深低温交变流动传热性能测试平台及方法技术

本发明专利技术公开了一种深低温交变流动传热性能测试平台及方法，涉及低温工程领域。该测试平台包括驱动单元、控温单元、测试单元和调相单元。本发明专利技术提供通过温度传感器、压力传感器、动压传感器，可以在接近实际运行工况的条件下，分别实时测量待测器件内的温度及压力信号，获知不同参数下待测器件的基础换热数据，进而用于有效指导待测器件的设计和优化。

【技术实现步骤摘要】
深低温交变流动传热性能测试平台及方法
本专利技术涉及低温工程领域，特别涉及一种深低温交变流动传热性能测试平台及方法。
技术介绍
空间技术以及超导器件的快速发展大大增加了人们对低温制冷机的需求。传统的斯特林制冷机、G-M制冷机已经分别在空间红外成像和地面低温真空泵系统中得到广泛应用。热声制冷机因其具有环境友好的特质成为学者所致力的研究方向。近些年来，为了提高制冷机的运行寿命和可靠性，冷端无运动部件的脉管制冷机也越来越受到人们的关注。上述制冷机被统称为回热式制冷机。在回热式制冷机中，工质进行的皆为交变流动，设备中回热器、换热器等各关键部件的性能好坏将对设备的能量转换效率带来直接影响。特别是深低温环境下构件的紧凑、高效、可靠是研发人员努力追求的目标，如部件设计不合理，将造成制冷机冷量过度损失。各部件性能测试是整机设计的基础，也是提升整机能量转换效果的一个关键性问题。目前，工作在交变流动场中部件的设计过程多是参考室温条件下单一定常流的理论或实验关联式拓展所得。而Paek等在文献[1]中建立了热声制冷机冷端微型换热器传热性能实验台，将实验结果与安装于制冷机中的实际换热量进行对比，最高存在36％的偏差，表明交变流动的动力学特性和传热特性均显著区别于单向定常流动，利用单向定常流的理论或经验结果不能有效表征交变流动条件下的情况。此外，将定室温条件下的研究成果向深低温区扩展的设计思路，其所得结果与实际情况也有较大偏离，例如回热器等器件内部沿流动方向存在有梯度的温度场，并非处于均衡的室温环境中；而冷端换热器等待测器件实际处于深低温环境中，固体及气体工质的热物性变化剧烈。Nsofor等在文献[2]中对热声制冷机整机中换热器内交变流动传热特性进行实验研究，但由于制冷能力限制，该装置仅适于室温及普冷温区下的换热器。相关针对上述温区交变流动实验研究装置的报道很多，然而深低温下的研究系统还甚少。因此，需要建立低温测试平台，解决回热式制冷机部件设计中存在的上述技术障碍，在接近实际运行工况的条件下，测试待测器件内部交变流动的传热特性，获取可靠的设计和评价准则，从而进一步提高制冷机的制冷性能。参考文献[1]PaekI.,BraunJ.E.,MongeauL.,2005.Characterizingheattransfercoefficientsforheatexchangersinstandingwavethermoacousticcoolers.JournalofAcousticalSocietyofAmerica,118(4):2271-2280.[2]NsoforE.C.,CelikS.,WangX.D.,2007.Experimentalstudyontheheattransferattheheatexchangerofthethermoacousticrefrigeratingsystem.AppliedThermalEngineering,27(14-15):2435-2442.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种深低温交变流动传热性能测试平台，它能够模拟回热式制冷机中待测器件的实际运行条件，灵活控制待测器件进出口温度及管路中工作介质的流速，通过实验测量，获得深低温区交变流动传热特性的基础数据。实现本专利技术目的的技术解决方案：一种深低温交变流动传热性能测试平台，它包括：驱动单元、控温单元、测试单元和调相单元；所述驱动单元包括顺次相连的压力波发生器、水冷换热器、三通及调节阀，用于提供为待测器件提供交变压力环境；所述控温单元包括真空罩、一级冷源、二级冷源、一级回热器、一级冷却器、二级回热器、二级冷却器、加热棒和冷头温度传感器；真空罩的盖板上设置电连接器和抽空阀，内部设有冷屏，除所述驱动单元与调相单元位于真空罩外部，其余特征均位于冷屏内；所述一级回热器一端通过管道与驱动单元的调节阀相连，另一端依次连接一级冷却器、二级回热器及二级冷却器一端；一级冷却器低温流体侧管道与冷屏的冷却盘管均与一级冷源相连；二级冷却器通过导冷结构与二级冷源冷端换热器相连；加热棒和冷头温度传感器装设于二级冷源冷端换热器表面；所述测试单元包括待测器件、电加热丝、入口温度传感器、壁面温度传感器、出口温度传感器、入口压力传感器、出口压力传感器和热缓冲管；所述待测器件一端连接在二级冷却器的另一端；电加热丝布设在待测器件表面；入口温度传感器和入口压力传感器设置在待测器件入口处的测量点上，、出口温度传感器和出口压力传感器设置在待测器件出口处的测量点上，壁面温度传感器设置在待测器件外壁面上的测量点上；热缓冲管连接在待测器件另一端与调相单元管道之间；所述调相单元包括针阀、气库、气库动压传感器和气库温度传感器；针阀和气库通过管道依次连接在热缓冲管之后；气库动压传感器和气库温度传感器布设于针阀与气库间的管段内。作为优选，冷屏贴壁装设冷却盘管，冷却盘管和一级冷却器均使用一级冷源进行冷却，一级冷源为低温液体。作为优选，二级冷源为低温制冷机。作为优选，待测器件为回热式制冷机的内部构件，包括换热器、回热器、脉管。作为优选，待测器件通过法兰盘与两侧管路相连；待测器件法兰盘内表面带有凹槽，待测器件安装面的相应位置带有与凹槽匹配的凸台；待测器件与法兰盘之间采用金属密封。进一步的，气体工质通路各连接处中，法兰盘与两侧管路采用密封接头螺纹连接，气库动压传感器采用螺纹密封，气库温度传感器采用电连接器密封，其余部件通过焊接固定。作为优选，真空罩盖板上的开口中，二级冷源安装口与设备之间通过法兰固定，其余盖板开口与部件之间采用焊接固定。作为优选，所述的二级冷却器采用盘管形式，盘绕于二级冷源冷端换热器的换热表面。作为优选，所述三通的三个通道分别与水冷换热器、充气管路和调节阀相连。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述测试平台的深低温交变流动传热性能测试方法，其步骤如下：测试时，首先将所述驱动单元、控温单元、测试单元和调相单元通过管道依次连接，安装到位；通过调节阀进行换气、充放气及平均工作压力设定，将真空泵连接真空罩盖板上的抽空阀，对真空罩及冷屏内部空间进行抽空；抽空完成后，通过一级冷源向冷屏的冷却盘管以及一级冷却器内部内充低温液体；待液流稳定后，开启压力波发生器、水冷换热器及二级冷源，调节压力波发生器的输出功率、输出频率，以及针阀的开度，以调节交变流动平均压力、压比和速度振幅，并设定自动控制回路的目标温度，对待测器件交变流动所处的温区进行控温；当待测器件达到设定温度条件时，打开电加热丝的加热源，以冷头温度传感器采集的数据为被控对象，利用自动控制回路监测并反馈控制二级冷源冷端换热器温度；当待测器件的壁面温度与进出口温度达到稳定标准后，采集入口温度传感器、出口温度传感器、壁面温度传感器、气库温度传感器的温度数据，及入口压力传感器、出口压力传感器、气库动压传感器的压力数据，用于通过数据处理研究待测器件内部交变流动换热性能。本专利技术提供的深低温区下交变流动传热特性测试装置，通过上述温度传感器、压力传感器、动压传感器可以分别实时测量待测器件内的温度及压力信号，获知不同参数下待测器件的基础换热数据，进而有效指导待测器件的设计和优化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深低温交变流动传热性能测试平台，其特征在于：包括：驱动单元、控温单元、测试单元和调相单元；所述驱动单元包括顺次相连的压力波发生器(1)、水冷换热器(2)、三通(3)及调节阀(4)，用于提供为待测器件(10)提供交变压力环境；所述控温单元包括真空罩(25)、一级冷源(23)、二级冷源(22)、一级回热器(26)、一级冷却器(27)、二级回热器(28)、二级冷却器(5)、加热棒(6)和冷头温度传感器(9)；真空罩(25)的盖板上设置电连接器(20)和抽空阀(21)，内部设有冷屏(24)，除所述驱动单元与调相单元位于真空罩(25)外部，其余特征均位于冷屏(24)内；所述一级回热器(26)一端通过管道与驱动单元的调节阀(4)相连，另一端依次连接一级冷却器(27)、二级回热器(28)及二级冷却器(5)一端；一级冷却器(27)低温流体侧管道与冷屏(24)的冷却盘管均与一级冷源(23)相连；二级冷却器(5)通过导冷结构与二级冷源(22)冷端换热器相连；加热棒(6)和冷头温度传感器(9)装设于二级冷源(22)冷端换热器表面；所述测试单元包括待测器件(10)、电加热丝(12)、入口温度传感器(8)、壁面温度传感器(11)、出口温度传感器(13)、入口压力传感器(7)、出口压力传感器(14)和热缓冲管(15)；所述待测器件(10)一端连接在二级冷却器(5)的另一端；电加热丝(12)布设在待测器件(10)表面；入口温度传感器(8)和入口压力传感器(7)设置在待测器件(10)入口处的测量点上，、出口温度传感器(13)和出口压力传感器(14)设置在待测器件(10)出口处的测量点上，壁面温度传感器(11)设置在待测器件(10)外壁面上的测量点上；热缓冲管(15)连接在待测器件(10)另一端与调相单元管道之间；所述调相单元包括针阀(16)、气库(18)、气库动压传感器(17)和气库温度传感器(19)；针阀(16)和气库(18)通过管道依次连接在热缓冲管(15)之后；气库动压传感器(17)和气库温度传感器(19)布设于针阀(16)与气库(18)间的管段内。...

【技术特征摘要】
1.一种深低温交变流动传热性能测试平台，其特征在于：包括：驱动单元、控温单元、测试单元和调相单元；所述驱动单元包括顺次相连的压力波发生器(1)、水冷换热器(2)、三通(3)及调节阀(4)，用于提供为待测器件(10)提供交变压力环境；所述控温单元包括真空罩(25)、一级冷源(23)、二级冷源(22)、一级回热器(26)、一级冷却器(27)、二级回热器(28)、二级冷却器(5)、加热棒(6)和冷头温度传感器(9)；真空罩(25)的盖板上设置电连接器(20)和抽空阀(21)，内部设有冷屏(24)，除所述驱动单元与调相单元位于真空罩(25)外部，其余特征均位于冷屏(24)内；所述一级回热器(26)一端通过管道与驱动单元的调节阀(4)相连，另一端依次连接一级冷却器(27)、二级回热器(28)及二级冷却器(5)一端；一级冷却器(27)低温流体侧管道与冷屏(24)的冷却盘管均与一级冷源(23)相连；二级冷却器(5)通过导冷结构与二级冷源(22)冷端换热器相连；加热棒(6)和冷头温度传感器(9)装设于二级冷源(22)冷端换热器表面；所述测试单元包括待测器件(10)、电加热丝(12)、入口温度传感器(8)、壁面温度传感器(11)、出口温度传感器(13)、入口压力传感器(7)、出口压力传感器(14)和热缓冲管(15)；所述待测器件(10)一端连接在二级冷却器(5)的另一端；电加热丝(12)布设在待测器件(10)表面；入口温度传感器(8)和入口压力传感器(7)设置在待测器件(10)入口处的测量点上，、出口温度传感器(13)和出口压力传感器(14)设置在待测器件(10)出口处的测量点上，壁面温度传感器(11)设置在待测器件(10)外壁面上的测量点上；热缓冲管(15)连接在待测器件(10)另一端与调相单元管道之间；所述调相单元包括针阀(16)、气库(18)、气库动压传感器(17)和气库温度传感器(19)；针阀(16)和气库(18)通过管道依次连接在热缓冲管(15)之后；气库动压传感器(17)和气库温度传感器(19)布设于针阀(16)与气库(18)间的管段内。2.根据权利要求1所述的深低温交变流动传热性能测试平台，其特征在于：冷屏(24)贴壁装设冷却盘管，冷却盘管和一级冷却器(27)均使用一级冷源(23)进行冷却，一级冷源(23)为低温液体。3.根据权利要求1所述的深低温交变流动传热性能测试平台，其特征在于：二级冷源(22)为低温制冷机。4.根据权利要求1所述的深低温交变流动传热性能测试平台，其特征在于：待测器件(10)为回热式制冷机...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄迦乐，金滔，魏健健，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33