CN114893937B - 一种温度可控的过冷大水滴生成系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种温度可控的过冷大水滴生成系统，其中装置包括风机系统、制冷系统、风道系统、液滴推进装置和换热管，还包括控制器，编入液氮释放质量公式和控制流程，并与第一测温计、第二测温计、第三测温计、第四测温计、室内测温计、红外相机和喷雾阀相连接，以用于当第三测温计监测到换热管中去离子水的温度与控制器设定的温度值有偏差时，通过控制喷雾阀的开合度来实现液氮释放量，进而实现对去离子水温度的校正。本装置通过液滴推进装置将去离子水注射至换热管中，通过液氮混合气体对去离子水进行降温，生成过冷大水滴，可极大缩短过冷大水滴的生成的时间，继而可进行开展后续相关的过冷大水滴的结冰特性研究和防除冰试验研究。
Description
技术领域
本申请属于过冷水制备技术领域，具体涉及一种能通过温度控制继而实现过冷大水滴生成系统。
背景技术
自然界中，结冰现象无处不在，特殊情况下或特殊区域冰锥积累将带来十分严重的危害，飞机结冰所造成的飞行安全事故屡有发生。如今全球航空业的迅猛发展意味着越来越多的飞机将面临全球多样化气候的挑战。特别是在容易发生自然结冰的寒冷气候区域，空气中存在着许多低于冰点的小水滴，一旦飞机在结冰云层中飞行，就会使这些处于亚稳态的过冷水滴在接触表面迅速转变成为稳定状态的冰。飞机及发动机部件的迎风面都有可能发生结冰现象，结冰的部位包括飞机的机翼、风挡玻璃、旋翼、尾桨、发动机进气装置(进气道、防砂尘整流罩，防砂分离器，进口导流叶片等)、仪器传感头等。
近年来飞机结冰问题日益受到关注，云层中存在过冷大水滴(直径大于50μm的过冷水滴)引发的结冰造成的后果更加严重。过冷大水滴具有较大的水滴平均直径,较高的液态水含量等特征。过冷大水滴具备的这些特征使其发生变形、破碎和飞溅等动力学行为，撞击结冰过程中同时伴随着非稳态的传热结冰行为。这些因素耦合在一起，使过冷大水滴绕过机翼前缘和发动机部件的防除冰装置撞击在靠后的位置结冰，异常形成的冰脊使防除冰装置失效，飞机的气动性能急剧下降，极大威胁飞行安全。研究过冷大水滴对撞击结冰过程的影响有利于科研工作者更清晰地认知过冷大水滴结冰问题，完善过冷大水滴撞击结冰机理，建立更准确的非稳态传热结冰数学模型，并用来指导后续的飞机结冰防除冰装置设计，提高飞机在复杂结冰气候条件下飞行的安全性。因此，急需要开发一整套用于研究过冷大水滴结冰机理的平台(包括过冷大水滴生成装置、调控系统、检测系统、数据处理分析等)，以支持科研人员过冷大水滴结冰机理研究工作的开展和深入。
领域内现有的过冷大水滴生成系统(装置)通常使用换热器对气流进行冷却，然后冷却的气流对去离子水进行降温，但其生成过冷大水滴花费的时间太长，严重影响实验效率和研究活动进程。
发明内容
为克服现有技术上的不足，为此，本申请的目的在于提供一种温度可控的过冷大水滴生成系统，通过控制器控制喷雾阀实现温度的实时校正，以用于生成过冷大水滴，可缩短过冷大水滴的生成的时间，从而提高实验效率。
为实现上述目的，本发明采用一种温度可控的过冷大水滴生成系统，其中装置包括风机系统、制冷系统、风道系统、液滴推进装置和换热管；其中，所述的风机系统的出风口连接于风道系统的进口处；所述的制冷系统中设置的喷雾嘴内置于风道系统中；所述的液滴推进装置中设置软管与风道系统中设置的换热管连接。
进一步地，所述的风机系统包括支架和风机，其中，所述的风机底座由支架固定于建筑结构上。
进一步地，所述的风道系统包括第一蜂窝器、第二蜂窝器、阻尼网和风道，其中，所述的风道内部从进风口至出风口方向依次布置第一蜂窝器、第二蜂窝器、阻尼网、风道和换热管，使得风机产生的气流能在第一蜂窝器和第二蜂窝器之间形成稳定均衡的气流，在经过阻尼网后达到最佳降温效果。
进一步地，所述的液滴推进装置包括注射泵、注射器和软管，其中，所述注射器柱内存储去离子液态水，所述的注射泵上安装注射器用于驱动注射动作，注射器出口通过软管与风管工作区内的换热管顶部入口形成密闭接口。
进一步地，所述的制冷系统包括液氮储罐、喷雾嘴、喷雾阀、液氮输送管，其中，所述喷雾嘴位于风道的混合区，所述液氮储罐位于风道外，所述的液氮储罐通过液氮输送管连接于喷雾嘴，所述的液氮输送管设置喷雾阀，喷雾阀用于释放液氮开关控制。
进一步地，所述的喷雾嘴内置于风道中，进一步限定，其处于所述的第一蜂窝器和第二蜂窝器之间。
进一步地，所述的风道的为中空圆柱体状，从进风口至出风口可划分为混合区、变径区和工作区；其中，所述的混合区中设置有预留口供制冷系统连接的液氮输送管接入；所述的工作区设置有预留口供液滴推进装置中软管接入。
进一步地，所述的第一蜂窝器、第二蜂窝器、阻尼网和喷雾嘴布置于风道的混合区中；所述的换热管布置于风道的工作区中。
进一步地，所述的风道外壁裹上一层保温层。
进一步地，所述的换热管，在其顶部的密闭接口接收液滴推进装置供给的大水滴，换热管在风道工作区超洁净良好稳定低温环境下，换热管底部形成过冷大水滴。
进一步地，一种过冷大水滴生成装置及其温度控制系统，还包括
第一测温计，安装于液氮储罐上，用于监测液氮的温度；
第二测温计，安装于风道的工作区，用于监测换热管周边气流温度；
第三测温计，安装于换热管上，用于实时监测换热管中的去离子水温度；
第四测温计，安装于风道的出风口处，用于实时监测风道出口气流的温度；
室内测温计，设置在室内装置现场安装处，用于实时监测室内空气温度；
红外相机，设置在风道出风口处，用于实时监测生成的过冷大水滴的温度；
喷雾阀，安装于液氮输送管上，用于控制液氮释放量；
控制器，编入液氮释放质量公式和控制流程，并与所述的第一测温计、第二测温计、第三测温计、第四测温计、室内测温计、红外相机和喷雾阀相连接：
用于当第三测温计监测到换热管中去离子水的温度与控制器设定的温度值有偏差时，通过控制喷雾阀的开合度来实现液氮释放量，进而实现对去离子水温度的校正。
进一步地，所述的液氮释放质量公式：
其中：C空气与C氮气是空气和氮气的比热容；
m空气是风机产生的气流的质量流量，m空气＝风量Q*空气密度ρ，其中风量Q通过风机的使用手册可以得到，由使用手册记载其设定的风机转速对应着的风量；
T设定是在控制器设置所需过冷大水滴的温度；
T空气是空气温度，由设置于室内现场的室内测温计获得；
T液氮是液氮的温度，控制器从液氮储罐内的测温计获得；
T设定是控制器内初始设置的所需过冷大水滴的温度；
△H液氮是液氮的汽化热。
进一步地，所述的控制流程包括如下步骤：
1)在换热管中注入去离子水，启动风机；
2)启动控制器，设置过冷大水滴的温度T设定，输入风机产生气流的质量m空气，△H液氮是液氮的汽化热，通过室内测温计的监测可得到T空气，进而根据公式(a)计算出液氮质量m液氮，通过喷雾阀进行控制液氮的释放质量；
3)控制器在第三测温计测得换热管中去离子水温度高于设定温度值T设定，控制喷雾阀释放更多的液氮，以降低气流温度；当第三测温计测得换热管中去离子水温度低于设定温度值T设定时，控制器控制喷雾阀减少液氮的释放，提高气流温度；
4)通过上述步骤3)的去离子水温度和控制器中的T设定校正完成后，启动液滴推进装置，去离子水从换热管底端流出，形成过冷大水滴。
本发明通过使用控制器控制喷雾阀实现对液氮的释放量，液氮与空气混合对液滴推进装置软管中的去离子水进行降温，生成过冷大水滴，进行针对过冷大水滴的结冰特性研究和防除冰试验研究，使用液氮进行降温可有效缩短去离子水达到所需过冷温度的时间，极大提高实验的效率，为过冷大水滴的结冰及防除冰特性研究提供必要的条件，试验装置具有自动化程度高，生成的过冷大水滴安全可靠，效率高等优点。
附图说明
图1为系统示意图；
图2为风道分区图；
图3为制冷系统详图；
图4为液滴推进装置详图；
图5为控制器工作原理图；
图6为控制流程示意图。
图中：1、支架；2、风机；3、第一蜂窝器；
4、制冷系统；4-1喷雾嘴；4-2、液氮输送管；4-3、喷雾阀；4-4、液氮储罐；
5、保温层；6、第二蜂窝器；7、阻尼网；
8、风道；8-1、混合区；8-2、变径区；8-3、工作区；
9、液滴推进装置；9-1注射泵、9-2注射器、9-3软管；
10、换热管；11、第一测温度计；12、第二测温计；13、第三测温计；14、第四测温计；15、室内测温计；16、红外相机；17、控制器。
具体实施方式
下面结合图1～6对具体实施方式进行进一步详细说明。
本发明提供一种过冷大水滴生成装置，该装置包括风机系统、制冷系统4、风道系统、液滴推进装置9和换热管10；其中，所述的风机系统的出风口连接于风道系统的进口处；所述的制冷系统中设置的喷雾嘴4-1内置于风道系统中；所述的液滴推进装置9中设置软管9-3与风道系统中设置的换热管10连接。
本实施例中的风机系统包括支架和风机2，其中，所述的风机2底座由支架1固定于建筑结构上。
本实施例中的风道系统包括第一蜂窝器3、第二蜂窝器6、阻尼网7和风道8，其中，所述的风道8内部从进风口至出风口方向依次布置第一蜂窝器3、第二蜂窝器6、阻尼网7和换热管10，使得风机鼓入的气流能在第一蜂窝器和第二蜂窝器之间形成平稳均匀气流，在经过阻尼网后气流中的湍流度进一步降低，为工作区达到最佳降温效果做准备。
本实施例中的液滴推进装置包括注射泵9-1、注射器9-2和软管9-3，其中，所述注射器9-2柱内存储去离子液态水，所述的注射泵9-1上安装注射器9-2用于驱动注射动作，注射器9-2出口通过软管9-3与风管8工作区内的换热管10顶部入口形成密闭接口。
本实施例中的制冷系统4包括液氮储罐4-4、喷雾嘴4-1、喷雾阀4-3、液氮输送管4-2，其中，所述喷雾嘴4-1位于风道8的混合区8-1，所述液氮储罐4-4位于风道8外，所述的液氮储罐4-4通过液氮输送管4-2连接于喷雾嘴4-1，所述的液氮输送管4-2设置喷雾阀4-3，喷雾阀4-3用于释放液氮开关控制；
本实施例中的喷雾嘴4-1内置于风道8中，进一步限定，其处于所述的第一蜂窝器3和第二蜂窝器6之间。
本实施例中的风道8的为中空圆柱体状，从进风口至出风口可划分为混合区8-1、变径区8-2和工作区8-3；其中，所述的混合区8-1中设置有预留口供制冷系统连接的液氮输送管4-2接入；所述的工作区设置有预留口供液滴推进装置9中软管9-3接入。
本实施例中的第一蜂窝器3、第二蜂窝器6、阻尼网7和喷雾嘴4-1布置于风道的混合区中8-1；所述的换热管10布置于风道的工作区8-3中。
本实施例中的风道外壁裹上一层保温层5。
本实施例中的换热管10，其顶部的密闭接口接收液滴推进装置供给的大水滴，换热管10在风道工作区8-3超洁净良好稳定低温环境下，换热管10底部形成过冷大水滴，
本实施例中的一种过冷大水滴生成装置及其温度控制系统，还包括
第一测温计11，安装于液氮储罐4-4上，用于监测液氮的温度；
第二测温计12，安装于风道的工作区8-3，用于监测换热管周边气流温度；
第三测温计13，安装于换热管10上，用于实时监测换热管中的去离子水温度；
第四测温计14，安装于风道8的出风口处，用于实时监测风道出口气流的温度；
室内测温计15，设置在室内装置现场安装处，用于实时监测室内空气温度；
红外相机16，设置在风道8出风口处，用于实时监测生成的过冷大水滴的温度；
喷雾阀4-3，安装于液氮输送管4-2上，用于控制液氮释放量；
控制器17，编入液氮释放质量公式和控制流程，并与所述的第一测温计、第二测温计、第三测温计、第四测温计、室内测温计、红外相机和喷雾阀相连接：
用于当第三测温计监测到换热管中去离子水的温度与控制器设定的温度值有偏差时，通过控制喷雾阀的开合度来实现液氮释放量，进而实现对去离子水温度的校正。
本实施例中所述的液氮释放质量公式：
其中：C空气与C氮气是空气和氮气的比热容，；
m空气是风机2产生的气流的质量流量，m空气＝风量Q*空气密度ρ，其中风量Q通过风机的使用手册可以得到，由使用手册记载其设定的风机转速对应着的风量；
T设定是在控制器17设置所需过冷大水滴的温度；
T空气是空气温度，由设置于室内现场的室内测温计获得；
T液氮是液氮的温度，控制器从液氮储罐4-4内的测温计获得；
T设定是控制器内初始设置的所需过冷大水滴的温度；
△H液氮是液氮的汽化热。
本实施例中的所述的控制流程包括如下步骤：
1)在换热管10中注入去离子水，启动风机2；
2)启动控制器10，设置过冷大水滴的温度T设定，输入风机产生气流的质量m空气，△H液氮是液氮的汽化热，通过室内测温计的监测可得到T空气，进而根据公式(a)计算出液氮质量m液氮，通过喷雾阀4-3进行控制液氮的释放质量；
3)控制器在第三测温计12测得换热管10中去离子水温度高于设定温度值T设定，控制喷雾阀4-3释放更多的液氮，以降低气流温度；当第三测温计13测得换热管10中去离子水温度低于设定温度值T设定时，控制器17控制喷雾阀4-3减少液氮的释放，提高气流温度；
4)通过上述步骤3)的去离子水温度和控制器17中的T设定校正完成后，启动液滴推进装置9，去离子水从换热管10底端流出，形成过冷大水滴。
本装置系统形成过冷大水滴的物理特性：如果水中缺少凝结核等因子，在0℃以下还可以保持着液态，这样的水称之为过冷水，过冷水产生的原因是在低温下水体过于纯净，缺少凝固所需必要的“结晶核”所导致。当具备凝固所需条件，例如投入少许微小的冰晶，或水中存在悬浮物，摇晃液体等都能让液体迅速凝固。若不具备这些条件，液态水可以较长时间保持在冰点以下而不结冰，如果突然有凝结核闯入，则结冰将异常迅速。
相比于现有技术，本发明过冷大水滴生成装置其生成过冷大水滴花费的时间短，工作效率极高，能保障和支持实验效率和研究活动进程。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故凡依据本申请的结构、形状以及原理等所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种温度可控的过冷大水滴生成系统，其特征在于，包括过冷大水滴生成装置；
所述过冷大水滴生成装置，包括风机系统、制冷系统(4)、风道系统、液滴推进装置(9)和换热管(10)；其中，所述的风机系统的出风口连接于风道系统的进口处；所述的制冷系统中设置的喷雾嘴(4-1)内置于风道系统中；所述的液滴推进装置(9)中设置软管(9-3)与风道系统中设置的换热管(10)连接；
还包括
第一测温计(11)，安装于液氮储罐(4-4)上，用于监测液氮的温度；
第二测温计(12)，安装于风道的工作区(8-3)，用于监测换热管周边气流温度；
第三测温计(13)，安装于换热管(10)上，用于实时监测换热管中的去离子水温度；
第四测温计(14)，安装于风道(8)的出风口处，用于实时监测风道出口气流的温度；
室内测温计(15)，设置在室内装置现场安装处，用于实时监测室内空气温度；
红外相机(16)，设置在风道(8)出风口处，用于实时监测生成的过冷大水滴的温度；
喷雾阀(4-3)，安装于液氮输送管(4-2)上，用于控制液氮释放量；
控制器(17)，编入液氮释放质量公式和控制流程，并与所述的第一测温计、第二测温计、第三测温计、第四测温计、室内测温计、红外相机和喷雾阀相连接：
用于当第三测温计监测到换热管中去离子水的温度与控制器设定的温度值有偏差时，通过控制喷雾阀的开合度来实现液氮释放量的调整，进而实现对去离子水温度的校正；
所述的风道系统包括第一蜂窝器(3)、第二蜂窝器(6)、阻尼网(7)、风道(8)和换热管(10)，其中，所述的风道(8)内部从进风口至出风口方向依次布置第一蜂窝器(3)、第二蜂窝器(6)、阻尼网(7)、风道(8)和换热管(10)，使得风机鼓入的气流能在第一蜂窝器和第二蜂窝器之间形成平稳均匀气流，在经过阻尼网后气流中的湍流度进一步降低，为工作区达到最佳降温效果做准备；
所述的风道(8)的为中空圆柱体状，从进风口至出风口可划分为混合区(8-1)、变径区(8-2)和工作区(8-3)；其中，所述的混合区(8-1)中设置有预留口供制冷系统连接的液氮输送管(4-2)接入；所述的工作区设置有预留口供液滴推进装置(9)中软管(9-3)接入；所述的第一蜂窝器(3)、第二蜂窝器(6)、阻尼网(7)和喷雾嘴(4-1)布置于风道的混合区中(8-1)；所述的换热管(10)布置于风道的工作区(8-3)中；所述的风道外壁裹上一层保温层(5)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的风机系统包括支架(1)和风机(2)，其中，所述的风机(2)底座由支架(1)固定于建筑结构上。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的液滴推进装置包括注射泵(9-1)、注射器(9-2)和软管(9-3)，其中，所述注射器(9-2)柱内存储去离子液态水，所述的注射泵(9-1)上安装注射器(9-2)用于驱动注射动作，注射器(9-2)出口通过软管(9-3)与风管(8)工作区内的换热管(10)顶部入口形成密闭接口。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述的制冷系统(4)包括液氮储罐(4-4)、喷雾嘴(4-1)、喷雾阀(4-3)、液氮输送管(4-2)，其中，所述喷雾嘴(4-1)位于风道(8)的混合区(8-1)，所述液氮储罐(4-4)位于风道(8)外，所述的液氮储罐(4-4)通过液氮输送管(4-2)连接于喷雾嘴(4-1)，所述的液氮输送管(4-2)设置喷雾阀(4-3)，喷雾阀(4-3)用于释放液氮开关控制；所述的喷雾嘴(4-1)内置于风道(8)中，进一步限定，其处于所述的第一蜂窝器(3)和第二蜂窝器(6)之间。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的换热管(10)，其顶部的密闭接口接收液滴推进装置(9)供给的大水滴，在风道工作区(8-3)的稳定低温条件下，可在换热管(10)底部形成过冷大水滴。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的液氮释放质量公式：
其中：C空气与C氮气是空气和氮气的比热容；
m空气是风机(2)产生的气流的质量流量，m空气＝风量Q*空气密度ρ，其中风量Q通过风机的使用手册可以得到，由使用手册记载其设定的风机转速对应着的风量；
T设定是在控制器(17)设置所需过冷大水滴的温度；
T空气是空气温度，由设置于室内现场的室内测温计获得；
T液氮是液氮的温度，控制器从液氮储罐(4-4)内的测温计获得；
T设定是控制器内初始设置的所需过冷大水滴的温度；
△H液氮是液氮的汽化热。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的控制流程包括如下步骤：
1)在换热管(10)中注入去离子水，启动风机(2)；
2)启动控制器(10)，设置过冷大水滴的温度T设定，输入风机产生气流的质量m空气，△H液氮是液氮的汽化热，通过室内测温计的监测可得到T空气，进而根据公式(a)计算出液氮质量m液氮，通过喷雾阀(4-3)进行控制液氮的释放质量；
3)控制器在第三测温计(12)测得换热管(10)中去离子水温度高于设定温度值T设定，控制喷雾阀(4-3)释放更多的液氮，以降低气流温度；当第三测温计(13)测得换热管(10)中去离子水温度低于设定温度值T设定时，控制器(17)控制喷雾阀(4-3)减少液氮的释放，提高气流温度；
4)通过上述步骤3)的去离子水温度和控制器(17)中的T设定校正完成后，启动液滴推进装置(9)，去离子水从换热管(10)底端流出，形成过冷大水滴。
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