CN114383347B - 一种常温环境下制备冰晶的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种常温环境下制备冰晶的装置及方法，包括研磨室、研磨盘、转轴、电机、吹冰管道、风机和用于测量研磨室内温度的测温仪；研磨盘至少有两个，研磨盘竖向平行设置在研磨室内；电机通过转轴与研磨盘连接，使相邻两个研磨盘相对旋转；研磨室上设置有用于装入冰块的装冰口、落冰口和固态CO2进气口，所述落冰口与吹冰管道连接，风机设置在吹冰管道末端。本发明在常温环境中采用研磨方式制备冰晶，用CO2固态升华将冰块研磨产生的热量带走，控制研磨室内的温度为‑20℃至‑40℃可制得冰晶，节约了成本；且冰晶形状、粒径较为多样，更符合实际情况。

Description

一种常温环境下制备冰晶的装置及方法
技术领域
本发明属于航空发动机结冰技术领域，具体涉及一种常温环境下制备冰晶的装置及方法。
背景技术
海拔6700m以上具有强对流特性的云层中存在冰晶，含有冰晶的区域，冰晶含量能够达到9g/m3，平均粒径在200μm以下。冰晶相对于传统的过冷水滴，含量更高，粒径较大，容易导致发动机低压压气机甚至高压压气机前几级、传感器等热表面结冰，给飞行安全带来巨大的隐患。因此，在2015年FAA正式发布了33-34号修正案，提出了冰晶气象条件下的适航要求。目前我国也在大力推进冰晶气象条件下的适航符合性验证研究。但是由于冰晶存在条件苛刻，在常温环境中如何简单快速地制备冰晶成为发动机吸入冰晶地面模拟试验中的难点。
目前冰晶制备的方法主要有：一、在冰风洞的基础上，利用喷嘴喷出水雾遇冷冻结形成球形粒子，这一方法需要有冰风洞，并且生成的冰晶形状单一、粒径较小；二、先在低温下生成冰块，然后利用旋转机械切割出碎冰粒，这样生成的粒子形状较不规则且体积较大；三、在冰风洞中首先用超声雾化器产生均匀雾滴，然后通过小型风扇转移到云室，在云室内通过压缩机的脉冲工作生成小冰晶，冰晶不断产生并在云室的底部沉积，最后将收集到的冰晶放在零下60℃的冰箱中储存。这些方法首先都需要冰风洞作为平台，前期需要大量的投入和建设。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种常温环境下制备冰晶的装置及方法，以解决现有冰晶制备方法存在的气象条件模拟难度大、成本高、冰晶形状粒径单一、所得冰晶直径大小不便于控制的问题。
本发明具体采用如下技术方案予以实现：
一种常温环境下制备冰晶的装置，包括研磨室、研磨盘、转轴、电机、吹冰管道、风机和用于测量研磨室内温度的测温仪；所述研磨盘至少有两个，所述研磨盘竖向平行设置在研磨室内；所述电机通过转轴与研磨盘连接，使相邻两个研磨盘相对旋转；所述研磨室上设置有用于装入冰块的装冰口、落冰口和固态CO2进气口，所述落冰口与吹冰管道连接，所述风机设置在吹冰管道末端。
优选的，所述研磨盘为圆环形盘体，盘体表面设置有螺旋齿；所述转轴包括中心轴和外部套杆，所述中心轴上设置有螺旋槽，外部套杆为中空杆，套设在所述中心轴上，外部套杆上设置有窗口，所述窗口与装冰口连通；其中一个研磨盘固定在研磨室内，所述中心轴一端穿过该固定的研磨盘的中心后与另一个研磨盘连接，中心轴另一端与电机连接。
优选的，所述研磨室上设置有调节按钮，用于调节两个研磨盘之间的距离。
进一步的，还包括支撑台，所述研磨室通过悬臂悬空连接在支撑台上，所述电机连接在支撑台台面上。
本发明还公开了一种常温环境下制备冰晶的方法，采用本发明记载的常温环境下制备冰晶的装置制备，具体的制备方法包括：
步骤1，启动电机和风机运行，研磨盘开始转动；根据所需冰晶尺寸调节相邻两个研磨盘之间的距离；
步骤2，向研磨室内通入CO2，同时用测温仪检测研磨室内的温度，待研磨室内温度稳定在-20℃至-40℃后，向研磨室内匀速加入冰块，冰块经研磨盘磨粉碎后形成冰晶落入吹冰管道中，经风机吹出吹冰管道。
优选的，所述冰块的尺寸为5～10mm。
优选的，所述研磨盘的转速为1350～1450转/分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在常温环境中采用研磨方式制备冰晶，用CO2固态升华将冰块研磨产生的热量带走，控制研磨室内的温度为-20℃至-40℃可制得冰晶，节约了成本；且冰晶形状、粒径较为多样，更符合实际情况。
本发明的其他优点在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1记载的制备装置的示意图。
图2是本发明实施例1记载的制备装置的正视图。
图3是本发明实施例1记载的研磨盘和中心轴连接结构图。
图4是本发明实施例1记载的研磨盘和中心轴连接结构图。
图5是本发明实施例1记载的研磨盘和中心轴的正面剖视图。
图6是本发明实施例2制备的冰晶的形貌图。
图中各标号说明：
1-研磨室，2-研磨盘，3-转轴，4-电机，5-吹冰管道，6-风机，7-阀门，8-调节按钮，9-支撑台，10-悬臂；
101-装冰口，102-落冰口，103-CO2进气口；
201-螺旋齿；
301-中心轴，302-外部套杆，303-螺旋槽，304-窗口。
具体实施方式
本发明通过向研磨室内通入固态CO2，利用固态CO2升华吸热来控制冰晶研磨温度，实验发现，当研磨室内温度为-20℃至-40℃时，在吹冰管道5出口可获得冰晶产物。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的，“前方、后方”是指以气体流动方向为基准定义的。
本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
实施例1
本实施例公开了一种常温环境下制备冰晶的装置，如图1和图2所示，该装置包括研磨室1、研磨盘2、转轴3、电机4、吹冰管道5、风机6、测温仪和支撑台9。
研磨室1上设置有装冰口101、落冰口102和固态CO2进气口103。装冰口101位于研磨室1顶部。落冰口102设置在研磨室1底部，落冰口102与吹冰管道5连接，风机6设置在吹冰管道5末端，用于将落入吹冰管道5中的冰晶吹出。吹冰管道5是一根三通的透明PVC硬管。
固态CO2进气口103用于向研磨室1内通入固态CO2，固态CO2进气口103连接有进气管道11，进气管道11为铜管，进气管道11上设置有阀门7，进气管道11与CO2气瓶连接。
本实施例的研磨盘2有两个，两个研磨盘2竖向平行设置在研磨室1内，即研磨盘2的轴线为水平方向。
本实施例的研磨盘2分固定盘和转动盘，分别如图3中左侧和右侧所示，固定盘和转动盘形状相同，均为圆环形盘体，固定盘和转动盘的表面设置有大量密集的螺旋齿201，如图4所示。转轴3包括中心轴301和外部套杆302，中心轴301上设置有螺旋槽303，外部套杆302为中空杆，套设在中心轴301上，外部套杆302上设置有窗口304，如图5所示。窗口304与装冰口101连通，冰块经外部套杆302上的窗口304进入螺旋槽303中。本实施例的外部套杆302可固定在研磨室1上，固定盘也固定连接在研磨室1内壁上，转动盘通过中心轴301带动旋转，安装时，中心轴301一端穿过固定盘后与转动盘连接。电机4带动中心轴301和转动盘旋转，冰块通过螺旋槽303输送至转动盘和固定盘之间，通过固定盘和转动盘表面的螺旋齿201对冰块进行粉碎。
本实施例的中心轴301优选空心轴，可以减小电机负载量。
研磨室1通过悬臂10悬空连接在支撑台9上，电机4安装在支撑台9台面上。
测温仪用于测量研磨室1内温度，具体为红外测温仪，可直接设置在研磨室1内壁上或者采用手持式红外测温仪，人工操作测量研磨室1内壁处的温度。
研磨室1上设置有调节按钮8，用于调节两个研磨盘2之间的距离。
实施例2
本实施例公开了一种常温环境下制备冰晶的方法，采用实施例1记载的常温环境下制备冰晶的装置制备，具体的制备方法包括：
步骤1，启动电机4和风机6运行，研磨盘2开始转动，研磨盘2的转速为1400转/分钟。
根据所需冰晶尺寸调节相邻两个研磨盘2之间的距离，本实施例通过研磨室1上的调节按钮8可实现快速调节，本实施例中两个研磨盘2之间间距非常小，两个研磨盘2上的齿能够相互接触。
步骤2，打开CO2气瓶阀门向研磨室1内通入CO2，同时用测温仪检测研磨室1内的温度，待温度达到-28℃时，缓慢减小CO2气瓶的阀门开度，以保持研磨室1内温度稳定，待研磨室1内温度稳定后，通过装冰口101向研磨室1内匀速加入冰块，本实施例的冰块尺寸为5～10mm，下料冰块粒径越小，研磨后的粒径会更加均匀一些，但粒径越小，冰块处理成本等增加，经过多次实验结果最终选择下料冰块粒径为5～10mm。
冰块经研磨盘2研磨粉碎后形成冰晶落入吹冰管道5中，经风机6吹出吹冰管道5。在吹冰管道5出口设置激光粒度仪，来测量冰晶的尺寸。
表1所示为本实施例的冰晶的粒度分布表，可以看出，冰晶的粒径范围大约在1.71μm～430μm之间，平均粒径(D50)是180.79μm。
表1粒度分布表
图6所示为通过快速相机拍摄的本实施例制备的冰晶的图片，可以看出冰晶大小不一，呈现不规则形状。

Claims (4)

1.一种常温环境下制备冰晶的装置，其特征在于，包括研磨室(1)、研磨盘(2)、转轴(3)、电机(4)、吹冰管道(5)、风机(6)和用于测量研磨室(1)内温度的测温仪；
所述研磨盘(2)至少有两个，所述研磨盘(2)竖向平行设置在研磨室(1)内；所述电机(4)通过转轴(3)与研磨盘(2)连接，使相邻两个研磨盘(2)相对旋转；
研磨室(1)内温度在-20℃至-40℃；
所述研磨室(1)上设置有用于装入冰块的装冰口(101)、落冰口(102)和固态CO2进气口(103)，所述落冰口(102)与吹冰管道(5)连接，所述风机(6)设置在吹冰管道(5)的末端；
所述研磨盘(2)为圆环形盘体，盘体表面设置有螺旋齿(201)；所述转轴(3)包括中心轴(301)和外部套杆(302)，所述中心轴(301)上设置有螺旋槽(303)，外部套杆(302)为中空杆，套设在所述中心轴(301)上，外部套杆(302)上设置有窗口(304)，所述窗口(304)与装冰口(101)连通；其中一个研磨盘(2)固定在研磨室(1)内，所述中心轴(301)一端穿过该固定的研磨盘(2)的中心后与另一个研磨盘(2)连接，中心轴(301)另一端与电机(4)连接；
所述的常温环境下制备冰晶的装置制备用于制备冰晶，具体的制备方法包括：
步骤1，启动电机(4)和风机(6)运行，研磨盘(2)开始转动；根据所需冰晶尺寸调节相邻两个研磨盘(2)之间的距离；
步骤2，向研磨室(1)内通入CO2，同时用测温仪检测研磨室(1)内的温度，待研磨室(1)内温度稳定在-20℃至-40℃后，向研磨室(1)内匀速加入冰块，冰块经研磨盘(2)研磨粉碎后形成冰晶落入吹冰管道(5)中，经风机(6)吹出吹冰管道(5)；
所述冰块的尺寸为5～10mm。
2.如权利要求1所述的常温环境下制备冰晶的装置，其特征在于，所述研磨室(1)上设置有调节按钮(8)，用于调节两个研磨盘(2)之间的距离。
3.如权利要求1所述的常温环境下制备冰晶的装置，其特征在于，还包括支撑台(9)，所述研磨室(1)通过悬臂(10)悬空连接在支撑台(9)上，所述电机(4)连接在支撑台(9)台面上。
4.如权利要求1所述的常温环境下制备冰晶的装置，其特征在于，所述研磨盘(2)的转速为1350～1450转/分钟。
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