CN116182937A - 一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置 - Google Patents

一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置 Download PDF

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高法德
孙维
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张永康
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邢向楠
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Abstract

本发明公开了一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置，包括：控制器、多个测量传感器、压力调节器、预热器、加热器和激发器；多个测量传感器、压力调节器、预热器、加热器和激发器均设置在任一空间实验柜的液池中，控制器分别与每个测量传感器、压力调节器、预热器、加热器和激发器连接；控制器用于：接收每个测量传感器采集的液池中的当前环境参数，并根据所有的当前环境参数，控制预热器将液池的温度调节至池沸腾实验的预设温度，并控制压力调节器将液池的压力调节至池沸腾实验的预设压力值后，通过控制加热器或激发器进行池沸腾实验。本发明的实验装置能够在空间多种重力条件下，针对空间池沸腾现象进行科学研究。

Description

一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置
技术领域
本发明空间微重力流体物理研究技术领域，尤其涉及一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置。
背景技术
沸腾传热是种高效的传热方式，在较低的传热温差下可获得较高的传热系数，因此被广泛地应用千石油化工、海水淡化以及核电站等工业领域。在沸腾传热过程中，加热表面经历了汽泡的成核、生长、脱离的新相生成过程，其中伴随着能量的转移和加热表面温度的周期性变化。
目前，已有大量学者对液体核态沸腾机制及汽泡行为开展了相关研究。但现有的池沸腾装置不太适用于空间池沸腾科学实验。
因此，亟需提供一种技术方案解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置。
本发明的一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置的技术方案如下：
包括：控制器、多个测量传感器、压力调节器、预热器、加热器和激发器；所述多个测量传感器、所述压力调节器、所述预热器、所述加热器和所述激发器均设置在所述任一空间实验柜的液池中，所述控制器分别与每个测量传感器、所述压力调节器、所述预热器、所述加热器和所述激发器连接；
所述控制器用于：接收每个测量传感器采集的所述液池中的当前环境参数，并根据所有的当前环境参数，控制所述预热器将所述液池的温度调节至池沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述池沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器或所述激发器进行所述池沸腾实验。
本发明的一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置的有益效果如下：
本发明的装置能够在空间多种重力条件下，针对空间池沸腾现象进行科学研究。
在上述方案的基础上，本发明的一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置还可以做如下改进。
进一步，所述多个测量传感器包括：压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器；
所述压力传感器设置在所述液池的中心，所述压力传感器所采集的当前环境参数为：所述液池内的当前压力值；
所述第一温度传感器设置在所述液池的内壁上，所述第一温度传感器所采集的当前环境参数为：所述液池内壁的第一当前温度值；
所述第二温度传感器设置在所述液池的中心，所述第二温度传感器所采集的当前环境参数为：所述液池内的第二当前温度值。
进一步，所述压力传感器的数量为至少一个，所述第一温度传感器的数量为至少一个，所述第二温度传感器的数量为至少一个；
当所述压力传感器的数量为多个时，将所有的压力传感器所采集的当前时刻的压力值的平均值作为所述液池内的当前压力值；
当所述第一温度传感器的数量为多个时，将所有的第一温度传感器所采集的当前时刻的第一温度值的平均值作为所述液池内壁的第一当前温度值；
当所述第二温度传感器的数量为多个时，将所有的第二温度传感器所采集的当前时刻的第二温度值的平均值作为所述液池内的第二当前温度值。
进一步，还包括：照明组件和相机组件；
所述照明组件设置在所述液池的上方，所述照明组件与所述控制器连接，用于根据所述控制器发送的照明控制指令，对所述液池内的光线进行调节；
所述相机组件设置在所述液池的外部，所述相机组件与所述控制器连接，用于根据所述控制器发送的相机控制指令，对所述池沸腾实验过程中的每一时刻的当前图像数据进行采集并存储。
进一步，所述压力调节器包括：依次连接的驱动电机、运动连杆和气缸、气体连通管路和波纹管，所述气体连通管路上设有电磁阀；
所述波纹管设置在所述液池中，所述驱动电机、所述运动连杆、所述气体连通管路设置在所述液池外部；
所述压力调节器用于：根据所述控制器的压力调节指令，控制所述驱动电机运动，以使所述运动连杆带动所述气缸往复运动并将外部气体吸入所述气缸中，并通过控制电磁阀，实现控制所述气缸向所述波纹管中所输送的气体，以通过所述波纹管内的体积变化，实现对所述液池压力的调节。
进一步，所述电磁阀包括第一电磁阀和第二电磁阀；
所述压力调节器具体用于：通过交替控制所述第一电磁阀和所述第二电磁阀的开关，实现控制所述气缸向所述波纹管中所输送的气体。
进一步，所述控制器还用于：当进行所述池沸腾实验时，获取所述池沸腾实验中的每一时刻的当前压力值、当前第一温度值和当前第二温度值和当前图像数据并进行上传。
进一步，所述池沸腾实验包括：有限气泡沸腾实验、常规沸腾实验和气泡激发实验；
所述控制器具体用于：当所述池沸腾实验为所述有限气泡沸腾实验时，控制所述预热器将所述液池的温度调节至所述有限气泡沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述有限气泡沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器进行所述有限气泡沸腾实验；
当所述池沸腾实验为所述常规沸腾实验时，控制所述预热器将所述液池的温度调节至所述常规沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述常规沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器进行所述常规沸腾实验；
当所述池沸腾实验为所述气泡激发实验时，控制所述预热器将所述液池的温度调节至所述气泡激发实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述气泡激发实验的预设压力值后，通过控制所述激发器进行所述气泡激发实验。
进一步，当所述液池中的液体为氟化液时，所述有限气泡沸腾实验的预设温度为50℃，所述有限气泡沸腾实验的预设压力值为104kPa；
当所述液池中的液体为所述氟化液时，所述常规沸腾实验的预设温度为50℃，所述常规沸腾实验的预设压力值为104kPa；
当所述液池中的液体为所述氟化液时，所述气泡激发实验的预设温度为45℃，所述有限气泡沸腾实验的预设压力值为104kPa。
进一步，还包括：供电器；
所述供电器分别与所述实验装置中的每个部件连接，用于为所述实验装置中的每个部件进行供电。
附图说明
图1示出了本发明提供的一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置的实施例的结构示意图；
图2示出了本发明提供的一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置的实施例中的压力调节器的结构示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明提供的一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置的实施例的结构示意图，该实验装置设置在任一空间实验柜中。如图1所示，该实验装置包括：控制器10、多个测量传感器20、压力调节器30、预热器40、加热器50和激发器60；所述多个测量传感器20、所述压力调节器30、所述预热器40、所述加热器50和所述激发器60均设置在所述任一空间实验柜的液池中，所述控制器10分别与每个测量传感器20、所述压力调节器30、所述预热器40、所述加热器50和所述激发器60连接。
所述控制器10用于：接收每个测量传感器采集的所述液池中的当前环境参数，并根据所有的当前环境参数，控制所述预热器将所述液池的温度调节至池沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述池沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器或所述激发器进行所述池沸腾实验。
其中，①测量传感器20包括：压力传感器21、第一温度传感器22和第二温度传感器23。②当前环境参数包括：液池内的当前压力值、液池内壁的当前温度值、液池内的当前温度值等。③压力传感器21设置在液池的中心，压力传感器21所采集的当前环境参数为：液池内的当前压力值。④第一温度传感器22设置在液池的内壁上，第一温度传感器22所采集的当前环境参数为：液池内壁的第一当前温度值。⑤第二温度传感器23设置在液池的中心，第二温度传感器23所采集的当前环境参数为：液池内的第二当前温度值。
较优地，所述压力传感器21的数量为至少一个，所述第一温度传感器22的数量为至少一个，所述第二温度传感器23的数量为至少一个；
当所述压力传感器21的数量为多个时，将所有的压力传感器21所采集的当前时刻的压力值的平均值作为所述液池内的当前压力值。
当所述第一温度传感器22的数量为多个时，将所有的第一温度传感器22所采集的当前时刻的第一温度值的平均值作为所述液池内壁的第一当前温度值。
当所述第二温度传感器23的数量为多个时，将所有的第二温度传感器23所采集的当前时刻的第二温度值的平均值作为所述液池内的第二当前温度值。
需要说明的是：①当压力传感器21的数量为多个时，多个压力传感器21均与分布在液池中。②当第一温度传感器22的数量为多个时，多个第一温度传感器22对称设置在液池的内壁上。③当第二温度传感器23的数量为多个时，多个第二温度传感器23相邻固定在液池中心。
较优地，还包括：照明组件70和相机组件80。
所述照明组件70设置在所述液池的上方，所述照明组件70与所述控制器10连接，用于根据所述控制器10发送的照明控制指令，对所述液池内的光线进行调节。
所述相机组件80设置在所述液池的外部，所述相机组件80与所述控制器10连接，用于根据所述控制器10发送的相机控制指令，对所述池沸腾实验过程中的每一时刻的当前图像数据进行采集并存储。
较优地，如图2所示，所述压力调节器30包括：依次连接的驱动电机31、运动连杆32和气缸33、气体连通管路34和波纹管35，所述气体连通管路34上设有电磁阀36。
所述波纹管35设置在所述液池中，所述驱动电机31、所述运动连杆32、所述气体连通管路34设置在所述液池外部。
所述压力调节器30用于：根据所述控制器10的压力调节指令，控制所述驱动电机31运动，以使所述运动连杆32带动所述气缸33往复运动并将外部气体吸入所述气缸33中，并通过控制电磁阀36，实现控制所述气缸33向所述波纹管35中所输送的气体，以通过所述波纹管35内的体积变化，实现对所述液池压力的调节。
较优地，所述电磁阀36包括：第一电磁阀36A和第二电磁阀36B。
所述压力调节器30具体用于：通过交替控制所述第一电磁阀36A和所述第二电磁阀36B的开关，实现控制所述气缸33向所述波纹管35中所输送的气体。
具体地，压力调节器30具体的工作原理如下：控制器10根据压力传感器21回馈的当前压力值，控制驱动电机31运动，由运动连杆32带动气缸33往复运动，电磁阀36A和电磁阀36B交替开关配合，气体先吸入气缸33，再经过气体连通管路34压缩进波纹管35，波纹管35体积膨胀，液池内液体压力增大；反之，液池内液体压力减小。
较优地，所述控制器10还用于：当进行所述池沸腾实验时，获取所述池沸腾实验中的每一时刻的当前压力值、当前第一温度值和当前第二温度值和当前图像数据并进行上传。
较优地，所述池沸腾实验包括：有限气泡沸腾实验、常规沸腾实验和气泡激发实验。
所述控制器10具体用于：当所述池沸腾实验为所述有限气泡沸腾实验时，控制所述预热器40将所述液池的温度调节至所述有限气泡沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器30将所述液池的压力调节至所述有限气泡沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器50进行所述有限气泡沸腾实验。
当所述池沸腾实验为所述常规沸腾实验时，控制所述预热器40将所述液池的温度调节至所述常规沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器30将所述液池的压力调节至所述常规沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器50进行所述常规沸腾实验。
当所述池沸腾实验为所述气泡激发实验时，控制所述预热器40将所述液池的温度调节至所述气泡激发实验的预设温度，并控制所述压力调节器30将所述液池的压力调节至所述气泡激发实验的预设压力值后，通过控制所述激发器60进行所述气泡激发实验。
较优地，当所述液池中的液体为氟化液(FC-72)时，所述有限气泡沸腾实验的预设温度为50℃，所述有限气泡沸腾实验的预设压力值为104kPa；
当所述液池中的液体为氟化液(FC-72)时，所述常规沸腾实验的预设温度为50℃，所述常规沸腾实验的预设压力值为104kPa；
当所述液池中的液体为氟化液(FC-72)时，所述气泡激发实验的预设温度为45℃，所述有限气泡沸腾实验的预设压力值为104kPa。
较优地，还包括：供电器90。
所述供电器90分别与所述实验装置中的每个部件连接，用于为所述实验装置中的每个部件进行供电。
其中，供电器90是通过DC-DC模块和电源管理芯片转换不同的供电电平，为本实施例中的实验装置各个部件进行供电。
需要说明的是，①控制器10和供电器90属于本实施例提供的实验装置的控制单元。②其余各部件输入本实施例提供的实验装置的实验单元。
本实施例的技术方案所提供的实验装置能够在空间多种重力条件下，针对空间池沸腾现象进行科学研究。通过本实施例的技术方案所提供的实验装置，能够揭示不同重力环境中常规池沸腾现象和有限数目气泡沸腾现象中的传热特性、气泡形成－成长－脱落过程特性、生长气泡底部液－气－固相互作用、不同相位生长气泡间相互作用、活化气泡核心数密度等因素对传热性能的影响，揭示沸腾现象中的重力作用机制及其标度规律。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。其中，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。

Claims (10)

1.一种用于研究空间池沸腾现象的实验装置，设置在任一空间实验柜中，其特征在于，包括：控制器、多个测量传感器、压力调节器、预热器、加热器和激发器；所述多个测量传感器、所述压力调节器、所述预热器、所述加热器和所述激发器均设置在所述任一空间实验柜的液池中，所述控制器分别与每个测量传感器、所述压力调节器、所述预热器、所述加热器和所述激发器连接；
所述控制器用于：接收每个测量传感器采集的所述液池中的当前环境参数，并根据所有的当前环境参数，控制所述预热器将所述液池的温度调节至池沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述池沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器或所述激发器进行所述池沸腾实验。
2.根据权利要求1所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，所述多个测量传感器包括：压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器；
所述压力传感器设置在所述液池的中心，所述压力传感器所采集的当前环境参数为：所述液池内的当前压力值；
所述第一温度传感器设置在所述液池的内壁上，所述第一温度传感器所采集的当前环境参数为：所述液池内壁的第一当前温度值；
所述第二温度传感器设置在所述液池的中心，所述第二温度传感器所采集的当前环境参数为：所述液池内的第二当前温度值。
3.根据权利要求2所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，所述压力传感器的数量为至少一个，所述第一温度传感器的数量为至少一个，所述第二温度传感器的数量为至少一个；
当所述压力传感器的数量为多个时，将所有的压力传感器所采集的当前时刻的压力值的平均值作为所述液池内的当前压力值；
当所述第一温度传感器的数量为多个时，将所有的第一温度传感器所采集的当前时刻的第一温度值的平均值作为所述液池内壁的第一当前温度值；
当所述第二温度传感器的数量为多个时，将所有的第二温度传感器所采集的当前时刻的第二温度值的平均值作为所述液池内的第二当前温度值。
4.根据权利要求1所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，还包括：照明组件和相机组件；
所述照明组件设置在所述液池的上方，所述照明组件与所述控制器连接，用于根据所述控制器发送的照明控制指令，对所述液池内的光线进行调节；
所述相机组件设置在所述液池的外部，所述相机组件与所述控制器连接，用于根据所述控制器发送的相机控制指令，对所述池沸腾实验过程中的每一时刻的当前图像数据进行采集并存储。
5.根据权利要求1所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，所述压力调节器包括：依次连接的驱动电机、运动连杆和气缸、气体连通管路和波纹管，所述气体连通管路上设有电磁阀；
所述波纹管设置在所述液池中，所述驱动电机、所述运动连杆、所述气体连通管路设置在所述液池外部；
所述压力调节器用于：根据所述控制器的压力调节指令，控制所述驱动电机运动，以使所述运动连杆带动所述气缸往复运动并将外部气体吸入所述气缸中，并通过控制电磁阀，实现控制所述气缸向所述波纹管中所输送的气体，以通过所述波纹管内的体积变化，实现对所述液池压力的调节。
6.根据权利要求5所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，所述电磁阀包括第一电磁阀和第二电磁阀；
所述压力调节器具体用于：通过交替控制所述第一电磁阀和所述第二电磁阀的开关，实现控制所述气缸向所述波纹管中所输送的气体。
7.根据权利要求4所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，所述控制器还用于：当进行所述池沸腾实验时，获取所述池沸腾实验中的每一时刻的当前压力值、当前第一温度值和当前第二温度值和当前图像数据并进行上传。
8.根据权利要求1所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，所述池沸腾实验包括：有限气泡沸腾实验、常规沸腾实验和气泡激发实验；
所述控制器具体用于：当所述池沸腾实验为所述有限气泡沸腾实验时，控制所述预热器将所述液池的温度调节至所述有限气泡沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述有限气泡沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器进行所述有限气泡沸腾实验；
当所述池沸腾实验为所述常规沸腾实验时，控制所述预热器将所述液池的温度调节至所述常规沸腾实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述常规沸腾实验的预设压力值后，通过控制所述加热器进行所述常规沸腾实验；
当所述池沸腾实验为所述气泡激发实验时，控制所述预热器将所述液池的温度调节至所述气泡激发实验的预设温度，并控制所述压力调节器将所述液池的压力调节至所述气泡激发实验的预设压力值后，通过控制所述激发器进行所述气泡激发实验。
9.根据权利要求8所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，当所述液池中的液体为氟化液时，所述有限气泡沸腾实验的预设温度为50℃，所述有限气泡沸腾实验的预设压力值为104kPa；
当所述液池中的液体为所述氟化液时，所述常规沸腾实验的预设温度为50℃，所述常规沸腾实验的预设压力值为104kPa；
当所述液池中的液体为所述氟化液时，所述气泡激发实验的预设温度为45℃，所述有限气泡沸腾实验的预设压力值为104kPa。
10.根据权利要求1-9任一项所述的用于研究空间池沸腾现象的实验装置，其特征在于，还包括：供电器；
所述供电器分别与所述实验装置中的每个部件连接，用于为所述实验装置中的每个部件进行供电。
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