專利名稱：一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量兩相對流傳熱系數(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置。
背景技術(shù)：
氣液兩相流體的流動工況在動力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工業(yè)中經(jīng)常遇到。在這些工業(yè)的具有熱交換的設(shè)備中還存在著兩相流體的傳熱問題。例如，在核電站和火力發(fā)電站中的各種沸騰管、各式氣液混合器、氣液分離器、各種熱交換器、精餾塔、化學反應(yīng)設(shè)備、各式冷凝器及其他設(shè)備中已廣泛存在氣液兩相流體的流動和傳熱問題。氣液兩相流體對流傳熱系數(shù)反映了流體與固體表面的換熱能力，其物理意義為當流體與固體表面之間的溫度差為IK時，單位壁面面積在單位時間所能傳遞的熱量，單位為W/(m2 ·Κ)。由于氣液兩相的流型復(fù)雜，對傳熱過程有很大影響，與單相流體比較，氣液兩相的傳熱過程研究更加困難。對于化工類專業(yè)學生，了解和掌握兩相流體對流傳熱系數(shù)的測定方法及兩相流體傳熱的各種知識，對于經(jīng)濟而可靠地研制、設(shè)計和運轉(zhuǎn)上述工業(yè)設(shè)備具有重要的意義。近年來，隨著微尺度技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)、高熱通量換熱器、冷凝設(shè)備等方面的廣泛應(yīng)用，微通道內(nèi)的兩相流動和傳熱特性引起了越來越多的關(guān)注。微管道內(nèi)氣液兩相對流傳熱的研究為微型傳熱設(shè)備、微型反應(yīng)器的設(shè)計和開發(fā)提供了重要的冷模實驗數(shù)據(jù)。特別是對于強放熱氣液反應(yīng)微管道反應(yīng)器的開發(fā)，提高其反應(yīng)安全性、優(yōu)化其反應(yīng)路線等有著至關(guān)重要的作用。然而由于兩相流動流型的多樣性以及傳熱過程的復(fù)雜性，對它的研究還不深入。兩相流璧面溫度變化的不規(guī)律性導(dǎo)致傳統(tǒng)熱電偶測量的方法不能很好的描述全范圍內(nèi)璧面溫度分布，需要采取其他的溫度測量手段。實驗室測量兩相對流傳熱系數(shù)的設(shè)備還比較少，并且主要針對于常規(guī)尺度的玻璃圓管，相比之下，不銹鋼管圓管的兩相對流傳熱特性對于工業(yè)生產(chǎn)更有意義。目前為止，針對教學實驗用途，以不銹鋼管內(nèi)的兩相對流傳熱為研究對象，操作簡單、精度高、穩(wěn)定性好的兩相對流傳熱系數(shù)設(shè)備還沒有報道。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置。測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置包括高精度微注射泵、壓力表、儲氣罐、第一連接管件、第二連接管件、流量計、易拆卸混相器、恒溫水浴槽、玻璃連接管、第一密封件、絕熱黑腔體、微米級不銹鋼管、進口端50微米K型熱電偶、功率可調(diào)型加熱單元、在線紅外熱檢測儀、數(shù)據(jù)采集單元、抽氣口、出口端50微米K型熱電偶、第二密封件、流型觀察器、第三連接管件、液體儲罐、計算機；微注射泵經(jīng)第一連接管件與易拆卸混相器的第一進口相連，儲氣罐經(jīng)第二連接管件與易拆卸混相器的第二進口相連，易拆卸混相器的出口與玻璃連接管、微米級不銹鋼管、流型觀察器、第三連接管件一端順次相連，第三連接管件另
3一端下方設(shè)有液體儲罐，微米級不銹鋼管外設(shè)有絕熱黑腔體，微米級不銹鋼管上設(shè)有進口端50微米K型熱電偶、出口端50微米K型熱電偶，同時還連接有兩根加熱導(dǎo)線并與功率可調(diào)型加熱單元相連，并在微米級不銹鋼管相對應(yīng)處設(shè)有在線紅外熱檢測儀，微米級不銹鋼管兩端與絕熱黑腔體之間分別設(shè)有第一密封件、第二密封件，儲氣罐上設(shè)有壓力表，第二連接管件上接有流量計，易拆卸混相器外設(shè)有恒溫水浴槽，絕熱黑腔體上設(shè)有抽氣口，進口端 50微米K型熱電偶、出口端50微米K型熱電偶通過數(shù)據(jù)采集單元與計算機相連，在線紅外熱檢測儀與功率可調(diào)型加熱單元與計算機相連。所述的微米級不銹鋼管的管徑為0. lmm-1. 5mm。所述的流型觀察器采用玻璃材料， 四周軸向開有多個0. lmm-1. 5mm的不同內(nèi)徑的圓形通道，流型觀察器中心軸固定在絕熱黑腔體外壁上。本實用新型針對的微管兩相對流傳熱系數(shù)測量的難點，結(jié)合教學需要，采用在線紅外熱檢測儀測量外壁面溫度，非接觸式測量不影響換熱過程，響應(yīng)速度快，安裝方便，可以準確描述外壁面任意微元段的溫度，得到連續(xù)的溫度分布曲線；采用易拆卸混相器可以根據(jù)需要改變混相器的內(nèi)徑從而改變兩相流流型，拆裝方便；采用流型觀察器可以克服不銹鋼管無法判斷管內(nèi)流動狀態(tài)的問題，匹配不同管徑的微米級不銹鋼管，保證不銹鋼管內(nèi)與流型觀察器內(nèi)的流型一致；通過RS232協(xié)議模塊與計算機連接，由計算機控制電源輸出功率大小、時間、方式，實時觀察進出口流體溫度、璧面溫度，可以實現(xiàn)遠程教學。

圖1是測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，高精度微注射泵1、壓力表2、儲氣罐3、第一連接管件4、第二連接管件5、流量計6、易拆卸混相器7、恒溫水浴槽8、玻璃連接管9、第一密封件10、絕熱黑腔體11、微米級不銹鋼管12、進口端50微米K型熱電偶13、功率可調(diào)型加熱單元14、在線紅外熱檢測儀 15、數(shù)據(jù)采集單元16、抽氣口 17、出口端50微米K型熱電偶18、第二密封件19、流型觀察器 20、第三連接管件21、液體儲罐22、計算機23。圖2是測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置的流程框圖。
具體實施方式
如圖1所示，測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置包括高精度微注射泵1、 壓力表2、儲氣罐3、第一連接管件4、第二連接管件5、流量計6、易拆卸混相器7、恒溫水浴槽8、玻璃連接管9、第一密封件10、絕熱黑腔體11、微米級不銹鋼管12、進口端50微米K型熱電偶13、功率可調(diào)型加熱單元14、在線紅外熱檢測儀15、數(shù)據(jù)采集單元16、抽氣口 17、出口端50微米K型熱電偶18、第二密封件19、流型觀察器20、第三連接管件21、液體儲罐22、 計算機23 ；微注射泵1經(jīng)第一連接管件4與易拆卸混相器7的第一進口相連，儲氣罐3經(jīng)第二連接管件5與易拆卸混相器7的第二進口相連，易拆卸混相器7的出口與玻璃連接管 9、微米級不銹鋼管12、流型觀察器20、第三連接管件21 —端順次相連，第三連接管件21另一端下方設(shè)有液體儲罐22，微米級不銹鋼管12外設(shè)有絕熱黑腔體11，微米級不銹鋼管12 上設(shè)有進口端50微米K型熱電偶13、出口端50微米K型熱電偶18，同時還連接有兩根加熱導(dǎo)線并與功率可調(diào)型加熱單元14相連，并在微米級不銹鋼管12相對應(yīng)處設(shè)有在線紅外熱檢測儀15，微米級不銹鋼管12兩端與絕熱黑腔體11之間分別設(shè)有第一密封件10、第二密封件19，儲氣罐3上設(shè)有壓力表2，第二連接管件5上接有流量計6，易拆卸混相器7外設(shè)有恒溫水浴槽8，絕熱黑腔體11上設(shè)有抽氣口 17，進口端50微米K型熱電偶13、出口端 50微米K型熱電偶18通過數(shù)據(jù)采集單元16與計算機23相連，在線紅外熱檢測儀15與功率可調(diào)型加熱單元14與計算機23相連。所述的微米級不銹鋼管12的管徑為0. lmm-1. 5mm。所述的流型觀察器20采用玻璃材料，四周軸向開有多個0. lmm-1. 5mm的不同內(nèi)徑的圓形通道，流型觀察器20中心軸固定在絕熱黑腔體(11)外壁上，轉(zhuǎn)動流型觀察器20匹配不同管徑的微米級不銹鋼管12，便于學生觀察流型變化。所述的功率可調(diào)型加熱單元包括恒流加熱源、RS232協(xié)議模塊和計算機；恒流加熱源與RS232協(xié)議模塊連接，RS232協(xié)議模塊與計算機連接。所述的在線紅外熱檢測儀15 可以檢測微米級不銹鋼管12外壁面軸向連續(xù)溫度分布。所述的易拆卸混相器7可以根據(jù)需要更換尺寸改變兩相流流型。如圖2所示，功率可調(diào)型加熱單元通過RS232協(xié)議模塊與計算機連接，由計算機控制輸出電流大小、時間及輸出方式；兩相流對流傳熱檢測單元輸出信號通過數(shù)據(jù)采集單元處理后輸入計算機。
們采用-
功率，K
測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置，其數(shù)據(jù)處理方法如下 根據(jù)直流電源輸入電流及加熱段不銹鋼微管電阻，可以計算輸入功率，公式為 Q = I2R(1)
其中β為輸入功率，/為輸入電流Η力加熱段不銹鋼微管電阻。 因此，可以得到微管道單位面積的功率為
ρ
名=宗⑵
其中A為微管道單位面積的輸入功率，式為微管道內(nèi)徑，L為微管道加熱段長度。 局部外璧面溫度通過在線紅外熱檢測儀測得，由于局部內(nèi)壁面溫度不易測量，我 -維熱傳導(dǎo)假設(shè)，可以得到局部內(nèi)部面溫度為
iy
T =T'-
Wl'L
i In
'V
\Ri J
K - R- )(3)
其中，Twil.為局部內(nèi)壁面溫度，Zra為局部外壁面溫度，S(為微管道單位體積輸入為微管道材料導(dǎo)熱系數(shù)，K為微管道外徑。
由于兩相流的流動特性，局部璧面溫度隨著時間的變化而變化，一般取15分鐘左右的平均璧面溫度數(shù)據(jù)作為該點的溫度值進行計算。局部流體溫度I1可以通過測量進出口流體溫度后進行線性插值計算得到，同樣取15分鐘左右的平均溫度作為實際溫度。由上述測量得到單位面積的輸入功率、局部內(nèi)璧面溫度和局部流體溫度，根據(jù)對流傳熱系數(shù)的定義，可以計算得到微管道兩相流局部對流傳熱系數(shù)[0029] η_ τ -Ψ(4)。
權(quán)利要求1.一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置，其特征在于包括高精度微注射泵 (1)、壓力表(2)、儲氣罐(3)、第一連接管件(4)、第二連接管件(5)、流量計(6)、易拆卸混相器(7)、恒溫水浴槽(8)、玻璃連接管(9)、第一密封件(10)、絕熱黑腔體(11)、微米級不銹鋼管(12)、進口端50微米K型熱電偶(13)、功率可調(diào)型加熱單元(14)、在線紅外熱檢測儀 (15)、數(shù)據(jù)采集單元(16)、抽氣口(17)、出口端50微米K型熱電偶(18)、第二密封件(19)、 流型觀察器(20)、第三連接管件(21)、液體儲罐(22)、計算機(23)；微注射泵(1)經(jīng)第一連接管件(4)與易拆卸混相器(7)的第一進口相連，儲氣罐(3)經(jīng)第二連接管件(5)與易拆卸混相器(7)的第二進口相連，易拆卸混相器(7)的出口與玻璃連接管(9)、微米級不銹鋼管 (12)、流型觀察器(20)、第三連接管件(21) —端順次相連，第三連接管件(21)另一端下方設(shè)有液體儲罐(22)，微米級不銹鋼管(12)外設(shè)有絕熱黑腔體(11)，微米級不銹鋼管(12)上設(shè)有進口端50微米K型熱電偶(13 )、出口端50微米K型熱電偶(18 )，同時還連接有兩根加熱導(dǎo)線并與功率可調(diào)型加熱單元(14)相連，并在微米級不銹鋼管(12)相對應(yīng)處設(shè)有在線紅外熱檢測儀(15)，微米級不銹鋼管(12)兩端與絕熱黑腔體(11)之間分別設(shè)有第一密封件(10)、第二密封件(19)，儲氣罐(3)上設(shè)有壓力表(2)，第二連接管件(5)上接有流量計 (6)，易拆卸混相器(7)外設(shè)有恒溫水浴槽(8)，絕熱黑腔體(11)上設(shè)有抽氣口(17)，進口端 50微米K型熱電偶(13)、出口端50微米K型熱電偶(18)通過數(shù)據(jù)采集單元(16)與計算機 (23)相連，在線紅外熱檢測儀(15)與功率可調(diào)型加熱單元(14)與計算機(23)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置，其特征在于所述的微米級不銹鋼管(12)的管徑為0. lmm-1. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置，其特征在于所述的流型觀察器(20)采用玻璃材料，四周軸向開有多個0. lmm-1. 5mm的不同內(nèi)徑的圓形通道，流型觀察器(20 )中心軸固定在絕熱黑腔體(11)外壁上。
專利摘要本實用新型公開了一種測量微管兩相對流傳熱系數(shù)的教學實驗裝置。微注射泵經(jīng)連接管件與易拆卸混相器的進口相連，儲氣罐經(jīng)連接管件與易拆卸混相器的另一進口相連，易拆卸混相器的出口與玻璃連接管、微米級不銹鋼管、流型觀察器、連接管件一端順次相連。微米級不銹鋼管外設(shè)有絕熱黑腔體，不銹鋼管進口端和出口端設(shè)有熱電偶，同時還連接有加熱導(dǎo)線并與功率可調(diào)型加熱單元相連，并在不銹鋼管相對應(yīng)處設(shè)有在線紅外熱檢測儀。熱電偶通過數(shù)據(jù)采集單元與計算機相連，在線紅外熱檢測儀與功率可調(diào)型加熱單元與計算機相連。本實用新型設(shè)備針對教學實驗用途，以不銹鋼管內(nèi)的兩相對流傳熱為研究對象，操作簡單、精度高、穩(wěn)定性好，可以實現(xiàn)遠程教學。
文檔編號G09B23/16GK202171887SQ20112026421
公開日2012年3月21日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者何潮洪, 吳可君, 周俊超, 沈劍, 王磊, 車圓圓, 黃志堯 申請人:浙江大學