用于测量高热流密度传热过程的快拆试验装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量高热流密度下传热过程的快拆试验装置及方法。主要由水泵、恒温冷却液储槽、涡轮流量计、温度计、电控单元（热电偶数字转换器）、燃气喷灯、方形流动通道以及快拆传热单元组成。水泵、恒温试验储槽、快拆传热单元依次串联构成试验冷却液的循环回路。快拆传热单元主要由金属快拆测试件、紫铜导热件、保温箱体、有机玻璃观察视窗组件、密封禁锢附件组成。本发明结构设计合理，结构紧凑，使用方便，可以快速拆卸更换金属试验样件。在高温状态下，有良好的密封效果，对各种金属样件的热负荷状态能够做出精准的测量以及评价。
【专利说明】用于测量高热流密度传热过程的快拆试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量高热流密度传热过程的快拆试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着柴油机功率的不断提高，其热负荷及相关可靠性问题变得越来越突出，传统柴油机冷却系统中的冷却液流动过程要控制在单相流范围。但随着柴油机功率增大，热负荷不断增加，冷却液的过冷沸腾现象不可避免。由于过冷沸腾具有较好的传热效果，为了在尽量不增加柴油机冷却系统体积的情况下，提高柴油机冷却系统的传热效率，提出了采用高温冷却和过冷沸腾冷却技术。
[0003]大功率柴油机在高热流密度下，过冷沸腾传热过程是不可避免的，而这种传热过程对不同金属材质和不同特性的冷却液有不同的传热效果。为了研究各种金属材质和冷却液在高热流密度下的传热过程，以及对柴油机在高热流密度下性能的影响，建立了一种用于测量高热流密度传热过程的快拆试验装置。能够对不同冷却液和不同金属材质的传热效果进行快速测量与分析，并可以方便地采用激光多普勒或高速摄像机等精密仪器对高热流密度下的传热过程进行流场测量和实时观测。
【发明内容】
[0004]针对大功率柴油机冷却系统的高热负荷特点，本发明的目的在于为各种高热负荷条件下柴油机冷却系统传热研究，提供一种能够测试各种冷却液和金属材料传热性能的快拆传热试验装置。以弥补大多数传热装置体积庞大、传热件固定不宜拆卸、加热方式复杂且加热通量小等缺点。
[0005]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种测量高热流密度下传热过程的快拆试验装置，主要由水泵1、恒温冷却液储槽
2、涡轮流量计5、温度计7、电控单元(热电偶数字转换器)13、燃气喷灯9、方形流动通道10以及快拆传热单元11组成。快拆传热单元11方便拆卸，可迅速更换不同的金属测试件21。金属快拆测试件21与方形流动通道10之间采用榫卯结构，能有效保证高温密封，使得该实验装置具有很强的通用性。燃气喷灯9提供的热通量可以近似代替发动机缸内燃烧释放的热通量，这种加热方式简洁，避免采用大功率电加热设备，附加设备少，便于操作。
[0007]所述水泵1、恒温冷却液储槽2、涡流流量计5、方形流动通道10以及快拆传热单元11采用不锈钢管依次串联构成冷却液密闭循环回路。
[0008]所述快拆传热单元11主要由金属快拆测试件21、紫铜导热件20、保温箱体14、有机玻璃观察视窗19、密封紧固组件16、紧固了螺栓17、紧固螺钉18组成(见图2)。
[0009]所述快拆传热单元11的金属快拆测试件21放置在方形流动通道10的管路下方，采用榫卯密封面连接。紫铜导热件20放置在金属快拆试件21下方，采用榫卯密封面连接。密封紧固组件16放置在方形流动通道10上下两侧，加紧金属快拆试件21，并采用紧固螺栓17和紧固螺钉18加以固定。(见图3)[0010]所述保温箱体14包裹在金属快拆试件21与紫铜导热件20外侧，中间填充保温材料15。
[0011]所述有机玻璃视窗19嵌入到方形流动通道10两侧壁，利用密封紧固组件16的上下夹板结构，压紧有机玻璃视窗。
[0012]所述密封紧固组件16由两个长条金属块、上下两个夹板组成。两个长条金属块放置在方形流道10上侧夹板的上方，紧固螺栓17穿过长条金属块的四个螺栓孔，与方形流道10下侧夹板上的螺栓孔对齐进行紧固。一方面起到紧固有机玻璃视窗的目的，另一方面也进一步夹紧金属快拆件21与方形流动通道10之间的密封面。
[0013]所述电控单元13，由热电偶数字转换器构成的温度控制和温度测量电控单元。采用热电偶测量恒温冷却液储槽2内的冷却液温度，并传输温度信号回电控单元13的热电偶数字转换器，控制冷却液加热温度；采用金属壁面测温热电偶12测量金属快拆试件21的表面温度，并传输给热电偶数字转换器，实时显示金属快拆件21的表面温度。
[0014]所述测试段采用方形流动通道10。
[0015]采用本发明的快拆试验装置测量高热流密度传热过程的方法，步骤如下:
[0016]I)将要测试的金属快拆测试件(21)安装到系统中；
[0017]2)将试验冷却液加注到恒温冷却液储槽中，打开电控单元电源，将冷却液温度控制到需要的温度，开始对冷却液加热；
[0018]3)当冷却液温度上升到试验温度时，打开水泵，调节到所需的试验流量，保持到整个系统达到温度、压力的稳定；
[0019]4)打开燃气喷灯，对快拆传热单元进行加热，稳定后，读取电控单元中金属快拆测试件的壁温T1、T2，根据通常方法换算出金属快拆件与冷却液接触面的温度Tw ;同时记录冷却液流量、冷却液进出口温度，计算系统的对流换热系数h。
[0020]测试完一组数据后，重新调整恒温冷却液储槽温度、流量操作参数，进行新一轮测试。
[0021]在测试过程中，采用激光多普勒测速仪、高速摄像机的精密光学仪器通过有机玻璃视窗观察并测量流场信息。
[0022]本发明具有的优点和积极效果是:
[0023]1.采用燃气喷灯加热方式，使被加热的金属快拆测试件最高工作温度能够达到500°C，该温度基本接近大功率柴油机缸内壁面高温区温度范围，避免了采用电磁加热等需要体积庞大的功率加热设备。
[0024]2.加热段采用方形流动通道，流动稳定性易于控制，流道两侧易于安装有机玻璃视窗，有利于采用激光多普勒或高速摄像机等精密光学仪器观测高热流密度下过冷沸腾传热现象。
[0025]3.快拆金属块结构设计巧妙，在密封附件的配合下能够与方形流动通道底面紧密贴合，保证在较高温度下的密封效果。
[0026]4.快拆金属块与紫铜导热块之间采用榫卯结构，能够保证热传导面之间紧密接触，确保金属快拆测试件导热面上热流密度的均匀性。
[0027]5.电控单元，具备手动和自动控制功能。热电偶控制器能够保证冷却液处于恒温状态；热电偶数字转换器在试验过程中可实时显示金属快拆测试件的壁面温度。[0028]6.试验装置结构紧凑，使用方便，应用范围广泛，能够对多种不同金属材料、不同冷却液进行传热试验性能评价。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1:一种测量高热流密度传热过程的快拆试验装置。
[0030]图2:快拆传热单元11。
[0031]图3:快拆传热单元11剖面图。
[0032]图中:1、水泵；2、恒温冷却液储槽；3、电加热器；4冷却液储槽温控热电偶；5涡轮流量计；6测量段进出口压力计；7测量段进出口温度计；8排气阀；9燃气喷灯；10方形流动通道；11快拆传热单元；12金属壁面测温热电偶；13电控单元(热电偶数字转换器);14保温箱体；15保温材料；16密封紧固组件；17紧固螺栓；18紧固螺钉；19有机玻璃观察视窗；20紫铜导热件；21金属快拆测试件
【具体实施方式】
[0033]参照图1，本发明一种测量高热流密度下传热过程的快拆试验装置主要由水泵1、恒温冷却液储槽2、方形流动通道10、快拆传热单元11依次串联构成试验冷却液的循环回路。在所述管路上依次安装有涡轮流量计5、测试段进出口压力计6、测试段进出口温度计
7、排气阀8。
[0034]采用电加热器3对恒温冷却液储槽2中的冷却液进加热。
[0035]在快拆传热单元底部安装有燃气喷灯9，对快拆传热单元进加热。
[0036]电控单元13为热电偶数字转化器。将冷却液储槽温控热电偶4的检测信号转换成数字信号输出到显示屏上，并通过反馈系统实现对冷却液加热温度的自动控制。采用热电偶测量金属快拆测试件21的壁面温度，并将检测信号转换成数字信号输出到显示屏上。
[0037]图2和图3快拆传热单元11，主要由金属快拆测试件21、紫铜导热件20、保温箱体14、保温材料15、密封紧固组件16、紧固螺栓17、紧固螺钉18和有机玻璃视窗组件19构成。
[0038]金属快拆测试件21通过榫卯结构与方形流动通道10的底部密封贴合；
[0039]金属快拆测试件21通过榫卯结构与紫铜导热件20紧密贴合；
[0040]有机玻璃视窗19镶嵌在方形流动通道10侧面，采用紧固组件16中的上下夹板以及紧固螺钉18将有机玻璃视窗固定在方形流动通道10上，形成可视流道。
[0041]密封紧固组件16通过紧固螺栓17将有机玻璃视窗组件19上、下两侧的夹板进行连接，一方面起到紧固有机玻璃视窗组件的目的，另一方面也可以进一步夹紧金属快拆测试件21与方形流动通道10之间的密封面，实现了整体的密封紧固效果，保证了高温条件下的密封。
[0042]保温箱体14与金属快拆测试件21和紫铜导热件20之间采用保温材料15填充，保证热量不散失。
[0043]测试条件和说明如下:
[0044]主要技术参数:
[0045]I冷却液流量:在O?8m3/h范围可调[0046]2恒温冷却液储槽控制温度:常温~120°C范围可调
[0047]3系统最高工作压力:术0.2MPa
[0048]4金属快拆测试件最高加热温度:≤5000C
[0049]上述试验参数为本装置适用条件。在该操作参数下的传热试验能保证与实际发动机冷却系统内的传热状况相一致。
[0050]工作原理:冷却液通过水泵驱动，在恒温冷却液储槽、方形流动通道、快拆传热单元的回路中循环流动。采用燃气喷灯对快拆传热单元进行加热，并通过电控单元控制循环冷却液温度。通过调节燃气喷灯的进气量，控制输入给金属快拆测试件的热负荷。采用热电偶测量金属快 拆件外壁面相距Λ Xh两点处的温度Tl、T2，根据傅里叶定律(公式I)计算获得加热通量q，并根据线性外推法获得与测量点2相距Λ X2_w处的金属快拆件与冷却液接触表面的温度Tw。同时，依据牛顿冷却定律，将热通量q，金属快拆件表面温度Tw，冷却液主体温度Tb代入公式(2)，获得系统的对流换热系数h。
[0051]
【权利要求】
1.一种用于测量高热流密度传热过程的快拆试验装置；其特征在于:主要由水泵(I)、恒温冷却液储槽(2)、涡轮流量计(5)、温度计(7)、电控单元(13)、燃气喷灯(9)、方形流动通道(10)以及快拆传热单元(11)组成；水泵(I)、恒温冷却液储槽(2)、涡流流量计(5)、方形流动通道(10)和快拆传热单元(11)采用不锈钢管依次串联构成冷却液密闭循环回路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述快拆传热单元(11)包括由金属快拆测试件(21)、紫铜导热件(20)、保温箱体(14)、有机玻璃观察视窗(19)、密封紧固组件(16);金属快拆测试件(21)放置在方形流动通道(10 )的管路下方，采用榫卯密封面连接；导热件(20 )放置在金属快拆试件(21)下方，采用榫卯密封面连接；密封紧固组件(16)放置在方形流动通道(10)上下两侧，加紧金属快拆试件(21)，并采用紧固螺栓(17)和紧固螺钉(18)固定；保温箱体(14)包裹在金属快拆试件(21)与导热件(20)外侧，中间填充保温材料层(15)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征是在方形流动通道(10)两侧壁嵌入有机玻璃视窗(19)，利用密封紧固组件(16)的上下夹板结构，压紧固定有机玻璃视窗。
4.如权利要求3所述的装置，其特征是所述密封紧固组件(16)由两个长条金属块、上下两个夹板组成；两个长条金属块放置在方形流道(10)上侧夹板的上方，紧固螺栓(17)穿过长条金属块的四个螺栓孔，与方形流道(10)下侧夹板上的螺栓孔对齐进行紧固。
5.如权利要求1所述的装置，其特征是所述电控单元(13)，由热电偶数字转换器构成的温度控制和温度测量电控单元。
6.如权利要求1所述的装置，其特征是所述方形流动通道(10)为测试段。
7.采用权利要求1的快拆试验装置测量高热流密度传热过程的方法，其特征是步骤如下: 1)将要测试的金属快拆测试件(21)安装到系统中； 2)将试验冷却液加注到恒温冷却液储槽中，打开电控单元电源，将冷却液温度控制到需要的温度，开始对冷却液加热； 3)当冷却液温度上升到试验温度时，打开水泵，调节到所需的试验流量，保持到整个系统达到温度、压力的稳定； 4)打开燃气喷灯，对快拆传热单元进行加热，稳定后，读取电控单元中金属快拆测试件的壁温!\、T2，根据通常方法换算出金属快拆件与冷却液接触面的温度Tw ;同时记录冷却液流量、冷却液进出口温度，计算系统的对流换热系数h。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是测试完一组数据后，重新调整恒温冷却液储槽温度、流量操作参数，进行新一轮测试。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是在测试过程中，采用激光多普勒测速仪、高速摄像机的精密光学仪器通过有机玻璃视窗观察并测量流场信息。
【文档编号】G01N25/20GK103713010SQ201410009208
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】谷芳, 吴华杰, 崔国起 申请人:天津大学