聲空化強化傳熱系統的製作方法
2023-05-21 14:57:06 1
專利名稱：聲空化強化傳熱系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種聲空化強化傳熱系統。
背景技術：
聲空化(Acoustic Cavitation)及其相關效應研究是目前國際上的熱點前沿課題之一。聲空化強化傳熱技術是近年來新興的、引起人們廣泛關注的第三代有源強化傳熱技術，也是聲空化技術在傳熱學領域的新應用。它從根本上強化傳熱過程著手，試圖發展能直接強化傳熱機制的新型強化技術，從而實現在工程實際中有效強化傳熱過程。已有的研究表明，聲空化對傳熱有顯著的強化作用，空化氣泡形成的高溫、高壓及空化泡崩潰時形成的強壓力脈衝，能夠使壁面熱邊界層減薄，同時影響沸騰換熱壁面上氣泡胚胎的生成、長大和脫離。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種聲空化強化傳熱系統。
本實用新型可廣泛用於各類熱壁面與液體工質間的傳熱強化及過程觀測，與相同條件的傳熱相比，聲空化技術的採用可大幅度提高傳熱係數。
為實現上述目的，本實用新型提供的聲空化強化傳熱測試系統主要包括一箱體，為密封容器，內部盛放液體工質。
一冷凝器，浸置於液體工質內，以對該液體進行調溫。
一超聲換能器置於箱體內的液體工質中，且與一超聲波發生器相連接。
一換熱件，水平安裝在箱體中間，該換熱件為內外雙層銅管嵌套而成；內管的內部裝設有熱源，該熱源與外部電源相連接。
在換熱件附近液體工質中分散放置有若干只熱電偶，用以測量液體工質的溫度變化；在換熱件內管外表面與外管內表面之間也分散放置有若干熱電偶；各熱電偶連接至溫度測量儀。該溫度測量儀還可連接至一計算機。
由上述系統，在工作過程中將超聲換能器插入箱體內的液體工質內，超聲換能器的末端插入液體工質深度為1-2.5cm。
打開電源，並通過變壓器調節加熱器兩端的電壓至所需的值，經電壓表和電流表測量並記錄通過換熱件中加熱器的電流和其兩端的電壓值，由此可以確定通過換熱件的熱流量。然後打開冷凝器，再開啟超聲波發生器，待系統穩定後記錄換熱件與液體工質溫度及空化參數等。可分別調節加熱器的功率與超聲換能器參數等得到不同工況下的聲空化強化傳熱的數據。
圖1為本實用新型系統結構示意圖。
圖2為圖1中換熱件結構的放大示意圖。
圖2a為圖2中沿A-A剖面圖。
圖2b為圖2中沿B-B剖面圖。
圖2c為圖2中沿C-C剖面圖。
圖3為本實用新型測控液體溫度用熱電偶布置的示意圖。
圖4採用本實用新型所測的有聲空化與沒有聲空化時傳熱系統隨熱流密度的變化圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，本實用新型主要由箱體1、冷凝器2、超聲換能器3、超聲波發生器4、保溫層5、熱電偶6、溫度測量儀7、計算機8、換熱件9、觀察窗10、電流表11、電壓表12、電源13、洩水閥14組成。
箱體1為一尺寸為200mm×200mm×230mm的密閉容器，該箱體1的材質一般沒有特殊限定，只要不被所採用的液體工質腐蝕即可，本例為不鏽鋼製成。箱體1上部裝有盤管式冷凝器2並浸入箱體1內的液體工質中，以便對該液體工質進行調溫，本實用新型採用的液體工質沒有嚴格的限定，在常溫下呈液態並且常壓下沸點較低的物質均可，考慮到對箱體及各部件的腐蝕性，一般採用如水、有機溶劑等。為方便更換或排出箱體中的液體工質，在箱體下部安裝一洩水閥14。箱體1外面包有保溫層5以減少系統的熱損失，箱體1前部和後部各有一觀察窗10(由φ100mm、厚10mm的雙層光學玻璃組成)，用於觀察和拍攝換熱件9及其附近發生的各種現象。聲空化場由安裝在箱體上部的超聲換能器3產生，換能器3的工作頻率為18±0.5kHz，電功率在0～250W內可調。
換熱件9水平安裝在箱體1中，換熱件9軸線距箱體1底部50mm。如圖2所示，換熱件9採用雙層銅管嵌套而成，換熱件長152mm，外管9a的外徑20mm，內徑16mm；內管9b的外徑15.5mm，內徑12mm。在內管9b的內部裝有電加熱器15用作為熱源。在內管9b外表面分散安裝有八個直徑1.5mm、深1mm的小槽，八支直徑1.0mm的鎳鉻-鎳矽鎧裝熱電偶6d-6k安裝於小槽內，由於熱電偶與內管9b和外管9a緊密接觸，因此熱電偶測量的即是內管9b外表面的溫度也是外管9a內表面的溫度Ti。關於各熱電偶的具體安裝位置請參閱圖2a-圖2c所示。
在換熱件9外管9a附近液體的不同位置也分散安裝有三隻熱電偶6a-6c，用以測量液體工質的溫度變化，熱電偶6a-6c的布置如圖3所示，圖3是圖1俯視角度而得。熱電偶6a位於距換熱件9上表面1mm處，熱電偶6b、6c均與換熱件9中心軸線處於同一平面。採用溫度測量儀記錄各點的溫度值，該溫度值輸入計算機8進行儲存。
上述熱電偶之所以強調為分散安裝，其目的是為了準確測量整個系統內各部位的溫度變化情況。
測試過程中，將超聲換能器3插入箱體1中，超聲換能器3的末端插入液體工質內約2cm，先打開電源13並通過變壓器調節加熱器15兩端的電壓至所需的值，經電壓表12和電流表11測量並記錄通過加熱器15的電流和其兩端的電壓，由此可以確定通過換熱件9的熱流量。然後打開冷凝器2，再開啟超聲波發生器4，待系統穩定後記錄換熱件9與液體溫度及空化參數等。可分別調節加熱器15的功率與超聲換能器3產生參數等得到不同工況下的聲空化強化傳熱的數據。
在上述測量的基礎上，通過下列計算可以得出換熱件外表面與周圍流體的平均對流換熱係數
=qTwo-Tf]]>式中，熱流密度 IR為通過電加熱器的電流，VR為電加熱器兩端的電壓；Tf為液體工質的平均溫度；Two為測試管外表面的平均溫度；根據實驗測量的外管內表面溫度Twi先計算出外管外表面的溫度Two，然後再計算其平均溫度Two。
Two=Twi-IRVRln(do/di)2l,]]>l為測試管的長度，λ為管壁材料的導熱係數，di為外管的內徑，do為外管的外徑。
按照上述方法，採用本實用新型系統得到的平均傳熱係數α隨熱流密度q的變化如圖4所示。由圖可以看出，聲空化對傳熱有顯著強化作用。
以上所舉例中的具體尺寸、形狀、數據以及熱電偶的數量、安裝位置等是作為一個實施例對本實用新型進行的詳細描述，因此本實用新型所保護的範圍不受其限制。
權利要求1.一種聲空化強化傳熱系統，其特徵在於，包括一箱體，為密封容器，內部盛放液體工質；一冷凝器，浸置於液體工質內；一超聲換能器置於箱體內的液體工質，且與一超聲波發生器連接；一換熱件，水平安裝在箱體中間，該換熱件為內外雙層銅管嵌套而成；內管的內部裝設有加熱器，該加熱器與外部電源相連接；在換熱件附近的液體工質中分散放置有若干只熱電偶，在換熱件內管外表面與外管內表面之間也分散放置有若干只熱電偶；各熱電偶連接至一溫度測量儀。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述超聲換能器的末端插入液體工質深度為1-2.5cm。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述液體工質為常溫下呈液體狀且常壓下沸點較低的液體。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述箱體外包有保溫層。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述箱體前部和後部各有一觀察窗。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述換熱件內部的加熱器與外部電源之間聯接一變壓器。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述溫度測量儀與一計算機連接。
專利摘要一種聲空化強化傳熱系統，包括一箱體，為密封容器，內部盛放液體工質；一冷凝器，浸置於液體工質內；一超聲換能器置於箱體內的液體工質，且與一超聲波發生器連接；一換熱件，水平安裝在箱體中間，該換熱件為內外雙層銅管嵌套而成；內管的內部裝設有加熱器，該加熱器與外部電源相連接；在換熱件附近的液體工質中分散放置有若干只熱電偶，在換熱件內管外表面與外管內表面之間也分散放置有若干只熱電偶；各熱電偶連接至一溫度測量儀。本實用新型可廣泛用於各類熱壁面與液體工質間的傳熱強化及過程觀測，與相同條件的傳熱相比，聲空化技術的採用可大幅度提高傳熱係數。
文檔編號F28F13/00GK2769827SQ20042006467
公開日2006年4月5日 申請日期2004年6月3日 優先權日2004年6月3日
發明者淮秀蘭, 姜任秋, 孫寶芝, 劉登瀛 申請人:中國科學院工程熱物理研究所