用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统及其方法，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、机械压力表、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机、外磁圈、低转速电机和计算机等装置组成。该实验系统主要包括动态接触角测量，液体进样，高压气体进样，温度和压力监控，光学成像和数据采集几部分。该系统能够满足实验的要求，具备较高的灵活性，可行性和安全性，有助于深入研究液体的浸润行为。

【技术实现步骤摘要】
用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验装置及其方法
本专利技术属于强化沸腾换热等与表面浸润性有关的研究领域，尤其涉及到高温高压环境下表征水在金属固体表面的动态浸润性的实验研究。
技术介绍
表面浸润性是固体的表面特性之一。在基于蒸汽动力循环的火电和核电的换热设备中，金属表面的浸润性直接关系到锅炉和核反应堆内的沸腾和淬火传热性能，如临界热流密度(CHF)、Leidenfrost点和反应堆失水事故等。接触角是表征固体表面浸润性的重要参数，根据是否处于平衡状态，一般可分为静态接触角和动态接触角。静态接触角可用于描述固体表面的平衡条件下的浸润性能。单一的静态接触角不足以充分地表征固体表面的浸润性质，应当同时采用动态接触角进行衡量。实际的固体表面并非理想的光滑均匀表面，存在一定的粗糙度与化学异质性，导致接触角滞后。动态接触角可以分为前进角和后退角，一定程度上反映了固体表面的接触角滞后性质和动态润湿性能。显然，高温高压环境下的表面浸润性对沸腾和淬火传热性能具有关键的作用。但目前还未有可用于测量高温高压环境下，甚至水的临界状态下固体表面动态接触角的实验装置。有效的实验数据也未得到报道。然而，掌握液体在高温高压环境下的动态浸润实验现象，有助于深入理解液体的高温高压浸润行为。精确地测量固体表面的接触角面临着较大的挑战，尤其是高温高压环境下动态接触角的测量。测量动态接触角的标准方法有减液法和倾斜板法。加减液法是通过向置于固体平面上的液滴中加减一定量的液体，从而测得前进角和后退角。但是该方法容易对液滴的几何形态造成影响，且不便在高温高压环境下采用该方法。倾斜板法是通过倾斜放置有液滴的固体表面，拍摄液滴将要发生运动时刻的形态，从而通过图像法测得前进角与后退角。但是如何在高温高压环境下灵活地调节固体表面的倾斜角度和如何快速捕捉液滴运动瞬间的形态是该方法的难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计专利技术出一个适用于测量高温高压环境下，甚至是接近水的临界状态下液体在固体表面上的动态接触角的可视化实验装置及其方法。本专利技术采用倾斜板法和光学图像法测定高温高压环境下固体表面的动态接触角。通过螺纹传动，齿轮齿条啮合传动以及磁力传动来灵活地调节倾斜板的倾斜角度。该实验系统能够满足实验的要求，具备较高的灵活性，可行性和安全性。本专利技术的技术方案如下：用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机和计算机组成；所述的高温高压可视釜成圆柱体型；釜体轴向两端开设有蓝宝石视窗；釜体侧壁开设法兰接口，法兰接口处安装所述机械化测试平台；釜体壁内嵌入有若干加热管；釜体外壁围有保温罩；储气罐与高压柱塞泵通过管道相连，形成气体进样部分；高压柱塞泵出口通过管道接入高温高压可视釜内，液槽、高压微流量注射泵和不锈钢毛细针管顺次相连形成液体进样部分，不锈钢毛细针管插入釜体内，不锈钢毛细针管出口位于机械化测试平台正上方；冷光源和高速摄像机分别置于高温高压可视釜的轴向两端，形成光学成像部分；高速摄像机将获得的图像传输至计算机；温度控制器与高温高压可视釜壁内的加热管相连；热电偶和压力传感器的测点均布置在高温高压可视釜腔内以测定釜内的温度和压力；数据采集卡分别与热电偶和压力传感器相连，将采集的数据传输至计算机中；冷凝器进口端与高温高压可视釜连接，出口端接有背压阀，背压阀出口通向大气；真空泵、真空缓冲容器相连构成抽真空部分，真空缓冲容器与高温高压可视釜通过管路相连；安全阀安装高温高压可视釜上。优选的，所述的机械化测试平台由实验固体表面、圆柱体凸台、齿条、齿条螺钉、带齿轮的样品台、螺纹杆、滑块、轴承、内磁圈、外磁圈和低转速电机组成；实验固体表面放置于带齿轮的样品台的凹槽内，带齿轮的样品台通过铰链与圆柱体凸台连接，保证其可绕铰链中心转动，齿条的无啮合齿一端以齿条螺钉与滑块连接，有啮合齿一端与带齿轮的样品台的齿轮啮合，滑块中心处的内螺纹与螺纹杆的外螺纹啮合，螺纹杆光杆部分依次与轴承和内磁圈过盈配合，轴承与圆柱体凸台的轴承槽过盈配合，装配好各部件的机械化测试平台通过法兰与高温高压可视釜连接，外磁圈与低转速电机的转轴连接，并保证与内磁圈同轴转动。优选的，所述的气体进样部分、液体进样部分、抽真空部分的管路上设有阀门。所述的在高温高压环境下测量动态接触角的实验方法是：(1)实验开始前，关闭系统中所有的阀门，检查密封性。(2)开启低转速电机，带动内外磁圈转动。螺纹杆将旋转运动转化为滑块和齿条的竖直运动。带齿轮的样品台发生转动。直到实验固体表面调节至水平。关闭低转速电机。(3)打开真空泵，抽除高温高压可视釜腔内的气体。(4)关闭高压柱塞泵出口处的阀门，启动高压柱塞泵，待气体压力达到预设压力值。(5)设定背压阀为预设压力值，并开启冷凝器的循环冷却水。打开高压柱塞泵出口处的阀门。(6)通过机械压力表和压力传感器监控高温高压可视釜内的压力。(7)用温度控制器调节加热功率，开启高温高压可视釜壁的加热管加热。通过热电偶监控高温高压可视釜内的温度。(8)待高温高压可视釜内的温度和压力稳定，并保持半个小时。(9)打开冷光源和高速摄像机，通过计算机观察记录高温高压可视釜内的情况。(10)打开高压微流量注射泵，向高温高压可视釜内注入液体，待液体滴至实验固体表面。关闭高压微流量注射泵出口处的阀门。(11)待液滴在实验固体表面上达到平衡状态。开启低转速电机，带动内外磁圈转动，进而带动螺纹杆转动。滑块和齿条向上运动，并带动带齿轮的样品台转动。实验固体表面发生倾斜。高速摄像机记录整个过程，并将图像传至计算机内进行动态接触角分析。(12)实验完成后，关闭所有阀门和加热管。待高温高压可视釜冷却后，泄压。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：1)能实现高温高压环境下，甚至是水的亚临界状态下的液体在固体表面的动态接触角原位测量。2)采用磁力传动，齿轮齿条啮合传动和螺纹啮合传动等机械传动原理，实现高温高压环境下动态接触角测量。3)实验系统便于改造，实验操作简单，具备较高的安全性和可靠性。附图说明图1为本专利技术的一种高温高压环境下测量动态接触角的实验系统的示意图。图2为本专利技术的机械化测试平台的剖面图。图3为本专利技术的机械化测试平台的立体图。附图中，各部件的如下：1储气罐；2阀门；3机械压力表A；4计算机；5温度控制器；6机械压力表B；7热电偶；8数据采集卡；9压力传感器；10安全阀；11不锈钢毛细针管；12高温高压可视釜；13螺栓A；14蓝宝石视窗；15冷光源；16高压微流量注射泵；17液槽；18软性石墨垫圈A；19机械压力表C；20真空泵；21真空缓冲容器；22加热管；23软性石墨垫圈B；24低转速电机；25外磁圈；26机械化测试平台；27螺栓B；28冷凝器；29机械压力表D；30背压阀；31保温罩；32高速摄像机；33高压柱塞泵；34圆柱体凸台；35螺纹杆；36滑块；37齿条螺钉；38齿条；39实验固体表面；40铰链；41带齿轮的样品台；42轴承；43内磁圈。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机和计算机组成；所述的高温高压可视釜成圆柱体型；釜体轴向两端开设有蓝宝石视窗；釜体侧壁开设法兰接口，法兰接口处安装所述机械化测试平台；釜体壁内嵌入有若干加热管；釜体外壁围有保温罩；储气罐与高压柱塞泵通过管道相连，形成气体进样部分；高压柱塞泵出口通过管道接入高温高压可视釜内，液槽、高压微流量注射泵和不锈钢毛细针管顺次相连形成液体进样部分，不锈钢毛细针管插入釜体内，不锈钢毛细针管出口位于机械化测试平台正上方；冷光源和高速摄像机分别置于高温高压可视釜的轴向两端，形成光学成像部分；高速摄像机将获得的图像传输至计算机；温度控制器与高温高压可视釜壁内的加热管相连；热电偶和压力传感器的测点均布置在高温高压可视釜腔内以测定釜内的温度和压力；数据采集卡分别与热电偶和压力传感器相连，将采集的数据传输至计算机中；冷凝器进口端与高温高压可视釜连接，出口端接有背压阀，背压阀出口通向大气；真空泵、真空缓冲容器相连构成抽真空部分，真空缓冲容器与高温高压可视釜通过管路相连；安全阀安装高温高压可视釜上。...

【技术特征摘要】
1.一种用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机和计算机组成；所述的高温高压可视釜成圆柱体型；釜体轴向两端开设有蓝宝石视窗；釜体侧壁开设法兰接口，法兰接口处安装所述机械化测试平台；釜体壁内嵌入有若干加热管；釜体外壁围有保温罩；储气罐与高压柱塞泵通过管道相连，形成气体进样部分；高压柱塞泵出口通过管道接入高温高压可视釜内，液槽、高压微流量注射泵和不锈钢毛细针管顺次相连形成液体进样部分，不锈钢毛细针管插入釜体内，不锈钢毛细针管出口位于机械化测试平台正上方；冷光源和高速摄像机分别置于高温高压可视釜的轴向两端，形成光学成像部分；高速摄像机将获得的图像传输至计算机；温度控制器与高温高压可视釜壁内的加热管相连；热电偶和压力传感器的测点均布置在高温高压可视釜腔内以测定釜内的温度和压力；数据采集卡分别与热电偶和压力传感器相连，将采集的数据传输至计算机中；冷凝器进口端与高温高压可视釜连接，出口端接有背压阀，背压阀出口通向大气；真空泵、真空缓冲容器相连构成抽真空部分，真空缓冲容器与高温高压可视釜通过管路相连；安全阀安装高温高压可视釜上。2.根据权利要求1所述的用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统，其特征在于所述的机械化测试平台由实验固体表面、圆柱体凸台、齿条、齿条螺钉、带齿轮的样品台、螺纹杆、滑块、轴承、内磁圈、外磁圈和低转速电机组成；实验固体表面放置于带齿轮的样品台的凹槽内，带齿轮的样品台通过铰链与圆柱体凸台连接，保证其可绕铰链中心转动，齿条的无啮合齿一端以齿条螺钉与滑块连接，有啮合齿一端与带齿轮的样品台的齿轮啮合，滑块中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：范利武，宋嘉文，曾冬雷，田帅奇，冯飙，邵雪峰，俞自涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33