具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的气体流通下液体蒸发速率的测试装置及其测试方法。

需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“左”、“右”、“前”、“后”、“上”、“下”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。对于本领域普通技术人员而言，本文中的部分术语“压力”相当于压强。

本发明一方面提供了一种气体流通下液体蒸发速率的测试装置。在本发明的一个示例性实施例中，气体流通下液体蒸发速率测试装置可包括蒸发容器、注液阀门、液位计、流量控制单元、恒温控制单元、压力控制单元、露点控制单元和放空阀。

具体来讲，蒸发容器具有从左至右依次设置的入口管段、蒸发主体管段和出口管段。这里，“左”是指靠近蒸发容器入口的一侧，“右”是指靠近蒸发容器出口的一侧，从左至右是指流通气体从蒸发容器的入口流动至蒸发容器出口的方向。其中，入口管段、蒸发主体管段和出口管段的顶部均位于同一水平面上，且蒸发主体管段的内径大于出口管段的内径(也就是D_出口管段<D_{蒸发主体管段})，以防止待测试液体被吹入出口管段。入口管段的长宽比大于等于12.5，也就是说，入口管段的长度至少为入口管段的管径的12.5倍，以使气体在进入蒸发主体管段之前能够充分流动，保证流场充分发展。优选地，实际入口管段的最佳长度为40倍入口管段直径。蒸发容器的横截面可以为圆形或者方形，例如，蒸发容器可以为方管，其蒸发主体管段为长方体流道；蒸发容器也可以为圆管，其蒸发主体管段为圆柱体流道。

进一步地，蒸发主体管段的内径可大于入口管段的内径，而入口管段的内径可大于出口管段的内径(也就是D_出口管段<D_入口管段<D_{蒸发主体管段})，这样既可以使待测试液体都集中储存在蒸发主体管段中，从而确保入口管段中的流场可以充分发展，也可以使蒸发容器入口处的中心位置高于出口处，能够防止待测试液体被吹出蒸发容器，从而引起测试误差。

蒸发容器的蒸发主体管段中注入的待测试液体可以为水，也可以为其他蒸发液体，例如，卤水、石化液体等；蒸发容器的入口管段中流通的气体可以为干空气，也可以为其他的流通气体，例如CO₂、N₂等。

蒸发主体管段的下部设有注液阀门，以向蒸发容器注入或放出待测试液体。例如，可在蒸发容器的蒸发主体管段的底部设置注液阀门，外接待测试液体的管道，用于向蒸发容器内注入或放出待测试液体。

液位计安装在蒸发主体管段的一侧，以测量预定时间内蒸发容器内的液位变化，从而计算液体蒸发速率。液位计可安装在蒸发主体管段的入口侧，也可以安装在蒸发主体管段的出口侧。液位计与蒸发主体管段之间可安装有液位阀，以便随时切断液位计与蒸发主体管段中液位之间的连通，从而精确测量一定时间内蒸发容器内的液位变化。例如，液位计可以为磁致伸缩液位计，其测量精度为±0.5mm。磁致伸缩液位计可安装于蒸发容器的蒸发主体管段的入口侧，且磁致伸缩液位计设置有第一液位阀和第二液位阀，用以控制磁致伸缩液位计与蒸发容器的连通。

流量控制单元设置在入口管段中，并能够改变蒸发容器入口处的气体流量，以测试不同气体流速下的液体蒸发速率。例如，流量控制单元可包括节流阀和流量计，节流阀可设置于入口管段的前端，其后连接有流量计，节流阀能够通过改变自身阀门开度来控制蒸发容器入口处的气体流量，流量计能够测量蒸发容器入口处的气体流量大小。优选的，流量计可以为精度高、可靠性好的腰轮流量计。

恒温控制单元设置在蒸发主体管段的外部，并能够控制蒸发主体管段中待测试液体的温度恒定于预定温度，以测试不同环境温度下的液体蒸发速率。例如，恒温控制单元可包括换热器、循环管和恒温循环控制系统。换热器设置在蒸发主体管段的外部，通过循环管与恒温循环控制系统连接，以维持蒸发主体管段中的待测试液体温度等于恒温循环控制系统中的换热介质温度。恒温循环控制系统内部可包括制热部件、制冷部件和循环泵，能够控制循环换热介质温度恒定于预定温度。液体蒸发速率的测试装置还可包括温度传感器，温度传感器安装在蒸发主体管段的下部，并能够测量蒸发主体管段中的待测试液体温度。

压力控制单元设置在出口管段中，并能够改变蒸发容器内部的压力，以测试不同容器压力下的液体蒸发速率。例如，压力控制单元可包括背压阀和压力表，背压阀设置在出口管段的后端，并能够控制蒸发容器内的压力大小。液体蒸发速率的测试装置还可包括压力表，压力表安装在蒸发主体管段的上部，并能够监测蒸发主体管段中的内部压力。

露点控制单元与蒸发容器的入口管段连接，并能够向蒸发容器提供不同露点的流动气体，以测试不同气体露点下的液体蒸发速率。例如，露点控制单元可包括供气设备，供气设备设置在蒸发容器的入口侧，与入口管段连接以向蒸发容器提供不同露点的流通气体。液体蒸发速率的测试装置还可包括露点仪，露点仪安装在出口管段中，并能够监测蒸发主体管段中的气体露点。

放空阀设置在出口管段中，并能够在测试结束后将蒸发容器内的气体放空。例如，放空阀可设置在出口管段的后端，且安装在背压阀之前。

进一步地，液体蒸发速率的测试装置还可包括设置在蒸发主体管段侧壁的透明视窗，透明视窗能够观察待测试液体在实验过程中的液面变化情况和液位变化情况。

本实施例中的气体流通下液体蒸发速率的测试装置能够实现不同干空气参数以及流场参数下水蒸发速率的测定，适用于多种工况，且测量时间短，精度高，误差小。比如，蒸发容器入口前设置有节流阀和流量计，出口设置有背压阀，能够实现对蒸发容器内气体流速及压力的控制；蒸发容器的外部设置有换热器和恒温循环控制系统，能够实现对蒸发容器内部水温的控制；蒸发容器的入口连接有外部供气设备，能够实现向蒸发容器内部流通气体露点的控制。

本实施例中的测试装置各部分长度、尺寸等经过流场模拟，能够保证流场的充分发展；蒸发容器出口段管径小于入口段，且其中心位置高于入口段，能够防止水被吹出；蒸发容器出口端侧壁安装有透明视窗，可以观察到蒸发容器内的液位变化情况。

本发明另一方面还提供了一种气体流通下液体蒸发速率的测试方法。在本发明的一个示例性实施例中，液体蒸发速率采用如上所述的测试装置测量获得，气体流通下液体蒸发速率的测试方法可包括以下步骤：

S1、搭建气体流通下液体蒸发速率的测试装置，并将外部供气管道与蒸发容器相连接，将外部注液管道与注液阀门相连接。

S2、向蒸发容器注入测试用量的待测试液体后关闭注液阀门，记录液位计在液体蒸发前的第一液位。

S3、启动恒温控制单元，并设定测试温度，然后启动露点控制单元，向蒸发容器通入预定露点的气体，通过流量控制单元和压力控制单元控制气体流量和容器压力，记录液体蒸发过程中的液体温度、气体露点、气体流量和容器压力。

S4、预定时间后停止供气，打开放空阀，待蒸发容器中的压力恢复至大气压后，记录液位计在液体蒸发后的第二液位。

S5、根据蒸发速率的计算公式计算在指定的液体温度、气体露点、气体流量和容器压力下待测试液体的蒸发速率，蒸发速率的计算公式如下所示：

式中，w为单位面积待测试液体的蒸发速率，g/(cm².s)；ρ_w为实验条件下待测试液体的密度，g/cm³；S₁为液位计内横截面积，cm²；S₂为蒸发容器底面积，cm²；H₁为待测试液体蒸发前的第一液位，cm；H₂为待测试液体蒸发后的第二液位，cm；t为测试时间，s。

进一步地，气体流通下液体蒸发速率的测试方法还可包括：

S6、重复步骤S2至S5，分别测试不同液体温度(例如，液体温度范围为-20℃～80℃)下的液体蒸发速率、不同气体露点(例如，露点范围为-60℃～25℃)下的液体蒸发速率、不同气体流速(例如，气体流速范围为2～10m/s)下的液体蒸发速率、以及不同容器压力(例如，容器压力范围为0.1MPa～2Mpa)下的液体蒸发速率，获得待测试液体在气体流通下干燥速率的函数模型。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。

以测定干空气流通下的水蒸发速率为例，图1为本发明提出的一种干空气流通下水蒸发速率的测试装置的结构示意图。

如图1所示，液体蒸发速率的测试装置可包括节流阀1、流量计2、磁致伸缩液位计3、第一液位阀4、第二液位阀5、循环水管6、恒温循环控制系统7、蒸发容器8、压力表9、套管式换热器10、露点仪11、放空阀12、背压阀13、透明视窗14、温度传感器15和注水放水阀门16。

具体地，蒸发容器8包括从左至右依次设置的入口管段、蒸发主体管段和出口管段。为保证气体流场充分发展，入口管段需具有一定长度，经过流场模拟，本示例中入口管段管径为DN80(也就是外径为89mm)，长度为1000mm；蒸发主体管段为长方体通道，其截面尺寸为100mm×100mm，长度为1000mm，注水深度20mm；出口管段管径为DN40(也就是外径为45mm或者48mm)，出口管段长度为500mm。

蒸发容器8的蒸发主体管段的底部设置有注水放水阀门16，外接水管道，用于向蒸发容器8内注入水或放出剩余水。

蒸发容器8的蒸发主体管段的出口端侧壁设置有透明视窗14，用以观察蒸发容器8内的液位变化情况。

节流阀1设置于蒸发容器8的入口管段前端，其后连接有流量计2，以控制蒸发容器8的入口气体流量。优先的，流量计为精度高、可靠性好的腰轮流量计。

磁致伸缩液位计3安装于蒸发容器8的蒸发主体管段的入口侧，能够精确测量一定时间内蒸发容器8内的液位变化，从而计算蒸发速率。磁致伸缩液位计3设置有第一液位阀4和第二液位阀5，用以控制磁致伸缩液位计3与蒸发容器8的连通。

压力表9安装于蒸发容器8的蒸发主体管段的上部，以测量蒸发容器8的内部压力。背压阀13设置于蒸发容器8的出口管段后端，用以控制蒸发容器8内压力。

套管式换热器10设置于蒸发容器8的蒸发主体管段的外部，通过循环水管6与恒温循环控制系统7连接，以恒温水循环换热维持蒸发容器8的内部水温恒定于测试温度。恒温循环控制系统7内部包含有加热部件、制冷系统及循环水泵，能够控制循环换热介质温度恒定于某一数值。

温度传感器15安装在蒸发容器8的蒸发主体管段的下部，用于测量蒸发主体管段中的待测试液体温度。

露点仪11安装于蒸发容器8的出口管段中，以测量蒸发容器8内的干空气露点。外部供气设备与蒸发容器8的入口管段连接，以向蒸发容器8提供不同露点的干空气。

放空阀12安装于蒸发容器8的出口管段，用以实验中蒸发容器8内气体的放空。

本示例的测试装置在实际应用中，一种干空气流通下水蒸发速率的测试方法包括以下步骤：

首先，将测试装置与外部干空气供气设备的供气管道相连接，将注水放水阀门16与外部水管道相连接。

之后，打开第一液位阀4和第二液位阀5，打开注水放水阀门16，向蒸发容器8中注入测试用量的水后关闭注水放水阀门16，记录磁致伸缩液位计3的第一液位为H₁。

接着，启动恒温循环控制系统7，设定于测试温度，换热介质流动方向与干空气流通方向相反；关闭第一液位阀4和第二液位阀5，设置外部干空气供气设备的干空气输出露点后，打开外部干空气供气设备，通过节流阀1控制气体流量，通过背压阀13实现压力控制。

稳定后记录干空气露点值、水的温度、干空气流量和管道压力，一定时间后停止供气，打开放空阀12，待蒸发容器8内压力恢复至大气压后，打开第一液位阀4和第二液位阀5，记录磁致伸缩液位计3的第二液位为H₂。

根据蒸发速率的计算公式计算在指定的液体温度、气体露点、气体流量和容器压力下待测试液体的蒸发速率，蒸发速率的计算公式如下所示：

式中，w为单位面积待测试液体的蒸发速率，g/(cm².s)；ρ_w为实验条件下待测试液体的密度，g/cm³；S₁为液位计内横截面积，cm²；S₂为蒸发容器底面积，cm²；H₁为待测试液体蒸发前的第一液位，cm；H₂为待测试液体蒸发后的第二液位，cm；t为测试时间，s。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明提供的气体流通下液体蒸发速率的测试装置能够实现不同干空气参数及流场参数下的水蒸发速率的测定，测试工况多样，且测试时间短，精度高，误差小；

(2)本发明的气体流通下液体蒸发速率的测试方法能够反映干空气的露点、流速、环境温度等因素对干空气干燥效果的影响，从而得出干空气干燥速率的函数模型，以指导干空气法干燥技术指标的相关研究工作；

(3)本发明提供的气体流通下液体蒸发速率的测试装置和测试方法也能适用于其他领域对蒸发速率的研究，且具有多种工况，应用前景广阔。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。