基于压力和温度控制的汽化泡试验装置 |
|||||||
| 申请号 | CN201610498323.7 | 申请日 | 2016-06-29 | 公开(公告)号 | CN106197943A | 公开(公告)日 | 2016-12-07 |
| 申请人 | 北京理工大学; | 发明人 | 王国玉; 陈泰然; 黄彪; 张敏弟; 刘影; 高德明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及基于压 力 和 温度 控制的 汽化 泡试验装置，属于 空泡 动力学领域。试验罐上方开设有六个通孔，两根 电极 穿过通孔悬空固定在试验罐内部，两根电极底端各连接一根 铜 丝，压力和温度 传感器 分别穿过通孔悬空固定在试验罐内部，液体输送管 阀 门 通过液体输送管与试验罐内连通，气体 接口 阀通过管道与试验罐内连通，电加 热管 悬浮放置在试验罐内部；试验罐放置在 真空 罐中并通过 法兰 盘实现隔离和密封，试验罐和真空罐 侧壁 均开有 可视化 观察窗；高速相机镜头的轴线与可视化观察窗的轴线重合，冷 光源 透过观察窗向试验罐内打光；本发明结构简单，调节方便，能实现常温和低温液体在不同压力和温度条件下汽化泡演变过程形态、压力和温度数据的同步采集。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于压力和温度控制的汽化泡试验装置，其特征在于：包括真空罐部分、试验罐部分、辅助设备部分、数据采集系统； |
||||||
| 说明书全文 | 基于压力和温度控制的汽化泡试验装置技术领域背景技术[0002] 当一定温度的液体内部局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，或者当一定压力的液体内部局部温度升高到液体的沸点时，就会产生汽化现象，同时溶解于液体中的气体也会析出，一同形成汽泡，当汽泡周围的压力升高或者温度降低，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。这种液体内部汽泡的产生、发展、溃灭，以及由此引发的一系列物理和化学变化过程即为汽化泡的演变过程。 [0003] 汽化泡广泛存在于流体机械、传热传质、能源及航空航天等工程领域。例如，在水力机械、液体火箭发动机与动力机械的燃料供应系统以及火力与核电的回路中，空化是一种十分常见的现象，空化的发生往往会导致机器效率下降并引起振动、噪声和材料表面破坏等问题，严重时会使机器不能正常工作；在燃烧装置与电子器件中，通过沸腾来强化散热效果；也有研究人员利用空化及沸腾这种汽化过程来实现灭菌、制备小分子水、污水处理以及材料表面改性等。汽化泡的演变包含了丰富的物理化学信息，一直以来备受研究人员的关注。汽化泡的演变过程在不同液体介质中存在明显差异，并且会显著受到液体压力和温度的影响。 [0004] 研究人员通常采用实验方法对汽化泡的演变过程进行研究，经文献检索发现，中国专利公开号：CN104792492A，专利名称：一种尺寸可控的低电压气泡发生实验装置，公开了一种基于普通交流电源的尺寸可控的低电压气泡发生实验装置，能够在低电压的安全环境下在指定位置生成直径大小可控的气泡，并对气泡从生成到溃灭的过程进行观察分析。然而，该实验装置只能对常温常压下为液态的液体开展实验并且无法对实验液体的压力和温度进行调节。中国专利公开号：CN104296961A，专利名称：减压环境下大尺度气泡实验装置及方法，公开了一种减压环境下大尺度气泡实验装置及方法，能够生成大尺度气泡并进行气泡机理研究。虽然该装置能够实现减压，但依然只能对常温常压下为液态的液体开展实验并且无法对实验液体加压和温度调节。现有试验装置均无法满足科学研究中对多种研究液体在不同压力和温度条件下生成汽化泡并开展研究工作的实际需求。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术无法满足实际需求的问题，提供基于压力和温度控制的汽化泡试验装置。该试验装置能实现常温液体和低温液体汽化泡的生成及汽化泡演变过程的可视化图像采集，研究液体的压力和温度可进行大范围调节，所获取的试验数据对汽化泡机理研究有重要价值。 [0006] 本发明是通过下述技术方案实现的。 [0008] 真空罐部分用于提供真空环境；包括真空罐、真空接口、真空罐法兰盘、第一观察窗、第一法兰盘、第二法兰盘，连接关系：真空罐为上方敞口的圆柱形罐体，第二法兰盘中心通孔的直径与真空罐的外径相同，真空罐的上边缘与第二法兰盘的上表面平齐，通过焊接固定；在真空罐的侧壁沿同一圆周方向开设圆形通孔；第一观察窗为具有厚度的圆片，真空罐法兰盘和第一法兰盘的内径和外径相同，真空罐法兰盘的外径与真空罐开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第一观察窗的外径大于真空罐法兰盘的内径但与螺栓孔不干涉，第一法兰盘通过螺栓将第一观察窗压紧在真空罐法兰盘上，真空罐的通孔、真空罐法兰盘、第一观察窗和第一法兰盘的轴线重合；真空罐的侧壁上开设有真空接口。 [0009] 试验罐部分用于生成汽化泡，并为汽化泡的演变过程提供空间；包括：试验罐、试验罐法兰盘、第二观察窗、第三法兰盘、第四法兰盘、电极、铜丝、液体输送管、液体输送管阀门、泄压阀、气体接口阀、电火花控制器，连接关系：试验罐为上方敞口的圆柱形罐体，第四法兰盘为实心法兰盘，试验罐的上边缘与第四法兰盘的下表面平齐，中心轴线重合，通过焊接固定；在试验罐的侧壁沿同一圆周方向开设圆形通孔；第二观察窗为具有厚度的圆片，试验罐法兰盘和第三法兰盘的内径和外径相同，试验罐法兰盘的外径与试验罐开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第二观察窗的外径大于试验罐法兰盘的内径但与螺栓孔不干涉，第三法兰盘通过螺栓将第二观察窗压紧在试验罐法兰盘上，试验罐的侧壁的通孔、试验罐法兰盘、第二观察窗和第三法兰盘的轴线重合；第四法兰盘的中心轴线两侧开设有两个通孔，两根电极穿过通孔插入到试验罐内的液体中，电极悬空固定在第四法兰盘上并用密封胶进行密封，两根电极的顶端分别通过电线与电火花控制器连接，两根电极底端各连接一根铜丝，两根铜丝的底端间隔的距离小于电火花的击穿距离，两根铜丝的底端连线与试验罐侧壁通孔以及真空罐侧壁通孔的中心线重合；第四法兰盘开设有通孔，液体输送管穿过通孔并与孔壁固定连接；液体输送管与液体输送管阀门固定连接；第四法兰盘开设有通孔并通过焊接管道与气体接口阀连接，第四法兰盘与气体接口阀之间的管道上还设有旁通管道与泄压阀连接。试验罐放置到真空罐中，并通过第二法兰盘与第四法兰盘上的法兰孔固定； [0010] 辅助设备部分用于实现压力和温度的调节；包括：第一真空泵、氦气钢瓶、第二真空泵、电加热管、电加热管开关、第一真空泵阀门、氦气钢瓶阀门，连接关系：气体接口阀通过管路分别与第一真空泵和氦气钢瓶连接，并分别通过第一真空泵阀门和氦气钢瓶阀门控制气体的输送；第二真空泵与真空罐侧壁上开设的真空接口连通；电加热管悬浮放置于试验罐的液体中；电加热管通过电线与电加热管开关连接。 [0011] 数据采集系统用于显示并采集试验罐内的压力和温度数据，采集并存储汽化泡生成及溃灭过程的图像数据；包括：冷光源、光源控制器、高速相机、压力传感器、温度传感器、压力采集器、温度采集器、计算机，连接关系：冷光源与光源控制器通过控制线连接，冷光源透过第一观察窗和第二观察窗向试验罐内打光；高速相机的镜头的轴线与第一观察窗的轴线重合，高速相机通过控制线与计算机连接；第四法兰盘上开设有两个通孔，压力传感器和温度传感器分别穿过通孔插入到试验罐内的液体中；压力传感器和温度传感器的顶端分别通过数据线与压力采集器和温度采集器连接，压力采集器和温度采集器分别通过数据线与计算机连接。 [0012] 所述真空罐侧壁开设的圆形通孔之间的距离相等；圆形通孔的数量至少为两个； [0013] 所述真空罐法兰盘与试验罐法兰盘上的螺栓孔为半通孔； [0014] 所述第一观察窗和第二观察窗的内外两侧均贴有密封垫圈；所述第二法兰盘和第四法兰盘之间夹有密封圈；密封圈起到缓冲和密封的作用；所述压力传感器、温度传感器和电极通过法兰盘悬空固定在第四法兰盘上并用密封胶进行密封； [0015] 所述压力传感器和温度传感器插入到试验罐内的长度不大于第四法兰盘上表面到试验罐法兰盘上沿之间的距离，即不影响高速相机的拍摄； [0016] 所述第一观察窗采用透明亚克力材质；所述第二观察窗采用石英玻璃材质； [0018] 具体工作过程： [0019] 试验开始前，所有阀门处于关闭状态；开启第二真空泵使真空罐内始终保持为准真空状态以起到隔热效果；开启液体输送管阀门，将研究液体注入试验罐内，研究液体淹没铜丝和部分电极，淹没压力传感器和温度传感器的下端，然后关闭液体输送管阀门，液体的具体高度可根据试验需要进行调节；压力采集器和温度采集器实时显示试验罐内研究液体的压力和温度； [0020] 若需要让研究液体的温度升高且该指定温度低于试验罐内压力所对应的研究液体的沸点，则打开电加热管开关，电加热管对研究液体进行加热，温度采集器实时显示试验罐内研究液体的温度，研究液体被加热到指定温度后关闭电加热管开关,若指定温度不低于试验罐内压力所对应的研究液体的沸点，则首先需要开启气体接口阀和氦气钢瓶阀门，氦气钢瓶内的高压氦气进入试验罐内使压力升高，试验罐内的压力高于所需温度对应的饱和蒸气压后关闭气体接口阀和氦气钢瓶阀门，然后再通过电加热管对研究液体进行加热升温；若需要让研究液体的温度降低，则开启气体接口阀和第一真空泵阀门，启动第一真空泵对试验罐内进行抽压，当试验罐内的压力低于该温度下研究液体的饱和蒸气压时，研究液体就会发生空化现象，研究液体汽化需要吸收热量，由于试验罐处于准真空环境无法从外界吸收热量，则只能吸收研究液体本身热量，进而使得研究液体的温度降低，当温度降低到指定温度时，关闭气体接口阀和第一真空泵阀门，关闭第一真空泵，试验罐内的压力会实现再平衡，温度基本保持不变；若需要让研究液体的压力降低，则开启气体接口阀和第一真空泵阀门，启动第一真空泵对试验罐内进行抽压，即能够降低试验罐内压力，但此压力不能低于该温度下研究液体的饱和蒸气压；若需要让研究液体的压力升高，则开启气体接口阀和氦气钢瓶阀门，氦气钢瓶内的高压氦气进入试验罐内使压力升高，达到指定压力后关闭气体接口阀和氦气钢瓶阀门，加压过程中若试验罐内压力高于泄压阀的设定压力时，泄压阀自动开启使得压力不会继续升高以保护试验装置；试验时需先调节试验罐内的温度再调节压力，即能实现对研究液体温度和压力的联合控制，开展不同温度和压力条件下的试验。 [0021] 通过光源控制器调节冷光源的强度，并调整冷光源的照射位置和角度，使高速相机拍到的铜丝附近的图像清晰可见；将试验罐内研究液体调节到所需的温度和压力后，调节并触发电火花控制器，使两根铜丝之间产生电火花，电火花周围的研究液体被快速加热而发生汽化，由于电火花产生的能量高且位置集中，因为所生成的汽化泡呈基本球形；在电火花触发的瞬间，通过计算机控制高速相机、压力传感器和温度传感器按照设定的频率同步工作，采集汽化泡演变过程中相应的数据并存储在计算机中；对采集得到的压力和温度数据和高速相机采集得到的汽化泡的形态进行分析，就能够对汽化泡演变过程进行深入研究。 [0022] 试验过程中可根据需要快速地调节试验罐内的压力和温度；阶段性试验完成后，可快速更换不同的研究液体，若之前的研究液体为常温液体，则关闭所有阀门，断开与试验罐部分相连的管道接口和连线，开启液体输送管阀门将研究液体倒出；若之前的研究液体为低温液体，则关闭第二真空泵并开启所有阀门使低温液体受热汽化溢出；之前的研究液体排出后，即可注入新的研究液体开展新一组试验。 [0023] 有益效果 [0024] 1、本发明的基于压力和温度控制的汽化泡试验装置，能够实现不同压力和温度条件下汽化泡演变过程形态、压力和温度数据的同步采集。 [0025] 2、本发明的基于压力和温度控制的汽化泡试验装置，能够对常温液体和低温液体开展试验研究。 [0027] 图1为本发明的基于压力和温度控制的汽化泡试验装置示意图； [0028] 图2为真空罐三维示意图； [0029] 其中，1—真空罐、2—真空接口、3—真空罐法兰盘、4—第一观察窗、5—第一法兰盘、6—第二法兰盘、7—试验罐、8—试验罐法兰盘、9—第二观察窗、10—第三法兰盘、11—第四法兰盘、12—电极、13—铜丝、14—电加热管、15—密封圈、16—液体输送管、17—液体输送管阀门、18—泄压阀、19—气体接口阀、20—第一真空泵、21—氦气钢瓶、22—第二真空泵、23—冷光源、24—光源控制器、25—高速相机、26—电加热管开关、27—电火花控制器、28—压力传感器、29—温度传感器、30—压力采集器、31—温度采集器、32—计算机、33—第一真空泵阀门、34—氦气钢瓶阀门。 具体实施方式[0030] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 [0031] 实施例1 [0032] 如图1所示，基于压力和温度控制的汽化泡试验装置，包括真空罐部分、试验罐部分、辅助设备部分、数据采集系统。 [0033] 如图1和图2所示，真空罐部分用于提供真空环境；包括真空罐1、真空接口2、真空罐法兰盘3、第一观察窗4、第一法兰盘5、第二法兰盘6，连接关系：真空罐1为上方敞口的圆柱形罐体，第二法兰盘6的中心通孔的直径与真空罐1的上边缘外径相同，真空罐1的上边缘与第二法兰盘6的上表面平齐，通过焊接固定；真空罐1的中间部位的侧壁，沿圆周方向等间距开设有四个圆形通孔，四个圆形通孔的大小相同；第一观察窗4为10mm厚的圆片，真空罐法兰盘3和第一法兰盘5的内径和外径相同，真空罐法兰盘3的外径与真空罐1开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第一观察窗4的外径大于真空罐法兰盘3的内径但与螺栓孔不干涉，第一观察窗4的内外两侧均贴有密封垫圈，第一法兰盘5通过螺栓将第一观察窗4压紧在真空罐法兰盘3上，真空罐1的通孔、真空罐法兰盘3、第一观察窗4和第一法兰盘5的轴线重合；真空罐1的下部侧壁上开设有真空接口2实现内外连通。 [0034] 所述第一观察窗4采用透明亚克力材质； [0035] 所述真空罐1、真空接口2、真空罐法兰盘3、第一法兰盘5、第二法兰盘6均采用不锈钢材质。 [0036] 如图1所示，试验罐部分用于生成汽化泡，并为汽化泡的演变过程提供空间；包括：试验罐7、试验罐法兰盘8、第二观察窗9、第三法兰盘10、第四法兰盘11、电极12、铜丝13、液体输送管16、液体输送管阀门17、泄压阀18、气体接口阀19、电火花控制器27，连接关系：试验罐7为上方敞口的圆柱形罐体，第四法兰盘11为实心法兰盘，试验罐7的上边缘与第四法兰盘11的下表面平齐，中心轴线重合，通过焊接固定；试验罐7的中间部位的侧壁，沿圆周方向等间距开设有四个圆形通孔，四个圆形通孔的大小相同；第二观察窗9为10mm厚的圆片，试验罐法兰盘8和第三法兰盘10的内径和外径相同，试验罐法兰盘8的外径与试验罐7开设通孔的孔径相同并通过焊接固定，第二观察窗9的外径大于试验罐法兰盘8的内径但与螺栓孔不干涉，第二观察窗9的内外两侧均贴有密封垫圈，第三法兰盘10通过螺栓将第二观察窗 9压紧在试验罐法兰盘8上，试验罐7的侧壁的通孔、试验罐法兰盘8、第二观察窗9和第三法兰盘10的轴线重合；第四法兰盘11的中心轴线两侧开设有两个通孔，两根电极12穿过通孔插入到试验罐7的内部，电极12通过法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上并用密封胶进行密封，两根电极12的顶端分别通过电线与电火花控制器27连接，两根电极12底端分别连接铜丝13，两根铜丝13的底端间隔的距离小于电火花的击穿距离，铜丝13的底端与试验罐7的侧壁的通孔的轴线位于同一平面；第四法兰盘11开设有通孔并与液体输送管16通过焊接连接，液体输送管16与液体输送管阀门17通过法兰盘连接；第四法兰盘11开设有通孔并通过焊接管道与气体接口阀19连接，第四法兰盘11与气体接口阀19之间的管道上还设有旁通管道与泄压阀18连接。 [0037] 所述第二观察窗9采用石英玻璃材质； [0038] 所述试验罐7、试验罐法兰盘8、第三法兰盘10、第四法兰盘11、液体输送管16采用不锈钢材质； [0039] 如图1所示，辅助设备部分用于实现压力和温度的调节；包括：第一真空泵20、氦气钢瓶21、第二真空泵22、电加热管14、电加热管开关26、第一真空泵阀门33、氦气钢瓶阀门34，连接关系：气体接口阀19通过管路分别与第一真空泵20和氦气钢瓶21连接，并分别通过第一真空泵阀门33和氦气钢瓶阀门34控制气体的输送；第二真空泵22与真空罐1的下部侧壁上开设的真空接口2连通；电加热管14通过支撑固定于试验罐7的底部并不与试验罐7直接接触，电加热管14通过电线与电加热管开关26连接。 [0040] 如图1所示，数据采集系统用于显示并采集试验罐7内的压力和温度数据，采集并存储汽化泡生成及溃灭过程的图像数据；包括：冷光源23、光源控制器24、高速相机25、压力传感器28、温度传感器29、压力采集器30、温度采集器31、计算机32，连接关系：冷光源23与光源控制器24通过控制线连接，冷光源23透过第一观察窗4和第二观察窗9向试验罐7内打光，具体安放位置可根据试验需要设定；高速相机25的镜头的轴线与第一观察窗4的轴线重合，高速相机25通过控制线与计算机32连接；第四法兰盘11的左侧开设有两个通孔，压力传感器28和温度传感器29分别穿过通孔插入到试验罐7的内部，压力传感器28和温度传感器29的下端与试验罐法兰盘8的上沿所在平面平齐，压力传感器28和温度传感器29通过法兰盘悬空固定在第四法兰盘11上并用密封胶进行密封，压力传感器28和温度传感器29的顶端分别通过数据线与压力采集器30和温度采集器31连接，压力采集器30和温度采集器31分别通过数据线与计算机32连接。 [0041] 安装过程如图1所示：真空罐1侧壁上的四个通孔、第二法兰盘6的螺栓孔、试验罐7侧壁上的四个通孔和第四法兰盘11的螺栓孔均采用相同的参照；所述试验罐7的直径和高度均小于所述真空罐1的直径和高度；试验罐7放置到真空罐1中，并通过第二法兰盘6与第四法兰盘11上的法兰孔固定；第二法兰盘6和第四法兰盘11之间夹有密封圈15，三者轴线重合后通过螺栓固定连接；真空罐1侧壁上的四个通孔的轴线分别与试验罐7侧壁上的四个通孔的轴线重合。 [0042] 具体工作过程： [0043] 试验需要对70K的液氮在100kPa的压力下的汽化泡演变过程进行研究。 [0044] 试验前保证所有阀门处于关闭状态；开启第二真空泵22使真空罐1内始终保持为准真空状态以确保隔热效果；开启液体输送管阀门17，利用自增压杜瓦将液氮注入试验罐7内，液氮淹没铜丝13和部分电极12，淹没压力传感器28和温度传感器29的下端达到一定高度后关闭液体输送管阀门17，液体的具体高度可根据试验需要进行调节；压力采集器30和温度采集器31实时显示试验罐7内液氮的压力和温度，此时液氮的温度为77K，由于自增压杜瓦的作用液氮的压力大于100kPa； [0045] 首先对液氮的温度进行调节，需要让液氮的温度降低，则开启气体接口阀19和第一真空泵阀门33，启动第一真空泵20对试验罐7内持续抽压，当试验罐7内的压力低于77K液氮的饱和蒸气压(约为100kPa)时，液氮就会发生空化现象，液氮汽化需要吸收热量，由于试验罐7处于准真空环境无法从外界吸收热量，则只能吸收液氮本身热量，进而使得试验罐7内液氮的温度降低，当温度降低到70K时，关闭气体接口阀19和第一真空泵阀门33，关闭第一真空泵20，此时试验罐7内的压力小于100kPa，温度基本保持在70K；然后再对试验罐7内的压力进行调节，开启气体接口阀19和氦气钢瓶阀门34，氦气钢瓶21内的高压氦气进入试验罐7内使压力升高，试验罐7内的压力达到100kPa后关闭气体接口阀19和氦气钢瓶阀门34；通过调节氦气钢瓶阀门34的大小来调节加压的速度，加压过程中若试验罐7内压力高于 300kPa时，泄压阀18自动开启使得压力不会继续升高以保护试验装置； [0046] 通过光源控制器24调节冷光源23的强度，并调整冷光源23的照射位置和角度，使高速相机25拍到的铜丝13附近的图像清晰可见；试验罐7内液氮的温度和压力稳定在70K和100kPa后，调节并触发电火花控制器27，使两根铜丝13之间产生电火花，电火花周围的液氮被快速加热而发生汽化，由于电火花产生的能量高且位置集中，因为所生成的汽化泡呈基本球形；在电火花触发的瞬间，通过计算机32控制高速相机25、压力传感器28和温度传感器 29按照设定的频率同步工作，采集液氮汽化泡演变过程中相应的数据并存储在计算机32中；对采集得到的压力和温度数据和高速相机25采集得到的汽化泡的形态进行分析，就能够对液氮汽化泡演变过程进行深入研究。 [0047] 试验过程中可根据需要快速地调节试验罐7内的压力和温度；该阶段性试验完成后，可快速更换其他的研究液体，由于研究液体为液氮，则关闭第二真空泵22使真空罐的隔热效果失效，并开启所有阀门使液氮受热汽化溢出；液氮排出后，即可注入新的研究液体开展新一组试验。 |
||||||
