基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置及测量方法

摘要

一种基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置及测量方法，属于液体辐射物性高温测量领域。本发明解决了现有的液体透射测量装置需要光学容器或窗片盛装从而导致的误差，以及有测量波段的限制，可能存在腐蚀的问题。回收炉通过升降台固设在光学平台上，傅里叶光谱仪的输出端与计算机连接，加热炉固设在升降台上且位于回收炉的上方，气罐与加热炉之间通过导管连通，第一导流管和第二导流管由上到下首尾固接且均位于加热炉与回收炉之间，第一导流管内竖直开设有第一矩形通孔，第二导流管内竖直开设有第二矩形通孔，且第一矩形通孔与第二矩形通孔同轴连通设置，第二导流管的中部侧壁同轴开设有两个第一透射孔。

说明书

技术领域

本发明涉及基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置及测量方法，属于液体辐射物性高温测量领域。

背景技术

高温液体介质如热油、熔盐、液态金属等在能源、化工、航空航天等领域有着广泛应用而获取高精度的高温液体介质的光热性质对于工程计算十分关键。这些性质包括光谱衰减、吸收、散射、发射、反射、导热系数等。透射法是一种常见的试验方法可以得到样品的透射率及吸收系数。但常规的透射法需要将待测液体放入光学样品池中，光路除样品外至少还需穿过两层光学窗片，由于多次反射透射会造成较大误差。尽管可以通过对照试验等方法减小窗片引起的误差，但对于高温光学性质测量，窗片需要满足宽波段透过、耐腐蚀、耐高温等条件。红外光谱实验中，通常用的溴化钾(KBr)窗片不能满足抗腐蚀要求。对于多种窗片筛选的结果显示：单晶SiC、金刚石、蓝宝石(单晶AL₂O₃)和光谱实验中常用的石英(单晶SiO₂)都在近红外波段(14000-4000cm^-1)具有良好的透过率，然而仅仅只有金刚石能透过中红外(4000-400cm^-1)的全部波段；只有金刚石和单晶SiC能较好应对高温熔盐的腐蚀，但它们造价比较昂贵。可见由于窗片的限制，不仅会造成一定的误差，而且由于窗片在一定波段的不透明而且不耐腐蚀，很大程度上限制了对于一些高温液体介质光热性质的测量。

发明内容

本发明是为了解决现有的液体透射测量装置需要光学容器或窗片盛装从而导致的误差，以及有测量波段的限制，可能存在腐蚀的问题，进而提供了一种基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置及测量方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置，它包括傅里叶光谱仪，所述傅里叶光谱仪包括壳体、样品室以及设置在壳体内的探测器、光源及干涉仪，所述光源及所述探测器分别位于样品室的两侧，且光源与样品室之间的壳体上开设有光路出口，探测器与样品室之间的壳体上开设有探测入口，它还包括光学平台、计算机、升降台、回收炉、加热炉、气罐、导管、第一导流管和第二导流管，所述回收炉通过升降台固设在光学平台上，傅里叶光谱仪的输出端与计算机连接，加热炉固设在升降台上且位于回收炉的上方，气罐与加热炉之间通过导管连通，第一导流管和第二导流管由上到下首尾固接且均位于加热炉与回收炉之间，第一导流管内竖直开设有第一矩形通孔，第二导流管内竖直开设有第二矩形通孔，且第一矩形通孔与第二矩形通孔同轴连通设置，第二导流管的中部侧壁同轴开设有两个第一透射孔，两个所述第一透射孔的轴向与第二矩形通孔的厚度方向相同，所述第一导流管上设置有流量控制阀门，回收炉及两个第一透射孔均设置在傅里叶光谱仪的样品室中，第二导流管位于光路出口与探测入口之间，且光路出口、第一透射孔及探测入口位于同一水平直线。

进一步地，导管上设置有压力控制阀门。

进一步地，所述第一导流管及所述第二导流管均为矩形管，且第二导流管为石英导流管。

进一步地，第一透射孔为圆形通孔，其直径为2～3cm。

进一步地，第一矩形通孔的厚度为0.5～5mm，且小于第二矩形通孔的厚度。

进一步地，第一导流管的长度为100mm，第一导流管的底端至回收炉的距离为10～15cm。

进一步地，第一矩形通孔的宽度为5cm，且小于第二矩形通孔的宽度。

进一步地，一种基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置还包括保温腔，所述第一导流管和所述第二导流管均设置在保温腔内，且所述保温腔内通入有高温氮气，保温腔的侧壁上相对开设有两个第二透射孔，且第二透射孔与第一透射孔同轴设置。

一种基于上述测量装置的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一、进行试验之前需查找样品在不同温度下的密度参数及粘性参数，并选取液膜收缩精度，即收缩率

步骤二、通过公式一计算得出临界速度u，其中：

收缩率

r为实际厚度的一半，

r_o为初始厚度的一半，

x表示以矩形管出口为原点的射流液膜的长度，

为雷诺数，其中ν为运动粘度，

为弗劳德数，

u为出口平均流速，g为重力加速度，D为水力直径；

步骤三、把临界速度u代入公式二中，即可算得所需的加压p′，其中：

H为炉内液体高度，

L为矩形管管长，

p′为通过气罐的加压，

ρ为液体密度，

u₁为炉内液面流速，

u为出口平均速度，

h为第一矩形通孔的厚度，

θ为沿程阻力系数，

ε为局部阻力系数，

β为入口效应损失系数，

步骤四、把样品放入加热炉中并加热到待测温度，保持流量控制阀门关闭，防止液体流出；打开压力控制阀门，调节压力至计算压力并保持稳定；

步骤五、当压力与温度都达到设定值并保持稳定后先测量背景辐射，即打开傅里叶光谱仪，光源发出的光通过干涉仪后穿过第二导流管上的第一透射孔，再到光谱仪探测器，通过计算机中的光谱仪配套的分析软件即可得到装置的背景辐射强度I₀(λ，T)；

步骤六、打开加热炉的流量控制阀门，液体流出并形成喷射液膜；液体流出并保持稳定后即可开始测量，由光源发出的辐射穿过液膜后会有部分能量吸收，透射光被探测器接收后得到样品透射信号I(λ，T)，再与之前的背景辐射进行比较可以得到液膜在某一温度下的光谱透射率根据光谱透射率τ及计算的液膜厚度通过比尔朗伯定律能够推算出所测液体样品在某一温度下的光谱衰减系数K，在不考虑散射的情况下即为光谱吸收系数α，cm^-1。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

通过控制加热炉中的压力对出口流速进行控制，进而改变射流液体的收缩情况，使之满足一定的精度要求；

由于液膜直接暴露在光路中，不受光学样品池或窗片的影响，可以进行更宽波段的测量；

射流液膜的厚度还可以通过更换不同厚度的喷口进行调节，从而采集不同厚度下的液体样品的光热性质进行后续分析与反演；

高温液体样品直接从喷口射出，可以进行直接观察；安装带第一透射孔的第二导流管，可以抑制射流液膜宽度方向的收缩与不规则变形，使流动更稳定。同时避免了高温液体的大面积裸露，温降大，可能会飞溅等问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为加热炉与导流管的位置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、2说明本实施方式，一种基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置，它包括傅里叶光谱仪，所述傅里叶光谱仪包括壳体、样品室以及设置在壳体内的探测器1、光源2及干涉仪4，所述光源2及所述探测器1分别位于样品室的两侧，且光源2与样品室之间的壳体上开设有光路出口，探测器1与样品室之间的壳体上开设有探测入口，它还包括光学平台5、计算机6、升降台7、回收炉8、加热炉9、气罐10、导管11、第一导流管12和第二导流管13，所述回收炉8通过升降台7固设在光学平台5上，傅里叶光谱仪的输出端与计算机6连接，加热炉9固设在升降台7上且位于回收炉8的上方，气罐10与加热炉9之间通过导管11连通，第一导流管12和第二导流管13由上到下首尾固接且均位于加热炉9与回收炉8之间，第一导流管12内竖直开设有第一矩形通孔，第二导流管13内竖直开设有第二矩形通孔，且第一矩形通孔与第二矩形通孔同轴连通设置，第二导流管13的中部侧壁同轴开设有两个第一透射孔，两个所述第一透射孔的轴向与第二矩形通孔的厚度方向相同，所述第一导流管12上设置有流量控制阀门14，回收炉8及两个第一透射孔均设置在傅里叶光谱仪的样品室中，第二导流管13位于光路出口与探测入口之间，且光路出口、第一透射孔及探测入口位于同一水平直线。

加热炉9为可控温加热炉，并通过支撑件固设在升降台7上，第一导流管12和第二导流管13对加热炉9不起到支撑作用，所述支撑件在附图中未示出。所述第一透射孔作为光路穿过的区域。傅里叶光谱仪的型号为Nicolet iS50，可以在0.4微米至20微米范围内实现对高温液体样品可见光、红外光全光谱范围内的同步测量。气罐10用于对加热炉9加压及控制其内的压力，且其压力可调节，调节范围为0～1Mpa。光学平台5是水平、稳定的台面，进行了隔振等措施，保证不受外界因素干扰，保证测试正常进行。

所述加热炉9为立式管式电加热炉9，从加热炉9的出口喷出的高温液体为射流液体，该射流液体在第一矩形通孔内和第二矩形通孔内形成射流液膜。本申请通过控制加热炉9中的压力对其出口流速进行控制，进而改变射流液体的收缩情况，使之满足一定的精度要求；由于液膜直接暴露在光路中，不受光学样品池或窗片的影响，可以进行更宽波段的测量；射流液膜的厚度还可以通过更换不同厚度的喷口进行调节，所述喷口即为第一矩形通孔，从而采集不同厚度下的液体样品的光热性质进行后续分析与反演；高温液体样品直接从喷口射出，可以进行直接观察，而以往的高温液体测量需要在加热炉9上开孔才能进行观察；带有第一透射孔的第二导流管13，可以抑制射流液膜宽度方向的收缩与不规则变形，使流动更稳定，同时避免了高温液体的大面积裸露、温降大、可能会飞溅等问题。

导管11上设置有压力控制阀门15。通过压力控制阀门15对加热炉9内进行压力调节。

所述第一导流管12及所述第二导流管13均为矩形管，且第二导流管13为石英导流管。所述石英导流管耐高温，成本低，透明利于观察。

第一透射孔为圆形通孔，其直径为2～3cm。

第一矩形通孔的厚度为0.5～5mm，且小于第二矩形通孔的厚度。第一矩形通孔的厚度直接影响液体射流液膜的厚度，若第一矩形通孔的厚度太小，加工更加困难，流动阻力加大，而且相对误差也会加大；若第一矩形通孔的厚度太大，射流的雷诺数Re增大，则射流容易变得不稳定，而且厚度变厚可能会把光源2某些波段的能量全部吸收，无法得到精确的光谱吸收系数。第二矩形通孔的厚度值略大于第一矩形通孔的厚度值即可。第一矩形通孔的厚度值优选为1mm、2mm或3mm，多组厚度规格可以验证装置的可靠性并提高实验结果的精度。

第一导流管12的长度为100mm，第一导流管12的底端至回收炉8的距离为10～15cm。第一导流管12的底端至回收炉8的距离即为射流液膜的长度。考虑到入口段效应，液体介质突然进入到第一导流管12中需要一段距离才能达到稳定，而管过长则会增加压力损失，因此第一导流管12的管长选择100mm；考虑到射流液膜射出后的收缩，距离出口越远，液膜越不稳定，而且射出后温度会有所降低，温度也会变得不均匀，因此射流液膜长度不宜过长，优选为10cm-15cm，同时安装10cm-15cm长度的第二导流管13。因为回收炉8开口比第二导流管13要大，因此允许第二导流管13和回收炉8不贴合。

第一矩形通孔的宽度为5cm，且小于第二矩形通孔的宽度。第一导流管12内的第一矩形通孔宽度直接决定射流液膜的宽度，液膜宽度较小，则边缘的收缩效应直接影响到液膜中心待测区域，若液膜宽度较大，则流量变大，在液体总量一定的情况下可测量的时间变小，因此第一导流管12内的宽度优选为5cm。

一种基于喷射液膜的液体光热性质高温测量装置还包括保温腔16，所述第一导流管12和所述第二导流管13均设置在保温腔16内，且所述保温腔16内通入有高温氮气，保温腔16的侧壁上相对开设有两个第二透射孔，且第二透射孔与第一透射孔同轴设置。第二透射孔用于光路通过。保温腔16可以有效减少射流的温降及提高测量区域温度的均匀性。

一种基于上述测量装置的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一、进行试验之前需查找样品在不同温度下的密度参数及粘性参数，并选取液膜收缩精度，即收缩率(现有的文献研究中可以查到密度及粘性等物性参数。液膜收缩精度即值可以自行选择。由于光源射出的光线会有一定的发散，为了保证精度，使光线透过液膜的区域厚度基本一致，如规定实验要求为液体射出后在x＝100mm处收缩小于5％，即)

步骤二、通过公式一计算得出临界速度u，其中：

收缩率(收缩率就是实际厚度与初始厚度的比值。可以已知速度求收缩率，也可以规定收缩率反推速度。)

r为实际厚度的一半，(液膜厚度实际测量较为困难。此处只需确定收缩率推出临界速度u，不用知道具体的厚度值。)

r_o为初始厚度的一半，

x表示以矩形管出口为原点的射流液膜的长度，

为雷诺数，其中ν为运动粘度，(ν为粘性参数即物性参数，可以从文献研究中查到)

为弗劳德数，

u为出口平均流速，g为重力加速度，D为水力直径；(由于出口长宽比过大，可近似为D＝2h。)

(即当出口平均速度大于u时，即可满足实验精度要求。在确定一定的精度要求即值一定的情况下可以得到对应的临界速度u。)

步骤三、把临界速度u代入公式二中，即可算得所需的加压p′，其中：

H为炉内液体高度，

L为矩形管管长，

p′为通过气罐的加压，

ρ为液体密度即密度参数，

u₁为炉内液面流速，(近似u₁＝0)

u为出口平均速度，

h为第一矩形通孔的厚度，(即射流的初始厚度)

θ为沿程阻力系数，

ε为局部阻力系数，

β为入口效应损失系数，(θ，ε，β均可通过流体力学有关资料查得。)

(所需的加压p′，即气罐提供的压力，通过上述的出流形态方程可以计算出满足精度要求的临界速度u，即伯努利方程中的u。再通过伯努利方程可以算出临界压力p′即气罐提供的压力，便只需要控制加热炉内压力大于临界压力，就即可得到满足要求的射流液膜。)

步骤四、把样品放入加热炉中并加热到待测温度，保持流量控制阀门关闭，防止液体流出；打开压力控制阀门，调节压力至计算压力并保持稳定；

步骤五、当压力与温度都达到设定值并保持稳定后先测量背景辐射，即打开傅里叶光谱仪，光源发出的光通过干涉仪后穿过第二导流管上的第一透射孔，再到光谱仪探测器，通过计算机中的光谱仪配套的分析软件即可得到装置的背景辐射强度I₀(λ，T)；

步骤六、打开加热炉的流量控制阀门，液体流出并形成喷射液膜；液体流出并保持稳定后即可开始测量，由光源发出的辐射穿过液膜后会有部分能量吸收，透射光被探测器接收后得到样品透射信号I(λ，T)，再与之前的背景辐射进行比较可以得到液膜在某一温度下的光谱透射率根据光谱透射率τ及计算的液膜厚度通过比尔朗伯定律能够推算出所测液体样品在某一温度下的光谱衰减系数K，在不考虑散射的情况下即为光谱吸收系数α，cm^-1。