一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置及实验方法与流程

本发明涉及能源换热技术领域，更具体地说，涉及一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置及实验方法。

背景技术：

沸腾传热热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程。沸腾传热与气泡的产生和脱离密切相关，气泡形成的条件是：①液体必须过热；②要有汽化核心。这些条件是由气泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。沸腾作为一种高效的具有相变的换热方式广泛存在于各种换热设备中，如锅炉炉膛的水冷壁，微电子的冷却器等，由于气泡行为的复杂特性，对其研究尚不充分，因而在很大程度上限制了其应用。

影响沸腾传热过程的因素很多，包括液体和蒸气的性质、加热面的表面物理性质和粗糙程度，尤其重要的是液体对表面的润湿性以及操作压力和温度差。在泡核沸腾范围内，温度差越大，传热分系数也越大。加热壁面粗糙和能被液体润湿时，也能使传热分系数增大。据此，将细小金属颗粒沉积于金属板或管上，制成金属多孔表面，可使沸腾传热分系数提高十几倍至几十倍。而通过对气泡的研究，能够分析出加热方式、液体扰动性对于沸腾传热的影响，有助于加快沸腾传热技术的发展。

现有技术中已有相关的技术方案公开，本方案申请人曾于2016年6月24日申报过类似的专利技术方案，专利申请号：201610477989.4，专利名称：一种可视化大容器沸腾实验装置，该申请案公开了一种可视化大容器实验装置，属于能源换热领域。该装置主要由支架、加热丝固定调节机构、水浴加热机构和高速摄像机和扫描电镜等组成，所述加热丝固定调节机构设置在支架上，水浴加热机构位于加热丝固定调节机构下方，在支架上设置有仿臂支架，扫描电镜固定在仿臂支架上，通过高速摄像机和扫描电镜采集实验数据。

上述申请案能够直接观察到加热丝上气泡生长过程和各种射流现象，并可获得加热丝上气泡的直径与热流密度的关系，但是经过使用发现，气泡还会受到重力等因素的影响，而这种实验装置无法完成检测重力的是影响实验，需要进一步改进。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中实验装置无法观测重力对气泡生成影响的不足，提供了一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置及实验方法，本发明适用于任何工质，能够直接观察到加热丝上气泡生长过程和各种射流现象，并且可同时研究水平和倾斜等不同情况，可获得加热丝上气泡的直径与热流密度的关系，从而为研究沸腾换热问题提供了理论研究基础。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置，包括支架、加热丝固定调节机构、水浴加热机构、高速摄像机和扫描电镜，所述的加热丝固定调节机构中的固定机构主要由量角片、滑槽和沸腾加热丝组成，量角片为半圆环形，其中部与加热丝固定架连接，在量角片上对称开设有滑槽，所述沸腾加热丝的端部通过调节螺钉固定在滑槽中，通过调节螺钉调节沸腾加热丝的倾斜角度。

作为本发明更进一步的改进，所述的加热丝固定架的底端伸出在量角片的凹弧内，其底端与沸腾加热丝相连，使沸腾加热丝被分为两部分。

作为本发明更进一步的改进，所述加热丝固定架底部设置有与导线相连的两个卡座，加热丝固定架底部引出两根沸腾加热丝，该沸腾加热丝一端与卡座相连，另一端与调节螺钉相连，形成两个回路。

作为本发明更进一步的改进，所述量角片上对称设置有两段半裸导线，该半裸导线为圆弧形，且半径尺寸小于滑槽的半径尺寸。

作为本发明更进一步的改进，所述量角片上刻有刻度线，该刻度线沿滑槽的边沿设置。

作为本发明更进一步的改进，装置中的支架、加热丝固定调节机构、水浴加热机构相连接，所述加热丝固定调节机构设置在支架上，水浴加热机构位于加热丝固定调节机构下方，在支架上设置有仿臂支架，扫描电镜固定在仿臂支架上，通过高速摄像机和扫描电镜采集实验数据。

作为本发明更进一步的改进，加热丝固定调节机构中的调节机构主要由实验台顶环、升降支杆固定架和升降支杆组成，升降支杆固定架沿支架上端的实验台顶环径向设置并能够绕实验台顶环中心轴转动，所述升降支杆活动设置在升降支杆固定架下部，并能够通过升降支杆控制加热丝固定机构上下运动。

作为本发明更进一步的改进，所述的水浴加热机构包括加热池、沸腾池和加热模块，加热模块用于对加热池内的液体换热工质加热，加热池通过液体换热工质对放置在其内部的沸腾池加热，加热丝固定调节机构上的沸腾加热丝放置在沸腾池内的蒸馏水中进行实验。

本发明的一种角度可调谐的容器沸腾换热实验方法，采用角度可调谐的容器沸腾换热实验装置进行实验，其步骤为：

1)实验前的准备：

每次实验前在沸腾池中加入适量的蒸馏水，在加热池中加入换热工质，将沸腾加热丝用调节螺钉固定在量角片上，沸腾加热丝与半裸导线相接触，调节沸腾加热丝的角度；

2)启动实验装置：

根据加热池中液位选择加热电源的加热档位，恒温加热沸腾池，使沸腾池中蒸馏水的温度为设定值，接通沸腾加热丝上直流电；

3)信息收集：

调节仿臂支架上扫描电镜和高速摄像机的位置和角度，记录实验现象；

4)调整工况ⅰ：

选择合适的角度，当沸腾池中蒸馏水的温度达到设定值时，关闭加热电源，调整沸腾加热丝的直流电源上的电流开关，改变电流大小，获得同一位置，同一过冷度时不同热流密度情况下气泡现象，保存文件，记录数据；

5)调整工况ⅱ：

选择合适的角度，调整沸腾加热丝的直流电源上的电流开关，使其电流、电压维持一个定值，然后调整加热电源，获得同一位置，同一热流密度时不同过冷度情况下的各种气泡现象，保存文件，记录数据；

6)调整工况ⅲ：

当沸腾池中蒸馏水的温度达到设定值时，关闭加热电源，调整沸腾加热丝的直流电源上的电流开关，使其电流、电压维持一个定值，调节沸腾加热丝的角度，进行实验，获得同一热流密度时同一过冷度情况下的不同角度的各种气泡现象，保存文件，记录数据；

7)实验数据处理：

实验数据采集结束后，观察沸腾池加热丝上气泡的四种扫荡现象和气泡顶部射流现象，根据扫描电镜分辨率网格和沸腾池加热丝直径估算气泡直径。

作为本发明更进一步的改进，步骤6)中的加热丝固定架底部设有卡座，沸腾加热丝与卡座相连，沸腾加热丝位于加热丝固定架两侧的部分倾斜角度不同。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明中加热丝调节机构中的实验台顶环、升降支杆固定架、升降支杆和量角片之间的组合可实现：转动、平移和升降运动，并能够通过调节螺钉调节沸腾加热丝的位置，改变其倾斜角度，则既可以不同角度调节沸腾加热丝位置，观测重力对气泡生成的影响，又能够调节沸腾加热丝高度，方便实验调整，获得较好的实验位置，便于观察；

(2)本发明通过螺钉在槽孔移动固定某一角度的沸腾加热丝，并用加热丝固定架把沸腾加热丝分成两部分，不仅可以调节不同倾角的沸腾加热丝，获得较为准确的结果，还可以进行左右对比，从而减轻实验操作量，直观的获得较为精确的结果；

(3)本发明通过加热池对沸腾池进行加热，即将沸腾池放置在加热池中，沸腾池一半在水中，一半在空气中，利用加热池下部的水加热沸腾池，沸腾池内水温缓慢上升且温度分布均匀，排除了由于水中沸腾扰动对加热丝上形成气泡的影响，便于做各种过冷度工况下的实验；

(4)本发明配合设置的高速摄像机，可拍摄沸腾池加热丝上气泡扫荡、合并、脱离现象；所设置扫描电镜能够拍摄沸腾池加热丝上气泡脱离直径大小、频率及射流现象，获得沸腾加热丝上气泡的直径与热流密度以及位置的关系，从而为研究沸腾换热问题提供了理论研究基础，结构设计合理，原理简单，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明的实验装置的结构示意图；

图2为本发明中加热模块的结构示意图；

图3为本发明中加热丝固定机构的结构示意图；

图4为本发明中倒v槽的结构示意图；

图5为本发明中沸腾加热丝上五种扫荡现象示意图；

图6为本发明中沸腾加热丝上射流现象示意图；

图7为本发明中扫描电镜观测的沸腾加热丝及气泡的尺寸示意图。

示意图中的标号说明：1、实验台底座；2、加热池；3、实验台支柱；4、加热电源；5、实验台顶环；6、升降支杆固定架；7、升降支杆；8、加热丝固定架；9、沸腾池；10、高速摄像机；11、扫描电镜；12、仿臂支架；13、供热加热丝；14、补光灯；15、量角片；16、滑槽；17、调节螺钉；18、半裸导线；19、沸腾加热丝；20、倒v槽。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置，主要由支架、加热丝固定调节机构、水浴加热机构、高速摄像机10和扫描电镜11等组成，加热丝固定调节机构包括加热丝调节机构和加热丝固定机构，加热丝调节机构与支架相连，用于水平或竖直调节加热丝固定调节机构。水浴加热机构位于加热丝固定调节机构下方，加热丝固定机构上的沸腾加热丝17在水浴加热机构中进行加热实验。

本实施例中的支架主要由实验台底座1和实验台支柱3组成，3根实验台支柱3沿实验台底座1周向均匀间隔分布，实验台支柱3下端设置有仿臂支架12，扫描电镜11固定在仿臂支架12上，通过高速摄像机10和扫描电镜11采集实验数据。

进一步地，仿臂支架12为增稳云台，扫描电镜11在仿臂支架12上具有多个方向运动自由度，可以水平调节或竖直调节或进行观测角度调节，使用方便，能够获得较好的实验位置，便于观察。

本实施例中的水浴加热机构包括加热池2、沸腾池9和加热模块，加热模块用于对加热池2内的流体换热工质加热，加热池2设置在实验台底座1上，沸腾池9放置在加热池2的流体换热工质中加热，加热池2通过流体换热工质对沸腾池9中蒸馏水加热，加热丝固定调节机构上的沸腾池加热丝17放置在沸腾池9内的蒸馏水中进行实验。

如图2所示，加热模块包括加热电源4、电源支撑板和供热加热丝13，加热电源4设置在电源支撑板上侧，供热加热丝13设置在电源支撑板下侧，加热电源4为供热加热丝13提供电能产热，供热加热丝13可以设置为多圈环绕的电阻丝，以提高产热效率。电源支撑板放置在加热池2上，则供热加热丝13位于加热池2中，加热电源4控制供热加热丝13发热为流体换热工质加热。可以把加热池2设置为矩形体结构，则可在加热池2一侧放置加热模块，另一侧用于放置沸腾池9。

值得说明的是，如图2所示，供热加热丝13通过两侧的安装架与加热电源4连接，或者直接与支撑板相连，在同一安装架上设置有上下两圈供热加热丝13。进一步地，为了方便对不同液位的流体换热工质进行加热，提供不同的加热效率，分左右两侧设置两组供热加热丝13，两组供热加热丝13所处的位置高度不同。当液位较低时，可以直接采用较低高度的供热加热丝13进行加热；当液位较高时，两组同时开启，则可在不同高度进行加热，加热效率高，而且温度分布均匀，有助于沸腾池9内温度分布的均匀性。

为了能够通过高速摄像机10和扫描电镜11进行观测，加热池2和沸腾池9均为透明材质材料，本实施例中选为用透明pc材料。pc材料强度较好，可耐150℃温度，透明度很高，可满足观察和拍照需要。

由于通过加热池2对沸腾池9进行加热，形成半水浴加热，即将沸腾池9放置在加热池2中，沸腾池一半在水中，一半在空气中，利用加热池2下部的水加热沸腾池9，沸腾池9水温缓慢上升且温度分布均匀，排除了由于水中沸腾扰动对加热丝上形成气泡的影响，便于做各种过冷度工况下的实验。

结合图3，加热丝固定调节机构中的加热丝固定机构主要由主要由量角片15、滑槽16和沸腾加热丝19组成，量角片15为半圆环形，其中部与加热丝固定架8连接，即通过加热丝固定架8使量角片15被固定，其圆形开口朝下。在量角片15上对称开设有滑槽16，滑槽16内配合设置有调节螺钉17，沸腾加热丝19的两端分别通过调节螺钉17固定在滑槽16中，当移动其中一个调节螺钉17在滑槽16中的位置时，沸腾加热丝19的倾斜角度改变，即通过调节螺钉17可调节沸腾加热丝19的倾斜角度。

调整沸腾池加热丝的过程中，由于需要构成回路，且尽量不受外界干扰，量角片16选用普通pc材料，在量角片16上对称设置两段半裸导线18，该半裸导线18成圆弧形分布，半裸导线18下端与沸腾加热丝19相接触，其上端与导线相连，构成回路。且半径尺寸小于滑槽16的半径尺寸，当用调节螺钉17把沸腾加热丝19固定后，沸腾加热丝19被压在量角片16上，其表面与半裸露导线18贴合，保证连接成回路以及角度的精确性，尽量的减少了误差。

实施例2

结合图4，本实施例的一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：加热丝固定架8的底端伸出在量角片15的凹弧内，其底部设置有与导线相连的两个卡座20，加热丝固定架8底部引出两根沸腾加热丝19，该沸腾加热丝19一端与卡座20相连，另一端与调节螺钉17相连，形成两个回路。分别调整沸腾加热丝19两端的调节螺钉17的位置，能够形成两个倾斜角度，可同时进行不同倾斜角度的观测实验。

进一步地，量角片15上刻有刻度线，该刻度线沿滑槽16的边沿设置，便于对调节螺钉17位置的调整。在当沸腾加热丝19水平位置时，可以设置角度为0°，刻度线可以标志70°。

上述结构设置更易于调节，且设置左右对比，尽可能的减少操作量，方便可观的对比实验，无论水平调节还是任意角度调节均可以满足，易于使用。本实施例中直流电路电线和电流、电压测量线路均从加热丝固定架内部穿过，并经过半裸露导线与沸腾池加热丝连接。以及具体的实验记录设备可直接采用现有技术，本实施例可不作具体叙述。

实施例3

本实施例的一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置，其基本结构与实施例2相同，其不同之处在于：本实施例中加热丝调节机构主要由实验台顶环7、升降支杆固定架8和升降支杆9组成。其中，实验台顶环7固定在实验台支柱3顶端，水平固定，在实验台顶环7内壁开设有环形槽，升降支杆固定架8沿支架上端的实验台顶环7径向设置，升降支杆固定架8的两端位于环形槽中，则升降支杆固定架8能够绕实验台顶环9中心轴转动，升降支杆固定架8还可径向设置在实验台顶环9上方，主要目的在于实现转动，具体结构没有特别限制。

此外，在升降支杆固定架8下壁开设有t型槽，升降支杆9上端对应设置有t形连接块，则手动使升降支杆9相对升降支杆固定架8滑动。进一步地，可以在升降支杆固定架8下壁外部设置齿条，升降支杆9上配合固定电机，则可通过电机控制升降支杆9滑动。升降支杆9能够进行伸缩变化，其驱动方式可以是手动或电动，没有具体限制。把加热丝固定机构连接在升降支杆9下端，则既可以水平调节加热丝固定机构位置，又能够调节加热丝固定机构高度，进而实现对沸腾池加热丝19位置的控制。

加热丝调节机构中的实验台顶环、升降支杆固定架和升降支杆之间的组合可实现、转动、平移和升降运动，则既可以不同角度调节沸腾加热丝位置，又能够调节沸腾加热丝高度，方便实验调整，获得较好的实验位置，便于观察。

实施例4

本实施例的一种角度可调谐的容器沸腾换热实验装置，其中升降支杆固定架6在实验台顶环5中的转动、升降支杆7相对升降支杆固定架6的滑动以及升降支杆7的升降运动均由相应电机驱动机构控制，并通过控制系统控制三个电机的动作，采用机械化控制代替手动控制，精确性更高，而且可避免操作过程中被烫伤等危险。所使用的驱动机构可采用常规的驱动方式，不需要赘述。

以上各实施例不同特征之间可以相互组合，不局限于所列举方案。针对上述实施例提供的可视化大容器实验装置，本发明还提供了一种可视化大容器实验装置的实验方法，其具体步骤为：

1)实验前的准备：

每次实验前在沸腾池中加入适量的蒸馏水，在加热池中加入换热工质，将沸腾加热丝19用调节螺钉17固定在量角片15上，沸腾加热丝19与半裸导线18相接触，调节沸腾加热丝19的角度；

所述的换热工质为流体换热工质，如水、金属或非金属颗粒的纳米流体、丙烷、异丁烷等，不同工质的沸腾换热情况不同，本装置可实现对多种换热工质的沸腾换热研究。

2)启动实验装置：

根据加热池2中液位选择加热电源4的加热档位，若液位较低，可只启动单个供热加热丝13进行加热；若液位较高，可同时启动两组供热加热丝13同时加热；加热池2内温度持续上升，沸腾池9中温度也会缓慢升高，直至沸腾池9中温度达到所需温度，然后开始恒温加热沸腾池，使得沸腾池的工质具有一定过热度或过冷度，方可进行实验。

在加热过程中，采用断续加热方式，当温差达到或超过20℃时，可断电停止加热，等温度差接近到5℃范围以内时再继续进行加热。这样一方面能够减少流体换热工质中水的蒸发，另一方面可减少电能的损耗。

此外，在加热时还可在沸腾池9上加个盖子，减少蒸馏水的蒸发速度与热量的损失；当沸腾池9中蒸馏水的温度为设定值后，持续加热一段时间，排除水本身所带不凝结气体，然后接通沸腾池加热丝17上直流电可进行实验。

3)信息收集：

调节仿臂支架12上扫描电镜11和高速摄像机10的位置和角度，记录实验现象；

把高速摄像机10用三脚架固定，设置好高速摄像机10的高度和距沸腾池加热丝17的距离，之后进行进光量和焦距的调试。需要注意的是，高速摄像机10不能距离沸腾池加热丝17太近，防止水蒸气影响实验效果，甚至损坏高速摄像机10。扫描电镜11通过仿臂支架12设定好位置和角度，在实验时采集观测信息。

扫描电镜11用于拍摄沸腾池加热丝17上气泡脱离直径大小、频率及射流现象，高速摄像机10用于拍摄沸腾池加热丝17上气泡扫荡、合并、脱离现象。

4)调整工况ⅰ：

选择合适的角度，当沸腾池9中蒸馏水的温度达到设定值时，关闭加热电源4，调整沸腾加热丝19的直流电源上的电流开关，改变电流大小，获得同一位置，同一过冷度时不同热流密度情况下气泡现象，保存文件，记录数据；

其过程是先调节直流电源电压电流，使其都为零，然后打开直流电源开关，先逐步增大电压至足够大，电流保持为零，再逐渐调整电流至合适位置，利用微调旋钮进行更精确的调节。需要时方可利用高速摄相机10或者扫描电镜11进行数据收集，并记录各项数据。

5)调整工况ⅱ：

选择合适的角度，调整沸腾加热丝19的直流电源上的电流开关，使其电流、电压维持一个定值，然后调整加热电源4，获得同一位置，同一热流密度时不同过冷度情况下的各种气泡现象，保存文件，记录数据；

6)调整工况ⅲ：

当沸腾池9中蒸馏水的温度达到设定值时，关闭加热电源4，调整沸腾加热丝19的直流电源上的电流开关，使其电流、电压维持一个定值，调节沸腾加热丝19的角度，进行实验，获得同一热流密度时同一过冷度情况下的不同角度的各种气泡现象，保存文件，记录数据；

待所有实验都进行完毕时，首先要关闭加热电源4与直流电源开关，然后将沸腾加热丝19升起，整理实验台(此时水温较高，以防烫手)，暂时不用蒸馏水时需用盖子将沸腾池封闭，以免空气影响蒸馏水质量。如果需要多次做实验时，需更换蒸馏水，因实验过程中会影响蒸馏水的纯度，从而影响实验结果。

进一步地，还可更换不同直径的沸腾池加热丝或者是换热工质，重复上述步骤试验，研究不同沸腾池加热丝和换热工质下的沸腾换热情况。

更换沸腾加热丝19时必须先将直流电源断电，以防损坏沸腾加热丝19，再使用加热丝升降支杆7将沸腾加热丝19升起，换成其他加热丝。

在工况ⅰ和工况ⅱ进行实验时，可以调整沸腾加热丝为水平位置，也可设置其中一条沸腾加热丝处于水位置，另一条处于倾斜角度，能够同时观测两种状态下的实验现象，便于比对；在工况ⅲ中可以设置两条加热丝处于不同的倾斜角度，针对不同倾斜角度情况进行比对。另外，本方案中不同工况是单独进行的实验，在步骤上列出先后顺序只是方便方案描述，具体操作时可单独进行。

7)实验数据处理：

实验数据采集结束后，观察沸腾池加热丝上气泡的四种扫荡现象和气泡顶部射流现象，根据扫描电镜分辨率网格和沸腾池加热丝直径估算气泡直径。如图5所示，沸腾池加热丝上五种扫荡现象包括：运动气泡在两个静止气泡间往复扫荡、两个气泡相向运动、两个气泡同向运动及一个气泡运动并与第二个静止气泡相撞后一起运动的现象，以及气泡倾斜运动的情况。

如图6中所示，气泡顶部射流现象包括：向底部单射流、向顶部单射流、向顶部多射流现象；在利用扫描电镜进行观测时，如图7所示，根据扫描电镜分辨率网格和沸腾池加热丝直径估算气泡直径。

本发明的实验方法，设置有加热丝角度可调节机构，方便调节沸腾池加热丝的位置，配合设置的高速摄像机，可拍摄沸腾池加热丝上气泡扫荡、合并、脱离现象；并能够通过调节螺钉调节沸腾加热丝的位置，改变其倾斜角度，则既可以不同角度调节沸腾加热丝位置，观测重力对气泡生成的影响，又能够调节沸腾加热丝高度，从而为研究沸腾换热问题提供了理论研究基础。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。