CN113984598B - 一种粒径可控的液氮液滴制备装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种粒径可控的液氮液滴制备装置，涉及制冷与低温技术领域。装置包括液氮供应容器、漏斗形结构、液滴发生器和粒径控制模块。液氮供应容器与外部供气装置；漏斗形结构的空腔内依次设置有挡板、弹性件、引流板和至少一层滤网，挡板位于液氮供应容器和漏斗形结构的连通处；弹性件能够为挡板提供向上的弹力；引流板与其相邻的滤网、相邻两层滤网之间均填充有用于增大液氮的浸润性的填料；漏斗形结构在靠近液滴发生器的一端的外壁上套设有微振部件；粒径控制模块被配置为：监测液滴发生器出口处形成的单个液氮液滴粒径的大小，并当液氮液滴粒径和预设粒径相等时，控制微振部件产生振动。本申请用于制备粒径可控的液氮液滴。
Description
技术领域
本申请涉及制冷与低温技术领域，尤其涉及一种粒径可控的液氮液滴制备装置。
背景技术
大型跨声速低温风洞中最高雷诺数可达5×107。针对此类大尺度、宽工况、大流量的降温问题，采用液氮相变喷雾冷却被认为是最为经济、高效甚至是唯一可行的技术途径，而液氮液滴运动过程中的变形、碰撞、蒸发等行为对液氮相变喷雾冷却技术中的影响十分关键。
近年来，国内外对常温工质如水、燃油的液滴行为特性研究不断开展，由于液氮的物性特殊、液氮液滴在特定的环境中的运动、撞击特性及其潜在的发生机理未必相同、液滴所处的气流环境常与其他工质差别很大等方面原因，现有的以水或燃油为工质的研究成果均只能在一定程度上进行参考，但无法直接用于分析液氮液滴行为特性研究。
当前，对于液氮液滴行为特性的研究不足。症结在于相比与常温工质水，液氮液滴具有较低的表面张力和黏性力，这使得粒径可控的液氮液滴发生装置的设计和制作难度大大增加。
由此可见，在现有技术中，单个液氮液滴的形成，液滴粒径难以控制等问题仍然亟需改善和解决。
发明内容
本申请提供一种粒径可控的液氮液滴制备装置，先对流入漏斗形结构内的液氮体积的控制，再经过填料增大浸润性并在液滴发生器聚合，最后再利用粒径控制模块以及微振部件实现液氮液滴的粒径的控制，可广泛应用于低温风洞领域。
为达到上述目的，本申请提供一种粒径可控的液氮液滴制备装置，包括从上至下依次连通的液氮供应容器、漏斗形结构和液滴发生器，其中：
所述液氮供应容器与外部供气装置；
所述漏斗形结构的空腔内依次设置有挡板、弹性件、引流板和至少一层滤网，挡板位于液氮供应容器和漏斗形结构的连通处；所述弹性件能够为挡板提供向上的弹力；所述引流板与其相邻的滤网、相邻两层滤网之间均填充有用于增大液氮的浸润性的填料；所述漏斗形结构在靠近液滴发生器的一端的外壁上套设有微振部件；
所述液滴发生器可拆卸地连接在所述漏斗形结构的端部；
还包括粒径控制模块，所述粒径控制模块被配置为：监测液滴发生器出口处形成的单个液氮液滴粒径的大小，并当液氮液滴粒径和预设粒径相等时，控制微振部件产生振动。
进一步地，还包括用于提供低温环境的壳体，所述液氮供应容器、漏斗形结构和液滴发生器均位于壳体的内部；所述壳体上开设有透明视窗。
进一步地，所述粒径控制模块包括高速摄像仪和信息处理系统，所述高速摄像仪位于壳体的一侧，用于监测液滴发生器出口处形成的单个液氮液滴粒径的大小；所述高速摄像仪与信息处理系统连接，所述信息处理系统被配置为：接收高速摄像仪传输的液氮液滴图像，并判断液氮液滴图像中液氮液滴粒径是否与预设粒径相等，若是，则控制微振部件产生振动。
进一步地，还包括泛光灯光源，所述泛光灯光源与高速摄像仪相对设置，分别位于壳体的两侧。
进一步地，所述液滴发生器的出液端为尖嘴结构。
进一步地，所述液氮供应容器上设置有供气管路、供液管路和排气管路，所述液氮供应容器通过供气管路、供液管路分别与外部的供气装置和液氮罐连通；所述供液管路上设置有低温截止阀，低温截止阀用于控制流入液氮供应容器内的液氮的体积；所述弹性件的两端分别与挡板和引流板连接。
进一步地，所述液氮供应容器通过连接管与漏斗形结构连通，液氮供应容器与连接管一体成型设置；漏斗形结构的顶盖上开设有与连接管相配合通孔。
进一步地，所述填料为陶瓷规整填料或碳钢填料。
进一步地，所述引流板上开设有一对中心对称的孔。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：本申请的液氮液滴制备装置结构简单，便于操作，能形成粒径大小可控的液氮液滴。采用填料可以阻碍液氮的流动，增大液氮的浸润性，使均相液氮离散化，利于单个液氮液滴的形成。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为粒径可控的液氮液滴制备装置的结构示意图；
图2为漏斗形结构的结构示意图；
图3为引流板的结构示意图；
图4为液滴发生器的结构示意图。
图中，1-供气管路、2-供液管路、3-排气管路、4-低温截止阀、5-液氮供应容器、6-漏斗形结构、61-通孔、62-挡板、63-弹簧、64-引流板、65-陶瓷规整填料、66-碳钢填料、67-滤网、7-微振部件、8-液滴发生器、9-泛光灯光源、10-低温实验表面、11-壳体、12-高速摄像仪、13-信息处理系统。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1，参照图1，本申请实施例提供了一种粒径可控的液氮液滴制备装置，包括壳体11以及位于壳体11内部的液氮供应容器5、漏斗形结构6、液滴发生器8、泛光灯光源9和粒径控制模块。壳体11上开设有透明视窗。
液氮供应容器5上设置有供气管路1、供液管路2和排气管路3，液氮供应容器5通过供气管路1、供液管路2分别与外部的氮气罐和液氮罐连通。供液管路2上设置有低温截止阀4，低温截止阀4用于控制流入液氮供应容器5内的液氮的体积。排气管路3用于控制液氮供应容器5腔体内压力。液氮供应容器5的底部通过连接管与漏斗形结构6连通，液氮供应容器5与连接管一体成型设置。
漏斗形结构6位于液氮供应容器5的正下方，漏斗形结构6的顶盖上开设有与连接管相配合通孔61，漏斗形结构6的内部具有空腔。参照图2，漏斗形结构6的空腔内依次设置有挡板62、弹性件、引流板64和两层滤网67，挡板62的长度大于通孔61的直径且小于漏斗形结构6顶盖的直径。流入漏斗形结构6内的液氮体积由供气管路1提供氮气的压力控制，结合挡板62和弹性件组合的结构可实现多次少量的控制液氮进入漏斗式结构，实现单个液氮液滴的生成。
弹性件能够为挡板62提供向上的弹力，弹性件的两端分别与挡板62和引流板64连接，弹性件的底部与引流板64焊接，引流板64对弹性件起到支撑作用。如图3，引流板64上开设有一对中心对称的微孔，可以对液氮起到引流作用，将液氮从微孔流入到填料中。弹性件可以为但不限于弹簧63。引流板64与其相邻的滤网67之间填充有陶瓷规整填料65，相邻两层滤网67之间填充有碳钢填料66，不规则形状的碳钢填料66杂乱分布。滤网67不仅可以过滤固体颗粒杂质，还可以起到支撑填料的作用。填料可以阻碍液氮的流动，增大液氮的浸润性，使均相液氮离散化，利于单个液氮液滴的形成。漏斗形结构6在靠近液滴发生器8的一端的外壁上套设有微振部件7。漏斗形结构6底部的侧壁上开设有外螺纹。
液滴发生器8的结构如图4所述，其出液端为尖嘴结构，出液端的内壁上涂覆有增大液氮与液滴发生器8内壁面的浸润性的涂层。其顶部开设内螺纹，液滴发生器8通过螺纹可拆卸地连接在漏斗形结构6的底部，便于更换不同出口结构的液滴发生器8，以控制液氮液滴的初始粒径，增大液氮液滴的可控粒径范围。涂层可以增大液氮与液滴发生器8内壁面的浸润性，利于液氮液滴在尖嘴出口处聚合，形成较大粒径的液氮液滴。
粒径控制模块包括高速摄像仪12和信息处理系统13，高速摄像仪12与泛光灯光源9相对设置，分别位于壳体11的透明视窗的两侧。高速摄像仪12用于监测液滴发生器8出口处形成的单个液氮液滴粒径的大小；高速摄像仪12与信息处理系统13连接，信息处理系统13被配置为：接收高速摄像仪12传输的液氮液滴图像，并判断液氮液滴图像中液氮液滴粒径是否与预设粒径相等，若是，则控制微振部件7产生振动。
液滴制备装置也可以根据实际的实验需要在液滴发生器8出口处的正下方设置一个低温实验表面10，便于开展液氮液滴碰撞实验。
本申请实施例的工作原理如下：初始时弹簧63处于压缩状态，弹簧63支撑挡板62紧贴通孔61，通过低温截止阀4向液氮供应容器5注入一定体积的液氮，此时液氮重力小于弹簧63的初始弹力，液氮供应容器5内的液氮无法流入至漏斗形结构6内。开启外部的氮气罐，通过供气管路1向液氮供应容器5注入预设压力的氮气，在氮气压力和液氮重力的共同影响下，挡板62克服弹簧63的初始弹力，与漏斗形结构6顶盖产生空隙，部分液氮从挡板62周围流入漏斗形结构6内，随着液氮供应容器5中液氮体积的减小，液氮重力减小，挡板62在弹簧63弹力的作用下重新与漏斗形结构6顶盖接触，液氮停止流入漏斗形结构6。漏斗形结构6内液氮流出后，通过供气管道1注入压力更高的氮气，推动挡板62下移，再次使得少量液氮进入漏斗形结构6。通过调整供气管路1的氮气压力，控制挡板62与漏斗形结构6顶盖的接触与否，从而控制流入漏斗形结构6内的液氮体积，进入漏斗形结构6空腔内的液氮依次流入两层填料层，最后液氮液滴在液滴发生器8的尖嘴出口处聚合，形成较大粒径的液氮液滴。在液滴发生器8底部液氮液滴逐渐形成时，高速摄像仪12实时拍摄液滴，信息处理系统13分析液滴大小，当液滴大小与预设液滴大小的粒径相等时，发出信号至微振部件7，微振部件7接受信息处理系统13的信号产生微小振动，加速液氮液滴下落。本申请的液氮液滴制备装置能够根据需要形成粒径大小可控的液氮液滴。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，包括从上至下依次连通的液氮供应容器、漏斗形结构和液滴发生器，其中：
所述液氮供应容器与外部的供气装置连通；
所述漏斗形结构的空腔内依次设置有挡板、弹性件、引流板和至少一层滤网，挡板位于液氮供应容器和漏斗形结构的连通处；所述弹性件能够为挡板提供向上的弹力；所述引流板与其相邻的滤网、相邻两层滤网之间均填充有用于增大液氮的浸润性的填料；所述漏斗形结构在靠近液滴发生器的一端的外壁上套设有微振部件；
所述液滴发生器可拆卸地连接在所述漏斗形结构的端部；
还包括粒径控制模块，所述粒径控制模块被配置为：监测液滴发生器出口处形成的单个液氮液滴粒径的大小，并当液氮液滴粒径和预设粒径相等时，控制微振部件产生振动。
2.根据权利要求1所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，还包括用于提供低温环境的壳体，所述液氮供应容器、漏斗形结构和液滴发生器均位于壳体的内部；所述壳体上开设有透明视窗。
3.根据权利要求2所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，所述粒径控制模块包括高速摄像仪和信息处理系统，所述高速摄像仪位于壳体的一侧，用于监测液滴发生器出口处形成的单个液氮液滴粒径的大小；所述高速摄像仪与信息处理系统连接，所述信息处理系统被配置为：接收高速摄像仪传输的液氮液滴图像，并判断液氮液滴图像中液氮液滴粒径是否与预设粒径相等，若是，则控制微振部件产生振动。
4.根据权利要求3所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，还包括泛光灯光源，所述泛光灯光源与高速摄像仪相对设置，分别位于壳体的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，所述液滴发生器的出液端为尖嘴结构。
6.根据权利要求1所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，所述液氮供应容器上设置有供气管路、供液管路和排气管路，所述液氮供应容器通过供气管路、供液管路分别与外部的供气装置和液氮罐连通；所述供液管路上设置有低温截止阀，低温截止阀用于控制流入液氮供应容器内的液氮的体积；所述弹性件的两端分别与挡板和引流板连接。
7.根据权利要求1所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，所述液氮供应容器通过连接管与漏斗形结构连通，液氮供应容器与连接管一体成型设置；漏斗形结构的顶盖上开设有与连接管相配合通孔。
8.根据权利要求1所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，所述填料为陶瓷规整填料或碳钢填料。
9.根据权利要求1所述的一种粒径可控的液氮液滴制备装置，其特征在于，所述引流板上开设有一对中心对称的孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Xiufang Inventor after: Miao Qingshuo Inventor after: Chen Jiajun Inventor after: Qiang Wei Inventor after: Wei Zhen Inventor after: Hou Yu Inventor after: Wang Shengjun Inventor after: Zhang Beile Inventor after: Zhang Ze Inventor before: Qiang Wei Inventor before: Hou Yu Inventor before: Liu Xiufang Inventor before: Miao Qingshuo Inventor before: Chen Jiajun Inventor before: Wei Zhen Inventor before: Wang Shengjun Inventor before: Zhang Beile Inventor before: Zhang Ze |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |