CN110553969A - 一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，包括真空绝热杜瓦和与之配合的气/液加注排放通路、抽真空系统和数据采集系统；所述的真空绝热杜瓦包括由实验罐及其外部设有的真空夹层组成的内外腔双层结构，实验罐顶部通过法兰进行端部密封，法兰上开有相应的安装管路、测量器件、信号线路的对接接口；实验罐内腔安装有高精度电子天平、升降平台、内窥镜、挡板、温度棒、多孔冷却屏的组件，本发明通过控制多孔冷却屏的润湿程度实现低温实验区域过热度的调节，通过挡板改变实验罐内温度分布，在维持下侧实验区低温环境的同时保障电子器件在上侧高温区内稳定工作，通过质量测量法反映多孔介质内流体芯吸特性。
Description
技术领域
本发明涉及多孔介质气液管理技术领域，具体涉及一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置。
背景技术
多孔介质一直在化学、生物、医学等领域蓬勃发展，在航天领域也广泛应用于空间流体管理(气液分离)和热管理(热管)等相关技术。以航天应用为例，发动机在轨点火需要单相液体的稳定供给，由于空间环境中重力作用的明显削弱，液体推进剂气液相分布具有很大的不确定性，可能引起带气排液导致发动机故障甚至事故。
现有的常温推进系统广泛采用一种网幕通道式液体获取装置(LAD)进行空间流体管理，该装置的核心部件为具有多孔介质性质的金属网幕结构，能够有效利用在微重力下作用显著的表面张力与毛细力作用对气液相进行分离和获取。近年来，液氢、液氧等低温推进剂以其推力大、无毒无污染等显著优势逐渐受到大型空间任务的青睐。然而，低温推进剂也存在温度低、沸点低、表面张力小等特殊性，给低温推进剂空间气液管理技术带来了更多挑战。
目前，多孔介质气液管理技术对于低温流体的适用性还停留在地面实验室研究阶段，仍缺乏充足的低温试验数据，特别是关于过热条件下低温流体在多孔网幕内的流动与蒸发特性的研究十分匮乏，大大限制了低温推进系统LAD的设计优化和在轨成熟应用。此时，则需要一种实验方法对过热条件下多孔介质内低温流体的流动与换热特性开展深入研究。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，为低温推进剂LAD的研究与设计提供数据支持。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，包括真空绝热杜瓦1和与之配合的气/液加注排放通路、抽真空系统和数据采集系统；
所述的真空绝热杜瓦1包括由实验罐及其外部设有的真空夹层组成的内外腔双层结构，真空夹层为低于1.5×10-3Pa的高真空环境，实验罐顶部通过法兰进行端部密封，法兰上开有相应的安装管路、测量器件、信号线路的对接接口；实验罐内腔安装有高精度电子天平a、升降平台b、内窥镜c、挡板i、温度棒j、多孔冷却屏k的组件，高精度电子天平a安装在升降平台b上；
所述的高精度电子天平a能够测量通过样本支架d自由悬挂的待测多孔介质样本h的质量变化，从而反映出多孔介质内低温流体芯吸速度、蒸发速度的数据信息；
所述的挡板i位于实验罐内腔中下区域，采用金属或非金属材料，将实验罐内腔分隔为上下两段区域；实验罐加注低温液体后罐内建立底部为液体温区、法兰侧接近室温的纵向温度梯度；挡板i上设有对应于温度棒j、内窥镜c、样本支架d的需要贯穿于挡板i下侧低温实验区域的各部件的开孔；所有气/液加注排放通路端口均布置于挡板i以下；
所述的多孔冷却屏k采用具有多孔介质结构的金属网幕，围绕包裹挡板i下侧区域范围，当金属网壁未接触低温液体时，不具有冷却屏效用，挡板i下侧实验区域具有线性的相对较高的过热度条件；当网壁下沿与触低温液体接触时，低温液体将在毛细引力作用下芯吸润湿多孔网壁形成一层“低温屏障”，通过持续的蒸发冷却作用有效维持挡板i下侧实验区域具有稳定均匀的低温环境，过热度控制在1K以内。
所述的气/液加注排放通路包括低温液体杜瓦2、高压气瓶3、气体加注管路e、液体加注/排放管路g，低温液体采用液氮、液氧或液氢，高压气体采用与低温液体相同工质的常温高压气体，气体加注管路e与抽真空共用法兰端部接口和实验罐内管路，液体加注/排放管路g与实验罐排气共用接口，液体加注管路使用共用接口的内管通道，气液相排放管路使用共用接口的外管通道，直接排放至室外大气环境。
所述的抽真空系统包括第一真空泵4、第二真空泵5及相连管路和阀门，第一真空泵4用于低温液体加注前实验罐内空气置换，第二真空泵5用于维持真空夹层的高真空度。
所述的数据采集系统包括数据采集仪6、第一计算机7和第二计算机8，数据采集仪6采集和记录压力、温度和质量三个参数，第一计算机7显示和记录内窥镜c传出的可视化图像数据，第二计算机8通过LabView软件监测与记录数据采集仪6的数据信息。
所述的高精度电子天平a的测量精度为±0.1mg。
所述的升降平台b通过三台步进电机驱动，带动高精度电子天平a和待测样本h在实验罐内腔上下移动，实现待测样本h与低温液体液池相对位置的调节，升降平台b的位置移动由第二计算机8远程控制。
所述的内窥镜c结合低热耗散照明设备f辅助照明，实现实验罐内可视化操作；内窥镜c镜头探伸至挡板i以下，其电路组件在挡板i以上的上侧高温区，观测实验罐体内工质加注过程、液位位置、样本位置以及芯吸引流过程。
对于极低温实验增设挡板i层数。
所述的温度棒j为环氧树脂玻璃材质，沿实验罐内腔高度方向安装并固定于法兰封盖对应接口处，下端浸没于低温液体内；温度棒j上标有刻度便于观测液位位置，温度棒j上沿高度布置多个温度测点，测量获得实验罐内液位高度和气相环境温度分布情况。
所述的第一真空泵4为旋片真空泵，极限压力小于1Pa，第二真空泵5为涡轮分子泵，极限压力小于0.001Pa。
本发明的有益效果：
本发明可以通过控制多孔冷却屏k的润湿程度实现低温实验区域过热度的调节(过热度可低至1K)，通过挡板i改变实验罐内温度分布，在维持下侧实验区低温环境的同时保障电子器件在上侧高温区内稳定工作，通过质量测量法反映多孔介质内流体芯吸特性，为研究多孔介质内低温流体流动与蒸发特性提供了简便的实验手段。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，包括真空绝热杜瓦1和与之配合的气/液加注排放通路、抽真空系统和数据采集系统；
所述的真空绝热杜瓦1包括由实验罐及其外部设有的真空夹层组成的内外腔双层结构，真空夹层为低于1.5×10-3Pa的高真空环境，采用真空绝热技术降低外界热环境对低温内腔的热影响；实验罐顶部通过法兰进行端部密封，法兰上开有安装管路、测量器件、信号线路的对接接口；实验罐内腔安装有高精度电子天平a、升降平台b、内窥镜c、挡板i、温度棒j、多孔冷却屏k的组件，高精度电子天平a安装在升降平台b上；
所述的高精度电子天平a，测量精度为±0.1mg，能够测量通过支架d自由悬挂的待测多孔介质样本h的质量变化，从而反映出多孔介质内低温流体芯吸速度、蒸发速度的数据信息；
所述的挡板i位于实验罐内腔中下区域，采用金属或非金属材料，将实验罐内腔分隔为上下两段区域；实验罐体周向和底部采用真空绝热，端部法兰未采取严密的绝热防护措施，加注低温流体后罐内可建立底部为液体温区、法兰侧接近室温的纵向温度梯度；设置挡板i能够对上下区域间换热进行阻挡，改变其上下侧温度梯度；一方面，上侧区域受法兰侧漏热的直接影响处于较高温区，避免高精度电子天平a、升降平台b、内窥镜c电子器件在低温环境下出现工作故障；另一方面，挡板i阻挡上侧漏热影响，将下侧区域维持在相对较低的温度用于开展低温实验；挡板i上设有对应于温度棒、内窥镜、样本支架的需要贯穿于挡板下侧低温实验区域的各部件的合适开孔，对各组件的安装也起到进一步固定和支撑作用；为了避免加注或排放过程中低温流体对其他部件(特别是电子仪器仪表)产生不必要的干扰甚至破坏，所有加注/排放管路端口均布置于挡板i以下；另外，对于极低温实验增设挡板i层数；
所述的多孔冷却屏k采用具有多孔介质结构的金属网幕，围绕包裹挡板i下侧区域范围，当金属网壁未接触低温液体时，不具有冷却屏效用，挡板i下侧实验区域具有线性的相对较高的过热度条件；当网壁下沿与触低温液体接触时，低温液体将在毛细引力作用下芯吸润湿多孔网壁形成一层“低温屏障”，通过持续的蒸发冷却作用有效维持挡板i下侧实验区域具有稳定均匀的低温环境，过热度控制在1K以内。
所述的气/液加注排放通路包括低温液体杜瓦2、高压气瓶3、气体加注管路e、液体加注/排放管路g，低温液体采用液氮、液氧或液氢，高压气体采用与低温液体相同工质的常温高压气体，保证实验罐内为单组份系统；为了优化法兰端口布置，减少接口数量，气体加注管路e与抽真空共用法兰端部接口和实验罐内管路，液体加注/排放管路g与实验罐排气共用接口，液体加注管路使用共用接口的内管通道，气液相排放管路使用共用接口的外管通道，直接排放至室外大气环境。
所述的抽真空系统包括第一真空泵4、第二真空泵5及相连管路和阀门，第一真空泵4用于低温液体加注前实验罐内空气置换，避免水蒸气冰堵和杂质气体污染，第二真空泵5用于维持真空夹层的高真空度。
所述的数据采集系统包括数据采集仪6、第一计算机7和第二计算机8，数据采集仪6采集和记录压力、温度和质量三个参数，第一计算机7显示和记录内窥镜c传出的可视化图像数据，第二计算机8通过LabView软件监测与记录数据采集仪6的数据信息。
所述的升降平台b通过三台步进电机驱动，带动高精度电子天平a和待测样本h在实验罐内腔上下移动，实现待测样本h与低温液体液池相对位置的调节，升降平台b的位置移动由第二计算机8远程控制。
所述的内窥镜c结合低热耗散照明设备f辅助照明，实现实验罐内可视化操作；内窥镜c镜头能够探伸至挡板i以下，其电路组件在挡板i以上的上侧高温区，观测实验罐体内工质加注过程、液位位置、样本位置以及芯吸引流过程。
所述的温度棒j为环氧树脂玻璃材质，沿实验罐内腔高度方向安装并固定于法兰封盖对应接口处，下端浸没于低温液体内；温度棒j上标有刻度便于观测液位位置，温度棒j上沿高度布置多个温度测点，测量获得实验罐内液位高度和气相环境温度分布情况。
本发明的工作原理是，开展实验前，打开第二真空泵5将真空夹层真空度降低至1.5×10-3Pa以下。打开第一真空泵4将实验罐内腔压力抽空至10Pa以下，打开高压气瓶3向实验腔加注气体至常压，重复抽空-充气过程3遍对实验罐内腔进行气体置换，排除腔内水蒸气等杂质气体。打开低温液体杜瓦2进行加注预冷，排气管路始终打开并不断向外排出蒸发气体，实验罐内腔压力始终保持在常压状态。预冷后补加低温工质使液位超过多孔冷却屏k下端将多孔网幕充分润湿，建立均匀的低过热度工况条件。待系统建立稳定温度环境后，打开低热耗散照明设备f，借助内窥镜c和第一计算机7观察待测多孔介质样本h位置，下移升降平台b使待测样本h下端与液面建立稳定接触，关闭低热耗散照明设备f，开始芯吸实验。整个实验过程中由高精度电子天平a测量待测样本h质量变化，由温度棒j测量实验罐内腔温度场变化。通过数据采集仪6和第二计算机8记录芯吸过程质量和温度数据，待质量数据基本稳定后，上移升降平台b使待测样本h下端脱离液面，继续记录待测样本h内残余低温流体蒸发过程的质量和温度数据。受到实验罐内腔上端法兰处持续的漏热影响，实验罐内腔低温液体不断蒸发引起液位逐渐下降，当液位下降至多孔冷却屏k以下，多孔冷却屏k失去低温液体供给后逐渐蒸干，挡板i下侧低温实验区域温度回升。待系统温度环境稳定后可形成沿高度方向线性分布的高过热度环境，可采用上述相似方法开展多孔介质待测样本h内低温流体芯吸过程和蒸发过程的测量与数据记录。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：包括真空绝热杜瓦(1)和与之配合的气/液加注排放通路、抽真空系统和数据采集系统；
所述的真空绝热杜瓦(1)包括由实验罐及其外部设有的真空夹层组成的内外腔双层结构，真空夹层为低于1.5×10-3Pa的高真空环境，实验罐顶部通过法兰进行端部密封，法兰上开有相应的安装管路、测量器件、信号线路的对接接口；实验罐内腔安装有高精度电子天平(a)、升降平台(b)、内窥镜(c)、挡板(i)、温度棒(j)、多孔冷却屏(k)的组件，高精度电子天平(a)安装在升降平台(b)上；
所述的高精度电子天平(a)能够测量通过样本支架(d)自由悬挂的待测多孔介质样本(h)的质量变化，从而反映出多孔介质内低温流体芯吸速度、蒸发速度的数据信息；
所述的挡板(i)位于实验罐内腔中下区域，采用金属或非金属材料，将实验罐内腔分隔为上下两段区域；实验罐加注低温液体后罐内建立底部为液体温区、法兰侧接近室温的纵向温度梯度；挡板(i)上设有对应于温度棒(j)、内窥镜(c)、样本支架(d)的需要贯穿于挡板(i)下侧低温实验区域的各部件的开孔；所有气/液加注排放通路端口均布置于挡板(i)以下；
所述的多孔冷却屏(k)采用具有多孔介质结构的金属网幕，围绕包裹挡板(i)下侧区域范围，当金属网壁未接触低温液体时，不具有冷却屏效用，挡板(i)下侧实验区域具有线性的相对较高的过热度条件；当网壁下沿与触低温液体接触时，低温液体将在毛细引力作用下芯吸润湿多孔网壁形成一层“低温屏障”，通过持续的蒸发冷却作用有效维持挡板(i)下侧实验区域具有稳定均匀的低温环境，过热度控制在1K以内。
2.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的气/液加注排放通路包括低温液体杜瓦(2)、高压气瓶(3)、气体加注管路(e)和液体加注/排放管路(g)，低温液体采用液氮、液氧或液氢，高压气体采用与低温液体相同工质的常温高压气体，气体加注管路(e)与抽真空共用法兰端部接口和实验罐内管路，液体加注/排放管路(g)与实验罐排气共用接口，液体加注管路使用共用接口的内管通道，气液相排放管路使用共用接口的外管通道，直接排放至室外大气环境。
3.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的抽真空系统包括第一真空泵(4)、第二真空泵(5)及相连管路和阀门，第一真空泵(4)用于低温液体加注前实验罐内空气置换，第二真空泵(5)用于维持真空夹层的高真空度。
4.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的数据采集系统包括数据采集仪(6)、第一计算机(7)和第二计算机(8)，数据采集仪(6)采集和记录压力、温度和质量三个参数，第一计算机(7)显示和记录内窥镜(c)传出的可视化图像数据，第二计算机(8)通过LabView软件监测与记录数据采集仪(6)的数据信息。
5.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的高精度电子天平(a)的测量精度为±0.1mg。
6.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的升降平台(b)通过三台步进电机驱动，带动高精度电子天平(a)和待测样本(h)在实验罐内腔上下移动，实现待测样本(h)与低温液体液池相对位置的调节，升降平台(b)的位置移动由第二计算机(8)远程控制。
7.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的内窥镜(c)结合低热耗散照明设备(f)辅助照明，实现实验罐内可视化操作；内窥镜(c)镜头探伸至挡板(i)以下，其电路组件在挡板(i)以上的上侧高温区，观测实验罐体内工质加注过程、液位位置、样本位置以及芯吸引流过程。
8.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的温度棒(j)为环氧树脂玻璃材质，沿实验罐内腔高度方向安装并固定于法兰封盖对应接口处，下端浸没于低温液体内；温度棒(j)上标有刻度便于观测液位位置，温度棒(j)上沿高度布置多个温度测点，测量获得实验罐内液位高度和气相环境温度分布情况。
9.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：对于极低温实验增设挡板i层数。
10.根据权利要求1所述的一种过热度可调的测量多孔介质低温芯吸特性的实验装置，其特征在于：所述的第一真空泵(4)为旋片真空泵，极限压力小于1Pa，第二真空泵(5)为涡轮分子泵，极限压力小于0.001Pa。
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