一种水平管内临界热流密度测量系统及调控方法
阅读说明：本技术 一种水平管内临界热流密度测量系统及调控方法 (Measuring system and regulating method for critical heat flux density in horizontal pipe ) 是由 李冲 罗祖分 方贤德 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水平管内临界热流密度测量系统及调控方法,系统包括：制冷剂储液罐、电动风扇、加热片、流通管道、球阀开关、变频器、齿轮泵、质量流量计、预热段、数据采集模块、工业计算机、实验段、T型热电偶、通讯线、压力传感器、可视化透管、高速摄像机、制冷剂入口管道、U型冷凝器、冷却水入口管道、冷却水出口管道、制冷剂出口管道、水箱、电磁膨胀阀、液氮罐、水泵及塑料水瓶；本发明的测量系统对于低热流、低质量流速水平管内的临界热流密度现象监控和测量具有系统简单、判定条件可靠、测量精度高的优点；本发明的调控方法具有操作简便、系统稳定性好的优点。(The invention discloses a system for measuring critical heat flux density in a horizontal pipe and a regulation and control method, wherein the system comprises: the system comprises a refrigerant liquid storage tank, an electric fan, a heating plate, a circulation pipeline, a ball valve switch, a frequency converter, a gear pump, a mass flowmeter, a preheating section, a data acquisition module, an industrial computer, an experimental section, a T-shaped thermocouple, a communication line, a pressure sensor, a visual through pipe, a high-speed camera, a refrigerant inlet pipeline, a U-shaped condenser, a cooling water inlet pipeline, a cooling water outlet pipeline, a refrigerant outlet pipeline, a water tank, an electromagnetic expansion valve, a liquid nitrogen tank, a water pump and a plastic water bottle; the measuring system has the advantages of simple system, reliable judging conditions and high measuring precision for monitoring and measuring the critical heat flux density phenomenon in the horizontal pipe with low heat flux and low mass flow rate; the regulation and control method has the advantages of simple and convenient operation and good system stability.)
技术领域
本发明属于通用热工设备技术领域，具体涉及一种水平管内临界热流密度测量系统及调控方法。
背景技术
水平管内沸腾换热的换热系数通常比单相换热系数高出数倍，具有节能效益，与动力、宇航、低温制冷等领域密切相关，但水平管内沸腾换热会出现临界热流密度。临界热流密度是沸腾换热表面必须严格监视的热工参数，对于热能的传递与转化过程中的各种以控制热流密度运行的换热设备来说，一旦热流密度超过临界热流密度值，将导致换热系数迅速下降，壁温急剧飞升，极可能造成设备烧毁。针对水平管内沸腾换热持续存在不稳定的问题，如何降低和抑制系统不稳定程度；针对目前水平管内临界热流密度的判定条件多数从定性概念判定的问题，即在控制热流条件下，加热壁面极小的热流密度增加将导致壁面温度的大幅上升。如何定义针对低热流、低流速下的水平管内临界热流密度的定量判定条件；针对系统出现临界热流密度时，实验段压力大幅降低和流量波动的问题，如果不能及时稳定系统压力和流量波动，会造成测量的热流密度值不准确。
因此，如何设计出一种水平管内临界热流密度测量系统及调控方法，以降低系统中不稳定性程度和提高临界热流密度值测量准确度，是各地学者需要深入研究的内容。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水平管内临界热流密度测量系统及调控方法，不仅使测量系统具有系统简单、判定条件可靠、测量精度高的优点，而且使调控方法具有操作简便、系统稳定性好的优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种水平管内临界热流密度测量系统，包括：制冷剂储液罐、电动风扇、加热片、流通管道、球阀开关、变频器、齿轮泵、质量流量计、预热段、数据采集模块、工业计算机、实验段、T型热电偶、通讯线、压力传感器、可视化透管、高速摄像机、制冷剂入口管道、U型冷凝器、冷却水入口管道、冷却水出口管道、制冷剂出口管道、水箱、电磁膨胀阀、液氮罐、水泵及塑料水瓶；
所述电动风扇固定于制冷剂储液罐的外壁上方，所述加热片粘接于制冷剂储液罐的外壁下方，所述电动风扇与加热片分别设于制冷剂储液罐两侧；所述制冷剂储液罐、球阀开关、齿轮泵、质量流量计、预热段、实验段及制冷剂入口管道两两之间通过流通管道连接，且流通管道通过压紧头旋接压紧；所述变频器分别与齿轮泵、数据采集模块连接；所述实验段上设有若干个T型热电偶；所述压力传感器底部与实验段的出口通过取压孔过盈配合，压力传感器顶部通过通讯线与数据采集模块相接；所述高速摄像机固定安装于可视化透管上方；所述U型冷凝器安装于可视化透管与制冷剂储液罐之间，且U型冷凝器上的四个流通管路从左至右依次与可视化透管的出口、水泵的出口、水箱、制冷剂储液罐的顶部通过压紧头旋接压紧；所述液氮罐与塑料水瓶通过流通管道连接，所述电磁膨胀阀底部的通管与流通管道通过螺纹旋接；所述水泵及塑料水瓶的底部与水箱内部地底面固结；
所述工业计算机通过数据采集模块监测系统压力值和流量值来调节水泵的转速(用于调节系统压力)和变频器的频率(用于调节齿轮泵转速，进而调节质量流量)，使系统压力和流量保持在设定值。
进一步地，所述实验段由内向外依次为水平管、绝缘胶带、电阻丝、绝缘胶带及绝热胶带，其中，绝缘胶带、绝缘胶带及绝热胶带均缠绕粘接于上一层结构，电阻丝高密度小间距均匀缠绕于绝缘胶带上。
进一步地，所述实验段的水平管采用铜管，则预热段和实验段组成结构相同。
进一步地，所述实验段的水平管采用钢管，则实验段还包含有石墨蓄热套管，其外套于水平管外壁，两者过盈配合。
进一步地，所述实验段的入口开始至实验段的三分之二位置均匀布置的T型热电偶之间的距离大，实验段剩余位置均匀布置的T型热电偶之间的距离小。
进一步地，所述实验段上的T型热电偶底部与水平管焊接，T型热电偶顶部与数据采集模块通过通讯线连接；所述数据采集模块与工业计算机通过通讯线插接。
需要说明的是，T型热电偶插设到实验段内部的水平管壁厚中，主要是测量水平管的内壁温(由于壁厚很小且水平管导热系数较高，所以这里的内壁温是近似值，因为热电偶底部并未与水平管内表面接触)。
进一步地，所述U型冷凝器流经的制冷剂和冷却水按照逆流方式流动。
进一步地，所述制冷剂储液罐上的电动风扇和加热片用于系统压力和过冷度的微调。
本发明中当水平管内出现临界热流密度时，实验段内阻力增大，压降增大，系统压力降低且流量波动明显，为了保证测量临界热流密度的准确度，需要保持系统压力和流量在设定值附近；因此，工业计算机通过数据采集模块监测和记录到的系统压力值和流量值调节水泵转速(用于调节系统压力)和变频器频率(用于调节齿轮泵转速，进而调节质量流量)，使系统压力和流量稳定在设定值附近，避免测量系统出现较大不稳定性，影响临界热流密度的测量结果。
本发明的一种水平管内临界热流密度测量系统的调控方法，基于上述系统，包括：制冷剂循环回路和冷却水循环回路；
制冷剂循环回路流程为：
通过调节球阀开关的开度，增加制冷剂储液罐与球阀开关之间部分的刚性，减小制冷剂储液罐与球阀开关之间部分的可压缩性空间，从齿轮泵泵出的制冷剂液体进入质量流量计后，经预热段预热，在实验段完成实验后由可视化透管进入U型冷凝器冷却成液体，经制冷剂储液罐进入齿轮泵，再由齿轮泵泵出完成循环；
冷却水循环回路流程为：
水箱中的冷却水通过水泵抽出，流经U型冷凝器将气-液两相制冷剂冷却成液体，再重新流回水箱；当水箱中的冷却水温度超过一定范围时，电磁膨胀阀根据冷却水温度对应的压力调整到某一开度，使液氮罐中的液氮注入塑料水瓶中，将塑料水瓶中的自来水瞬间凝固成冰，通过塑料水瓶中凝固的冰与冷却水进行热传递，使冷却水保证在恒定温度。
进一步地，所述预热段和实验段通过对电阻丝通以直流电产生均匀稳定的热流，数据采集模块将采集到的实时数据发送给工业计算机，当判定靠近实验段出口1/3部分的热电偶平均温度值比靠近实验段入口前2/3部分的热电偶平均温度值高出3℃且持续6秒钟以上时，通过工业计算机调小水泵开度，减小水泵的转速，进而使系统压力升高。
本发明的有益效果：
1、本发明中的循环回路分为两部分：制冷剂循环回路和冷却水循环回路。制冷剂循环回路主要由制冷剂储液罐、球阀开关、变频器、齿轮泵、质量流量计、预热段、实验段和冷凝器构成；冷却水回路主要由水箱、水泵、液氮罐、电磁膨胀阀和塑料水瓶构成。该测量系统简单可靠，测量结果精度较高。
2、为了降低流动沸腾系统自身的不稳定程度，采用的方式如下：①利用球阀开关节流增压的方法增加冷剂储液罐与球阀开关之间部分的刚性，减小冷剂储液罐与球阀开关之间部分的可压缩性空间，消除剧烈的压降型波动；②若实验段内的水平管是钢管，则通过增大管壁热容的方式(外套一个石墨蓄热套管)来测量临界热流密度。这是由于钢管的导热系数比铜管低，即轴向导热能力也较低，通过增加管壁热容降低管内流体工质接受的瞬时热流及受热管轴向温差，进而降低流动沸腾不稳定的幅度。
3、由于重力的影响，导致水平管内壁的环状流液膜分布不均，顶部液膜厚度较薄，底部液膜厚度较厚，再加上实验段热流的影响，临界热流现象通常发生在实验段顶部出口位置附近，实验段顶部出口附近的温度变化较其他部位剧烈，因此，为了更可靠的了解实验段的壁温情况，实验段热电偶的布置方式采用不同密度均匀分布。
4、可视化透管的作用便于实验人员观察实验段出口的制冷剂含气率以及两相流流型，高速摄像机的作用用于记录实验过程中的两相流型演化过程。
5、为了提高进入制冷剂储液罐的制冷剂过冷度，将U型冷凝器流经的制冷剂和冷却水按照逆流方式流动。另外，制冷剂储液罐上的电动风扇和加热片用作系统压力和过冷度的微调。
6、针对低热流、低流速下水平管内的临界热流密度，其判定条件为：靠近实验段出口1/3部分的热电偶平均温度值比靠近实验段入口前2/3部分的热电偶平均温度值高出3℃且持续6秒钟以上，并伴随着换热系数的降低。当出现临界热流现象时，实验段水平管内的压降增大，系统压力降低，通过工业计算机手动调小齿轮泵开度，可以使系统压力升高。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是本发明中水箱内部结构透视图；
图3是本发明中实验段结构示意图；
图中：制冷剂储液罐1、电动风扇2、加热片3、流通管道4、球阀开关5、变频器6、齿轮泵7、质量流量计8、预热段9、数据采集模块10、工业计算机11、实验段12、T型热电偶13、通讯线14、压力传感器15、可视化透管16、高速摄像机17、制冷剂入口管道18、U型冷凝器19、冷却水入口管道20、冷却水出口管道21、制冷剂出口管道22、水箱23、电磁膨胀阀24、液氮罐25、水泵26、塑料水瓶27、水平管121、石墨蓄热套管122、绝缘胶带123、电阻丝124、绝缘胶带125、绝热胶带126。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1-图3所示，本发明的一种水平管内临界热流密度测量系统，包括：制冷剂储液罐1、电动风扇2、加热片3、流通管道4、球阀开关5、变频器6、齿轮泵7、质量流量计8、预热段9、数据采集模块10、工业计算机11、实验段12、T型热电偶13、通讯线14、压力传感器15、可视化透管16、高速摄像机17、制冷剂入口管道18、U型冷凝器19、冷却水入口管道20、冷却水出口管道21、制冷剂出口管道22、水箱23、电磁膨胀阀24、液氮罐25、水泵26及塑料水瓶27；
所述电动风扇2固定于制冷剂储液罐1的外壁上方，所述加热片3粘接于制冷剂储液罐1的外壁下方，所述电动风扇2与加热片3分别设于制冷剂储液罐1两侧；所述制冷剂储液罐1、球阀开关5、齿轮泵7、质量流量计8、预热段9、实验段12及制冷剂入口管道18两两之间通过流通管道4连接，且流通管道4通过压紧头旋接压紧；所述变频器6分别与齿轮泵7、数据采集模块10连接；所述实验段12上设有若干个T型热电偶13；所述压力传感器15底部与实验段12的出口通过取压孔过盈配合，压力传感器15顶部通过通讯线14与数据采集模块10相接；所述高速摄像机17固定安装于可视化透管16斜上方；所述U型冷凝器19安装于可视化透管16与制冷剂储液罐1之间，且U型冷凝器19上的四个流通管路从左至右依次与可视化透管16出口、水泵26出口、水箱23、制冷剂储液罐1顶部通过压紧头旋接压紧；所述液氮罐25与塑料水瓶27通过流通管道4连接，所述电磁膨胀阀24底部的通管与流通管道4通过螺纹旋接；所述水泵26及塑料水瓶27底部与水箱23内部地底面固结；
所述工业计算机11通过数据采集模块10监测系统压力值和流量值来调节水泵26的转速(用于调节系统压力)和变频器7的频率(用于调节齿轮泵转速，进而调节质量流量)，使系统压力和流量稳定在设定值，避免测量系统出现较大不稳定性，影响临界热流密度的测量结果。
示例一中，所述实验段12由内向外依次为水平管121、绝缘胶带123、电阻丝124、绝缘胶带125及绝热胶带126，其中，绝缘胶带123、绝缘胶带125及绝热胶带126均缠绕粘接于上一层结构，电阻丝124高密度小间距均匀缠绕于绝缘胶带123上；所述水平管121采用铜管，所述预热段9和实验段12组成结构相同。
示例二中，所述实验段12由内向外依次为水平管121、石墨蓄热套管122、绝缘胶带123、电阻丝124、绝缘胶带125及绝热胶带126；其中，绝缘胶带123、绝缘胶带125及绝热胶带126均缠绕粘接于上一层结构，电阻丝124高密度小间距均匀缠绕于绝缘胶带123上；石墨蓄热套管122外套于水平管121外壁，两者过盈配合；所述水平管121采用钢管，预热段9相比实验段12少了一层石墨蓄热套管122，其他结构及连接方式与上述示例一中采用铜管相同。
此外，所述实验段12的入口开始至实验段12的三分之二位置均匀布置的T型热电偶13之间的距离大，实验段12剩余位置均匀布置的T型热电偶13之间的距离小。
所述实验段12上的T型热电偶13底部与水平管121焊接，T型热电偶13顶部与数据采集模块10通过通讯线14连接；所述数据采集模块10与工业计算机11通过通讯线14插接。
需要说明的是，T型热电偶13插设到实验段内部的水平管壁厚中，主要是测量水平管的内壁温(由于壁厚很小且水平管导热系数较高，所以这里的内壁温是近似值，因为热电偶底部并未与水平管内表面接触)。
较优示例中，所述U型冷凝器19流经的制冷剂和冷却水按照逆流方式流动。
所述制冷剂储液罐上的电动风扇和加热片用于系统压力和过冷度的微调。
本发明的一种水平管内临界热流密度测量系统的调整方法，包括：制冷剂循环回路和冷却水循环回路；
制冷剂循环回路流程为：
通过调节球阀开关的开度，增加制冷剂储液罐与球阀开关之间部分的刚性，减小制冷剂储液罐与球阀开关之间部分可压缩性空间，从齿轮泵泵出的制冷剂液体进入质量流量计后，经预热段预热，在实验段完成实验后由可视化透管进入U型冷凝器冷却成液体，经制冷剂储液罐进入齿轮泵，再由齿轮泵泵出完成循环；
冷却水循环回路流程为：
水箱中的冷却水通过水泵抽出，流经U型冷凝器将气-液两相制冷剂冷却成液体，再重新流回水箱；U型冷凝器在进行制冷剂和冷却水热传递的过程中，会导致冷却水温度升高，进而减小制冷剂流入制冷剂储液罐的过冷度，造成流动沸腾测量系统自身的不稳定性增加。因此，当水箱中的冷却水温度超过一定范围时，电磁膨胀阀会根据冷却水温度对应的压力调整到某一开度，使液氮罐中的液氮注入塑料水瓶中，将塑料水瓶中的自来水瞬间凝固成冰，通过塑料水瓶中凝固的冰与冷却水进行热传递，使冷却水保证在恒定温度附近。
预热段和实验段通过对电阻丝通以直流电产生均匀稳定的热流，避免使用交流电，交流电的交变磁场会对临界热流密度有影响。设置预热段的目的是获得进入实验段时所需的入口干度，而在实验段，由于重力的影响，导致水平管内壁的环状流液膜分布不均，顶部液膜厚度较薄，底部液膜厚度较厚，再加上实验段热流的影响，临界热流现象一般首先出现在靠近实验段出口顶部位置。为了更可靠的了解实验段的壁温状况和测量临界热流密度值，热电偶的布置密度按照实验段不同部位而不同：靠近实验段入口前2/3部分的布置密度较小，每隔100mm布置一个热电偶；靠近实验段出口1/3部分的布置密度较大，每隔30mm布置一个热电偶。实验中参数测量所得数据通过数据采集模块进行采集，内置信号调整测量热电偶、直流电压和电流、齿轮泵流量、水泵转速，通过通讯线与工业计算机进行通讯，实现实时数据监测与存储。针对低热流、低流速下水平管内的临界热流密度，其判定条件为：靠近实验段出口1/3部分的热电偶平均温度值比靠近实验段入口前2/3部分的热电偶平均温度值高出3℃且持续6秒钟以上，并伴随着换热系数的降低。当出现临界热流密度时，实验段水平管内的压降增大，系统压力降低，系统压力降低会加剧了系统不稳定性(这是由于压力降低使气相和液相之间的密度差异增大，在低压条件下，压差对液膜的扰动要比高压下大)，此时，通过工业计算机手动调小水泵开度，可以减小水泵的转速，进而使系统压力升高。另外，制冷剂储液罐上的电动风扇和加热片用作系统压力和过冷度的微调。
如图3所示，由于钢管的换热系数比铜管的传热系数低，存在受热管轴向导热，会造成水平管内出现干涸点。因此，为了避免钢管在流动沸腾时出现干涸点，加剧系统不稳定程度，影响临界热流密度的测量值，在水平管外增加一个石墨蓄热套管，通过增加管壁热容降低管内流体工质接受的瞬时热流及受热管轴向温差，进而降低流动沸腾不稳定的幅度，提高测量临界热流密度的准确度。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。