一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于浸润性测量技术领域，具体涉及一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法。
【背景技术】
[0002]浸润性(又称润湿性)是固体表面的一个重要特性。通常浸润是指固体表面上的气体被液体取代，使得原来的固-气界面被固-液界面代替的过程。浸润现象及应用随处可见。在自然界中，液体对动植物机体的润湿作用，保证了生命活动的顺利进行；土壤的浸润性与土壤侵蚀、泥石流现象有很大关系。在工农业生产中，农药溶液在作物表面浸润性良好，有益于农药的附着，减少损失，提高药效；利用矿物表面浸润性的不同，可以使用浮选法进行矿物分离；采用低浸润性管道可以有效防止石油开采中出现的粘附与粘结现象；其他如造纸、制造摄像机胶片、油漆性能、印刷、防水、防雾、防腐、防污等工业过程也都与浸润性有着密切的关系。在日常生活中，润滑油因为良好的浸润性与伸展性才具有润滑作用；在水中掺入洗涤剂使得油脂在餐具表面浸润性降低，便于洗涤餐具。另外，低浸润性的医用聚合物植入材料具有良好的防垢和抗菌性能。
[0003]浸润对能源化工相变传热同样具有重要影响，例如难浸润的表面易发生滴状冷凝，而滴状冷凝传热远高于膜状冷凝；易被液体浸润的表面可有效防止加热壁面在高热流负荷下烧毁。对于水等常规工质，其在固体表面的浸润性常用接触角表征，可通过接触角仪直接测量。然而随着能源深度利用及能源开发，适应于低温余热、太阳能的R245fa等有机工质已成为主流。有机工质在常温常压下易蒸发，不利于接触角测量；通常使用毛细高度法、平行平板法等对其浸润性进行表征，且表征时需在高压环境下进行。目前适合这类低沸点工质浸润性测量的装置不多，而且价格昂贵。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种固体表面低沸点工质浸润性测试装置和方法，具体技术方案如下:
[0005]—种固体表面低沸点工质浸润性测试装置，所述装置中，高压气罐4、减压阀3、储液管充气阀2和储液管放气阀1依次相连；
[0006]储液管9、电磁阀13和针头20依次相连，构成液滴发生装置；其中，储液管9与储液管压力计6、热电偶5、冷却套管8连接，针头20伸入可视盅23内，电磁阀13通过时间继电器12进行控制；针头20上通过螺纹与进液管连接，可拆卸，针头粗细可以根据需求替换。
[0007]可视盅23通过上密封法兰19和下密封法兰25实现密封；上密封法兰19上焊接有玻璃视窗14，以便从上方观察或拍摄液体与测试样本22的接触情况。连接玻璃视窗14与上密封法兰19的不锈钢短管上有三个直径6mm且相互间成120度的孔，焊接上直径6mm的卡套管分别作为进液管16，进气管17和排气管18 ;
[0008]可视盅23外部还接有可视盅充气阀10，可视盅放气阀15和可视盅压力计11 ;进气管17与可视盅充气阀10相连，排气管18与可视盅放气阀15，可视盅压力计11依次相连；
[0009]可视盅充气阀10与电加热7相连；
[0010]可视盅23内放置的载物台24与传动装置26相连；
[0011]所述装置中还包括灯源27和高速摄像机28。
[0012]进一步地，所述可视盅23材料为透明石英玻璃。
[0013]进一步地，所述传动装置26采用针阀柄，密封的同时实现对载物台24的传动。
[0014]进一步地，可视盅23的密封方式为:
[0015]可视盅23两端为中心掏有正方形孔的可视盅凸台34，中间为中空正方形柱；可视忠凸台34与中空正方形柱通过玻璃烧制连成一体，形成可视忠23 ；
[0016]使用法兰对可视盅23上下端进行密封，上密封法兰19的密封方式为:上密封法兰顶盖29具有环形凸起，上密封法兰底盖33具有环形的凹槽，依次在上密封法兰底盖33凹槽内放置下0型圈32、梯形不锈钢圈31和上0型圈30，然后将在法兰上均匀分布的螺栓拧上，通过上密封法兰底盖33环形凹槽对0型圈的挤压，以及梯形不锈钢圈31的引导作用，使得0型圈向内挤压，紧贴可视盅凸台34的壁面，达到密封的目的；
[0017]所述梯形不锈钢圈31截面成梯形，短底边朝向环形内侧；
[0018]下密封法兰25的密封方式与上密封法兰19相同。
[0019]进一步地，玻璃视窗14的密封方式为:玻璃视窗14由玻璃视窗筒体39、圆形玻璃镜36、玻璃视窗盖35及密封圈37构成；在玻璃视窗筒体39上放置密封圈37和圆形玻璃镜36，玻璃视窗盖35与玻璃视窗筒体39上有相互配合的螺纹，在玻璃视窗筒体39上拧上玻璃视窗盖35即可达到密封效果。
[0020]如上所述的装置进行固体表面低沸点工质浸润性测试的方法，具体步骤如下:
[0021]a.储液管9抽真空和注液:
[0022]打开储液管放气阀1，关闭其他阀门，连接真空栗与储液管放气阀1进行抽真空；关闭储液管放气阀1，连接储液管放气阀1与有机工质罐，打开储液管放气阀1，关闭其他阀门，实现储液管9的注液；
[0023]b.调节储液管9与可视盅23的内压差:
[0024]打开储液管充气阀2、减压阀3，关闭其他阀门，使高压气罐4内的气体进入储液管9的空腔，从而使得储液管9内压力增大；打开减压阀3、可视盅充气阀10，实现可视盅23内增压；此外，打开储液管放气阀1、关闭其他阀门，可降低储液管9内压力；打开可视盅放气阀15、关闭其他阀门，可降低可视盅23内压力；通过一系列调节，使得储液管9内压力略大于可视盅23内压力；
[0025]c.向可视盅23内注入液体工质:
[0026]通过设定时间继电器12，控制电磁阀13的打开时间；由于储液管9内和可视盅23内存在压差，当电磁阀13打开时，液体工质通过针头20进入可视盅23，在针头20上形成液滴21 ;旋转传动装置26使得载物台24和测试样本22向上传动，直到测试样本22接触液滴21 ;
[0027]d.测量浸润性:
[0028]测试样本22接触液滴21后，使用高速摄像机28拍摄，得出液体工质在测试样本22表面的浸润性。
[0029]进一步地，所述步骤d中，当测试样本22接触液滴21时，若液滴21在测试样本22表面形成液滴，则使用高速摄像机28从侧面对固液接触处进行拍摄，测得接触角的大小，从而得出液体工质在测试样本22表面的浸润性；若液滴21在测试样本22表面铺展开来，则可使用高速摄像机28从上方进行拍摄，得到液体工质的铺展速度，从而得出液体工质在测试样本22表面的浸润性。
[0030]进一步地，所述储液管23内液体工质的温度通过恒温槽提供的水在冷却套筒8内循环保持恒定。
[0031]进一步地，所述电磁阀13处于常闭状态，向可视盅23内注入液体工质时，电磁阀13开启一定时间后关闭，管内流通一定量的液体，从而控制针头20形成液滴21的大小；所述电磁阀13开启时间由与电磁阀13相连的时间继电器12设定并控制。
[0032]进一步地，所述可视盅23内预充入气体，防止低沸点工质在测试过程中蒸发，并为液滴21在测试样本22上的浸润行为拍摄提供全透明视窗；
[0033]预充气体为化学性质稳定的气体，其压力通过储液管放气阀1、可视盅放气阀15、储液管充气阀2及可视盅充气阀10的通断保持在设定值；所述预充气体通过电加热7升温，从而调节可视盅23的内部温度。
[0034]本发明的有益效果为:
[0035]本发明通过简单的机械结构配合和电子元件的精准控制，解决了低沸点有机工质浸润性难以测量、测量成本高的问题，实现了对中低压沸点液体浸润性的测量，同时具有结构简单、操作方便、可视化、成本低廉、精度高等优点。
【附图说明】
[0036]图1为本发明固体表面低沸点工质浸润性测试装置示意图。
[0037]图2为本发明法兰密封爆炸装配图。
[0038]图3为本发明玻璃视窗爆炸装配图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
[0040]图1为本发明固体表面低沸点工质浸润性测试装置示意图。
[0041]图中各标号的具体含义如下:1.储液管放气阀，2.储液管充气阀，3.减压阀，4.高压气罐，5.热电偶，6.储液管压力计，7.电加热，8.冷却套管，9.储液管，10.可视盅充气阀，11.可视盅压力计，12.时间继电器，13.电磁阀，14.玻璃视窗，15.可视盅放气阀，16.进液管，17.进气管，18.排气管，19.上密封法兰，20.针头，22.测试样本，23.可视盅，24.载物台，25.下密封法兰，26.传动装置，27.灯源，28.高速摄像机。
[0042]所述装置中，高压气罐4、减压阀3、储液管充气阀2和储液管放气阀1依次相连；储液管9、电磁阀13和针头20依次相连，构成液滴发生装置；其中，储液管9与储液管压力计6、热电偶5、冷却套管8连接，针头20伸入可视盅23内，电磁阀13通过时间继电器12进行控制；针头20上通过螺纹与进液管连接，可拆卸，针头粗细可以根据需求替换。
[0043]可视盅23通过上密封法兰19和下密封法兰25实现密封；上密封法兰19上焊接有玻璃视窗14，以便从上方观察或拍摄液体与测试样本22的接触情况。连接玻璃视窗14与上密封法兰19的不锈钢短管上有三个直径6mm且相互间成120度的孔，焊接上直径6mm的卡套管分别作为进液管16，进气管17和排气管18 ;
[0044]可视盅23外部还接有可视盅充气阀10，可视盅放气阀15和可视盅压力计11 ;进气管17与可视盅充气阀10相连，排气管18与可视盅放气阀15，可视盅压力计11依次相连；可视盅充气阀10与电加热7相连；可视盅23内放置的载物台24与传动装置26相连；所述装置中还包括灯源27和高速摄像机28。
[0045]可视盅23材料为透明石英玻璃。传动装置26采用针阀柄，密封的同时实现对载物台24的传动。
[0046]由于低沸点有机工质在常温常压下中极易汽化，所以整套装置在一定压力下的密封性尤为重要。本发明的主要密封为可视盅23的法兰密封和玻璃视窗14螺纹挤压密封。
[0047]图2为本发明法兰密封爆炸装配图。
[0048]图中各标号的具体含义如下:29.上密封法兰顶盖，30.上0型圈，31梯形不锈钢圈，32.下0型圈，