CN209070810U - 低温流体凝结可视化的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及低温流体流动实验领域，公开了一种低温流体凝结可视化的实验装置，用于将低温流体的凝结过程可视化，所述实验装置包括：回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝管和蒸发器；冷源，包括相互连接的储液罐和集气管，所述集气管套设于所述冷凝管的外周；以及绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述冷源包围，其中，所述绝热系统的至少部分、所述集气管以及所述冷凝管透光。本实用新型的低温流体凝结可视化的实验装置将低温流体的凝结过程可视化，同时解决在更大低温范围内缺少低温冷源以及在不依赖泵或重力作用下低温流体的流动驱动和流速调节问题。

Description

低温流体凝结可视化的实验装置

技术领域

本实用新型涉及低温流体流动实验领域，特别是涉及一种低温流体凝结可视化的实验装置。

背景技术

如今，航空航天、超导技术以及电子器件等领域发展迅速，低温冷却技术面临更严峻的挑战，低温流体作为冷却介质或传热介质的应用领域越来越广泛。低温流体在应用过程中不可避免地发生蒸发或凝结等气液相变换热过程，并且在换热过程中伴随着低温气液两相流动现象。

低温工质与常温工质的物性参数不同，如氮、氧、氢等低温工质的表面张力、汽化潜热远小于水、氨、氟利昂等常温工质，从而使得低温工质的流动与换热过程与常温工质有很大差异，许多基于常温工质建立的经验公式无法准确描述低温下的真实物理过程，因此需要针对低温环境下的气液两相流动及换热特性进行深入研究。低温流体的气液两相流动与换热过程存在着复杂的科学问题，包括气液界面及两相流型变化、气液分布以及流动阻力特性等问题，通常利用数值模拟和实验手段对低温气液两相流动和换热进行研究，由于这项工作的科学问题复杂，数值模拟很难对其进行准确描述，依靠实验研究对其工作过程进行分析和探索更为直观和可靠。

在实验研究的过程中，为了掌握低温微通道凝结过程中的气液界面及两相流型变化、气液分布状态情况，需要借助可视化手段进行观测，因此需要研制可视化试验装置。

此外，目前的低温冷源主要有低温制冷机或低温液体，低温制冷机的冷却面积非常小，液氮、液氢和液氦是常用的低温液体，它们的工作范围仅限于各自的工作温区，温度范围有限，而对于低温或深低温来说，很大的温度范围没有合适的低温液体作为冷源。另外，由于低温密封和材料要求的限制，传统泵驱动装置无法在低温环境下使用，通常依赖重力作用驱动气液两相工质流动，不方便开展水平方向两相流动的研究，也不方便进行流速调节。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种低温流体凝结可视化的实验装置，用于将低温流体的凝结过程可视化，同时解决在更大低温范围内缺少低温冷源以及在不依赖泵或重力作用下低温流体的流动驱动和流速调节问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种低温流体凝结可视化的实验装置，用于将低温流体的凝结过程可视化，其特征在于，所述实验装置包括：回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝管和蒸发器；冷源，包括相互连接的储液罐和集气管，所述集气管套设于所述冷凝管的外周；以及绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述冷源包围，其中，所述绝热系统的至少部分、所述集气管以及所述冷凝管透光。

优选地，所述回路热管还包括：液体管路，将所述冷凝管与所述蒸发器连接；气体管路，将所述蒸发器与所述冷凝管连接；气库，与所述气体管路连接。

优选地，所述回路热管还包括：冷凝管连接件，位于所述冷凝管的两端，用于将所述液体管路或所述气体管路与所述冷凝管的两端连接。

优选地，所述冷凝管连接件与所述冷凝管的两端焊接或通过低温胶粘接，所述液体管路或所述气体管路与所述冷凝管连接件焊接或通过低温胶粘接。

优选地，所述液体管路和/或所述气体管路与所述冷凝管相连接的一端设有过渡管，所述过渡管在所述冷凝器的轴向上具有预定柔性伸缩量。

优选地，所述冷源还包括：进液管路，伸入所述储液罐的底部；冷却气管路，将所述储液罐与所述集气管连接；排流管路，将所述集气管与外界连通。

优选地，所述冷源还包括：集气管连接件，位于所述集气管的两端，用于将所述冷却气管路或所述排流管路与所述集气管的两端连接，所述液体管路以及所述气体管路分别穿过所述集气管连接件。

优选地，所述集气管连接件与所述集气管的两端焊接或通过低温胶粘接，所述液体管路与所述集气管连接件之间以及所述气体管路与所述集气管连接件之间焊接或通过低温胶粘接。

优选地，所述绝热系统包括：真空罩，呈筒状；端盖，设置在所述真空罩的两端，与所述真空罩共同将至少部分所述回路热管以及至少部分所述冷源包围；窗口组件，设置在所述真空罩上。

优选地，所述窗口组件包括：底座，与所述真空罩固定；透光板；以及连接盖，所述连接盖将所述透光板与所述底座固定，所述透光板与所述底座之间设置密封圈，所述透光板的位置与所述冷凝管的位置对应。

(三)有益效果

根据本实用新型提供的低温流体凝结可视化的实验装置，所述绝热系统的至少部分、所述集气管以及所述冷凝管透光，将低温流体的凝结过程可视化。借助回路热管内的气液两相流动现象开展低温凝结过程的可视化研究，无须依赖重力作用或额外设置驱动泵，利用蒸发器内的毛细作用驱动气液两相工质循环流动，不受工质流动方向的限制。回路热管为封闭的装置，试验过程中没有工质流入、流出，没有对外排放，通过调整蒸发器加热量大小，能够便利地进行工质流速的调节，通过调节工质充注量和/或调节蒸发器加热量，能够调节和改变凝结过程中的饱和压力和温度，进行不同工况下低温凝结过程的研究。此外本实用新型中采用低温液体蒸发后产生的气体作为冷却介质，能够为研究更宽工作温区低温工质的凝结过程提供冷却。

在优选的实施例中，回路热管还包括冷凝管连接件，冷源还包括集气管连接件，通过焊接或低温胶粘接实现冷凝管、冷凝管连接件以及集气管、集气管连接件与其他管路的连接，具有很好的密封和耐高压性能，能够承受高低温变化引起的膨胀收缩影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的正视截面图；

图2为本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的俯视截面图；

图3为本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的侧视截面图；

图4示出与本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的回路热管的结构示意图；

图5示出与本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的集气管的结构示意图；

图6示出与本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的窗口组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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实用新型中的具体含义。

本实用新型提供一种低温流体凝结可视化的实验装置，用于将低温流体的凝结过程可视化。图1、图2、图3分别示出本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的正视截面图、俯视截面图以及侧视截面图。低温流体凝结可视化的实验装置包括回路热管、冷源以及绝热系统。回路热管包括闭环连接为回路的冷凝管110和蒸发器120。冷源包括相互连接的储液罐210和集气管220，集气管220套设于冷凝管110的外周。绝热系统将至少部分回路热管以及至少部分冷源包围，其中，绝热系统的至少部分、集气管220以及冷凝管110透光。本实施例中，集气管220以及冷凝管110均为厚壁透明管。

根据本实用新型提供的低温流体凝结可视化的实验装置，绝热系统的至少部分、集气管220以及冷凝管110透光，将低温流体的凝结过程可视化。借助回路热管内的气液两相流动现象开展低温凝结过程的可视化研究，无须依赖重力作用或额外设置驱动泵，利用蒸发器120内的毛细作用驱动气液两相工质循环流动，不受工质流动方向的限制。回路热管为封闭的装置，试验过程中没有工质流入、流出，没有对外排放，通过调整蒸发器120加热量大小，能够便利地进行工质流速的调节，通过调节工质充注量和/或调节蒸发器120加热量，能够调节和改变凝结过程中的饱和压力和温度，进行不同工况下低温凝结过程的研究。此外本实用新型中采用低温液体蒸发后产生的气体作为冷却介质，能够为研究更宽工作温区低温工质的凝结过程提供冷却。

图4示出与本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的回路热管的结构示意图，回路热管还包括液体管路130、气体管路140、气库150。液体管路130将冷凝管110与蒸发器120连接，气体管路140将蒸发器120与冷凝管110连接，气库150与气体管路140连接。

蒸发器120包括吸液芯121、壳体122，吸液芯121设于壳体122内部，吸液芯121外表面与壳体122内壁之间设有若干气体槽道123，使吸液芯121表面蒸发出来的气体工质及时向气体管路140排散，通过吸液芯121的毛细作用为回路内工质循环流动提供驱动力，无须依赖重力作用或额外设置驱动泵，不受工质流动方向的限制，既可以开展竖直管内凝结过程的研究，也能进行水平管或倾斜管内凝结过程的研究。蒸发器120还可以设置储液器124，储液器124可以采用不锈钢、钛或其他导热系数较小的金属材料，蒸发器120的壳体122可以采用紫铜等导热系数较大的材料，储液器124与吸液芯121内部相连通，用于存储过量的液体工质，控制和调节蒸发器120的漏热，提高蒸发器120运行稳定性，在储液器124与吸液芯121之间可以设置副毛细芯125，便于储液器124中的液体向吸液芯121内部补充和流动。回路热管的冷凝管110附近还可以设置次蒸发器(图中未示出)，次蒸发器与冷凝管110串联设置，次蒸发器内设有毛细结构，当冷凝管110中的液体不方便流入蒸发器120时，利用次蒸发器的毛细作用，在回路热管降温过程中驱动冷凝管110中的液体工质流向蒸发器120。

在回路热管的冷凝管110进口和出口位置(即冷凝管110的两端)、蒸发器120、集气管220内部分别设置温度计，在试验过程中监测温度变化，在储液罐210高度方向的1/3、2/3位置设置温度计，监测储液罐210内低温液体液面高度情况。在蒸发器120上设置第一加热器410，通过加热蒸发器120使吸液芯121表面产生毛细作用，驱动回路热管内工质循环流动。

在本实施例中，回路热管还包括冷凝管连接件160，其位于冷凝管110的两端，用于将液体管路130或气体管路140与冷凝管110的两端连接。具体地，冷凝管连接件160与冷凝管110的两端焊接或通过低温胶粘接，液体管路130或气体管路140也与冷凝管连接件160焊接或通过低温胶粘接。

在本实施例中，液体管路130和/或气体管路140与冷凝管110相连接的一端设有过渡管170，过渡管170为螺旋管、波纹管或其他柔性管路，过渡管170在冷凝器的轴向上具有预定柔性伸缩量，可以防止因高低温变化产生的收缩或膨胀导致冷凝管110或集气管220损坏。

冷源还可以包括进液管路230、冷却气管路240、排流管路250。进液管路230伸入储液罐210的底部，冷却气管路240将储液罐210与集气管220连接，排流管路250将集气管220与外界连通。在储液罐210上设有第二加热器420，通过加热使低温液体蒸发为气体。

图5示出与本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的集气管的结构示意图，在本实施例中，冷源还包括集气管连接件260，其位于集气管220的两端，用于将冷却气管路240或排流管路250与集气管220的两端连接，液体管路130以及气体管路140分别穿过集气管连接件260。具体地，集气管连接件260与集气管220的两端焊接或通过低温胶粘接，液体管路130与集气管连接件260之间以及气体管路140与集气管连接件260之间焊接或通过低温胶粘接。

本实用新型实施例中，回路热管还包括冷凝管连接件160，冷源还包括集气管连接件260，通过焊接或低温胶粘接实现冷凝管110、冷凝管连接件160以及集气管220、集气管连接件260与其他管路的连接，具有很好的密封和耐高压性能，能够承受高低温变化引起的膨胀收缩影响。

绝热系统包括真空罩310、端盖320以及窗口组件330。真空罩310呈筒状，端盖320设置在真空罩310的两端，与真空罩310共同将至少部分回路热管以及至少部分冷源包围，真空罩310两端分别设有法兰和密封槽，与其两个端部的端盖320通过密封圈进行真空密封，使内部形成封闭的真空环境。窗口组件330设置在真空罩310上，具体窗口组件330位于真空罩310的筒体周向的两侧，窗口组件330为长条状结构。本实施例中，回路热管的气库150设置在绝热系统外，进液管路230的一端、排流管路250的一端伸至绝热系统外，回路热管以及冷源的其他部件均设于绝热系统内。

图6示出与本实用新型实施例的低温流体凝结可视化的实验装置的窗口组件330的结构示意图，窗口组件330包括底座331、透光板332以及连接盖333：底座331，与真空罩310固定；透光板332；以及连接盖333，连接盖333将透光板332与底座331固定，透光板332与底座331之间设置密封圈334，透光板332的位置与冷凝管110、集气管220的位置对应。

真空罩310上还可以设有真空接口和引线接口(图中未示出)，通过真空接口将真空罩310与真空机组相连，通过引线接口将温度计、加热电阻的引线与外部的采集系统相连。

此外在本实施例中，可以在储液罐210、气体管路140、液体管路130、蒸发器120的外部缠绕镀铝涤纶薄膜多层，使集气管220的观测区域保持裸露，在不影响对冷凝管110的观测过程的情况下，减小外界环境向系统内部的环境漏热。在真空罩310内还可以设置冷屏(图中未示出)，通过冷屏将内部低温部分包围起来，避免导热作用造成漏热，在冷屏上缠绕镀铝涤纶薄膜多层，在冷屏和多层上对应冷凝管110、窗口组件330的区域设置开口，保证能够顺利观测到冷凝管110内部的气液流动过程。另外，在冷屏上设置用于温度计引线、加热导线伸出的开口，使引线通过开口穿过冷屏与真空罩310上的引线接口连接。

在实验过程中，对绝热系统抽真空，然后通过进液管路230向储液罐210内注入低温液体，在储液罐210降温过程中，产生的气体通过冷却气管路240进入集气管220，然后再通过排流管路250排出到绝热系统外部，低温液体在储液罐210内逐渐积累，当达到预设液位以后，对储液罐210进行加热，使更多的低温液体蒸发，产生的低温气体流经集气管220并排出，低温气体在集气管220内部流动的过程中，对冷凝管110进行冷却。降至工作温区以后，回路热管内的低温工质在冷凝管110内逐渐凝结为液体，回路热管内气体工质逐渐凝结为液体，气库150中的工质不断向回路热管内补充，当蒸发器120被冷却到工作温区以后，加热蒸发器120，工质在回路内循环流动，气体不断地流入冷凝管110进行凝结，通过调节蒸发器120加热功率，可以改变工质流动速度，获得不同的工况参数，通过调节储液罐210加热量大小，可以改变低温冷却气体的流速，从而可以根据需求调节和控制冷量的大小。在实验过程中通过高速摄像机摄录冷凝管110内部的凝结过程。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温流体凝结可视化的实验装置，用于将低温流体的凝结过程可视化，其特征在于，所述实验装置包括：

回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝管和蒸发器；

冷源，包括相互连接的储液罐和集气管，所述集气管套设于所述冷凝管的外周；以及

绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述冷源包围，

其中，所述绝热系统的至少部分、所述集气管以及所述冷凝管透光；

所述回路热管还包括：

液体管路，将所述冷凝管与所述蒸发器连接；

气体管路，将所述蒸发器与所述冷凝管连接；

气库，与所述气体管路连接。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述回路热管还包括：

冷凝管连接件，位于所述冷凝管的两端，用于将所述液体管路或所述气体管路与所述冷凝管的两端连接。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述冷凝管连接件与所述冷凝管的两端焊接或通过低温胶粘接，所述液体管路或所述气体管路与所述冷凝管连接件焊接或通过低温胶粘接。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述液体管路和/或所述气体管路与所述冷凝管相连接的一端设有过渡管，所述过渡管在所述冷凝管的轴向上具有预定柔性伸缩量。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述冷源还包括：

进液管路，伸入所述储液罐的底部；

冷却气管路，将所述储液罐与所述集气管连接；

排流管路，将所述集气管与外界连通。

6.如权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述冷源还包括：

集气管连接件，位于所述集气管的两端，用于将所述冷却气管路或所述排流管路与所述集气管的两端连接，所述液体管路以及所述气体管路分别穿过所述集气管连接件。

7.如权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述集气管连接件与所述集气管的两端焊接或通过低温胶粘接，所述液体管路与所述集气管连接件之间以及所述气体管路与所述集气管连接件之间焊接或通过低温胶粘接。

8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述绝热系统包括：

真空罩，呈筒状；

端盖，设置在所述真空罩的两端，与所述真空罩共同将至少部分所述回路热管以及至少部分所述冷源包围；

窗口组件，设置在所述真空罩上。

9.如权利要求8所述的实验装置，其特征在于，所述窗口组件包括：

底座，与所述真空罩固定；

透光板；以及

连接盖，所述连接盖将所述透光板与所述底座固定，所述透光板与所述底座之间设置密封圈，所述透光板的位置与所述冷凝管的位置对应。