可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法技术方案

本发明专利技术涉及一种可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法，系统包括被测材料、边界层、与边界层连接形成流体工质循环回路的加热水箱、分别设在边界层和加热水箱内的加热件、分别通过双向开关与两个加热件连接的可调电源；边界层内均匀布置有温度变送器，用于监测边界层内流体工质的温度；流体工质循环回路上设有位于边界层进出口处的阀门；还包括控制系统，用于以各温度变送器测量结果的平均值作为被控量调节可调电源的大小从而控制加热件的发热量，并结合对阀门的控制，实现三类热边界条件的模拟和切换；以及温度场监测系统，用于对被测材料中的温度场变化进行可视化实时监测。极大地提高实验操作的稳定性、灵活性和系统性。统性。统性。

【技术实现步骤摘要】
可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法


[0001]本专利技术涉及热工测量实验
，尤其是一种可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法。

技术介绍

[0002]传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学。传热学的研究方法主要有实验测定、理论分析和数值模拟，其中实验测定在实验仪器上存在很大的限制，且传热实验在可控和实验现象可视化方面往往不能达到数值模拟的效果，理论分析方法又难以得到传热方程的解析解，而数值模拟方法不能严格保证结果的准确性，所以一种结构简单、结果可靠的传热实验装置具有很大的需求市场。
[0003]现有传热实验装置在考虑美观和集成性的同时，也增加了实验系统的复杂性和紧凑度，不利于对实验原理和试验台结构的认识。此外，自来水通常被作为传热实验的冷却介质，然后作为实验废水排掉，与现有节能减排的实验理念相矛盾。更重要的是，由于传热学中存在三种完全不同的边界条件，分别为恒温边界、恒热流边界和对流传热边界。现有传热实验装置，尤其是实验室用精密仪器，通常只能满足一种边界条件，更甚者只能满足一个试验工况的需求。以此不仅很大程度上复杂化实验室的布置，对操作者也提出了更高的要求，此种单一功能的实验装置几乎不能完成不同边界条件下被测材料温度场的对比变化实验，减弱了试验台的可扩展性和协同工作能力。
[0004]大多数传统实验装置，使用手动调节方式构建系统稳态，然后对稳定状态下的单点实验数据进行分析，从而弱化了实验装置的工程代表性。工程应用中，目标物体的温度场往往随着时间的变化而变，或者是一种周期性的非稳态传热过程，对目标物体加热过程中温度场变化过程的直观认识可以深化对传热问题的认识。所以总的来说，传统传热实验装置面临的主要技术问题如下：
[0005]结构复杂且不能满足多边界条件之间的灵活切换；
[0006]能源消耗量较大，不符合节能减排的实验准则；
[0007]手动调节稳态的速度较慢，时间长；
[0008]可视化程度较低，单点温度分析限制了对材料热力学性质的认识。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法，目的是实现多边界条件之间的灵活转换。
[0010]本专利技术采用的技术方案如下：
[0011]本专利技术一方面提供一种可实现多边界条件的传热实验系统，包括被测材料、设在所述被测材料外部的保温层、设在被测材料中的边界层、与所述边界层连接形成流体工质循环回路的加热水箱、分别设在边界层和加热水箱内的加热件、分别通过双向开关与两个加热件连接的可调电源；
[0012]所述边界层内均匀布置有温度变送器，用于监测边界层内流体工质的温度；
[0013]所述流体工质循环回路上设有工质泵、以及设在边界层进出口处的阀门；
[0014]还包括控制系统，用于以各温度变送器测量结果的平均值作为被控量调节所述可调电源的大小从而控制所述加热件的发热量，并结合对所述阀门的控制，实现三类热边界条件的模拟和切换；
[0015]以及温度场监测系统，用于对被测材料中的温度场变化进行可视化实时监测。
[0016]进一步技术方案为：
[0017]还包括高位水箱，所述高位水箱的安装位置高于实验系统中所有部件，高位水箱出口分别与所述加热水箱和所述上阀门连接。
[0018]所述双向开关通过两个连通位点分别与边界层及加热水箱内的加热件电连接。
[0019]所述流体工质循环回路上靠近边界层的位置处设有安全阀。
[0020]所述保温层内设有辅助加热件，所述控制系统还对所述辅助加热件的发热量进行控制。
[0021]所述边界层为贯穿所述被测材料的矩形通道。
[0022]流体工质为水或导热油。
[0023]温度场监测系统包括设置在被测材料中的热电偶、对热电偶的测量值进行采集和计算的上位机。
[0024]本专利技术另一方面提供一种利用所述的可实现多边界条件的传热实验系统的实验方法，控制所述加热件的发热量及所述阀门的启闭，实现三类热边界条件的模拟及相互之间的切换，包括：
[0025]控制流体工质充满所述流体工质循环回路；
[0026]模拟第一类热边界条件：
[0027]关闭边界层进出口处的阀门，控制可调电源与边界层内的加热件接通，调控所述可调电源的功率以稳定温度变送器的温度示数，实现恒温边界条件即第一类热边界条件；
[0028]模拟第二类热边界条件：
[0029]保持边界层进出口处的阀门关闭以及控制可调电源与边界层内的加热件接通，维持所述可调电源的功率不变，实现恒热流边界条件即第二类热边界条件；
[0030]模拟第三类热边界条件：
[0031]开启边界层进出口处的阀门，控制可调电源与加热水箱内的加热件接通，调控所述可调电源功率以稳定所述温度变送器示数，同时启动工质泵，保证流体工质循环回路内工质具有一定流速，实现对流传热边界条件即第三类热边界条件。
[0032]本专利技术的有益效果如下：
[0033]本专利技术充分利用流体工质的流动性和不可压缩性，实现传热实验系统在恒定温度、恒定热流和对流传热三类边界条件之间的灵活切换，极大地提高实验操作的稳定性、灵活性和系统性，有利于开展系统性教学演示和实验分析。
[0034]本专利技术控制系统通过实现快速边界条件的切换和调控操作，提高了实验条件的稳定性，同时缩短实验时间，提高了演示和操作效率。
[0035]本专利技术的温度场监测系统实现了不同传热条件下被测材料的温度场变化的可视化。
[0036]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。
附图说明
[0037]图1为本专利技术实施例的传热实验系统结构示意图。
[0038]图2为本专利技术实施例的边界层的结构图。
[0039]图3为本专利技术实施例的热电偶布置图。
[0040]图中：1、双向开关；2、可调电源；3、加热水箱；4、第一电加热丝；5、温度变送器；6、高位水箱；7、安全阀；8、上阀门；9、边界层；10、第二电加热丝；11、上位机；12、被测材料；13、保温层；14、辅助加热丝；15、下阀门；16、工质泵；17、工质管道；18、热电偶。
具体实施方式
[0041]以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。
[0042]本申请提供一种可实现多边界条件的传热实验系统，包括被测材料、设在所述被测材料外部的保温层、设在被测材料中的边界层、与所述边界层相连成流体工质循环回路的加热水箱、分别设在边界层和加热水箱内的加热件、分别通过双向开关与两个加热件连接的可调电源；
[0043]所述边界层内均匀布置有温度变送器，用于监测边界层内流体工质的温度；
[0044]所述流体工质循环回路上设有工质泵、以及设在边界层进出口处的阀门；
[0045]还包括控制系统，用于以各温度变送器测量结果的平均值作为被控量调节所述可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现多边界条件的传热实验系统，其特征在于，包括被测材料、设在所述被测材料外部的保温层、设在被测材料中的边界层、与所述边界层连接形成流体工质循环回路的加热水箱、分别设在边界层和加热水箱内的加热件、分别通过双向开关与两个加热件连接的可调电源；所述边界层内均匀布置有温度变送器，用于监测边界层内流体工质的温度；所述流体工质循环回路上设有工质泵、以及设在边界层进出口处的阀门；还包括控制系统，用于以各温度变送器测量结果的平均值作为被控量调节所述可调电源的大小从而控制所述加热件的发热量，并结合对所述阀门的控制，实现三类热边界条件的模拟和切换；以及温度场监测系统，用于对被测材料中的温度场变化进行可视化实时监测。2.根据权利要求1所述的可实现多边界条件的传热实验系统，其特征在于，还包括高位水箱，所述高位水箱的安装位置高于实验系统中所有部件，高位水箱出口分别与所述加热水箱和所述上阀门连接。3.根据权利要求1所述的可实现多边界条件的传热实验系统，其特征在于，所述双向开关通过两个连通位点分别与边界层及加热水箱内的加热件电连接。4.根据权利要求1所述的可实现多边界条件的传热实验系统，其特征在于，所述流体工质循环回路上靠近边界层的位置处设有安全阀。5.根据权利要求1所述的可实现多边界条件的传热实验系统，其特征在于，所述保温层内设有辅助加热件，所述控制系统还对...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔宗良，樊成成，张程宾，梁财，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：