CN105424745A - 一种高温热管测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温热管测量装置及方法。装置包括：各自独立的蒸发段(1)、绝热段(2)和冷凝段(3)和在测量时贴附于高温热管(8)外壁的热电偶(4)，在测量时蒸发段、绝热段和冷凝段能够分别形成筒状，并顺序首尾相接后能够将待测高温热管包覆其中，且使得高温热管外壁与筒状的蒸发段、绝热段和冷凝段的内壁保持接触；蒸发段设置加热装置(5)，冷凝段在测量时靠近高温热管的一侧设置水冷套(6)，在蒸发段、绝热段和冷凝段的外侧均设置隔热层(7)，水冷套(6)设置进水口(62)和出水口(63)，在进水口和/或出水口设置流量计(64)，在进水口(62)和出水口(63)分别设置测温装置(65)。

Description

一种高温热管测量装置及方法

技术领域

本发明涉及热管技术，更具体的说，是涉及一种高温热管测量装置及方法。

背景技术

热管是一种具有很强传热能力的高效传热元件，其传热能力比金属材料高得多，大约是铜棒的数百倍，因此在热工程领域具有广泛的应用前景和巨大的开发潜力。热管结构上主要由外壳、吸液芯、工质三部分组成。热管根据使用要求可采用不同的管壳材料和外形，选用不同的工质和吸液芯结构。按照工作温度可将热管分为低温热管、中温热管和高温热管。

高温热管是利用碱金属作为工质，工作温度在500℃以上的一类热管。由于其工作温度较高、工作环境恶劣，在使用过程中对高温热管的可靠性和安全性要求更高。因此使用前对高温热管性能的测试与检测非常重要。

高温热管的测试装置与测试方法是评价一根高温热管传热性能好坏的关键步骤。高温热管的性能评价一般包括启动特性、等温特性和稳态传热性能等。测温装置一般包括加热部分、冷却部分、测温部分和倾角调节部分。

目前高温热管测试方法一般是采用电阻炉进行加热，升温速度慢，不能反映高温热管在快速启动时的工况。而且目前测试装置中热管一般固定在几个角度进行测试，不能反映高温热管在任意倾角的所有工况。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高温热管测量装置；

本发明的另一目的在于提供一种测试高温热管的方法。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种高温热管测量装置，所述装置包括：各自独立的蒸发段1、绝热段2和冷凝段3和在测量时贴附于高温热管8外壁的热电偶4，在测量时所述蒸发段、绝热段和冷凝段能够分别形成筒状，并顺序首尾相接后能够将待测高温热管包覆其中，且使得高温热管外壁与筒状的蒸发段、绝热段和冷凝段的内壁保持接触；蒸发段设置加热装置5，冷凝段在测量时靠近高温热管的一侧设置水冷套6，在蒸发段、绝热段和冷凝段的外侧均设置隔热层7，所述水冷套6设置进水口62和出水口63，在进水口和/或出水口设置流量计63，并在进水口62和出水口63分别设置测温装置64，热电偶4与温度采集模块9电连接。

其中可以理解的是，所述各自独立的蒸发段、绝热段和冷凝段是指蒸发段、绝热段和冷凝段各自为独立整体，而非一体。

其中可以理解的是，所述贴附是指测量时蒸发段、绝热段和冷凝段的内表面在测量时与高温热管外壁贴附；即保持良好的接触，以便于传热。

其中还可以理解的是，所述的贴附并非毫无缝隙的绝对贴附，蒸发段、绝热段和冷凝段的内表面与热管外壁存在一定缝隙也是可以接受的。

其中可以理解的是，在测量时所述蒸发段、绝热段和冷凝段能够分别形成筒状，是指为了便于将高温热管包覆其中，实现蒸发段、绝热段和冷凝段与高温热管的传热，在测量时蒸发段、绝热段和冷凝段为筒状，以保障高温热管外壁与蒸发段、绝热段和冷凝段的内表面贴附。

本领域技术人员还可以理解的是，为了实现所述测量时所述蒸发段、绝热段和冷凝段能够分别形成筒状，蒸发段、绝热段和冷凝段可以为柔软的片状材料，在测量时可以缠绕在高温热管外壁，从而形成“筒状”；

而根据本发明一些具体实施方案，其中，所述蒸发段、绝热段和冷凝段均为筒状，其内径与待测高温热管外径相匹配。也就是说，蒸发段、绝热段和冷凝段直接加工成筒状。

其中可以理解的是，所述顺序首尾相接是指蒸发段、绝热段和冷凝段能够形成一个整体从而将高温热管包覆其中，以避免测量中的热量损失。

本领域技术人员还可以理解的是，这里所述的首尾相接并非蒸发段、绝热段和冷凝段之间毫无孔隙，实际上三者之间存在一定缝隙所引起的热量损失也是可以接受的。

这里所述的首尾，是指沿高温热管长度方向，相邻的蒸发段、绝热段和冷凝段相互接触的边。

其中可以理解的是，所述的加热装置可以为本领域多种常规加热装置，譬如电阻丝加热，而根据本发明一些具体实施方案，其中，所述加热装置5为感应加热线圈。

其中可以理解的是，所述的热电偶数量应该能够保证蒸发段、绝热段和冷凝段三部分测温的准确，根据本发明一些具体实施方案，其中，所述热电偶为4-12个。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述绝热段2整体为隔热层。

蒸发段、绝热段和冷凝段长度可以为4-6：4-6：4-6，而根据本发明一些具体实施方案，其中，所述蒸发段、绝热段和冷凝段长度比为4：5：6。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述装置还包括垂直设置的旋转板11，旋转板上设置用于夹持高温热管的固定装置12，旋转板可旋转的固定在旋转装置13上，旋转装置固定在底座14上。

所述的旋转装置为本领域常规设备，即可以将一个方向的旋转运动转变为与其旋转轴方向垂直的另一旋转运动的装置，如通过摇臂及齿轮将摇臂的旋转转变为旋转板的旋转，这种装置的结构为本领域技术人员所熟知，而根据本发明一些具体实施方案，其中，所述旋转装置为分度头。

另一方面，本发明还提供了应用本发明任意一项所述的高温热管测量装置测试高温热管的方法，所述方法包括：将热电偶4沿高温热管长度方向固定贴附于至少分别对应蒸发段1、和冷凝段3的高温热管外壁，且分别在蒸发段1、绝热段2和冷凝段3各自沿热管长度方向等距设置，将蒸发段1、绝热段2和冷凝段3按顺序套设在高温热管外，通过进水口62向水冷套6内注入冷却水，并分别进行如下高温热管测试：

(1)启动性能测试：启动加热装置5，记录加热前后由蒸发段的热电偶采集的温度，并记录待蒸发段温度升高达到稳定状态的时间；

(2)等温性能测试：待高温热管蒸发段达到稳定状态后，记录分别由蒸发段和冷凝段的热电偶采集的温度，并计算差值；优选是由蒸发段和冷凝段的各自的温度平均值，来计算差值；

(3)稳态传热性能测试：蒸发段达到稳定状态后，记录冷凝段3的流量计63的冷却水流量M，单位kg/s，进水口62温度T₁和出水口63温度T₂，单位℃，并通过如下公式计算高温热管传输的热流量Q_c：

Q_c＝Q_w＝M×c_p×(T₂-T₁)

其中Q_w为冷却水单位时间带走的热量；cp为冷却水比热容，单位J/kg·℃。

本发明所述的“达到稳定状态”，是指当蒸发段温度在10分钟内变化不超过1℃时，即认为蒸发段温度升高达到稳定状态，也就是热管达到稳定工作状态。

根据本发明一些具体实施方案，其中，热电偶4分别均匀的贴附于对应蒸发段和冷凝段的高温热管外壁，且沿高温热管长度方向贴附，优选沿一条直线贴附设置。

其中还优选在蒸发段和冷凝段各贴附2-3个热电偶。

根据本发明另一些具体实施方案，其中，热电偶4分别均匀的贴附于对应蒸发段、绝热段和冷凝段的高温热管外壁，且沿高温热管长度方向贴附，优选沿一条直线贴附设置。

其中还优选在蒸发段和冷凝段各贴附2-3个热电偶。

所述贴附可以为本领域常规的贴附方式，如粘结、焊接等，本发明优选为焊接。

根据本发明一些具体实施方案，其中，当所述高温热管测量装置还包括旋转板11时，所述方法还包括将高温热管分别以水平0°、正置45°、正置90°、倒置45°和倒置90°放置，并分别进行高温热管测试。

综上所述，本发明提供了一种高温热管测量装置及方法。本发明的装置具有如下优点：本发明的装置加热效率高，而且加热功率可调，可调节高温热管在任意倾角下进行测试，可测高温热管尺寸范围广，测试温度范围广，结构简单、安全可靠、使用方便。

附图说明

图1为实施例1的测量装置(仅示出了蒸发段、绝热段和冷凝段)；

图2为实施例1的测量装置的整体；

图3为实施例1的测量结果。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

测试热管尺寸为Φ40mm×300mm，材料高温合金，管壳厚度4mm，工质为碱金属Na，吸液芯为1层100目高温合金丝网。

如图1和图2所示，测试条件为选择圆筒状的蒸发段1(长度80mm)，绝热段2长度(100mm)，冷凝段3(长度120mm)，三段的内径均为40mm，蒸发段内壁内部设置感应加热线圈5，加热功率15KW。冷凝段内壁为水冷套6，水冷套设置进水口62和出水口63，在进水口设置流量计64，并在进水口和出水口均设置测温装置65。

取6个热电偶，沿直线(高温热管长度方向)分别焊接在热管对应蒸发段、绝热段和冷凝段的部位，并分别将蒸发段、绝热段和冷凝段长度等分设置，如蒸发段的设置在蒸发段长度(即热管长度方向)的1/3和2/3处。将蒸发段、绝热段和冷凝段顺序套在高温热管外。

将套设了蒸发段、绝热段和冷凝段的高温热管固定在旋转板11上，通过控制分度头调节高温热管放置倾角分别为正置90°、正置45°、水平0°、倒置45°、倒置90°。并在高温热管处于上述每一个测量角度时，分别进行测试：

启动感应加热线圈，并不间断的向水冷套中通入冷却水，通过温度采集模块9(图1中的虚线为电连接)将个测温点的实时温度记录并储存在计算机中。测量结果如表1和图3所示。

(1)高温热管启动特性

高温热管的启动特性通过启动时间来评价。启动时间是指从对蒸发段加热开始到热管开始工作，蒸发段温度不再升高达到稳定状态的时间。一般情况下，当蒸发段温度在10分钟内变化不超过1℃时，即认为热管达到稳定工作状态。热管启动时间与热管自身性能、加热功率、倾角等因素有关。启动时间越短，热管启动性能越好。

(2)高温热管等温性能

高温热管等温特性通过热管稳态工作时蒸发段与冷凝段的最大温差评价。为了评价结果更科学和减小误差，采用蒸发段平均温度和冷凝段平均温度的差值来评价。

(3)高温热管稳态传热性能

高温热管的稳态传热特性通过传热热流量来评价。热管的传热热流量可以通过蒸发段吸收的热量或冷凝成传出的热量两种方法计算，本发明通过测量冷凝段传出的热量来计算。热管稳态工作时，热量通过感应加热装置将电能转化为热能传递到热管的蒸发段，热量又通过热管内部工质的相变和流动，将热量从蒸发段传递到冷凝段，热量在冷凝段通过辐射和对流传递到套在其外的水冷套，使冷却水温度升高。假设试验中保温材料可以完全隔离热管与外界的传热，则热管传输的热量等于冷却水带走的热量，即：

Q_c＝Q_w＝M×c_p×(T₂-T₁)

式中：Q_c：高温热管传输的热流量，单位瓦特(W)；

Q_w：冷却水单位时间带走的热量，单位瓦特(W)；

M：冷却水流量，单位千克每秒(kg/s)；

c_p：冷却水比热容，单位焦耳每千克摄氏度(J/(kg℃))；

T₁：冷却水进口温度，单位摄氏度(℃)；

T₂：冷却水出口温度，单位摄氏度(℃)。

表1

注：水的比热容为4.2kJ/(kg·℃)。

Claims (10)

1.一种高温热管测量装置，其特征在于，所述装置包括：各自独立的蒸发段(1)、绝热段(2)和冷凝段(3)和在测量时贴附于高温热管(8)外壁的热电偶(4)，在测量时所述蒸发段、绝热段和冷凝段能够分别形成筒状，并顺序首尾相接后能够将待测高温热管包覆其中，且使得高温热管外壁与筒状的蒸发段、绝热段和冷凝段的内壁保持接触；蒸发段设置加热装置(5)，冷凝段在测量时靠近高温热管的一侧设置水冷套(6)，在蒸发段、绝热段和冷凝段的外侧均设置隔热层(7)，所述水冷套(6)设置进水口(62)和出水口(63)，在进水口和/或出水口设置流量计(64)，并在进水口(62)和出水口(63)分别设置测温装置(65)，热电偶(4)与温度采集模块(9)电连接。

2.根据权利要求1所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述蒸发段、绝热段和冷凝段均为筒状，其内径与待测高温热管外径相匹配。

3.根据权利要求1所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述加热装置(5)为感应加热线圈。

4.根据权利要求1所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述热电偶为4-12个。

5.根据权利要求1所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述绝热段(2)整体为隔热层。

6.根据权利要求1所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述蒸发段、绝热段和冷凝段长度比为4：5：6。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述装置还包括垂直设置的旋转板(11)，旋转板上设置用于夹持高温热管的固定装置(12)，旋转板可旋转的固定在旋转装置(13)上，旋转装置固定在底座(14)上。

8.根据权利要求7所述的高温热管测量装置，其特征在于，所述旋转装置为分度头。

9.一种应用权利要求1～8任意一项所述的高温热管测量装置测试高温热管的方法，其特征在于，所述方法包括：将热电偶(4)沿高温热管长度方向固定贴附于至少分别对应蒸发段(1)、和冷凝段(3)的高温热管外壁，且分别在蒸发段(1)、绝热段(2)和冷凝段(3)各自沿热管长度方向等距设置，将蒸发段(1)、绝热段(2)和冷凝段(3)按顺序套设在高温热管外，通过进水口(62)向水冷套(6)内注入冷却水，并分别进行如下高温热管测试：

(1)启动性能测试：启动加热装置(5)，记录加热前后由蒸发段的热电偶采集的温度，并记录待蒸发段温度升高达到稳定状态的时间；

(2)等温性能测试：待高温热管蒸发段达到稳定状态后，记录分别由蒸发段和冷凝段的热电偶采集的温度，并计算差值；优选是由蒸发段和冷凝段的各自的温度平均值，来计算差值；

(3)稳态传热性能测试：蒸发段达到稳定状态后，记录冷凝段(3)的流量计(63)的冷却水流量M，单位kg/s，进水口(62)温度T₁和出水口(63)温度T₂，单位℃，并通过如下公式计算高温热管传输的热流量Q_c：

Q_c＝Q_w＝M×c_p×(T₂-T₁)

其中Q_w为冷却水单位时间带走的热量；cp为冷却水比热容，单位J/(kg·℃)。

10.根据权利要求9所述的测试高温热管的方法，其特征在于，当所述高温热管测量装置还包括旋转板(11)时，所述方法还包括将高温热管分别以水平0°、正置45°、正置90°、倒置45°和倒置90°放置，并分别进行高温热管测试。