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制造方法及图纸

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。本发明专利技术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。

Visual experimental observation device for fluid controlled liquefaction and solidification process based on low temperature refrigerator

A fluid controlled liquefaction and solidification process visualization experimental observation device cryocooler based on visualization experiment unit, including cavity cryogenic fluid charging and discharging unit, vacuum system, temperature control unit, temperature measurement system, and the low temperature refrigeration unit, the visualization experiment unit comprises a quartz glass sample bottle, fin type heat exchanger and switching it is through the cold head flange, flange and transfer of the cryogenic refrigerator is connected with the cooling fluid for low temperature of quartz glass sample bottle, cryogenic fluid charging and discharging end of the airbag unit or vacuum molecular pump is connected to vacuum system by which the molecular pump quartz glass sample bottle and vacuum chamber the interior space. The invention realizes the visualization of liquefaction and solidification process of cryogenic fluid, solve the contradiction experiment to observe the influence of frost condensation visualization and low temperature, and has the advantages of simple structure, convenient operation, can be effectively used to study various cryogenic fluids at a controlled temperature and solidification characteristics of liquefaction.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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
，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。
技术介绍
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“Condensationstudiesofsaturatednitrogenvapors”(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“Laminarfilmcondensationheattransferofhydrogenandnitrogeninsideaverticaltube“(HeatTransfer-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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术可以通过以下技术方案来实现：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、温度测量采集系统和低温制冷机单元；所述的低温制冷机单元包括低温制冷机和套设在该低温制冷机外的外筒体；所述的低温制冷机和外筒体之间形成真空腔，在所述的外筒体下部两侧边、对称设有实验观察窗，在该外筒体上部一侧边设有密封板，上部另一侧边设有航空接插件；所述的可视化实验腔单元包含石英玻璃试样瓶、通气刀口法兰、不锈钢刀口法兰、翅片式换热器和转接法兰；所述的石英玻璃试样瓶的上部连接所述的不锈钢刀口法兰，在所述的通气刀口法兰内开有内螺纹沉孔，与所述的翅片式换热器的外螺纹配合连接，旋紧至端面贴合；所述的通气刀口法兰上穿透焊接一根不锈钢管，该不锈钢管的一端与所述的低温流体充放气单元相连通，另一端同轴地穿过所述翅片式换热器的中心通孔至其下方；所述的通气刀口法兰与不锈钢刀口法兰通过铜垫圈和螺栓预紧实现低温密封；所述转接法兰的一侧与低温制冷机的冷头端连接，另一侧与所述的通气刀口法兰相连；所述的低温流体充放气单元包括焊接在所述的密封板上的不锈钢卡套、截止阀和第一KF25法兰接口；所述的石英玻璃试样瓶通过不锈钢管依次经密封板、截止阀和第一KF25法兰接口后，经所述的气囊阀门与气囊相连通，或者经依次经所述的第二真空阀三通与所述的抽真空分子泵相连通；所述的控温单元包括多片不锈钢片、绕线加热器以及带PID调节的可编程电源；所述的绕线加热器的导线通过所述的航空接插件与可编程电源连接，所述的多片不锈钢片、绕线加热器和所述的转接法兰按自上而下的顺序用同一螺栓连接固定在低温制冷机的冷头端；所述的真空系统包括抽真空分子泵、第二KF25法兰接口、三通；所述的真空腔通过抽真空管路依次经第二KF25法兰接口、第二真空阀和三通与所述的抽真空分子泵连接；所述的温度测量采集系统包括石英玻璃试样瓶内温度计、制冷机冷头端温度计、数据采集仪和计算机；所述的石英玻璃试样瓶内温度计通过熔接在石英玻璃试样瓶上的金属细针实现与石英玻璃试样瓶外部的电信号传递，所述的制冷机冷头端温度计与冷头紧密接触；两支温度计的导线通过航空接插件与外部的数据采集仪的输入端相连，该数据采集仪的输出端与计算机相连。所述的每片不锈钢片的厚度为0.8mm。所述的绕线加热器由线径0.7mm、长度2m的锰铜线缠绕在厚度为6mm的紫铜法兰上制成。所述的转接法兰由导热性能较好的紫铜材料制成。在所述的外筒体上部还套设有开孔法兰，所述的密封板通过螺栓固定在真空腔的开孔法兰上，并通过橡胶O型圈与所述的外筒体真空密封。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)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。(2)将一体化的翅片式换热器直接内置在石英玻璃试样瓶中，使流入试样瓶内气体可直接与换热器翅片接触换热，大幅提升了换热与液化效率。(3)在可视化实验腔的透明石英玻璃上密封熔接四根金属细针，使得在玻璃瓶内部放置微小温度计成为可能，克服了在玻璃外壁贴放温度计引入的误差，从而可以精确地测量出低温流体液化或凝固时的真实温度。(4)基于小型低温制冷机，可方便地获取液化或凝固所需冷量；配合不锈钢薄片及绕线加热器，可以简单方便地实现对温度的精确控制。(5)利用可伐实现金属与石英玻璃的连接，且利用刀口法兰与铜垫圈实现低温环境下的密封，巧妙地将可视化实验腔与低温制冷机的金属冷头连接到一起，同时保证了良好的热接触、气密性和机械强度三个方面的技术要求。附图说明图1为本专利技术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的结构示意图；图2为本专利技术中通气刀口法兰的结构示意图；图3为本专利技术中可视化实验腔的结构示意图；图4为本专利技术中翅片式换热器的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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、温度测量采集系统和低温制冷机单元；所述的低温制冷机单元包括低温制冷机(61)和套设在该低温制冷机(61)外的外筒体(63)；所述的低温制冷机(61)和外筒体(63)之间形成真空腔(64)，在所述的外筒体(63)下部两侧边、对称设有实验观察窗(65)，在该外筒体(63)上部一侧边设有密封板(23)，上部另一侧边设有航空接插件(56)；所述的可视化实验腔单元包含石英玻璃试样瓶(11)、通气刀口法兰(12)、不锈钢刀口法兰(15)、翅片式换热器(16)和转接法兰(19)；所述的石英玻璃试样瓶(11)的上部连接所述的不锈钢刀口法兰(15)，在所述的通气刀口法兰(12)内开有内螺纹沉孔(14)，与所述的翅片式换热器(16)的外螺纹(18)配合连接，旋紧至端面贴合；所述的通气刀口法兰(12)上穿透焊接一根不锈钢管，该不锈钢管的一端与所述的低温流体充放气单元相连通，另一端同轴地穿过所述翅片式换热器(16)的中心通孔(17)至其下方；所述的通气刀口法兰(12)与不锈钢刀口法兰(15)通过铜垫圈和螺栓预紧实现低温密封；所述转接法兰(19)的一侧与低温制冷机(61)的冷头端连接，另一侧与所述的通气刀口法兰(12)相连；所述的低温流体充放气单元包括焊接在所述的密封板(23)上的不锈钢卡套、截止阀(22)和第一KF25法兰接口(21)；所述的石英玻璃试样瓶(11)通过不锈钢管依次经密封板(23)、截止阀(22)和第一KF25法兰接口(21)后，经所述的气囊阀门(25)与气囊(24)相连通，或者经依次经所述的第二真空阀(35)三通(33)与所述的抽真空分子泵(31)相连通；所述的控温单元包括多片不锈钢片(41)、绕线加热器(42)以及带PID调节的可编程电源(44)；所述的绕线加热器(42)的导线通过所述的航空接插件(56)与可编程电源(44)连接，所述的多片不锈钢片(41)、绕线加热器(42)和所述的转接法兰(19)按自上而下的顺序用同一螺栓连接固定在低温制冷机(61)的冷头端；所述的真空系统包括抽真空分子泵(31)、第二KF25法兰接口(32)、三通(33)；所述的真空腔(64)通过抽真空管路依次经第二KF25法兰接口(32)、第二真空阀(35)和三通(33)与所述的抽真空分子泵(31)连接；所述的温度测量采集系统包括石英玻璃试样瓶内温度计(51)、制冷机冷头端温度计(54)、数据采集仪(57)和计算机(58)；所述的石英玻璃试样瓶内温度计(51)通过熔接在石英玻璃试样瓶上的金属细针(52)实现与石英玻璃试样瓶外部的电信号传递，所述的制冷机冷头端温度计(54)与冷头紧密接触；两支温度计的导线通过航空接插件(56)与外部的数据采集仪(57)的输入端相连，该数据采集仪(57)的输出端与计算机(58)相连。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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、温度测量采集系统和低温制冷机单元；所述的低温制冷机单元包括低温制冷机(61)和套设在该低温制冷机(61)外的外筒体(63)；所述的低温制冷机(61)和外筒体(63)之间形成真空腔(64)，在所述的外筒体(63)下部两侧边、对称设有实验观察窗(65)，在该外筒体(63)上部一侧边设有密封板(23)，上部另一侧边设有航空接插件(56)；所述的可视化实验腔单元包含石英玻璃试样瓶(11)、通气刀口法兰(12)、不锈钢刀口法兰(15)、翅片式换热器(16)和转接法兰(19)；所述的石英玻璃试样瓶(11)的上部连接所述的不锈钢刀口法兰(15)，在所述的通气刀口法兰(12)内开有内螺纹沉孔(14)，与所述的翅片式换热器(16)的外螺纹(18)配合连接，旋紧至端面贴合；所述的通气刀口法兰(12)上穿透焊接一根不锈钢管，该不锈钢管的一端与所述的低温流体充放气单元相连通，另一端同轴地穿过所述翅片式换热器(16)的中心通孔(17)至其下方；所述的通气刀口法兰(12)与不锈钢刀口法兰(15)通过铜垫圈和螺栓预紧实现低温密封；所述转接法兰(19)的一侧与低温制冷机(61)的冷头端连接，另一侧与所述的通气刀口法兰(12)相连；所述的低温流体充放气单元包括焊接在所述的密封板(23)上的不锈钢卡套、截止阀(22)和第一KF25法兰接口(21)；所述的石英玻璃试样瓶(11)通过不锈钢管依次经密封板(23)、截止阀(22)和第一KF25法兰接口(21)后，经所述的气囊阀门(25)与气囊(24)相连通，或者经依次经所述的第二真空阀(35)三通(33)与所述的抽真空分子泵(31)相连通；所述的控温单元包括多片不锈钢片(41)、绕线加热器(42)以及带PID调节的可编程电源(44...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永华，周绍华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31