CN112964747B - 一种气体冷凝可视化及换热特性检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体冷凝技术领域，具体涉及一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置及检测方法。所述可视化检测装置包括：配气单元、冷凝单元、制冷单元和数据采集单元；所述配气单元与冷凝单元连接，所述制冷单元为冷凝单元提供冷量，所述数据采集单元采集所述冷凝单元的温度信息和图像信息。所述可视化检测装置在捕捉冷凝模态图片和视频的同时实现了温度、液量数据的采集以实现换热系数的计算。还能有效防止高沸点气体在流量控制位置的不适时冷凝，正面侧面多角度拍摄的视频和图片数据以及实时对应获取的换热系数变化可更深入地理解气体的冷凝过程，侧面旋转式高频切换光源可实现多角度可调光量供给满足图像捕捉设备的光源要求。

Description

一种气体冷凝可视化及换热特性检测装置和方法
技术领域
本发明属于气体冷凝技术领域，具体涉及一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置及检测方法。
背景技术
冷凝过程是一种自然界以及生活、工业过程中经常可见的现象，主要分为滴状冷凝、膜状冷凝和雾状冷凝等方式。对于不同的气体(纯气体或含不凝气)和壁面性质(疏水性强弱、形状等)，具体的冷凝模态往往较为复杂，目前的研究以膜状为主建立的研究方法主要基于推测、模拟和以实验为基础的假设，滴状冷凝开始起步并发展。冷凝可视化实验和冷凝换热系数的变化规律有助于更好地掌握具体问题中的冷凝过程和机理，捕捉冷凝模态的演变规律及相应换热系数的变化，从而更好地进行理论研究和解释。目前关于冷凝可视化的研究和装置很少，现有的也主要集中于水蒸气冷凝，对于诸如酸性气体、VOC等气体的冷凝研究几乎未见。现有的冷凝可视化的相关技术方案较少并主要利用了制冷循环进行直接接触制冷，可实施性较差难以快速开展相关工作，并且几乎没有耦合换热系数的测量措施。已有的冷凝可视化箱体案例只能从正面进行局部细微观测，而为了全面理解冷凝过程还需要进行侧面的可视化图像，并要有大面积壁面的冷凝现象以确定多种冷凝方式的耦合过程。
现有技术中的冷凝制冷系统可视化综合实验台改造了制冷循环，可视化直接接触冷凝换热器与过冷蒸发器和压缩机相连，融入到制冷循环中，但是现有技术方案组装加工困难，对制冷循环了解不多的学者难以快速据此开展工作。另，现有技术中的可视化微环境恒温恒湿箱体可从正面进行液滴的冷凝和结晶过程的实时观测，但是不能实现壁面侧向的冷凝可视化，并且未见冷凝后的液体导出及称量和测量相关换热系数。冷凝模态可视化数据与换热系数的同步实时获取也非常重要。另外，在实际应用过程中诸多待冷凝气体的沸点较高，比如NO2、VOC等，往往在配气过程中在管路与流量计处即发生冷凝造成流量控制不准和设备失效，而流量计又难以直接加热，但在已有专利中未见相关解决措施。更困难的是，有些腐蚀性气体冷凝时会对热电偶会造成不可逆转的腐蚀和破坏，为了精准快速响应地测温不能使用铠装热电偶，在狭小装置内实现热电偶的保护和密封是个棘手的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置及检测方法，所述可视化检测装置在捕捉冷凝模态图片和视频的同时实现了温度、液量数据的采集以实现换热系数的计算。本发明提出的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置及检测方法可供有需求的研究人员快速开展冷凝可视化相关工作，并能有效防止高沸点气体在流量控制位置的不适时冷凝，正面侧面多角度拍摄的视频和图片数据以及实时对应获取的换热系数变化可更深入地理解气体的冷凝过程，侧面旋转式高频切换光源可实现多角度可调光量供给满足图像捕捉设备的光源要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，所述可视化检测装置包括：
配气单元、冷凝单元、制冷单元和数据采集单元；
所述配气单元与冷凝单元连接；所述制冷单元与所述冷凝单元连接，为冷凝单元提供冷量；所述数据采集单元与所述冷凝单元连接，以采集所述冷凝单元的温度信息和图像信息。
进一步地，所述配气单元包括：
待冷凝气体气瓶(1)、第一转子流量计(5)、不凝气体气瓶(2)、分子筛脱水吸附器(4)、第二转子流量计(24)、气体混合罐(8)、加热系统、恒温系统和若干第一阀门A～G；
所述不凝气体气瓶(2)、分子筛脱水吸附器(4)、第一转子流量计(5)和气体混合罐(8)顺序连接；
所述待冷凝气体气瓶(1)、第二转子流量计(24)和气体混合罐(8)顺序连接；
所述加热系统设置在所述第一转子流量计(5)和第二转子流量计(24)之间；
所述恒温系统设置在所述冷凝装置(12)和气体混合罐(8)之间；
若干所述第一阀门A～G的设置位置包括：第一阀门A(28)位于所述待冷凝气体气瓶(1)出口处、第一阀门B(3)位于所述不凝气体气瓶(2)出口处、第一阀门C(7)位于所述气体混合罐(8)入口处、第一阀门D(9)位于所述气体混合罐(8)出口和大气之间、第一阀门E(6)和第一阀门F(25)分别位于所述加热系统两端、以及第一阀门G(10)位于所述气体混合罐(8)出口和恒温系统之间。
进一步地，所述加热系统包括第一恒温水箱(26)和设置在所述第一恒温水箱(26)中的第一螺旋盘管(27)；所述加热系统两端的阀门具体设置位置是：所述螺旋铜管的入口和出口分别设置所述第一阀门E(6)和第一阀门F(25)。
进一步地，所述加热系统是针对高沸点的待冷凝气体设置的。
进一步地，所述加热系统出口管路、所述待冷凝气体气瓶(1)至所述气体混合罐(8)之间的管路、所述气体混合罐(8)以及所述气体混合罐(8)至所述恒温系统之间的管路均做伴热处理。
进一步地，所述恒温系统包括第二恒温水箱(22)和设置在所述第二恒温(22)水箱中的第二螺旋盘管(23)。
进一步地，所述冷凝单元包括：
做遮光处理的密封箱(11)、冷凝装置(12)、吸水硅胶(14)、冷凝液体储罐(18)、尾气吸收瓶(15)和若干第二阀门A～B；
所述冷凝装置(12)设置在所述密封箱(11)中；所述吸水硅胶(14)设置在所述密封箱(11)底部；
所述冷凝液体储罐(18)和尾气吸收瓶(15)分别与所述冷凝装置(12)连接
若干所述第二阀门设置位置包括：第二阀门A(17)位于冷凝液体储罐(18)入口，第二阀门B(16)位于尾气吸收瓶(15)入口。
进一步地，所述冷凝装置包括：含有进出口的低温水槽(42)和三面设置透明材料(三面可视窗)的气流通道(59)(剩余一面与所述低温水槽共用)，所述低温水槽(42)和气流通道并排设置；
低温水槽(42)和气流通道(59)共用面为冷凝壁面；气流通道(59)上方有进气口，下方有出气口和出液口(出液口低于出气口)。
进一步地，所述透明材料可拆卸；所述透明材料为透明玻璃或塑料。
进一步地，所述冷凝装置(12)的材料包括但不限于304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、铜或铝。
进一步地，所述制冷单元包括制冷机(20)和若干第三阀门A～B；
所述制冷机(20)与所述冷凝装置(12)之间形成闭合循环管路；
若干所述第三阀门设置位置包括：第三阀门A(19)和第三阀门B(21)分别位于制冷机(20)的出口和入口。
进一步地，所述述制冷机(20)与所述冷凝装置(12)之间的管路做保温处理。
进一步地，所述数据采集单元包括数据采集仪(30)、计算机(33)、热电偶(29)、高分辨率摄像模组(13)和平行光源(49)；
所述数据采集仪(30)连接热电偶(29)；所述计算机(33)分别与所述数据采集仪(30)、高分辨摄像模组(13)连接；所述平行光源(49)设置在所述冷凝装置(12)一侧面，用于给冷凝装置(12)补光。
进一步地，所述计算机(33)与所述数据采集仪(30)之间、和高分辨摄像模组(13)之间的连接分别采用数据连接线连接。
进一步地，所述高分辨率摄像模组(13)包括：
分别用于拍摄所述冷凝装置(12)中气流通道(59)侧面和正面的侧面摄像模组(46)和正面摄像模组(47)；
所述侧面摄像模组(46)设置在所述气流通道(59)侧面方向但不接触；所述正面摄像模组(46)设置在所述气流通道(59)正面方向但不接触。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述气体冷凝换热特性的可视化检测装置进行的检测方法；所述检测方法包括如下步骤：
S1,安装热电偶：将热电偶安装在冷凝装置(12)上，安装位置包括：冷凝装置气体进出口、气流通道中气体空间和冷凝装置的冷凝壁面；所述冷凝装置的冷凝壁面为与低温水槽(42)的接触面；
S2，制冷：采用制冷机(20)给所述冷凝装置制冷；
具体为：开启制冷机(20)、第三阀门A(19)和第三阀门A(21)，使得载冷剂在制冷机(20)与冷凝装置(12)间循环流动，源源不断地将冷量传输到冷凝装置(12)处；
S3,加热第二转子流量计(24)：采用不凝气体气瓶(2)结合加热系统给所述第二转子流量计(24)加热，直到所述第二转子流量计(24)温度高于待冷凝气体露点；
具体为：开启不凝气体气瓶(2)，打开第一阀门B(3)、第一阀门D(9)、第一阀门E(6)和第一阀门F(25)，分别调节第一转子流量计(5)和第二转子流量计(24)至设定流量；开启第一恒温水箱(26)至设定温度，使得不凝气体在经第一螺旋盘管(27)时加热，加热后的不凝气体用于加热第二转子流量计(24)，随后不凝气体经所述第一阀门D(9)排空；
S3,冷凝可视化及温度测量：采用气体混合罐(8)混合设定浓度的待冷凝气体和不凝气体，经过恒温系统的精准温度调控后进入冷凝装置(12)中进行冷凝；混合的气体冷凝时，采用平行光源(49)照射所述冷凝装置(12)的气流通道(59)中的气体，高分辨率摄像模组则对冷凝中的气体进行持续摄像或拍照，得到的视频或图片数据被实时传输储存到计算机(33)；数据采集仪(30)实时采集温度数据并储存至计算机(33)；
S4,计算冷凝换热系数：计算机根据冷凝液体储罐(18)中液体体积和质量计算冷凝潜热量、根据温度数据中的气体进出口温度差和混合后的气体流量计算显热数据，根据冷凝壁面(40)的温度、气体温度、所述冷凝潜热量和显热数据计算换热系数。所述换热系数指的是在冷凝装置上气体冷凝的过程的换热系数，换热系数跟工况、装置都有关系。
进一步地，S3具体内容为：
混合待冷凝气体和不凝气体：当所述第二转子流量计(24)温度高于待冷凝气体露点后，关闭第一阀门D(9)、第一阀门E(6)和第一阀门F(25)，打开第一阀门C(7)、第一阀门G(10)、第一阀门A(28)和第二阀门B(16)，调节第一转子流量计(5)和第二转子流量计(24)至设定流量，待冷凝气体和不凝气体在气体混合罐(8)处混合均匀后，经过恒温系统的精准温度调控后进入冷凝装置(12)中冷凝；
冷凝待冷凝气体：混合气体中的待冷凝气体在冷凝装置(12)的冷凝壁面(40)冷凝后沿壁面流下储存在液体储罐(18)中，剩余未冷凝的混合气体经尾气吸收瓶(18)存储；无害气体可直接排放至大气中；
摄像或拍照：冷凝过程进行的同时，平行光源(49)持续照射冷凝装置(12)内部，正面摄像模组47和侧面摄像模组46可以持续进行摄像或拍照；平行光源设置为可沿竖直轴旋转和光量切换，以防平行光使得侧面摄像模组46过曝；视频或图片数据被实时传输储存到计算机33中；
温度采集：经过数据采集仪(30)经热电偶实时采集温度数据并储存至计算机(33)中。
计算机计算冷凝装置的冷凝潜热量、显热数据和换热系数：将冷凝液体储存至冷凝液体储罐(18)中，并进行液体体积和质量的称量，计算冷凝潜热量；根据气体进出口温度差和混合后的气体流量计算显热数据，并根据冷凝壁面(40)的温度、气体温度、所述冷凝潜热量和显热数据进行换热系数的计算。
本发明至少具备如下有益技术效果：
1)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置在捕捉冷凝模态图片和视频的同时实现了温度、液量数据的采集以实现换热系数的计算。
2)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置在热电偶上涂覆防腐保护胶以防止腐蚀性气体或液体对热电偶的侵害，对保护胶中添加其它耐腐蚀组分以增强保护性能和防护时间。
3)本发明提供的本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，可在冷凝换热的同时实现正面与侧面实时观测，多角度观察冷凝过程。并能实现双侧高清模态图像的实时对应获取。
4)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置设置侧面旋转式高频切换光源，实现多角度可调光量供给，满足正面与侧面图像捕捉设备的光源匹配要求。
5)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置中针对高沸点气体进行了配气系统中转子流量计的加热旁路(加热系统)，防止气体在(第二)转子流量计中冷凝，以保证流量控制设备的可靠精准工作。
6)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置的冷凝壁面可进行个性化设计，通过高效贴合方式可进行不同材料不同形状冷凝壁面的更改。
7)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置利用现有市售制冷机，搭建外循环制冷系统，通过自行设计的冷凝可视化装置实现气体在壁面的冷凝并进行可视化观测，整套流程简洁可靠，方便快速开展。
8)本发明的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置实现气体冷凝、换热系数获取和冷凝模态高清图像数据采集的耦合和同步实现。
附图说明
图1为本发明实施例中一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中冷凝装置立体结构示意图。
图3a为本发明实施例中冷凝装置的气流通道截面结构示意图。
图3b为本发明实施例中冷凝装置的低温水槽截面结构示意图。
图4为本发明实施例中光路及图像拍摄示意图。
图5为本发明实施例中热电偶布置位置示意图。
附图标记说明：1-待冷凝气体气瓶；2-不凝气体气瓶；3-第一阀门B；4-分子筛脱水吸附器；5-第一转子流量计；6-第一阀门E；7-第一阀门C；8-气体混合罐；9-第一阀门D；10-第一阀门G；11-密封箱；12-冷凝装置；13-高分辨率摄像模组；14-吸水硅胶；15-尾气吸收瓶；16-第二阀门B；17-第二阀门A；18-冷凝液体储罐；19-第三阀门A；20-制冷机；21-第三阀门B；22-第二恒温水箱；23-第二螺旋盘管；24-第二转子流量计；25-第一阀门F；26-第一恒温水箱；27-第一螺旋盘管；28-第一阀门A；29-热电偶；30-数据采集仪；31-数据采集仪的数据连接线；32-摄像模组的数据连接线；33-计算机；34-冷凝装置进气口；35-冷凝装置左视窗；36-冷凝装置正视窗；37-冷凝装置出液口；38-冷凝装置出气口；39-冷凝装置右视窗；40-冷凝壁面；41-冷凝装置固定杆；42-低温水槽；43-冷凝装置的载冷剂入口；44-冷凝装置的载冷剂出口；45-冷凝装置的左视窗密封玻璃；46-侧面摄像模组；47-正面摄像模组；48-冷凝装置的正视窗密封玻璃；49-平行光源；50-冷凝装置的右视窗密封玻璃；51-冷凝装置的进气口热电偶安装处；52-第一冷凝装置内气体温度测量热电偶安装处；53-第二冷凝装置内气体温度测量热电偶安装处；54-第三冷凝装置内气体温度测量热电偶安装处；55-冷凝装置的出气口热电偶安装处；56-第一冷凝装置内壁面温度测量热电偶安装处；57-第二冷凝装置内壁面温度测量热电偶安装处；58-第三冷凝装置内壁面温度测量热电偶安装处；59-气流通道。
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楚明白，以下结合实施例及说明书附图，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效教学方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
实施例1
参考图1，本实施例提出一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，所述可视化检测装置包括：
配气单元、冷凝单元、制冷单元和数据采集单元；
所述配气单元与冷凝单元连接，所述制冷单元为冷凝单元提供冷量，所述数据采集单元采集所述冷凝单元的温度信息和图像信息。
参考图1，在本实施例中，所述配气单元包括：
待冷凝气体气瓶1、第一转子流量计5、不凝气体气瓶2、分子筛脱水吸附器4、第二转子流量计24、气体混合罐8、加热系统、恒温系统和若干第一阀门A～G；
所述不凝气体气瓶2、分子筛脱水吸附器4、第一转子流量计5和气体混合罐8顺序连接；
所述待冷凝气体气瓶1、第二转子流量计24和气体混合罐8顺序连接；
所述加热系统设置在所述第一转子流量计5和第二转子流量计24之间；
所述恒温系统设置在所述冷凝装置12和气体混合罐8之间；
若干所述第一阀门A～G的设置位置包括：第一阀门A 28位于所述待冷凝气体气瓶1出口处、第一阀门B 3位于所述不凝气体气瓶2出口处、第一阀门C 7位于所述气体混合罐8入口处、第一阀门D 9位于所述气体混合罐8出口和大气之间、第一阀门E 6和第一阀门F 25分别位于所述加热系统两端、以及第一阀门G10位于所述气体混合罐8出口和恒温系统之间。
参考图1，在本实施例中，所述加热系统包括第一恒温水箱26和设置在所述第一恒温水箱26中的第一螺旋盘管27；所述加热系统两端的阀门具体设置位置是：所述螺旋铜管的入口和出口分别设置所述第一阀门E 6和第一阀门F 25。
参考图1，在本实施例及其他实施例中，所述加热系统是针对高沸点的待冷凝气体设置的。
参考图1，在本实施例及其他实施例中，所述加热系统出口管路、所述待冷凝气体气瓶1至所述气体混合罐8之间的管路、所述气体混合罐8以及所述气体混合罐8至所述恒温系统之间的管路均做伴热处理。
参考图1，在本实施例及其他实施例中，所述恒温系统包括第二恒温水箱22和设置在所述第二恒温22水箱中的第二螺旋盘管23。
参考图1，在本实施例及其他实施例中，所述冷凝单元包括：
做遮光处理的密封箱11、冷凝装置12、吸水硅胶14、冷凝液体储罐18、尾气吸收瓶15和若干第二阀门A～B；
所述冷凝装置12设置在所述密封箱11中；所述吸水硅胶14设置在所述密封箱11底部；
所述冷凝液体储罐18和尾气吸收瓶15分别与所述冷凝装置12连接；
若干所述第二阀门设置位置包括：第二阀门A17位于冷凝液体储罐18入口，第二阀门B16位于尾气吸收瓶15入口。
参考图2，在本实施例及其他实施例中，所述冷凝装置包括：含有进出口的低温水槽42和三面设置透明材料(三面可视窗)的气流通道59(剩余一面与所述低温水槽共用)，所述低温水槽42和气流通道59并排设置；
低温水槽42和气流通道59共用面为冷凝壁面40；气流通道上方有进气口，下方有出气口和出液口。
在本实施例中，所述透明材料可拆卸；所述透明材料为透明玻璃或塑料。
在本实施例中，所述冷凝装置12的材料包括但不限于304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、铜或铝。
参考图1，在本实施例中，所述制冷单元包括制冷机20和若干第三阀门A～B；
所述制冷机20与所述冷凝装置12之间形成闭合循环管路；
若干所述第三阀门设置位置包括：第三阀门A19和第三阀门B 21分别位于制冷机20的出口和入口。
在本实施例中，所述述制冷机20与所述冷凝装置12之间的管路做保温处理。
参考图1和图4，在本实施例中，所述数据采集单元包括数据采集仪30、计算机33、热电偶29、高分辨率摄像模组13和平行光源49；
所述数据采集仪30连接热电偶29；所述计算机33分别与所述数据采集仪30、高分辨摄像模组13连接；所述平行光源49设置在所述冷凝装置12一侧面，用于给冷凝装置12补光。
参考图1，在本实施例中，所述计算机33与所述数据采集仪30之间、和高分辨摄像模组13之间的连接分别采用数据连接线连接。
参考图4，在本实施例中，所述高分辨率摄像模组13包括：
分别用于拍摄所述冷凝装置12中气流通道59侧面和正面的侧面摄像模组46和正面摄像模组47；
所述侧面摄像模组46设置在所述气流通道59侧面方向但不接触；所述正面摄像模组46设置在所述气流通道59正面方向但不接触。
实施例2
本实施例提出一种采用实施例1中所述的气体冷凝换热特性的可视化检测装置进行的检测方法；所述检测方法包括如下步骤：
S1,安装热电偶：将热电偶安装在冷凝装置12上，安装位置包括：冷凝装置气体进出口、气流通道中气体空间和冷凝装置的冷凝壁面；所述冷凝装置的冷凝壁面为与低温水槽42的接触面；
S2，制冷：采用制冷机20给所述冷凝装置12制冷；
具体为：开启制冷机20、第三阀门A19和第三阀门A 21，使得载冷剂在制冷机20与冷凝装置12间循环流动，源源不断地将冷量传输到冷凝装置12处；
S3,加热第二转子流量计24：采用不凝气体气瓶2结合加热系统给所述第二转子流量计24加热，直到所述第二转子流量计24温度高于待冷凝气体露点；
具体为：开启不凝气体气瓶2，打开第一阀门B 3、第一阀门D 9、第一阀门E 6和第一阀门F 25，分别调节第一转子流量计5和第二转子流量计24至设定流量；开启第一恒温水箱26至设定温度，使得不凝气体在经第一螺旋盘管27时加热，加热后的不凝气体用于加热第二转子流量计24，随后不凝气体经所述第一阀门D 9排空；
S3,冷凝检测：采用气体混合罐8混合设定浓度的待冷凝气体和不凝气体，经过恒温系统的精准温度调控后进入冷凝装置12中冷凝；混合的气体冷凝时，采用平行光源49照射所述冷凝装置12的气流通道59中的气体，高分辨率摄像模组则对冷凝中的气体进行持续摄像或拍照，得到的视频或图片数据被实时传输储存到计算机33；数据采集仪30实时采集温度数据并储存至计算机33；
S4,计算冷凝装置的冷凝潜热量、显热数据和换热系数：计算机根据冷凝液体储罐18中液体体积和质量计算冷凝潜热量、根据温度数据中的气体进出口温度差和流量计算显热数据、根据冷凝壁面40的温度、气体温度、所述冷凝潜热量和显热数据
在本实施例中，S3具体内容为：
混合待冷凝气体和不凝气体：当所述第二转子流量计24温度高于待冷凝气体露点后，关闭第一阀门D 9、第一阀门E 6和第一阀门F 25，打开第一阀门C7、第一阀门G10、第一阀门A 28和第二阀门B16，调节第一转子流量计5和第二转子流量计24至设定流量，待冷凝气体和不凝气体在气体混合罐8处混合均匀后，经过恒温系统的精准温度调控后进入冷凝装置12中冷凝；
冷凝待冷凝气体：混合气体中的待冷凝气体在冷凝装置12的冷凝壁面40冷凝后沿壁面流下储存在液体储罐18中，剩余未冷凝的混合气体经尾气吸收瓶18存储；无害气体可直接排放至大气中；
摄像或拍照：冷凝过程进行的同时，平行光源49持续照射冷凝装置12内部，正面摄像模组47和侧面摄像模组46可以持续进行摄像或拍照；平行光源设置为可沿竖直轴旋转和光量切换，以防平行光使得侧面摄像模组46过曝；视频或图片数据被实时传输储存到计算机33中；
温度采集：经过数据采集仪30经热电偶实时采集温度数据并储存至计算机33中。
计算机计算冷凝装置的冷凝潜热量、显热数据和换热系数：将冷凝液体储存至冷凝液体储罐18中，并进行液体体积和质量的称量，计算冷凝潜热量；根据气体进出口温度差和混合后的气体流量计算显热数据，并根据冷凝装置12中的冷凝壁面40温度和气体温度进行换热系数的计算。
参考图2，在本实施例中，气体从顶部的气体入口34进入装置，在冷凝壁面40处冷凝，从气体出口38处离开装置，冷凝后的液体从冷凝液体出口37处离开装置。制冷机20流出的载冷剂从载冷剂入口43进入载冷剂水箱，从载冷剂出口44离开水箱。冷凝装置固定杆41可被夹持固定。如光路及图像拍摄示意图4所示，冷凝装置的右视窗39用于平行光源49的照射，左视窗35用于侧面摄像模组46拍摄壁面冷凝的侧面图像，正视窗36用于正面摄像模组47拍摄壁面冷凝的正面图像。三个视窗在安装热电偶后需要封装玻璃片45、48和50。摄像模组可实时在线观察并记录冷凝模态的演变规律，冷凝液量可通过常开第二阀门A 17实现液量的实时获取，结合温度的在线实时获取从而得到换热系数的实时变化规律，最终实现高清模态图像与换热系数的实时对应获取。
侧面平行光可使正面摄像模组得到很好的图像数据，但会影响侧面摄像模组的进光量导致过曝。针对此问题，设置侧面旋转式高频切换光源，可以实现多角度可调光量供给，满足正面与侧面图像捕捉设备的光源匹配要求。
在本实施例中，热电偶的布置示意图如图5所示，在冷凝壁面的上中下三个位置安装热电偶：第一冷凝装置内壁面温度测量热电偶安装处56、第二冷凝装置内壁面温度测量热电偶安装处57和第三冷凝装置内壁面温度测量热电偶安装处58测量冷凝壁面40的温度，在气体区域安装热电偶：第一冷凝装置内气体温度测量热电偶安装处52、第二冷凝装置内气体温度测量热电偶安装处53和第三冷凝装置内气体温度测量热电偶安装处54测量气体的温度。冷凝装置进气口34和冷凝装置出气口处安装热电偶：冷凝装置的进气口热电偶安装处51和冷凝装置的出气口热电偶安装处55，用于测量进出口气体的温度。为了减少腐蚀性气体和液体对热电偶的破坏，在测量冷凝壁面40的热电偶上涂覆防腐保护胶，并掺杂硅溶胶、铝溶胶等材料以增强防腐保护性能，增加耐腐时间。壁面涂覆的保护胶不影响热电偶对壁面温度的测量。
对于冷凝装置12的冷凝壁面40，可根据需求进行个性化配置，比如将其它材料和形状的冷凝壁面40插入到冷凝壁面40上进行高效贴合，冷凝装置12设计时预留了可更换冷凝壁面40的空间。
实施例3
根据上述实施例2的检测方法，本实例以高沸点气体NO2为待冷凝气体，以空气为不凝气体进行以下检测试验：
该实验中空气仅用于加热第二转子流量计24，并不与NO2混合进入冷凝装置12。
制冷机被设置为-10℃～-30℃以研究NO2混合气体在316金属壁面的冷凝现象。待冷凝气体NO2气瓶伴热至45℃以保证NO2气体源源不断从气瓶流出，管路和气体混合罐伴热至60～70℃防止NO2在进入冷凝装置前冷凝。空气加热第二转子流量计24，加热后关闭不凝气瓶2；随后调整第二转子流量计24进行200ml/min的纯NO2气体在-10℃、-15℃、-17℃、-19℃、-20℃、-21℃、-23℃、-25℃、-27℃、-29℃、-30℃下的冷凝。
冷凝过程进行的同时，平行光源49持续照射冷凝装置内部，正面摄像模组47和侧面摄像模组46可以持续进行摄像或拍照；平行光源设置为可沿竖直轴旋转，以防平行光使得侧面摄像模组46过曝。视频或图片数据被实时传输储存到计算机33中。
与此同时，8个热电偶经过数据采集仪30可实时采集温度信号并储存至计算机33中。
间歇性地，冷凝的NO2液体通过开启球阀17储存至冷凝液体储罐18中，并进行液体体积和质量的称量，此数据可计算冷凝潜热量。根据气体进出口温度差和流量可计算显热数据，并根据壁面温度和气体温度可进行换热系数的计算。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同，唯不同的是：
本实例以高沸点气体NO2为待冷凝气体，以空气为不凝气体进行以下检测试验：
第二转子流量计24与第一转子流量计5共同运行进行混合气体流量为500ml/min且NO2摩尔分数为0.2、0.3、0.4、0.5在-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃下的冷凝。
实施例5
本实施例与实施例4基本相同，唯不同的是：
第二转子流量计24与第一转子流量计5共同运行进行混合气体流量为500ml/min且NO2摩尔分数为0.3在-15℃、-17℃、-19℃、-20℃、-21℃、-23℃、-25℃、-27℃、-29℃、-30℃下的冷凝。
实施例6
本实施例与实施例4基本相同，唯不同的是：
制冷机被设置为-10℃～-30℃以研究NO2混合气体在316金属壁面的冷凝现象。待冷凝气体NO2气瓶伴热至45℃以保证NO2气体源源不断从气瓶流出，管路和气体混合罐伴热至60～70℃防止NO2在进入冷凝装置前冷凝。在按2.2所述技术方案进行NO2转子流量计的加热，随后调整NO2转子流量计与空气转子流量计分别进行NO2摩尔分数为0.3且总流量为250、330、500、630、750、1000、1250ml/min时在-20℃下的冷凝。
以上对本发明实施例所提供的一种气体冷凝可视化及换热特性检测装置和方法进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述可视化检测装置包括：
配气单元、冷凝单元、制冷单元和数据采集单元；
所述配气单元与冷凝单元连接，所述制冷单元为冷凝单元提供冷量，所述数据采集单元采集所述冷凝单元的温度信息和图像信息；
所述配气单元包括：
待冷凝气体气瓶(1)、第一转子流量计(5)、不凝气体气瓶(2)、分子筛脱水吸附器(4)、第二转子流量计(24)、气体混合罐(8)、加热系统和恒温系统；
所述不凝气体气瓶(2)、分子筛脱水吸附器(4)、第一转子流量计(5)和气体混合罐(8)顺序连接；
所述待冷凝气体气瓶(1)、第二转子流量计(24)和气体混合罐(8)顺序连接；
所述加热系统设置在所述第一转子流量计(5)和第二转子流量计(24)之间；
所述恒温系统设置在所述冷凝单元和气体混合罐(8)之间。
2.根据权利要求1所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述加热系统包括第一恒温水箱(26)和设置在所述第一恒温水箱(26)中的第一螺旋盘管(27)。
3.根据权利要求1所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述恒温系统包括第二恒温水箱(22)和设置在所述第二恒温(22)水箱中的第二螺旋盘管(23)。
4.根据权利要求1所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述冷凝单元包括：
做遮光处理的密封箱(11)、冷凝装置(12)、吸水硅胶(14)、冷凝液体储罐(18)和尾气吸收瓶(15)；
所述冷凝装置(12)设置在所述密封箱(11)中；所述吸水硅胶(14)设置在所述密封箱(11)底部；
所述冷凝液体储罐(18)和尾气吸收瓶(15)分别与所述冷凝装置(12)连接。
5.根据权利要求4所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述冷凝装置包括：含有进出口的低温水槽(42)和三面设置透明材料的气流通道(59)，所述低温水槽(42)和气流通道(59)并排设置；
低温水槽(42)和气流通道(59)共用面为冷凝壁面；气流通道(59)上方有进气口，下方有出气口和出液口。
6.根据权利要求1所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述制冷单元包括制冷机(20)；
所述制冷机(20)与所述冷凝装置(12)之间形成闭合循环管路。
7.根据权利要求1所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述数据采集单元包括数据采集仪(30)、计算机(33)、热电偶(29)、高分辨率摄像模组(13)和平行光源(49)；
所述数据采集仪(30)连接热电偶(29)；所述计算机(33)分别与所述数据采集仪(30)、高分辨摄像模组(13)连接；所述平行光源(49)设置在所述冷凝装置(12)一侧面，用于给冷凝装置(12)补光。
8.根据权利要求7所述的一种气体冷凝换热特性的可视化检测装置，其特征在于，所述高分辨率摄像模组(13)包括：
分别用于拍摄所述冷凝装置(12)中气流通道(59)侧面和正面的侧面摄像模组(46)和正面摄像模组(47)；
所述侧面摄像模组(46)设置在所述气流通道(59)侧面方向但不接触；所述正面摄像模组(46)设置在所述气流通道(59)正面方向但不接触。
9.一种采用如权利要求1～8任一项所述的可视化检测装置进行的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：
S1,安装热电偶：将热电偶安装在所述冷凝单元的冷凝装置(12)上，安装位置包括：冷凝装置气体进出口、气流通道中气体空间和冷凝装置(12)的冷凝壁面；所述冷凝装置(12)的冷凝壁面(40)为与低温水槽(42)的接触面；
S2，制冷：采用制冷机(20)给所述冷凝装置(12)制冷；
S3,加热第二转子流量计(24)：采用不凝气体气瓶(2)结合加热系统给所述第二转子流量计(24)加热，直到所述第二转子流量计(24)温度高于待冷凝气体露点；
S3,冷凝可视化及温度测量：采用气体混合罐(8)混合设定浓度的待冷凝气体和不凝气体，经过恒温系统的精准温度调控后进入冷凝装置(12)中进行冷凝；混合的气体冷凝时，采用平行光源(49)照射所述冷凝装置(12)的气流通道(59)中的气体，高分辨率摄像模组(13)则对冷凝中的气体进行持续摄像或拍照，得到的视频或图片数据被实时传输储存到计算机(33)；数据采集仪(30)实时采集温度数据并储存至计算机(33)；
S4,计算冷凝换热系数：计算机根据冷凝液体储罐(18)中液体体积和质量计算冷凝潜热量、根据温度数据中的气体进出口温度差和混合后的气体流量计算显热数据，根据冷凝壁面(40)的温度、气体温度、所述冷凝潜热量和显热数据计算换热系数。
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