一种开式低温气体工质换热实验系统及实验方法

1.本发明涉及低温气体工质换热实验技术领域，具体涉及一种开式低温气体工质换热实验系统及实验方法。


背景技术：

2.气体工质由于密度小、质量轻，常被作为工质冷却电子器件、能源动力系统设备等。目前，较常使用的气体冷却工质有氢气、氦气、氮气、二氧化碳、空气、氩气以及其他混合气体，这种气体工质的热物理性质、化学性质各异，使用条件和状态也各不相同。因此需要对气体的流动传热性质开展试验研究与验证。
3.低温气体具有温度低、密度大、比热容小等特点，在制冷设备、低温换热设备等中作为工作介质。此外，电子器件的冷却也常用到低温气体。目前，液体的流动换热国内外研究已经具有相当规模，高温气体流动换热实验系统及换热装置也有了对应的方案。李学良等基于冷氮气内翅式狭缝换热器实验系统开展了低雷诺数状态下的低温氮气流动换热特性实验研究，林晖等根据低温空气自然对流实验系统进行了低温空气在水平圆管内的自然对流实验研究，但上述实验系统适用性均较为单一。其他低温气体换热实验系统的少有报道。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种开式低温气体工质换热实验系统及实验方法，可通过本发明实验系统获得低温气体流动换热特性规律，为低温气体冷却系统与设备提供理论与技术支持。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种开式低温气体工质换热实验系统，包括供气子系统、预冷子系统、实验段子系统、抽真空子系统、水冷换热器5、背压阀6和阻火器7；
7.所述供气子系统由实验气体气瓶组1-1、吹扫气体气瓶组1-2、实验气体减压阀1-3a、实验气体球阀1-4a、吹扫气体减压阀1-3b、吹扫气体球阀1-4b、气体流量控制器1-5、气体流量计1-6及其连接的管路组成；实验气体气瓶组1-1内储存实验气体，吹扫气体气瓶组1-2内储存实验系统清洁吹扫气体；实验气体气瓶组1-1依次通过实验气体减压阀1-3a和实验气体球阀1-4a后再通过气体流量控制器1-5和气体流量计1-6连接预冷子系统的预冷器3-3管侧入口，吹扫气体气瓶组1-2依次通过吹扫气体减压阀1-3b和吹扫气体球阀1-4b后再通过气体流量控制器1-5和气体流量计1-6连接预冷子系统的预冷器3-3管侧入口，其中气体流量控制器1-5用以控制气体流量大小、气体流量计1-6用以测量气体流量；
8.所述预冷子系统由液氮储罐3-1、液氮储罐阀门3-2、预冷器3-3及其管路组成；液氮储罐3-1通过液氮储罐阀门3-2与预冷器3-3壳侧相连，为预冷器3-3提供液氮冷却工质；预冷器3-3管侧出口连接实验段子系统的入口混合腔2-1入口；
9.所述实验段子系统由入口混合腔2-1、实验段2-2、出口混合腔2-3、真空腔2-4、直
流电源2-5和夹持电极2-6组成；入口混合腔2-1、出口混合腔2-3分别与真空腔2-4通过法兰连接，实验段2-2贯穿入口混合腔2-1、出口混合腔2-3和真空腔2-4三个腔室；实验气体依次进入入口混合腔2-1、实验段2-2和出口混合腔2-3；夹持电极2-6在真空腔2-4内夹持实验段2-2两端，并由与其连接的直流电源2-5供电，为实验段提供能量；出口混合腔2-3出口与水冷换热器5气侧入口相连，水冷换热器5气侧出口通过与背压阀6与实验回路排气管道相连；水冷换热器5用于实验气体的降温散热，背压阀6用于控制实验系统压力；实验回路排气管道上安装有阻火器7提供安全保护，实验回路排气管道出口安装有滤网和遮挡帽防止异物进入；
10.所述抽真空子系统由第一阀门4-1a、第二阀门4-1b、真空泵4-2、止回阀4-3及其管路组成；其中真空泵4-2分别通过第一阀门4-1a和第二阀门4-1b与实验回路的入口混合腔2-1入口和真空腔2-4相连；真空泵4-2用于实验回路和真空腔2-4抽真空；真空腔2-4抽真空一方面减少热损失，另一方面减少实验段高温氧化；真空泵4-2出口通过止回阀4-3与实验回路排气管道相连。
11.所述实验段2-2、入口混合腔2-1、出口混合腔2-3、液氮储罐3-1、预冷器3-3及其连接的管路均采用绝缘绝热材料包裹，减少热量损失。
12.所述实验段2-2的加热方式为电阻式加热，由直流电源2-5提供不同的加热功率。
13.所述实验段2-2入口实验气体压力、流量分别由实验气体减压阀1-3a、气体流量控制器1-5控制，实验系统运行压力由背压阀6控制。
14.所述实验段2-2进出口气体温度、壁面温度由测温探头测量，根据需求对测温探头进行合理布置。
15.所述预冷器3-3采用液氮作为冷源对实验气体进行预冷，预冷器3-3为管壳式换热器。
16.所述实验系统设置接地保护，实验段子系统与其相连接部件设置电绝缘。
17.所述实验系统运行压力0.1～5mpa，实验段入口温度100～280k，加热功率0～100kw。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.1)本发明可实现多种低温气体流动换热特性研究，通过调节减压阀、背压阀、气体流量控制器和直流电源实现不同热工参数下的低温气体流动换热特性实验；
20.2)本发明具有模块化特点，可采用不同几何形状尺寸、单通道或多通道、不同金属或合金材料的管材实验段。
附图说明
21.图1为本发明一种开式低温气体工质换热实验系统布置图。
具体实施方式
22.为更好说明本发明，现结合附图对本发明工作原理作以详细描述。
23.如图1所示，本发明的实验系统包括供气子系统、实验段子系统、预冷子系统、抽真空子系统、水冷换热器5、背压阀6、阻火器7。实验系统设置接地保护，实验段子系统与其相连接部件设置电绝缘。
24.包括供气子系统、预冷子系统、实验段子系统、抽真空子系统、水冷换热器5、背压阀6和阻火器7；
25.所述供气子系统由实验气体气瓶组1-1、吹扫气体气瓶组1-2、实验气体减压阀1-3a、实验气体球阀1-4a、吹扫气体减压阀1-3b、吹扫气体球阀1-4b、气体流量控制器1-5、气体流量计1-6及其连接的管路组成；实验气体气瓶组1-1内储存实验气体，吹扫气体气瓶组1-2内储存实验系统清洁吹扫气体；实验气体气瓶组1-1依次通过实验气体减压阀1-3a和实验气体球阀1-4a后再通过气体流量控制器1-5和气体流量计1-6连接预冷子系统的预冷器3-3管侧入口，吹扫气体气瓶组1-2依次通过吹扫气体减压阀1-3b和吹扫气体球阀1-4b后再通过气体流量控制器1-5和气体流量计1-6连接预冷子系统的预冷器3-3管侧入口，其中气体流量控制器1-5用以控制气体流量大小、气体流量计1-6用以测量气体流量；
26.所述预冷子系统由液氮储罐3-1、液氮储罐阀门3-2、预冷器3-3及其管路组成；液氮储罐3-1通过液氮储罐阀门3-2与预冷器3-3壳侧相连，为预冷器3-3提供液氮冷却工质；预冷器3-3管侧出口连接实验段子系统的入口混合腔2-1入口；
27.所述实验段子系统由入口混合腔2-1、实验段2-2、出口混合腔2-3、真空腔2-4、直流电源2-5和夹持电极2-6组成；入口混合腔2-1、出口混合腔2-3分别与真空腔2-4通过法兰连接，实验段2-2贯穿入口混合腔2-1、出口混合腔2-3和真空腔2-4三个腔室；实验气体依次进入入口混合腔2-1、实验段2-2和出口混合腔2-3；夹持电极2-6在真空腔2-4内夹持实验段2-2两端，并由与其连接的直流电源2-5供电，为实验段提供能量；出口混合腔2-3出口与水冷换热器5气侧入口相连，水冷换热器5气侧出口通过与背压阀6与实验回路排气管道相连；水冷换热器5用于实验气体的降温散热，背压阀6用于控制实验系统压力；实验回路排气管道上安装有阻火器7提供安全保护，实验回路排气管道出口安装有滤网和遮挡帽防止异物进入；
28.所述抽真空子系统由第一阀门4-1a、第二阀门4-1b、真空泵4-2、止回阀4-3及其管路组成；其中真空泵4-2分别通过第一阀门4-1a和第二阀门4-1b与实验回路的入口混合腔2-1入口和真空腔2-4相连；真空泵4-2用于实验回路和真空腔2-4抽真空；真空腔2-4抽真空一方面减少热损失，另一方面减少实验段高温氧化；真空泵4-2出口通过止回阀4-3与实验回路排气管道相连。
29.作为本发明的优选实施方式，实验段2-2、入口混合腔2-1、出口混合腔2-3、液氮储罐3-1、预冷器3-3及其连接的管路均采用绝缘绝热材料包裹，减少热量损失。
30.实验段2-2加热功率由直流电源提供。实验段2-2入口实验气体压力、流量分别由实验气体减压阀1-3a、气体流量控制器1-5控制，实验系统运行压力由背压阀6控制。
31.作为本发明的优选实施方式，所述实验气体气瓶组1-1中的气体工质优先采用氢气、氦气、氩气、氮气、空气、二氧化碳气体中的一种、两种或两种以上的混合气体。
32.作为本发明的优选实施方式，实验段2-2材料优先采用不锈钢、镍合金、因科镍、碳化硅、钼及其合金、钽及其合金或钨及其合金。
33.作为本发明的优选实施方式，实验段2-2几何结构优选采用圆形、方形、六边形或椭圆形截面，通道为单通道或并联多通道结构。
34.作为本发明的优选实施方式，预冷器3-3冷源为液氮，预冷器优选为管壳式换热器。
35.作为本发明的优选实施方式，入口混合腔2-1与出口混合腔2-3为多层折流结构。
36.作为本发明的优选实施方式，水冷换热器5优选为管壳式或套管式换热器。
37.作为本发明的优选实施方式，本实验系统运行压力为0.1～5mpa，实验段入口温度为100～280k，加热功率为0～100kw。
38.本发明所述实验系统的工作流程表述如下：
39.实验开始前，打开吹扫气体减压阀1-3b、吹扫气体球阀1-4b和背压阀6，用吹扫气体气瓶组1-2中高压清洁吹扫气体将实验系统管道吹扫干净。吹扫完毕后，将吹扫气体减压阀1-3b、吹扫气体球阀1-4b和背压阀6关闭，将第一阀门4-1a和第二阀门4-1b打开，启动真空泵4-2将实验回路和真空腔2-4抽真空。待真空度达到实验要求后，关闭第一阀门4-1a、第二阀门4-1b和真空泵4-2。打开实验气体减压阀1-3a和实验气体球阀1-4a，将实验气体减压阀1-3a设定好运行压力，实验回路内充满实验气体。
40.实验开始后，打开背压阀6，调节气体流量控制器1-5控制气体流量，设置直流电源2-5加热功率。实验气体从实验气体气瓶组1-1经过实验气体减压阀1-3a、实验气体球阀1-4a依次进入气体流量控制器1-5和气体流量计1-6。随后实验气体进入预冷器3-3管侧，被冷却后的气体进入入口混合腔2-1。混合后的低温气体进入实验段2-2被加热，随后进入出口混合腔2-3。此时高温气体流入水冷换热器5被冷却，冷却后的气体经背压阀6、阻火器7被排放至大气。
41.实验完成后，打开吹扫气体减压阀1-3b、吹扫气体球阀1-4b和背压阀6，用吹扫气体气瓶组1-2中高压清洁吹扫气体将实验系统管道吹扫干净。吹扫完毕后，将吹扫气体减压阀1-3b、吹扫气体球阀1-4b和背压阀6关闭。
42.本发明未详尽描述的内容均为常规技术内容。
43.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。