阅读说明：本技术 一种高温热管传热性能及失效测试实验装置 (High-temperature heat pipe heat transfer performance and failure test experimental device ) 是由 苏光辉 田智星 王成龙 张大林 田文喜 秋穗正 于 2020-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高温热管传热性能及失效测试实验装置,包括实验热管、感应加热系统、冷却系统、角度控制系统、数据采集系统等。实验热管包括管内压力传感器、管内温度传感器、破口控制器、充气控制阀、测压控制阀、不凝气体储存罐、环境气体储存罐、热管本体等,实现热管内部工质参数的测量和不凝气体的充装；感应加热系统实现对热管蒸发段的加热和功率控制；冷却系统实现热管冷凝段和感应线圈的冷却；角度控制系统包括机械手和夹持装置,实现热管倾斜、摇摆、旋转等工况的控制；数据采集系统包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等,实现系统温度、压力、流量等参数的采集。(The invention discloses a high-temperature heat pipe heat transfer performance and failure testing experimental device which comprises an experimental heat pipe, an induction heating system, a cooling system, an angle control system, a data acquisition system and the like. The experimental heat pipe comprises an in-pipe pressure sensor, an in-pipe temperature sensor, a rupture controller, an inflation control valve, a pressure measurement control valve, a non-condensable gas storage tank, an ambient gas storage tank, a heat pipe body and the like, and measurement of parameters of working media in the heat pipe and filling of the non-condensable gas are realized; the induction heating system realizes heating and power control of the evaporation section of the heat pipe; the cooling system realizes the cooling of the condensation section of the heat pipe and the induction coil; the angle control system comprises a mechanical arm and a clamping device, and realizes the control of working conditions such as inclination, swing, rotation and the like of the heat pipe; the data acquisition system comprises a temperature sensor, a pressure sensor, a flow sensor and the like, and the acquisition of parameters such as system temperature, pressure, flow and the like is realized.)

一种高温热管传热性能及失效测试实验装置

技术领域

本发明涉及相变换热设备技术领域，具体涉及一种高温热管传热性能及失效测试实验装置。

背景技术

热管是一种利用工质相变的非能动传热设备，其通过工质的蒸发和冷凝来传递热量并依赖毛细力等作用维持循环。热管具有结构简单、传热效率高、等温性好、非能动等特性，同时选用不同工质可适用于不同的温度范围，因而热管可广泛应用于化工、航空航天、核能等领域。然而，由于热管内部气液两相工质传热传质的复杂性，需要对热管，特别是高温热管在不同工况的启动特性、传热性能、失效机制等进行研究。传统的热管的实验测试系统主要集中于热管外管壁温度的测量，本设计对热管内部工质的物理状态进行了测量，同时设计了更为全面的实验手段，有助于揭示热管传热的内在机制，指导热管的设计优化。

发明内容

为实现对热管的启动性能、传热性能、失效机制的研究，本发明提供了一种高温热管传热性能及失效测试实验装置，研究倾斜、摇摆、不凝气体等参数对高温热管传热性能的影响和热管的失效过程，揭示热管的工作运行机制，指导热管的设计优化。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种高温热管传热性能及失效测试实验装置，包括惰性气体储藏罐1、供电系统2、功率控制系统3、感应系统4、冷却夹层5、实验热管6、角度控制系统7、流量传感器8、循环泵9、冷却水箱10和测试管11；所述供电系统2、功率控制系统3、感应系统4依次通过电缆连接，供电系统2提供电能，功率控制系统3控制感应加热输入功率，感应系统4通过电磁感应产生磁场；所述感应系统4中插入测试管11，获得加热功率分布；所述实验热管6的蒸发段插入感应系统4中，实现对实验热管6蒸发段的功率输入；所述感应系统4的组成由外到内依次为屏蔽体41、感应线圈42、保温层43和加热块44，感应线圈42通过电磁激励产生磁场，磁场被限制在屏蔽体41内，保温层43置于感应线圈42和加热块44之间，减少热耗散，加热块44包裹测试管11或实验热管6的蒸发段，实现功率输入；所述冷却夹层5包裹实验热管6的冷凝段，冷却夹层5由保温层51、水通道52和惰性气体通道53组成，保温层51位于实验热管6冷凝段端部，惰性气体通道53内侧为实验热管6冷凝段，惰性气体通道53外侧为水通道52；所述冷却夹层5的水通道52通过管线依次连接流量传感器8、循环泵9和冷却水箱10，组成水冷回路；所述冷却夹层5内的惰性气体通道53连接惰性气体储藏罐1组成惰性气体传输通道；所述实验热管6由不凝气体充装系统、破口模拟系统、温度传感器65、管内压力传感器66和热管本体67组成，不凝气体充装系统和热管本体67冷凝段端部通过管线连接，破口模拟系统通过管线连接到热管本体67拟破口位置，温度传感器65和管内压力传感器66通过在热管本体67管壁开孔进行管内温度和压力的测量；不凝气体储存罐61、充气控制阀62、压力传感器63、测压控制阀64通过管道依次连接组成不凝气体充装系统并连接到热管本体67冷凝段端部；环境气体储存罐69连接破口控制器68组成破口模拟系统并连接到热管本体67；所述角度控制系统7由机械手和夹持装置组成，夹持装置连接机械手和实验热管6，通过机械手调节实验热管6的位置和运动状况；所述温度传感器65、管内压力传感器66、流量传感器8通过采集线路连接至采集卡，组成数据采集系统。

所述供电系统2、功率控制系统3、感应系统4组成感应加热系统，通过电磁感应实现功率输入；所述功率控制系统3设置功率提升方案、改变电流频率，实现不同的加热周期，模拟多种加热工况；所述屏蔽体41采用导磁材料-非导磁材料-导磁材料的多层结构，导磁材料采用金属材料，非导磁材料采用惰性气体或泡沫塑料，屏蔽体41实现磁场的屏蔽，避免强磁场对外界环境的干扰；所述感应线圈42能够更换，适用于不同规格尺寸的实验热管加热；所述感应线圈42轴向设置不同疏密程度，模拟不同形式的功率分布；所述保温层选用高温石英玻璃保温材料，减少热量耗散；所述加热块44选用生铁、碳钢导磁性良好的材料，避免热管管壁材料导磁性差导致加热不良的问题，同时加热块能够屏蔽磁场，避免强磁场对传感器的干扰；加热块44根据热管的形状，选用圆环形或C形，保证与热管管壁的良好接触；所述加热块4对测试管11或实验热管6进行加热，测试管11与实验热管6的蒸发段具有相同的结构和材料，通过测试管11内工质温度变化来确定加热功率分布。

所述冷却夹层5为实验热管6的冷凝段提供冷源；所述惰性气体通道53置于水通道52和实验热管6之间，避免了巨大温度梯度造成的热应力并保证实验热管的启动性能；所述流量传感器8、循环泵9、冷却水箱10、水通道52和相关管线组成冷却水回路，为实验系统提供热阱，所述流量传感器8和水通道52进出口温度传感器测量冷却水的流量、进出口温度，获得冷却功率。

所述不凝气体充装系统连接至热管本体67以实现热管冷态或运行状态下不凝气体的充装；所述充气控制阀62关闭，测压控制阀64打开情况下，压力传感器63测量热管内部工质气体压力；所述充气控制阀62打开，测压控制阀64关闭情况下，压力传感器63测量不凝气体储存罐61内压力；所述不凝气体储存罐61储存的不凝气体为氦气、氩气、氢气或空气；所述不凝气体储存罐61设置多级结构，实现不凝气体充装量的控制；所述充气控制阀62开合程度的调节实现不凝气体充装量的控制；所述充气控制阀62和测压控制阀64选用高温机械阀或电磁阀，满足工作温度要求。

所述温度传感器65和热管本体67通过法兰装配，实现对于实验热管内部工质温度的测量；所述温度传感器65通过焊接或开槽的方法固定于热管本体67的管壁外侧，实现对实验热管管壁温度的测量；所述温度传感器采用单点式热电偶、多点式热电偶或光纤温度传感器测量温度；所述温度传感器65沿热管本体67轴向和径向各处布置，实现实验热管内部三维温度场的建立和工质分布的跟踪；所述管内压力传感器66通过孔道与热管本体67连接，实现实验热管内部压力的测量；所述管内压力传感器66沿热管本体67轴向和径向各处布置；所述温度传感器65和管内压力传感器66组合布置，减少热管本体67的开孔数量。

所述温度传感器65和管内压力传感器66同时测量实验热管内某一点的温度和压力，并沿热管本体67轴向布置多组，通过实验热管内部的温度场和压力场，计算获得蒸气的密度场和速度场，用以评估实验热管的音速极限；所述温度传感器65用于测量热管本体67内蒸气区气态工质和吸液芯液态工质的温度，管内压力传感器66用于测得蒸气压力，确定蒸气是否稀薄，吸液芯内工质是否熔化，用以评估实验热管的连续流动极限和冷冻启动极限；所述管内压力传感器66用于测得热管本体67冷凝段末端压力，若压力降为0，则确定热管处于黏性极限；所述温度传感器65测量热管本体67蒸发段吸液芯的温度分布，确定实验热管是否存在干涸的情况，评估实验热管的毛细极限；所述温度传感器65测量热管本体67吸液芯内的温度分布，若热管本体67冷凝段端部出现液滴撞击声，同时吸液芯某处温度分布存在波动，则确定夹带发生位置，评估夹带极限。

所述破口控制器68和环境气体储存罐69能够模拟实验热管局部破口失效；所述破口控制器68采用电磁阀或机械阀，利用阀门的开合模拟破口的产生；所述环境气体储存罐69储存惰性气体和空气，气体类型取决于实验热管设计的工作环境；所述不凝气体储存罐61内部压力大于实验热管内部压力，模拟地面条件的破口失效工况。

所述角度控制系统7，通过程序控制机械手的运动，实现倾斜、旋转、摇摆、起伏多自由度的运动，全面模拟不同的工况。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

本发明中不凝气体储存罐61、充气控制阀62、压力传感器63、测压控制阀64组成的不凝气体充装系统可以对冷态及运行中的热管进行不凝气体的充装；温度传感器65、管内压力传感器66等可以测量热管内部工质的温度和压力；破口控制器68、环境气体储存罐69可以模拟热管破口失效；采用疏密变化的感应线圈42可以模拟不同的功率输入；采用冷却夹层5可以保证热管的启动性能；采用机械手和夹持装置组成的角度控制系统7，可实现倾斜、摇摆等多种工况。

本发明针对热管传热性能及失效的问题，提出一种高温热管传热性能及失效测试实验装置及方法，可实现多加热方式、多运动工况(倾斜、摇摆等)、内部参数(压力、温度)、破口失效等测试，能够极大地改进热管测试分析的手段。

附图说明

图1为高温热管传热性能及失效测试实验装置系统的示意图。

图2为感应系统的示意图。

图3为测试管的示意图。

图4为冷却夹层的示意图。

图5为实验热管的示意图。

具体实施方式

现结合实例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种高温热管传热性能及失效测试实验装置，包括惰性气体储藏罐1、供电系统2、功率控制系统3、感应系统4、冷却夹层5、实验热管6、角度控制系统7、流量传感器8、循环泵9、冷却水箱10和测试管11；所述供电系统2、功率控制系统3、感应系统4依次通过电缆连接，供电系统2提供电能，功率控制系统3控制感应加热输入功率，感应系统4通过电磁感应产生磁场；所述感应系统4中插入测试管11，获得加热功率分布；所述感应系统4中插入实验热管6的蒸发段，实现对实验热管6蒸发段的功率输入；所述感应系统4的组成由外到内依次为屏蔽体41、感应线圈42、保温层43和加热块44，感应线圈42通过电磁激励产生磁场，磁场被限制在屏蔽体41内，保温层43置于感应线圈42和加热块44之间，减少热耗散，加热块44包裹测试管11或实验热管6的蒸发段，实现功率输入；所述冷却夹层5包裹实验热管6的冷凝段，冷却夹层5由保温层51、水通道52和惰性气体通道53组成，保温层51位于实验热管6冷凝段端部，惰性气体通道53内侧为实验热管6冷凝段，惰性气体通道53外侧为水通道52；所述冷却夹层5的水通道52通过管线依次连接流量传感器8、循环泵9和冷却水箱10，组成水冷回路；所述冷却夹层5内的惰性气体通道53连接惰性气体储藏罐1组成惰性气体传输通道；所述实验热管6由不凝气体充装系统、破口模拟系统、温度传感器65、管内压力传感器66和热管本体67组成，不凝气体充装系统和热管本体67冷凝段端部通过管线连接，破口模拟系统通过管线连接到热管本体67拟破口位置，温度传感器65和管内压力传感器66通过在热管本体67管壁开孔进行管内温度和压力的测量；不凝气体储存罐61、充气控制阀62、压力传感器63、测压控制阀64通过管道依次连接组成不凝气体充装系统并连接到热管本体67冷凝段端部；环境气体储存罐69连接破口控制器68组成破口模拟系统并连接到热管本体67；所述角度控制系统7由机械手和夹持装置组成，夹持装置连接机械手和实验热管6，通过机械手调节实验热管6的位置和运动状况；所述温度传感器65、管内压力传感器66、流量传感器8通过采集线路连接至采集卡，组成数据采集系统。

如图2所示为感应系统的示意图，通过电磁感应实现蒸发段的功率输入；所述屏蔽体41实现磁场的屏蔽，避免前磁场对外界环境的干扰；所述感应线圈42在电流作用下激励产生感应磁场；所述保温层43置于感应线圈42和加热块44之间，减少热量的耗散；所述加热块44可对导磁性差的热管管壁材料进行加热，同时加热块可以屏蔽磁场，避免强磁场对传感器的干扰；所述加热块4对测试管11或实验热管6进行加热，测试管11与实验热管6的蒸发段具有相同的结构和材料，通过测试管11内工质温度变化来确定加热功率分布。

作为本发明优选实施方式，所述屏蔽体41采用导磁材料-非导磁材料-导磁材料的多层结构，导磁材料采用铁、钢等金属材料，非导磁材料采用惰性气体、泡沫塑料等材料；所述感应线圈42可轴向设置不同疏密程度，模拟不同形式的功率分布；所述感应线圈42可进行替换，适用于不同规格尺寸的实验热管加热；所述保温层43可选用高温石英玻璃、泡沫材料等保温材料；所述加热块44选用生铁、碳钢等导磁性良好的材料；所述加热块44可根据实验热管的形状，选用圆环形、C形等设计。

如图3所示为测试管的示意图，所述测试管11与实验热管6的蒸发段具有相同的结构和材料，通过工质温度变化来确定功率分布。

如图4所示为冷却夹层的示意图，所述保温层51、水通道52和惰性气体通道53组成冷却夹层5，冷却夹层5为实验热管6的冷凝段提供冷源；所述惰性气体通道53置于水通道52和实验热管6之间，避免了巨大温度梯度造成的热应力并保证了实验热管的启动性能；所述流量传感器8、循环泵9、冷却水箱10、水通道52和相关管线组成冷却水回路，为实验系统提供热阱，所述流量传感器8和水通道52进出口温度传感器测量冷却水的流量、进出口温度，可获得冷却功率。

如图5所示为实验热管的示意图，不凝气体储存罐61、充气控制阀62、压力传感器63、测压控制阀64通过管道依次连接组成不凝气体充装系统，不凝气体充装系统连接至热管本体67以实现热管冷态或运行状态下不凝气体的充装；所述充气控制阀62关闭，测压控制阀64打开情况下，压力传感器63可以测量实验热管内部气体压力；所述充气控制阀62打开，测压控制阀64关闭情况下，压力传感器63可以测量不凝气体储存罐61压力；

作为本发明优选实施方式，所述不凝气体储存罐61可储存氦气、氩气、氢气、空气等不凝气体；所述不凝气体储存罐61可设置多级结构，实现不凝气体充装量的控制；所述充气控制阀62开合程度的调节可以实现不凝气体充装量的控制；所述充气控制阀62和测压控制阀64可以选用高温机械阀或电磁阀，满足工作温度要求。

如图5所示为实验热管的示意图，所述温度传感器65布置于热管本体67内部，实现对于热管内部工质温度的测量；所述温度传感器65固定于热管本体67的管壁外侧，实现对热管管壁温度的测量；所述温度传感器65可沿热管本体67轴向和径向各处布置，实现实验热管内部三维温度场的建立和工质分布的跟踪；所述管内压力传感器66通过孔道与热管本体67连接，实现实验热管内部压力的测量；所述管内压力传感器66可沿热管本体67轴向和径向各处布置；所述温度传感器65和管内压力传感器66沿热管本体67轴向布置，可确定管内工质蒸气的温度、压力，用以评估实验热管的传热极限。

作为本发明优选实施方式，所述温度传感器65和热管本体67通过法兰等方式装配；所述温度传感器65可焊接、开槽等方法固定于热管本体67的管壁外侧；所述温度传感器65可选用(单点或多点式)热电偶、光纤温度传感器等测量温度；所述温度传感器65和管内压力传感器66组合布置，减少热管本体67的开孔数量。

作为本发明优选实施方式，所述温度传感器65和管内压力传感器66同时测量热管内某一点的温度和压力，并沿热管本体67轴向布置多组，通过实验热管内部的温度场和压力场，计算获得蒸气的密度场和速度场，用以评估实验热管的音速极限；所述温度传感器65用于测量热管本体67内蒸气区气态工质和吸液芯液态工质的温度，管内压力传感器66用于测得蒸气压力，确定蒸气是否稀薄，吸液芯内工质是否熔化，用以评估实验热管的连续流动极限和冷冻启动极限；所述管内压力传感器66用于测得热管本体67冷凝段末端压力，若压力降为0，可以确定实验热管处于黏性极限；所述温度传感器65测量热管本体67蒸发段内吸液芯的温度分布，确定实验热管是否存在干涸的情况，评估热管的毛细极限；所述温度传感器65测量热管本体67吸液芯内的温度分布，若热管本体67冷凝段端部出现液滴撞击声，同时吸液芯某处温度分布存在波动，可确定夹带发生位置，评估夹带极限。

如图5所示为实验热管的示意图，所述破口控制器68和环境气体储存罐69可模拟热管局部破口失效；所述不凝气体储存罐61内部压力大于热管内部压力，模拟地面条件的破口失效工况。

作为本发明优选实施方式，所述破口控制器68可选用电磁阀、机械阀等，利用阀门的开合模拟破口的产生；所述环境气体储存罐69可储存氦、氩等惰性气体和空气，气体类型取决于热管设计的工作环境；

所述机械手和夹持装置组成角度控制系统7，通过程序控制机械手的运动，实现倾斜、旋转、摇摆、起伏等多自由度的运动。

本发明的工作原理为：供电系统2提供的电能经功率控制系统3调节后传送到感应系统4，感应线圈42产生磁场，磁场对加热块44感应产生热能并传输到实验热管6的蒸发段内，同时保温层43减少热量耗散，屏蔽体41将磁场限制在腔体内，避免强磁场对外界设备的干扰。实验前为获得感应加热的功率分布，将测试管11替换实验热管6蒸发段并加热，获得测试管11内工质的温度分布来获得功率分布。实验热管6绝热段采用保温材料包覆保温。实验热管6冷凝段外安装冷却夹层5，惰性气体通道53保证热管的顺利启动，水通道52作为冷源吸收热量，冷却夹层5需要惰性气体储藏罐1、流量传感器8、循环泵9、冷却水箱10等的配合，可通过流量传感器8和水通道52的进出口温度获得冷却功率。机械手和夹持装置组成角度控制系统7对倾斜、摇摆等工况进行模拟，具备多种工况的测试能力。为考虑不凝气体的因素，热管冷凝段与由不凝气体储存罐61、充气控制阀62、测压控制阀64、压力传感器63组成的不凝气体充装系统相连接。实验热管运行过程中，测压控制阀64打开，充气控制阀62关闭，压力传感器63测试实验热管内部的压力；不凝气体充装前，测压控制阀64关闭，充气控制阀62打开，压力传感器63测试不凝气体储存罐61内压力，保证压力大于实验热管内部压力实现充装。为模拟实验热管的破口，实验过程打开破口控制器68，将环境气体储存罐69内气体冲入实验热管内部，实现破口的模拟。