一种可视化大容器沸腾换热的实验方法与流程

本发明涉及能源换热技术领域，更具体地说，涉及一种可视化大容器沸腾换热的实验方法。

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。

经过检索，发现现有技术中已有相关的技术方案公开，如中国专利申请号：201210199702.8，申请日：2012年6月18日，发明创造名称为：流动沸腾换热机理实验装置及方法，该申请案公开了一种流动沸腾换热机理实验装置及方法，，包括蠕动泵、转子流量计、恒温水浴、实验段、出口实验段、高速摄像仪、超声波颗粒检测装置、硅橡胶电加热片、冷凝器、水箱、数据采集系统及计算机，蠕动泵依次通过转子流量计和恒温水浴与实验段进水口连接，实验段出水口依次通过出口实验段、冷凝器和水箱连接蠕动泵进水口，实验段的硅橡胶电加热片连接功率表和调压器，对应实验段处分别设有与数据采集系统及计算机连接的高速摄像仪，出口实验段上安装超声波颗粒检测装置。

上述申请案重在研究窄通道沸腾换热机理，而没有给出如何控制加热方式来观测气泡的产生的信息，难以观测到各种射流现象及不能有效的控制加热过程中的温差，还需进一步改进。

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难以直接观测加热丝上气泡生长过程和各种射流现象的不足，提供了一种可视化大容器沸腾换热的实验方法，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：

本发明的一种可视化大容器沸腾换热的实验方法，实验装置主要由支架、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。其具体实验步骤为：

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，将沸腾池加热丝固定在固定旋链上，通过齿轮将沸腾池加热丝调节水平，通过加热丝调节机构调节沸腾池加热丝在沸腾池中的位置；

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，使沸腾池中蒸馏水的温度为设定值，接通沸腾池加热丝上直流电；

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：

当沸腾池中蒸馏水的温度达到设定值时，关闭加热电源，调整沸腾池加热丝的直流电源上的电流开关，改变电流大小，获得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：

调整沸腾池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)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，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流体换热工质加热，加热池通过流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池加热丝放置在沸腾池内的蒸馏水中进行实验。

作为本发明更进一步的改进，所述加热模块包括加热电源、电源支撑板和供热加热丝，所述加热电源和供热加热丝分别设置在电源支撑板上、下两侧，电源支撑板放置在加热池上，加热电源控制供热加热丝发热为流体换热工质加热。

作为本发明更进一步的改进，所述加热池、沸腾池由透明PC材料制成。

作为本发明更进一步的改进，所述仿臂支架为增稳云台，扫描电镜在仿臂支架具有多个方向运动自由度。

作为本发明更进一步的改进，所述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，其中，加热丝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，所述升降支杆固定架在实验台顶环中的转动、升降支杆相对升降支杆固定架的滑动以及升降支杆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。

作为本发明更进一步的改进，所述加热丝固定调节机构中的加热丝固定机构主要由加热丝固定架和撑杆组成，加热丝固定架上端与加热丝调节机构相连，两根撑杆设置在加热丝固定架的下端形成Y形结构，撑杆的另一端设有固定旋链，通过两个固定旋链连接并撑开沸腾池加热丝。

作为本发明更进一步的改进，在撑杆与加热丝固定架相连的一端设置有齿轮，通过两个齿轮的相互啮合控制撑杆之间的张角。

作为本发明更进一步的改进，所述支架主要由实验台底座和实验台支柱组成，至少两根实验台支柱沿实验台底座周向间隔分布，加热丝固定调节机构中的实验台顶环固定在实验台支柱顶端，仿臂支架固定在实验台支柱下端。

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)本发明的实验方法，在装置中设置有加热丝固定调节机构，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；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的关系，从而为研究沸腾换热问题提供了理论研究基础；

(2)本发明的实验方法，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；

(3)本发明的实验方法，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，则既可以水平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；

(4)本发明的实验方法，两根撑杆设置在加热丝固定架的同一端形成Y形结构，撑杆的张角可通过齿轮调节，易于调节沸腾加热丝的张紧度，使其位于水平位置，获得较为精确的结果，结构设计合理，原理简单，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明中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为本发明中沸腾加热丝上四种扫荡现象示意图；

图5为本发明中沸腾加热丝上射流现象示意图；

图6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、齿轮；15、撑杆；16、固定旋链；17、沸腾池加热丝。

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，本实施例的一种可视化大容器实验装置，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。

实施例2

本实施例的一种可视化大容器实验装置，其基本结构与实施例1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5、升降支杆固定架6和升降支杆7组成。其中，实验台顶环5固定在实验台支柱3顶端，水平固定，在实验台顶环5内壁开设有环形槽，升降支杆固定架6沿支架上端的实验台顶环5径向设置，升降支杆固定架6的两端位于环形槽中，则升降支杆固定架6能够绕实验台顶环5中心轴转动，升降支杆固定架6还可径向设置在实验台顶环5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6下壁开设有T型槽，升降支杆7上端对应设置有T形连接块，则手动使升降支杆7相对升降支杆固定架6滑动。进一步地，可以在升降支杆固定架6下壁外部设置齿条，升降支杆7上配合固定电机，则可通过电机控制升降支杆7滑动。升降支杆7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7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17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，则既可以水平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3

集合图3，本实施例的一种可视化大容器实验装置，其基本结构与实施例2相同，其不同之处在于：加热丝固定调节机构中的加热丝固定机构主要由加热丝固定架8和撑杆15组成，加热丝固定架8上端与升降支杆7固定连接，两根撑杆15设置在加热丝固定架8的下端，加热丝固定架8和两根撑杆15形成Y形结构，Y形结构的上部开口用于固定沸腾池加热丝17，且Y形结构的开口角度可调节，适合固定不同直径及长度的沸腾池加热丝，而且便于把沸腾池加热丝调整为水平状态。

撑杆15的另一端设有固定旋链16，通过两个固定旋链16连接并撑开沸腾池加热丝17。此外，还可在在固定旋链16与沸腾池加热丝17的连接处设置橡皮套，即固定旋链16与沸腾池加热丝17之间通过橡皮套连接，保证其具有一定的张弛性，更易于调节水平。

调整沸腾池加热丝的过程中，由于沸腾池加热丝为刚性的，有时需要较大的张紧力来保证其处于水平状态，如果只是通过铰接连接，撑杆15很容易受到沸腾池加热丝17的张力影响而回位，导致沸腾池加热丝17弯折而无法进行实验。针对上述问题，在撑杆15与加热丝固定架8相连的一端设置有齿轮14，齿轮14与撑杆15固定连接，并且齿轮14的转轴固定在加热丝固定架8上，可通过两个齿轮14的相互啮合控制撑杆15之间的张角。

上述结构设置更易于调节，因为两个相同齿轮的啮合时角位移相同，两根撑杆15的摆动量始终相同，那么当转动一定角度后，固定旋链16的竖直移动量相同，保证调整之后沸腾池加热丝17始终处于水平状态，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升降支杆7内部穿过，并经过固定旋链16与沸腾池加热丝17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4

本实施例的一种可视化大容器实验装置，其基本结构与实施例3相同，其不同之处在于：本实施例中升降支杆固定架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。

实验台底座1、加热池2、实验台支柱3、加热电源4、实验台顶环5、升降支杆固定架6、升降支杆7、加热丝固定架8、沸腾池9、高速摄像机10、扫描电镜11、仿臂支架12、供热加热丝13、齿轮14、撑杆15、固定旋链16、沸腾池加热丝17。

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沸腾换热的实验方法，其具体步骤为：

1)实验前的准备：

每次实验前在沸腾池9中加入适量(具体根据需要确定)的蒸馏水，在加热池中加入换热工质，将沸腾池加热丝17固定在固定旋链16上，通过齿轮14将沸腾池加热丝17调节水平，通过升降支杆固定架6、升降支杆7调节沸腾池加热丝17在沸腾池9中的位置；并使沸腾池加热丝17处于水平状态。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：

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，调整沸腾池加热丝17的直流电源上的电流开关，改变电流大小，获得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：

调整沸腾池加热丝17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改变温度，获得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；

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，然后将沸腾池加热丝17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。

更换沸腾池加热丝17时必须先将直流电源断电，以防损坏沸腾池加热丝17，再使用加热丝升降支杆7将沸腾池加热丝17升起，换成其他加热丝。

6)实验数据处理：

实验数据采集结束后，观察沸腾池加热丝17上气泡的四种扫荡现象和气泡顶部射流现象，如图4所示，沸腾池加热丝上四种扫荡现象包括：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。

如图5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6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，设置有加热丝固定调节机构，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；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的关系，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。