新型含冰晶颗粒气体生成装置

1.一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：含有气源、水源、冷源和合成实验段，
其中：
气源是由变频器与鼓风机相连，鼓风机的出口连接有整流段，且在整流段上设有两个测 压点，测压点分别连接有水柱；
合成实验段是由出水液氮喷雾制冷段和观察实验段组成，其中，在出水液氮喷雾制冷段 内安装有液氮喷嘴和气动喷嘴，出水液氮喷雾制冷段的进口与整流段的出口相连接，出水液 氮喷雾制冷段的出口与观察实验段的进口相连接；
水源是由压气机通过压力水罐上的进气阀与压力水罐相连接，压力水罐上的出气阀上连 接有气路连接管道，连接到气动喷嘴的进气入口，压力水罐上的出水阀上连接有水路连接管 道，连接到气动喷嘴上的进水入口，水路连接管道外围包有电加热膜，电加热膜外围包有保 温材料，水路连接管道、电加热膜与保温材料构成电加热段，电加热段连接有温度显示仪和 可调直流电源；
冷源是通过杜瓦瓶上的液氮开关阀门连接有液氮传输管道，液氮传输管道的另一端连接 到出水液氮喷雾制冷段内的液氮喷嘴。
2.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：所述的压力水 罐上设有液位计、进气阀、进水阀、压力表、出气阀和出水阀。
3.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：所述的观察实 验段上设有测温点。
4.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：所述的压力水 罐至少应承受0.5Mpa压力。
5.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：所述的整流段 由不锈钢制成。
6.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：所述出水液氮 喷雾制冷段由不锈钢制成。
7.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：所述的观察实 验段由有机玻璃制成。
8.根据权利要求1所述的一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其特征在于：合成实验段主 要气源的气体通过整流段后，与冷源所产生的低温氮气在出水液氮喷雾制冷段迅速混合，然 后与气动喷嘴喷出的微小水颗粒混合，从出水液氮喷雾制冷段流出，再在观察实验段流动的 过程中，充分混合，并迅速生成含冰晶颗粒的冷气体(此时气体温度为-20℃)，吹在实验件 上，并结冰。

<一>技术领域\n本发明提供一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，主要是用于航空、航天等领域结冰研究的 生成含冰晶颗粒流动气体的设备。\n<二>背景技术\n目前，公知的能生成含冰晶颗粒流动气体的装置通常是采用大型制冷设备生成低温气体 使气动喷嘴喷出的水颗粒变成冰晶。这种装置通常需投入上千万人民币才能建成，且实验时 需多台大型电机运行，运行费和维护费都非常昂贵。如武汉航空电子仪表厂的冰风洞耗资2 千万建成，每个实验点约需费用5万元。本发明装置只需投入50万元即可建成，每个实验点 所需费用不足1千元。\n<三>发明内容\n本发明的主要目的在于，克服了现有技术中的缺点，提供了一种新型含冰晶颗粒气体生 成装置。传统冰风洞制冷方法是采用氨气、氟利昂等通用压缩制冷方法对气体进行制冷，冷 空气在封闭回路里流动，反复降温后达到研究所需低温，制冷时间受环境温度影响极大，在 夏天所需时间很长(超过2小时，且很不稳定)。\n本发明的技术方案为：它是通过液氮迅速产生超低温气体进行制冷，受环境温度影响较 小，可以在2分钟内迅速达到研究所需低温并进行结冰实验。\n本发明包括4部分：气源、水源、冷源和合成实验段。其中：\n气源是由变频器与鼓风机相连，鼓风机的出口接有整流段，且在整流段上设有两个测压 点，测压点分别接有水柱；\n合成实验段是由出水液氮喷雾制冷段和观察实验段组成，其中，在出水液氮喷雾制冷段 内安装有液氮喷嘴和气动喷嘴，出水液氮喷雾制冷段的进口与整流段的出口相连接，出水液 氮喷雾制冷段的出口与观察实验段的进口相连接；\n水源是由压气机通过压力水罐上的进气阀与压力水罐相接，压力水罐上的出气阀上接有 气路连接管道，连接到气动喷嘴的进气入口，压力水罐上的出水阀上接有水路连接管道，连 接到气动喷嘴上的进水入口，水路连接管道外围包有电加热膜，电加热膜外围包有保温材料， 水路连接管道、电加热膜与保温材料构成电加热段，电加热段连接有温度显示仪和可调直流 电源；\n冷源是通过杜瓦瓶上的液氮开关阀门连接有液氮传输管道，液氮传输管道的另一端连接 到出水液氮喷雾制冷段内的液氮喷嘴。\n实验件放置于观察实验段的出口。\n其中，压力水罐上设有液位计、进气阀、进水阀、压力表、出气阀和出水阀。\n其中，观察实验段上设有测温点。\n其中，压力水罐至少应承受0.5Mpa压力。\n其中，整流段由不锈钢制成。\n其中，出水液氮喷雾制冷段由不锈钢制成。\n其中，观察实验段由有机玻璃制成。\n如图1和图3所示，合成实验段主要气源的气体通过整流段后，与冷源所产生的低温氮 气在出水液氮喷雾制冷段迅速混合，然后与气动喷嘴喷出的微小水颗粒混合，从出水液氮喷 雾制冷段流出，再在观察实验段流动的过程中，充分混合，并迅速生成含冰晶颗粒的冷气体 (此时气体温度为-20℃)，吹在实验件上，并结冰。\n本发明一种新型含冰晶颗粒气体生成装置，其优点是：制备工艺简单，成本低，实施容易。\n<四>附图说明：\n图1.本发明的结构组成示意图；\n图2A.本发明整流段剖视图；\n图2B.本发明整流段立体图；\n图3.本发明出水液氮喷雾制冷管道段剖视图；\n图4.本发明观察管道段立体图；\n图5.本发明压力水罐立体图；\n图6.本发明电加热段立体图；\n图7.本发明实施流程图；\n图中具体标号如下：\n1.杜瓦瓶              2.液氮开关阀门             3.鼓风机\n4.变频器              5.整流段                   6.出水液氮喷雾制冷段\n7.观察实验段          8.压气机                   9.压力水罐\n10.电加热段           11.可调直流电源            12.温度显示仪\n13.实验件             14.水柱                    15.测压点1\n16.测压点2            17.水路连接管道            18.气路连接管道路\n19液氮传输管道        20.液氮喷嘴                21.气动喷嘴\n22.测温点          23.观察段管道         24.液位计\n25.进气阀          26.进水阀             27.压力表\n28.出气阀          29.出水阀             30.保温材料\n31.电加热膜\n<五>具体实施方式\n见图1所示，本发明装置由4部分集成：气源、水源、冷源和合成实验段。气源、水源 和冷源分别提供试验所需的一定量空气、水颗粒和超低温氮气，然后在合成实验段合成生成 含冰晶颗粒的低温气体。每部分所具有的功能如下：\n气源主要是提供实验所需的一定流量的空气。主要由鼓风机3、变频器4和整流段5组 成，其中如图2所示，整流段5是由不锈钢制成，厚为3mm，并在整流段上有两个测压点15 和16。气源通过调节变频器4控制鼓风机3提供实验研究所需的一定流量的气体，通常气体 流量范围为300～700l/s。由于鼓风机3出口是长方形，需通过整流段5将气体出口变成圆 形。同时，在整流段上有两个测压点15和16，用于动态监测气体流量变化。\n水源主要是提供实验所需的颗粒度较小的水颗粒(通常为20μm)。水源由压气机8、压力 水罐9、电加热段10、可调直流电源11、温度显示仪12、水路连接管道17、气路连接管道 18、气动喷嘴21和喷嘴连接配件组成。压气机8将有压空气通过管道压向压力水罐9，压力 水罐9的水路连接管道17和气路连接管道18同时将水和气体压向气动喷嘴21，通过气动喷 嘴21生成试验所需的颗粒度为20μm左右的水颗粒。其中压力水罐9只要能承受0.5Mpa压力 即可。为得到稳定的水颗粒，本装置采用压力水罐9同时提供气动喷嘴21所需的有压气体和 水，这样还能很好地控制气动喷嘴21喷出的水流量和喷水颗粒度。另外，由于试验时，气动 喷嘴21可能处于-100℃的低温环境，会发生冻堵现象。为防止此现象发生，气动喷嘴21的 水路连接管道17外围用保温材料30和电加热膜31对水进行加热和保温，同时还对气动喷嘴 21进行加热和保温。\n冷源主要是提供实验所需的超低温气体。冷源由杜瓦瓶1、液氮开关阀门2、液氮传输管 道19、液氮喷嘴20和液氮喷嘴连接配件组成。冷源是通过控制液氮开关阀门2使液氮从杜 瓦瓶1流出，经过液氮传输管道19，从液氮喷嘴20垂直喷向出水液氮喷雾制冷段6的壁面， 液氮迅速汽化后生成超低温冷气体，与气源的空气混合，使气源空气迅速变成所需冷空气(通 常为-20℃)，再与气动喷嘴21喷出水颗粒混合后，使水颗粒变成冰晶。为保证提供足够的冷 量，液氮喷嘴20通常需喷出的液氮流量大于3l/min。\n合成实验段主要是将气源、水源和冷源提供的空气、水颗粒和低温氮气充分混合，生成 含冰晶颗粒的冷空气。合成实验段由出水液氮喷雾制冷段6和观察实验段7组成。在出水液 氮喷雾制冷段6，气源、水源和冷源所提供的空气、水颗粒和超低温氮气混合在一起，流过 观察实验段7的时充分混合，生成实验所需的均匀含冰晶颗粒的冷空气，吹在实验件13上， 并结冰。其中出水液氮喷雾制冷段6由不锈钢制成，厚为3mm，内径140mm；观察实验段7由 有机玻璃制成，厚为10mm，内径140mm，管道通过法兰连接。\n本发明装置的详细实施过程如图7所示。通过变频器4调节电流的频率控制鼓风机3的 转速大小，以此控制风速，气体经过整流段5，变成速度均匀的流动气体，在观察实验段7 内通过测速仪确定所要研究的气体流速。然后打开水源的气动喷嘴21的气路和水路阀门，同 时，打开通过直流电源11，给电加热膜31通电加热，使气动喷嘴21流出的水温高于90℃以 上后关闭电源和气动喷嘴21的水路阀门，停止喷水和加热。然后，打开液氮开关阀门2，迅 速手动调节液氮开关阀门2使冷源流出的低温氮气与流动气体混合后变成温度为-20℃的气 体。由于冷热气体混合存在一定的变化，因此温度的确定以流到实验件13处的温度为准。当 实验件13处的混合气体温度稳定在-20℃时，计时员发出指令，同时打开气动喷嘴21的水路 阀门和直流电源11，并将实验件13放在观察实验段7的管道出口处。这时气动喷嘴21喷出 的水颗粒达到时实验件13时已经完全变成冰晶颗粒，并在与试验件的撞击后粘在试验件上， 由于撞击位置和速度不一样，试验件不同部位的结冰也有所不同。随着喷水时间的增加，试 验件表面将结越来越多的冰。当计时员发出停止指令时，马上拿出试验件，迅速测试试验件 结冰尺寸、重量和照相等，同时关直流电源11和液氮开关阀门2，直到气动喷嘴21表面和 观察实验段7内表面的冰溶化成水时，关掉鼓风机3、气动喷嘴21的水路和气路阀门。