CN114295665A - 一种水滴结冰可视化实验装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及水滴结冰及防冰技术领域，特别是涉及一种水滴结冰可视化实验装置及其应用。目前水滴悬浮同相结冰的观测也受结霜、温度限制而无法开展。本申请提供了一种水滴结冰可视化实验装置，包括舱门，所述舱门与壳体连接，所述壳体内设置有温度调节组件，所述壳体内设置有悬浮液滴发生组件和液滴发生器，所述液滴发生器与所述悬浮液滴发生组件配合使用；所述舱门上设置有观察窗，所述观察窗与抽真空组件连接，所述舱门与所述壳体能够密封连接。可实现水滴在不同温度的氮气环境中的悬浮冻结过程观测，可改变水滴尺寸、水滴悬浮位置及冷腔内部温度，通过实验获得水滴悬浮结冰过程。
Description
技术领域
本申请涉及水滴结冰及防冰技术领域，特别是涉及一种水滴结冰可视化实验装置及其应用。
背景技术
在自然界中，结冰现象普遍存在，并影响着生活的许多方面。针对飞机、植物和人造建筑物的防冰目标，以及控制工业中的冻结和固化过程，迫切需要解开与这些现象有关的物理机制。特别是，冲击液滴的冷冻模式对许多工业过程至关重要，例如除冰所需的能量、热喷涂涂层的质量以及用于生产奶粉、制药蛋白质和流感疫苗的喷雾冷冻干燥。对于水滴在冷表面上的结冰，现有的实验平台已经可以实现其数据收集及后处理。
水滴的结冰主要分为两种，一种是水滴冲击冷表面或静置于冷表面的异相结冰，由于水滴与不同基底的接触，导致水滴温度降低，达到过冷态后会形成冰，异相结冰过程中，液-固转变温度往往为0摄氏度；另一种为同相结冰，指水滴不接触任何基底，悬浮在空中或水的容积很大时，仅依靠对流引起水滴结冰，由于其扰动小，导致水滴内部缺少凝结核，此种结冰方式的液-固转变温度往往低于异相结冰的转变温度。
自然界中存在低于0℃仍为液态的过冷水，由于水中缺少凝结核或其它原因，在0℃以下还保持着液态，过冷液体是不稳定的，只要投入少许该物质的晶体，便能诱发结晶，并使过冷水的温度回升到凝固点。这种在微小扰动下就会很快转变的不稳定状态称为亚稳态。当用适当的方式缓慢冷却饱和水时，可使其变成过饱和而不析出溶质的结晶，这种现象也称为过冷，这种溶液称为过冷溶液。过冷水也是不稳定的。当温度低到冰点之下时，若水中没有一个结晶核来结晶，那么即使在0℃之下也不会结冰。如果这个时候放入一点晶核，那么会立即凝结。
目前，针对水滴同相结冰的实验装置和方法依旧不明确，同相结冰过程中的水滴内部结构和结冰机理仍不清晰。水滴悬浮同相结冰的观测也受结霜、温度限制而无法开展。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于目前，针对水滴同相结冰的实验装置和方法依旧不明确，同相结冰过程中的水滴内部结构和结冰机理仍不清晰。水滴悬浮同相结冰的观测也受结霜、温度限制而无法开展。本申请提供了一种水滴结冰可视化实验装置及其应用。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种水滴结冰可视化实验装置，包括舱门，所述舱门与壳体连接，所述壳体内设置有温度调节组件，所述壳体内设置有悬浮液滴发生组件和液滴发生器，所述液滴发生器与所述悬浮液滴发生组件配合使用；所述舱门上设置有观察窗，所述观察窗与抽真空组件连接，所述舱门与所述壳体能够密封连接，所述内胆内设置有温度传感器。
本申请提供的另一种实施方式为：所述壳体包括外壳和内胆，所述内胆与所述外壳连接，所述温度调节组件设置于所述内胆内，所述舱门通过密封垫圈与所述内胆连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述内胆与除霜组件连接，所述除霜组件包括抽真空管道，所述抽真空管道与所述内胆贯通，所述抽真空管道与真空泵或者分子泵连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述温度调节组件包括冷板，所述冷板与制冷剂管连接，所述制冷剂管与制冷机连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述观察窗为有机玻璃观察窗，所述有机玻璃观察窗通过法兰与所述舱门连接；所述抽真空组件包括抽真空管，所述抽真空管设置于所述舱门内，所述抽真空管与真空泵或者分子泵连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述舱门内设置有发泡材料层，所述外壳与所述内胆之间设置有发泡材料层。
本申请提供的另一种实施方式为：所述舱门通过活页和舱门搭扣与所述内胆连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述悬浮液滴发生组件包括悬浮架，所述悬浮架与升降台连接，所述悬浮架内设置有若干超声波发生器，所述超声波发生器呈圆形均匀排列。
本申请提供的另一种实施方式为：所述液滴发生器液滴生成组件，所述液滴生成组件与支架连接，所述液滴生成组件包括保温外壳，所述保温外壳内设置有依次连接的针头、针泵和供液软管，所述供液软管与供液管道连接，所述针头、推杆和电机依次连接。
本申请还提供一种所述的水滴结冰可视化实验装置的应用，所述水滴结冰可视化实验装置用于探究水滴结冰的条件及结冰过程。
通过制冷剂将冷腔内胆温度降低至零下80摄氏度，水滴发生装置将水滴生成，与超声波悬浮架内在环境温度的冷却下实现悬浮冻结这一物理过程。同时防止结霜，本申请包含除霜系统，利用真空泵和分子泵将内部空气排出，通氮气以保证超声波发生器正常运行。此外，本水滴结冰可视化实验装置冷腔及舱门周围灌有发泡材料，尽可能减少冷量散失。本申请建立平台，通过观察悬浮水滴在冷环境内的结冰过程和状态，有利于填补水滴同相结冰理论的空缺，为水滴同相结冰数学模型的建立与完善提供指导意义。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的水滴结冰可视化实验装置及其应用的有益效果在于：
本申请提供的水滴结冰可视化实验装置，可以对不同尺寸的悬浮水滴在不同温度的环境中的结冰过程进行观测，得到水滴结冰过程的一系列内部结构。
本申请提供的水滴结冰可视化实验装置，通过外接制冷机的方式对冷腔内部的温度进行调控，最低可达零下80摄氏度。
本申请提供的水滴结冰可视化实验装置，通过真空泵和分子泵配合，同时抽真空后通氮气，保证了冷腔内部基本不含水蒸气，有效的抑制了冷腔内部的结霜，最大程度的保护了超声波悬浮器不受损坏。
本申请提供的水滴结冰可视化实验装置的应用，探究水滴在较低温度的氮气环境中悬浮结冰的结构变化。
本申请提供的水滴结冰可视化实验装置的应用，可模拟高空中过冷水滴的结冰情况，一方面，水滴在悬浮状态达到过冷态后结冰的形状及内部结构相关数据可以获取，另一方面，对实验装置进行除霜、绝热处理，能有效保护冷腔内部温度较低，有利于实验的进行和结冰过程的观测。
本申请提供的水滴结冰可视化实验装置的应用，可实现水滴在不同温度的氮气环境中的悬浮冻结过程观测，可改变水滴尺寸、水滴悬浮位置及冷腔内部温度，通过实验获得水滴悬浮结冰过程。
附图说明
图1是本申请的水滴结冰可视化实验装置整体结构示意图；
图2是本申请的内胆结构示意图；
图3是本申请的内胆结构平面示意图；
图4是本申请的悬浮液滴发生组件结构示意图；
图5是本申请的升降台结构示意图；
图6是本申请的舱门结构示意图；
图7是本申请的舱门搭扣结构示意图；
图8是本申请的液滴发生器结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
超声波悬浮是由驻波的声压节点造成的。形成驻波后，就产生了方向向上的声压和方向向下的声压，且呈正弦分布。方向向上的声压和方向向下的声压交错的地方为声压节点，也就是理论上声压为0的点。假设一个物体重力极小，只会受到两个方向不同的声压作用，且会停在上下声压相互平衡的点，也就是声压节点。如果重力不能忽略不计，那么物体会停在有一点方向向上声压的点，以此来达到力的平衡。
参见图1～8，本申请提供一种水滴结冰可视化实验装置，包括舱门1，所述舱门1与壳体连接，所述壳体内设置有温度调节组件，所述壳体内设置有悬浮液滴发生组件和液滴发生器，所述液滴发生器与所述悬浮液滴发生组件配合使用；
所述舱门1上设置有观察窗22，所述观察窗22与抽真空组件连接，所述舱门1与所述壳体能够密封连接，所述内胆7内设置有温度传感器。
这里的温度传感器用于测量内胆7内的温度，待温度到达实验所需时进行实验。
进一步地，所述壳体包括外壳2和内胆7，所述内胆7与所述外壳2连接，所述温度调节组件设置于所述内胆7内，所述舱门1通过密封垫圈25与所述内胆7连接。
舱门1和外壳2均为不锈钢材质。内胆7通过内胆支架3与外壳2连接。
进一步地，所述内胆7与除霜组件连接，所述除霜组件包括抽真空管道11，所述抽真空管道11与所述内胆7贯通，所述抽真空管道11与真空泵或者分子泵连接。
通过减压阀与冷腔内胆7的抽真空管道11相连接，首先使用真空泵将冷腔内胆7内的空气全部抽空，再使用分子泵对其进一步抽取。
为了使超声波发生器正常工作，需通过减压阀向抽真空管道11内通氮气充满冷腔内胆7，待冷腔内胆7内的水蒸气全部排净并通入氮气后，可实现整个内胆7的除霜功能。
进一步地，所述温度调节组件包括冷板10，所述冷板10与制冷剂管9连接，所述制冷剂管9与制冷机连接。
内胆7由内胆保护支架8支撑，内含制冷剂管9，用于强化换热的冷板10，用于内部抽真空及通氮气的抽真空管道11，制冷剂入口12，制冷剂出口13，供液管开口14和内嵌密封条的凹槽15组成。
制冷剂由制冷剂入口12进入制冷剂管9，进入内胆7通过冷板10与周围空气换热，由制冷剂出口13流出，制冷剂外接循环式制冷机，使冷腔内胆7内部温度达到零下80摄氏度。
制冷机内的制冷剂由制冷剂入口12流入，经制冷剂管9在冷腔内胆7循环后由制冷剂出口13流出，多次循环后冷腔内胆7的温度可达零下80摄氏度，制冷剂管9与冷板10相连接，冷板10用于强化制冷剂管道9与冷腔内部的换热。
进一步地，所述观察窗22为有机玻璃观察窗，所述有机玻璃观察窗通过法兰23与所述舱门1连接；所述抽真空组件包括抽真空管20，所述抽真空管20设置于所述舱门1内，所述抽真空管20与真空泵或者分子泵连接。
舱门1由抽真空管20，真空泵接口21，有机玻璃观察窗，连接有机玻璃观察窗和舱门1的法兰23和置于舱门1和冷腔内胆7之间的橡胶密封垫圈25组成。
舱门1通过内嵌密封条与冷腔内胆7相连，以增强密封效果，提高保温能力。
舱门的有机玻璃观察窗一端面向冷腔内胆7，另一端面向环境，因此其内需要抽真空防止有机玻璃观察窗结霜影响观察。
有机玻璃观察窗周围采取抽真空的方式防止结霜，同时舱门1不锈钢材料内同样灌有发泡材料，防止冷量散失。
舱门1上通过法兰23连接有机玻璃观察窗，该玻璃厚度大，强度高，能有效避免冷腔外部压差过大造成玻璃开裂，同时便于观察冷腔内部水滴结冰过程。
进一步地，所述舱门1内设置有发泡材料层，所述外壳2与所述内胆7之间设置有发泡材料层。
冷腔外壳2内灌有发泡材料，可以实现对冷腔内胆7的保温，尽可能减少冷量散失。
通过冷腔外壳2及舱门1中灌入发泡绝热材料，有效减少了冷量损失，保持了冷腔内部温度尽可能低。
舱门1内部需灌入发泡材料，以尽量减少冷量散失，同时通过活页5和舱门搭扣26与冷腔内胆7相连。
进一步地，所述悬浮液滴发生组件用于悬浮液滴发生系统产生的水滴；包括悬浮架16，所述悬浮架16与升降台19连接，所述悬浮架16内设置有若干超声波发生器，所述超声波发生器呈圆形均匀排列。
悬浮架16为上下半球面及相应支架组成的架子，上下球面开有槽17。悬浮架上下的球面所开槽17内含超声波发生器，上下球面的超声波发生器均呈圆形均匀排列，上下球面各36个，以将水滴悬浮于悬浮架中间。悬浮架下端固定一平台18，平台18与升降台19相连，升降台可以控制悬浮架在XYZ三个方向自由移动，以调整水滴的悬浮位置，从而控制液滴悬浮在最佳位置，方便观察。
进一步地，所述液滴发生器液滴生成组件，所述液滴生成组件与支架27连接，所述液滴生成组件包括保温外壳29，所述保温外壳29内设置有依次连接的针头31、针泵30和供液软管32，所述供液软管32与供液管道6连接，所述针头31、推杆28和电机33依次连接。
液滴发生器包括支架27，控制针头31位置的推杆28，保温外壳29，微型针泵30，供液软管32，电机33，连接软管32和供液硬管6的连接件34及供液入口35组成。
液滴发生器中由液体入口35供液，液体经软管32流至微型针泵30，后经针头31流出，微型针泵30置于推杆28上，通过推杆28的移动控制针泵31。待针头31处的水滴在超声波发生器的作用下挣脱表面张力，即可悬浮于超声波悬浮架16，并在周围冷环境的作用下冻结。
液滴发生器的支架27用于抬高液滴发生器，便于与悬浮架16及升降台19配合以获得最佳视野。
微型针泵30用于将供液软管32内的液体推至针头31，针头31处的液滴在超声波发生器的作用下克服表面张力，挣脱针头31，稳定悬浮于悬浮架16内。
在温度较低时，微型针泵30及供液软管32内的液体会冻结，为了防止液滴冻结无法实验，在保温外壳29内置加热材料，通过外接电源控制液体不冻结。
本申请还提供一种所述的水滴结冰可视化实验装置的应用，所述水滴结冰可视化实验装置用于探究水滴结冰的条件及结冰过程。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。
Claims (10)
1.一种水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：包括舱门，所述舱门与壳体连接，所述壳体内设置有温度调节组件，所述壳体内设置有悬浮液滴发生组件和液滴发生器，所述液滴发生器与所述悬浮液滴发生组件配合使用；
所述舱门上设置有观察窗，所述观察窗与抽真空组件连接，所述舱门与所述壳体能够密封连接，所述内胆内设置有温度传感器。
2.如权利要求1所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述壳体包括外壳和内胆，所述内胆与所述外壳连接，所述温度调节组件设置于所述内胆内，所述舱门通过密封垫圈与所述内胆连接。
3.如权利要求2所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述内胆与除霜组件连接，所述除霜组件包括抽真空管道，所述抽真空管道与所述内胆贯通，所述抽真空管道与真空泵或者分子泵连接。
4.如权利要求2述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述温度调节组件包括冷板，所述冷板与制冷剂管连接，所述制冷剂管与制冷机连接。
5.如权利要求1所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述观察窗为有机玻璃观察窗，所述有机玻璃观察窗通过法兰与所述舱门连接；所述抽真空组件包括抽真空管，所述抽真空管设置于所述舱门内，所述抽真空管与真空泵或者分子泵连接。
6.如权利要求2所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述舱门内设置有发泡材料层，所述外壳与所述内胆之间设置有发泡材料层。
7.如权利要求2所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述舱门通过活页和舱门搭扣与所述内胆连接。
8.如权利要求1所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述悬浮液滴发生组件包括悬浮架，所述悬浮架与升降台连接，所述悬浮架内设置有若干超声波发生器，所述超声波发生器呈圆形均匀排列。
9.如权利要求1所述的水滴结冰可视化实验装置，其特征在于：所述液滴发生器液滴生成组件，所述液滴生成组件与支架连接，所述液滴生成组件包括保温外壳，所述保温外壳内设置有依次连接的针头、针泵和供液软管，所述供液软管与供液管道连接，所述针头、推杆和电机依次连接。
10.一种如权利要求1～9中任一项所述的水滴结冰可视化实验装置的应用，其特征在于：所述水滴结冰可视化实验装置用于探究水滴结冰的条件及结冰过程。
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