[發(fā)明專利]基于低溫制冷機(jī)的流體受控液化及凝固過程可視化實(shí)驗(yàn)觀測裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610964667.2
• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN106568794B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃永華;周紹華
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/02
• 分類號(hào): G01N25/02
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于低溫制冷機(jī)的流體受控液化及凝固過程可視化實(shí)驗(yàn)觀測裝置，包括可視化實(shí)驗(yàn)腔單元、低溫流體充放氣單元、真空系統(tǒng)、控溫單元、溫度測量采集系統(tǒng)、以及低溫制冷機(jī)單元，可視化實(shí)驗(yàn)單元包含石英玻璃試樣瓶、翅片式換熱器以及轉(zhuǎn)接法蘭，它通過轉(zhuǎn)接法蘭與低溫制冷機(jī)的冷頭相連接，用于對(duì)石英玻璃試樣瓶內(nèi)的低溫流體進(jìn)行冷卻降溫，低溫流體充放氣單元的末端與氣囊或抽真空分子泵相連接，所述的真空系統(tǒng)利用分子泵實(shí)現(xiàn)石英玻璃試樣瓶以及真空腔內(nèi)部空間的真空。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了低溫流體液化及凝固過程的可視化，解決了可視化與低溫下結(jié)霜結(jié)露影響觀察的實(shí)驗(yàn)矛盾，且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可有效用于研究各種低溫流體在可控溫度下的液化及凝固特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低溫流體在可控溫度下的液化及凝固過程特性的可視化技術(shù)領(lǐng)域，關(guān)鍵是解決同時(shí)滿足低溫流體液化或凝固的低溫環(huán)境與可視化兩個(gè)方面要求的技術(shù)矛盾。

背景技術(shù)

天然氣液化后體積縮小為氣態(tài)的1/600左右，有利于槽車、槽船的長距離運(yùn)輸，其各組分的液化溫度不一，氣液混合物的液化特性復(fù)雜。又如高溫超導(dǎo)電纜大都采用過冷液氮冷卻和維持低溫環(huán)境，其過冷態(tài)通常由低溫制冷機(jī)或者抽空減壓法來實(shí)現(xiàn)，過低的溫度或者壓力都有可能使得液氮凝固。再如正逐步取代傳統(tǒng)有毒航天推進(jìn)劑的液氫/液氧低溫液體推進(jìn)劑，無論是地面過冷補(bǔ)加還是氫漿貯存，都涉及液固之間的相變。在上述應(yīng)用領(lǐng)域，都有必要了解低溫流體的液化特性、液化后的流體形態(tài)以及液固相變(凝固和熔化)特性。由于低溫流體液化點(diǎn)及凝固點(diǎn)溫度都非常低，給在受控條件下觀測流體的液化和凝固過程帶來了困難。不同的低溫流體其液化后的液體形態(tài)，以及凝固后的固體形態(tài)又不盡相同，通過可視化觀測有助于理解氣液和固液相變的共性機(jī)理和差異特性，而這需要具備安全、方便、可靠且可重復(fù)性操作的相關(guān)可視化觀測實(shí)驗(yàn)裝置。

經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，

授權(quán)公告號(hào)CN204791758U的專利公開了一種面向?qū)ο蟮牡蜏乩淠梢暬瘜?shí)驗(yàn)裝置，包括真空箱，以及布置于真空箱內(nèi)的冷凝裝置和再沸器；再沸器用于提供換熱介質(zhì)的蒸汽，蒸汽經(jīng)過回液管循環(huán)至冷凝裝置內(nèi)發(fā)生氣液轉(zhuǎn)換并通過可視光窗和拍攝裝置實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)。但該低溫冷凝可視化實(shí)驗(yàn)裝置無法對(duì)低溫流體的凝固(液固相變)過程進(jìn)行觀測記錄；且其冷量來源于低溫儲(chǔ)液池，相對(duì)于低溫制冷機(jī)而言很難實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的連續(xù)溫度調(diào)節(jié)和精確控制。

申請公布號(hào)CN104634537U的專利公開了一種適用于低溫氣液兩相摻混的可視化實(shí)驗(yàn)裝置，包括上接嘴管、下接嘴管、氣體接入管、上下密封法蘭工裝、連接螺桿以及內(nèi)外層玻璃管和抽真空管；內(nèi)層玻璃管內(nèi)進(jìn)行低溫流體與氣體的混合流動(dòng)，高速攝影儀則透過內(nèi)外玻璃管對(duì)內(nèi)層玻璃管內(nèi)的現(xiàn)象進(jìn)行拍攝。該裝置的低溫流體需直接由外部提供冷態(tài)流體，且無法控制其內(nèi)部兩相流體的溫度，更不具備使低溫氣體液化或者低溫液體固化的冷源條件，不適合低溫流體液化及凝固的可視化受控研究。

再如文獻(xiàn)“Condensation studies of saturated nitrogen vapors”(CryogenicEngineering,1970,15:308)中公開了氮?dú)獾呢Q直管外冷凝實(shí)驗(yàn)，使用儲(chǔ)存在液氮儲(chǔ)槽及與之相連的豎直無氧銅管內(nèi)的液氮作為冷源。文獻(xiàn)“Laminar film condensation heattransfer of hydrogen and nitrogen inside a vertical tube“(Heat Transfer-AsianResearch,2001,30(7):542-560)中公開的氮/氫液化冷凝實(shí)驗(yàn)裝置以兩級(jí)G-M制冷機(jī)為冷源，將一根一端封閉的冷凝管固定在制冷機(jī)冷頭上，冷凝管與低溫氣體連接，從而實(shí)現(xiàn)低溫氣體在制冷機(jī)冷頭上液化。但是該實(shí)驗(yàn)裝置僅能獲得液化效果和液體產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫流體的液化及凝固過程的全程可視化觀測。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，尚未有基于低溫制冷機(jī)的、可對(duì)流體液化及凝固過程進(jìn)行可視化受控研究的實(shí)驗(yàn)觀測裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于低溫制冷機(jī)的流體受控液化及凝固過程可視化實(shí)驗(yàn)觀測裝置，用于演示和觀測各種低溫流體在可控溫度下的液化及凝固過程及特性。