CN104992606A - 一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置，包括真空箱、布置于真空箱外的拍摄装置、布置于真空箱内的冷凝装置和再沸器，所述冷凝装置带有能够观察换热介质冷凝状态的一个或多个可视光窗，所述真空箱内还设有打光装置，打光装置包括一个或多个环形光源，一个或多个环形光源分别与一个或多个可视光窗一一对应，检测时，所述拍摄装置的镜头与对应的环形光源和可视光窗同轴设置。本发明不同的可视光窗有相应的环形LED光源进行面向对象的打光，保证光线分布均匀避免高亮光斑的问题；解决了其它同侧打光方式中由于光源和摄像仪的空间拥挤导致的无法同时垂直打光和拍摄的问题。

Description

一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置

技术领域

本发明涉及低温可视化实验装置，尤其涉及一种采用同侧打光的低温流体冷凝换热的可视化实验装置。

背景技术

被称为现代工业“血液”的工业气体在钢铁、化工、医药、电子、石油、航空航天等重要领域有着广泛的应用，其需求也随着经济的发展不断增加。目前工业气体大都由空气分离而来，空气分离(简称空分)装置是以空气为原料生产氧、氮及其他稀有气体的装置。现代空气分离装置规模向着大型化的趋势不断发展，能耗问题也变得更加突出。

空分装置中的主冷凝蒸发器(简称主冷)是使下塔顶部氮气冷凝，上塔底部液氧蒸发，以提供下塔回流液和上塔上升蒸气的装置，目前一般采用板翅式换热器。作为空分装置中的关键设备，其氮气冷凝侧的传热与流动存在较大的优化提高的空间，其中蕴含的机理性问题即低温流体冷凝。

主冷的翅片中流体的主要流动形式是有相变的气液两/多相流动，并且属于微通道内有相变的两相流动，其传热与流动机理复杂多样，与两相流动的流型直接相关，不同的流型下的传热与水力学特性相差很大。滴状冷凝作为冷凝的一种形式可以有效提高冷凝换热系数，优化主冷的传热效果。而滴状冷凝过程中，液滴成核、生长、合并、脱落等过程都需要借助直观清晰的可视化手段才能进行深入研究。

目前在低温系统中应用最广的是CCD摄像法。根据光源与摄像机放置位置不同，可以将其分为光源与相机全部置于杜瓦外、光源和相机全部置于杜瓦内以及内窥镜式三种形式；而根据光源与相机的相对位置可又分为背侧打光与正面同侧打光两种形式。背侧打光的形式较常见，这种方法可以获得较好的拍摄效果，是优选的布置形式。

有时由于实验装置结构限制，无法构造出双侧的光学通路，只能从正面同侧打光，这样就容易产生较亮的光斑和视野内光线分布不均匀等现象，影响拍摄效果。而主冷中的冷凝式在板翅式换热器上发生的，无法像研究管内冷凝一样采用背侧打光。

目前还没有能够较好解决光强不足、光线分布不均以及存在高亮光斑等问题的单光窗可视化装置和方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于低温冷凝换热的面向对象可视化实验装置，解决了现有可视化实验装置中存在的拍摄得到图像光强不足、光线分布不均匀以及存在高亮光斑等诸多等技术问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置，包括真空箱、布置于真空箱外的拍摄装置、布置于真空箱内的冷凝装置和再沸器，所述冷凝装置带有能够观察换热介质冷凝状态的一个或多个可视光窗，所述真空箱内还设有打光装置，打光装置包括一个或多个环形光源，一个或多个环形光源分别与一个或多个可视光窗一一对应，检测时，所述拍摄装置的镜头与对应的环形光源和可视光窗同轴设置。

本发明通过采用环形光源，同时保证检测时，所述拍摄装置的镜头与对应的环形光源和可视光窗同轴设置，保证可视光窗处的光亮在满足拍摄要求的同时，使得光线均匀，避免光斑的产生。可视光窗为透明光窗，其设置的数量可根据采集数据需要设定，通过设置多个可视光窗，可对冷凝装置内不同点的冷凝状态进行数据采集和观测。

所述真空箱内还设有对所述冷凝装置提供冷量的储液池。

作为优选，所述环形光源位于可视光窗与所述拍摄装置的镜头之间。环形光源用以向冷凝装置进行面向对象的打光。本发明采用环形光源内置、高速摄像仪外置的拍摄方式进行面向对象的同侧打光，可以同时保证垂直打光和垂直拍摄。

作为优选，还包括蒸汽排出管，使装置不仅能实现纯蒸汽的冷凝换热的可视化，还可以通过充入与所研究的气体不同的其他气体来研究混合气体的冷凝以及不凝性气体对冷凝的影响。如所研究的气体为氮气时，可以充入氦气、氢气等比氮气沸点低气体。

所述再沸器用于提供换热介质的蒸汽，该蒸汽经过回液管循环至冷凝装置内，在冷凝装置内发生气液转换，通过可视光窗和拍摄装置可以实时采集图像数据。通过设置回液管能实现冷凝与蒸发的自然循环，冷凝装置、回液管、再沸器构成了一个完整的封闭回路。

作为优选，所述再沸器包括用于盛装深低温液体的罐体以及用来气化深低温液体的加热元件。所述加热元件为布置在罐体内的加热棒。

作为优选，所述多个可视光窗沿竖直方向成排设置；所述多个环形光源通过定位工装与冷凝装置固定。环形光源与可视光窗之间一一对应，同轴设置。

作为优选，所述拍摄装置为移动式拍摄装置。所述拍摄装置包括：

竖直导轨座；

与所述竖直导轨座滑动配合的竖直滑块；

固定在所述竖直滑块上的水平导轨座；

与所述水平导轨座滑动配合的水平滑块，所述镜头固定在该水平滑块上；

驱动竖直滑块沿竖直方向移动的竖直丝杆；

驱动水平滑块沿水平向移动的水平丝杆。

所述移动式拍摄装置通过调整水平滑块和竖直滑块的位置，可以沿光窗轴向和竖直两个方向调节镜头的位置，获得最佳拍摄距离并实现对不同可视光窗的视野进行拍摄。

作为优选，所述镜头为高速摄像仪的镜头，本发明还包括高速摄像仪固定架。该固定架呈“L”型优化设计，一侧开有若干通孔通过连接件固定在水平滑块上，另一侧开有若干通孔，通过连接件和高速摄像仪固定在一起。

作为优选，还包括滑台基座。移动式拍摄装置均固定在滑台基座上，该基座由角铝支柱和铝板组成，铝板上开有通孔通过连接件将滑台组件固定在上面。该基座质量较重，最大程度避免了轻微碰撞引起的相机位置偏移。

作为优选，所述竖直导轨座上设有用于对竖直滑块导向的竖直导轨；所述水平导轨座上设有用于对水平滑块导向的水平导轨。

作为优选，所述竖直丝杆或水平丝杆端部设有旋转手轮。通过转动手轮旋转竖直丝杆或水平丝杆，在导轨作用下，实现对竖直滑块或水平滑块的位置调整。

所述竖直丝杆与竖直导轨座之间、所述水平丝杆与水平导轨座之间分别设有锁紧件。在丝杆调整到位后，通过锁紧件实现丝杆的相对固定，避免滑块的移动。

作为优选，所述环形光源为环形LED光源。

作为优选，所述环形LED光源包括环形的光源壳体、均匀布置在光源壳体内的阵列LED灯珠、导热模块和柔光罩；所述导热模块位于LED灯珠光线投射方向的背侧，可以将光源产生的绝大部分热量向背对光线投射方向传导，最大程度避免了对冷凝现象的干扰。

作为优选，所述LED灯珠与光源壳体轴向呈50～70°倾角分布，环形LED光源的光线集中投射到所述可视光窗视野内。作为进一步优选，所述LED灯珠采用优化的阵列设计，与光线投射方向呈60°倾角分布，这样的设计使得环形LED光源的光线集中投射到可视光窗的视野内，增强拍摄图像的亮度。

作为优选，所述柔光罩位于LED灯珠光线投射方向的同侧。可以使灯珠的直射光线转为漫射光线，使可视光窗视野内光线分布更均匀。

作为优选，所述环形LED光源背光侧设有导热线，该导热线与储液池相连换热。作为进一步优选，环形LED光源背侧附着加固有铜丝绒，通过铜导线与冷凝装置背侧的储液池相接触。这样的设计可以将大部分环形LED光源发出的热量导向储液池侧，最大程度的减少光源发热对冷凝现象的影响。

作为优选，所述冷凝装置包括壳体，该壳体内设有换热介质通过的过流通道，过流通道内设有测试板，所述可视光窗垂直正对所述测试板。测试板可通过可拆卸方式与所述冷凝装置相互固定，拆卸和维修方便。

作为优选，所述壳体包括基板和盖板，盖板通过连接件与基板密封配合，所述测试板面向可视光窗的一侧设有肋、槽、翅片或者涂层。

作为优选，所述基板和盖板可拆密封，测试板可从壳体拆卸，使得过流通道内部部件可调、装置可以研究不同情况下的冷凝换热特性，包括：研究不同材质测试板的冷凝换热特性，如铝制测试板、钢制测试板等；研究不同结构的测试板的冷凝换热特性，如表面涂层的测试板、表面设有槽或肋的测试板、表面设有翅片的测试板等。

作为优选，所述基板和盖板均为不锈钢材质。

作为优选，盖板与基板采用刀口法兰密封的密封方式，以获得较好的密封效果。

作为优选，还包括设置在真空箱内，位于储液池上方且与储液池连通的补液池，所述补液池的上端具有穿出真空箱的排气管。补液池用于控制和调整储液池的液位，可根据需要在补液池内设置液位传感器等。

作为优选，所述打光装置包括环形LED光源、定位工装、线路开关和稳压电源。所述定位工装呈“几”字形结构，通过连接件将其固定在冷凝装置的壳体盖板相应位置处。所述环形LED光源通过连接件固定在所述定位工装上，与冷凝装置盖板侧的可视光窗同轴分布。所述定位工装呈“几”字形优化结构，两端开有通孔，通过螺栓固定在冷凝装置的壳体盖板上。该定位工装沿凸起的竖直壁在可视光窗相应位置处分别开有通孔，通过螺栓将环形LED光源固定在定位工装上。这样设计可以使环形LED光源与冷凝装置盖板侧的可视光窗同轴分布，实现面向对象的打光。

作为优选，还包括线路开关。该线路开关位于真空箱外，可以控制真空箱内环形LED光源的通断。在拍摄冷凝现象时，打开线路开关使环形LED光源发光；不需要拍摄时，断开线路开关，可以避免持续打光时光源发热对冷凝现象的影响。

作为优选，还包括稳压电压。该稳压电源位于真空箱外，可以向环形LED光源提供稳定的直流电源。用户可以根据自己的需要改变该稳压电源的输出电压，调节得到最合适的环形LED光源亮度。

作为优选，所述真空箱上还设有电连接器座。该电连接器座可以将真空箱内的环形LED光源与真空箱外的线路开关和稳压电压连接在一起。

本发明工作时通过储液池向冷凝装置提供冷量，蒸汽在冷凝装置内冷凝。用户可以通过线路开关控制环形LED光源的通断、通过改变稳压电源电压实现环形LED光源亮度的控制，将高速摄像仪对准透明光窗，记录冷凝过程，实现深低温冷凝换热过程的可视化。

本发明的有益效果是：低温工质的冷凝现象可以通过相应的可视光窗和真空箱上的透明光窗进行观察和记录，实现低温冷凝换热过程的可视化；不同的可视光窗有相应的环形LED光源进行面向对象的打光，解决了其它同侧打光方式存在的光强不足、光线分布不均匀和存在高亮光斑的问题；光源内置、高速摄像仪外置的同侧打光的可视化方法搭配LED光源的环形设计保证了可以同时进行垂直打光和垂直拍摄，解决了其它同侧打光方式中由于光源和摄像仪的空间拥挤导致的无法同时垂直打光和拍摄的问题。

附图说明

图1是本发明面向对象的低温冷凝可视化实验装置的结构示意图；

图2是本发明面向对象的低温冷凝可视化实验装置的立体图；

图3是冷凝装置和打光装置的爆炸图；

图4是冷凝装置的可视光窗侧主视图；

图5是冷凝装置的基板侧主视图；

图6是打光装置的立体图；

图7是打光装置的主视图；

图8是移动式拍摄装置的立体图；

图9是移动式拍摄装置的爆炸图；

图10是采用现有的装置拍摄效果图；

图11是采用本发明装置的拍摄效果图。

图中各附图标记为：

1.真空罩，2.第一注液管，3.第二注液管，4.储液池，5.补液池，6.法兰盘，7.抽空阀，8.球阀，9.排气管，10.第二注液管的注液接头，11.第一注液管的注液接头，12.安全阀，13.排气阀，14.电连接器座，15.蒸汽排出管，16.冷凝装置，17.打光装置，18.透明光窗，19.出口接液漏斗，20.出液管，21.罐体，22.电导线，23.加热元件，24.移动式拍摄装置，25.盖板，26.基板，27.凹槽，28.测试板，29.翅片，30.透明玻璃，31.密封垫片，32.可视光窗，33.强化传热槽，34.光源定位工装，35.环形LED光源，36.高速摄像仪固定架，37.高速摄像仪，38.短行程滑台，38a.水平导轨座，38b.水平滑块，38c.水平丝杆，38d.水平导轨，39.长行程滑台，39a.竖直导轨座，39b.竖直滑块，39c.竖直丝杆，39d.竖直导轨，40.滑台基座，41.行程锁。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明基于低温冷凝换热的面向对象可视化实验装置做详细描述。

如图1、2所示，一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置，包括由密封配合的真空罩1和法兰盘6构成的真空箱，该法兰盘上设有抽空阀7、安全阀12、电连接器座14，该真空箱的内部设有：

再沸器，用于盛装并气化深低温液体，该再沸器包括罐体21和设置在罐体底部的加热元件23，加热元件23可为固定在罐体21底部的加热棒，用于对深低温液体提供气化热量，加热元件23的电导线22通过电连接器座14穿出至真空箱外；

第一注液管2，一端穿过真空箱与位于真空箱外的第一注液管的注液接头11连接，另一端与再沸器连通，用于对再沸器充注深低温液体；

蒸汽排出管15，与再沸器的上部连通用以输出蒸汽；

冷凝装置16，与蒸汽排出管15连通用以接收并冷凝蒸汽排出管15循环的蒸汽；

储液池4，用于向冷凝装置16提供冷量；

第二注液管3，一端穿过真空箱与位于真空箱外的第二注液管的注液接头10连通，另一端与储液池4连通，用于对储液池4充注深低温液体；

补液池5，位于储液池4的上方且与储液池4连通，用于保证储液池4内的液位。补液池5的上端具有分别穿出真空箱的排气管9，排气管的排气端设有球阀8和安全阀；

回液管，包括相互连通的出口接液漏斗19和出液管20，其中，出口接液漏斗19位于再沸器上端且与冷凝装置16的冷凝液出口连通，出液管20延伸至接近再沸器的底部，用于将冷凝装置16内冷凝的液体引流至再沸器内；

透明光窗18，设置在真空罩1的侧壁，与冷凝装置16同轴分布；

如图1、3～5所示，冷凝装置16包括壳体，该壳体由盖板25和基板26构成，且盖板25和基板26通过连接件(一般为环形布置在盖板25上的螺杆，基板26对应位置设有螺孔)可拆卸固定，基板26和盖板25之间设有密封垫片31，保证基板26与盖板25之间的密封性，基板26与深低温液体接触的一侧设有若干强化传热槽33，用于增加传热面积，增强传热效率。

冷凝装置中，基板26面向盖板25的一侧设有与出口接液漏斗19对接的凹槽27，该凹槽和盖板25的侧壁构成过流通道，蒸汽排出管15返回的蒸汽在该过流通道内冷凝为液体，凹槽27内依次设有：

测试板28，通过沉头螺钉与凹槽的底面固定，且测试板和凹槽的底面之间涂有导热硅脂，增强导热效果，测试板28一般为铝板，吸收基板26的冷量，为蒸汽冷却提供冷量载体；

翅片29，焊接在测试板28上，增强冷量传输效果；

透明玻璃30，与翅片29相互抵靠，用于封闭过流通道，同时提供透明的检测条件。

盖板25的一侧紧贴透明玻璃30，且盖板上设有与透明玻璃30对应的可视光窗32，可视光窗32为竖直上下布置的三个，该可视光窗既正对测试板28又正对透明光窗18。

除此以外，冷凝装置16的过流通道顶部通过管路与设置在真空箱外的排气阀13连接，用于在停机后排出冷凝装置16内的气体。

本实施例中测试板上设有翅片29，除了上述情况，测试板上还可以设有肋、槽或者涂层等。由于各测试板上设有的部件不同，测试板厚度也不尽相同，通过安装不同厚度的透明玻璃可以进行相应调整。

如图6、7所示，打光装置17由光源定位工装34和环形LED光源35构成，光源定位工装34为“几”字形结构，且光源定位工装34两端和基板26通过连接件(一般可采用螺栓件)可拆卸固定，环形LED光源35环形端面上设有定位孔，光源定位工装34和环形LED光源35也通过连接件(一般可采用螺栓件)可拆卸固定。环形LED光源35分别与可视光窗32同轴设置。采用环形LED光源35可有效消除高亮光斑和光线不均的问题。

如图2、8所示，移动式拍摄装置24由滑台组件、高速摄像仪37以及滑台基座40构成。其中，滑台组件和滑台基座40通过连接件可拆卸固定。滑台基座由角铝支架和支撑铝板构成。

如图9所示，滑台组件由短行程滑台38和长行程滑台39构成。滑台组件通过“L”形高速摄像仪固定架36和高速摄像仪37可拆卸固定。此外，滑台组件的短行程滑台38和长行程滑台39分别配有行程锁41，可以在高速摄像仪37的位置调节完成后避免滑台滑动。长行程滑台39由竖直导轨座39a、竖直滑块39b以及竖直丝杆39c组成；竖直导轨座39a上设有两条平行设置的竖直导轨39d，竖直滑块39b与竖直丝杆39c固定，竖直滑块39b上设有与竖直导轨39d滑动配合的导向孔，竖直丝杆39c顶端设有手轮，通过转动手轮可实现竖直丝杆39c的转动，进而实现对竖直滑块39b竖直方向的调整。短行程滑台38与长行程滑台39类似，由水平导轨座38a、水平滑块38b以及水平丝杆38c组成；水平导轨座38a与竖直滑块39b固定，水平导轨座38a上设有两条平行设置的水平导轨38d，水平滑块38b与水平丝杆38c固定，水平滑块38b上设有与水平导轨38d滑动配合的导向孔，水平丝杆38c左端设有手轮，通过转动手轮可实现水平丝杆38c的转动，进而实现对水平滑块38b竖直方向的调整。行程锁41分别设置在竖直导轨座39a和水平导轨座38a上，可为与竖直导轨座39a或水平导轨座38a螺纹配合的顶杆，在手轮调整到位后，顶紧竖直丝杆39c或水平丝杆38c，防止其进一步转动。

本装置的工作过程如下：实验开始前首先对真空罩1进行抽真空。然后对储液池4采用氮气进行置换抽空，而后通过第二注液管3向储液池4底部充入液氮。接着对冷凝装置16的壳体用氮气进行置换抽空，而后通过第一注液管2向再沸器底部充入液氮。打开并控制加热元件23，保持加热元件23的功率恒定，一定时间后调节线路开关使环形LED光源35发光，调节稳压电源输出电压使光源亮度最大。调节短行程滑台38，使高速摄像仪37与测试板28之间达到最佳拍摄距离，调节高速摄像仪37的焦距。调节长行程滑台39使高速摄像仪37分别与三个可视光窗32同轴分布，利用软件记录下低温冷凝的过程。

图10是采用现有外部打光的方法拍摄的效果图。该方法采用的光源是氙灯，其光纤与高速摄像仪37固定在一起进行打光。图11是采用本发明的环形LED光源35内置、高速摄像仪37外置的面向对象可视化方法拍摄的效果图。如图10、11所示，应用面向对象的可视化方法后拍摄的效果图没有之前视野范围内存在的高亮光斑，光线分布也更为均匀，拍摄得到的图像亮度也有所显著提升，光源也不会发生飘移或抖动而影响拍摄效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置，包括真空箱、布置于真空箱外的拍摄装置、布置于真空箱内的冷凝装置和再沸器，所述冷凝装置带有能够观察换热介质冷凝状态的一个或多个可视光窗，其特征在于，所述真空箱内还设有打光装置，打光装置包括一个或多个环形光源，一个或多个环形光源分别与一个或多个可视光窗一一对应，检测时，所述拍摄装置的镜头与对应的环形光源和可视光窗同轴设置。

2.根据权利要求1所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述环形光源位于可视光窗与所述拍摄装置的镜头之间。

3.根据权利要求1所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述多个可视光窗沿竖直方向成排设置；所述多个环形光源通过定位工装与冷凝装置固定。

4.根据权利要求1所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述拍摄装置包括：

竖直导轨座；

与所述竖直导轨座滑动配合的竖直滑块；

固定在所述竖直滑块上的水平导轨座；

与所述水平导轨座滑动配合的水平滑块，所述镜头固定在该水平滑块上；

驱动竖直滑块沿竖直方向移动的竖直丝杆；

驱动水平滑块沿水平向移动的水平丝杆。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述环形光源为环形LED光源。

6.根据权利要求5所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述环形LED光源包括环形的光源壳体、均匀布置在光源壳体内的阵列LED灯珠、导热模块和柔光罩；所述导热模块位于LED灯珠光线投射方向的背侧。

7.根据权利要求6所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述LED灯珠与光源壳体轴向呈50～70°倾角分布，环形LED光源的光线集中投射到所述可视光窗视野内。

8.根据权利要求6所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述柔光罩位于LED灯珠光线投射方向的同侧。

9.根据权利要求5所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述真空箱内设有对所述冷凝装置提供冷量的储液池。

10.根据权利要求9所述的面向对象的低温冷凝可视化实验装置，其特征在于，所述环形LED光源背光侧设有导热线，该导热线与储液池相连换热。