一种高温炉以及应用该高温炉的液滴蒸发试验装置的制作方法

1.本发明属于液滴蒸发试验装置领域，具体涉及一种高温炉以及应用该高温炉的液滴蒸发试验装置。


背景技术：

2.喷雾本质上是大量液滴的蒸发，由于喷雾过程的复杂性，研究整个喷雾的雾化和蒸发机理是相当困难的，单个液滴的特性对于分析喷雾过程至关重要，因此有必要对研究单个液滴的蒸发特性进行研究。目前，液滴的蒸发的试验研究方法主要有4种：飞滴法、悬浮法、依附法和悬挂法。本发明是针对悬挂法开发的装置。
3.悬挂法是将液滴悬挂于超细热电偶丝、石英丝、sic丝或陶瓷丝上，利用移动装置快速将液滴置于高温高压环境中进行蒸发，同时利用高速相机拍摄液滴蒸发过程。该方法的不足之处在于微细悬丝会对液滴的蒸发产生影响，液滴形状不规则，但是该方法具有显著的优点是液滴静止，可以观察到整个液滴的蒸发、变形和破碎过程，还可以利用热电偶丝测量液滴的温度。随着研究的发展，对温度、压力及空气流动等因素的要求越来越高。
4.现有技术如申请号201810661201.4，发明名称为《一种单液滴蒸发实验装置》。该发明属于液滴蒸发技术领域，具体涉及一种单液滴蒸发实验装置，该装置包括第一腔体和第二腔体，第一腔体设置在第二腔体的正上方，且通过一个竖直的孔道相连通。第一腔体内设置有液滴产生模块，用于产生单液滴，并使单液滴在重力作用下通过孔道向第二腔体滴落；在第二腔体内设置有石英挂丝，石英挂丝设置在孔道的下口的下方、用于悬挂住从第一腔体滴落的单液滴。由于单液滴是从第一腔体中滴落下来的，无需打开第二腔体向其中送入单液滴，因此不会对两个腔体的高压环境造成影响，从而能够解决高压环境下单液滴生成和悬挂困难的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可改变液滴移动轨迹、实现液滴不同掉落状态、不同气流变化、滴液位移速度变化、减少高温或高压影响、稳定性好、准确度高的高温炉以及应用该高温炉的液滴蒸发试验装置。
6.本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种高温炉，包括：炉体，炉体上呈直线的相对两面上设置石英玻璃视窗，设置在炉体上的热电偶和加热丝，热电偶和加热丝避开石英玻璃视窗，加热丝与外部温控仪相连，加热功率通过电流大小调节。
7.优选地，炉体由双层陶瓷材料外包304不锈钢制成，加热丝设置在双层陶瓷中间，热电偶设置在高温炉的上方。
8.优选地，热电偶为k型热电偶，热电偶测点直径为0.5 mm。
9.优选地，温控仪为可控硅式控制，通过pid调节可控硅导通角调节电热丝的电流大小。
10.本发明公开了应用了上述高温炉的液滴蒸发试验装置，包括：高压定容弹，高压定容弹包括上高压热容弹和下定容弹，高压热容弹和下定容弹之间通过球阀连通，加热系统，加热系统中包括权利要求的高温炉，液滴生成系统，用于实现滴液生成与悬挂到悬丝上部，且将滴液送入高压热容弹，该装置还包括输气系统，输气系统包括输气环管、一端与输气环管相连的辅助输气管、与输气环管通过惰性气体传送管相连的泵体，辅助输气管的另一端与滴液传输管相连，滴液传输管用于连通高压热容弹与球阀，辅助输气管上设有控制阀，在辅助输气管出气端口设有一个与其轴线垂直的柔性连杆，该柔性连杆上端通过摆动条连接有一个摆动体。
11.本发明的一个目的研究不同状态的滴液在高温炉内的反应，按本发明方法的输气系统，可以向高温炉中引入微量惰性气体，实现改变滴液移动轨迹的效果，观察移动中的滴液的蒸发过程，通过辅助气管上控制阀是否同时开闭，可以实现对紊流下滴液的移动轨迹的观察，通过气流的大小，可以将滴液吹落到高温炉中，并在气流的作用下，实现不同的掉落状态，如使滴液以螺旋状态掉落到高温炉中，研究不同状态的滴液在高温炉内的蒸发反应。本发明的辅助输气管中设置有摆动条和摆动体，摆动条和摆动体的设置能够削减辅助输气管出气端口方向的惰性气体输出流速，以改变滴液位移速度产生的影响。本发明的辅助输气管中设置有摆动条和摆动体的设计可以避免滴液进入到辅助输气管内部。
12.优选地，辅助输气管倾斜环绕于滴液的传输管外部，辅助输气管至少3根，辅助输气管的出气口在同一水平面上，辅助输气管之间的角度两两相等。
13.更优选地，辅助输气管为3根。
14.优选地，高压定容弹由上下两个组成，下定容弹用于放置液滴输送系统，上下定容弹独立冲压，压力相同后打开中间的球阀，让液滴进去高温炉中；高压定容弹的主体材料在1000℃工作时屈服强度为205mpa以上。
15.优选地，液滴生成系统包括液滴生成装置和用于悬挂液滴的碳化硅丝，碳化硅丝位于液滴输送系统上；液滴生成装置由微量注射泵、极细玻璃管组成。
16.更优选地，液滴输送系统还包括滚珠丝杆。
17.优选地，图像采集系统包括高速相机、led背光灯、电脑，高速相机前面设置有显微镜头；高速相机、led背光灯相应设置于石英玻璃视窗的直线上。
18.优选地，高压定容弹的主体材料为304不绣刚。
19.优选地，液滴生成装置设置于壳体内部，壳体与液压杆相连，壳体通过液压杆进行移动。壳体通过液压杆的推动进入到滴挂入口，在此处液滴输送系统上的碳化硅丝滴挂上液滴，进行液滴蒸发试验。滴液悬挂往往被设置在滴液挂入口内部，滴液挂入口通常设置在液滴蒸发试验装置的内部，但是，液滴蒸发试验装置内部温度高，导致滴液受到高温影响而导致滴液悬挂不稳定，因此，本发明将滴液悬挂设于一个壳体内部，通过液压杆推动该壳体进入到滴挂入口，与液滴输送系统中端部部件相接滴挂，这样避免滴液悬挂方案长时间处于设备内部可能被高温、高压等条件影响，以及增加设备复杂程度。本发明中的滴液悬挂方案中，极细玻璃管是通过缓冲架与壳体之间形成稳定连接，这样可以保证极细玻璃管在外部液压杆推动壳体的情况下，极细玻璃管无震动，特别是不会导致端部出液口的震动或断裂；其次，通过缓冲架、减震垫以及粘附层来实现与极细玻璃管的连接实现了极细玻璃管与
壳体的稳定连接，避免极细玻璃管运移等过程中水平度发生偏差，降低液滴的滴挂效果；最后，通过缓冲架、减震垫以及粘附层、壳体等可以再次降低设备内部的高温、高压环境对滴液悬挂方案的影响以及增加设备复杂程度。
20.本发明由于采用了高压定容弹、加热系统、液滴生成系统、输气系统和图像采集系统组成液滴蒸发试验装置，在液滴生成系统中，将液滴生成装置设置于壳体内部，壳体与液压杆相连，壳体通过液压杆进行移动。因而具有如下有益效果：可以向高温炉中引入微量惰性气体，实现改变滴液移动轨迹的效果，观察移动中的滴液的蒸发过程，通过辅助气管上控制阀是否同时开闭，可以实现对紊流下滴液的移动轨迹的观察，通过气流的大小，可以将滴液吹落到高温炉中，并在气流的作用下，实现不同的掉落状态，如使滴液以螺旋状态掉落到高温炉中，研究不同状态的滴液在高温炉内的蒸发反应。本发明的辅助输气管中设置有摆动条和摆动体，摆动条和摆动体的设置能够削减辅助输气管出气端口方向的惰性气体输出流速，以改变滴液位移速度产生的影响。本发明的辅助输气管中设置有摆动条和摆动体的设计可以避免滴液进入到辅助输气管内部；极细玻璃管是通过缓冲架与壳体之间形成稳定连接，这样可以保证极细玻璃管在外部液压杆推动壳体的情况下，极细玻璃管无震动，特别是不会导致端部出液口的震动或断裂；其次，通过缓冲架、减震垫以及粘附层来实现与极细玻璃管的连接实现了极细玻璃管与壳体的稳定连接，避免极细玻璃管运移等过程中水平度发生偏差，降低液滴的滴挂效果；最后，通过缓冲架、减震垫以及粘附层、壳体等可以再次降低设备内部的高温、高压环境对滴液悬挂方案的影响以及增加设备复杂程度。因此，本发明是可改变液滴移动轨迹、实现液滴不同掉落状态、不同气流变化、滴液位移速度变化、减少高温或高压影响、稳定性好、准确度高的高温炉以及应用该高温炉的液滴蒸发试验装置。
附图说明
21.图1为液滴蒸发试验装置示意图；图2为输气系统示意图；图3为辅助输气管示意图；图4为液滴生成系统示意图；图5为液滴生成装置示意图；图6为液滴生成装置中极细玻璃管装配示意图。
22.附图标号：10为高温炉；20为上高压热容弹，21为上高压热容弹弹体，22为安全阀，23为防护玻璃，24为显微镜头，25为高速相机，26为led背光灯，27为液滴传输管，30为输气系统，40为碳化硅丝，50为球阀，60为液滴输送系统，70为下定容弹，71为滴挂入口；27为液滴传输管，30为输气系统，31为输气环管，32为辅助输气管，33为控制阀，34为惰性气体传送管，35为泵体；32为辅助输气管，36为柔性连杆，37为摆动条，38为摆动体；71为滴挂入口，72为壳体，73为液压杆，74为滴挂口；72为壳体，75为滚珠，76为极细玻璃管，77为缓冲物，78为凸起；771为粘附层，772为减震垫，773为缓冲架。
23.应该注意的是，附图并未按比例绘制，并且出于说明目的，在整个附图中类似结构
或功能的元素通常用类似的附图标记来表示。还应该注意的是，附图只是为了便于描述优选实施例，而不是本发明本身。附图没有示出所描述的实施例的每个方面，并且不限制本发明的范围。
具体实施方式
24.以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：实施例1：一种高温炉，高温炉是圆柱状的。圆柱状高温炉的内径为80mm，高为250mm。
25.在高温炉的炉体前后有一对直径为50mm的石英玻璃观察窗，前面的窗口用于安放高速相机，背面的窗口放置led背光灯。在高温炉下方开有一直径为28mm的孔，用于液滴通过进入高温炉中蒸发。
26.整个高温炉由双层陶瓷材料外包304不锈钢制成，具有良好的隔热性能。在双层陶瓷中间缠绕加热丝，加热丝功率为2kw，在高温炉内部可以实现最高温度1000℃。在高温炉的上方设置一个热电偶，用于精确控制高温炉内部的温度。加热丝与温控仪相连，温控仪为可控硅式控制，通过pid调节可控硅导通角调节电热丝的电流大小。温度控制系统的控制中，首先设定目标温度，通过安装在高温炉内部的热电偶实时测量容弹内环境温度，并将温度反馈给温控仪，温控仪根据实时温度和目标温度的差值实时改变加热功率的大小，并通过安装在高温炉内的加热丝释放热量，以达到稳定的控制容弹内环境温度的目的。
27.实施例2：一种液滴蒸发试验装置，本实施的液滴蒸发试验装置由高压定容弹、加热系统、液滴生成系统和图像采集系统组成。
28.高压定容弹由上下两个组成，下定容弹用于放置液滴输送系统，即滚珠丝杆，上下定容弹独立冲压，压力相同后打开中间的球阀，让液滴进去高温炉中。高温高压定容弹体最高设计温度为1000℃，最高设计压力为5mpa。因此，弹体需要具有一定的热强度，但更重要的是需要具有足够的耐压强度和良好的密封性能。基于弹体耐压耐热的需求，本装置主体材料选用304不锈钢，304不锈钢具有加工性能好、耐腐蚀、综合性能良好的特征；此外，304不锈钢熔点为1398-1454℃，可在1000℃环境下长时间工作，屈服强度大于205mpa，适合本装置的应用需求。为了防止在较高的温度和压力环境下，试验液滴在蒸发的过程中发生自燃，用于提供高压环境的气体需为惰性气体。因此，本实施例中最高压力为10mpa，减压后最高压力为1.8mpa的高压氮气装置为定容弹提供高压惰性环境。为了尽量减少容弹内空气含量，在进行试验前，需先让氮气在定容弹中流通1min左右，尽可能稀释容弹内的空气。升压过程中，通过减压阀调节进气压力，进而完成定容弹升压。同时需要注意控制进气压力和定容弹内实际压力的压力差，防止进气过快。
29.加热系统包括实施例1的高温炉、温度控制器、加热丝和热电偶。高温炉是圆柱状的。圆柱状高温炉的内径为80mm，高为250mm。在高温炉的炉体前后有一对直径为50mm的石英玻璃观察窗，前面的窗口用于安放高速相机，背面的窗口放置led背光灯。在高温炉下方开有一直径为28mm的孔，用于液滴通过进入高温炉中蒸发。整个高温炉由双层陶瓷材料外包304不锈钢制成，具有良好的隔热性能。在双层陶瓷中间缠绕加热丝，加热丝功率为2kw，
在高温炉内部可以实现最高温度1000℃。在高温炉的上方设置一个热电偶，用于精确控制高温炉内部的温度。加热丝与温控仪相连，温控仪为可控硅式控制，通过pid调节可控硅导通角调节电热丝的电流大小。高温炉内加热丝的布置应尽量考虑能够产生均匀的温度场，同时加热丝应该避开石英玻璃视窗，防止阻碍图像采集。考虑到高温路与外界环境的散热条件，且需预留一定的加热功率余量，计算可得总加热功率约为3000w。装置中选用的热电偶传感器为k型热电偶，热电偶测点直径为0.5mm。温控仪选用可控硅式控制，通过pid调节可控硅导通角的大小来控制加热电路的电流大小，进而调节加热功率的大小。
30.数据采集系统包括高速相机、led背光灯、电脑。由于试验中的液滴较小，因此需要在高速相机前面加显微镜头。拍摄液滴蒸发时高速相机帧率1000fps，液滴燃烧中拍摄液滴时为10000fps。
31.液滴生成系统中，将一个液滴悬挂于悬丝上，并迅速移动到高温环境中，利用高速相机记录液滴得蒸发过程。该技术的优点是操作简便，可以记录液滴蒸发历程，缺点是悬挂的液滴直径不能太小，若液滴直径太小，悬丝对液滴蒸发的影响较大。根据以前的研究，当悬丝的直径在0.1-0.2 mm时，悬挂液滴的直径应0.6-1.3mm左右时，悬丝对液滴蒸发的影响可以忽略。常用的悬丝主要有碳化硅纤维丝，石英纤维丝，毛细玻璃管，陶瓷纤维和热电偶丝。本研究采用的石英丝直径0.1mm，液滴直径1mm左右，因此可以忽略悬丝对液滴蒸发的影响。设计的可同时悬挂多个液滴的液滴生成装置，即多液滴同步生成器。主要由微量注射泵、极细玻璃管组成。液滴生成装置设置于壳体内部，壳体与液压杆相连，壳体通过液压杆进行移动。壳体通过液压杆的推动进入到滴挂入口，在此处液滴输送系统上的碳化硅丝滴挂上液滴，进行液滴蒸发试验。以往的技术方案是将滴液悬挂方案设置在滴液入口内部，但是，内部有高温情况，不稳定，故通过设计将滴液悬挂方案设于一个壳体内部，通过液压杆推动该壳体进入到滴挂入口，与螺杆端部部件滴挂即可，这样避免滴液悬挂方案长时间处于设备内部可能被高温、高压等条件影响，以及增加设备复杂程度。下容弹体的滴挂入口与壳体移动的外部可以有密封措施，从而可以在高压环境下使用。
32.需要进一步描述的是：壳体72内部设有与极细玻璃管抵接且能够相对其滑移的缓冲物77，该缓冲物77具体方案为，环绕布设在极细玻璃管四周，且与壳体72内壁连接，该缓冲物具体组成为依次组合的粘附层771、减震垫772和缓冲架773，通过上述部件组成的缓冲物77对与其抵接的极细玻璃管在移动过程中，能够有效吸收极细玻璃管位移过程的震动能量，降低极细玻璃管震动或者端部晃动可能性。
33.设于壳体72两相对侧的缓冲物75能够相对壳体72滑移，具体为缓冲物77的缓冲架773底部向外连接有凸起78，该凸起78插接在壳体72内壁开槽内，且开槽内设有滚珠75，这样设于壳体72两相对侧的缓冲物75能在与极细玻璃管抵接的情况下，随极细玻璃管位移，确保其移动过程中的平稳性。
34.以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。