阅读说明：本技术 一种痕量水结霜可视化实验装置 (Visual experimental apparatus of trace water frosting ) 是由 植晓琴 漆映荷 邱利民 叶恒扬 胡虬钦 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种痕量水结霜可视化实验装置,属于结霜实验装置的设计技术领域。包括：凝华腔,内设有用于痕量水蒸气凝华沉积以及霜层生长的凝华冷面；冷源,为痕量水蒸气凝华结霜提供冷量；温控组件,用于控制凝华冷面温度,使整个凝华结霜过程在恒温条件下发生；微质量测量组件,设置在凝华冷面底部,用于测量冷面上凝华结霜的霜层质量；显微拍摄组件,用于获得不同时间的霜层生长形貌以及测量冷面上凝华结霜的霜层厚度；进气管和出气管,连通凝华腔；配气系统,以不凝性气体为气源,通过干燥或加湿获得不同水蒸气含量的混合气体,并通过进气管。可得到不同操作条件下混合气氛中痕量水蒸气凝华结霜的规律。(The invention relates to a trace water frosting visualization experiment device, and belongs to the technical field of design of frosting experiment devices. The method comprises the following steps: a desublimation chamber, in which a desublimation cold surface for desublimation deposition of trace water vapor and frost layer growth is arranged; the cold source is used for providing cold energy for trace amount of water vapor to desublimate and frost; the temperature control component is used for controlling the temperature of the desublimated cold surface so that the whole desublimated and frosted process is carried out under the condition of constant temperature; the micro-mass measuring component is arranged at the bottom of the desublimated cold surface and is used for measuring the mass of a desublimated frost layer on the cold surface; the microscopic shooting assembly is used for obtaining the growth morphology of the frost layer at different time and measuring the thickness of the frost layer which is desublimed and frosted on the cold surface; the air inlet pipe and the air outlet pipe are communicated with the desublimation cavity; the gas distribution system takes non-condensable gas as a gas source, obtains mixed gas with different water vapor contents by drying or humidifying, and passes through the gas inlet pipe. The law of trace amount of water vapor in the mixed atmosphere for desublimation and frosting under different operating conditions can be obtained.)

一种痕量水结霜可视化实验装置

技术领域

本发明涉及结霜实验装置的设计技术领域，具体地说，涉及一种痕量水结霜可视化实验装置。

背景技术

航空运输业与航空制造业是促进我国经济发展的战略性产业。近年来，我国航空运输业发展迅猛，然而，航空制造业仍处于相对落后的局面，迫切需要加快发展以实现建设航空强国和民航强国的目标。航空制造业的起点是先进飞行器设计，而精细化设计需要实际飞行雷诺数下的气动数据作为重要支撑。

大型低温风洞使用高纯液氮作为冷剂，通过其在风洞中蒸发来冷却测试氮气，低温风洞相比常温风洞大大增加了测试范围。低温风洞运行中，测试气体中的痕量水蒸气可能凝华并沉积在比例模型上，即使是由于凝华结霜而产生的小程度的粗糙度也会对模型的气动特性产生显著的影响，从而形成国际公认的低温风洞“霜污染”难题。

霜污染是当前低温风洞运行中必须解决的问题，想要从根本上抑制结霜或者更有效地除霜，需要首先开展低温条件下混合气氛中痕量水蒸气结霜的实验，了解其规律。公开号为CN108469450A的中国发明专利公开了一种多功能蒸汽冷凝换热及结霜过程可视化实验装置，可以研究变蒸气压冷凝传热及结霜现象。公开号为CN111624220A的中国发明专利公开了一种新型低温结霜试验装置，其使用半导体制冷片进行制冷，通过添加透气网板提高结霜效率，使结霜现象更明显。但目前还没有研制出可以获得低温条件下混合气氛中痕量水蒸气凝华结霜规律的实验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种痕量水结霜可视化实验装置，可以得到低温条件下混合气氛中痕量水蒸气结霜的规律。

为了实现上述目的，本发明提供的痕量水结霜可视化实验装置包括：

凝华腔，内设有用于痕量水蒸气凝华沉积以及霜层生长的凝华冷面；

冷源，为痕量水蒸气凝华结霜提供冷量；

温控组件，用于控制凝华冷面温度，使整个凝华结霜过程在恒温条件下发生；

微质量测量组件，设置在所述凝华冷面底部，用于测量冷面上凝华结霜的霜层质量；

显微拍摄组件，用于获得不同时间的霜层生长形貌以及测量冷面上凝华结霜的霜层厚度；

进气管和出气管，连通所述凝华腔；

配气系统，以不凝性气体如高纯氮或氦为气源，通过干燥或加湿获得不同水蒸气含量的混合气体，并通过所述进气管。

上述技术方案中，经过配气的含痕量水蒸气的混合气氛通过进气管进入到凝华腔中，混合气氛中的痕量水蒸气在凝华腔中的恒温低温冷面上发生凝华，形成冰晶，随时间发展进而形成霜层，剩余的混合气体通过出气管排出。恒温低温冷面的冷量从冷源获得，同时，通过温控组件对低温冷面进行温度控制，使其在整个凝华结霜过程中保持在指定温度。通过显微拍摄组件获得霜层形貌和霜层厚度，通过微质量测量组件获得霜层质量，得到不同操作条件下混合气氛中痕量水蒸气凝华结霜的规律。

可选地，在一个实施例中，所述的凝华腔设置在真空箱内，所述真空箱和所述凝华腔的腔壁上对应设有透明窗口，将所述的显微拍摄组件置于透明窗口处进行拍摄。显微拍摄组件通过透明窗可以获取霜层表面的冰晶形貌。

真空箱内部抽真空，可减少恒温凝华结霜装置的漏热。同时，凝华腔的进气管和出气管通过管路穿过真空箱和凝华腔与配气系统和回收装置连接。经过配气的混合气体从进气管进入凝华腔，在恒温凝华冷面上发生凝华结霜，部分凝华的混合气体沿出气管路进入回收装置。

优选真空箱为圆柱形，透明窗口设置在在凝华腔和真空箱的顶部和侧面。顶部的透明窗处，显微拍摄组件位于透明窗的上方，显微拍摄组件通过透明窗可以获取霜层表面的冰晶形貌。侧面的透明窗供设置四个，四个透明窗均在同一水平线上，且垂直于进气管和出气管。显微拍摄组件可从顶部透明窗上方移动到圆柱面透明窗上方，透过透明窗可以准确地测量霜层的厚度。

可选地，在一个实施例中，所述的冷源包括液氮池、连通液氮池的进液管和出液管；所述的凝华冷面位于所述液氮池的顶部，所述温控组件置于液氮池内。

为了获得不同温区的凝华冷面，冷源可由其他制冷剂池取代，或者，为获得极低温度的凝华冷面，可直接使用低温制冷机作为冷源，为凝华冷面提供冷量。

可选地，在一个实施例中，所述的液氮池上设有液氮进液管路和氮气出气管路，所述氮气出气管路管口位于液氮面以上。

可选地，在一个实施例中，所述的进气管和出气管位于同一水平线上，均平行于所述凝华冷面且位于凝华冷面上方。

可选地，在一个实施例中，经过配气的混合气体从所述的进气管进入所述凝华腔，沿所述的凝华冷面边缘水平吹入，所述的出气管在凝华冷面另一端接收部分冷凝后的混合气体，再将其送入回收装置。

可选地，在一个实施例中，所述的温度组件包括贴在所述凝华冷面下表面的温度传感器和可调功率的加热器。通过读取温度传感器的数据并与指定冷面温度比较来调节加热器功率，从而控制凝华冷面在整个实验过程中保持温度恒定。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明的痕量水结霜可视化实验装置可提供不同水蒸气含量的混合气体配置，以及一个温度可调的恒定低温凝华冷面，进而可获得不同操作条件下的混合气氛中痕量水蒸气结霜规律；同时，可实时观测霜层表面的晶体形貌，以及实时测量霜层厚度和质量。

附图说明

图1为本发明实施例中痕量水结霜可视化实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中痕量水结霜可视化实验装置的侧面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1和图2，本实施例的本实施例的痕量水结霜可视化实验装置包括真空箱1、恒温凝华结霜单元、测量单元以及配气系统3。

恒温凝华结霜单元设置在真空腔1内，包括凝华腔2、凝华冷面8、温控组件10以及冷源，本实施例中冷源为液氮池9，液氮池9设有液氮进液管路6和氮气出气管路7，氮气出口管路7高于液氮的液面。凝华腔2的两侧分别设有进气管路4和出气管路5，分别穿过真空箱1的侧壁后连通凝华腔2的进气口和出气口，将经过配气系统3的含痕量水蒸气的混合气氛通入凝华腔2内，混合气氛中的痕量水蒸气在凝华冷面8上凝华成冰晶，并随时间的发展生长成霜层，部分凝华后的混合气体从出气管路5排出。

进气管路4和出气管路5在同一水平线上，且均平行于凝华冷面8。经过配气的混合气体从进气管路4进入凝华腔2，沿凝华冷面8边缘水平吹入，出气管路5在凝华冷面8另一端接收部分冷凝后的混合气体，再将其送入回收装置。

配气系统3以高纯氮气为气源，包括标气管路、纯化和渗透三条路径。高纯氮气中的水蒸气含量约为3—7ppmv，通过纯化路径，可以继续降低气源中的水蒸气含量，实现1-3ppmv的可调范围。通过渗透路径，可以提高气源中的水蒸气含量，实现较高ppmv级别的气体配置。配气系统3还包含一个露点仪，从而实现不同水蒸气含量的混合气体精准配置。

温控组件10设置在凝华冷面8的正下方且浸入液氮槽9中。温度组件10包括贴在凝华冷面8下表面的温度传感器和可调功率的加热器，通过读取温度传感器的数据并与指定冷面温度比较来调节加热器功率，从而控制凝华冷面8在整个实验过程中保持温度恒定。

凝华腔2的上表面设有第一透明窗12，真空箱1的上表面设有与第一透明窗12正对且平行的第二透明窗13。凝华腔2在与进气管路4和出气管路5垂直方向的侧面相对设有第三透明窗15和第五透明窗17，真空箱1在与进气管路4和出气管路5垂直方向的侧面设有与第三透明窗15正对且平行的第四透明窗16和与第五透明窗17正对且平行的第六透明窗18。所有透明窗均为玻璃窗。

测量单元包括显微拍摄组件14和微质量测量组件11。显微拍摄组件14包含一个高分辨率的镜头和一个可旋转90°的支撑臂，可放置于第二透明窗14的上方用于捕捉霜层表面晶体形貌，也可通过支撑臂旋转90°放置于第四透明窗16左侧或第六透明窗18右侧用于获取霜层厚度。微质量测量组件11嵌于凝华冷面8的表面，用于实时测量霜层沉积质量。进一步可结合霜层厚度和质量得到霜层平均密度。

本实施例提供了不同水蒸气含量的混合气体配置，以及一个温度可调的恒定低温凝华冷面，进而可获得不同操作条件下的混合气氛中痕量水蒸气结霜规律；同时，可实时观测霜层表面的晶体形貌，以及实时测量霜层厚度、质量和平均密度。