用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验装置及其方法

摘要

本发明公开了一种用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统及其方法，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、机械压力表、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机、外磁圈、低转速电机和计算机等装置组成。该实验系统主要包括动态接触角测量，液体进样，高压气体进样，温度和压力监控，光学成像和数据采集几部分。该系统能够满足实验的要求，具备较高的灵活性，可行性和安全性，有助于深入研究液体的浸润行为。

说明书

技术领域

本发明属于强化沸腾换热等与表面浸润性有关的研究领域，尤其涉及到高温高压环境下表征水在金属固体表面的动态浸润性的实验研究。

背景技术

表面浸润性是固体的表面特性之一。在基于蒸汽动力循环的火电和核电的换热设备中，金属表面的浸润性直接关系到锅炉和核反应堆内的沸腾和淬火传热性能，如临界热流密度(CHF)、Leidenfrost点和反应堆失水事故等。接触角是表征固体表面浸润性的重要参数，根据是否处于平衡状态，一般可分为静态接触角和动态接触角。静态接触角可用于描述固体表面的平衡条件下的浸润性能。单一的静态接触角不足以充分地表征固体表面的浸润性质，应当同时采用动态接触角进行衡量。实际的固体表面并非理想的光滑均匀表面，存在一定的粗糙度与化学异质性，导致接触角滞后。动态接触角可以分为前进角和后退角，一定程度上反映了固体表面的接触角滞后性质和动态润湿性能。

显然，高温高压环境下的表面浸润性对沸腾和淬火传热性能具有关键的作用。但目前还未有可用于测量高温高压环境下，甚至水的临界状态下固体表面动态接触角的实验装置。有效的实验数据也未得到报道。然而，掌握液体在高温高压环境下的动态浸润实验现象，有助于深入理解液体的高温高压浸润行为。

精确地测量固体表面的接触角面临着较大的挑战，尤其是高温高压环境下动态接触角的测量。测量动态接触角的标准方法有减液法和倾斜板法。加减液法是通过向置于固体平面上的液滴中加减一定量的液体，从而测得前进角和后退角。但是该方法容易对液滴的几何形态造成影响，且不便在高温高压环境下采用该方法。倾斜板法是通过倾斜放置有液滴的固体表面，拍摄液滴将要发生运动时刻的形态，从而通过图像法测得前进角与后退角。但是如何在高温高压环境下灵活地调节固体表面的倾斜角度和如何快速捕捉液滴运动瞬间的形态是该方法的难点。

发明内容

本发明的目的在于设计发明出一个适用于测量高温高压环境下，甚至是接近水的临界状态下液体在固体表面上的动态接触角的可视化实验装置及其方法。本发明采用倾斜板法和光学图像法测定高温高压环境下固体表面的动态接触角。通过螺纹传动，齿轮齿条啮合传动以及磁力传动来灵活地调节倾斜板的倾斜角度。该实验系统能够满足实验的要求，具备较高的灵活性，可行性和安全性。

本发明的技术方案如下：

用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机和计算机组成；

所述的高温高压可视釜成圆柱体型；釜体轴向两端开设有蓝宝石视窗；釜体侧壁开设法兰接口，法兰接口处安装所述机械化测试平台；釜体壁内嵌入有若干加热管；釜体外壁围有保温罩；

储气罐与高压柱塞泵通过管道相连，形成气体进样部分；高压柱塞泵出口通过管道接入高温高压可视釜内，

液槽、高压微流量注射泵和不锈钢毛细针管顺次相连形成液体进样部分，不锈钢毛细针管插入釜体内，不锈钢毛细针管出口位于机械化测试平台正上方；

冷光源和高速摄像机分别置于高温高压可视釜的轴向两端，形成光学成像部分；高速摄像机将获得的图像传输至计算机；

温度控制器与高温高压可视釜壁内的加热管相连；热电偶和压力传感器的测点均布置在高温高压可视釜腔内以测定釜内的温度和压力；数据采集卡分别与热电偶和压力传感器相连，将采集的数据传输至计算机中；

冷凝器进口端与高温高压可视釜连接，出口端接有背压阀，背压阀出口通向大气；

真空泵、真空缓冲容器相连构成抽真空部分，真空缓冲容器与高温高压可视釜通过管路相连；安全阀安装高温高压可视釜上。

优选的，所述的机械化测试平台由实验固体表面、圆柱体凸台、齿条、齿条螺钉、带齿轮的样品台、螺纹杆、滑块、轴承、内磁圈、外磁圈和低转速电机组成；实验固体表面放置于带齿轮的样品台的凹槽内，带齿轮的样品台通过铰链与圆柱体凸台连接，保证其可绕铰链中心转动，齿条的无啮合齿一端以齿条螺钉与滑块连接，有啮合齿一端与带齿轮的样品台的齿轮啮合，滑块中心处的内螺纹与螺纹杆的外螺纹啮合，螺纹杆光杆部分依次与轴承和内磁圈过盈配合，轴承与圆柱体凸台的轴承槽过盈配合，装配好各部件的机械化测试平台通过法兰与高温高压可视釜连接，外磁圈与低转速电机的转轴连接，并保证与内磁圈同轴转动。

优选的，所述的气体进样部分、液体进样部分、抽真空部分的管路上设有阀门。

所述的在高温高压环境下测量动态接触角的实验方法是：

(1)实验开始前，关闭系统中所有的阀门，检查密封性。

(2)开启低转速电机，带动内外磁圈转动。螺纹杆将旋转运动转化为滑块和齿条的竖直运动。带齿轮的样品台发生转动。直到实验固体表面调节至水平。关闭低转速电机。

(3)打开真空泵，抽除高温高压可视釜腔内的气体。

(4)关闭高压柱塞泵出口处的阀门，启动高压柱塞泵，待气体压力达到预设压力值。

(5)设定背压阀为预设压力值，并开启冷凝器的循环冷却水。打开高压柱塞泵出口处的阀门。

(6)通过机械压力表和压力传感器监控高温高压可视釜内的压力。

(7)用温度控制器调节加热功率，开启高温高压可视釜壁的加热管加热。通过热电偶监控高温高压可视釜内的温度。

(8)待高温高压可视釜内的温度和压力稳定，并保持半个小时。

(9)打开冷光源和高速摄像机，通过计算机观察记录高温高压可视釜内的情况。

(10)打开高压微流量注射泵，向高温高压可视釜内注入液体，待液体滴至实验固体表面。关闭高压微流量注射泵出口处的阀门。

(11)待液滴在实验固体表面上达到平衡状态。开启低转速电机，带动内外磁圈转动，进而带动螺纹杆转动。滑块和齿条向上运动，并带动带齿轮的样品台转动。实验固体表面发生倾斜。高速摄像机记录整个过程，并将图像传至计算机内进行动态接触角分析。

(12)实验完成后，关闭所有阀门和加热管。待高温高压可视釜冷却后，泄压。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1)能实现高温高压环境下，甚至是水的亚临界状态下的液体在固体表面的动态接触角原位测量。

2)采用磁力传动，齿轮齿条啮合传动和螺纹啮合传动等机械传动原理，实现高温高压环境下动态接触角测量。

3)实验系统便于改造，实验操作简单，具备较高的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的一种高温高压环境下测量动态接触角的实验系统的示意图。

图2为本发明的机械化测试平台的剖面图。

图3为本发明的机械化测试平台的立体图。

附图中，各部件的如下：1储气罐；2阀门；3机械压力表A；4计算机；5温度控制器；6机械压力表B；7热电偶；8数据采集卡；9压力传感器；10安全阀；11不锈钢毛细针管；12高温高压可视釜；13螺栓A；14蓝宝石视窗；15冷光源；16高压微流量注射泵；17液槽；18软性石墨垫圈A；19机械压力表C；20真空泵；21真空缓冲容器；22加热管；23软性石墨垫圈B；24低转速电机；25外磁圈；26机械化测试平台；27螺栓B；28冷凝器；29机械压力表D；30背压阀；31保温罩；32高速摄像机；33高压柱塞泵；34圆柱体凸台；35螺纹杆；36滑块；37齿条螺钉；38齿条；39实验固体表面；40铰链；41带齿轮的样品台；42轴承；43内磁圈。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

如图1所示，本发明的一种高温高压环境下测量动态接触角的可视化实验系统主要由储气罐1；阀门2；机械压力表A3；计算机4；温度控制器5；机械压力表B6；热电偶7；数据采集卡8；压力传感器9；安全阀10；不锈钢毛细针管11；高温高压可视釜12；螺栓A13；蓝宝石视窗14；冷光源15；高压微流量注射泵16；液槽17；软性石墨垫圈A18；机械压力表C19；真空泵20；真空缓冲容器21；加热管22；软性石墨垫圈B23；低转速电机24；外磁圈25；机械化测试平台26；螺栓B27；冷凝器28；机械压力表D29；背压阀30；保温罩31；高速摄像机32；高压柱塞泵33等设备组成。

具体的实验装置安装步骤如下：

高温高压可视釜12体轴向两端开设有蓝宝石视窗14，以便于观察记录釜内液滴的形态。视窗以8根均布的螺栓13锁紧视窗，视窗的榫槽密封结构内和蓝宝石片轴向两侧都装填有软性石墨垫圈18以起到密封的作用。高温高压可视釜12侧壁开设法兰接口，以接入机械化测试平台26，同时以4根均布的螺栓27锁紧该法兰接口，法兰密封面的榫槽结构内装填有软性石墨垫圈23以达到密封的作用。釜体壁内嵌入有6根加热管22。釜体外壁围有保温罩31，以防止热量散失。

实验固体表面39放置于带齿轮的样品台41的凹槽内。带齿轮的样品台41通过铰链40与圆柱体凸台34连接，保证其可绕铰链40中心转动。齿条38的无啮合齿一端以齿条螺钉37与滑块36连接，有啮合齿一端与带齿轮的样品台41的齿轮啮合。滑块36中心处的内螺纹与螺纹杆35的外螺纹啮合。螺纹杆35光杆部分依次与轴承42和内磁圈43过盈配合，轴承42与圆柱体凸台34的轴承槽过盈配合。装配好各部件的机械化测试平台26通过法兰与高温高压可视釜12连接。外磁圈25与低转速电机24的转轴连接，并保证与内磁圈43同轴转动。

储气罐1与高压柱塞泵33通过管道相连，并接入高温高压可视釜12，形成气体进样部分。加压后的实验气体将被注入高温高压可视釜12内。在高压柱塞泵33的出口管道中加装有阀门，以控制气路的接入与断开。同时以装在阀门后段管路中的机械压力表6来监控高温高压可视釜12内的压力。

液槽17、高压微流量注射泵16和不锈钢毛细针管11形成液体进样部分。高压微流量柱塞泵16用于加压液槽17内的实验液体，并以微小的流量将液体注入高温高压可视釜12内，通过不锈钢毛细针管11滴至实验固体表面39上。高压微流量注射泵16的出口管道中加装有阀门，以控制进样的接入与断开。

冷光源15和高速摄像机32分别置于高温高压可视釜12的轴向两端，形成光学成像部分。冷光源15为高速摄像机32拍摄高温高压可视釜12内液滴的形态提供足够的光量。高速摄像机32将获得的图像传输至计算机4中，以分析动态接触角。

温度控制器5与高温高压可视釜12壁内的6根加热管22相连，以控制加热功率。

热电偶7和压力传感器9的测点均布置在高温高压可视釜12腔内以测定釜内的温度和压力。数据采集卡8与热电偶7和压力传感器9相连，将采集的数据传输至计算机4中。

冷凝器28进口端与高温高压可视釜12连接，出口端接有背压阀30，背压阀30出口通向大气。冷凝器28的作用是冷却因加热升温所引起的压力升高被释放出的高压气体。背压阀30是为了稳定高温高压可视釜12内的压力在预设压力值。

真空泵20和真空缓冲容器21与高温高压可视釜12相连。其目的是为了抽除实验前高温高压反应釜12内的杂质气体。

安全阀10安装高温高压可视釜12上，以保证实验系统的安全性。

本发明的工作过程如下：

(1)实验开始前，关闭系统中所有的阀门2，检查密封性。

(2)开启低转速电机24，带动内外磁圈43、25转动。螺纹杆35将旋转运动转化为滑块36和齿条38的竖直运动。带齿轮的样品台41发生转动。直到实验固体表面39调制水平。关闭低转速电机24。

(3)打开真空泵20，抽除高温高压可视釜腔12内的气体。

(4)关闭高压柱塞泵33出口处的阀门2，启动高压柱塞泵33，待气体压力达到预设压力值。

(5)设定背压阀30为预设压力值，并开启冷凝器28的循环冷却水。打开高压柱塞泵33出口处的阀门2。

(6)通过机械压力表6和压力传感器9监控高温高压可视釜内的压力。

(7)用温度控制器5调节加热功率，开启高温高压可视釜12壁内的加热管22加热。通过热电偶7监控高温高压可视釜12内的温度。

(8)待高温高压可视釜12内的温度和压力稳定，并保持半个小时。

(9)打开冷光源15和高速摄像机32，通过计算机4观察记录高温高压可视釜12内的情况。

(10)打开高压微流量注射泵16，向高温高压可视釜12内注入液体，待液体滴至实验固体表面38。关闭高压微流量注射泵16。

(11)待液滴在实验固体表面39上达到平衡状态。开启低转速电机24，带动内外磁圈43、25转动，进而带动螺纹杆35转动。滑块36和齿条38向上运动，并带动带齿轮的样品台41转动。实验固体表面39发生倾斜。高速摄像机32记录整个过程，并将图像传至计算机4内进行动态接触角分析。

(12)实验完成后，关闭所有阀门2和加热管22。待高温高压可视釜12冷却后，泄压。