[发明专利]可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法

说明书

本发明涉及一种可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法，系统包括被测材料、边界层、与边界层连接形成流体工质循环回路的加热水箱、分别设在边界层和加热水箱内的加热件、分别通过双向开关与两个加热件连接的可调电源；边界层内均匀布置有温度变送器，用于监测边界层内流体工质的温度；流体工质循环回路上设有位于边界层进出口处的阀门；还包括控制系统，用于以各温度变送器测量结果的平均值作为被控量调节可调电源的大小从而控制加热件的发热量，并结合对阀门的控制，实现三类热边界条件的模拟和切换；以及温度场监测系统，用于对被测材料中的温度场变化进行可视化实时监测。极大地提高实验操作的稳定性、灵活性和系统性。

技术领域

本发明涉及热工测量实验技术领域，尤其是一种可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法。

背景技术

传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学。传热学的研究方法主要有实验测定、理论分析和数值模拟，其中实验测定在实验仪器上存在很大的限制，且传热实验在可控和实验现象可视化方面往往不能达到数值模拟的效果，理论分析方法又难以得到传热方程的解析解，而数值模拟方法不能严格保证结果的准确性，所以一种结构简单、结果可靠的传热实验装置具有很大的需求市场。

现有传热实验装置在考虑美观和集成性的同时，也增加了实验系统的复杂性和紧凑度，不利于对实验原理和试验台结构的认识。此外，自来水通常被作为传热实验的冷却介质，然后作为实验废水排掉，与现有节能减排的实验理念相矛盾。更重要的是，由于传热学中存在三种完全不同的边界条件，分别为恒温边界、恒热流边界和对流传热边界。现有传热实验装置，尤其是实验室用精密仪器，通常只能满足一种边界条件，更甚者只能满足一个试验工况的需求。以此不仅很大程度上复杂化实验室的布置，对操作者也提出了更高的要求，此种单一功能的实验装置几乎不能完成不同边界条件下被测材料温度场的对比变化实验，减弱了试验台的可扩展性和协同工作能力。

大多数传统实验装置，使用手动调节方式构建系统稳态，然后对稳定状态下的单点实验数据进行分析，从而弱化了实验装置的工程代表性。工程应用中，目标物体的温度场往往随着时间的变化而变，或者是一种周期性的非稳态传热过程，对目标物体加热过程中温度场变化过程的直观认识可以深化对传热问题的认识。所以总的来说，传统传热实验装置面临的主要技术问题如下：

结构复杂且不能满足多边界条件之间的灵活切换；

能源消耗量较大，不符合节能减排的实验准则；

手动调节稳态的速度较慢，时间长；

可视化程度较低，单点温度分析限制了对材料热力学性质的认识。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可实现多边界条件的传热实验系统及实验方法，目的是实现多边界条件之间的灵活转换。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面提供一种可实现多边界条件的传热实验系统，包括被测材料、设在所述被测材料外部的保温层、设在被测材料中的边界层、与所述边界层连接形成流体工质循环回路的加热水箱、分别设在边界层和加热水箱内的加热件、分别通过双向开关与两个加热件连接的可调电源；

所述边界层内均匀布置有温度变送器，用于监测边界层内流体工质的温度；

所述流体工质循环回路上设有工质泵、以及设在边界层进出口处的阀门；

还包括控制系统，用于以各温度变送器测量结果的平均值作为被控量调节所述可调电源的大小从而控制所述加热件的发热量，并结合对所述阀门的控制，实现三类热边界条件的模拟和切换；

以及温度场监测系统，用于对被测材料中的温度场变化进行可视化实时监测。

进一步技术方案为：