移动式相变传热与流动性能试验装置的制作方法

本发明涉及相变传热与流动性能试验装置。

背景技术：

工业的飞速发展对大容量设备提出了越来越高的要求，其中换热设备性能的优劣直接影响到设备的经济效益，尤其航空航天领域的工程设备因空间及动力有限，需要采用尺寸小、质轻的紧凑式换热器。研究强化传热元件与高效换热设备不仅可提高换热系统能量的综合利用，减少不必要的能源消耗，更是现代工业发展过程中必须解决的课题。采用试验方法研究传热元件与换热设备的传热性能十分直观，最具参考价值。然而，现有的传热性能试验装置一方面大多结构繁冗并且测试对象较为单一，造成单项测试成本高；另一方面人工化的数据采集导致测量效率偏低，测试结果误差较大，对试验研究各类传热结构的传热性能造成许多阻碍。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构功能优化，适用于测量多种传热结构的传热性能，可替换性强；还可进行两相流动可视化试验；且试验过程高效智能，可操作性强；试验数据采集自动精准，精度高的移动式相变传热与流动性能试验装置。

本发明所述的移动式相变传热与流动性能试验装置，包括多层框架，相变介质回路，试验段，冷却/加热介质回路，控制系统；

相变介质回路包括通过管路相连的相变介质提供罐1、阀门、过滤器4、质量流量控制器5、相变介质进口压力传感器6、试验段7中的相变介质通道、相变介质出口压力传感器21、相变介质回收罐11；冷却/加热介质回路包括通过管路相连的冷却/加热介质循环罐14、输送泵15、电磁流量计16、阀门、试验段7中的冷却/加热介质通道；试验段7为具有相变介质通道、冷却/加热介质通道；在靠近相变介质通道进口和出口的相变介质回路上分别设置有相变介质进口温度传感器22、相变介质出口温度传感器23；在靠近冷却/加热介质进口和出口的冷却/加热介质回路上分别设置有冷却/加热介质进口温度传感器24、冷却/加热介质出口温度传感器25；

控制系统包括数据采集系统、数据处理系统、显示系统；质量流量控制器5、电磁流量计16、相变介质进口压力传感器6、相变介质出口压力传感器21、相变介质进口温度传感器22、相变介质出口温度传感器23、冷却/加热介质进口温度传感器24、冷却/加热介质出口温度传感器25分别与数据采集系统电连接；

多层框架100的下层为重物摆放层a，放置相变介质提供罐1、相变介质回收罐11、冷却/加热介质循环罐14，输送泵15；多层框架的中间层为测量仪器摆放层b，放置过滤器4、各阀门、质量流量控制器5、电磁流量计16；多层框架的上层是操作台c，放置试验段7、控制系统；

多层框架底部安装有万向轮。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，试验段7的壁面设置试验段温度传感器，试验段温度传感器与数据采集系统电连接。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，试验段7用于传热试验时为金属材料制成，如金、铜、铝等。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，试验段7用于可视化试验时为能够看到相变介质回路和冷却/加热介质回路的透明材料制成，如有机玻璃等。另外，它还包括对试验段7进行拍摄的高速摄影仪。高速摄影仪与数据采集系统电连接，或者通过以太网等方式把拍摄的图片传输、保存在电脑中。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，它还包括通过阀门连接在相变介质回路上的真空泵13。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，在相变介质提供罐1与试验段7之间的管路上缠绕控温加热带。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，试验段7与相变介质回收罐11之间的管路上包裹保温棉。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，试验段7可拆卸地连接在相变介质回路和冷却/加热介质回路中。由于是可拆卸连接，可以对试验段7进行替换地安装。进行传热试验时，试验段可以替换为金属材料制成的试验段；进行可视化试验时，试验段可以替换为透明材料制成的试验段。

作为对所述的移动式相变传热与流动性能试验装置的进一步改进，相变介质通道的截面为任意形状。

本发明的有益效果：试验装置中的相变介质由相变介质提供罐1提供，流经试验段7的相变介质通道后由相变介质回收罐11回收，防止污染环境。冷却/加热介质由冷却/加热介质提供罐14提供，流经试验段7的冷却/加热介质通道后，回流到冷却/加热介质提供罐14，试验过程中不断循环，高效利用。

相变介质的流量由质量流量控制器5测量，同时控制系统可根据试验需求通过质量流量控制器5控制流量变化。冷却/加热介质的流量由电磁流量计16测量。相变介质在相变介质通道进口处、出口处的温度由相变介质进口温度传感器22、相变介质出口温度传感器23传送至数据采集系统，冷却/加热介质在冷却/加热介质通道进口处、出口处的温度由冷却/加热介质进口温度传感器24、冷却/加热介质出口温度传感器25传送至数据采集系统，试验段壁面温度由试验段温度传感器传送至数据采集系统，相变介质进口与出口压力由相变介质进口压力传感器6、相变介质出口压力传感器21传送至数据采集系统，这些测量数据经数据处理系统处理后，送显示系统显示。

所述的试验装置所有部件全部按类归置于多层框架中，在多层框架的底部装有万向轮，能够实现试验装置整体定向移动，操作方便，结构紧凑。

试验段7为能够看到相变介质回路和冷却/加热介质回路的透明材料制成，能够进行直观的可视化试验。进行相变介质侧可视化试验时，外接高速摄像装置用于图像采集。本试验装置可以通过更换试验段可用于多种类型的传热结构特别适用于微小通道的相变传热性能试验以及可视化试验，功能性强。

在相变介质供给系统中从相变介质提供罐出口到试验段进口的管路上缠绕控温加热带，补偿相变介质在流动过程中的热量损失。采用保温棉包裹试验段出口到相变介质回收罐进口的连接管道、试验段（试验元件）整体，减少与外界的换热损失，增加试验的准确性、精确性。

相变介质回路通过一个三通阀连接真空泵，用于试验前对管路内进行抽真空检漏。

本发明试验装置适用于试验元件的相变传热性能测试，也能实现两相流动可视化试验。

本发明所述的试验装置进行传热性能试验时，多路温度、流量、压力等关键参数的测量信号由控制系统自动采集、处理、分析，试验结果通过显示系统如显示屏幕显示，准确直观，试验过程高效智能。

附图说明

图1是移动式相变传热与流动性能试验装置三维示意图；

图2是移动式相变传热与流动性能试验装置的工作流程图；

图3是移动式相变传热与流动性能试验装置的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参见图1-3所示的移动式相变传热与流动性能试验装置包括多层框架，相变介质回路，试验段，冷却/加热介质回路，控制系统；

相变介质回路包括通过管路2相连的相变介质提供罐1、阀门3、过滤器4、质量流量控制器5、相变介质进口压力传感器6、试验段7中的相变介质通道、相变介质出口压力传感器21、二通阀9、三通阀10、相变介质回收罐11；三通阀10的另一端通过阀门12与真空泵13相连。冷却/加热介质回路包括通过管路相连的冷却/加热介质循环罐14、输送泵15、二通阀19、电磁流量计16、试验段7中的冷却/加热介质通道、三通阀20、冷却/加热介质循环罐14。以透明材料或者金属材料制成的试验段7具有相变介质通道、冷却/加热介质通道；在靠近相变介质通道进口和出口的相变介质回路上分别设置有相变介质进口温度传感器22、相变介质出口温度传感器23；在靠近冷却/加热介质进口和出口的冷却/加热介质回路上分别设置有冷却/加热介质进口温度传感器24、冷却/加热介质出口温度传感器25；相变介质进口温度传感器22、相变介质出口温度传感器23、冷却/加热介质进口温度传感器24、冷却/加热介质出口温度传感器25均为热电偶。

控制系统包括数据采集系统（包括数据采集器17和观察两相流动行为的高速摄影仪8）、数据处理系统、显示器18等。质量流量控制器5、电磁流量计16、相变介质进口压力传感器6、相变介质出口压力传感器21、相变介质进口温度传感器22、相变介质出口温度传感器23、冷却/加热介质进口温度传感器24、冷却/加热介质出口温度传感器25分别与数据采集器电连接；

多层框架100的下层为重物摆放层a，放置相变介质提供罐1、相变介质回收罐11、冷却/加热介质循环罐14、输送泵15；多层框架的中间层为测量仪器摆放层b，放置过滤器4、各阀门、质量流量控制器5、电磁流量计16；多层框架的上层是操作台c，放置试验段7、控制系统；

多层框架100底部安装有四个带刹车的万向轮。

当试验时，打开相变介质提供罐1出口阀门，使相变介质通过过滤器4、质量流量控制器5，进入试验段7，与冷却/加热介质换热后，从出口流出，流经二通阀9、三通阀10，最后进入相变介质回收罐11，这是相变介质在相变传热性能试验装置中的整个流程。

冷却/加热循环系统包括冷却/加热介质循环罐14、输送泵15、流量计16等。打开二通阀19，冷却/加热介质循环罐14的冷却/加热介质由输送泵15送入管道，经流量计16测量流量后，进入试验段7冷却/加热介质侧进口，与相变介质换热后从冷却/加热介质侧出口流出，经三通阀20，最后流入冷却/加热介质循环罐14，形成冷却/加热介质循环系统。

在试验段7的相变介质通道进出口位置各安装一个压力传感器6、21，用于测试相变介质的进出口压力；在试验段7的相变介质通道进出口位置、冷却/加热介质通道进出口位置安装多根热电偶，分别用于测量相变介质和冷却/加热介质的平均进出口温度。在试验段7的两侧壁面上安装多根热电偶丝，用于测量试验段的平均壁面温度。相变介质流量由质量流量控制器5进行控制和测量，同时可根据试验需求控制流量变化;冷凝/加热介质流量由电磁流量计16测量。通过获得、分析这些关键性的试验数据，研究传热结构的传热性能。

考虑试验段的可替换性，试验段与相变介质回路中的管路及冷却/加热介质回路中的管路均采用螺纹连接；考虑装置的密封性，采用生胶带密封；考虑装置的安全性，试验段与各管路连接处安装有安全阀。

试验段为便于观测的可视化试验段，采用高速摄像仪对试验段中相变介质的相变过程进行实时监控拍摄并将数据通过以太网传输并保存在计算机中，观察相变介质在试验段中的两相流动形态。

试验段的相变介质通道可为常规尺寸的传热通道，也可以是通道截面为矩形、圆形、半圆形、梯形等微小通道,可以测试、观察并比较相变介质在不同截面通道中的传热特性和两相流动行为。

所述数据采集系统的数据采集器设置足量的信号端口，采集并保存各路进出口温度和压力，壁面温度，流量等，通过plc后台程序进行分析、处理。