CN103278308B - 一种深低温两相逆流过程可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深低温两相逆流过程的可视化实验装置。它包括集液段、测试段、法兰盘、进液锥管。集液段上焊接有进气管和出液管。测试段的内外管为两根不同直径的同心透明有机玻璃圆管，内管为低温流体流道，上端为液体进口，下端为气体进口，内管与外管之间的夹层抽真空绝热。外管两端连接金属法兰，内管上端连接法兰，下端依次连接一个喇叭形金属连接构件，波纹管。波纹管通过过渡件与集液段的法兰焊接。两管上端法兰面齐平，下端法兰面与集液段的法兰面也通过聚四氟乙烯垫圈螺栓密封。在内管下法兰的另一侧，焊接有圆柱形金属储液器，与内管同轴并连通。本发明实现了深低温两相逆流过程的可视化，并解决了深低温下真空绝热问题。

Description

一种深低温两相逆流过程可视化实验装置

技术领域

本发明涉及低温流体流动实验装置，尤其涉及一种深低温两相逆流过程可视化实验装置。

背景技术

当今大型空分系统普遍使用规整填料塔代替塔板塔，实现汽液之间的传热、传质过程。在规整填料塔内，液态空气在重力作用下沿填料表面以液膜形式向下流动，而低温气体沿填料和液膜间的空隙向上，与液体形成逆流。当两者相对速度达到一定值时引起液泛现象，即向下的部分或全部液体被向上的气体带走，同时气体压降急剧上升。液泛现象是限制规整填料塔单位体积处理量提高的主要因素。液泛现象除了与两相速度密切相关，也与流道结构、流道倾角及流体热力学物性等相关。到目前为止，对液泛的机理认识，特别是深低温流体的机理，还缺少可靠的实验数据来支撑。

深低温流体流动过程的可视化实验装置对于研究低温流体，如液氮，液氧等，单相和两相流动状态及传热传质过程有着重要的意义。借助该实验装置，可以可视化观察、借助高速摄像机拍摄流体流动过程的形态转变特性，是研究诸如液泛等流体现象不可缺少的装置。对于深低温流体的实验装置，其绝热性能至关重要，真空是唯一满足绝热要求的方法。同时该装置又要满足可视化条件，不但要选择耐低温的透明材料，而且为满足真空绝热，又给结构设计带来挑战。特别是透明有机玻璃管与金属接头的热膨胀系数相差较大，两者同时与低温流体接触，工作环境恶劣，导致在室温下具有良好密封性能的装置，在深低温密封性能变差，甚至由于轴向上的收缩而导致管路断裂。因此，需要一种能够适用于深低温环境，并能解决低温下由于材料热胀冷缩不同而破坏低温真空绝热性问题的装置。

现有的技术中，已有针对一般低温的可视化实验装置。中国专利CN 202420046 U公开了一种可视化动态水过冷冻结的实验装置。该装置包括外管和嵌套在外管内的内管，内管与外管间留有空腔，外管采用透明材料制成，两端封闭，设有出水口和进水口。该实用新型的外管采用有机玻璃材料，水在外管中循环流动，保证实验过程的透明程度，便于从外部对实验过程直接进行拍摄，从而更好的控制实验的进行，便于从外部对实验过程直接进行拍摄。但是以上的试验台并不能满足深低温的可视化和绝热要求。

中国专利CN201110225019.2公开了一种耐高低温的摄像监视装置，其主要包括外筒和波纹管内筒。外筒与内筒之间采用真空多层绝热的保温措施，当外部环境工况为高温工况时采用氮气冷却，当外部环境工况为低温工况时采用主动加热补偿，实现在高低温环境下摄像监视及照明设备正常工作。但是该装置仅适合于观察静态的低温介质，并不能满足观察深低温流体流态变化的要求。

Zapke在文献[1]中公布了一种观察气液两相流体逆流的可视化方法，其流道为矩形，由透明的亚克力有机玻璃板构成，不过由于该装置工况为室温，所以不涉及绝热。张鹏在文献[2]中公布了一种观察微细通道内液氮流动沸腾的流型特性的实验装置，该装置也采用真空绝热，并用一段较小的透明观察窗观察液氮沸腾的流型。但是其装置仅一个液体进口和出口，观察窗较小，并不能很好的观察低温流体气液相互作用引起的流型的变化。CEA-Grenoble在文献[3]中公开了两种用于观察低温下两相流的装置，第一个装置是将高速摄像机(CCD)与由Pyrex玻璃构成的流体观察段均放置在真空中，来观察流态的变化。不过这种方法将相机置于真空和深低温下，对相机以及镜头的要求很高。第二个装置涉及低温恒温槽内零重力下的液氢相变可视化。不过其装置不能实现两相逆流流体的流态观察。

Takada在文献[4]中公开了一种用投影法实现深低温下窄通道内流体相界面的可视化装置。Pfotenhauer在文献[5]中公开了一种用玻璃光纤束作为可视化方法来观察深低温下窄通道内液氮的核态沸腾。不过以上两种装置均不能实现观察深低温流体流态的功能，与本发明的结构也完全不同。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种深低温两相逆流过程可视化实验装置。

深低温两相逆流过程可视化实验装置包括集液段、测试段、下端面聚四氟乙烯垫圈、法兰盘、进液锥管、外管上法兰聚四氟乙烯垫圈、小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈；集液段包括气体进口管、第一压力传感器、集液器壳体、内管下法兰、液体出口管、过渡件，集液器壳体一端设有封头，封头上设有液体出口管，集液器壳体中心设有气体进口管，并与集液器壳体封头固定，集液器壳体另一端与内管下法兰一侧相连，内管下法兰另一侧与过渡件一端相连，气体进口管上设有第一压力传感器；

测试段包括外管下法兰、波纹管、数据线接头、喇叭形连接构件、外管连接构件、小管支撑板、外管、内管、内管上连接构件、螺纹盲孔、内管上连接构件处密封凹槽、外管上法兰处密封凹槽、外管上法兰、真空接头；

外管两端分别设有外管连接构件，在一外管连接构件端部设有外管下法兰，在一外管连接构件上设有数据线接头、真空接头，在另一外管连接构件端部设有外管上法兰，

外管内设有内管，并通过小管支撑板支撑在外管上，内管一端设有喇叭形连接构件，喇叭形连接构件端部与波纹管的一端相连，波纹管的另一端与过渡件另一端相连，

内管下法兰与外管下法兰之间设有下端面聚四氟乙烯垫圈，外管上法兰与法兰盘之间设有外管上法兰聚四氟乙烯垫圈，内管上连接构件与法兰盘之间设有小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈，

内管另一端与内管上连接构件一端相连，内管连接构件设有螺纹盲孔和密封槽，外管上法兰外侧设有法兰盘，内管上连接构件另一端穿过法兰盘与进液锥管相连，进液锥管上设有第二压力传感器、液体进口管，液体进口管内有丝网。

所述的外管连接构件与外管之间、喇叭形连接构件与内管之间以及内管与内管上连接构件之间设有低温胶。

所述的进液锥管的结构依次为内螺纹直段，锥形放大段和平直圆管段，内螺纹直段与内管连接构件）螺纹连接。

本发明实现了深低温两相逆流过程的可视化，能够很方便地观察低温流体的流态。并解决了深低温不同材料之间由于热胀冷缩率不同而导致管路密封失效等下真空绝热问题。本装置温度适应范围广，试用与液氮乃至液氢等深低温。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为深低温两相逆流过程可视化实验装置的结构示意图；

图2(a)为本发明的法兰盖19的左视图；

图2(b)为本发明的法兰盖19的主视图；

图2(c)为本发明的法兰盖19的右视图；

图3(a)为本发明的小管连接件14的主视图；

图3(b) 为本发明的小管连接件14的右视图；

图4为通过压力传感器PT1和PT2得到的监测段的压差图；

图5通过高速摄像仪拍摄到的内管中的流型图。

图中：气体进口管1、第一压力传感器2、集液器壳体3、内管下法兰4、下端面聚四氟乙烯垫圈5、外管下法兰6、波纹管7、真空接头6、数据线接头8、喇叭形连接构件9、外管下连接构件10、小管支撑板11、外管12、内管13、内管上连接构件14、螺纹盲孔15、内管上连接构件处密封凹槽16、外管上法兰处密封凹槽17、外管上法兰18、法兰盘19、进液锥管20、第二压力传感器21、液体进口管22、外管上法兰聚四氟乙烯垫圈23、小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈24、真空接头25、液体出口管26、丝网27、过渡件28。

具体实施方式

 如图1所示，深低温两相逆流过程可视化实验装置包括集液段、测试段、下端面聚四氟乙烯垫圈5、法兰盘19、进液锥管20、外管上法兰聚四氟乙烯垫圈23、小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈24；

集液段包括气体进口管1、第一压力传感器2、集液器壳体3、内管下法兰4、液体出口管26、过渡件28，集液器壳体3一端设有封头，封头上设有液体出口管26，集液器壳体3中心设有气体进口管1，并与集液器壳体3封头固定，集液器壳体3另一端与内管下法兰4一侧相连，内管下法兰4另一侧与过渡件28一端相连，气体进口管1上设有第一压力传感器2；

测试段包括外管下法兰6、波纹管7、数据线接头8、喇叭形连接构件9、外管连接构件10、小管支撑板11、外管12、内管13、内管上连接构件14、螺纹盲孔15、内管上连接构件处密封凹槽16、外管上法兰处密封凹槽17、外管上法兰18、真空接头25；

外管12两端分别设有外管连接构件10，在一外管连接构件10端部设有外管下法兰6，在一外管连接构件10上设有数据线接头8、真空接头25，在另一外管连接构件10端部设有外管上法兰18，

外管12内设有内管13，并通过小管支撑板11支撑在外管12上，内管13一端设有喇叭形连接构件9，喇叭形连接构件9端部与波纹管7的一端相连，波纹管7的另一端与过渡件28另一端相连，

内管下法兰4与外管下法兰6之间设有下端面聚四氟乙烯垫圈5，外管上法兰18与法兰盘19之间设有外管上法兰聚四氟乙烯垫圈23，内管上连接构件14与法兰盘19之间设有小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈24，

内管13另一端与内管上连接构件14一端相连，内管连接构件14设有螺纹盲孔15和密封槽16，外管上法兰18外侧设有法兰盘19，内管上连接构件14另一端穿过法兰盘19与进液锥管20相连，进液锥管20上设有第二压力传感器21、液体进口管22，液体进口管22内有丝网27。

所述的外管连接构件10与外管12之间、喇叭形连接构件9与内管13之间以及内管13与内管上连接构件14之间设有低温胶。

所述的进液锥管20的结构依次为内螺纹直段，锥形放大段和平直圆管段，内螺纹直段与内管连接构件14螺纹连接。

集液器壳体3的直径为72mm，长为103mm，内管13采用耐低温，且透明度较高的有机玻璃管，内径为20mm，长为1000mm，外管12采用耐低温，且透明度较高的有机玻璃管，内径为90mm，气体进口管1的长度为230mm。液体出口管26的直径为12mm。

本发明装配时，将外管12与两个外管连接构件10螺纹连接，并在螺纹处涂抹低温胶，再将喇叭形连接构件9与内管13一端、内管13另一端与内管上连接构件14通过螺纹连接，并在螺纹处涂抹低温胶，并将粘合好的组件套入外管12中，并将内管下法兰4和外管下法兰6用螺栓固定，然后将小管上连接构件14与法兰盖19通过盲孔螺纹15连接，再次将法兰盖19与大管法兰18用螺栓固定。最后将进液锥管20旋上。

组装好后，金属部分包裹多层绝热材料(MLI)，包裹厚度约10mm，保证了金属部分的绝热。然后通过真空接头对夹层抽真空，达到10^-2 Pa，保证了透明管道部分的绝热。

实际操作中，液体从进液管22进入，从液体出口26流出，气体从进气管1进入，从进液锥管20口流出。第一压力传感器2和第二压力传感器21分别监测气体进口和出口的压力变化。

Claims (3)

1.一种深低温两相逆流过程可视化实验装置，其特征在于包括集液段、测试段、下端面聚四氟乙烯垫圈（5）、法兰盘（19）、进液锥管（20）、外管上法兰聚四氟乙烯垫圈（23）、小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈（24）；集液段包括气体进口管（1）、第一压力传感器（2）、集液器壳体（3）、内管下法兰（4）、液体出口管（26）、过渡件（28），集液器壳体（3）一端设有封头，封头上设有液体出口管（26），集液器壳体（3）中心设有气体进口管（1），并与集液器壳体（3）封头固定，集液器壳体（3）另一端与内管下法兰（4）一侧相连，内管下法兰（4）另一侧与过渡件（28）一端相连，气体进口管（1）上设有第一压力传感器（2）；测试段包括外管下法兰（6）、波纹管（7）、数据线接头（8）、喇叭形连接构件（9）、外管连接构件（10）、小管支撑板（11）、外管（12）、内管（13）、内管上连接构件（14）、螺纹盲孔（15）、内管上连接构件处密封凹槽（16）、外管上法兰处密封凹槽（17）、外管上法兰（18）、真空接头（25）；外管（12）两端分别设有外管连接构件（10），在一外管连接构件（10）端部设有外管下法兰（6），在一外管连接构件（10）上设有数据线接头（8）、真空接头（25），在另一外管连接构件（10）端部设有外管上法兰（18），外管（12）内设有内管（13），并通过小管支撑板（11）支撑在外管（12）上，内管（13）一端设有喇叭形连接构件（9），喇叭形连接构件（9）端部与波纹管（7）的一端相连，波纹管（7）的另一端与过渡件（28）另一端相连，内管下法兰（4）与外管下法兰（6）之间设有下端面聚四氟乙烯垫圈（5），外管上法兰（18）与法兰盘（19）之间设有外管上法兰聚四氟乙烯垫圈（23），内管上连接构件（14）与法兰盘（19）之间设有小管上连接构件聚四氟乙烯垫圈（24），内管（13）另一端与内管上连接构件（14）一端相连，内管连接构件（14）设有螺纹盲孔（15）和内管上连接构件处密封凹槽（16），外管上法兰18外侧设有法兰盘19，内管上连接构件（14）另一端穿过法兰盘（19）与进液锥管（20）相连，进液锥管（20）上设有第二压力传感器（21）、液体进口管（22），液体进口管（22）内有丝网（27）。

2.根据权利要求1所述的一种深低温两相逆流过程可视化实验装置，其特征在于所述的外管连接构件（10）与外管（12）之间、喇叭形连接构件（9）与内管（13）之间以及内管（13）与内管上连接构件（14）之间设有低温胶。

3.根据权利要求1所述的一种深低温两相逆流过程可视化实验装置，其特征在于所述的进液锥管（20）的结构依次为内螺纹直段，锥形放大段和平直圆管段，内螺纹直段与内管连接构件（14）螺纹连接。