一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统及方法

技术领域

本发明属于冷凝相变传热传质实验技术领域，具体涉及一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量系统及方法。

背景技术

蒸汽冷凝是带有相变的对流传热传质过程，广泛应用于各个工程领域之中，如冷凝泵、冷凝锅炉、冰箱与空调器中的冷凝器等。此外，冷凝换热在空间流体机械和热设备、空间生保系统和空间在轨流体管理中也有广泛应用。各种高热负荷壁面换热的需求以及各种新型冷凝器和相变换热器的不断发展，促使了冷凝相变换热研究工作的蓬勃发展，冷凝换热是当今国内外两相流传热传质领域的重要研究方向之一，也是目前际微重力流体物理的研究热点。

不同环境压力、过冷度、不凝气体含量等条件下的冷凝液膜形成起始点，是蒸汽冷凝相变传热传质的重要特性，对于地基和空间热流体设备的换热性能和工作效率有重要影响。然而，精确地判定冷凝液膜起始点并获得其对应的特征参数面临着较大的挑战，尤其是缺乏非接触、非破坏性的精确测量方法。超声波手段是一种有效的冷凝液膜监测方法，但超声波测厚方法的其精确性依赖于液膜边界的倾斜角度和液膜位置，且测量的横向分辨率和视场直接受到超声波探头大小和数量的限制。光学干涉测量技术是另一种高精度、快速、非接触测量手段。但光学干涉测量技术在空间应用时，面临着一些问题和挑战，如对外部环境的扰动(如振动、应力、温度场、流场等)十分敏感。外部环境的扰动常常使得干涉系统不能真实地记录物场信息，导致再现图像的分辨率和系统测量精度的降低。上述超声波和光学干涉检测方法均是单一物性特征参数的观测，没有结合相变传热中热流量和蒸汽压力测量值变化的定量判断。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种精确判定冷凝液膜形成起始点的综合测量系统及方法，以精确获得空间和地面不同条件下冷凝液膜形成起始点的特征参数。

本发明采取的技术方案为：

一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，包括封闭实验腔、实验工质注入单元和光学观测单元，

所述的封闭实验腔上设置有蒸汽注入口、抽真空排气口、不凝性气体进气口，所述的封闭实验腔内设置有表面温度可控的冷凝台；

所述的实验工质注入单元包含蒸汽发生器、蒸汽流量控制器和电磁阀，蒸汽发生器通过蒸汽流量控制器和蒸汽注入口连接，向封闭实验腔内注入一定温度和压力的实验蒸汽，不可凝性气体通过不凝性气体进气口注入封闭实验腔；

所述的光学观测单元包含CCD相机和红外热像仪，所述CCD相机和红外热像仪安装在位移台上，通过CCD相机视频记录冷凝液膜增长过程，通过红外热像仪瞬间实时记录同一工况下冷凝台表面温度。

进一步的，还设置有实验数据采集单元，所述的实验数据采集单元包含温度传感器、压力传感器、测温热电偶、温差热电偶、热流量传感器和数据采集器，温度传感器和压力传感器设置在封闭实验腔内，测温热电偶、温差热电偶、热流量传感器依次设置在冷凝台上，通过实验数据采集单元采集温度、压力和热流量随时间变化的实验数据。

进一步的，所述的冷凝台通过温控单元控制表面温度，温控单元通过PID控制将冷凝台表面温度控制在设定值，控温精度不低于±0.5℃。

更进一步的，所述的温度控制单元由半导体加热制冷器及其散热系统组成，所述半导体加热制冷器设置在冷凝台的下方。

进一步的，所述冷凝台表面设置为蒸汽冷凝发生位置，冷凝台降温过程划分为未冷凝的非稳态导热阶段、未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段。

进一步的，所述的光学观测单元还设置有背景光源，背景光源安装在封闭实验腔内壁上。

进一步的，所述的封闭实验腔上设置有光学玻璃观测窗口，所述CCD相机和红外热像仪正对光学玻璃视窗设置安装在位移台上。

进一步的，所述的封闭实验腔外部设置有封闭实验腔加热器，封闭实验腔加热器设置为加热片结构，并在加热片外部包裹设置保温材料，以减少实验腔外壁与周围环境的换热。

一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量方法，具体包括如下步骤：

S1、设定参数值，同时对蒸汽冷凝的封闭实验腔进行预热，加热温度设定值大于实验工质的饱和蒸汽温度，以防止蒸汽在实验开始前在实验腔壁面上冷凝；

S2、向封闭实验腔注入一定温度和压力的饱和或过热实验工质蒸汽和不可凝性气体，作为冷凝实验工质，以研究不凝性气体含量、背压等因素对冷凝过程的影响；

S3、设定冷凝台表面温度，开启冷凝台温度控制，以建立冷凝条件并研究冷凝台表面温度对冷凝过程的影响；

S4、通过实验参数采集单元对冷凝过程的重要特征参数进行测量和分析，判断冷凝液膜发生起始点，记录该时间点为冷凝液膜起始点t1；

S5、采用CCD相机，从顶视方向视频记录的冷凝液膜增长过程，当视频出现中冷凝台对背景光源的反射出现强弱变化时，判断该时间点为冷凝液膜起始点，记录该时间点t2；

S6、采用红外热像仪从顶视方向瞬间实时记录同一工况下冷凝台表面温度，找到冷凝台的温度出现大面积的不均匀且在不断由四周向中心区域铺展增厚的时间点，设置为冷凝液膜已经生成时间点t3；

S7、当t1和t2一致，且t3大于t1和t2时，精确判断t1和t2为冷凝液膜形成起始点；

S8、实验结束后，通过抽真空排气口排出封闭实验腔内的蒸汽，为下次实验做准备。

进一步的，所述步骤S1中设定参数值具体为设定冷凝台控温温度、封闭实验腔压力、顶视光学观测手段、不凝性气体含量。

所述顶视光学观测手段具体为采用与液膜非接触、非破坏性的实验特征参数测量手段和光学观测手段相互结合的测量手段。

a、实验特征参数测量手段具体为：对冷凝实验台表面温度、冷凝台内部热流量、封闭实验腔内气体压力和温度进行综合测量和分析。

b、光学观测手段具体为：采用顶视CCD相机视频观测和红外热像仪图像观测相互结合的测量方法。

进一步的，所述步骤S4中通过实验参数采集单元对冷凝过程的重要特征参数进行测量和分析，具体包括如下步骤：

S41、通过压力传感器对封闭实验腔内的压力随时间变化进行测量；

S42、通过测温热电偶对冷凝台上方蒸汽温度和冷凝台表面温度随时间变化进行测量；

S43、通过温差热电偶对冷凝台内热流密度方向的温差随时间变化进行测量；

S44、通过热流量传感器对通过冷凝台的热流量随时间变化进行测量。

进一步的，所述步骤S4中判断冷凝液膜发生起始点的具体步骤如下：

在同一坐标轴下，绘制温度、压力和热流量随时间变化的实验数据曲线，并将冷凝台降温过程划分为未冷凝的非稳态导热阶段、未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段，判断冷凝液膜发生起始点在未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段的交界处，记录该时间点为冷凝液膜起始点t1。

更进一步的，所述步骤S4中判断冷凝液膜发生起始点的具体步骤如下：

S45、在同一坐标轴下，绘制温度、压力和热流量随时间变化的实验数据曲线，并将冷凝台降温过程划分为三个阶段。第一阶段：冷凝台温度从稳定值开始下降，液池内气相压力曲线出现小范围波动，而热流密度的绝对值呈现上升趋势。这一阶段中，因为冷凝台降温导致其上方气体受冷收缩，但由于并未达到该环境下的冷凝温度，并未出现冷凝。这一阶段热流密度的上升是通过热传导作用对冷凝台降温引起的。第二阶段：冷凝台温度继续下降，封闭实验腔内气相压力和热流密度绝对值均维持在某一数值范围内，出现了平台期，表明热流量传感器上下表面的温差趋于稳定，因此由热传导主导的冷凝台降温到达了稳态。第三阶段：冷凝台温度仍在持续降低，而液池内气相压力出现明显的下降趋势，热流密度绝对值结束平台期，出现上升趋势。这一时间段即为冷凝液膜不断增长的阶段；

S46、通过对冷凝液膜起始阶段物理现象的分析与描述，可以推断冷凝液膜发生起始点在所述的第二阶段与第三阶段的交界处，也就是热流密度平台期与上升期的交界处，或者液池压力的平台期和下降期的交界处，记录该时间点t1。

更进一步的，所述步骤S41中，压力传感器测量精度不低于±0.1％FSO；所述步骤S42和步骤S43中，温度热电偶和温差热电偶测温精度不低于±1℃；所述S44中，热流量传感器测量精度优于示值的3％，标称灵敏度优于0.3μW

更进一步的，所述步骤S5中，CCD相机分辨率不低于1920×1080；所述步骤S6中，红外热像仪图像分辨率不低于640×480，探测波长为7.5～14μm，温度分辨率不大于0.05℃。

该方法不受地面重力条件的限制，适用于空间和地面实验。

多种测量方法之间的结果相互佐证，可以精确判定冷凝液膜形成的起始点。

本发明的有益效果为：

为相变传热科学研究和热设备工程设计提供一种新型精确定量判别地面常重力和空间微重力下冷凝液膜形成起始点的非接触式通用测量方法。

提出通过冷凝液膜相变传热过程中特征参数(温度、压力、热流量等)测量分析和高清CCD相机图像、红外温度场图像直观观测等的综合观测技术，从三个不同的角度确定冷凝液膜起始点，并相互佐证，提高了冷凝液膜形成起始点的判定精度。

该新型测量方法不受地面重力的影响，在空间微重力条件下也能精准的应用，且已成功用于我国载人航天首艘货运飞船(TZ-1)上进行的空间蒸发与冷凝科学实验中，为气液相变过程中冷凝现象的精准观测和热物参数变化规律研究提供了一种新的综合观测方法与实验数据分析手段。

附图说明

图1为本发明实施例的综合测量系统原理图。

图2为本发明判定冷凝液膜形成起始点的测量方法流程图。

图3为空间实验中冷凝台温度、热流密度、气相压力曲线。

图4为空间实验中冷凝液膜形成起始点前后高清CCD相机拍摄图像对比图。

图5为空间实验中冷凝液膜形成起始点前后红外热像仪拍摄图片对比图。

其中，各部件的说明如下：1、封闭实验腔加热器；2、封闭实验腔；3、冷凝台；4、背景光源；5、蒸汽注入口；6、光学玻璃视窗；7、位移台；8、CCD相机；9、红外热像仪；10、温度传感器；11、压力传感器；12、不凝性气体进气口；13、抽真空排气口；14、测温热电偶；15、温差热电偶；16、热流量传感器；17、半导体加热制冷器。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量系统，包括封闭实验腔2、实验工质注入单元和光学观测单元，

所述的封闭实验腔2包含蒸汽注入口5、抽真空排气口13、不凝性气体进气口12和光学玻璃观测窗口，不可凝性气体通过不凝性气体进气口12注入封闭实验腔2，所述的封闭实验腔2内设置有表面温度可控的冷凝台3；

所述的实验工质注入单元包含蒸汽发生器、蒸汽流量控制器和电磁阀，蒸汽发生器通过蒸汽流量控制器和蒸汽注入口5连接，向封闭实验腔2内注入一定温度和压力的实验蒸汽；

所述的光学观测单元包含CCD相机8和红外热像仪9，所述CCD相机8和红外热像仪9正对光学玻璃视窗6设置安装在位移台7上，通过CCD相机8视频记录冷凝液膜增长过程，通过红外热像仪9瞬间实时记录同一工况下冷凝台3表面温度。

还设置有实验数据采集单元，所述的实验数据采集单元包含温度传感器10、压力传感器11、热流量传感器16和数据采集器，温度传感器10和压力传感器11设置在封闭实验腔2内，热流量传感器16依次设置在冷凝台3上，通过实验数据采集单元采集温度、压力和热流量随时间变化的实验数据。

所述的冷凝台3通过温控单元控制表面温度，温控单元通过PID控制将冷凝台3表面温度控制在设定值，控温精度不低于±0.5℃。

所述冷凝台3上设置有测温热电偶14和温差热电偶15，冷凝台3的下方设置有半导体加热制冷器17，所述半导体加热制冷器17将冷凝台3降温过程划分为未冷凝的非稳态导热阶段、未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段，监测未冷凝的稳态导热阶段和冷凝阶段的交界处的时间点，设置为冷凝液膜起始点t1。

所述的光学观测单元还设置有背景光源4，背景光源4安装在封闭实验腔2内壁上，监测冷凝台3对背景光源4的反射出现强弱变化的时间点，设置为冷凝液膜起始点t2。

所述冷凝台3的温度出现大面积的不均匀，并在不断由四周向中心区域铺展增厚的时间点，设置为冷凝液膜已经生成时间点t3。

所述的封闭实验腔2外部设置有封闭实验腔加热器1，封闭实验腔加热器1设置为加热片结构，并在加热片外部包裹设置保温材料。

实施例2

在实施例1的基础上，不同于实施例1，如图1、图2所示，一种精确判定空间和地面冷凝液膜形成起始点的综合测量方法，具体包括如下步骤：

S1、实验前设定封闭实验腔2压力35kPa，冷凝台3的温度10℃，不凝性气体含量1.08％，将位移台7上的高清CCD相机8移动到封闭实验腔2的光学玻璃视窗6(顶视K9光学玻璃观测窗口)的正上方。

S2、开启封闭实验腔2外部的封闭实验腔加热器1，使得封闭实验腔2内的温度传感器10测量温度达到40℃，以防止蒸汽在冷凝台3外部位冷凝。

S3、通过蒸汽注入口5向封闭实验腔2内注入一定量的待冷凝蒸汽，通过不凝性气体进气口12向封闭实验腔2内注入一定量的空气，使得封闭实验腔2内不可凝性气体含量为1％，封闭实验腔2内压力传感器11测量压力达到35kPa。

S4、设定冷凝台3表面温度10℃，开启半导体加热制冷器17，控温精度不低于±0.5℃。

S5、通过实验参数采集单元对冷凝过程的重要特征参数进行测量和分析，具体包括：

S51、通过压力传感器11对封闭实验腔内的压力随时间变化进行测量；

S52、通过测温热电偶14对冷凝台3上方蒸汽温度和冷凝台3表面温度随时间变化进行测量；

S53、通过温差热电偶15对冷凝台3内热流密度方向的温差随时间变化进行测量；

S54、通过热流量传感器16对通过冷凝台3的热流量随时间变化进行测量；

S55、在同一时间坐标轴下，绘制如图3所示温度、压力和热流量随时间变化的实验数据曲线。图中曲线可以分成三个阶段：

第一阶段：3200s-3225s该时间段内，冷凝台3温度从40℃开始降温，液池内气相压力曲线出现小范围波动，而热流密度的绝对值呈现上升趋势，该阶段并未出现冷凝，冷凝台3热传导速率增大；

第二阶段：3225s-3265s，该时间段内，冷凝台3在继续降温中，但液池内气相压力和热流密度绝对值均维持在某一数值范围内，该阶段并未发生冷凝，冷凝台3热传导达到稳态；

第三阶段：3265s-3295s，冷凝台3温度仍在持续降温，而液池内气相压力出现明显的下降趋势，热流密度绝对值结束平台期，出现上升趋势，该阶段内冷凝液膜形成并铺展；

S56、通过对冷凝液膜起始阶段物理现象的分析与描述，可以推断出冷凝液膜形成起始点在第二阶段和第三阶段交接处，也就是图3中对应的实验时间t1＝3265s，冷凝液膜形成起始点处冷凝台3温度测量值15.5℃，压力测量值34.9kPa。

S6、采用高清CCD相机8，从顶视方向视频记录的冷凝液膜增长过程，如图4所示，当通过冷凝台3左上角的背景光源4反射强弱、视频播放的连续性可以判断该时间点为冷凝液膜起始点对应的时间是t2＝3265s。

S7、将位移台7上的红外热像仪9移动到封闭实验腔2的光学玻璃视窗6(顶视K9光学玻璃观测窗口)的正上方，从顶视方向瞬间实时记录同一工况下冷凝台3表面温度，如图5所示，找到冷凝台3的温度较均匀的时间为t3＝3346s和出现大面积的不均匀的时间点t4＝3365s。

S8、当t3＜t1＝t2≤t4时，可以精确判断t1和t2为冷凝液膜形成起始点。

S9、实验结束后，通过抽真空排气口13排出封闭实验腔1内的蒸汽。

本项技术方案已经成功用于我国载人航天首艘货运飞船上进行的空间蒸发与冷凝科学实验装置的蒸汽产生与注汽系统中，在轨实现了FC72液体蒸汽的定量、定压和定温实时提供到封闭冷凝实验腔内，并获得了科学实验结果，验证了该新技术在空间微重力环境中可以无人操作的自动实施过程。

本发明技术方法成功应用于我国载人航天首艘货运飞船(TZ-1)搭载科学实验项目——“两相系统实验平台关键技术研究”系统平台中，获得了FC-72蒸汽在空间微重力环境下的冷凝相变点和冷凝液膜生成起始点。

本发明适用于在空间和地面实验中，判断FC-72及其他蒸汽的冷凝液膜形成起始点。

以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步阐述，并不代表本发明的实施方式仅限与此，在不脱离本发明构思的前提下做出的任何替换方式都视为本发明所提交的权利要求确定的保护范围。