可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及热工测量实验技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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：

结构复杂且不能满足多边界条件之间的灵活切换；

能源消耗量较大，不符合节能减排的实验准则；

手动调节稳态的速度较慢，时间长；

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。

本发明采用的技术方案如下：

本发明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；

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。

进一步技术方案为：

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。

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。

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。

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。

所述边界层为贯穿所述被测材料的矩形通道。

流体工质为水或导热油。

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。

本发明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：

控制流体工质充满所述流体工质循环回路；

模拟第一类热边界条件：

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；

模拟第二类热边界条件：

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；

模拟第三类热边界条件：

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。

本发明的有益效果如下：

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明实施例的传热实验系统结构示意图。

图2为本发明实施例的边界层的结构图。

图3为本发明实施例的热电偶布置图。

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

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

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；

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。

本申请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热边界条件之间的灵活切换。

本申请的实验系统结构简单、设计合理，方便教学演示帮助理解固体材料在不同边界条件下的传热特性，从而加深对传热过程系统性理解。

本申请还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：

控制流体工质充满所述流体工质循环回路；

模拟第一类热边界条件：

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；

模拟第二类热边界条件：

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；

模拟第三类热边界条件：

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。

以下以具体实施例进一步说明本申请的技术方案。

参见图1，为本实施例的可实现多边界条件的传热实验系统示意图。

实验系统包括：

主体部分：包括双向开关1、可调电源2、加热水箱3、第一电加热丝4、温度变送器5、上阀门8、边界层9、第二电加热丝10、被测材料12、保温层13、下阀门15、工质管道17、工质泵16；

如图2所示，边界层9与被测材料12耦合设计，被测材料12为矩形结构，边界层9为设置在被测材料12边缘沿矩形结构高度方向贯穿被测材料12的标准矩形孔通道。

加热水箱3、上阀门8、边界层9、下阀门15、工质泵16依次通过工质管道17连接成流体工质循环回路。

可调电源2与双向开关1连接，双向开关1通过位点I与第二电加热丝10连接、通过位点II与第一电加热丝4连接。

温度变送器5均匀设置在边界层9中，用于检测边界层9中工质的温度。

控制系统：用于以各温度变送器5测量结果的平均值作为被控量，通过控制器调节所述可调电源2的大小，从而控制第一电加热丝4、第二电加热丝10的加热量，并结合对上阀门8、下阀门15的控制，实现三类热边界条件的模拟和切换；

温度场监测系统，包括设置在被测材料12中的热电偶18、对热电偶18的测量值进行采集和计算的上位机11。

热电偶18按照一定排布顺序安装在被测材料12上，热电偶18反馈所测量温度值到上位机11，通过上位机11的可视化界面及时反映被测材料12的温度场变化，获得对被测材料12温度场的动态温度监控，得到其温度分布图。并可通过温度场数据计算被测材料12的热力学参数。

如图3所示，为热电偶18的布局示意图。

上述实施例中，保温层13内设有辅助加热丝14，控制系统还对辅助加热丝14的发热量进行控制，以补偿被测材料12的热损失。

优选的，辅助加热丝14也由可调电源2供电。

具体的，辅助加热丝14的功率由实验预确定的热耗散量决定。

具体的，保温层13采用导热系数较小的纤维类保温材料或软瓷保温材料。

保温层13优选导热系数等于或小于0.1(W/(m×K))的隔热材料制成，包括但不限于聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫和挤塑聚苯乙烯泡沫。

上述实施例中，如图1所示，主体部分还包括高位水箱6，高位水箱6出口分别与加热水箱3和上阀门8连接，可用于向流体工质循环回路补水。

高位水箱6具体为开式水箱，安装位置高于实验系统中所有部件，可以防止被加热流体工质带汽，从而避免不凝性气体对工质泵16造成损害。

上述实施例中，如图1所示，还包括安全阀7，安全阀7安装在靠近边界层9的位置，可防止持续电加热造成实验系统超压，避免对实验系统造成损害。

上述实施例中，流体工质为水或导热油。

以下进一步说明上述实施例的可实现多边界条件的传热实验的实验方法，包括：

在实验之前，通过静态导热实验过程确定系统漏热量，以此确定传热实验过程中辅助加热丝14的加热功率，并在实验开始的时候保持加热，以平衡被测材料绝热边界的热量损失。

实验系统启动之前，打开上阀门8和下阀门15，从高位水箱6注入工质至加热水箱3具有一定的液位，保证工质管道17内完全充液。

启动实验系统，开始模拟第一类热边界条件：

关闭上阀门8和下阀门15，以减小液态工质在加热过程中的自然对流现象。

然后，双向开关1置于位点I，用第二电加热丝10对边界层9进行加热，并通过温度变送器5反馈的温度信号，通过控制器调节可调电源2，维持温度变送器5所读温度的恒定，以达到恒温边界即第一类热边界条件。

具体的，通过改变温度变送器5的目标温度设定值，可以将温度维持在任意目标温度。

具体的，安装在工质管道17上的安全阀7用于保证加热过程的安全，当密封在边界层9内的工质在连续加热的过程中压力超过安全阀7的安全压力，安全阀7通过机械传动打开并释放压力，恢复到安全状态之后复位。

同样地，热电偶18反馈所测量温度值给上位机11，通过上位机11的可视化界面及时反映被测材料12的温度场变化，通过温度场数据计算被测材料12的热力学参数。

切换至模拟第二类热边界条件：

保持上阀门8和下阀门15、双向开关1置位点I，仍然用第二电加热丝10对边界层9进行加热，并维持可调电源2的目标功率不变，以达到恒热流边界即第二类热边界条件。

具体的，通过改变设定的目标功率，可以将加热功率维持在任意目标功率。

按照一定排布顺序安装在被测材料12上的热电偶18反馈所测量温度值到上位机11，通过上位机11的可视化界面及时反映被测材料12的温度场变化。并通过温度场数据计算被测材料12的热力学参数。

切换至模拟第三类热边界条件：

打开上阀门8和下阀门15，然后双向开关1置于位点II，导通第一电加热丝4，通过温度变送器5所反馈的温度和所设定的流动工质温度的偏差信号调节可调电源2的加热功率，以稳定温度变送器5的示数，达到稳定流体温度的目的，然后启动工质泵16并通过调节泵转速保证边界层9内的流动速度，以达到对流传热边界即第三类热边界条件。

同样地，热电偶18反馈所测量温度值到上位机11，通过上位机11的可视化界面及时反映被测材料12的温度场变化，通过温度场数据计算被测材料12的热力学参数。

本领域技术人员可以理解，本实施例的实验方法，可实现传热实验装置在恒定温度、恒定热流和对流传热三类边界条件之间的灵活切换，切换顺序可根据实际需要进行调整而不限于上述实施例所记载的方式。本实施例通过控制系统缩短实验时间，提高实验稳定性。通过温度场监测系统可视化不同传热条件下被测材料的温度场变化情况。利于开展传热学的教学和实验分析。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。