[发明专利]用于检测沟槽状圆管表面液膜温度特性的实验装置及方法

权利要求书

1.一种用于检测沟槽状圆管表面液膜温度特性的实验方法，其特征在于:借助于用于检测沟槽状圆管表面液膜温度特性的实验装置，该实验装置包括竖直设置的透明的绝热容器(1)、存放有制冷剂的制冷油箱(5)、位于绝热容器(1)内腔上部的高位水槽(2)、以及进口与制冷油箱(5)连通的带有压力指示的水泵(6)；水泵(6)处理并联两条支路，一路连接有色谱分析仪(23)，另一路连接有热敏电阻式液体流量计(7)，热敏电阻式液体流量计(7)与高位水槽(2)连通；在高位水槽(2)下方设置有第一沟槽式液体分配器(3)，在第一沟槽式液体分配器(3)下方设置有实验测试装置(4)，高位水槽(2)内的被测试液体(21)通过第一沟槽式液体分配器(3)滴落到实验测试装置(4)；

在绝热容器(1)底部设置有位于实验测试装置(4)下方且用于盛放实验测试装置(4)滴落下液体的收集杯(17)，在绝热容器(1)底部设置有液体收集容器(18)，在液体收集容器(18)内设置有绝热衬底(14)，在绝热衬底(14)上设置有冷接头(15)，在冷接头(15)上设置有热敏电阻(16)，绝热容器(1)底部出口与制冷油箱(5)连通；收集杯(17)内的液体落入液体收集容器(18)内；

色谱分析仪(23)还通过对应管路分别与收集杯(17)和液体收集容器(18)连通；

在绝热容器(1)侧壁上设置有观察窗口(10)，在观察窗口(10)处设置有高速摄像机(8)；

绝热容器(1)内腔分别连通有压力计(22)、以及真空泵(9)；绝热容器(1)顶部与制冷油箱(5)顶部连通；

实验测试装置(4)包括位于第一沟槽式液体分配器(3)下方的第二沟槽式液体分配器(11)、位于第二沟槽式液体分配器(11)下方的圆柱副；圆柱副包括同心竖直设置的内圆柱管以及套装在内圆柱管外侧的外空心管；

第二沟槽式液体分配器(11)上的液体滴落到外空心管与内圆柱管之间的间隙中并形成液膜；

在内圆柱管中部外侧壁上设置有液体散热区域(12),在液体散热区域(12) 设置有带有横向肋的环形沟槽表面(20)或交叉网格沟槽，内圆柱管在环形沟槽表面(20)或交叉网格沟槽的上下两侧分别为光滑圆管表面(19)；

横向肋为铝合金，光滑圆管表面(19)为黄铜或铝合金，环形沟槽表面(20)或交叉网格沟槽的平均粗糙度Ra为0.63-1.25；

在内圆柱管中部设置有用于给液膜加热的薄壁管，在薄壁管内安装有热电偶(13)；

制冷剂为混合比2:1的R114/R21；

包括以下步骤：

步骤一，采集基础数据，实验的工作压力为2bar；制冷剂R114/R21混合物沿循环闭路中处于饱和状态；在单位时间内的热通量变化中，通过温度计采集到R114/R21制冷剂的混合物的饱和温度变化范围为0.1-0.4K，通过热敏电阻式液体流量计(7)采集液体平均输入流速和热敏电阻式液体流量计(7)的单位计数时间，根据混合物的饱和温度变化范围设定壁温测量的热通量；

步骤二，当步骤一中的热通量设定后，冷接头(15)温度被认为是恒定的，根据热电偶(13)的电动势和冷接头的温度，借助于二维多项式回归方法，计算得到环形沟槽表面(20)或交叉网格沟槽的温度；

步骤三，色谱分析仪(23)根据步骤二中的环形沟槽表面(20)或交叉网格沟槽的温度和步骤一中冷接头(15)的工作温度范围内预先校准；

步骤四，通过温度计对制冷油箱(5)的进出口油液温度测试，通过温度计对收集杯(17)进行温度测量， 通过温度计对绝热容器(1)的顶部，中部和底部测量蒸气温度；通过压力计测量绝热容器(1)的绝对压力，通过热敏电阻式液体流量计(7)测量流速；高速摄像机(8)以每秒1000帧记录波动液膜的流动特征；

步骤五，根据步骤一至四采集的数据，通过气相色谱法测定二元混合制冷剂组分的摩尔分数，在实验测试装置(4)上布置有用于测量混合物组成成分的三个点：第一点在绝热容器(1)的进口处，第二点在收集杯(17)的底部，第三点在液体收集容器(18)的底部；

步骤六，获取绝热容器(1)的进口处的雷诺数范围为，

式中，R_e为雷诺数；v_f为平均流速；d_f为水力直径；

雷诺数小于2000，液体处于层流状态，雷诺数大于4000，液体处于紊流状态；

步骤七，根据步骤六的雷诺数核准范围为60～1060；

步骤八，根据步骤五，考虑沟槽形状圆管壁面热传导引起的热损失时，

式中，c为液体的比热容；m为液体的质量；S为沟槽状圆管表面积；ΔT为温升；t为工作时间；

热流密度q的核准变化范围为0～8.5×10⁴W/m²；二元混合制冷剂组分处于低沸点状态时的核准初始浓度在0～19％；

步骤九，当热流密度的误差不大于6％，且传热系数的相对误差不超过16％时候，根据步骤一至八通过气相色谱法测定二元混合制冷剂组分的摩尔分数：

摩尔浓度＝二元混合制冷剂的摩尔数/溶液体积；

步骤十，根据上述步骤，得到液体雷诺数是与液体的平均流速、水力直径和液体密度有关，最终计算出液体的雷诺数。