兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備及方法，該測量設(shè)備包括用于容納流體介質(zhì)的密閉的箱體、將所述流體介質(zhì)進(jìn)行加熱以形成在所述流體介質(zhì)液面上方的具有汽液兩相的混合流體的加熱裝置、以及對所述混合流體中的汽泡體積占有率進(jìn)行測量的計數(shù)測量裝置，所述加熱裝置安裝在所述箱體中，所述流體介質(zhì)液面上方的所述箱體內(nèi)空間形成供所述混合流體通過的流道，所述計數(shù)測量裝置安裝在所述流道外側(cè)。本發(fā)明的測量設(shè)備和方法，實現(xiàn)在工程上運(yùn)用，操作簡單方便。
【專利說明】兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及強(qiáng)化傳熱【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]強(qiáng)化傳熱是一種新型的傳熱技術(shù)，它是利用電場、流場和溫度場的相互作用來強(qiáng)化傳熱。在當(dāng)前，沸騰傳熱技術(shù)已成為傳熱的前沿技術(shù)，而在電場、流場和溫度場相互作用下，其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理非常復(fù)雜，影響的因素很多，而其中電場分布是影響沸騰換熱的一個非常重要的因素，而目前的理論研究工作尚停留在定性分析上，因此尚無法在工程上確定出最優(yōu)的設(shè)計方案。
[0003]在傳熱技術(shù)中，介質(zhì)呈兩相的傳熱，即稱為潛熱的傳熱，比傳統(tǒng)的傳熱有非常大的優(yōu)勢，在工程上受到極大的重視，但是有關(guān)兩相流體的特性在理論上還處在定性階段。因此，要在工程上應(yīng)用，還有許多問題需要解決；其中一個首要關(guān)鍵問題就是兩相流體中，汽態(tài)、液態(tài)的體積占有率，這與兩相流體的參數(shù)、傳熱溫度、壓力等有著復(fù)雜的關(guān)系。由于兩相流體不同于單相流體，它是汽體和液體兩相混合的流體，引用通常的單相流體計算方法是行不通的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種實現(xiàn)在工程上運(yùn)用的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備及方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，包括用于容納流體介質(zhì)的密閉的箱體、將所述流體介質(zhì)進(jìn)行加熱以形成在所述流體介質(zhì)液面上方的具有汽液兩相的混合流體的加熱裝置、以及對所述混合流體中的汽泡體積占有率進(jìn)行測量的計數(shù)測量裝置，所述加熱裝置安裝在所述箱體中，所述流體介質(zhì)液面上方的所述箱體內(nèi)空間形成供所述混合流體通過的流道，所述計數(shù)測量裝置安裝在所述流道外側(cè)。
[0006]優(yōu)選地，所述計數(shù)測量裝置包括用于產(chǎn)生X射線通過所述混合流體的X射線發(fā)生器、以及用于接收所述X射線的G-M計數(shù)管，所述X射線發(fā)生器和G-M計數(shù)管位于所述流道外相對兩側(cè)。
[0007]優(yōu)選地，該測量設(shè)備還包括將所述混合流體中的汽相流體冷卻為液相流體的冷凝器，所述冷凝器安裝在所述箱體內(nèi)頂部，所述流道位于所述流體介質(zhì)液面和所述冷凝器之間。
[0008]優(yōu)選地，該測量設(shè)備還包括至少一根將經(jīng)冷凝器冷卻形成的所述液相流體導(dǎo)回所述箱體底部的回流管；所述回流管的一端連接在所述箱體的頂部且位于所述冷凝器的下方，另一端連接在所述箱體的底部。
[0009]優(yōu)選地，所述箱體包括從下到上依次相連接的盛裝部、流通部以及冷卻部，所述加熱裝置安裝在所述盛裝部內(nèi)，所述冷凝器安裝在所述冷卻部內(nèi)，所述流通部的內(nèi)空間形成供所述混合流體通過的所述流道；所述流通部的內(nèi)徑小于所述盛裝部和冷卻部的內(nèi)徑。
[0010]優(yōu)選地，該測量設(shè)備還包括測量所述箱體內(nèi)壓力的壓力計。
[0011]優(yōu)選地，所述壓力計為水銀壓力計，該水銀壓力計的接口端連通至所述箱體內(nèi)，且位于所述流體介質(zhì)的液面上方。
[0012]優(yōu)選地，所述箱體上還設(shè)有用于觀察所述流道內(nèi)的所述混合流體通過情況的觀察窗。
[0013]本發(fā)明還提供一種兩相流體中汽泡積率的測量方法，包括以下步驟:
[0014]S1、將流體介質(zhì)裝入密閉的箱體中；
[0015]S2、所述箱體內(nèi)的加熱裝置工作，將所述流體介質(zhì)加熱形成具有汽液兩相的混合流體，所述混合流體位于所述流體介質(zhì)液面上方，并通過流道流向所述箱體頂部；
[0016]S3、所述流道外側(cè)的計數(shù)測量裝置對通過所述流道的所述混合流體中的汽泡體積占有率進(jìn)行測量，從而獲得兩相流體中的汽泡積率。
[0017]優(yōu)選地，在所述步驟S2中，通過加熱裝置依次將流體介質(zhì)的溫度至少控制在起始蒸發(fā)點(diǎn)溫度下、額定熱負(fù)荷下的蒸發(fā)沸騰溫度下以及在1.4倍額定熱負(fù)荷下沸騰溫度下；在所述步驟S3中，計數(shù)測量裝置依次對不同所述溫度下的汽泡體積占有率進(jìn)行測量；
[0018]在所述步驟S2中，采用蒸汽加熱裝置或電阻加熱裝置對所述流體介質(zhì)進(jìn)行加熱；
[0019]在所述步驟S2中，流向所述箱體頂部的混合流體中的汽相流體在冷凝器的冷卻作用下冷凝為液相流體，并通過回流管回流至所述箱體內(nèi)底部。
[0020]實施本發(fā)明具有以下有益效果:通過計數(shù)測量裝置對具有汽液兩相的混合流體中的汽泡積率進(jìn)行測量，測得汽泡積率后，即可算出混合流體中的液相流體體積占有率、汽相流體和液相流體的流速，再根據(jù)得出的流速以及汽相流體和液相流體在相應(yīng)的溫度場下各自的密度，求出各自的流量，進(jìn)而得出兩相流體中流體阻力壓降，準(zhǔn)確且適用于工程上應(yīng)用，操作簡單方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0022]圖1是本發(fā)明一實施例的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0023]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明一實施例的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，包括密閉的箱體1、加熱裝置2以及計數(shù)測量裝置，箱體I用于容納流體介質(zhì)10，加熱裝置2安裝在箱體I中，將流體介質(zhì)10進(jìn)行加熱以形成在流體介質(zhì)10液面上方的具有汽液兩相的混合流體，流體介質(zhì)10液面上方的箱體I內(nèi)空間形成供混合流體通過的流道11，計數(shù)測量裝置安裝在流道11外側(cè)，對混合流體中的汽泡體積占有率(汽泡積率)進(jìn)行測量。測得汽泡積率后，即可算出混合流體中的液相流體體積占有率，然后計算出汽相流體的流速和液相流體的流速，再根據(jù)流速以及汽相流體和液相流體在相應(yīng)的溫度場下各自的密度，求出各自的流量，進(jìn)而得出兩相流體中流體阻力壓降。
[0025]在本實施例中，箱體I采用有機(jī)玻璃制成，壁厚4-5mm，內(nèi)徑500mm，高度2000mm。另外，箱體I上還可設(shè)有用于觀察流道11內(nèi)的混合流體汽通過情況的觀察窗(未圖示)，從而工作人員可隨時觀察流道11內(nèi)的混合流體通過情況，并可透過觀察窗對混合流體通過情況進(jìn)行拍照以記錄下來。
[0026]在箱體I中，流體介質(zhì)10優(yōu)選覆蓋加熱裝置2 ;在實際運(yùn)用過程中，流體介質(zhì)10根據(jù)欲采用介質(zhì)進(jìn)行選取。在本實施例中，加熱裝置2的發(fā)熱單元21位于箱體I內(nèi)腔中，可與流體介質(zhì)10直接接觸，以對流體介質(zhì)10加熱；發(fā)熱源22位于箱體I底部，以驅(qū)使發(fā)熱單元21發(fā)熱。進(jìn)一步地，在本實施例中，加熱裝置2的發(fā)熱單元21為直徑300_的發(fā)熱線圈，由發(fā)熱源22驅(qū)動發(fā)熱，并保持恒溫的加熱，加熱源22可為蒸汽加熱源或電阻加熱源。對于蒸汽加熱源，其配有蒸汽控制閥；對于電阻加熱源，其配有可調(diào)的自耦變壓器，達(dá)到穩(wěn)定供熱。另外，該加熱裝置2可為帶有溫度顯示的加熱裝置，從而可記錄在不同溫度下的汽泡積率；或者，該測量設(shè)備還包括溫度感應(yīng)裝置，以感應(yīng)箱體I內(nèi)加熱的溫度，以獲得不同溫度下的汽泡積率。
[0027]計數(shù)測量裝置包括X射線發(fā)生器31和G-M計數(shù)管32，分別位于流道11外相對兩偵U。該X射線發(fā)生器31用于產(chǎn)生X射線，X射線通過混合流體后被G-M計數(shù)管32接收，G-M計數(shù)管32接收X射線后可得到混合流體中汽相流體的汽泡積率。
[0028]該測量設(shè)備在測量過程中，至少要在流體介質(zhì)10起始蒸發(fā)點(diǎn)溫度下、加熱裝置2的額定熱負(fù)荷下流體介質(zhì)10的蒸發(fā)沸騰溫度下、以及在加熱裝置2的1.4倍額定熱負(fù)荷下流體介質(zhì)10的沸騰溫度下進(jìn)行測量，取得三組不同溫度下的汽泡積率參數(shù)。
[0029]進(jìn)一步地，該測量設(shè)備還包括冷凝器4，其安裝在箱體I內(nèi)頂部，用于將混合流體中的汽相流體冷卻為液相流體；流道11位于流體介質(zhì)10液面和冷凝器之間。冷凝器4可采用空心銅管繞制成，內(nèi)部通冷卻水；冷凝器4的一端伸出箱體I以連接冷卻水，其流量可通過孔板流量計和壓差計進(jìn)行控制，冷凝器4的另一端伸出箱體I以將換熱后的冷卻水排出。通過冷卻水源源不斷地在銅管內(nèi)流過，對汽相流體進(jìn)行冷卻，使得汽相流體冷凝回液相流體，并流回箱體I內(nèi)底部，不斷循環(huán)。
[0030]該測量設(shè)備還包括至少一根回流管5，將經(jīng)冷凝器4冷卻形成的液相流體導(dǎo)回箱體I內(nèi)底部?；亓鞴?的一端連接在箱體I的頂部且位于冷凝器4的下方，另一端連接在箱體I的底部。
[0031]如圖1所示,在本實施例中,箱體I包括從下到上依次相連接的盛裝部12、流通部13以及冷卻部14，加熱裝置2安裝在盛裝部12內(nèi)，冷凝器4安裝在冷卻部14內(nèi)，流通部13的內(nèi)空間形成供混合流體通過的流道11 ;流通部13的內(nèi)徑小于盛裝部12和冷卻部14的內(nèi)徑。回流管5的一端連接在冷卻部14上并位于流通部13的外圍，另一端連接在盛裝部12上，從而經(jīng)冷凝形成的液相流體大部分可從流通部13外圍經(jīng)回流管5流回盛裝部12中，而不會從流通部13流向盛裝部12。其中，冷卻部14和流通部13之間的連接面15可為平面，或自連接流通部13的一端到相對另一端呈向下傾斜的斜面；斜面的設(shè)置可放置冷凝形成的液相流體沿著連接面15流向流通部13。
[0032]進(jìn)一步地，該測量設(shè)備還包括測量箱體I內(nèi)壓力的壓力計6。在本實施例中，壓力計6為水銀壓力計，該水銀壓力計的接口端連通至箱體I內(nèi)，且位于流體介質(zhì)10的液面上方。
[0033]可以理解地，該測量設(shè)備還包括控制系統(tǒng)7，與計數(shù)測量裝置連接，記錄G-M計數(shù)管32測得的數(shù)據(jù)，并可通過多組數(shù)據(jù)繪出曲線。
[0034]本發(fā)明一實施例的兩相流體中汽泡積率的測量方法，采用上述測量設(shè)備實現(xiàn)，參考圖1，該方法可包括以下步驟:
[0035]S1、將流體介質(zhì)10裝入密閉的箱體I中；根據(jù)需要測量的流體介質(zhì)10采用對應(yīng)種類的流體介質(zhì)。流體介質(zhì)10在箱體I內(nèi)將加熱裝置2覆蓋。
[0036]S2、箱體I內(nèi)的加熱裝置2工作，將流體介質(zhì)10加熱形成具有汽液兩相的混合流體,混合流體位于流體介質(zhì)10液面上方，并通過流道11流向箱體I頂部。
[0037]在該步驟S2中，采用蒸汽加熱裝置或電阻加熱裝置對流體介質(zhì)10進(jìn)行恒溫加熱；對于采用蒸汽加熱源的加熱裝置2，其配有蒸汽控制閥；對于采用電阻加熱源的加熱裝置2，其配有可調(diào)的自耦變壓器，以達(dá)到穩(wěn)定供熱。箱體I內(nèi)加熱的溫度進(jìn)一步可通過溫度感應(yīng)裝置感應(yīng)得知，或者加熱裝置2自身帶有的溫度顯示得出。
[0038]流向箱體I頂部的混合流體中的汽相流體在冷凝器4的冷卻作用下冷凝為液相流體，并通過回流管5回流至箱體I內(nèi)底部，以再次受熱，不斷循環(huán)。
[0039]在該步驟S2中，通過箱體I上的觀察窗可看到混合流體間歇性地從下到上流動，呈現(xiàn)汽液兩相混合的流體；隨負(fù)荷的增加，混合流體相應(yīng)的增多，在箱體I頂部經(jīng)冷凝器4冷卻，凝結(jié)為液相流體流回箱體I內(nèi)底部，如此周而復(fù)始的持續(xù)循環(huán)。
[0040]S3、流道11外側(cè)的計數(shù)測量裝置對通過流道11的混合流體中的汽泡體積占有率進(jìn)行測量，從而獲得兩相流體(即混合流體)中的汽泡積率。其中，計數(shù)測量裝置的X射線發(fā)生器31產(chǎn)生X射線，X射線通過混合流體后被G-M計數(shù)管32接收，G-M計數(shù)管32接收X射線后可得到混合流體中汽相流體的汽泡積率相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0041]進(jìn)一步地，在步驟S2中，通過加熱裝置2依次將流體介質(zhì)10的溫度至少控制在起始蒸發(fā)點(diǎn)溫度下、加熱裝置2額定熱負(fù)荷下流體介質(zhì)10的蒸發(fā)沸騰溫度下、以及在加熱裝置2的1.4倍額定熱負(fù)荷下流體介質(zhì)10的沸騰溫度下；在步驟S3中，計數(shù)測量裝置依次對不同溫度下的汽泡體積占有率進(jìn)行測量，從而取得不同溫度下的汽泡積率參數(shù)。
[0042]在步驟S3獲得汽泡積率后，即可算出液相流體體積占有率，該液相流體體積占有率和汽相流體的汽泡積率的總和為I。進(jìn)一步可根據(jù)下式(I)計算汽相流體的流速Vg。:
[0043]Vgo = VgXae = ffg/So (I);
[0044]以及根據(jù)下式⑵計算液相流體的流速Vltj:
[0045]Vlo = νχ(1 — ae) = R/S。 (2)。
[0046]其中，為汽泡積率，1- ae為液相流體體積占有率，Wg為汽相流體的重量，W1為液相流體的重量，S0為流道截面積，分別為汽相流體和液相流體的平均流速。
[0047]可以理解地，發(fā)熱單元21的散熱率與汽體(汽相流體)的熱物理參數(shù)和流速有關(guān)。若汽體熱物理參數(shù)已知，如溫度、熱導(dǎo)率等，則發(fā)熱單元21的散熱率與流速成正比。處于兩相流場中，當(dāng)汽體帶走發(fā)熱單元21的熱量等于處于流體介質(zhì)10中發(fā)熱單元21發(fā)出的熱量時，流體介質(zhì)10會帶走發(fā)熱單元21的熱量。當(dāng)達(dá)到熱平衡時，發(fā)熱單元21的散熱率Qe與流體介質(zhì)10的吸熱率Q是相等的，即:QK = Q0
[0048]其中，Q= ae F, Qe = ae F(Tr-Tf)；
[0049]Q為均勻的熱流量，SP:

【權(quán)利要求】
1.一種兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，包括用于容納流體介質(zhì)(10)的密閉的箱體(I )、將所述流體介質(zhì)(10)進(jìn)行加熱以形成在所述流體介質(zhì)(10)液面上方的具有汽液兩相的混合流體的加熱裝置(2)、以及對所述混合流體中的汽泡體積占有率進(jìn)行測量的計數(shù)測量裝置，所述加熱裝置(2)安裝在所述箱體(I)中，所述流體介質(zhì)(10)液面上方的所述箱體(I)內(nèi)空間形成供所述混合流體通過的流道(11 )，所述計數(shù)測量裝置安裝在所述流道(11)外側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，所述計數(shù)測量裝置包括用于產(chǎn)生X射線通過所述混合流體的X射線發(fā)生器(31)、以及用于接收所述X射線的G-M計數(shù)管(32)，所述X射線發(fā)生器(31)和G-M計數(shù)管(32)位于所述流道(11)外相對兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，該測量設(shè)備還包括將所述混合流體中的汽相流體冷卻為液相流體的冷凝器(4)，所述冷凝器(4)安裝在所述箱體(I)內(nèi)頂部，所述流道(11)位于所述流體介質(zhì)(10)液面和所述冷凝器(4)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，該測量設(shè)備還包括至少一根將經(jīng)冷凝器(4)冷卻形成的所述液相流體導(dǎo)回所述箱體(I)底部的回流管(5);所述回流管(5)的一端連接在所述箱體(I)的頂部且位于所述冷凝器(4)的下方，另一端連接在所述箱體(I)的底部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，所述箱體(I)包括從下到上依次相連接的盛裝部(12)、流通部(13)以及冷卻部(14)，所述加熱裝置(2)安裝在所述盛裝部(12)內(nèi)，所述冷凝器(4)安裝在所述冷卻部(14)內(nèi)，所述流通部(13)的內(nèi)空間形成供所述混合流體通過的所述流道(11);所述流通部(13)的內(nèi)徑小于所述盛裝部(12)和冷卻部(14)的內(nèi)徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，該測量設(shè)備還包括測量所述箱體(I)內(nèi)壓力的壓力計(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，所述壓力計(6)為水銀壓力計，該水銀壓力計的接口端連通至所述箱體(I)內(nèi)，且位于所述流體介質(zhì)(10)的液面上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相流體中汽泡積率的測量設(shè)備，其特征在于，所述箱體(I)上還設(shè)有用于觀察所述流道(11)內(nèi)的所述混合流體通過情況的觀察窗。
9.一種兩相流體中汽泡積率的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、將流體介質(zhì)(10)裝入密閉的箱體(I)中； 52、所述箱體(I)內(nèi)的加熱裝置(2)工作，將所述流體介質(zhì)(10 )加熱形成具有汽液兩相的混合流體，所述混合流體位于所述流體介質(zhì)(10)液面上方，并通過流道(11)流向所述箱體(I)頂部； 53、所述流道(11)外側(cè)的計數(shù)測量裝置對通過所述流道(11)的所述混合流體中的汽泡體積占有率進(jìn)行測量，從而獲得兩相流體中的汽泡積率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的兩相流體中汽泡積率的測量方法，其特征在于，在所述步驟S2中，通過加熱裝置(2)依次將流體介質(zhì)(10)的溫度至少控制在起始蒸發(fā)點(diǎn)溫度下、額定熱負(fù)荷下的蒸發(fā)沸騰溫度下以及在1.4倍額定熱負(fù)荷下沸騰溫度下；在所述步驟S3中，計數(shù)測量裝置依次對不同所述溫度下的汽泡體積占有率進(jìn)行測量； 在所述步驟S2中，采用蒸汽加熱裝置或電阻加熱裝置對所述流體介質(zhì)(10)進(jìn)行加熱；在所述步驟S2中，流向所述箱體(I)頂部的混合流體中的汽相流體在冷凝器(4)的冷卻作用下冷凝為液相流體，并通過回流管(5)回流至所述箱體(I)內(nèi)底部。
【文檔編號】G01N7/16GK104198328SQ201410456467
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】謝世英, 楊國苗, 張馳, 鄭昭鑫 申請人:深圳市奧電高壓電氣有限公司