一种冷凝传热性能表征装置

摘要

本发明公开了一种冷凝传热性能表征装置。所述装置包括：双锅炉蒸汽发生单元，用以对液体工质进行加热，包括主加热机构和辅加热机构；冷凝测试单元，用以对气态液体工质进行冷凝，包括冷凝壳体，其内设置有隔热组件、冷凝测试件及冷却循环通道，所述冷凝壳体一侧与隔热组件围设形成冷凝腔室，所述冷凝测试件设置于所述隔热组件中心，且冷凝测试件表面暴露于所述冷凝腔室内，所述冷凝腔室与双锅炉蒸汽发生单元连通；冷凝压降单元，用以控制整个装置内部蒸汽稳态流动及真空度。本发明提供的小型化、紧凑化、模块化的冷凝传热性能表征装置，可最大限度的减小热量损耗，可获得不同样品纯蒸汽和极低不凝性气体工况下的冷凝传热性能和传质性能。

说明书

技术领域

本发明涉及传热评价技术领域，具体涉及一种冷凝传热性能表征装置。

背景技术

随着微-纳加工技术的发展，设计开发新型的微-纳界面用于强化冷凝传热受到了广泛关注并成为近年来的研究热点。然而目前冷凝传热表征装置仍无商业化产品。目前，文献报道和已公开的专利中，大部分冷凝传热实验采用大型、复杂、多线路的实验装置，不仅不利于系统内部不凝性气体的精确控制，且占用大量空间造成热量损耗。例如，在已公开的冷凝传热装置中，公开号为CN 101963588 A的专利文件中公开的“一种冷凝传热效果评价系统”只限于饱和蒸汽在金属表面的冷凝传热评价，对蒸汽工况以及测试材料的选择范围窄，难以满足多需求的冷凝传热实验；公开号为CN 103196945 A的专利文件中公开的“可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置”只能进行单管及管束的管外冷凝换热实验，难以获得含有极低不凝性气体工况的冷凝传热性能，并且设备设计复杂，管路多易导致较高热量损耗；公开号为CN104407008A的专利文件中公开的“一种评价混合蒸汽局部冷凝传热性能的测试系统”对系统低真空度控制较难，只针对含有大量不凝性气体的蒸汽冷凝实验，蒸汽温区可调节的范围窄，并且只限于对水平管进行冷凝传热测试；公开号为CN108469450A的专利文件中公开的“多功能蒸汽冷凝换热及结霜过程可视化实验装置”冷凝腔体过大、管道长造成不必要的热损耗，通过将样品贴在帕尔贴表面的方式将导致样品表面温度计算误差增大。

针对上述问题有必要开发新一代冷凝传热性能表征装置，该装置要满足以下特点：①不同材料竖直圆形面(非管材)在纯蒸汽或含极低不凝性气体工况下冷凝传热性能表征；②小型化、紧凑化的设计尽可能减小热量损耗。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的极低不凝性气体含量难以控制、蒸汽温区调控范围窄以及热量损耗较大等问题，提供一种冷凝传热性能表征装置。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种冷凝传热性能表征装置，其包括：

双锅炉蒸汽发生单元，其至少用以对液体工质进行加热，包括主加热机构和辅加热机构；

冷凝测试单元，其至少用以对气态液体工质进行冷凝，其包括冷凝壳体，所述冷凝壳体内设置有隔热组件、冷凝测试件及冷却循环通道，所述冷凝壳体一侧与隔热组件围设形成冷凝腔室，所述冷凝测试件设置于所述隔热组件中心，且冷凝测试件表面暴露于所述冷凝腔室内，所述冷凝腔室与双锅炉蒸汽发生单元连通，并且，所述冷凝单元为垂直设置；

冷凝压降单元，与所述冷凝测试单元、一真空单元连通，其至少用以控制整个装置内部蒸汽稳态流动及真空度。

在一些实施例中，所述双锅炉蒸汽发生单元包括主加热机构、辅加热机构、第一温度控制机构、第二温度控制机构及温度传感机构，所述主加热机构与辅加热机构之间设置有真空连接组件，所述主加热机构与第一温度控制机构连接，所述辅加热机构与第二温度控制机构连接。

在一些实施例中，所述冷凝测试单元还包括：

温度传感机构，其至少用以对所述冷凝腔室内蒸汽温度、冷凝测试件温度进行测量；

压力传感机构，其至少用以对所述冷凝腔室内压力进行测量；以及，

可视化观测机构，其设置于所述冷凝壳体开设的观察窗口的对应位置。

在一些实施例中，所述冷凝压降单元设置于所述冷凝腔室上方，且与所述冷凝腔室连通，所述冷凝压降单元包括冷凝管路、冷却介质及循环组件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供一种小型化、紧凑化、模块化的冷凝传热性能表征装置，可最大限度的减小热量损耗，可同时满足纯蒸汽、极低不凝性气体含量可控的稳态测试条件，可获得不同样品纯蒸汽和极低不凝性气体工况下的冷凝传热性能和传质性能；

2)本发明的冷凝传热性能测试装置操作简单，可以通过双锅炉的加热模块实现对体系内不凝性气体含量进行精确控制；

3)本发明可以通过冷凝压降模块实现对蒸汽的稳态控制，并通过控制主锅炉的加热功率和冷凝压降模块的温度控制稳态蒸汽流量；

4)本发明可以满足多工况、多种材料的竖直平面冷凝传热性能测试。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案中一种冷凝传热性能表征装置的结构示意图。

图2是本发明一典型实施方案中一种冷凝传热性能表征装置测试原理图。

图3是本发明一典型实施方案中40℃蒸汽工况下(7.38kPa)亲水光滑铜材表面膜状冷凝传热性能曲线图。

附图标记说明：1-冷却水槽，2-冷却循环通道，3-冷却水槽，4-冷却循环机，5-真空管道接头，6-冷凝盘管，7-真空泵，8-数据采集器，9-辅加热锅炉温度控制器，10-辅加热锅炉，11-真空连接阀，12-主加热锅炉，13-主加热锅炉温度控制器，14-冷却循环机，15-冷却循环机控制阀，16-特氟龙隔热块，17-冷凝腔室，18-石英玻璃观察窗口，19-温度传感器，20-高速显微镜，21-冷凝测试件，22-压力传感器。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其中所述装置具有独特的小型化、模块化、紧凑设计的结构，可同时满足纯蒸汽、极低不凝性气体含量可控的稳态测试条件，所述装置主要包括双锅炉蒸汽发生单元、冷凝测试单元以及冷凝压降单元。通过双锅炉蒸汽发生单元的主加热锅炉、辅加热锅炉的连通设计精确控制体系内极低不凝性气体的含量或排除不凝性气体；冷凝测试单元可实现冷凝传热数据和冷凝传质现象的采集；冷凝压降单元确保系统内部蒸汽稳态流动，通过与冷凝测试单元直接连接降低热量损耗，其上设计有真空连接口，便于控制整体系统真空度。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种冷凝传热性能表征装置，其包括：

双锅炉蒸汽发生单元，其至少用以对液体工质进行加热，包括主加热机构和辅加热机构；

冷凝测试单元，其至少用以对气态液体工质进行冷凝，其包括冷凝壳体，所述冷凝壳体内设置有隔热组件、冷凝测试件及冷却循环通道，所述冷凝壳体一侧与隔热组件围设形成冷凝腔室，所述冷凝测试件设置于所述隔热组件中心，且冷凝测试件表面暴露于所述冷凝腔室内，所述冷凝腔室与双锅炉蒸汽发生单元连通，并且，所述冷凝单元为垂直设置；

冷凝压降单元，与所述冷凝测试单元、一真空单元连通，其至少用以控制整个装置内部蒸汽稳态流动及真空度。

在一些实施例中，所述双锅炉蒸汽发生单元包括主加热机构、辅加热机构、第一温度控制机构、第二温度控制机构及温度传感机构，所述主加热机构与辅加热机构之间设置有真空连接组件，所述主加热机构与第一温度控制机构连接，所述辅加热机构与第二温度控制机构连接。

进一步地，所述主加热机构可以是主加热锅炉，所述辅加热机构可以是辅加热锅炉，所述第一温度控制机构可以是主加热锅炉温度控制器，所述第二温度控制机构可以是辅加热锅炉温度控制器，但不限于此。

进一步地，所述双锅炉蒸汽发生单元由主加热锅炉、辅加热锅炉、温度传感器、主加热锅炉温度控制器、辅加热锅炉温度控制器及中间真空连接阀组成，通过辅加热锅炉预先将工质煮沸除去不凝性气体，与冷凝腔室连为一体的主加热锅炉预先抽真空可精确控制不凝性气体含量，除去或根据测试需要预留一定比例的不凝性气体；主加热锅炉设置在冷凝测试单元下方，通过模块化标准真空接口直接相连，减少测试中热损耗、便于蒸汽流通以及冷凝液高效回流。

本发明可以通过双锅炉蒸汽发生单元中主加热锅炉、辅加热锅炉的连通设计精确控制体系内极低不凝性气体的含量或排除不凝性气体。

在一些实施例中，所述冷凝测试单元设置于所述主加热机构上方，可实现冷凝传热数据和冷凝传质现象的采集。

在一些实施例中，所述冷凝腔室具有复数个分别与双锅炉蒸汽发生单元、冷凝压降单元连接的连接口，至少用以使冷凝测试件表面在垂直方向上。所述的冷凝单元通过标准真空接口与主加热机构相连，便于测试面在垂直方向上。

进一步地，所述冷凝测试单元由圆柱形不锈钢金属外壳、正面石英玻璃观察窗、中部隔热特氟龙支撑块、冷凝测试件、背部冷却水循环通道组成。其中在冷凝测试模块内部配置有温度传感器、压力传感器，用于实时采集蒸汽温度、腔内压力、冷凝测试件温度等相关数据。

进一步地，所述的冷凝测试单元具有3个真空标准接口，用于改变与双锅炉蒸汽发生单元、冷凝压降单元的连接方式，使冷凝测试单元垂直放置。

在一些实施例中，所述冷凝单元还包括：

温度传感机构，其至少用以对所述冷凝腔室内蒸汽温度、冷凝测试件温度进行测量；

压力传感机构，其至少用以对所述冷凝腔室内压力进行测量；以及，

可视化观测机构，其设置于所述冷凝壳体开设的观察窗口的对应位置。

进一步地，所述冷却循环通道与冷却介质连通，所述冷却介质通过冷却循环机构与冷凝壳体连通。

进一步地，所述可视化观测机构包括摄像组件及光源，所述摄像组件至少用于观测气态液体工质在冷凝测试件表面的冷凝液形貌以及液滴的动态行为，结合测试数据对冷凝传热效果进行评价。

进一步地，所述摄像组件可以选用高速显微镜，但不限于此。

进一步地，所述的可视化观测机构由高速显微镜以及外部光源组成，置于冷凝壳体开设的观察窗口前方。

进一步地，所述冷凝测试单元安装有大尺寸可视观察窗，可利用高速显微镜观测冷凝液在冷凝测试件表面的动态行为。

进一步地，所述冷凝壳体包括不锈钢外壳，但不限于此。

进一步地，所述隔热组件包括特氟龙隔热块，但不限于此。

进一步地，所述冷凝测试单元内部中空隔热特氟龙支撑体对圆柱体冷凝测试件进行隔热保护，使嵌入其中的冷凝测试件内温度分布符合一维轴向稳态热传导，其中冷凝测试件侧壁沿热流方向垂直设置4个等距小孔至轴向中心，通过嵌入热电偶实时采集温度数据，推算得到样品表面温度。

进一步地，冷凝壳体(例如可以是不锈钢外壳)与特氟龙隔热块中间腔体构成了冷凝腔室，通过另一侧冷却腔室的外壳夹紧，形成整体密封系统；冷凝测试件内嵌在特氟龙隔热块的中心，包含热电偶插孔；冷凝腔室内的蒸汽在冷凝测试件表面进行冷凝，蒸汽由主加热机构产生，直接进入冷凝腔室冷凝。

进一步地，所述冷凝测试单元内安装绝压压力变送器以及温度探头，确保冷凝腔室内的蒸汽符合测试要求。

在一些实施例中，所述冷凝测试件具有冷凝面和背面散热翅片，所述冷凝面暴露于所述冷凝腔室内，而所述背面散热翅片与冷却循环通道中的冷却介质(例如与冷却水槽连接)接触。

在一些实施例中，所述温度传感机构包括复数根热电偶，所述热电偶与冷凝测试件内部中轴线垂直相交设置。采用四根热电偶进行实时温度监测，以确保能够准确反映冷凝表面的实际温度。

进一步地，所述液体工质可以是水，相应的，形成的蒸汽为水蒸气，但不限于此。

进一步地，所述冷凝测试件包括硅片、铜、不锈钢或铝等，但不限于此。

在一些实施例中，所述冷凝压降单元设置于所述冷凝腔室上方，且与所述冷凝腔室连通，所述冷凝压降单元包括冷凝管路(例如可以是冷凝盘管)、冷却介质及循环组件(例如可以是冷却循环机)。

在本发明中所述冷凝压降单元位于冷凝测试单元上方，与冷凝测试单元直接连接，有效缩短其与冷凝测试单元间连接管道减小热量损耗，通过控制其内部循环冷水的温度实现蒸汽稳态循环流动，同时在其上设置有真空连接组件(例如可以是真空管道接头)，直接与真空泵吸设备相连，便于对冷凝腔体和主锅炉内部真空度进行精确控制。

进一步地，本发明是通过控制主加热锅炉的加热功率以及冷凝压降单元的温度来实现不同温度蒸汽的稳态控制。

进一步地，本发明中冷凝压降单元以及冷凝测试单元背部的温度控制通过冷却循环机调节循环冷水的温度和冷水流量实现。

进一步地，所述冷凝压降单元通过一真空连接组件与所述真空单元(例如可以是真空泵)连通。

进一步地，本发明装置内部的真空度可由真空油泵或者真空泵组精确控制，真空设备与冷凝压降单元标准真空接口连接，以满足不同真空度下的测试需求，另外，根据测试的需要在真空泵组前端可增加低温冷阱对真空泵组进行保护。

在一些实施例中，所述冷凝传热性能表征装置还包括数据采集监控单元，其至少用以对冷凝测试件温度、冷凝腔室内蒸汽温度、冷凝腔室内压力、双锅炉蒸汽发生单元内液体工质温度进行采集、监测及处理。

进一步地，所述数据采集监控单元还包括计算机(PC电脑)，分别与第一温度控制机构、第二温度控制机构、温度传感机构、压力传感机构连接，至少用于对采集到的数据进行监测和处理。

进一步地，在实验开始前对整个体系的密封性能进行表征，确保体系不漏气；在测试前使用真空单元对整个体系进行预除不凝性气体以及对体系内不凝性气体的量进行精确控制。

进一步地，本发明适用于各种蒸汽环境下的平面冷凝效果表征，如水蒸气；适用于各种材料的冷凝效果评价，如硅片、铜、不锈钢、铝等。

综上，本发明提供一种小型化、紧凑化、模块化的冷凝传热性能表征装置，可最大限度的减小热量损耗，可同时满足纯蒸汽、极低不凝性气体含量可控的稳态测试条件，可获得不同样品纯蒸汽和极低不凝性气体工况下的冷凝传热性能和传质性能。

本发明的冷凝传热性能测试装置操作简单，可以通过双锅炉的加热模块实现对体系内不凝性气体含量进行精确控制。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明一典型实施例中一种冷凝传热性能表征装置主要包括双锅炉蒸汽发生单元、冷凝测试单元、冷凝压降单元、真空单元、可视化观测机构、数据采集监控单元。

所述蒸汽发生单元包括主加热锅炉12、辅加热锅炉10、温度传感器、主加热锅炉温度控制器13、辅加热锅炉温度控制器9及真空连接阀11，所述主加热锅炉温度控制器13与主加热锅炉12连接，所述辅加热锅炉温度控制器9与辅加热锅炉10连接。工质预先在辅加热锅炉10内经过煮沸除气处理后通过中间连接真空连接阀11进入主加热锅炉12内部，主加热锅炉12上端与冷凝测试单元相连。

所述冷凝测试单元用以对气态液体工质进行冷凝，其包括冷凝壳体，所述冷凝壳体内设置有特氟龙隔热块16及冷凝测试件21，所述冷凝壳体一侧与隔热组件围设形成冷凝腔室17，所述冷凝测试件设置于所述隔热组件中心，且冷凝测试件表面暴露于所述冷凝腔室内，所述冷凝腔室与双锅炉蒸汽发生单元连通，并且，所述冷凝测试单元为垂直设置。

所述的冷凝测试单元由圆柱形不锈钢金属外壳、中部特氟龙隔热块16、冷凝测试件21背部冷却循环通道2、正面石英玻璃观察窗口18、温度传感器19、压力传感器22组成，冷凝测试件21嵌入到特氟龙隔热块16中可确保一维轴向稳态热传导，温度传感器19实时记录冷凝腔室17内蒸汽温度数据，压力传感器22实时记录冷凝腔室17内压力数据，高速显微镜20置于石英玻璃观察窗口18前方。

其中，所述冷却循环通道2依次与冷却水槽1、冷却循环机14和冷却循环机控制阀15连接，所述冷却循环机控制阀15与冷凝测试单元相连通。通过控制循环冷却水的温度使冷凝测试件降温，冷却水以受限的方式快速流经测试界面背部的散热翅片，达到所需要的壁面温度。

所述冷凝压降单元包含内置冷凝盘管6、冷却水槽3、冷却循环机4、真空管道接头5，所述冷凝压降单元位于冷凝测试单元上方，与冷凝测试单元直接连接，有效缩短其与冷凝测试单元间连接管道减小热量损耗，通过控制其内部循环冷水的温度实现蒸汽稳态循环，同时在其上设置有真空管道接头，直接与真空泵吸设备相连，便于对冷凝腔室和主加热锅炉内部真空度进行精确控制。

所述的真空单元确保整个系统处于真空状态，包含真空泵7，其与真空管道接头5相连。

所述数据采集监控单元包括冷凝测试件温度采集，冷凝腔室内蒸汽温度、压力数据采集，蒸汽发生单元内液体工质温度采集，数据采集器8与PC电脑连接，对数据进行采集、监控并处理。

采用本发明的装置进行冷凝传热性能表征的方法包括如下步骤：

采用真空单元对所述装置进行抽真空处理，至少用于除去装置内的不凝性气体；

向所述双锅炉蒸汽发生单元内加入液体工质，并加热使其沸腾；

使气态液体工质进入冷凝腔室内与冷凝测试件的冷凝面接触，同时采用冷却循环通道对所述冷凝测试件进行冷却降温；

采用冷凝压降单元控制整个装置内部蒸汽稳态流动及真空度；

通过可视化观测结构观测气态液体工质在冷凝测试件表面的冷凝液形貌以及液滴的动态行为；以及，

通过数据采集监控单元对冷凝测试件温度、冷凝腔室内蒸汽温度、冷凝腔室内压力、双锅炉蒸汽发生单元内液体工质温度进行采集、监测及处理，实现对功能界面冷凝传热性能的表征。

实施例1

用于纯蒸汽冷凝换热实验，其技术方案是：首先关闭蒸汽发生单元主加热锅炉12与辅加热锅炉10之间的真空连接阀11，打开冷凝压降单元上的真空管道接头5，开启真空泵7对体系进行抽真空处理，除去体系内的不凝性气体，向蒸汽发生单元的辅加热锅炉10内加入去离子水，加热煮沸30min，降低水温至预设蒸汽温度值。抽真空到真空泵极限后，关闭真空管道接头5，打开蒸汽发生单元主加热锅炉12与辅加热锅炉10之间的真空连接阀11，使水进入到主加热锅炉12内，关闭真空连接阀11。打开主加热锅炉加热控制电源，同时开启冷凝测试单元背部的冷却水循环。待压力与蒸汽温度等参数稳定后，开启冷凝压降单元的冷却水循环，使压力和蒸汽温度保持稳定。通过数据采集和现象录制对功能界面传热性能进行分析和评定。

实施例2

用于含有空气的蒸汽冷凝换热实验，其技术方案是：首先关闭蒸汽发生单元主加热锅炉12与辅加热锅炉10之间的真空连接阀11，打开冷凝压降单元上的真空管道接头5，开启真空泵7对体系进行抽真空处理，抽真空到预设真空度后，向蒸汽发生单元的辅加热锅炉10内加入去离子水，加热煮沸30min，降低水温至预设蒸汽温度值。抽真空到真空泵极限后，关闭真空管道接头5，打开蒸汽发生单元主加热锅炉12与辅加热锅炉10之间的真空连接阀11，使水进入到主加热锅炉12内，关闭真空连接阀11。打开主加热锅炉加热控制电源，同时开启冷凝测试单元背部的冷却水循环。待压力与蒸汽温度等参数稳定后，开启冷凝压降单元的冷却水循环，使压力和蒸汽温度保持稳定。通过计算得到混合气体中空气的百分比，运用该技术方案，可以实现不同不凝性气体含量下蒸汽冷凝传热特性的研究。

需要说明的是，在本文中，在一般情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的步骤、过程、方法或者实验设备中还存在另外的相同要素。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，实验装置的局部结构可根据具体的要求作出相应的调整和细化，在此并未一一列举。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。