一种用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置及实验方法

本发明涉及能源换热，具体而言，涉及一种用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置及实验方法。

背景技术：

1、随着工业技术的快速发展，许多行业对设备的热管理提出了更高的要求，普通的风冷和水冷已难以满足热通量较大设备的散热需求。沸腾换热是一种典型的相变换热方式，液体在饱和状态下内部不断发生剧烈相变产生的潜热会带走大量热量。池沸腾（亦称大容器内沸腾）可以通过改变壁面状态和工作介质来强化换热性能，且无需提供额外的功率，能够在较小温差条件下提供极高的传热效率，因此在能源化工领域得到了广泛应用。

2、影响大容器沸腾传热过程的因素众多，包括沸腾工质特性、加热面的表面物理性质等。其中，壁面过热度和表面粗糙度直接影响壁面的汽化核心密度，进而改变气泡动力学，并最终决定池沸腾的换热性能。在池沸腾实验中，壁面温度的测量至关重要，其关系到后续热流密度及沸腾换热系数的计算精度。

3、然而，现有的池沸腾实验装置及方法存在诸多问题。现存加热装置多为整体式，虽增加了装置的简易性，但无法精准控制局部温度，导致无法有效控制气泡动力学行为。具体而言，存在以下缺陷：1）一体化加热装置在后期处理表面温度时，常假设壁面温度均匀相等，这与实际池沸腾过程中气泡生长时壁面温度的非均匀变化存在较大误差；2）传统加热装置尺寸较大，不利于将测试表面直接加工于其顶端，因此常需增加额外的测试件，增加了结构的复杂性；3）测试对象与侧部固定件之间存在难以避免的间隙，由于测试件需完全浸没于工质中，随着热流密度增大，间隙内容易形成气泡，干扰了主换热区域的气泡动力学可视化研究；4）实验结束后，需要额外的方法去除内部工质或更换沸腾表面，导致实验准备过程冗长繁琐，耗费人力物力；5）常见的池沸腾设备需在腔室底部开孔以使测试件伸入，且加热装置尺寸较大，导致整个设备空间利用率低。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置及实验方法，旨在解决沸腾表面温度控制精度低、设备空间占用率高及实验更换过程繁琐等技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，包括：沸腾腔室、可伸入式池沸腾系统、冷却循环系统、数据采集系统以及温控系统。所述可伸入式池沸腾系统包括伸入式中空结构杆、多点控温装置、隔热材料、供电线路和直流电源。所述伸入式中空结构杆为l型结构，其包括第一端和第二端，所述第一端与所述沸腾腔室的顶盖连接，所述第二端伸入所述沸腾腔室内并设有安装孔。所述隔热材料设置于所述安装孔内，且所述隔热材料凸出于所述第二端的一面设有安装槽。池沸腾实验装置的测试对象放置于所述安装槽内。所述多点控温装置位于所述测试对象与所述隔热材料之间，其通过所述供电线路与位于所述沸腾腔室外部的所述直流电源连接，用于对所述测试对象进行分区独立控温。

3、进一步的，所述沸腾腔室包括顶盖、腔体壁面和透明材料。所述顶盖和所述腔体壁面通过螺栓连接。所述透明材料与所述腔体壁面通过螺栓连接，且所述透明材料设置于所述腔体壁面对位两侧靠近下侧的部分，用于观测气泡动力学变化。

4、进一步的，还包括密封元件，设置于所述透明材料与所述腔体壁面的连接处，用于避免沸腾工质泄漏，所述密封元件为硅胶圈或硅胶垫。

5、进一步的，还包括带有第一控制阀的沸腾工质入口和带有第二控制阀的沸腾工质出口，均设置于所述沸腾腔室的侧壁上，分别用于控制工质的注入与排出。

6、进一步的，所述隔热材料为块状聚四氟乙烯；所述测试对象为毫米厚度的硅材料；所述多点控温装置包括多个不同规格尺寸的电加热片，通过独立的直流电源控制功率。

7、进一步的，所述冷却循环系统包括内部冷凝盘管、循环泵、出液阀和恒温冷却器。所述冷凝盘管设置于所述沸腾腔室顶部，热交换后的冷却工质通过所述恒温冷却器降温后重新送入所述冷凝盘管。

8、进一步的，所述数据采集系统包括温度传感器、多通道温度扫描仪、数据存储器、高速摄像机和冷光源。所述温度传感器设置于所述测试对象面向所述隔热材料的一侧，用于测量壁面温度；所述高速摄像机对准所述透明材料区域，所述冷光源用于补光。

9、进一步的，所述温控系统包括测温装置、加热棒和自动控温系统，用于维持所述沸腾腔室内部工质处于饱和状态。

10、本发明还提供了一种采用如上所述装置进行池沸腾换热的实验方法，包括以下步骤：

11、步骤一：将测试对象与多点控温装置和温度传感器连接，将所述伸入式多点控温实验装置安装于沸腾腔室顶部，注入沸腾工质并密封；

12、步骤二：开启直流电源和温控系统，使工质达到饱和沸腾状态；

13、步骤三：当温度传感器在8分钟内的温度变化小于0.5℃时，通过透明材料利用高速摄像机记录气泡行为，并通过多通道温度扫描仪记录壁面温度；

14、步骤四：在实验工况ⅰ下，控制多点控温装置的工作数量以控制局部温度，获得低热流密度下的孤立气泡及气泡合并现象；在实验工况ⅱ下，开启所有加热件并以相同功率运行，获得不同热流密度下的气泡现象及温度数据；

15、实验结束后，根据高速摄像机的图像计算气泡直径和脱离频率，根据加热功率和面积计算热流密度。

16、进一步的，所述步骤一还包括：使用防水密封硅胶将所述多点控温装置和温度传感器粘合于测试对象底部，再整体粘于隔热材料的凹槽中。所述步骤五还包括：实验结束后，打开第二控制阀排出工质，拆卸顶盖更换测试对象或沸腾工质以进行重复性实验。

17、采用本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

18、1.本发明通过多点控温装置实现对测试对象的分区独立控温，可精确控制局部壁面温度，便于观测孤立气泡行为及气泡合并现象，结合热电偶测量确保了局部温度精度，提高了实验结果的准确性。

19、2.本发明采用l型伸入式中空结构杆，通过法兰与顶盖连接，拆装方便，无需整体拆卸设备即可更换换热表面，并可灵活改变测试对象的形状与粗糙度，同时有效解决了外加装置可能存在的漏水问题。

20、3.本发明的沸腾腔室侧壁设置带阀门的工质进出口，便于实验后工质的快速更换，简化了操作流程。

21、4.本发明的腔室除透明观测窗外均包裹隔热材料，减少了热量散失，确保了实验环境的稳定性。

1.一种用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，包括：沸腾腔室、可伸入式池沸腾系统、冷却循环系统、数据采集系统以及温控系统；所述可伸入式池沸腾系统包括伸入式中空结构杆（14）、多点控温装置（12）、隔热材料（11）、供电线路（15）和直流电源（20）；所述伸入式中空结构杆（14）为l型结构，其包括第一端和第二端，所述第一端与所述沸腾腔室的顶盖（1）连接，所述第二端伸入所述沸腾腔室内并设有安装孔；所述隔热材料（11）设置于所述安装孔内，且所述隔热材料（11）凸出于所述第二端的一面设有安装槽；池沸腾实验装置的测试对象（13）放置于所述安装槽内；所述多点控温装置（12）位于所述测试对象（13）与所述隔热材料（11）之间，其通过所述供电线路（15）与位于所述沸腾腔室外部的所述直流电源（20）连接，用于对所述测试对象（13）进行分区独立控温。

2.根据权利要求1所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，所述沸腾腔室包括顶盖（1）、腔体壁面（4）和透明材料（7），所述顶盖（1）和所述腔体壁面（4）通过螺栓（18）连接，所述透明材料（7）与所述腔体壁面（4）通过螺栓连接，且所述透明材料（7）设置于所述腔体壁面（4）对位两侧靠近下侧的部分，用于观测气泡动力学变化。

3.根据权利要求2所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，还包括密封元件，所述密封元件设置于所述透明材料（7）与所述腔体壁面（4）的连接处，用于避免沸腾工质泄漏，所述密封元件为硅胶圈或硅胶垫。

4.根据权利要求1所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，还包括带有第一控制阀（2）的沸腾工质入口（3）和带有第二控制阀（8）的沸腾工质出口（9），所述沸腾工质入口（3）和沸腾工质出口（9）均设置于所述沸腾腔室的侧壁上，所述第一控制阀（2）用于控制沸腾工质的注入，所述第二控制阀（8）用于控制沸腾工质的排出。

5.根据权利要求1所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，所述隔热材料（11）为块状聚四氟乙烯；所述测试对象（13）为毫米厚度的硅材料；所述多点控温装置（12）包括多个不同规格尺寸的电加热片。

6.根据权利要求1所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，所述冷却循环系统包括内部冷凝盘管（21）、循环泵（24）、出液阀（25）和恒温冷却器（26），所述冷凝盘管（21）设置于所述沸腾腔室顶部，热交换后的冷却工质通过所述恒温冷却器（26）降温后重新送入所述冷凝盘管（21）。

7.根据权利要求1所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括温度传感器（16）、多通道温度扫描仪（31）、数据存储器（30）、高速摄像机（29）和冷光源（28）；所述温度传感器（16）设置于所述测试对象（13）面向所述隔热材料（11）的一侧，用于测量壁面温度；所述高速摄像机（29）对准所述透明材料（7）区域，所述冷光源（28）用于补光。

8.根据权利要求1所述的用于池沸腾换热的伸入式多点控温实验装置，其特征在于，所述温控系统包括测温装置（5）、加热棒（6）和自动控温系统（27），用于维持所述沸腾腔室内部工质处于饱和状态。

9.一种采用如权利要求1至8任一项所述的装置进行池沸腾换热的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，所述步骤一还包括：使用防水密封硅胶将所述多点控温装置（12）和温度传感器（16）粘合于测试对象（13）底部，再整体粘于隔热材料（11）的凹槽中；所述步骤五还包括：实验结束后，打开第二控制阀（8）排出工质，拆卸顶盖（1）更换测试对象（13）或沸腾工质以进行重复性实验。