一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统技术方案

本实用新型专利技术属于冷凝相变传热传质实验技术领域，针对缺乏非接触、非破坏性的精确测量方法的问题，本实用新型专利技术提供了一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，一方面，通过封闭冷凝实验腔内特定温度、压力和热流量等实验特征参数测量，将冷凝相变过程中的冷凝台降温过程精确划分为未结凝的冷凝台非稳态导热阶段、未结凝的冷凝台稳态导热阶段和冷凝结凝阶段，从而判定冷凝台上液膜形成的准确时间。另一方面，通过顶视高清CCD相机和红外热像仪光学观测的方法判断冷凝液膜形成时间。以上三种方法之间相互佐证，可以准确确定冷凝相变工程中冷凝液膜形成的起始点。该测量方法不受地面重力的影响，在空间微重力条件下也能精准的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统
本技术属于冷凝相变传热传质实验
，具体涉及一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统。
技术介绍
蒸汽冷凝是带有相变的对流传热传质过程，广泛应用于各个工程领域之中，如冷凝泵、冷凝锅炉、冰箱与空调器中的冷凝器等。此外，冷凝换热在空间流体机械和热设备、空间生保系统和空间在轨流体管理中也有广泛应用。各种高热负荷壁面换热的需求以及各种新型冷凝器和相变换热器的不断发展，促使了冷凝相变换热研究工作的蓬勃发展，冷凝换热是当今国内外两相流传热传质领域的重要研究方向之一，也是目前际微重力流体物理的研究热点。不同环境压力、过冷度、不凝气体含量等条件下的冷凝液膜形成起始点，是蒸汽冷凝相变传热传质的重要特性，对于地基和空间热流体设备的换热性能和工作效率有重要影响。然而，精确地判定冷凝液膜起始点并获得其对应的特征参数面临着较大的挑战，尤其是缺乏非接触、非破坏性的精确测量方法。超声波手段是一种有效的冷凝液膜监测方法，但超声波测厚方法的其精确性依赖于液膜边界的倾斜角度和液膜位置，且测量的横向分辨率和视场直接受到超声波探头大小和数量的限制。光学干涉测量技术是另一种高精度、快速、非接触测量手段。但光学干涉测量技术在空间应用时，面临着一些问题和挑战，如对外部环境的扰动(如振动、应力、温度场、流场等)十分敏感。外部环境的扰动常常使得干涉系统不能真实地记录物场信息，导致再现图像的分辨率和系统测量精度的降低。上述超声波和光学干涉检测方法均是单一物性特征参数的观测，没有结合相变传热中热流量和蒸汽压力测量值变化的定量判断。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本技术的目的在于提供一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，以精确获得空间和地面不同条件下冷凝液膜形成起始点的特征参数。本技术采取的技术方案为：一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，其特征在于，包括封闭实验腔、实验工质注入单元和光学观测单元，所述的封闭实验腔上设置有蒸汽注入口、抽真空排气口、不凝性气体进气口，所述的封闭实验腔内设置有表面温度可控的冷凝台；所述的实验工质注入单元包含蒸汽发生器、蒸汽流量控制器和电磁阀，蒸汽发生器通过蒸汽流量控制器和蒸汽注入口连接，向封闭实验腔内注入一定温度和压力的实验蒸汽，不可凝性气体通过不凝性气体进气口注入封闭实验腔；所述的光学观测单元包含CCD相机和红外热像仪，所述CCD相机和红外热像仪安装在位移台上，通过CCD相机视频记录冷凝液膜增长过程，通过红外热像仪瞬间实时记录同一工况下冷凝台表面温度。进一步的，还设置有实验数据采集单元，所述的实验数据采集单元包含温度传感器、压力传感器、测温热电偶、温差热电偶、热流量传感器和数据采集器，温度传感器和压力传感器设置在封闭实验腔内，测温热电偶、温差热电偶、热流量传感器依次设置在冷凝台上，通过实验数据采集单元采集温度、压力和热流量随时间变化的实验数据。进一步的，所述的冷凝台通过温控单元控制表面温度，温控单元通过PID控制将冷凝台表面温度控制在设定值，控温精度不低于±0.5℃。更进一步的，所述的温控单元由半导体加热制冷器及其散热系统组成，所述半导体加热制冷器设置在冷凝台的下方。进一步的，所述冷凝台表面设置为蒸汽冷凝发生位置，冷凝台降温过程划分为未冷凝的非稳态导热阶段、未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段。进一步的，所述的光学观测单元还设置有背景光源，背景光源安装在封闭实验腔内壁上。进一步的，所述的封闭实验腔上设置有光学玻璃观测窗口，所述CCD相机和红外热像仪正对光学玻璃视窗设置安装在位移台上。进一步的，所述的封闭实验腔外部设置有封闭实验腔加热器，封闭实验腔加热器设置为加热片结构，并在加热片外部包裹设置保温材料，以减少实验腔外壁与周围环境的换热。一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量方法，具体包括如下步骤：S1、设定参数值，同时对蒸汽冷凝的封闭实验腔进行预热，加热温度设定值大于实验工质的饱和蒸汽温度，以防止蒸汽在实验开始前在实验腔壁面上冷凝；S2、向封闭实验腔注入一定温度和压力的饱和或过热实验工质蒸汽和不可凝性气体，作为冷凝实验工质，以研究不凝性气体含量、背压等因素对冷凝过程的影响S3、设定冷凝台表面温度，开启冷凝台温度控制，以建立冷凝条件并研究冷凝台表面温度对冷凝过程的影响；S4、通过实验参数采集单元对冷凝过程的重要特征参数进行测量和分析，判断冷凝液膜发生起始点，记录该时间点为冷凝液膜起始点t1；S5、采用CCD相机，从顶视方向视频记录的冷凝液膜增长过程，当视频出现中冷凝台对背景光源的反射出现强弱变化时，判断该时间点为冷凝液膜起始点，记录该时间点t2；S6、采用红外热像仪从顶视方向瞬间实时记录同一工况下冷凝台表面温度，找到冷凝台的温度出现大面积的不均匀且在不断由四周向中心区域铺展增厚的时间点，设置为冷凝液膜已经生成时间点t3；S7、当t1和t2一致，且t3大于t1和t2时，精确判断t1和t2为冷凝液膜形成起始点；S8、实验结束后，通过抽真空排气口排出封闭实验腔内的蒸汽，为下次实验做准备。进一步的，所述步骤S1中设定参数值具体为设定冷凝台控温温度、封闭实验腔压力、顶视光学观测手段、不凝性气体含量。所述顶视光学观测手段具体为采用与液膜非接触、非破坏性的实验特征参数测量手段和光学观测手段相互结合的测量手段。a、实验特征参数测量手段具体为：对冷凝实验台表面温度、冷凝台内部热流量、封闭实验腔内气体压力和温度进行综合测量和分析。b、光学观测手段具体为：采用顶视CCD相机视频观测和红外热像仪图像观测相互结合的测量方法。进一步的，所述步骤S4中通过实验参数采集单元对冷凝过程的重要特征参数进行测量和分析，具体包括如下步骤：S41、通过压力传感器对封闭实验腔内的压力随时间变化进行测量；S42、通过测温热电偶对冷凝台上方蒸汽温度和冷凝台表面温度随时间变化进行测量；S43、通过温差热电偶对冷凝台内热流密度方向的温差随时间变化进行测量；S44、通过热流量传感器对通过冷凝台的热流量随时间变化进行测量。进一步的，所述步骤S4中判断冷凝液膜发生起始点的具体步骤如下：在同一坐标轴下，绘制温度、压力和热流量随时间变化的实验数据曲线，并将冷凝台降温过程划分为未冷凝的非稳态导热阶段、未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段，判断冷凝液膜发生起始点在未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段的交界处，记录该时间点为冷凝液膜起始点t1。更进一步的，所述步骤S4中判断冷凝液膜发生起始点的具体步骤如下：S45、在同一坐标轴下，绘制温度、压力和热流量随时间变化的实验数据曲线，并将冷凝台降温过程划分为三个阶段。第一阶段：冷凝台温度从稳定值开始下降，液池内气相压力曲线出现小范围波动，而热流密度的绝对值呈现上升趋势。这一阶段中，因为冷凝台降温导致其上方气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，其特征在于，包括封闭实验腔、实验工质注入单元和光学观测单元，/n所述的封闭实验腔上设置有蒸汽注入口、抽真空排气口、不凝性气体进气口，所述的封闭实验腔内设置有表面温度可控的冷凝台；/n所述的实验工质注入单元包含蒸汽发生器、蒸汽流量控制器和电磁阀，蒸汽发生器通过蒸汽流量控制器和蒸汽注入口连接，向封闭实验腔内注入一定温度和压力的实验蒸汽，不可凝性气体通过不凝性气体进气口注入封闭实验腔；/n所述的光学观测单元包含CCD相机和红外热像仪，所述CCD相机和红外热像仪安装在位移台上，通过CCD相机视频记录冷凝液膜增长过程，通过红外热像仪瞬间实时记录同一工况下冷凝台表面温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，其特征在于，包括封闭实验腔、实验工质注入单元和光学观测单元，
所述的封闭实验腔上设置有蒸汽注入口、抽真空排气口、不凝性气体进气口，所述的封闭实验腔内设置有表面温度可控的冷凝台；
所述的实验工质注入单元包含蒸汽发生器、蒸汽流量控制器和电磁阀，蒸汽发生器通过蒸汽流量控制器和蒸汽注入口连接，向封闭实验腔内注入一定温度和压力的实验蒸汽，不可凝性气体通过不凝性气体进气口注入封闭实验腔；
所述的光学观测单元包含CCD相机和红外热像仪，所述CCD相机和红外热像仪安装在位移台上，通过CCD相机视频记录冷凝液膜增长过程，通过红外热像仪瞬间实时记录同一工况下冷凝台表面温度。


2.根据权利要求1所述一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，其特征在于，还设置有实验数据采集单元，所述的实验数据采集单元包含温度传感器、压力传感器、测温热电偶、温差热电偶、热流量传感器和数据采集器，温度传感器和压力传感器设置在封闭实验腔内，测温热电偶、温差热电偶、热流量传感器依次设置在冷凝台上，通过实验数据采集单元采集温度、压力和热流量随时间变化的实验数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘秋生，陶跃群，朱志强，张峥智，
申请(专利权)人：刘秋生，
类型：新型
国别省市：北京;11