CN108871020B - 一种流体相变可视化系统 - Google Patents

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Abstract

一种流体相变可视化系统，包括透明真空罩、相变反应装置和再沸器。相变反应装置包括透明壳体、隔板和换热组件，隔板将透明壳体的腔体分为上腔和集液腔，换热组件包括设于隔板上的第一换热管和第二换热管；再沸器的透明液体罐上设有透明气体管道，透明气体管道和集液腔连通，集液腔的底部设有透明液体管道，透明液体管道和透明液体罐连通。上述流体相变可视化系统，上腔内的液态流体进入第二换热管，与集液腔中的气态流体进行换热，集液腔中的气态流体在第二换热管的表面凝结。集液腔内的气态流体进入第一换热管内，与上腔中的液态流体进行换热，上腔中的液态流体在第一换热管的表面蒸发。因此，可以同时观测到流体冷凝和蒸发的相变过程。

Description

一种流体相变可视化系统
技术领域
本发明涉及流体相变技术领域，尤其涉及一种流体相变可视化系统。
背景技术
随着环境问题日益严重，氢作为一种理想的清洁能源，被认为是21世纪最有发展前景的新能源之一。近年来氢能的开发与利用技术得到工业化国家高度重视，并投入大量财力开展研究工作。由于氢气的密度小、储存困难、储运成本高，从而使氢的存储、运输成为氢能应用产业化中的关键技术难题，也成为氢能发展的关键制约因素。发展高效的氦制冷氢液化装置生产液氢，是解决氢能利用过程中储存与运输关键方式之一。由于氢的冷凝热阻大、冷凝液膜厚、表面张力小，以及汽化潜热小导致复杂的气液两相流，氢蒸发冷凝有着与常温流体不同的现象。基于常温流体得到的流动和传热关系式多数不适用于低温流体，通过可视化装置观察冷凝、蒸发等相变现象，有助于找到低温流体与常温流体两相流的共性与差异性所在，才有对常温下的关系式进行修正用于低温流体的依据。由于氢是一种易燃易爆气体，设计一套安全、高效、简易和可重复性高的可视化装置尤为必要。
然而，传统的流体相变可视化系统通常只能观测到流体的冷凝。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能够用于观测流体冷凝和蒸发的流体相变可视化系统。
一种流体相变可视化系统，包括透明真空罩、相变反应装置和再沸器，所述相变反应装置和所述再沸器均设于所述透明真空罩内；
所述相变反应装置包括透明壳体、隔板和换热组件，所述隔板设于所述透明壳体内，所述隔板将所述透明壳体的腔体分为上腔和集液腔，所述隔板开设有通孔，所述换热组件包括第一换热管和第二换热管，所述第一换热管和所述第二换热管均为一端开口的筒体结构，所述第一换热管的开口端和所述隔板的一侧固定连接，所述第二换热管的开口端和所述隔板的另一侧固定连接，所述第一换热管的开口端和所述第二换热管的开口端均分别和一个所述通孔连通，所述第一换热管和第二换热管的数量的总和和所述通孔的数量相同；
所述再沸器包括透明液体罐和设于所述透明液体罐下方的加热器，所述透明液体罐上设有透明气体管道，所述透明气体管道和所述集液腔连通，所述集液腔的底部设有透明液体管道，所述透明液体管道和所述透明液体罐连通。
在一个实施例中，所述第一换热管和第二换热管的形状均为半个环形筒状，所述第一换热管和所述第二换热管均包括竖直弧形外壁面、竖直弧形内壁面、第一竖直平面壁、第二竖直平面壁和水平壁面，所述竖直弧形外壁面、所述第一竖直平面壁、所述竖直弧形内壁面和第二竖直平面壁依次首尾连接形成管状结构，所述水平壁面设于所述管状结构的一端。
在一个实施例中，所述隔板的一侧设有三个所述第一换热管，所述隔板的另一侧设有三个所述第二换热管，所述隔板上设有六个所述通孔。
在一个实施例中，六个所述通孔包括在所述隔板上呈圆形依次排列的第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔，其中所述第一通孔、所述第三通孔和所述第五通孔和位于所述隔板一侧的三个所述第一换热管连通，所述第二通孔、第四通孔和第六通孔和位于所述隔板另一侧的三个所述第二换热管连通。
在一个实施例中，所述集液腔的底部向外凸起形成集液部，所述透明液体管道设于所述集液部。
在一个实施例中，所述透明液体管道远离所述集液腔的一端设于所述透明液体罐的底部。
在一个实施例中，所述集液腔还设有注液管道。
在一个实施例中，所述注液管道设于所述集液腔的开口端至所述隔板的距离小于所述透明液体管道在所述集液腔的开口端至所述隔板的距离。
在一个实施例中，所述透明气体管道远离所述透明液体罐的开口端至所述隔板的距离小于所述透明液体管道在所述集液腔的开口端至所述隔板的距离。
在一个实施例中，所述透明真空罩的外侧对应于所述隔板和所述换热组件的位置设有监视器。
上述流体相变可视化系统，在上腔内加入液态流体，再沸器加热形成的气态流体进入集液腔内。上腔内的液态流体进入第二换热管，与集液腔中的气态流体进行换热，集液腔中的气态流体在第二换热管的表面凝结。集液腔内的气态流体进入第一换热管内，与上腔中的液态流体进行换热，上腔中的液态流体在第一换热管的表面蒸发。因此，可以同时观测到流体的冷凝和蒸发的相变过程。
附图说明
图1为一实施方式的流体相变可视化系统的结构示意图；
图2为一实施方式的隔板的结构示意图；
图3为一实施方式的第一换热管的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一实施方式流体相变可视化系统100，包括透明真空罩10、相变反应装置和再沸器，相变反应装置和再沸器均设于透明真空罩内。透明真空罩10为实验装置提供真空环境。
相变反应装置包括透明壳体22、隔板24和换热组件，隔板24设于透明壳体22内，隔板24将透明壳体22的腔体分为上腔21和集液腔23。请同时参考图2，隔板24开设有通孔。换热组件包括第一换热管262和第二换热管264，第一换热管262和第二换热管264均为一端开口的筒体结构，第一换热管262的开口端和隔板24的一侧固定连接，第二换热管264的开口端和隔板24的另一侧固定连接，第一换热管262的开口端和第二换热管264的开口端均分别和一个通孔连通，第一换热管262和第二换热管264的数量的总和和通孔的数量相同。
再沸器包括透明液体罐32和设于透明液体罐32下方的加热器34。透明液体罐32上设有透明气体管道36，透明气体管道36和集液腔23连通，集液腔23的底部设有透明液体管道28，透明液体管道28和透明液体罐32连通。
上述流体相变可视化系统100，在上腔21内加入液态流体，再沸器加热形成的气态流体进入集液腔23内。上腔21内的液态流体进入第二换热管264，与集液腔23中的气态流体进行换热，集液腔23中的气态流体在第二换热管264的表面凝结。集液腔23内的气态流体进入第一换热管262内，与上腔21中的液态流体进行换热，上腔21中的液态流体在第一换热管262的表面蒸发。因此，可以同时观测到流体的冷凝和蒸发的相变过程。
加热器34为透明液体罐32提供热量。透明液体罐32中的液体蒸发经透明气体管道36流入集液腔23，气体经第一换热管262和隔板24冷凝后经透明液体管道28流回透明液体罐32。
在一个实施例中，第一换热管262和第二换热管264均和隔板24焊接连接。
在图1所示的实施例中，隔板24上方的第一换热管262的管内是来自集液腔23的气态流体，管外是上腔21内的流体，在管壁面发生蒸发。隔板24下部的第二换热管264内部是上腔21内的流体，管外是气态流体，在管壁面发生冷凝。
请参考图3，第一换热管262和第二换热管264的形状均为半个环形筒状。第一换热管262和第二换热管264均包括竖直弧形外壁面261、竖直弧形内壁面265、第一竖直平面壁263、第二竖直平面壁267和水平壁面(图未示)。竖直弧形外壁面261、第一竖直平面壁263、竖直弧形内壁面265和第二竖直平面壁267依次首尾连接形成管状结构，水平壁面设于管状结构的一端。竖直弧形外壁面261的半径R2大于竖直弧形内壁面265的半径R1。可以理解，第一换热管262和第二换热管264也可以为其他结构。第一换热管262和第二换热管264的尺寸根据实际情况设置，适当的换热管尺寸可以保证观察换热管的视线不被其他换热管遮挡。
竖直弧形外壁面261可用于观测竖直外壁面相变现象，竖直弧形外壁面265可用于观测竖直内壁面相变现象，第一竖直平面壁263和第二竖直平面壁267可用于观测竖直平壁面相变现象，水平壁面可用于观测水平壁面相变现象。在一个实施例中，隔板24的一侧设有三个第一换热管262，隔板24的另一侧设有三个第二换热管264，隔板24上设有六个通孔。
进一步的，请参考图2，六个通孔为在隔板24上呈圆形依次排列的第一通孔241、第二通孔242、第三通孔243、第四通孔244、第五通孔245和第六通孔246，其中第一通孔241、第三通孔243和第五通孔245和位于隔板24一侧的三个第一换热管262连通，第二通孔242、第四通孔244和第六通孔246和位于隔板24另一侧的三个第二换热管264连通。将第一换热管262和第二换热管264间隔设置，可以均匀流体的温度。
在一个实施例中，第一换热管262和第二换热管264的材料均为高热导率不透明材料。
在一个实施例中，上腔21的上部的一侧设有入口管212，上腔21上部的另一侧设有出口管214。
入口管212可以对上腔21充液。入口管212外端口设有阀门和流量计(未示出)，用于流量统计。入口管212外端口还设有温度传感器(未示出)，用于读取温度。
出口管214用于转移上腔21内的气体。出口管214外端口设有阀门和流量计(未示出)，用于流量统计。出口管214外端口还设有压力传感器和温度传感器(未示出)，用于监测上腔21内的压力与温度。
在一个实施例中，集液腔23的底部向外凸起形成集液部，透明液体管道28设于集液部。经换热后的气态流体冷凝后，从集液部流入透明液体管道28，通过在集液腔23的底部设置向外凸起形成集液部，可以使冷凝后的流体都在集液部汇集，及时转移冷凝产生的液体，以及避免液体流入透明气体管道36。
在一个实施例中，透明液体管道28远离集液腔23的一端设于透明液体罐32的底部以上顶部以下。当透明液体罐32装填液体时，需保证透明液体管道28的一端在透明液体罐32的液面以下。这样设置，一是可以利用连通器原理防止气体通过透明液体管道28流入集液腔，二是利用下落的流体的动能推动再沸器内流体的流动，减小温度梯度，防止局部过热。同时，可以观测到在透明液体管道28内的不受上升蒸汽干扰的液体下落。
在一个实施例中，集液腔23还设有注液管道29。注液管道29可以用于往集液腔23充液和对集液腔23进行排气。
进一步的，注液管道29设于集液腔23的开口端至隔板24的距离小于透明液体管道28在集液腔23的开口端至隔板24的距离。即，集液腔23中产生的液体只会从透明液体管道28的开口端流出，而不会通过注液管道29的开口端流出。
注液管道29外端口设有阀门和流量计(未示出)用于流量统计。注液管道29外端口还设有温度计和压力传感器(未示出)用于集液腔温度和压力的监控。
在一个实施例中，透明气体管道36远离透明液体罐32的开口端至隔板24的距离小于透明液体管道28在集液腔23的开口端至隔板24的距离。即，集液腔23中产生的液体只会从透明液体管道28的开口端流出，而不会通过透明气体管道36的开口端流出。
在一个实施例中，透明液体管道28上设有阀门。透明气体管道36上设有阀门。
在一个实施例中，透明真空罩10的外侧对应于隔板24、第一换热管262和第二换热管264的位置设有监视器40。
监视器40是可视化实验装置观测设备，实现方式可以是安装在透明真空罩10上，也可以是相对于透明真空罩10的独立结构。
监视器40用于实验现象的观测、记录和输出，具体形式可以但不局限为高速摄像机。
可以理解，上腔21内的流体也可以是粒状或块状固体，或浆态物质，用于研究融化、升华等相变。
上述流体相变可视化系统100可以同时观测到第一换热管262和第二换热管264的竖直弧形外壁面261、竖直弧形内壁面265、第一竖直平面壁263、第二竖直平面壁267和水平壁面的冷凝和蒸发。且通过将上升蒸汽和下落液体分走不同管道，既可以观察到不受干扰的液体下落现象，也利用了液体下落的重力势能，减小再沸器内的液体温度梯度。总体来说，上述流体相变可视化系统100使得可视化实验可以同时观测到更多的现象，现象更加明显，也避免了局部过热的现象。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种流体相变可视化系统，其特征在于，包括透明真空罩、相变反应装置和再沸器，所述相变反应装置和所述再沸器均设于所述透明真空罩内；
所述相变反应装置包括透明壳体、隔板和换热组件，所述隔板设于所述透明壳体内，所述隔板将所述透明壳体的腔体分为上腔和集液腔，所述隔板开设有通孔，所述换热组件包括第一换热管和第二换热管，所述第一换热管和所述第二换热管均为一端开口的筒体结构，所述第一换热管的开口端和所述隔板的一侧固定连接，所述第二换热管的开口端和所述隔板的另一侧固定连接，所述第一换热管的开口端和所述第二换热管的开口端均分别和一个所述通孔连通，所述第一换热管和第二换热管的数量的总和和所述通孔的数量相同；
所述再沸器包括透明液体罐和设于所述透明液体罐下方的加热器，所述透明液体罐上设有透明气体管道，所述透明气体管道和所述集液腔连通，所述集液腔的底部设有透明液体管道，所述透明液体管道和所述透明液体罐连通；
所述上腔的上部的一侧设有入口管，上腔上部的另一侧设有出口管。
2.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述第一换热管和第二换热管的形状均为半个环形筒状，所述第一换热管和所述第二换热管均包括竖直弧形外壁面、竖直弧形内壁面、第一竖直平面壁、第二竖直平面壁和水平壁面，所述竖直弧形外壁面、所述第一竖直平面壁、所述竖直弧形内壁面和第二竖直平面壁依次首尾连接形成管状结构，所述水平壁面设于所述管状结构的一端。
3.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述隔板的一侧设有三个所述第一换热管，所述隔板的另一侧设有三个所述第二换热管，所述隔板上设有六个所述通孔。
4.如权利要求3所述的流体相变可视化系统，其特征在于，六个所述通孔包括在所述隔板上呈圆形依次排列的第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔，其中所述第一通孔、所述第三通孔和所述第五通孔和位于所述隔板一侧的三个所述第一换热管连通，所述第二通孔、第四通孔和第六通孔和位于所述隔板另一侧的三个所述第二换热管连通。
5.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述集液腔的底部向外凸起形成集液部，所述透明液体管道设于所述集液部。
6.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述透明液体管道远离所述集液腔的一端设于所述透明液体罐的底部。
7.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述集液腔还设有注液管道。
8.如权利要求7所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述注液管道设于所述集液腔的开口端至所述隔板的距离小于所述透明液体管道在所述集液腔的开口端至所述隔板的距离。
9.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述透明气体管道远离所述透明液体罐的开口端至所述隔板的距离小于所述透明液体管道在所述集液腔的开口端至所述隔板的距离。
10.如权利要求1所述的流体相变可视化系统，其特征在于，所述透明真空罩的外侧对应于所述隔板和所述换热组件的位置设有监视器。
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