本發(fā)明涉及熱工實驗技術領域，具體地，涉及一種熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置及其控制方法。

背景技術：

能源動力、核能、制冷、石油化工及航空航天等工業(yè)領域內經常遇到固體壁面兩側流體之間的熱量交換，對這一傳熱過程的研究往往依賴于熱工實驗，因此，科學研究及工業(yè)設計工作中經常涉及大量熱工實驗問題，實驗過程中如何獲得穩(wěn)定的熱平衡條件是獲得準確實驗結果的關鍵，也是進一步研究流動傳熱規(guī)律及相關物理機理的基礎。因此，對熱工實驗熱平衡分析方法的研究對于改進實驗步驟、獲取精確實驗結果、掌握準確實驗規(guī)律均具有重要意義。

根據(jù)熱力學的定義可知，平衡狀態(tài)是指在沒有外界作用的情況下，工質（或系統(tǒng)）的宏觀性質不隨時間而變化的狀態(tài)。當系統(tǒng)各部分的溫度和壓力不一致時，各部分間將存在著能量的傳遞和相對位移，其狀態(tài)將隨時間而變，這種狀態(tài)稱為非平衡狀態(tài)。對熱工實驗而言，往往研究流體的流動傳熱過程，其中熱平衡條件十分關鍵。熱力學給出的熱平衡狀態(tài)定義如下：當兩個溫度不同的物體相互接觸時，它們之間將發(fā)生熱量的傳遞，如果不受其他物理影響，那么經過足夠長時間后，它們將達到相同的溫度而不再進行熱量傳遞，即達到熱平衡狀態(tài)。

目前，熱工實驗過程中為使得實驗本體能處于熱平衡環(huán)境中，往往采取包敷保溫層的手段，保溫層是選用導熱系數(shù)很小的材料制成，根據(jù)傳熱學知識可知，此時能夠減少實驗工質與外界環(huán)境之間的散熱量，使得加熱量絕大部分被流體吸收，然而這種實驗手段顯然不能獲得絕對的熱平衡環(huán)境，在不同的實驗條件散熱量的大小也存在很大差異，而能夠提供熱平衡環(huán)境是實驗裝置還很缺乏。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置，該裝置能夠自動調節(jié)熱工實驗中熱平衡環(huán)境，本發(fā)明還提供了該裝置的自動控制方法。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案是：

熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置，包括包敷在實驗管段外壁的內層保溫層、纏繞在內層保溫層外的熱補償絲、包覆在熱補償絲外的外層保溫層、向熱補償絲供電的熱補償電源，所述熱補償電源與熱補償絲構成一個串聯(lián)回路?，F(xiàn)有技術中，為了使實驗管段能處于熱平衡環(huán)境中，往往采取包敷保溫層的手段，包敷保溫層不能完全阻止熱量散失，且在不同的實驗條件散熱量的大小也存在很大差異，無法提供準確的實驗數(shù)據(jù)，而本方案中，熱補償絲采用電加熱的方式進行熱補償，利用熱補償絲的散發(fā)的熱量使實驗管段外壁所處區(qū)域周圍的溫度相等，形成絕熱條件，這樣實驗管段內的熱量就不會向外散失，加熱的功率可以根據(jù)不同的實驗條件調整，也避免了散熱量大小因條件不同造成的差異。發(fā)明人一改傳統(tǒng)的防止熱量散失的思路，提出了通過加熱補償?shù)姆绞椒乐股岬姆桨?，具有突出的特點。兩個保溫層選用導熱系數(shù)很小的材料，例如但不限于保溫棉。

作為本發(fā)明的進一步改進，上述熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置還包括分別用于采集實驗管段外壁溫度信號和內層保溫層外壁溫度信號的兩個熱電偶、根據(jù)兩個熱電偶采集的溫度信號調整熱補償絲的加熱功率的反饋電路，該反饋電路連接到串聯(lián)回路上。本方案中，進一步設置兩個熱電偶測量實驗管段外壁溫度和內層保溫層外壁溫度，以達到實驗管段外壁面所處區(qū)域周圍即內層保溫層的所在區(qū)域的溫度相同，以達到熱平衡形成絕熱條件；一旦溫度有差異則通過反饋電路調整熱補償絲的加熱功率，控制更加精確，能將熱工實驗中的非熱平衡環(huán)境更加快速穩(wěn)定地調整到熱平衡環(huán)境，以及保持熱平衡環(huán)境的穩(wěn)定，為準確測定流動工質吸熱量、獲得可靠實驗數(shù)據(jù)提供了支撐，提升了汽液兩相熱工實驗的精度和可靠性。

進一步，所述反饋電路包括對采集的溫度信號進行比較并根據(jù)比較結果輸出控制信號的運算控制器、根據(jù)運算控制器的控制信號調整串聯(lián)回路電流的反饋器，所述反饋器串聯(lián)在熱補償電源和熱補償絲之間；兩個熱電偶均與運算控制器的輸入端相連，運算控制器的輸出端連接反饋器。本實施例中，反饋器通過調整自身接入串聯(lián)回路的電阻來調整串聯(lián)回路的電流，接入電阻越大，串聯(lián)回路的電流越小，熱補償絲的加熱功率越小，反之熱補償絲的加熱功率越大。

進一步，所述串聯(lián)回路上還串聯(lián)有限流電阻，防止串聯(lián)回路上的電流過大，損壞電路中的器件，也防止熱補償絲的加熱功率過大。

進一步，所述實驗管段的外壁設置有第一測點，所述內層保溫層的外壁設置有第二測點，第一測點和第二測點各連接一根熱電偶。

進一步，所述第一測點和第二測點的高度范圍為實驗管段的1/3高度-2/3高度，使兩根熱電偶的測量試驗管段中部的實驗管段外壁溫度和內層保溫層外壁溫度，測得的溫度數(shù)據(jù)更具有熱工實驗熱平衡環(huán)境的代表性。

熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置的控制方法，包括以下步驟：

S11、兩根熱電偶分別測量實驗管段外壁溫度Tw1和內層保溫層外壁的溫度Tw2，測得的溫度信號發(fā)送給運算控制器；

S12、運算控制器比較Tw1、Tw2的大小, 如果Tw1>Tw2跳轉到步驟S13；如果Tw1<Tw2，跳轉到步驟S14；如果Tw1=Tw2，跳轉到步驟S11；

S13、提高熱補償絲的熱補償加熱功率，跳轉到步驟S11；

S14、降低熱補償絲的熱補償加熱功率，跳轉到步驟S11。

上述控制方法的主要思想是在熱工實驗過程中，通過熱補償加熱的方式始終保持實驗管段外壁面與內層保溫層的外壁面的溫度相同，以形成絕熱條件。

進一步，步驟S13中，提高熱補償絲的熱補償加熱功率的方法是：反饋器減小接入串聯(lián)回路的電阻，提高串聯(lián)回路的電流。

進一步，步驟S14中，降低熱補償絲的熱補償加熱功率的方法是：反饋器增大接入串聯(lián)回路的電阻，減小串聯(lián)回路的電流。

綜上，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明熱補償絲采用電加熱的方式進行熱補償，利用熱補償絲的散發(fā)的熱量使實驗管段外壁所處區(qū)域周圍的溫度相等，達到熱平衡條件，避免實驗管段內的熱量向外散失；加熱的功率可以根據(jù)不同的實驗條件調整，也避免了散熱量大小因實驗條件不同造成的差異，為熱工實驗提供了穩(wěn)定的熱平衡環(huán)境。

2、本發(fā)明還設置了兩個熱電偶測量實驗管段外壁溫度和內層保溫層外壁溫度，并通過反饋電路調節(jié)熱補償絲加熱功率，以達到實驗管段外壁面所處區(qū)域周圍溫度相同，以達到熱平衡形成絕熱條件；一旦溫度有差異則通過反饋電路調整熱補償絲的加熱功率，控制更加精確，能將熱工實驗中的非熱平衡環(huán)境更加快速穩(wěn)定地調整到熱平衡環(huán)境，以及保持熱平衡環(huán)境的穩(wěn)定，為準確測定流動工質吸熱量、獲得可靠實驗數(shù)據(jù)提供了支撐，提升了汽液兩相熱工實驗的精度和可靠性。

3、本發(fā)明結構簡單緊湊、使用方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是實施例4中的反饋器的一種實施方式示意圖。

附圖中標記及相應的零部件名稱：1-實驗管段； 2-內層保溫層； 3-外層保溫層； 4-第一測點；5-第二測點； 6-熱補償絲； 7-熱電偶； 8-熱補償電源； 9-運算控制器； 10-反饋器； 11-聯(lián)接法蘭。

具體實施方式

熱工實驗過程中，為獲得實驗管段1外壁面絕熱條件、準確測定流體吸熱量，須使實驗管段1處于熱平衡環(huán)境中，本發(fā)明提供一種熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置，對準確測量實驗數(shù)據(jù)、研究流體流動傳熱特性提供保證。

下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1所示，熱工實驗中，實驗管段1兩端一般通過聯(lián)接法蘭11連接回路，使實驗工質從回路流經實驗管段1后再流入回路。

圖1是實驗管段1以及熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置沿實驗管段1軸向的截面圖，本實施例中的熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置包括內層保溫層2、外層保溫層3、熱補償絲6，其中：

內層保溫層2包敷在實驗管段1外壁，熱補償絲6均勻纏繞在內層保溫層2外，外層保溫層3包覆在熱補償絲6外，這樣熱補償絲6位于內層保溫層2和外層保溫層3之間。熱補償電源8與熱補償絲6構成一個串聯(lián)回路，用于向熱補償絲6供電，本實施例中，熱補償電源8為直流電源，熱補償絲6為電熱絲，在熱補償電源8的供電下，電熱絲發(fā)熱，在內層保溫層2和外層保溫層3之間發(fā)熱，對該部分區(qū)域的保溫層進行加熱，使實驗管段1外壁與內層保溫層2之間溫度趨于相等，建立熱工實驗過程中熱平衡環(huán)境，為準確測定流動工質吸熱量、獲得可靠實驗數(shù)據(jù)提供支撐，提升汽液兩相熱工實驗的精度和可靠性。

綜上，本實施例中的熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置可實現(xiàn)流體流動換熱實驗過程中絕熱邊界條件，使實驗環(huán)境達到熱平衡狀態(tài)，適用于高校、科研單位的科學研究及工業(yè)領域設備設計工作。

實施例2：

在實施例1的基礎上，為了提高熱補償時加熱的可控性，本實施例中的熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置還包括兩個熱電偶7、根據(jù)兩個熱電偶7采集的溫度信號調整熱補償絲6的加熱功率的反饋電路，該反饋電路連接到串聯(lián)回路上。

所述實驗管段1的外壁設置有第一測點4、所述內層保溫層2的外壁設置有第二測點5，第一測點4和第二測點5各連接一根熱電偶7，兩根熱電偶7連接反饋電路，兩根熱電偶7分別用于采集實驗管段1外壁的溫度信號和內層保溫層2外壁的溫度信號，采集的溫度信號發(fā)送給反饋電路，反饋電路根據(jù)采集的溫度信號調整熱補償絲6的加熱功率，具體地，實驗管段1外壁的溫度Tw1大于保溫層2外壁的溫度Tw2時，反饋電路提高熱補償絲6的加熱功率；實驗管段1外壁的溫度Tw1小于保溫層2外壁的溫度Tw2時，反饋電路降低熱補償絲6的加熱功率；使實驗管段1外壁的溫度Tw1與保溫層2外壁的溫度Tw2趨于相等，實驗管段1壁面處形成絕熱條件，實驗環(huán)境達到熱平衡狀態(tài)。

進一步，所述第一測點4和第二測點5的高度范圍為實驗管段1的1/3高度-2/3高度，將熱電偶7測點布置在試驗管段1的中部位置處，采集的數(shù)據(jù)可信度更高。

實施例3：

在實施例2的基礎上，本實施例中的對反饋電路進行進一步改進：

所述反饋電路包括運算控制器9和反饋器10，運算控制器9具有兩個輸入端，其兩個輸入端各連接一個熱電偶7，輸出端連接反饋器10，運算控制器9對兩個熱電偶7采集的溫度信號進行比較，根據(jù)比較結果向反饋器輸出控制信號；反饋器10串聯(lián)在熱補償電源8和熱補償絲6之間，根據(jù)運算控制器9的控制信號調整串聯(lián)回路的電流。

進一步地，為了防止串聯(lián)回路上的電流過大，所述串聯(lián)回路上還串聯(lián)有限流電阻，本實施例中在熱補償絲6兩端分別串聯(lián)限流電阻R1和限流電阻R2。

本實施例中，調節(jié)串聯(lián)回路的電流主要通過調節(jié)反饋器10接入串聯(lián)回路的阻值實現(xiàn)，其接入串聯(lián)回路的阻值越大，串聯(lián)回路的電流就越小，熱補償絲6的加熱功率就越小，反之接入串聯(lián)回路的阻值越小，熱補償絲6的加熱功率就越大。

熱工實驗熱平衡環(huán)境自動控制裝置的控制方法，包括以下步驟：

S11、兩根熱電偶7分別測量實驗管段1外壁溫度Tw1和內層保溫層2外壁的溫度Tw2，測得的溫度信號發(fā)送給運算控制器9；

S12、運算控制器9比較Tw1、Tw2的大小, 如果Tw1>Tw2跳轉到步驟S13；如果Tw1<Tw2，跳轉到步驟S14；如果Tw1=Tw2，跳轉到步驟S11；

S13、提高熱補償絲6的熱補償加熱功率，跳轉到步驟S11；

S14、降低熱補償絲6的熱補償加熱功率，跳轉到步驟S11。

步驟S13中，提高熱補償絲6的熱補償加熱功率的方法是：反饋器10減小接入串聯(lián)回路的電阻，提高串聯(lián)回路的電流。

步驟S14中，降低熱補償絲6的熱補償加熱功率的方法是：反饋器10增大接入串聯(lián)回路的電阻，減小串聯(lián)回路的電流。

實施例4：

在實施例2或實施例3的基礎上，本實施例中提供一種反饋器10的實施方式。如圖2所示，所述反饋器10包括電阻R3、電阻R4和繼電器K，電阻R4和繼電器K串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R3兩端，電阻R3串聯(lián)在熱補償絲6和熱補償電源8之間或串連在限流電阻與熱補償電源8之間，繼電器K處于常開狀態(tài)。

運算控制器9對兩個熱電偶7采集的溫度信號進行比較，如果Tw1>Tw2，運算控制器9輸出高電平信號，繼電器K閉合，電阻R3、電阻R4并聯(lián)，反饋器10的電阻減小，串聯(lián)電路電流增大，熱補償絲6的熱補償加熱功率提高；如果Tw1<Tw2，運算控制器9輸出低電平信號，繼電器K斷開，僅電阻R3接入串聯(lián)回路，反饋器10的電阻增大，串聯(lián)電路電流減小，熱補償絲6的熱補償加熱功率降低；從而實現(xiàn)了熱平衡環(huán)境的自動控制，最終實驗環(huán)境達到熱平衡狀態(tài)。實際應用中，還可以采用其他的方式實施反饋器10和運算控制器9，運算控制器9采用例如但不限于PLC、FPGA、CPLD等器件。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。