CN105277469A - 一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于浸润性测量技术领域的一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法。所述装置中，高压气罐、减压阀、储液管充气阀和储液管放气阀依次相连；储液管、电磁阀和针头依次相连，构成液滴发生装置；可视盅通过法兰密封，上密封法兰上焊接有玻璃视窗；可视盅外部接有进液管，进气管，排气管，可视盅充气阀，可视盅放气阀和可视盅压力计；可视盅充气阀与电加热相连；可视盅内放置的载物台与传动装置相连；所述装置还包括灯源和高速摄像机。上述装置测试浸润性的方法包括以下步骤：a.储液管抽真空和注液；b.调节储液管与可视盅的内压差；c.向可视盅内注入液体工质；d.测量浸润性。

Description

一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法

技术领域

本发明属于浸润性测量技术领域，具体涉及一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法。

背景技术

浸润性(又称润湿性)是固体表面的一个重要特性。通常浸润是指固体表面上的气体被液体取代，使得原来的固-气界面被固-液界面代替的过程。浸润现象及应用随处可见。在自然界中，液体对动植物机体的润湿作用，保证了生命活动的顺利进行；土壤的浸润性与土壤侵蚀、泥石流现象有很大关系。在工农业生产中，农药溶液在作物表面浸润性良好，有益于农药的附着，减少损失，提高药效；利用矿物表面浸润性的不同，可以使用浮选法进行矿物分离；采用低浸润性管道可以有效防止石油开采中出现的粘附与粘结现象；其他如造纸、制造摄像机胶片、油漆性能、印刷、防水、防雾、防腐、防污等工业过程也都与浸润性有着密切的关系。在日常生活中，润滑油因为良好的浸润性与伸展性才具有润滑作用；在水中掺入洗涤剂使得油脂在餐具表面浸润性降低，便于洗涤餐具。另外，低浸润性的医用聚合物植入材料具有良好的防垢和抗菌性能。

浸润对能源化工相变传热同样具有重要影响，例如难浸润的表面易发生滴状冷凝，而滴状冷凝传热远高于膜状冷凝；易被液体浸润的表面可有效防止加热壁面在高热流负荷下烧毁。对于水等常规工质，其在固体表面的浸润性常用接触角表征，可通过接触角仪直接测量。然而随着能源深度利用及能源开发，适应于低温余热、太阳能的R245fa等有机工质已成为主流。有机工质在常温常压下易蒸发，不利于接触角测量；通常使用毛细高度法、平行平板法等对其浸润性进行表征，且表征时需在高压环境下进行。目前适合这类低沸点工质浸润性测量的装置不多，而且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法，具体技术方案如下：

一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置，所述装置中，高压气罐4、减压阀3、储液管充气阀2和储液管放气阀1依次相连；

储液管9、电磁阀13和针头20依次相连，构成液滴发生装置；其中，储液管9与储液管压力计6、热电偶5、冷却套管8连接，针头20伸入可视盅23内，电磁阀13通过时间继电器12进行控制；针头20上通过螺纹与进液管连接，可拆卸，针头粗细可以根据需求替换。

可视盅23通过上密封法兰19和下密封法兰25实现密封；上密封法兰19上焊接有玻璃视窗14，以便从上方观察或拍摄液体与测试样本22的接触情况。连接玻璃视窗14与上密封法兰19的不锈钢短管上有三个直径6mm且相互间成120度的孔，焊接上直径6mm的卡套管分别作为进液管16，进气管17和排气管18；

可视盅23外部还接有可视盅充气阀10，可视盅放气阀15和可视盅压力计11；进气管17与可视盅充气阀10相连，排气管18与可视盅放气阀15，可视盅压力计11依次相连；

可视盅充气阀10与电加热7相连；

可视盅23内放置的载物台24与传动装置26相连；

所述装置中还包括灯源27和高速摄像机28。

进一步地，所述可视盅23材料为透明石英玻璃。

进一步地，所述传动装置26采用针阀柄，密封的同时实现对载物台24的传动。

进一步地，可视盅23的密封方式为：

可视盅23两端为中心掏有正方形孔的可视盅凸台34，中间为中空正方形柱；可视盅凸台34与中空正方形柱通过玻璃烧制连成一体，形成可视盅23；

使用法兰对可视盅23上下端进行密封，上密封法兰19的密封方式为：上密封法兰顶盖29具有环形凸起，上密封法兰底盖33具有环形的凹槽，依次在上密封法兰底盖33凹槽内放置下O型圈32、梯形不锈钢圈31和上O型圈30，然后将在法兰上均匀分布的螺栓拧上，通过上密封法兰底盖33环形凹槽对O型圈的挤压，以及梯形不锈钢圈31的引导作用，使得O型圈向内挤压，紧贴可视盅凸台34的壁面，达到密封的目的；

所述梯形不锈钢圈31截面成梯形，短底边朝向环形内侧；

下密封法兰25的密封方式与上密封法兰19相同。

进一步地，玻璃视窗14的密封方式为：玻璃视窗14由玻璃视窗筒体39、圆形玻璃镜36、玻璃视窗盖35及密封圈37构成；在玻璃视窗筒体39上放置密封圈37和圆形玻璃镜36，玻璃视窗盖35与玻璃视窗筒体39上有相互配合的螺纹，在玻璃视窗筒体39上拧上玻璃视窗盖35即可达到密封效果。

如上所述的装置进行固体表面低沸点工质浸润性测试的方法，具体步骤如下：

a.储液管9抽真空和注液：

打开储液管放气阀1，关闭其他阀门，连接真空泵与储液管放气阀1进行抽真空；关闭储液管放气阀1，连接储液管放气阀1与有机工质罐，打开储液管放气阀1，关闭其他阀门，实现储液管9的注液；

b.调节储液管9与可视盅23的内压差：

打开储液管充气阀2、减压阀3，关闭其他阀门，使高压气罐4内的气体进入储液管9的空腔，从而使得储液管9内压力增大；打开减压阀3、可视盅充气阀10，实现可视盅23内增压；此外，打开储液管放气阀1、关闭其他阀门，可降低储液管9内压力；打开可视盅放气阀15、关闭其他阀门，可降低可视盅23内压力；通过一系列调节，使得储液管9内压力略大于可视盅23内压力；

c.向可视盅23内注入液体工质：

通过设定时间继电器12，控制电磁阀13的打开时间；由于储液管9内和可视盅23内存在压差，当电磁阀13打开时，液体工质通过针头20进入可视盅23，在针头20上形成液滴21；旋转传动装置26使得载物台24和测试样本22向上传动，直到测试样本22接触液滴21；

d.测量浸润性：

测试样本22接触液滴21后，使用高速摄像机28拍摄，得出液体工质在测试样本22表面的浸润性。

进一步地，所述步骤d中，当测试样本22接触液滴21时，若液滴21在测试样本22表面形成液滴，则使用高速摄像机28从侧面对固液接触处进行拍摄，测得接触角的大小，从而得出液体工质在测试样本22表面的浸润性；若液滴21在测试样本22表面铺展开来，则可使用高速摄像机28从上方进行拍摄，得到液体工质的铺展速度，从而得出液体工质在测试样本22表面的浸润性。

进一步地，所述储液管23内液体工质的温度通过恒温槽提供的水在冷却套筒8内循环保持恒定。

进一步地，所述电磁阀13处于常闭状态，向可视盅23内注入液体工质时，电磁阀13开启一定时间后关闭，管内流通一定量的液体，从而控制针头20形成液滴21的大小；所述电磁阀13开启时间由与电磁阀13相连的时间继电器12设定并控制。

进一步地，所述可视盅23内预充入气体，防止低沸点工质在测试过程中蒸发，并为液滴21在测试样本22上的浸润行为拍摄提供全透明视窗；

预充气体为化学性质稳定的气体，其压力通过储液管放气阀1、可视盅放气阀15、储液管充气阀2及可视盅充气阀10的通断保持在设定值；所述预充气体通过电加热7升温，从而调节可视盅23的内部温度。

本发明的有益效果为：

本发明通过简单的机械结构配合和电子元件的精准控制，解决了低沸点有机工质浸润性难以测量、测量成本高的问题，实现了对中低压沸点液体浸润性的测量，同时具有结构简单、操作方便、可视化、成本低廉、精度高等优点。

附图说明

图1为本发明固体表面低沸点工质浸润性测试装置示意图。

图2为本发明法兰密封爆炸装配图。

图3为本发明玻璃视窗爆炸装配图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

图1为本发明固体表面低沸点工质浸润性测试装置示意图。

图中各标号的具体含义如下：1.储液管放气阀，2.储液管充气阀，3.减压阀，4.高压气罐，5.热电偶，6.储液管压力计，7.电加热，8.冷却套管，9.储液管，10.可视盅充气阀，11.可视盅压力计，12.时间继电器，13.电磁阀，14.玻璃视窗，15.可视盅放气阀，16.进液管，17.进气管，18.排气管，19.上密封法兰，20.针头，22.测试样本，23.可视盅，24.载物台，25.下密封法兰，26.传动装置，27.灯源，28.高速摄像机。

所述装置中，高压气罐4、减压阀3、储液管充气阀2和储液管放气阀1依次相连；储液管9、电磁阀13和针头20依次相连，构成液滴发生装置；其中，储液管9与储液管压力计6、热电偶5、冷却套管8连接，针头20伸入可视盅23内，电磁阀13通过时间继电器12进行控制；针头20上通过螺纹与进液管连接，可拆卸，针头粗细可以根据需求替换。

可视盅23通过上密封法兰19和下密封法兰25实现密封；上密封法兰19上焊接有玻璃视窗14，以便从上方观察或拍摄液体与测试样本22的接触情况。连接玻璃视窗14与上密封法兰19的不锈钢短管上有三个直径6mm且相互间成120度的孔，焊接上直径6mm的卡套管分别作为进液管16，进气管17和排气管18；

可视盅23外部还接有可视盅充气阀10，可视盅放气阀15和可视盅压力计11；进气管17与可视盅充气阀10相连，排气管18与可视盅放气阀15，可视盅压力计11依次相连；可视盅充气阀10与电加热7相连；可视盅23内放置的载物台24与传动装置26相连；所述装置中还包括灯源27和高速摄像机28。

可视盅23材料为透明石英玻璃。传动装置26采用针阀柄，密封的同时实现对载物台24的传动。

由于低沸点有机工质在常温常压下中极易汽化，所以整套装置在一定压力下的密封性尤为重要。本发明的主要密封为可视盅23的法兰密封和玻璃视窗14螺纹挤压密封。

图2为本发明法兰密封爆炸装配图。

图中各标号的具体含义如下：29.上密封法兰顶盖，30.上O型圈，31梯形不锈钢圈，32.下O型圈，33.上密封法兰底盖，34.可视盅凸台。

下面结合附图2具体说明可视盅23法兰密封的方式。

可视盅23两端为中心掏有正方形孔的可视盅凸台34，中间为中空正方形柱。与圆管相比，中空正方形柱可防止拍摄过程中由于折射引起的图像失真。可视盅凸台34与中空正方形柱通过玻璃烧制连成一体，形成可视盅23。

使用法兰对可视盅23上下端进行密封，现在以上密封法兰19为例说明本发明法兰密封的具体操作。上密封法兰顶盖29具有环形凸起，上密封法兰底盖33具有环形的凹槽，依次在上密封法兰底盖33凹槽内放置下O型圈32、梯形不锈钢圈31(不锈钢圈截面成梯形，短底边朝向环形内侧)和上O型圈30，然后将在法兰上均匀分布的螺栓拧上，通过上密封法兰底盖33环形凹槽对O型圈的挤压，以及梯形不锈钢圈31的引导作用，使得O型圈向内挤压，紧贴可视盅凸台34的壁面，最终达到密封的目的，而且能耐一定的压力，解决了低沸点有机工作常压下易蒸发的问题。下密封法兰的密封与上密封法兰密封方式一样。

图3为本发明玻璃视窗爆炸装配图。

图中各标号的具体含义如下：35.玻璃视窗盖，36.圆形玻璃镜，37.密封圈，38.玻璃视窗筒体螺纹，39.玻璃视窗筒体，40.玻璃视窗盖螺纹。

下面将结合附图3具体说明玻璃视窗14的密封方式。

玻璃视窗14由玻璃视窗筒体39、圆形玻璃镜36、玻璃视窗盖35及密封圈37构成。在玻璃视窗筒体39上放置密封圈37和圆形玻璃镜36，玻璃视窗盖35与玻璃视窗筒体39上有相互配合的螺纹，在玻璃视窗筒体39上拧上玻璃视窗盖35即可达到密封效果。

实施例1固体表面低沸点工质浸润性测试的方法

a.储液管9抽真空和注液：

打开储液管放气阀1，关闭其他阀门，连接真空泵与储液管放气阀1进行抽真空；关闭储液管放气阀1，连接储液管放气阀1与有机工质罐，打开储液管放气阀1，关闭其他阀门，实现储液管9的注液；

b.调节储液管9与可视盅23的内压差：

打开储液管充气阀2、减压阀3，关闭其他阀门，使高压气罐4内的气体进入储液管9的空腔，从而使得储液管9内压力增大；打开减压阀3、可视盅充气阀10，实现可视盅23内增压；此外，打开储液管放气阀1、关闭其他阀门，可降低储液管9内压力；打开可视盅放气阀15、关闭其他阀门，可降低可视盅23内压力；通过一系列调节，使得储液管9内压力略大于可视盅23内压力；

c.向可视盅23内注入液体工质：

通过设定时间继电器12，控制电磁阀13的打开时间；由于储液管9内和可视盅23内存在压差，当电磁阀13打开时，液体工质通过针头20进入可视盅23，在针头20上形成液滴21；旋转传动装置26使得载物台24和测试样本22向上传动，直到测试样本22接触液滴21；

d.测量浸润性：

当测试样本22接触液滴21时，若液滴21在测试样本22表面形成液滴，则使用高速摄像机28从侧面对固液接触处进行拍摄，测得接触角的大小，从而得出液体工质在测试样本22表面的浸润性；若液滴21在测试样本22表面铺展开来，则可使用高速摄像机28从上方进行拍摄，得到液体工质的铺展速度，从而得出液体工质在测试样本22表面的浸润性。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该装置采用简单的机械装置实现可视化和密封，采用一两个电子元件进行部分自动化控制，实现了高效、低成本和低能耗的操作运行。

Claims (10)

1.一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置，其特征在于，所述装置中，高压气罐(4)、减压阀(3)、储液管充气阀(2)和储液管放气阀(1)依次相连；

储液管(9)、电磁阀(13)和针头(20)依次相连，构成液滴发生装置；其中，储液管(9)与储液管压力计(6)、热电偶(5)、冷却套管(8)连接，针头(20)伸入可视盅(23)内，电磁阀(13)通过时间继电器(12)进行控制；

可视盅(23)通过上密封法兰(19)和下密封法兰(25)实现密封；上密封法兰(19)上焊接有玻璃视窗(14)，连接玻璃视窗(14)与上密封法兰(19)的不锈钢短管上有三个相互间成120度的孔，焊接上卡套管分别作为进液管(16)，进气管(17)和排气管(18)；

可视盅(23)外部还接有可视盅充气阀(10)，可视盅放气阀(15)和可视盅压力计(11)；进气管(17)与可视盅充气阀(10)相连，排气管(18)与可视盅放气阀(15)，可视盅压力计(11)依次相连；

可视盅充气阀(10)与电加热(7)相连；

可视盅(23)内放置的载物台(24)与传动装置(26)相连；

所述装置中还包括灯源(27)和高速摄像机(28)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传动装置(26)采用针阀柄，密封的同时实现对载物台(24)的传动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，可视盅(23)的密封方式为：

可视盅(23)两端为中心掏有正方形孔的可视盅凸台(34)，中间为中空正方形柱；可视盅凸台(34)与中空正方形柱通过玻璃烧制连成一体，形成可视盅(23)；

使用法兰对可视盅(23)上下端进行密封，上密封法兰(19)的密封方式为：上密封法兰顶盖(29)具有环形凸起，上密封法兰底盖(33)具有环形的凹槽，依次在上密封法兰底盖(33)凹槽内放置下O型圈(32)、梯形不锈钢圈(31)和上O型圈(30)，然后将在法兰上均匀分布的螺栓拧上，通过上密封法兰底盖(33)环形凹槽对O型圈的挤压，以及梯形不锈钢圈(31)的引导作用，使得O型圈向内挤压，紧贴可视盅凸台(34)的壁面，达到密封的目的；

所述梯形不锈钢圈(31)截面成梯形，短底边朝向环形内侧；

下密封法兰(25)的密封方式与上密封法兰(19)相同。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，玻璃视窗(14)的密封方式为：

玻璃视窗(14)由玻璃视窗筒体(39)、圆形玻璃镜(36)、玻璃视窗盖(35)及密封圈(37)构成；在玻璃视窗筒体(39)上放置密封圈(37)和圆形玻璃镜(36)，玻璃视窗盖(35)与玻璃视窗筒体(39)上有相互配合的螺纹，在玻璃视窗筒体(39)上拧上玻璃视窗盖(35)即可达到密封效果。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述装置进行固体表面低沸点工质浸润性测试的方法，其特征在于，具体步骤如下：

a.储液管(9)抽真空和注液：打开储液管放气阀(1)，关闭其他阀门，连接真空泵与储液管放气阀(1)进行抽真空；关闭储液管放气阀(1)，连接储液管放气阀(1)与有机工质罐，打开储液管放气阀(1)，关闭其他阀门，实现储液管(9)的注液；

b.调节储液管(9)与可视盅(23)的内压差：打开储液管充气阀(2)、减压阀(3)，关闭其他阀门，使高压气罐(4)内的气体进入储液管(9)的空腔，从而使得储液管(9)内压力增大；打开减压阀(3)、可视盅充气阀(10)，实现可视盅(23)内增压；此外，打开储液管放气阀(1)、关闭其他阀门，可降低储液管(9)内压力；打开可视盅放气阀(15)、关闭其他阀门，可降低可视盅(23)内压力；通过一系列调节，使得储液管(9)内压力略大于可视盅(23)内压力；

c.向可视盅(23)内注入液体工质：通过设定时间继电器(12)，控制电磁阀(13)的打开时间；由于储液管(9)内和可视盅(23)内存在压差，当电磁阀(13)打开时，液体工质通过针头(20)进入可视盅(23)，在针头(20)上形成液滴(21)；旋转传动装置(26)使得载物台(24)和测试样本(22)向上传动，直到测试样本(22)接触液滴(21)；

d.测量浸润性：测试样本(22)接触液滴(21)后，使用高速摄像机(28)拍摄，得出液体工质在测试样本(22)表面的浸润性。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤d中，当测试样本(22)接触液滴(21)时，若液滴(21)在测试样本(22)表面形成液滴，则使用高速摄像机(28)从侧面对固液接触处进行拍摄，测得接触角的大小，从而得出液体工质在测试样本(22)表面的浸润性；若液滴(21)在测试样本(22)表面铺展开来，则可使用高速摄像机(28)从上方进行拍摄，得到液体工质的铺展速度，从而得出液体工质在测试样本(22)表面的浸润性。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述储液管(23)内液体工质的温度通过恒温槽提供的水在冷却套筒(8)内循环保持恒定。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电磁阀(13)处于常闭状态，向可视盅(23)内注入液体工质时，电磁阀(13)开启一定时间后关闭，管内流通一定量的液体，从而控制针头(20)形成液滴(21)的大小；

所述电磁阀(13)开启时间由与电磁阀(13)相连的时间继电器(12)设定并控制。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可视盅(23)材料为透明石英玻璃，可视盅(23)内预充入气体，防止低沸点工质在测试过程中蒸发，并为液滴(21)在测试样本(22)上的浸润行为拍摄提供全透明视窗。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，预充气体为化学性质稳定的气体，其压力通过储液管放气阀(1)、可视盅放气阀(15)、储液管充气阀(2)及可视盅充气阀(10)的通断保持在设定值；

所述预充气体通过电加热(7)升温，从而调节可视盅(23)的内部温度。