测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置

摘要

本发明提供一种测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，涉及材料测试的技术领域。其中，测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，包括传热件和加热件，所述加热件的至少大部分表面积与所述传热件接触，并用于向所述传热件传热。此外，该测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，可以将至少大部分热量传递至传热件，并且通过传热件传递给待测材料，可以明显地减少热量损失，从而提高了能源利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，涉及一种测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置。

背景技术

池内沸腾传热是一种高效的相变传热技术，在发电、海水淡化、冶金、电子器件冷却、大功率激光器热管理、食品加工等工业、军事、航空航天、化工领域起着至关重要的作用。大量的理论和实验研究都表明，对常规材料进行表面改性处理，可以显著提高池内沸腾传热性能和换热效率，大幅增加传热系数(HTC)和临界热流密度(CHF)。常规传热表面在池内沸腾条件下的CHF约为100W·cm

目前市场上现成的发热器件主要是加热棒、加热膜、陶瓷加热片等，其热流密度最大值一般为50W·cm

CN209132185U(授权公告日2019年7月19日)公开了一种高热流密度的微纳结构表面池内沸腾传热实验装置，主要包括：发热器件、绝热腔体、观测腔体、待测试样、高速摄像机、温度测量装置以及计算机；高热流密度发热器件用于产生高热流密度，其包括加热器以及导热元件，绝热腔体罩在高热流密度发热器件外侧，其隔绝高热流密度发热器件与外界的热量交换，其上设置有用于导热元件伸出的通孔；观测腔体设置在绝热腔体的上方，与绝热腔体密封连接，其内盛放液体工质，其进行池内沸腾传热；待测试样放置于观测腔体内且没入液体工质的液面以下，其背面与导热元件伸出绝热腔体的部分连接；温度测量装置用于监测导热元件上的温度分布。

该技术能够提供较高的热流密度，从而满足各种微纳尺度相变传热的实验要求。但在其加热-传热结构，防水密封设计，以及温度测量装置部分均存在一些不足之处。

在加热-传热结构中，现有技术采用片状加热器，将其贴在热源连接段外表面作为加热元件，增大了实际加热面积，但由于片状加热器只有一面与热源连接段相连，另一面与绝热层相连，因此事实上该设计并不能充分的利用片状加热器的大表面进行传热，也即实际传热效率较低。另一方面，此外，热源连接段与传热段接触面的面积比太大，因此热源连接段的热量并不能很有效且快速的传至传热段铜块内。

在防水密封设计部分，现有技术采用密封组件与压盖结合的方式防止液体工质通过导热元件与绝热腔体之间的缝隙渗漏至装置内部，影响温度测量装置测量结果甚至损毁内部元器件。由于该设计中传热段伸出绝热腔体外，因此传热段内部热量除了会传导至待测试样中外，还有一部分会通过与压盖的接触面直接泄露至液体工质中，从而降低了装置的传热效率。

在温度测量装置方面，现有技术在传热段上纵向布置多根热电偶用于监测传热段的温度，并在需要的时候使用这些热电偶测得温度计算待测试样表面温度。但是由于热电偶仅在纵向分布，而每根热电偶仅能测得截面中一个点的温度，因此使用其计算出来的结果并不能真实反映试样表面温度。此外，热电偶布置的位置距离试样太远也会使得最终得到的温度结果不够准确。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，以解决现有技术中存在的传热效率低的技术问题。

本发明提供的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，包括传热件和加热件，所述加热件的至少大部分表面积与所述传热件接触，并用于向所述传热件传热。

本发明提供的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，能够产生以下有益效果：

本发明提供的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，由于加热件向外传热，也必然还是通过将加热件的大部分表面积与传热件接触，可以将至少大部分热量传递至传热件，并且通过传热件传递给待测材料，可以明显地减少热量损失，从而提高了能源利用率。

优选的技术方案中，所述传热件具有凹陷部，所述加热件的至少局部嵌入所述凹陷部中并与所述凹陷部适配。

通过在传热件设置凹陷部，将加热件的至少局部嵌入凹陷部并与凹陷部适配，可以相比于直接将加热件设置于传热件表面，加热件只能有一半的表面积与传热件接触的方案而言，可以明显增加加热件与传热件接触的表面积，进而提高对传热件供给热量的效率，从而满足高热流密度材料的池内沸腾实验对于热量密度的要求。

优选的技术方案中，所述加热件为加热棒，所述加热棒具有外螺纹部，所述凹陷部包括沉孔，所述加热棒具有传热表面，所述凹陷部包括沉孔，所述传热表面与所述沉孔的内表面适配。

采用沉孔作为凹陷部，以容纳加热棒，可以使得加热棒的几乎全部表面积都用于向传热件传递热量，将加热棒对外的散热降低到最低，从而提高传热件的传热速度，满足高热流密度材料的供热要求。另外，在传热件中设置沉孔的方式，与可以将传热件的内部体积利用起来，使得传热件的受热面积不再受到传热件的表面积的限制，所以可以大幅度地增加了传热件的受热面积，进而增加传热件所可以传递的热量密度，以进一步的提高对高热流密度材料的供热能力。

优选的技术方案中，所述传热件包括一体成形且依次设置的容纳部和传热部，所述容纳部安装所述加热件，所述容纳部的上部的截面尺寸自所述容纳部的下部向所述传热部逐渐变小。

通过将传热件设置成容纳部的上部自容纳部的下部向传热部逐渐变小，不但可以减少传热件的中段的表面积，减少热量在传递路径上直接对外散热，而且可以降低传热件中的局部热量堆积的问题，减少热量在局部堆积处的损失，也可以提高传热速度。

优选的技术方案中，所述传热部的邻接所述容纳部的一端，与，所述容纳部邻接所述传热部的一端，截面尺寸相同且重合。

使得第二传热部和容纳部相邻的两端设置成截面尺寸相同，可以使得热量在传递过程中，在传热部与容纳部相邻的位置，也不会产生截面面积的突变，减小了传热过程中出现的热集中效应。

优选的技术方案中，还包括温度测量装置，所述温度测量装置包括多个测温器，多个所述测温器位于所述传热部内，并沿所述传热部的横截面排布呈行，多行所述测温器沿所述传热部的高度方向分布。

将多个测温器沿传热部的横截面排布，有利于获知试样表面在传热部的横截面上的温度分布，计算平均温度后再用于后续计算能够得到更准确的结果，而且，最上层测温器的位置能够尽量接近待测试样，这样一方面能够减小传热部的邻接待测试样一端在传热时的热损带来的实验误差，另一方面由于温度测量装置距离试样表面更近，测得的温度更接近待测试样表面真实温度，因此在测定试样临界热流密度的实验时，能够更准确的判断临界热流密度发生的时间点。

优选的技术方案中，还包括隔热件和压盖，所述隔热件套装于所述传热件和所述加热件外侧，所述压盖与所述隔热件固定连接，所述压盖用于将密封组件和待测试样压紧。

通过安装在隔热件上的压盖将密封组件和待测试样压紧，一方面能够将密封组件压得更紧，增强防水效果；另一方面，也能够对待测试样产生更大的压力，从而减小待测试样与传热件的接触热阻，增强传热效率。

优选的技术方案中，所述密封组件包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈位于所述第二密封圈的径向外侧；所述压盖下表面设有向下凸起的环状凸缘，所述环状凸缘位于所述压盖的内侧边缘，所述环状凸缘用于将所述第二密封圈压紧在所述待测试样的上表面。

通过设置外侧第一密封圈并被压盖压紧，可以防止水箱中的水从水箱和隔热件之间泄漏，通过设置第二密封圈并被压盖压紧，则可以防止水箱中的水从压盖、待测试样和传热件、隔热件之间泄漏。而且，由于第二密封圈在自然状态时上表面是平齐的，通过在压盖下表面的内侧边缘设置向下凸起的环状凸缘，而通过该环状凸缘可以提高第二密封圈的半径较小部分的压实程度，使得第二密封圈的这部分比其余部分压得更实，进而改善密封效果。

优选的技术方案中，还包括搅拌装置和水箱，所述水箱与所述隔热件固定连接，所述搅拌装置安装于所述水箱，所述搅拌装置包括气动马达和由所述气动马达驱动的搅拌件，所述搅拌件位于所述水箱中并用于伸入到液面下；和/或，所述水箱的侧壁上开设有观测窗，所述观测窗处安装有机玻璃板。

通过设置搅拌装置，可以水箱中的液体能够均匀升温，还可以大幅度提高加热工质至目标温度的速度。采用具有有机玻璃板覆盖观测窗的水箱作为观测腔体，可以削弱加热时间过长带来的腔体形变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置的简化结构示意图；

图2为上述的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置的剖视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为图1所示的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置略去了水箱一侧侧壁后的结构示意图。

附图标记说明：

10-加热件；20-传热件；30-隔热件；40-水箱；70-待测试样；80-辅助加热棒。

21-容纳部；22-传热部；41-有机玻璃板；51-压盖；511-环状凸缘；52-螺栓；53-第一密封圈；54-第二密封圈；61-气动马达；62-搅拌轴；63-搅拌件；91-测温器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置的简化结构示意图，其中图1略去了水箱的顶盖和一侧侧壁以及搅拌装置；图2为上述的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置的剖视图，图2中也未示出搅拌装置。

如图1和图2所示，本实施例提供一种测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，包括传热件20和加热件10，加热件10的至少大部分表面积与传热件20接触，并用于向传热件20传热。

具体的，本实施例中，传热件20可以采用紫铜材质。而加热件10和传热件20的接触面还均匀涂有导热硅脂以减小接触热阻。在另外的实现方式中，接触面使用的导热硅脂也可以用高纯银胶和导热硅胶替代。

本实施例提供的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置，由于加热件10向外传热，也必然还是通过将加热件10的大部分表面积与传热件20接触，可以将至少大部分热量传递至传热件20，并且通过传热件20传递给待测材料，可以明显地减少热量损失，从而提高了能源利用率。

如图1和图2所示，优选的，传热件20具有凹陷部，加热件10的至少局部嵌入凹陷部中并与凹陷部适配。

通过在传热件20设置凹陷部，将加热件10的至少局部嵌入凹陷部并与凹陷部适配，将加热件10与传热件20的连接方式由外置式改为内置式，可以相比于直接将加热件10设置于传热件20表面，加热件10只能有接近一半的表面积与传热件20接触的方案而言，可以明显增加加热件10与传热件20接触的表面积，进而提高对传热件20供给热量的效率，从而满足高热流密度材料的池内沸腾实验对于热量密度的要求。

如图1和图2所示，优选的，加热件10为加热棒，凹陷部包括沉孔，加热棒具有传热表面，凹陷部包括沉孔，传热表面与沉孔的内表面适配。

具体的，沉孔设置于传热件20的下部，自传热件20的下表面向传热件20内部延伸。多个沉孔可以以矩阵形式排布在传热件20的下表面，或者除分布区域边缘处的沉孔外，每个沉孔周围可以均匀布置六个相邻的沉孔。而加热棒的传热表面，位于其上部和中部，也可以包括下部的一部分。加热棒的引线，可以自沉孔的外端伸出。

采用沉孔作为凹陷部，以容纳加热棒，可以使得加热棒的几乎全部表面积都用于向传热件20传递热量，将加热棒对外的散热降低到最低，实现对加热棒外表面的充分利用，实现传热面积的最大化。从而提高传热件20的传热速度，满足高热流密度材料的供热要求。另外，在传热件20中设置沉孔的方式，与可以将传热件20的内部体积利用起来，使得传热件20的受热面积不再受到传热件20的表面积的限制，所以可以大幅度地增加了传热件20的受热面积，进而增加传热件20所可以传递的热量密度，以进一步的提高对高热流密度材料的供热能力。

在另外的实现方式中，加热件10还可以选用片状加热板替代，相应的可以在传热件20的下部开设多个平行或不平行的槽，将片状加热板装入到槽中，使得片状加热板与槽的内表面配合，并将热量传递给传热件20。其中，采用多个平行的槽的方案，可以使得每个片状加热板均加热其两侧的传热件20的板状实体部；相应的，除了位于两个边缘处的槽相背的传热件20的实体部之外，每个板状实体部，也可以接受其两侧的片状加热板对其传热。具体的，这样的槽，可以是沿图中的横向贯穿加热件10，也可以不贯穿加热件10。不贯穿加热件10的情形，有利于也将片状加热板的侧边也利用起来，向传热件20传递热量。对于贯穿加热件10的情形，虽然无法利用片状加热板的侧边对传热件20传递热量，但是可以降低加工的难度，有利于降低制造成本。

如图1和图2所示，优选的，传热件20包括一体成形且依次设置的容纳部21和传热部22，容纳部21安装加热件10，容纳部21的上部的截面尺寸自容纳部21的下部向传热部22逐渐变小。

其中，容纳部21为实体部分，而非专指空腔、孔、槽等无实体体积的几何要素。只是由于其容纳了加热件10，所以称之为容纳部21。具体的，本实施例中的容纳部21的下部、传热部22的外形可以为圆柱，而容纳部的上部可以为圆锥台。传热部22位于圆锥台的顶端，即横向尺寸较小端。

在另外的实现方式中，若待测试样70为正方形，则传热部22可以为四棱柱，相应的，容纳部21的外形也为四棱柱，而容纳部21的上部的外形为四棱锥台。

另外，本实施例中的容纳部21和传热部22可以为一体连接的。即，这两部分是由同一块材料机械加工而成的，并非分别机械加工后在通过诸如焊接的方式连接到一起的。采用两者一体连接的方式，可以减少由多段材料连接而在连接面形成的接触热阻，减少了换热环节，提高了传热效率。

通过将传热件20设置成容纳部21的上部自容纳部21的下部向传热部22逐渐变小，不但可以减少传热件20的中段的表面积，减少热量在传递路径上直接对外散热，而且可以降低传热件20中的局部热量堆积的问题，减少热量在局部堆积处的损失，也可以提高传热速度。而且，容纳部21的上部可以固定传热件20，防止传热件20由于外力作用而上下滑动。

如图1和图2所示，优选的，传热部22的邻接容纳部21的一端，与，容纳部21邻接传热部22的一端，截面尺寸相同且重合。

即，上述的传热部22的圆柱形的下端端面，与容纳部的上部的圆锥台形顶端端面大小、形状一致且重合。

现有技术中，热源连接段为尺寸较大的四棱柱，其目的是为了贴合尺寸较大的加热片，而传热段则为尺寸较小的圆柱体，这样，在传热过程中热量可能会向热源连接段上端面的四角集中，不但使得热量更容易从上端面的四角向其外部传递，损失了部分热量，而且降低了传热速度，更不利于满足对待测试样70的传热速度的要求。而本实施例将传热部22和容纳部21相邻的两端设置成截面尺寸相同，可以使得热量在传递过程中，在传热部22与容纳部21相邻的位置，也不会产生截面面积的突变，减小了传热过程中出现的热集中效应。

图3为图2的局部放大图；如图3所示，优选的，还包括温度测量装置，温度测量装置包括多个测温器91，多个测温器91位于传热部22内，多个测温器91沿传热部22的横截面排布呈行，多行测温器91沿传热部22的高度方向分布。

其中，多行测温器91中，最高的一行位于传热部22用于与待测试样79邻接的顶端。具体的，在本实施例中，一行测温器91包括并排设置的三个测温器91，自传热部22的顶端向下依次排列三行测温器91，其中测温器可以采用热电偶温度计。

将多个测温器91沿传热部22的横截面排布，有利于获知试样表面在传热部22的横截面上的温度分布，计算平均温度后再用于后续计算能够得到更准确的结果，而且，最上层测温器的位置能够尽量接近待测试样70，这样一方面能够减小传热部22的邻接待测试样70一端在传热时的热损带来的实验误差，另一方面由于温度测量装置距离试样表面更近，测得的温度更接近待测试样70表面真实温度，因此在测定试样临界热流密度的实验时，能够更准确的判断临界热流密度发生的时间点。

如图1-图3所示，优选的，还包括隔热件30和压盖51，隔热件30套装于传热件20和加热件10外侧，压盖51与隔热件30固定连接，压盖51用于将密封组件和待测试样70压紧。

其中，隔热件30包裹传热件20的除了传热部22上表面之外的全部表面，隔热件30应采用隔热材料，具体的，可以采用聚四氟乙烯、硅酸盐、玻璃纤维、石棉、岩棉等。其中，隔热件30的底部设置有供加热棒的引线伸出的通孔，为了尽量减小对外的热传递，该通孔只要可以容纳加热棒的引线通过即可。从装配方便的角度考虑，隔热件30可以分为用于包裹传热件20的侧面的部分和用于包裹传热件20的底面的部分，二者固定连接。装配时，须待加热棒在传热件20中安装完成后，再将隔热件30的底部和隔热件30的侧壁部分连接。

具体的，压盖51的外形可以为圆环形，圆环形的内径大于待测试样70的外径，圆环形的外径大于密封组件的外径。压盖51通过螺栓52固定在隔热件30的顶部，而压盖51和螺栓52可以均为不锈钢材质。将压盖51与隔热件30固定连接之后，不但可以压紧密封组件，还可以将待测试样70压紧在传热件20的顶端。另外，在传热部22与待测试样70之间，还可以均匀涂有导热硅脂以减小接触热阻。在另外的实现方式中，接触面使用的导热硅脂也可以用高纯银胶和导热硅胶替代。

通过安装在隔热件30上的压盖51将密封组件和待测试样70压紧，一方面能够将密封组件压得更紧，增强防水效果；另一方面，也能够对待测试样70产生更大的压力，从而减小待测试样70与传热件20的接触热阻，增强传热效率。

如图1-图3所示，优选的，密封组件包括第一密封圈53和第二密封圈54，第一密封圈53位于第二密封圈54的径向外侧；压盖51下表面设有向下凸起的环状凸缘511，环状凸缘511位于压盖的内侧边缘，环状凸缘511用于将第二密封圈54压紧在待测试样70的上表面。

具体的，第一密封圈53包括密封圈本体和位于密封圈本体的外周面的环形外凸棱，该环形外凸棱的下表面与水箱40的箱底开孔处的边缘上表面抵接，从而防止水箱40的水从水箱40的箱底开孔处的边缘漏出。而且，由于第二密封圈54在自然状态时上表面是平齐的，通过在压盖51下表面的内侧边缘设置向下凸起的环状凸缘511，而通过该环状凸缘511可以提高第二密封圈54的半径较小部分的压实程度，使得第二密封圈54的这部分比其余部分压得更实，进而改善密封效果。

第二密封圈54包括密封圈本体和环状外凸缘、环状内凸缘、端面下凸缘，截面整体大致呈T形。环状外凸缘、环状内凸缘和密封圈本体的上表面被压盖51压住。环状外凸缘设置在密封圈本体的外周面并沿水平方向向外突出，环状外凸缘的下表面与隔热件30的顶部开孔的边缘部分上表面接触；环状内凸缘设置在密封圈本体的内周面并沿水平方向向内突出，环状内凸缘的内侧部分的下表面与待测试样70的上表面接触，从而防止水箱40中的水从待测试样70和压盖51之间漏出；端面下凸缘也为环状，设置在密封圈本体的下端面，端面下凸缘的内周面与传热件20顶端的外周面接触，端面下凸缘的下端面与隔热件30顶部的台阶孔的端面接触，端面下凸缘的外周面与台阶孔的内周面接触。从而可以实现压盖51、待测试样70、传热件20和隔热件30之间的密封。

通过设置外侧第一密封圈53并被压盖51压紧，可以防止水箱40中的水从水箱40和隔热件20之间泄漏，通过设置第二密封圈54并被压盖51压紧，则可以防止水箱40中的水从压盖51、待测试样70和传热件20、隔热件30之间泄漏。

图4为图1所示的测试高热流密度材料板状燃料元件的池式沸腾实验装置略去了水箱一侧侧壁后的结构示意图。如图1、图2和图4所示，优选的，还包括搅拌装置和水箱40，水箱40与隔热件30固定连接，搅拌装置安装于水箱40，搅拌装置包括气动马达61和由气动马达61驱动的搅拌件63，搅拌件63位于水箱40中并用于伸入到液面下。

此外，在水箱40中，还设置辅助加热棒80，辅助加热棒80可以位于水箱40的底部。具体的，辅助加热棒80的数量为两根，可以分别设置在水箱40的两个相对的侧壁。而气动马达61可以安装在水箱40顶面的外侧，气动马达61通过搅拌轴62带动搅拌件63旋转，搅拌件63可以为叶片。水箱40的侧壁上开设有观测窗，观测窗处安装有机玻璃板41。

通过设置搅拌装置，可以水箱40中的液体能够均匀升温，还可以大幅度提高加热工质至目标温度的速度。采用具有有机玻璃板41覆盖观测窗的水箱40作为观测腔体，避免箱体40的侧壁呈完整的封闭状，从而可以削弱加热时间过长带来的腔体形变。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。