一种用于减少流动换热实验中实验管段热损失的热块装置

摘要

本发明公开了一种用于减少流动换热实验中实验管段热损失的热块装置，包括热块基体、若干加热棒、若干热电偶和电热丝；所述热块基体为圆柱形，热块基体的中心设有实验管段，热块基体的外周缠有电热丝；热块基体中环形均匀布置有若干加热棒；实验管段一端套有上石墨垫片，另一端套有下石墨垫片；所述若干热电偶包括若干组，若干组热电偶布置于热块基体中不同深度处。本发明热块装置可以用于补偿实验段向环境的散热损失，有利于提高进行绝热边界条件实验的实验精度，而且通过调节加热功率，还可以实现模拟流动换热的第二类边界条件，适合于流动换热特性实验。

说明书

【技术领域】

本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种流动换热实验中对实验段进行热补偿的热块 装置。

【背景技术】

在进行流动换热实验时，如进行壁面绝热条件下管内流动特性实验时，往往对管壁的保温 要求比较严格。为满足实验条件要求，一般采用在实验段外进行包裹保温棉的方法。但这种方 法有个缺点，即若仅通过包裹保温棉来满足实验要求的保温条件，所需要的保温棉的厚度往往 是试验管段直径的十倍百倍，而且采用保温棉只能减少散热损失，而不能对散热损失进行补偿， 造成了实验条件的偏差，降低了实验的精度。

例如，中国专利申请号为99124186.X公开了一种用于减少工业炉搁丝砖热损失的内炉壁 结构，它主要有阶形砖、搁丝砖、电阻丝构成，在搁丝砖突出部分下侧粘贴一层耐火纤维，覆 盖突出部分下侧，可将电阻丝安放在搁丝槽内。将相邻的搁丝砖之间隔开一定距离，其间填充 耐火纤维或放置耐火纤维硬质制品或硅酸钙等超轻质耐火砖。该发明是根据工业炉能耗以及热 效率和热短路的分析，围绕着工业炉搁丝砖的热损失的具体问题，提出来的减少工业炉搁丝砖 热损失的内炉壁结构，能有效地节省能源。但是，该发明结构复杂，只能应用于工业炉，而且 该发明只是对内炉壁结构的一种改进，减小了热损失，却没有进行散热补偿，还是不能够更精 确地实现实验条件。因此，该发明是不能满足实验室进行流动换热实验时所需要实验段的保温 条件。

又如，中国专利申请号200610029396.8公开了一种在炉外壳安装保温盒以减少工业炉炉 壳热损失的方法。包括：在工业路外壳上预制的保温盒；为了减少气体在保温盒内流动，盒内 通过垂直于密封面的纵肋和横肋相互插入，分割盒内空间；保温盒内通过两层肋之间的薄平板 隔开；在炉壳与保温盒之间通过耐火保温材料隔开；在保温盒的密封面内侧或在炉壳与保温盒 之间通过铝箔，反射通过炉壳向外辐射的热量，提高保温性能。该发明降低了对流热交换而引 起的热损失，并将从炉壳向外辐射的热量中的大部分被保温盒密封面内的铝箔反射回来，减少 了炉壳辐射散热所带走的热量，提高了工业炉的保温性能。但是，该发明是针对工业炉设计的， 其结构复杂，适合于在工业生产中应用，而且，该发明没有进行有效的散热补偿，因此，对于 实验室条件下实验管段的保温要求，该方法是不适宜的。

【发明内容】

本发明的目的就是克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够根据热电偶测量的信号，对 实验管段进行散热补偿，满足了实验条件的要求，同时又具有结构简单，调节灵活等优点的用 于减少流动换热实验中实验管段热损失的热块装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于减少流动换热实验中实验管段热损失的热块装置，包括热块基体、若干加热棒、 若干热电偶和电热丝；所述热块基体为圆柱形，热块基体的中心设有实验管段，热块基体的外 周缠有电热丝；热块基体中环形均匀布置有若干加热棒；实验管段一端套有上石墨垫片，另一 端套有下石墨垫片；所述若干热电偶包括若干组，若干组热电偶布置于热块基体中不同深度处。

本发明进一步的改进在于：所述若干组热电偶中每组热电偶均位于不同深度。

本发明进一步的改进在于：所述热块装置包括十根加热棒和十二个热电偶；十二个热电偶 分成六组，每组两个，每组热电偶中均有一个热电偶布置在邻近实验管段处的第一圆周上，其 中三组热电偶中另一个热电偶布置在十根加热棒所在第三圆周上，剩余三组热电偶中另一个热 电偶布置在第二圆周上，所述第二圆周位于第一圆周与第二圆周之间；每组热电偶的两个热电 偶均布置在同一径向位置。

本发明进一步的改进在于：第一圆周上的六个热电偶间隔60°排布，第二圆周上的三个热 电偶间隔120°排布，第三圆周上的三个热电偶间隔120°排布。

本发明进一步的改进在于：通过所述若干热电偶测出不同位置热块基体的温度，根据牛顿 导热定律确定导热方向和热流密度的大小，对加热棒和电热丝的加热功率进行调节，补偿实验 管段散热损失。

本发明进一步的改进在于：所述热块基体的材质为紫铜；热块基体中心开有安装实验管段 的中心通孔；热块基体外壁面设有安装电热丝的螺纹槽。

本发明进一步的改进在于：实验管段与热块基体之间填充有锡。

本发明中热块基体为导热性能良好的紫铜，加工为圆柱形，中心开通孔，在径向热块基体 上开有均匀分布的十个通孔，沿径向不同位置还开有十二个不同深度的小孔。在热块基体外壁 面上车出螺纹槽，用于缠绕加热丝。

所述热块基体套在需要进行保温的实验段上，为了改善导热性能，在热块基体与实验段之 间注入导热性能良好的锡，以改善实验段和热块装置之间的导热性能。

所述加热棒插在热块基体上均匀分布的十个通孔中，加热棒的均匀布置，可以实现对实验 段的均匀加热，从而实现热块装置所需要满足的、对实验管段进行散热补偿，或者实验段的均 匀热流密度实验边界条件的要求。

所述电热丝缠绕在热块基体外，通过调节电热丝的加热功率，实现对实验管段的散热补偿， 以及实现在均匀热流密度边界条件时进行微调的要求。

所述十二个热电偶成对安装在热块基体的不同径向位置、不同深度，通过六对热电偶测量 出来的温度，可以计算得到热块装置的平均热流密度，实现精确控制。所述石墨垫片与实验段 之间采用紧配合，装配时套在热块进出口的实验段上。加热后，石墨垫片膨胀，紧套在实验段 上。石墨垫片垫在加工出来作为支撑的实验平台上，可以实现实验段的固定，还可以增加轴向 的导热热阻，减少轴向的散热损失。

基于所述的热块，进行实验时，通过布置在不同深度和不同径向位置的热电偶测出不同位 置热块基体的温度，可以根据牛顿导热定律确定导热方向和热流密度的大小，对加热功率进行 调节；通过调节加热棒和电热丝的加热功率，来补偿实验段因散热而损失的热量，最终实现补 偿实验段散热损失的作用。同时，还可以通过进一步调节加热功率，用于模拟第二类边界条件 的实验条件。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.热块装置可以对实验段进行散热补偿，消除了因实验段向环境的散热引起的误差，提 高了实验精度；

2.热块装置采用热电偶测量热块基体在不同位置的温度，可以根据测量出来的温度，通 过调节加热功率，准确模拟绝热边界条件和均匀热流密度边界条件；

3.热块装置的加热棒均匀分布在热块基体中，实现了对实验段壁面的均匀加热，减少了 壁面热流密度的不均匀分布；

4．热块装置结构简单，可以根据实际需要制造成不同的长度和大小，满足不同的实验需 要；

5.热块装置直接套在实验段外，对实验段内部的流动情况没有影响。

总之，本装置可以用于补偿实验段向环境的散热损失，有利于提高进行绝热边界条件实验 的实验精度，而且通过调节加热功率，还可以实现模拟流动换热的第二类边界条件，适合于流 动换热特性实验。

【附图说明】

图1为本发明的热块装置结构主视图；

图2为本发明的热块装置结构俯视图；

其中：1为上石墨垫片；2为加热棒；3为电热丝；4为热电偶；5为下石墨垫片；6为 实验管段；7为热块基体。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1、图2，本发明一种用于减少流动换热实验中实验管段热损失的热块装置包括一 个热块基体7、十根加热棒2、十二个热电偶4、电热丝3和石墨垫片。

热块基体7为圆柱形，热块基体7的中心设有实验管段6，热块基体7的外周缠有电热丝 3；热块基体7中环形均匀布置有十根加热棒2。热电偶4分别布置在热块基体7的不同深度 和不同径向位置。安装时，先在实验管段6一端套上石墨垫片1，再将热块基体7套在实验管 段6外周，最后在实验管段6的另一端套上下石墨垫片5。

十二个热电偶4分成六组，每组两个，每组热电偶中均有一个热电偶布置在邻近实验管段 6处的第一圆周上，其中三组热电偶中另一个热电偶布置在十根加热棒2所在第三圆周上，剩 余三组热电偶中另一个热电偶布置在第二圆周上，所述第二圆周位于第一圆周与第二圆周之 间；每组热电偶的两个热电偶均布置在同一径向位置。第一圆周上的六个热电偶间隔60°排 布，第二圆周上的三个热电偶间隔120°排布，第三圆周上的三个热电偶间隔120°排布。每 组中的两个热电偶布置的深度相同。

进行实验时，通过布置在不同深度和不同径向位置的热电偶4测出不同位置热块基体7 的温度，可以根据牛顿导热定律确定导热方向和热流密度的大小，对加热棒2和电热丝3的加 热功率进行调节，最终实现补偿实验段散热损失的作用。

实施例：

进行绝热壁面边界条件的流动换热实验时，将热块装置安装在实验管段6上。根据所进行 实验管段6内温度及进行实验时的环境温度可以求得实验时的散热损失，进行实验时，通过六 对热电偶4测量热块基体7在不同径向位置和不同深度的的温度，可以计算出热块装置传给实 验管段6的平均热量，根据这个反馈信号，调节加热棒2和电热丝3功率，使热块装置对实验 段的传热量等于实验段对环境的散热量，最终实现了所需要的绝热边界条件。

进行均匀热流密度边界条件下的流动换热实验时，将热块装置安装在实验管段6上。调节 加热棒2和电热丝3的功率，六对热电偶4测量热块基体在7不同径向位置和不同深度的温度， 可以计算出热块装置的平均热流密度，根据所需要的壁面热流密度条件，通过对加热棒2功率 的粗调以及电热丝3功率的细调，最终实现所需要的壁面热流密度条件。

经过在某液态金属钠试验回路和某水试验回路中使用，发现其工作可靠，能够达到预期功 能，检测结果易于观察，整个装置操作简便。因此本发明非常适合实验回路装配。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的 具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思 的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书 确定专利保护范围。