CN108279185B - 一种气液组份粘度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液组份粘度的测量装置及测量方法，可实现温度、压力（或浓度）可控工况下，同时测量气液两态粘度。该测量装置包括第一容器、气相粘度测试仪、冷凝盘管、气体连通管、液相粘度测试仪、第二容器、粘度测试桶、液体连通管、第一截止阀、数据采集仪、水箱、溶液泵、第二截止阀、换热器、液相温度传感器、温控器、加热盘管、气相温度传感器、恒压阀、压力传感器。冷凝盘管固定连接在第一容器内腔中，且冷凝盘管的出水端通过第一管路与水箱的第一进口连通；水箱的出水端通过第二管路与换热器的进水端连通；换热器的出水端通过第三管路与冷凝盘管的进水端连通；加热盘管固定连接在第一容器内腔中，温控器与加热盘管连接。

Description

一种气液组份粘度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及溶液粘度测试领域，具体来说，涉及一种气液组份粘度的测量装置及测量方法。

背景技术

粘度是物质最基本的热物理性质之一。在能源、化工、制冷等行业有着广泛的应用。热工流体尤其是液体在热工装置（如蒸发器、冷凝器、发生器、精馏器等）中经常处于气、液共存状态。此时，换热设备中的温度、压力、体积（或温度、压力、浓度）处于稳态或非稳态。如何能够准确测得瞬态或稳态下气液两相介质的粘度，是进行传热计算的前提，并成为确保在换热设备合理设计的关键因素之一。

目前，市场上的粘度测试仪，一般只能满足常温工况下的测试条件。尤其是当被测试液体为易挥发液体或混合溶液（如氨水溶液、溴化锂、氯化锂水溶液或纳米流体等）时，压力和浓度随着温度的改变而变化，而温度、浓度的变化会使得粘度发生变化。常见粘度测试仪器无法同时满足温度、压力或浓度需求的稳态工况条件下的粘度测量。

发明内容

技术问题：本发明解决的技术问题在于针对现有技术不足，提出一种气液组份粘度的测量装置及测量方法，可实现温度、压力（或浓度）可控工况下，同时测量气液两态粘度。

技术方案： 为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案为：

一方面，本发明实施例提供一种气液组份粘度的测量装置，包括第一容器、气相粘度测试仪、冷凝盘管、气体连通管、液相粘度测试仪、第二容器、粘度测试桶、液体连通管、第一截止阀、数据采集仪、水箱、溶液泵、第二截止阀、换热器、液相温度传感器、温控器、加热盘管、气相温度传感器、恒压阀、压力传感器；所述冷凝盘管固定连接在第一容器内腔中，且冷凝盘管的出水端通过第一管路与水箱的第一进口连通，第一截止阀连接在第一管路中；水箱的出水端通过第二管路与换热器的进水端连通，溶液泵和第二截止阀分别连接在第二管路中；换热器的出水端通过第三管路与冷凝盘管的进水端连通；所述加热盘管固定连接在第一容器内腔中，温控器与加热盘管连接；所述加热盘管位于冷凝盘管下方；所述粘度测试桶固定连接在第二容器内腔中，液相粘度测试仪固定连接在第二容器上，且液相粘度测试仪的转子位于粘度测试桶中，粘度测试桶通过液体连通管和第一容器连通，第二容器通过气体连通管与第一容器连通；所述气相粘度测试仪、液相温度传感器和气相温度传感器分别与第一容器固定连接，液相温度传感器位于气相温度传感器下方；所述恒压阀通过第四管路与第一容器内腔连通；压力传感器固定连接在第一容器外壁，用于测试第一容器内的压力；所述气相粘度测试仪信号输出端、液相粘度测试仪信号输出端、液相温度传感器信号输出端、气相温度传感器信号输出端、压力传感器信号输出端、恒压阀信号输出端分别与数据采集仪信号输入端连接。

作为优选例，所述的气液组份粘度的测量装置，还包括第五管路和旁通阀，所述第五管路的一端与第二管路连通，另一端与水箱的第二进口连通，旁通阀连接在第五管路中。

作为优选例，所述第五管路与第二管路的连接处位于溶液泵和第二截止阀之间。

作为优选例，所述的气液组份粘度的测量装置，还包括安全阀，安全阀通过第六管路与第一容器内腔连通。

作为优选例，所述气相粘度测试仪位于冷凝盘管上方。

作为优选例，所述的气液组份粘度的测量装置，还包括视镜和照明灯，视镜和照明灯分别固定连接在第一容器上，且照明灯的出光面与至少一个视镜相对。

作为优选例，所述视镜为三个，其中，第一个视镜与冷凝盘管相对，第二个视镜与第一容器内的液面相对；第三个视镜位于第一容器的顶部，且照明灯的出光面与第三个视镜相对。

作为优选例，所述第一容器、第二容器、液体连通管、气体连通管、水箱、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路均设有外壁保温层。

另一方面，本发明实施例还提供一种气液组份粘度的测量方法，包括：

第一步：测量装置保持密封状态，并对第一容器和第二容器进行抽真空处理；

第二步：向第一容器中充注被测溶液，被测溶液的液位浸没加热盘管，且通过液体连通管，流入粘度测试桶中；

第三步：开启换热器中的冷却水回路；开启第一截止阀、旁通阀和第二截止阀，冷凝水在冷凝盘管、水箱和换热器中循环流动；开启温控器，对加热盘管进行加热处理；

第四步：调节被测溶液，使得被测溶液的温度、压力达到平衡状态；通过数据采集仪获取被测溶液的气相粘度值和液相粘度值；

第五步：返回第四步，改变温控器的功率和冷凝水流量，获得被测溶液在不同温度和压力下的气相粘度值和液相粘度值，直至测量结束。

作为优选例，所述第四步中，调节被测溶液，包括：通过温控器调节加热盘管加热量；通过调节旁通阀开度，调控冷凝水回路水流量；控制恒压阀开度；从而使得待测溶液的温度、压力达到平衡状态，满足测量所需工况。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：本发明实施例的测量装置及测量方法，可实现温度、压力（或浓度）可控工况下，同时测量气液两态粘度。该实施例的测量装置，包括第一容器、气相粘度测试仪、冷凝盘管、气体连通管、液相粘度测试仪、第二容器、粘度测试桶、液体连通管、第一截止阀、数据采集仪、水箱、溶液泵、第二截止阀、换热器、液相温度传感器、温控器、加热盘管、气相温度传感器、恒压阀、安全阀、压力传感器。通过调节温控器，以及冷凝盘管中的冷凝水流量，实现在不同温度、压力及浓度工况下的气相液相粘度的同时测量。本实施例通过一套装置，实现在不同工况下，被测溶液的气相粘度和液相粘度的同时测量。

附图说明

图1为本发明实施例的测量装置的结构示意图。

图中有：第一容器1、气相粘度测试仪2、冷凝盘管3、气体连通管4、液相粘度测试仪5、第二容器6、粘度测试桶7、液体连通管8、第一截止阀9、数据采集仪10、水箱11、溶液泵12、旁通阀13、第二截止阀14、换热器15、液相温度传感器16、温控器17、加热盘管18、视镜19、气相温度传感器20、恒压阀21、安全阀22、照明灯23、压力传感器24。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例的一种测试气液组份粘度的装置，包括第一容器1、气相粘度测试仪2、冷凝盘管3、气体连通管4、液相粘度测试仪5、第二容器6、粘度测试桶7、液体连通管8、第一截止阀9、数据采集仪10、水箱11、溶液泵12、第二截止阀14、换热器15、液相温度传感器16、温控器17、加热盘管18、气相温度传感器20、恒压阀21和压力传感器24。冷凝盘管3固定连接在第一容器1内腔中，且冷凝盘管3的出水端通过第一管路与水箱11的第一进口连通，第一截止阀9连接在第一管路中；水箱11的出水端通过第二管路与换热器15的进水端连通，溶液泵12和第二截止阀14分别连接在第二管路中；换热器15的出水端通过第三管路与冷凝盘管3的进水端连通。加热盘管18固定连接在第一容器1内腔中，温控器17与加热盘管18连接。加热盘管18位于冷凝盘管3下方。粘度测试桶7固定连接在第二容器6内腔中，液相粘度测试仪5固定连接在第二容器6上，且液相粘度测试仪5的转子位于粘度测试桶7中，粘度测试桶7通过液体连通管8和第一容器1连通，第二容器6通过气体连通管4与第一容器1连通。气相粘度测试仪2、液相温度传感器16和气相温度传感器20分别与第一容器1固定连接，液相温度传感器16位于气相温度传感器20下方。恒压阀21通过第四管路与第一容器1内腔连通；压力传感器24固定连接在第一容器1外壁，用于测试第一容器1内的压力。气相粘度测试仪2信号输出端、液相粘度测试仪5信号输出端、液相温度传感器16信号输出端、气相温度传感器20信号输出端、压力传感器24信号输出端、恒压阀21信号输出端分别与数据采集仪10信号输入端连接。

上述实施例中，第一容器1中盛放溶液。溶液可为一元（如水、乙醇、制冷剂、油类等）、二元溶液（如氨水、溴化锂水溶液、氯化锂水溶液、二元混合制冷剂等）、多元溶液（多元混合制冷剂或溶液等）、混合溶液（如添加纳米或微小颗粒物的溶液）等。溶液可为共沸溶液也可以为非共沸溶液。该溶液的液面位于加热盘管18上方，且位于冷凝盘管3下方。通过气体连通管4，将第一容器1中的气体通入第二容器6中。同时，通过液体连通管8，将第一容器1中的溶液通入粘度测试桶7中。在第一容器1中测试溶液的气相粘度，在第二容器6中测试溶液的液相粘度。优选的，气相粘度测试仪2是探针式粘度计。液相粘度测试仪5优选为旋转式粘度仪。旋转式粘度仪的转子需与液体接触，故将被测溶液从第一容器1中引出到粘度测试桶7进行粘度测量用。第二容器6的目的是为了引入液体和气体来维系测试环境与第一容器1相同，即用气体连通管4和液体连通管8达到温度和压力平衡。第一容器1内不同的温度、压力工况下，位于第一容器1内溶液的粘度亦不同。液相温度传感器16用于测量第一容器1中的被测溶液的温度，并将温度信息传送至数据采集仪10中。气相温度传感器20用于测量第一容器1中的气体（为被测溶液挥发的气体）温度，并将温度信息传送至数据采集仪10中。恒压阀21用于调节第一容器1和第二容器6内的气体的压力。压力传感器24用于测量第一容器1中的气体（为被测溶液挥发的气体）压力，并将压力信息传送至数据采集仪10中。

上述实施例中，温控器17和加热盘管18形成了加热系统。通过温控器17调控加热盘管18的温度，使得溶液的温度也随之变化。水箱11、溶液泵12、换热器15、冷凝盘管3、第一截止阀9、第二截止阀14组成冷凝水回路。冷凝热在换热器15中由冷却水回路中的冷却水带至冷却塔散热释放于大气中。通过调节旁通阀13开度来控制冷凝盘管3内的冷凝水流量，调控冷凝热。通过调控加热系统的加热量和冷凝水盘管3内冷凝水流量，可达到加热量和冷凝热平衡。也即将第一容器和第二容器内的溶液的温度、压力恒定在所需测试状态点。

上述实施例的测量装置，可调节被测溶液的温度、压力和浓度至恒定状态。具体方法是：利用加热盘管18加热位于第一容器1中的被测溶液，使得溶液蒸发或沸腾出气体（或低沸点组分）。启动冷凝系统中的溶液泵12，管路中的循环水从水箱11经由溶液泵12、换热器15循环至冷凝盘管3中；位于冷凝盘管3中的循环水，带走被测溶液上部空间蒸发出的气体的热量，使得部分气体在冷凝盘管3外表面冷却冷凝。冷凝热在换热器15中被冷却水回路带走至冷却塔。被测溶液的温度和压力被加热盘管18和冷凝盘管3内循环水流量控制。通过调节冷凝装置中的冷凝水流量和加热装置的加热功率，使得第一容器1和第二容器6内中的气液组份处于不同的温度和压力工况。具体操作是，通过调节加热盘管18加热量（即调节温控器17）、冷凝水回路水流量（即调节旁通阀13开度），以及恒压阀21开度，使得第一容器1和第二容器6内的压力和温度满足测量所需工况。冷凝盘管3、水箱11、换热器15构成冷凝装置。冷凝装置对第一容器1和第二容器6内气体进行温度调节。具体来讲，对于一元溶液来说，当温度恒定时，压力也达到平衡，此时调节温度也调节了压力；当溶液为二元或多元时，温度、压力和浓度三者为统一体，即确定三个参数中的两个参数达到稳态时，第三个参数也确定了。

作为优选例，上述实施例的测试气液组份粘度的装置，还包括第五管路和旁通阀13。第五管路的一端与第二管路连通，另一端与水箱11的第二进口连通，旁通阀13连接在第五管路中。设置旁通阀13，使得溶液泵12的部分出水回流到水箱11，调节冷凝盘管3内冷凝水的流量，进而调节从第一容器1内带走的热负荷，也即改变了测试溶液的温度。

更加优选的，第五管路与第二管路的连接处位于溶液泵12和第二截止阀14之间。从水箱11出水端流出的水经过溶液泵12流入第二截止阀14。通过设置第五管路和旁通阀13，使得部分水流通过旁通阀13回流至水箱11中。第五管路与第二管路的连接处位于溶液泵12和第二截止阀14之间，通过溶液泵12泵送水流，实现水流的顺利流动。

作为优选例，上述实施例的测试气液组份粘度的装置，还包括安全阀22，安全阀22通过第六管路与第一容器1内腔连通。设置安全阀22可事先设定测量装置所能承受最大压力（即允许最大压力）。当第一容器1和第二容器6内压力超出设定的允许最大压力时，安全阀22即迅速打开释放压力，以防出现爆炸等应急情形。

作为优选例，气相粘度测试仪2位于冷凝盘管3上方。气相粘度测试仪2用于测试气体粘度。气相粘度测试仪2位于冷凝盘管3上方，确保气相粘度测试仪2可以测试气体粘度。

作为优选例，上述实施例的测试气液组份粘度的装置，还包括视镜19和照明灯23。视镜19和照明灯23分别固定连接在第一容器1上，且照明灯23的出光面与至少一个视镜19相对。更加优选的，视镜19为三个，其中，第一个视镜19与冷凝盘管3相对，第二个视镜19与第一容器1内的液面相对；第三个视镜19位于第一容器1的顶部，且照明灯23的出光面与第三个视镜19相对。这样，照明灯23射出的光线从第一容器1顶部射出，直至第一容器1中的溶液部分。通过第三个视镜可为第一容器1内提供照明，便于测量人员通过第一个视镜19和第二个视镜19更加清楚的观察。测量人员可以通过第一个视镜19观察冷凝盘管3外侧气体的冷却冷凝情况。通过第二个视镜19可观测加热盘管18外侧液体的加热蒸发情况。

作为优选例，所述第一容器1、第二容器6、液体连通管8、气体连通管4、水箱11、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路均设有外壁保温层。设置保温层的目的是使整个测量装置保温，以防热损失，便于维持所需测试工况（温度、压力）的恒定，从而使得测量粘度系数更加准确。

上述实施例的装置测试气液组分粘度的方法如下：

第一步：测量装置保持密封状态，并对第一容器1和第二容器6进行抽真空处理。

第二步：向第一容器1中充注被测溶液，被测溶液的液位浸没加热盘管18，且通过液体连通管8，流入粘度测试桶7中。

第三步：开启换热器15中的冷却水回路；开启第一截止阀9、旁通阀13和第二截止阀14，冷凝水在冷凝盘管3、水箱11和换热器15中循环流动；开启温控器17，对加热盘管18进行加热处理。

第四步：调节被测溶液，使得被测溶液的温度、压力达到平衡状态；通过数据采集仪10获取被测溶液的气相粘度值和液相粘度值。

第五步：返回第四步，改变温控器17的功率和冷凝水流量，获得被测溶液在不同温度和压力下的气相粘度值和液相粘度值，直至测量结束。

上述实施例的方法中，第四步中，调节冷凝水流量的方法为：通过温控器17调节加热盘管18加热量；通过调节旁通阀13开度，调控冷凝水回路水流量；控制恒压阀21开度，从而使得待测溶液的温度、压力达到平衡状态，满足测量所需工况。

上述实施例的测量装置能实现一元溶液、二元溶液、多元溶液及混合溶液（如纳米流体等）达到所需指定温度、压力及浓度稳态工况下的气态和液态粘度的测量工作。

上述实施例的测试装置可实现易挥发液体在较宽温度、压力范围内粘度的测试要求。本发明实施例的测试装置及方法能实现一元溶液、二元溶液、多元溶液及混合溶液（如纳米流体等）达到所需指定温度、压力及浓度稳态工况下的气态和液态粘度系数的测量。同时，本实施例的测量装置解决了易挥发液体在较宽温度、压力范围内粘度系数的测试要求。现有技术中，为敞开式测量装置，温度调节范围有限，且不能恒定压力。本实施例的测量装置为封闭式结构。装置内兼具加热和冷凝两个环节，可实现较大温区、较宽压力范围内温度和压力的调节。

上述实施例的测试装置包含加热和冷却冷凝过程的封闭测试系统。该装置能够实现温度、压力、浓度恒定平衡状态工况下的气液平衡，进而在被测溶液中气、液两种相态处分别安装粘度测试仪，同时测得不同温度压力工况点下的气态和液态部分热工介质的粘度。

上述实施例的装置可以同时测量在不同工况下，被测溶液的气相粘度与液相粘度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种气液组份粘度的测量装置，其特征在于，该装置包括第一容器（1）、气相粘度测试仪（2）、冷凝盘管（3）、气体连通管（4）、液相粘度测试仪（5）、第二容器（6）、粘度测试桶（7）、液体连通管（8）、第一截止阀（9）、数据采集仪（10）、水箱（11）、溶液泵（12）、第二截止阀（14）、换热器（15）、液相温度传感器（16）、温控器（17）、加热盘管（18）、气相温度传感器（20）、恒压阀（21）、压力传感器（24）；

所述冷凝盘管（3）固定连接在第一容器（1）内腔中，且冷凝盘管（3）的出水端通过第一管路与水箱（11）的第一进口连通，第一截止阀（9）连接在第一管路中；水箱（11）的出水端通过第二管路与换热器（15）的进水端连通，溶液泵（12）和第二截止阀（14）分别连接在第二管路中；换热器（15）的出水端通过第三管路与冷凝盘管（3）的进水端连通；位于冷凝盘管（3）中的循环水，带走被测溶液上部空间蒸发出的气体的热量，使得部分气体在冷凝盘管（3）外表面冷却冷凝；

所述加热盘管（18）固定连接在第一容器（1）内腔中，温控器（17）与加热盘管（18）连接；所述加热盘管（18）位于冷凝盘管（3）下方；

所述粘度测试桶（7）固定连接在第二容器（6）内腔中，液相粘度测试仪（5）固定连接在第二容器（6）上，且液相粘度测试仪（5）的转子位于粘度测试桶（7）中，粘度测试桶（7）通过液体连通管（8）和第一容器（1）连通，第二容器（6）通过气体连通管（4）与第一容器（1）连通；

所述气相粘度测试仪（2）、液相温度传感器（16）和气相温度传感器（20）分别与第一容器（1）固定连接，液相温度传感器（16）位于气相温度传感器（20）下方；

所述恒压阀（21）通过第四管路与第一容器（1）内腔连通；压力传感器（24）固定连接在第一容器（1）外壁，用于测试第一容器（1）内的压力；

还包括第五管路和旁通阀（13），所述第五管路的一端与第二管路连通，另一端与水箱（11）的第二进口连通，旁通阀（13）连接在第五管路中；所述第五管路与第二管路的连接处位于溶液泵（12）和第二截止阀（14）之间；

所述气相粘度测试仪（2）信号输出端、液相粘度测试仪（5）信号输出端、液相温度传感器（16）信号输出端、气相温度传感器（20）信号输出端、压力传感器（24）信号输出端、恒压阀（21）信号输出端分别与数据采集仪（10）信号输入端连接。

2.按照权利要求1所述的气液组份粘度的测量装置，其特征在于，还包括安全阀（22），安全阀（22）通过第六管路与第一容器（1）内腔连通。

3.按照权利要求1所述的气液组份粘度的测量装置，其特征在于，所述气相粘度测试仪（2）位于冷凝盘管（3）上方。

4.按照权利要求1所述的气液组份粘度的测量装置，其特征在于，还包括视镜（19）和照明灯（23），视镜（19）和照明灯（23）分别固定连接在第一容器（1）上，且照明灯（23）的出光面与至少一个视镜（19）相对。

5.按照权利要求4所述的气液组份粘度的测量装置，其特征在于，所述视镜（19）为三个，其中，第一个视镜（19）与冷凝盘管（3）相对，第二个视镜（19）与第一容器（1）内的液面相对；第三个视镜（19）位于第一容器（1）的顶部，且照明灯（23）的出光面与第三个视镜（19）相对。

6.按照权利要求2所述的气液组份粘度的测量装置，其特征在于，所述第一容器（1）、第二容器（6）、液体连通管（8）、气体连通管（4）、水箱（11）、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路均设有外壁保温层。

7.一种基于权利要求1-6中任何一项所述的测量装置进行气液组份粘度的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

第一步：测量装置保持密封状态，并对第一容器（1）和第二容器（6）进行抽真空处理；

第二步：向第一容器（1）中充注被测溶液，被测溶液的液位浸没加热盘管（18），且通过液体连通管（8），流入粘度测试桶（7）中；

第三步：开启换热器（15）中的冷却水回路；开启第一截止阀（9）、旁通阀（13）和第二截止阀（14），冷凝水在冷凝盘管（3）、水箱（11）和换热器（15）中循环流动；开启温控器（17），对加热盘管（18）进行加热处理；

第四步：调节被测溶液，使得被测溶液的温度、压力达到平衡状态；通过数据采集仪（10）获取被测溶液的气相粘度值和液相粘度值；

第五步：返回第四步，改变温控器（17）的功率和冷凝水流量，获得被测溶液在不同温度和压力下的气相粘度值和液相粘度值，直至测量结束。

8.按照权利要求7所述的气液组份粘度的测量方法，其特征在于，所述第四步中，调节被测溶液，包括：通过温控器（17）调节加热盘管（18）加热量；通过调节旁通阀（13）开度，调控冷凝水回路水流量；控制恒压阀（21）开度；从而使得待测溶液的温度、压力达到平衡状态，满足测量所需工况。