請人:浙江大學