[发明专利]基于低温制冷机的流体受控液化及凝固过程可视化实验观测装置

说明书

一种基于低温制冷机的流体受控液化及凝固过程可视化实验观测装置，包括可视化实验腔单元、低温流体充放气单元、真空系统、控温单元、温度测量采集系统、以及低温制冷机单元，可视化实验单元包含石英玻璃试样瓶、翅片式换热器以及转接法兰，它通过转接法兰与低温制冷机的冷头相连接，用于对石英玻璃试样瓶内的低温流体进行冷却降温，低温流体充放气单元的末端与气囊或抽真空分子泵相连接，所述的真空系统利用分子泵实现石英玻璃试样瓶以及真空腔内部空间的真空。本发明实现了低温流体液化及凝固过程的可视化，解决了可视化与低温下结霜结露影响观察的实验矛盾，且结构简单，操作方便，可有效用于研究各种低温流体在可控温度下的液化及凝固特性。

技术领域

本发明涉及低温流体在可控温度下的液化及凝固过程特性的可视化技术领域，关键是解决同时满足低温流体液化或凝固的低温环境与可视化两个方面要求的技术矛盾。

背景技术

天然气液化后体积缩小为气态的1/600左右，有利于槽车、槽船的长距离运输，其各组分的液化温度不一，气液混合物的液化特性复杂。又如高温超导电缆大都采用过冷液氮冷却和维持低温环境，其过冷态通常由低温制冷机或者抽空减压法来实现，过低的温度或者压力都有可能使得液氮凝固。再如正逐步取代传统有毒航天推进剂的液氢/液氧低温液体推进剂，无论是地面过冷补加还是氢浆贮存，都涉及液固之间的相变。在上述应用领域，都有必要了解低温流体的液化特性、液化后的流体形态以及液固相变(凝固和熔化)特性。由于低温流体液化点及凝固点温度都非常低，给在受控条件下观测流体的液化和凝固过程带来了困难。不同的低温流体其液化后的液体形态，以及凝固后的固体形态又不尽相同，通过可视化观测有助于理解气液和固液相变的共性机理和差异特性，而这需要具备安全、方便、可靠且可重复性操作的相关可视化观测实验装置。

经过现有技术的检索发现，

授权公告号CN204791758U的专利公开了一种面向对象的低温冷凝可视化实验装置，包括真空箱，以及布置于真空箱内的冷凝装置和再沸器；再沸器用于提供换热介质的蒸汽，蒸汽经过回液管循环至冷凝装置内发生气液转换并通过可视光窗和拍摄装置实时采集图像数据。但该低温冷凝可视化实验装置无法对低温流体的凝固(液固相变)过程进行观测记录；且其冷量来源于低温储液池，相对于低温制冷机而言很难实现大范围内的连续温度调节和精确控制。

申请公布号CN104634537U的专利公开了一种适用于低温气液两相掺混的可视化实验装置，包括上接嘴管、下接嘴管、气体接入管、上下密封法兰工装、连接螺杆以及内外层玻璃管和抽真空管；内层玻璃管内进行低温流体与气体的混合流动，高速摄影仪则透过内外玻璃管对内层玻璃管内的现象进行拍摄。该装置的低温流体需直接由外部提供冷态流体，且无法控制其内部两相流体的温度，更不具备使低温气体液化或者低温液体固化的冷源条件，不适合低温流体液化及凝固的可视化受控研究。

再如文献“Condensation studies of saturated nitrogen vapors”(CryogenicEngineering,1970,15:308)中公开了氮气的竖直管外冷凝实验，使用储存在液氮储槽及与之相连的竖直无氧铜管内的液氮作为冷源。文献“Laminar film condensation heattransfer of hydrogen and nitrogen inside a vertical tube“(Heat Transfer-AsianResearch,2001,30(7):542-560)中公开的氮/氢液化冷凝实验装置以两级G-M制冷机为冷源，将一根一端封闭的冷凝管固定在制冷机冷头上，冷凝管与低温气体连接，从而实现低温气体在制冷机冷头上液化。但是该实验装置仅能获得液化效果和液体产品，无法实现对低温流体的液化及凝固过程的全程可视化观测。经检索发现，尚未有基于低温制冷机的、可对流体液化及凝固过程进行可视化受控研究的实验观测装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于低温制冷机的流体受控液化及凝固过程可视化实验观测装置，用于演示和观测各种低温流体在可控温度下的液化及凝固过程及特性。