可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置及测试方法

本发明属于流动沸腾污垢行为及换热现象研究领域，具体涉及一种可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置及测试方法。

背景技术：

1、流动沸腾过程和污垢形成过程都是复杂的动量、能量与质量的传递过程。在现有传热的强化技术中，利用蒸发潜热的沸腾相变冷却技术在制冷空调、核反应堆、电子器件、发动机水套等方面有广泛的应用，尤其是微小通道。而污垢的形成，会导致许多工业过程的性能严重下降，例如热交换器和锅炉的传热受损，管道中的压降增加，过滤膜中的流量堵塞，蒸汽轮机的腐蚀损坏，电极的导电性和活性降低，加热和电化学组件的过早失效等，会导致更高的运营成本和安全风险。因此，了解结垢行为对于开发应对这些关键挑战的下一代材料和技术非常重要。

2、微/纳米尺度的相关新技术、新材料、新方法能够提供常规尺度下难以实现的优势，不同的表面微纳结构会显著影响污垢沉积特性。然而，由于研究设备的多样性，也有相互矛盾的结果报道。同时污垢表面(例如，疏水性或电荷)的研究通常会造成很多设备材料的浪费，这使得难以辨别单个表面特性对防垢材料开发的作用。

3、利用蒸发潜热的沸腾相变冷却技术在制冷空调、核反应堆、电子器件、发动机水套等方面有广泛的应用，在实现高效换热的同时，如何减轻两相阶段的污垢行为是核心关键问题之一。然而，目前就两相阶段的污垢行为及换热机理，缺少相关的系统化实验研究及装置。

4、对于换热机理而言，首先是变量多，涉及到进出口的干度、过冷度、过热度，还涉及到设备在自然环境中的热损，这些都会对流动以及换热效果产生影响，要搞清楚不同污垢表面对于换热效果和污垢行为的影响，就需要在控制多变量的情况下进行基础性的实验研究，目前还没有一个综合基础性的实验装置，来开展单/两相的污垢行为和换热效果的深入研究。

5、现有装置存在以下不足：

6、1)现有装置主要以单相流为止，几乎不针对流动沸腾过程中的污垢行为。

7、2)现有装置不能同时控制进口工质的干度、过冷度和出口工质的干度、过热度。

8、3)现有装置只能结构形式单一且相对固定，不能轻易更换污垢表面。

9、4)现有装置通常都是常规通道，没有针对微通道的流动沸腾过程中的污垢行为。

技术实现思路

1、为了克服现有污垢表面测试实验装置结构固定和准确率偏低的缺点；同时拓展实现研究流动沸腾过程中的污垢行为和传热现象，本发明提出了一种可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置及测试方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明首先提供了一种可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其包括沿待测流体流动方形顺次设置的储液箱、蠕动泵、稳流器、一级预热器、二级预热器、实验段和冷却器；

4、其中，储液箱储存待测流体，蠕动泵用于输送待测流体，稳流器对管路中的流体起到温流，一级预热器对待测流体进行预热使其升温至接近实验段入口温度，二级预热器对经一级预热器预热的流体进行温度修正使其达到所需的实验段入口温度；

5、所述实验段包括上下盖合的上盖板和下底板，实验段整体设置在温度可控的保温箱中；

6、其中，上盖板为透明材质，其下底面加工有凹形流道，且围绕凹形流道设置有垫圈以防凹形流道内液体泄漏；所述下底板内分别加工有流体入口流道和流体出口流道，且在上盖板和下底板盖合时，流体入口流道的出口和流体出口流道的入口与上盖板的凹形流道两端连通；所述下底板上加工有一凹槽，凹槽内由下至上顺次设置有缓冲层、测温层、加热层和抑垢表面，其中抑垢表面的上表面与下底板上表面齐平；凹槽位置位于上盖板的凹形流道的正下方，凹槽宽度大于凹形流道宽度，长度小于凹形流道长度；

7、所述一级预热器、二级预热器和实验段的进、出口均设置有温度检测装置，流体入口流道和流体出口流道上设置有压力计。

8、根据本发明的优选方案，所述测温层为3d打印的peek材质，其上设置有若干沿凹形流道轴线布置的第一凹槽以及两个用于向加热层布置供电触点的第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽上均设置穿线孔用于走线，第一凹槽内设置有第一铜块，第一铜块上连接有热电偶，热电偶穿过缓冲层与外部的采集仪相连；两个第二凹槽内设置第二铜块，两块第二铜块分别与加热层的正负极触点接触；第二铜块各自连接有与电源相连的导线，导线穿过缓冲层与电源相连。

9、本发明还提供了一种基于所述可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置的测试方法，其包括如下步骤：

10、s1，对储液箱中的待测流体进行煮沸除气，加入所需质量和粒径的污染物配置分散均匀的待测流体，并使待测流体维持在所需的设定温度；

11、s2，待测流体经蠕动泵输送，经稳流器稳流后，进入一级预热器修正流体温度，再流入二级预热器精确修正流体温度，二级预热器的出口温度为所需的实验段入口温度；

12、s3，待测流体通过下底板的入口流道流入上盖板的凹形流道中，再从下底板的出口流道流出进入冷却器；加热层根据实验需要加热待测流体，与第一铜块相连的热电偶测量壁面温度，压力计检测实验段进出口压差；温度传感器获取实验段进、出口的温度数据，采用相机拍摄凹形流道内流体状态以及抑垢表面上的污垢沉积状况；

13、s4，选取稳定工况下的数据，进行换热数据处理，计算热阻。

14、本发明的有益效果包括：

15、1.功能强大，能够实现不同污垢表面，不同物性参数的流体介质、不同尺寸的流道以及不同热流条件下的流动沸腾污垢行为和换热效果的研究；

16、2.测试数据准确度高，一级预热器和二级预热器，精确控制流体进口干度和过热度，实验段置于可pid温度控制的保温箱中热损低，实验段通过多个第一铜块测量壁面温度，精确控制流体出口干度和过热度；

17、3.测试数据详实，在流体测量上，测量进口工质的干度和过热度，测量壁面的温度和流体出口工质干度和过热度，同时，也能通过高速摄像机拍摄污垢沉积情况和流态。

18、4.本发明可制作为一种理解流动沸腾过程中不同污垢表面的污垢沉积和传热现象的通用测试工具。

技术特征：

1.一种可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于包括沿待测流体流动方形顺次设置的储液箱(1)、蠕动泵(6)、稳流器(8)、一级预热器(9)、二级预热器(10)、实验段(11)和冷却器(15)；

2.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述测温层(26)为3d打印的peek材质，其上设置有若干沿凹形流道轴线布置的第一凹槽以及两个用于向加热层布置供电触点的第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽上均设置穿线孔用于走线，第一凹槽内设置有第一铜块(28)，第一铜块(28)上连接有热电偶(32)，热电偶(32)穿过缓冲层(27)与外部的采集仪(21)相连；两个第二凹槽内设置第二铜块(29)，两块第二铜块(29)分别与加热层(25)的正负极触点接触；第二铜块(29)各自连接有与电源相连的导线，导线穿过缓冲层(27)与电源相连。

3.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述储液箱(1)设置有煮沸装置，以对其中的液体进行煮沸除气；储液箱(1)设置有搅拌装置和加料入口，计入所需质量和粒径的污染物后，通过搅拌装置搅拌形成均匀的带有设定浓度和品质污染物的待测流体；所述储液箱(1)内还设置有盘管，盘管与储液箱(1)外的恒温槽(17)连接，以使储液箱(1)内的待测流体维持在所需温度。

4.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述储液箱(1)、蠕动泵(6)、稳流器(8)、一级预热器(9)、二级预热器(10)、实验段(11)和冷却器(15)通过管路顺次连接，冷却器(15)与储液箱(1)相连使待测流体构成循环回路；所述蠕动泵(6)、稳流器(8)之间的管路上设置有流量计(7)。

5.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述一级预热器(9)和冷却器(15)结构相同，均由一个板式换热器(16)和1个恒温槽(17)组成，待测流体在板式换热器(16)中与恒温槽(17)内的介质进行换热。

6.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述二级预热器(10)采用电加热丝(19)对待测流体进行加热，电加热丝(19)由稳压电源(18)控制。

7.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述装置还包括相机，所述正对凹形流道拍摄，获取凹形流道内流体状态以及抑垢表面(24)上的污垢沉积状况。

8.根据权利要求1所述的可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置，其特征在于，所述抑垢表面(24)为片状结构，其形状与下底板(22)上的凹槽形状相同，材质根据所需测试材质进行选择，可更换。

9.一种基于权利要求2所述可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供了一种可更换流动沸腾表面的污垢热阻测试一体装置及测试方法。装置包括沿待测流体流动方形顺次设置的储液箱、蠕动泵、稳流器、一级预热器、二级预热器、实验段和冷却器；实验段包括上盖板和下底板，上盖板加工有凹形流道，下底板加工有流体入口流道和流体出口流道，下底板上加工有一凹槽，凹槽内由下至上顺次设置有缓冲层、测温层、加热层和抑垢表面。本发明可同时控制污染物的浓度和品种、进口工质的干度、过冷度和出口工质的干度、过热度的流动沸腾污垢沉积行为及换热效果的测试，可以进行不同浓度和品种的污染物的流动沸腾过程中不同表面的污垢沉积和传热现象的研究。

技术研发人员：李蔚,孙佳,李俊业,唐苇羽,吴赞
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8