CN105547910B - 结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置及方法。它包括低温浆体供给单元、低温浆体密度测量单元、低温浆体粘度测量单元。低温浆体供给单元通过管路依次与低温浆体密度测量单元和低温浆体粘度测量单元相连，使低温浆体依次流经两个单元。低温浆体密度测量单元中设有密度测量电极及LCR测量仪，可测定低温浆体密度。粘度测量单元通过扭矩传感器测量旋转圆筒的扭矩来计算搅拌对象流体的粘度。本发明所述的低温测量装置适用于低温下固液浆体或单相流体的密度和粘度测量，工作流程简单。测量装置所获低温浆体的密度测量值与粘度测量数据一一对应，因此测量结果更加全面，可广泛应用于空分、航天、超导等涉及深低温技术的领域。
Description
技术领域
本发明属于低温测量领域，具体涉及一种结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置及方法。
背景技术
低温浆体是一种低温固体颗粒悬浮于低温液体中形成的固液两相低温流体。目前低温浆体的研究重点对象主要包括氮浆及氢浆。
过去30多年来，超导体的临界温度已从传统低温超导体的液氦(4.2K)、液氢(20K)温区跃升至液氮(77K)温区，甚至超过100K，高温超导体成为学术界和工业界的热点之一。高温超导体目标应用领域主要包括超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等强电领域，冷量要求大，且对冷却的均匀性和稳定性要求高。目前，高温超导电缆主要考虑采用过冷液氮作为冷却剂。然而，过冷液氮由于其较小的气化潜热，在作为超导体冷却剂时，可能存在局部易过热气化引起失超、液氮需求量大带来的储存和运输成本较高等问题。氮浆作为氮的固液两相混合流体，温度更低、密度更大，而且因含固液相变潜热而使热容量更高，若被用于高温超导体的冷却，可大大减少冷却剂的消耗量，降低储存和输运成本，并提高高温超导体冷却的均匀性和稳定性。因此，氮浆在高温超导冷却方面的应用正受到越来越多的关注。同样，由于氢浆在密度和热容量方面优于液氢，采用氢浆代替液氢作为新型运载火箭的推进剂，可将火箭起飞重量降低15％～32％，节省发射成本。因此，研究氢浆在航天航空领域的应用具有重要意义。
为了更好地促进低温浆体的实际应用，需要对其制备及流动传热性能等进行系统的研究。国内外对氮浆和氢浆的流动与传热都已开展不少研究工作，并获得了一些相关的经验关联式。但是，针对低温浆体基础物性的研究内容目前还比较匮乏，尤其是表观粘度等输送特性缺少定量、可靠的测量和分析，从而限制了低温浆体在工业和航天等领域潜在应用的评估和论证工作。鉴于此，有必要首先通过测量获取低温浆体的物性数据。
旋转法粘度计是利用特定转子在被测流体中作恒速旋转运动，使流体接受转子和容器壁面之间发生的切应力，维持这种运动所需的扭矩由指针显示读数，进而用它来计算表观粘度。目前市面上的旋转粘度计缺少可在低温下使用的产品，低温浆体的表观粘度测量也鲜有研究。氮浆密度的测量即为氮浆的固相分数的测量，低温系统的漏热等影响易于引起氮浆密度的变化，从而导致对氮浆表观粘度等特性进行精确测量的难度较大。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，并针对低温浆体粘度数据的缺乏，提出一种结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量方法及系统。其具体技术方案如下：
一种结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，包括：低温浆体供给单元、低温浆体密度测量单元和低温浆体粘度测量单元；低温浆体供给单元通过管路依次与低温浆体密度测量单元和低温浆体粘度测量单元相连，使低温浆体依次流经两个单元并分别测定浆体的密度和粘度。
作为优选，所述的低温浆体供给单元包括用于存储低温浆体的供给杜瓦、搅拌装置和低温氦气增压系统，低温氦气增压系统与供给杜瓦相连，用于控制供给杜瓦内的浆体压力和输送，搅拌装置用于搅拌供给杜瓦内的低温浆体，保证测量对象的均匀度。
进一步的，所述的搅拌装置由磁流体传动电机和搅拌叶轮组成，搅拌叶轮安装于供给杜瓦内，并由磁流体传动电机驱动旋转；所述的低温氦气增压系统包括减压阀、预冷器、氦气钢瓶和放气阀，氦气钢瓶通过管路与供给杜瓦相连，管路上设有减压阀和预冷器，供给杜瓦上设有放气阀，可控制供给杜瓦压力，从而为低温浆体密度测量单元和低温浆体粘度测量单元输送低温浆体。
作为优选，所述的低温浆体密度测量单元包括LCR测量仪和密度测量电极，密度测量电极作为管路的一部分设置于连接供给杜瓦和低温浆体粘度测量单元的进液管上；LCR测量仪与密度测量电极相连。
进一步的，所述的密度测量电极采用多层同心圆筒式结构的电容式密度计，由外到内依次为屏蔽层、电极层a、电极层b和电极层c，各层均采用导电材料且相互之间采用绝缘支撑架固定，屏蔽层两端分别连接安装在管路上。密度测量电极采用该结构，有利于减小寄生电容及外界干扰的影响，并且可测量流体在管内流动时径向的密度分布，测量数据更加精准，尤其适合大口径水平圆管内流动的密度测量。
作为优选，所述的低温浆体粘度测量单元包括减速电机、扭矩传感器、磁流体密封件、扭矩数据采集模块、搅拌杆、旋转圆筒和测量杜瓦；测量杜瓦通过进液管与所述的供给杜瓦相连，减速电机安装于测量杜瓦上，并通过搅拌杆与旋转圆筒相连并驱动其旋转；搅拌杆上设有与扭矩数据采集模块相连的扭矩传感器。
进一步的，所述的测量杜瓦安装于低温浆体供给单元上方，并通过出液管与供给杜瓦相连，形成重力回流。粘度测量单元安装在低温浆体供给单元上方位置，利用重力让低温浆体回流，可以循环使用和测量，减少了低温浆体的消耗量。
更进一步的，所述的进液管和出液管上分别设有输液阀和回液阀；所述的搅拌杆与测量杜瓦盖体之间通过磁流体密封件进行密封。
进一步的，所述的旋转圆筒为空心圆筒结构。空心圆筒结构可增强搅拌结构的抗弯性，从而避免圆筒出现偏心打摆的情况，减小搅拌系统的重量和成本。
本发明还提供了一种利用所述装置结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的方法，步骤如下：
1)预冷过程：开启减压阀，氦气从钢瓶经预冷器冷却，进入供给杜瓦将其增压至0.15MPa，使低温浆体从进液管经过密度测量电极流入测量杜瓦中，关闭减压阀和输液阀，开启放气阀，将供给杜瓦内压力恢复至常压0.101MPa，关闭放气阀，开启回液阀，使测量杜瓦内的低温浆体由于重力作用回流至供给杜瓦，重复上述过程多次，直至低温浆体密度测量单元和低温浆体粘度测量单元充分完成预冷；
2)密度和粘度测量：预冷完成后，关闭回液阀，利用低温氦气将供给杜瓦增压至0.15MPa，开启输液阀，将低温浆体经过密度测量电极输送到测量杜瓦中，直至旋转圆筒浸没在低温浆体中；根据密度测量电极测得的电容计算获得低温浆体的密度；同时，根据不同电极板之间的测量值，可以获得管内径向的低温浆体密度分布及管内密度平均值；开启减速电机，驱动旋转圆筒开始恒速旋转，通过扭矩传感器测量旋转圆筒的转动扭矩M，表观粘度根据以下公式计算：
式中，η为表观粘度，h为旋转圆筒浸入低温浆体部分的高度，r为旋转圆筒外径，R为测量杜瓦内径，ω为减速电机转动的角速度。
本发明适用于低温浆体(包括氢浆、氮浆)或低温液体的密度和粘度的测量。粘度测量单元通过扭矩传感器测量旋转圆筒的扭矩来计算搅拌对象流体的粘度，结合常温测量仪器与低温测试系统，制造工艺简单，成本较低。该测量装置所获低温浆体的密度测量值与粘度测量数据一一对应，因此测量结果更加全面，可望改进低温固液两相流粘度数据比较缺乏的局面，并可广泛应用于空分、航天、超导等涉及深低温技术的领域。
附图说明
图1是结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置示意图；
图2是粘度测量单元结构示意图；
图3是密度测量电极结构示意图，其中a)为轴向剖面图，b)为径向截面图；
图4是粘度测量单元的旋转圆筒结构示意图；
图中：低温浆体供给单元1、低温浆体密度测量单元2、低温浆体粘度测量单元3、供给杜瓦4、磁流体传动电机5、搅拌叶轮6、预冷器7、减压阀8、氦气钢瓶9、放气阀10、低温浆体11、LCR测量仪12、密度测量电极13、进液管14、输液阀15、减速电机16、扭矩传感器17、磁流体密封件18、扭矩数据采集模块19、搅拌杆20、旋转圆筒21、回液阀22和出液管23、测量杜瓦24。
具体实施方式
下面将结合附图，并以氮浆为例，对本发明的系统的构思、结构和工作原理进行进一步阐述，以充分理解本发明的目的和特点。
如图1-2所示，结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置包括低温浆体供给单元1、低温浆体密度测量单元2和低温浆体粘度测量单元3。低温浆体供给单元1通过管路依次与低温浆体密度测量单元2和低温浆体粘度测量单元3相连，使氮浆依次流经两个单元并分别测定浆体的密度和粘度。
低温浆体供给单元1主体为供给杜瓦4，用于存储氮浆11，供给杜瓦4中设有用于搅拌氮浆的搅拌装置和低温氦气增压系统。低温氦气增压系统与供给杜瓦4相连。搅拌装置可由磁流体传动电机5和搅拌叶轮6组成，搅拌叶轮6安装于供给杜瓦4内，并由磁流体传动电机5驱动旋转，搅拌装置用于充分搅拌氮浆11，保证测量对象的均匀度。低温氦气增压系统由预冷器7、减压阀8、氦气钢瓶9和放气阀10组成，氦气钢瓶9通过管路与供给杜瓦4相连，管路上设有预冷器7和减压阀8，供给杜瓦4上设有放气阀10，可控制供给杜瓦4压力，从而为密度测量单元2和粘度测量单元3输送氮浆11。
低温浆体密度测量单元2包括LCR测量仪12和密度测量电极13，密度测量电极13作为管路的一部分设置于连接供给杜瓦4和低温浆体粘度测量单元3的进液管14上，即氮浆必须流经密度测量电极13方能进入后续管段；LCR测量仪12与密度测量电极13相连，用于测量其电容值。
密度测量电极13可采用多层同心圆筒式结构的电容式密度计。如图3所示，由外到内依次为屏蔽层、电极层a、电极层b和电极层c。屏蔽层及电极层均采用紫铜或不锈钢等导电材料制成。各层之间采用聚四氟乙烯绝缘支撑架或其他绝缘材料进行固定。最外层即屏蔽层两端分别采用螺纹连接或者法兰连接安装在氮浆进液管14上。
低温浆体粘度测量单元3包括减速电机16、扭矩传感器17、磁流体密封件18、扭矩数据采集模块19、搅拌杆20、旋转圆筒21和测量杜瓦24；测量杜瓦24通过进液管14与所述的供给杜瓦4相连，减速电机16安装于测量杜瓦24上，并通过搅拌杆20与旋转圆筒21相连并驱动其旋转；搅拌杆20上设有与扭矩数据采集模块19相连的扭矩传感器17。
所述的测量杜瓦24采用真空夹层绝热结构，安装于低温浆体供给单元1上方，并通过出液管23与供给杜瓦4相连，形成重力回流。密度测量单元2和粘度测量单元3用氮浆进行预冷。
进液管14和出液管23上分别设有输液阀15和回液阀22，用于控制循环管路中浆体的流动。所述的搅拌杆20与测量杜瓦24盖体之间通过磁流体密封件18进行密封。
旋转圆筒21为空心圆筒结构，如图4所示。
结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置的工作过程是：
1)预冷过程：开启减压阀8，氦气从钢瓶9经预冷器7冷却，进入供给杜瓦4将其增压至0.15MPa，使氮浆11从进液管14经过密度测量电极13流入测量杜瓦24中，关闭减压阀8和输液阀15，开启放气阀10，将供给杜瓦4内压力恢复至常压0.101MPa，关闭放气阀10，开启回液阀22，使测量杜瓦24内的低温浆体由于重力作用回流至供给杜瓦4，重复上述过程多次，直至低温浆体密度测量单元2和低温浆体粘度测量单元3预冷到63.15K；
2)密度和粘度测量：预冷完成后，关闭回液阀22，利用低温氦气将供给杜瓦4增压至0.15MPa，开启输液阀15，将氮浆经过密度测量电极13输送到测量杜瓦24中，直至旋转圆筒21浸没在氮浆11中；根据电极之间介质的介电常数不同，密度测量电极13测得的电容亦不同。可根据电容值计算获得氮浆的密度，即固相组分分数。同时，根据不同电极板之间的测量值，可以获得管内径向的氮浆密度分布及管内密度平均值；开启减速电机16，驱动旋转圆筒21开始恒速旋转，通过扭矩传感器17测量旋转圆筒的转动扭矩M，表观粘度根据以下公式计算：
式中，η为表观粘度，h为旋转圆筒21浸入氮浆部分的高度，测试过程中确保氮浆没过圆筒，则h为圆筒的高度；r为旋转圆筒21外径，R为测量杜瓦24内径，ω为减速电机转动的角速度。
粘度测量结束后，关闭输液阀15，将供给杜瓦4内压力恢复至常压0.101MPa，开启回液阀22，测量杜瓦24内的氮浆由于重力及测量杜瓦内较高压力作用流入供给杜瓦4，完成密度及粘度的测量流程。
本发明的密度测量电极采用含屏蔽层的多层同心圆筒式结构，有利于减小寄生电容及外界干扰的影响，且可测量流体在管内流动时径向的密度分布，测量数据更加准确，尤其适合大口径水平管内流动的密度测量；粘度测量单元安装在氮浆供给单元上方位置，利用重力让氮浆回流，可以使之循环使用和测量，减少了氮浆的消耗量；粘度测量实用的搅拌结构采用空心圆筒结构，具有较好的抗弯性，从而避免圆筒出现偏心打摆的情况，降低搅拌系统的重量和成本。
以上实施例适用于低温流体包括液体、浆体(氢浆、氮浆等)的密度、粘度测量，该测量装置所获氮浆的密度测量值与粘度测量数据一一对应，因此测量结果更加全面，可望改进低温固液两相流粘度数据比较缺乏的局面，并被广泛应用于空分、航天、超导等涉及深低温技术的领域。测量装置结构紧凑，制造成本较低。
Claims (9)
1.一种结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于包括：低温浆体供给单元(1)、低温浆体密度测量单元(2)和低温浆体粘度测量单元(3)；低温浆体供给单元(1)通过管路依次与低温浆体密度测量单元(2)和低温浆体粘度测量单元(3)相连，使低温浆体依次流经两个单元并分别测定浆体的密度和粘度；所述的低温浆体供给单元(1)包括用于存储低温浆体的供给杜瓦(4)、搅拌装置和低温氦气增压系统，低温氦气增压系统与供给杜瓦(4)相连，用于控制供给杜瓦(4)内的浆体压力和输送，搅拌装置用于搅拌供给杜瓦(4)内的低温浆体(11)，保证测量对象的均匀度。
2.如权利要求1所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的搅拌装置由磁流体传动电机(5)和搅拌叶轮(6)组成，搅拌叶轮(6)安装于供给杜瓦(4)内，并由磁流体传动电机(5)驱动旋转；所述的低温氦气增压系统包括预冷器(7)、减压阀(8)、氦气钢瓶(9)和放气阀(10)，氦气钢瓶(9)通过管路与供给杜瓦(4)相连，管路上设有预冷器(7)和减压阀(8)，供给杜瓦(4)上设有放气阀(10)。
3.如权利要求1所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的低温浆体密度测量单元(2)包括LCR测量仪(12)和密度测量电极(13)，密度测量电极(13)作为管路的一部分设置于连接供给杜瓦(4)和低温浆体粘度测量单元(3)的进液管(14)上；LCR测量仪(12)与密度测量电极(13)相连。
4.如权利要求3所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的密度测量电极(13)采用多层同心圆筒式结构的电容式密度计，由外到内依次为屏蔽层、电极层a、电极层b和电极层c，各层均采用导电材料且相互之间采用绝缘支撑架固定，屏蔽层两端分别连接安装在管路上。
5.如权利要求1所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的低温浆体粘度测量单元(3)包括减速电机(16)、扭矩传感器(17)、磁流体密封件(18)、扭矩数据采集模块(19)、搅拌杆(20)、旋转圆筒(21)和测量杜瓦(24)；测量杜瓦(24)通过进液管(14)与所述的供给杜瓦(4)相连，减速电机(16)安装于测量杜瓦(24)上，并通过搅拌杆(20)与旋转圆筒(21)相连并驱动其旋转；搅拌杆(20)上设有与扭矩数据采集模块(19)相连的扭矩传感器(17)。
6.如权利要求5所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的测量杜瓦(24)安装于低温浆体供给单元(1)上方，并通过出液管(23)与供给杜瓦(4)相连，形成重力回流。
7.如权利要求6所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的进液管(14)和出液管(23)上分别设有输液阀(15)和回液阀(22)；所述的搅拌杆(20)与测量杜瓦(24)盖体之间通过磁流体密封件(18)进行密封。
8.如权利要求5所述的结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的测量装置，其特征在于，所述的旋转圆筒(21)为空心圆筒结构。
9.一种利用如权利要求1所述装置结合密度测量获取低温浆体表观粘度物性的方法，其特征在于，步骤如下：
1)预冷过程：开启减压阀(8)，氦气从钢瓶(9)经预冷器(7)冷却，进入供给杜瓦(4)将其增压至0.15MPa，使低温浆体从进液管(14)经过密度测量电极(13)流入测量杜瓦(24)中，关闭减压阀(8)和输液阀(15)，开启放气阀(10)，将供给杜瓦(4)内压力恢复至常压0.101MPa，关闭放气阀(10)，开启回液阀(22)，使测量杜瓦(24)内的低温浆体由于重力作用回流至供给杜瓦(4)，重复上述过程多次，直至低温浆体密度测量单元(2)和低温浆体粘度测量单元(3)充分完成预冷；
2)密度和粘度测量：预冷完成后，关闭回液阀(22)，利用低温氦气将供给杜瓦(4)增压至0.15MPa，开启输液阀(15)，将低温浆体(11)经过密度测量电极(13)输送到测量杜瓦(24)中，直至旋转圆筒(21)浸没在低温浆体(11)中；根据密度测量电极(13)测得的电容计算获得低温浆体的密度；同时，根据不同电极板之间的测量值，可以获得管内径向的低温浆体密度分布及管内密度平均值；开启减速电机(16)，驱动旋转圆筒(21)开始恒速旋转，通过扭矩传感器(17)测量旋转圆筒的转动扭矩M，表观粘度根据以下公式计算：
式中，η为表观粘度，h为旋转圆筒(21)浸入低温浆体部分的高度，r为旋转圆筒(21)外径，R为测量杜瓦(24)内径，ω为减速电机转动的角速度。
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