[发明专利]一种可视化池沸腾实验系统及其工作方法

权利要求书

1.一种可视化池沸腾实验系统，包括池沸腾子系统、冷却循环子系统、数据采集子系统，其特征在于：池沸腾子系统包括螺母(1)、上盖(2)、池沸腾观察室(3)、螺栓(4)、垫圈(5)、测试底板(6)、热源腔体(7)、电加热棒(8)、底座(9)、保温层(10)、绝缘层(11)、垫片(12)、调压器(22)、电参数测量仪(23)，由内周至外周依次设置的电加热棒(8)、热源腔体(7)、保温层(10)、绝缘层(11)分别与底座(9)上表面连接，测试底板(6)在绝缘层(11)内圈中与热源腔体(7)上表面贴合，池沸腾观察室(3)安装于测试底板(6)顶面，两者的接触面之间设置有垫圈(5)，垫片(12)在池沸腾观察室(3)外围设置于测试底板(6)顶面，上盖(2)安装于池沸腾观察室(3)顶部的周向，池沸腾观察室(3)周向设有多个螺栓(4)，螺栓(4)一端依次穿设垫片(12)、测试底板(6)、热源腔体(7)，另一端穿设于上盖(2)并分别通过螺母(1)对应连接，电参数测量仪(23)与电加热棒(8)连接，调压器(22)与电参数测量仪(23)连接；

冷却循环子系统包括反渗透膜(14)、冷凝器(15)、冷凝盘管(16)、压力表(17)、出气阀(18)、循环泵(19)、冷却器(20)、出液阀(21)，冷凝器(15)安装于池沸腾观察室(3)顶部，两者之间设有反渗透膜(14)，冷凝器(15)的冷凝盘管(16)的进口a及出口b之间依次连接出液阀(21)、冷却器(20)、循环泵(19)，压力表(17)与冷凝器(15)连接，出气阀(18)与压力表(17)连接，冷凝器(15)的出液口c与池沸腾观察室(3)连通；

数据采集子系统包括温度传感器(13)、数据存储器(24)、多通道巡检仪(25)、LED光源(26)、高速摄像机(27)，温度传感器(13)在测试底板(6)上以及池沸腾观察室(3)内部分别至少安装有一个，LED光源(26)、高速摄像机(27)分别通过支架对准池沸腾观察室(3)安装于其侧方，温度传感器(13)与多通道巡检仪(25)连接，数据存储器(24)与多通道巡检仪(25)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：池沸腾观察室(3)壁内设有一组冷凝液体工质回流通道，该组通道具有多种长度，且其中每个通道入口均与池沸腾观察室(3)顶面平齐。

3.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：池沸腾观察室(3)为透明耐热材料，测试底板(6)和热源腔体(7)均为热导体，上盖(2)、底座(9)和垫片(12)的材料均为聚四氟乙烯，保温层(10)材料为气凝胶，绝缘层(11)材料为橡胶。

4.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：测试底板(6)与热源腔体(7)的接触面为凹凸型配合面,热源腔体(7)上部设有用于螺栓(4)通过的法兰圆盘，热源腔体(7)沿其轴向开设有多个用于放置电加热棒(8)的圆柱深孔，电加热棒(8)至少设有一个。

5.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：反渗透膜(14)向下倾斜安装于池沸腾观察室(3)上。

6.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：出气阀(18)为自动式压力调节阀，冷凝盘管(16)安装在冷凝器(15)内，冷却器(20)为风冷换热器。

7.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：高速摄像机(27)配置有显微镜头。

8.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：LED光源(26)配置有光漫射器。

9.根据权利要求1所述的一种可视化池沸腾实验系统，其特征在于：温度传感器(13)为PT100型温度传感器；放置于池沸腾观察室(3)内的温度传感器(13)位于液体工质液面以下；放置于测试底板(6)槽道内的温度传感器(13)涂有导热材料。

10.一种权利要求1～9任一所述的可视化池沸腾实验系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：开启调压器(22),其输出功率被电参数测量仪(23)测量并显示出来，通过从小到大逐步地调节调压器(22)改变电加热棒(8)的输入电压,从而改变所对应的热流密度；电加热棒(8)所散发的热量向上传递，温度通过热源腔体(7)传递到测试底板(6)，随后沸腾开始，可以通过透明的池沸腾观察室(3)观察记录各沸腾阶段的气泡运动现象；

步骤二：液态工质沸腾后产生的蒸汽通过反渗透膜(14)进入冷凝器(15)，吸收冷却水冷量后冷凝为液滴，液滴掉落在倾斜的反渗透膜(14)上，在重力的作用下由冷凝器(15)的出液口c排出至池 沸腾观察室(3)中回流；

步骤三：通过出气阀(18)调节池沸腾观察室(3)内的压力，在步骤一的沸腾现象开始的同时，开启出液阀(21)，由冷却器(20)出来的冷却水由进口a进入冷凝器(15)，在冷却盘管(16)中与沸腾所得蒸汽进行换热，冷却水得到热量升高温度后由出口b排出冷凝器(15)，最后回到冷却器(20)将热量传递给周围空气，升温后的冷却水温度降低；

步骤四：在步骤一的沸腾现象开始的同时，开启高速摄像机(27)，先进行LED光源(26)位置、强度大小的调试，确保成像效果最佳，当温度传感器(13)在5分钟内温度变化小于0.5℃时，通过多通道巡检仪(25)采集数据，并在数据存储器(24)中保存下来，保证在不同的加热功率下达到的都是稳定的沸腾状态，再在稳定沸腾状态下通过数据存储器(24)选取高速摄像机(27)所对应的合适帧率，捕获气泡动力学的可视化图像，以便进一步分析。