一种低压下管内流动沸腾换热实验系统技术方案

本发明专利技术涉及流动沸腾换热实验技术领域，具体公开了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，包括氮气瓶、液氮储罐、流量计、过冷箱、高真空实验腔、主流路汽化加热器、稳压罐、主流路真空泵、分子泵、数据采集系统、阀门系统及其连接的管路；氮气瓶输入氮气对实验系统进行清洗检漏；液氮储罐通过管路和阀门系统向实验系统提供液氮，液氮经过流量计后进入过冷箱中的过冷换热器中被冷却至过冷状态，过冷液氮进入高真空实验腔中的实验段中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入主流路汽化加热器中完全汽化，最后汽化产生的氮气经过稳压罐被主流路真空泵抽出后排入大气。本发明专利技术可实现实验段入口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。

【技术实现步骤摘要】
一种低压下管内流动沸腾换热实验系统


[0001]本专利技术涉及流动沸腾换热实验
，更具体地，涉及一种低压下管内流动沸腾换热实验系统。

技术介绍

[0002]目前超导技术的迅速发展，常见的液氮温区高温超导材料已经在超导电缆、超导磁体、超导电机等设备中得到广泛应用。超导体必须在临界温度以下才具有超导特性，因此超导设备中必须有冷却系统带走由于交流损耗和系统漏热带来的热负荷。
[0003]N2化学性质稳定，在空气中的占比大，其制取成本较其他的低温换热工质低，常压下沸点约为77K，因此是高温超导设备冷却系统的理想换热工质。在实际应用中，液氮在吸收热量后可能进入沸腾状态，且流动沸腾换热本身具有更高的换热系数，有利于提高超导设备冷却系统的功重比。根据减压制冷原理，可以进一步降低压力可以获取更低的制冷温度，从而提高超导设备的性能。
[0004]国内外学者对液氮的沸腾换热机理已经开展了广泛的研究，在流动沸腾的主导机理、两相流动流态等议题上有了丰富的结论。相关研究结果表明，饱和压力对流动沸腾换热存在实质影响，但对其影响机理解释目前尚无定论。目前，入口压力在101kPa以上的液氮流动沸腾换热实验平台已存在设计方案和实物，积累了一定的实验数据，但是能够实现入口压力在101kPa以下工况的流动沸腾换热实验平台尚未出现，因此也缺乏低压下的流动沸腾换热数据。
[0005]基于以上技术背景，为开展液氮在负压下流动沸腾换热的实验研究，解决尚无可实现入口压力在101kPa以下工况的实验平台问题，本专利技术提出了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，可以实现实验段入口压力在101kPa以下工况的沸腾换热实验。
[0007]作为本专利技术的第一个方面，提供一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，包括氮气瓶、液氮储罐、流量计、过冷箱、高真空实验腔、主流路汽化加热器、稳压罐、主流路真空泵、分子泵、数据采集系统、阀门系统及其连接的管路；
[0008]所述过冷箱包括过冷换热器、过冷箱汽化加热器和过冷箱真空泵，所述过冷箱真空泵连接所述过冷箱汽化加热器的一端，所述过冷箱汽化加热器的另一端伸入所述过冷箱的箱体内部；
[0009]所述高真空实验腔包括实验段和实验段加热电源，所述实验段加热电源连接在所述实验段的两端；
[0010]所述氮气瓶通过管路和阀门系统向所述过冷箱、高真空实验腔、主流路汽化加热器、稳压罐以及主流路真空泵输入高压氮气，在低温实验前用于对所述实验系统进行清洗
检漏，并排出所述实验系统内的空气；
[0011]所述液氮储罐通过所述管路和阀门系统向所述实验系统提供实验工质液氮，所述实验工质液氮经过所述流量计计量流量后进入所述过冷箱中的所述过冷换热器中，在所述过冷换热器中被冷却至过冷状态，之后过冷液氮进入所述高真空实验腔中的实验段中，在所述实验段中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入所述主流路汽化加热器中完全汽化并被加热到所述主流路真空泵的许用最低温度，最后产生的氮气通过所述稳压罐被所述主流路真空泵抽出后排入大气；
[0012]其中，所述分子泵通过所述管路和阀门系统为所述过冷箱的真空绝热夹层和所述高真空实验腔提供高真空环境；
[0013]其中，所述数据采集系统采集所述流量计、过冷箱、实验段以及实验段加热电源产生的数据信号。
[0014]进一步地，所述阀门系统包括氮气截止阀、液氮截止阀、过冷箱充液阀、流量计前截止阀、流量计后截止阀、流量调节阀、背压调节球阀、主流路真空泵前球阀、主流路真空泵旁路球阀、过冷箱真空泵旁路球阀、过冷箱真空泵前球阀、过冷箱绝热夹层抽气阀、高真空实验腔抽气阀以及高真空实验腔放气阀；
[0015]所述氮气截止阀、所述过冷箱充液阀、所述液氮截止阀和所述流量计前截止阀之间通过管路形成的四通连接，所述氮气瓶连接所述氮气截止阀的另一端，所述液氮储罐连接所述液氮截止阀的另一端，所述过冷箱充液阀的另一端连接至所述过冷箱的箱体内部，所述流量计前截止阀的另一端依次通过所述流量计和所述流量计后截止阀连接所述过冷换热器的输入端，所述过冷换热器的输出端通过所述流量调节阀连接所述实验段的一端，所述实验段的另一端通依次通过所述主流路汽化加热器、背压调节球阀、主流路真空泵前球阀连接所述稳压罐的输入端，所述稳压罐的输出端与所述主流路真空泵连接，所述背压调节球阀、主流路真空泵前球阀和所述主流路真空泵旁路球阀之间通过管路形成的三通连接，所述主流路真空泵旁路球阀的另一端接入大气；
[0016]所述过冷箱汽化加热器的一端、所述过冷箱真空泵旁路球阀的一端和过冷箱真空泵前球阀的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱真空泵旁路球阀的另一端接入大气，所述过冷箱真空泵前球阀的另一端连接所述过冷箱真空泵；
[0017]所述分子泵、所述过冷箱绝热夹层抽气阀的一端和所述高真空实验腔抽气阀的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱绝热夹层抽气阀的另一端连接至所述过冷箱的真空绝热夹层，所述高真空实验腔抽气阀的另一端连接至所述高真空实验腔的内部，所述高真空实验腔放气阀连接在所述高真空实验腔抽气阀和所述高真空实验腔之间的管路上。
[0018]进一步地，所述过冷箱采用减压制冷原理，所述过冷箱的制冷功率Q的计算公式如下：
[0019][0020]其中，Q0为所述过冷箱由于辐射、构件导热、真空绝热夹层残余气体传热产生的漏热量，G为所述实验段的质量通量，d为所述实验段的管内径，c
p0
为所述过冷换热器内液氮在工作状态下的定压比热，T1为所述过冷换热器进口液氮温度，T2为所述过冷换热器出口液氮温度，T2需小于液氮在实验段进口压力下的饱和温度；
[0021]所述过冷箱的设计容积为V
g
，V
g
的计算公式如下：
[0022][0023]其中，t为过冷箱设计运行时间，r
sat
为所述过冷箱内液氮在工作状态下的汽化潜热，ρ
sat
所述过冷箱内液氮在工作状态下的密度。
[0024]进一步地，所述主流路汽化加热器的加热功率Q
zh
的计算公式为：
[0025][0026]其中，G为所述实验段的质量通量，d为所述实验段的管内径，r为所述实验段液氮在工作状态下的汽化潜热，c
p
为所述主流路汽化加热器内氮气在工作状态下的平均定压比热，T
zv
为所述主流路真空泵许用最低温度，T
o
为所述实验段的出口温度。
[0027]进一步地，所述主流路真空泵在所述实验段出口压力下的抽速应不小于主流路真空泵设计抽速S1，所述主流路真空泵设计抽速S1的计算公式如下：
[0028][0029]其中，G为所述实验段的质量通量，d为所述实验段的管内径，ρ为所述主流路汽化加热器出口氮气的密度。
[0030]进一步地，所述过冷箱汽化加热器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，包括氮气瓶(1)、液氮储罐(2)、流量计(3)、过冷箱(4)、高真空实验腔(5)、主流路汽化加热器(6)、稳压罐(7)、主流路真空泵(8)、分子泵(9)、数据采集系统(10)、阀门系统及其连接的管路；所述过冷箱(4)包括过冷换热器(41)、过冷箱汽化加热器(42)和过冷箱真空泵(43)，所述过冷箱真空泵(43)连接所述过冷箱汽化加热器(42)的一端，所述过冷箱汽化加热器(42)的另一端伸入所述过冷箱(4)的箱体内部；所述高真空实验腔(5)包括实验段(51)和实验段加热电源(52)，所述实验段加热电源(52)连接在所述实验段(51)的两端；所述氮气瓶(1)通过管路和阀门系统向所述过冷箱(4)、高真空实验腔(5)、主流路汽化加热器(6)、稳压罐(7)以及主流路真空泵(8)输入高压氮气，在低温实验前用于对所述实验系统进行清洗检漏，并排出所述实验系统内的空气；所述液氮储罐(2)通过所述管路和阀门系统向所述实验系统提供实验工质液氮，所述实验工质液氮经过所述流量计(3)计量流量后进入所述过冷箱(4)中的所述过冷换热器(41)中，在所述过冷换热器(41)中被冷却至过冷状态，之后过冷液氮进入所述高真空实验腔(5)中的实验段(51)中，在所述实验段(51)中进行沸腾换热，沸腾后产生的气液混合物进入所述主流路汽化加热器(6)中完全汽化并被加热到所述主流路真空泵(8)的许用最低温度，最后产生的氮气通过所述稳压罐(7)被所述主流路真空泵(8)抽出后排入大气；其中，所述分子泵(9)通过所述管路和阀门系统为所述过冷箱(4)的真空绝热夹层和所述高真空实验腔(5)提供高真空环境；其中，所述数据采集系统(10)采集所述流量计(3)、过冷箱(4)、实验段(51)以及实验段加热电源(52)产生的数据信号。2.根据权利要求1所述的一种低压下管内流动沸腾换热实验系统，其特征在于，所述阀门系统包括氮气截止阀(v1)、液氮截止阀(v2)、过冷箱充液阀(v3)、流量计前截止阀(v4)、流量计后截止阀(v5)、流量调节阀(v6)、背压调节球阀(v7)、主流路真空泵前球阀(v8)、主流路真空泵旁路球阀(v9)、过冷箱真空泵旁路球阀(v10)、过冷箱真空泵前球阀(v11)、过冷箱绝热夹层抽气阀(v12)、高真空实验腔抽气阀(v13)以及高真空实验腔放气阀(v14)；所述氮气截止阀(v1)、所述过冷箱充液阀(v3)、所述液氮截止阀(v2)和所述流量计前截止阀(v4)之间通过管路形成的四通连接，所述氮气瓶(1)连接所述氮气截止阀(v1)的另一端，所述液氮储罐(2)连接所述液氮截止阀(v2)的另一端，所述过冷箱充液阀(v3)的另一端连接至所述过冷箱(4)的箱体内部，所述流量计前截止阀(v4)的另一端依次通过所述流量计(3)和所述流量计后截止阀(v5)连接所述过冷换热器(41)的输入端，所述过冷换热器(41)的输出端通过所述流量调节阀(v6)连接所述实验段(51)的一端，所述实验段(51)的另一端通依次通过所述主流路汽化加热器(6)、背压调节球阀(v7)、主流路真空泵前球阀(v8)连接所述稳压罐(7)的输入端，所述稳压罐(7)的输出端与所述主流路真空泵(8)连接，所述背压调节球阀(v7)、主流路真空泵前球阀(v8)和所述主流路真空泵旁路球阀(v9)之间通过管路形成的三通连接，所述主流路真空泵旁路球阀(v9)的另一端接入大气；所述过冷箱汽化加热器(42)的一端、所述过冷箱真空泵旁路球阀(v10)的一端和过冷箱真空泵前球阀(v11)的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱真空泵旁路球阀(v10)的另一端接入大气，所述过冷箱真空泵前球阀(v11)的另一端连接所述过冷箱真空泵(43)；
所述分子泵(9)、所述过冷箱绝热夹层抽气阀(v12)的一端和所述高真空实验腔抽气阀(v13)的一端通过管路形成的三通连接，所述过冷箱绝热夹层抽气阀(v12)的另一端连接至所述过冷箱(4)的真空绝热夹层，所述高真空实验腔抽气阀(v13)的另一端连接至所述高真...

【专利技术属性】
技术研发人员：李育隆，高远，王作侠，容诚钧，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
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