一种细管束表面超低温结霜控制方法及其装置与流程

本发明涉及一种细管束表面超低温结霜控制方法及其装置。

背景技术：

结霜现象普遍存在于建筑空调、冷冻冷藏和航天航空等领域，严重时会极大的影响系统的正常运行。例如，在空气源热泵系统中，当蒸发器表面温度降至0℃以下时，就会发生结霜，不但影响表面换热效率，而且还会因为霜层的增厚，减少空气流通面积，影响蒸发器的正常运行，严重时甚至会导致整个制冷系统瘫痪；在航空航天领域中，结霜现象的危害也不可忽视，如夜间起航的飞机，因为空气温度低，飞机机翼表面极易结霜，最终会加大飞机飞行的阻力，增加坠机的可能性；航天器的发射也受到结霜问题的困扰，火箭发射过程中，通讯卫星会因为结霜导致信号传输受阻，不能正常进入同步轨道。再者，航天火箭发射时液氢或是液氧的注射口，由于其与超低温液体持续接触，表面均会存在严重的结霜或是结冰现象，使得的部件无法正常工作。因而结霜问题一直是制冷空调、航空航天等领域所面临最棘手的问题之一，严重的情况下可能导致航天航空器发射失败的重大事故。

同样近些年来，英国反作用发动机公司(Reaction Engine Limited，REL)正在研制的“云霄塔”(Skylon)飞行器，采用复合预冷吸气式火箭发动机，该类型发动机是一种用冷氦对来流空气进行预冷的组合循环发动机，有望应用于可重复使用、水平起降、单级入轨飞行器的新型动力。这种发动机具有独特的热力学循环方式，循环中的主要换热器包括空气预冷器、氢-氦换热器、预燃室排气换热器。空气预冷器是该发动机最重要的部件，采用逆流换热方式，由30万根内径0.88mm、壁厚40μm的Inconel718镍铬合金制造，最大承压60MPa。冷氦在微管内流动，可将进气道捕获的1000℃热空气(流速400kg/s，Mach 5.0)，通过在薄壁管外绕流并与冷氦换热，在0.01s内降至-150℃。当飞行器在低于12km的高度，高超声速飞行时，预冷器需要在极短时间内(～0.01s)将高温空气(～1250K)深度冷却(～120K)，但当空气中的水蒸气接触到超低温预冷器细管时，会立刻结霜，引起主流压力损失增大和热交换量降低。扩大预冷器管路间距虽可控制压力损失的增大，但仍存在热交换性能下降和预冷器尺寸增加的问题，而且不均匀的霜层分布在风扇入口产生很大的变形，使风扇效率及喘振余量降低，严重影响了发动机的性能。为了保证组合发动机吸气模式下的性能，需要有效控制空气冷却过程中预冷器的结霜现象，结霜问题是深度预冷技术的核心。针对空气深度预冷过程中产生的结霜问题，如何减少微管表面的结霜量成为最关键的技术。

为了很好的解决结霜问题，首先要了解不同温度下的表面结霜机理、表面结霜行为的观察等问题。设计和搭建-150℃超低温条件下微管表面结霜行为观察和数据采集的平台成为最先要解决的问题。但目前存在的低温结霜测试设备大多以半导体制冷片来制冷，不仅制冷的速度较慢，而且有的设备最多只能达到零下-30℃，越来越不能满足我们测试的要求。尤其是对于超低温条件下甚至温度低于-150℃的结霜的研究测试，现有的制冷台已经完全不能胜任。同样现在的结霜测试设备多针对的是平板状的样品，而对于管状的试样，尤其是很细的、直径小到1mm微管状的样品的结霜设备还未有人涉及。

技术实现要素：

本发明本发明涉及一种细管束表面超低温结霜控制方法及其装置，设备设计简单、操作方便、可实现微管表面结霜过程的可控调节。

本发明的技术方案为：一种细管束表面超低温结霜控制装置，所述的细管束结霜装置主体分别与超低温控制装置、蒸汽发生装置、抽真空装置、数据采集处理装置连接；所述的细管束结霜装置主体包括箱体和固定在箱体内的细管束体；所述的细管束体为若干细金属管同向排列而成，金属管的表面经过超疏水处理，所述的细管束体一头与超低温控制装置的冷媒管道出口连接，另一头与尾气处理装置连接，所述箱体内设有风速、温湿度传感器，所述箱体顶部设有加压蒸汽进口，底部设有排水口。

所述超低温控制装置包括液氮杜瓦、高纯氮气瓶、冷媒混合控温装置，冷媒混合控温装置分别与液氮杜瓦、高纯氮气瓶、细管束体连接，冷媒混合控温装置上还设有温度传感器。

所述细金属管外径0.8～5mm，壁厚0.1～0.5mm，细金属管的间距0.8-5mm，材质为高温镍合金或304不锈钢，超疏水处理为有机硅树脂、氟树脂或超疏水涂层处理。

所述的蒸汽发生装置包括蒸汽发生器和增压器，所述的蒸汽发生器由超声波雾化片和密闭箱体组成，箱体内盛有待观察液体。

所述数据采集处理装置包括体式显微镜、高速相机、红外热像仪和处理器。

所述加压蒸汽进口为扁平状，向下倾斜45°。

冷媒输送管道均采用聚四氟乙烯管。

所述有机硅树脂是指聚硅氧烷、硫化硅橡胶中的任意一种，氟树脂是指聚四氟乙烯、氟烯烃和乙烯基醚共聚树脂中的任意一种，超疏水涂层是由疏水性纳米颗粒喷涂或浸渍提拉方式制备而成。

应用所述的细管束表面超低温结霜控制装置的方法，步骤为：

第一步，将细管束体干燥后装入装置中，将各装置连接好；

第二步，抽真空，到设定真空度后关闭，通过调节液氮和氮气的比例控制进入细管束体内的混合冷媒的温度；

第三步，通过调节蒸汽流速、蒸汽发生器的蒸汽产生量控制细管束结霜装置主体内的湿度；

第四步，通过数据采集处理装置观察、记录和分析细管束体的表面抗结霜性能；

第五步，试验结束关闭装置。

所述蒸汽包括水、醇类、酮类、醚类、氯氟烃、氢氟氯烃、氢氟烃、氢氟醚中的一种或多种的混合蒸汽。

有益效果：

(1)本发明提出的技术可实现细管束表面超低温度精确控制，细管束表面温度可在-50～-190℃之间精确控制，温差小于±5℃。更换冷媒还可实现更低温度的控制。

(2)本发明提出的技术可根据实际需要营造不同环境，相对湿度、介质及其流速均可控制，相对湿度可在10～100％之间调控，介质可以是空气、水蒸气、醇类、醚类、酮类或烷烃类及其衍生物的蒸气，也可以是这些介质的混合蒸气，流速可在1～50m/s区间调节。

(3)本发明提出的细管束表面细管束表面具有抗结霜性能，经有机硅、氟树脂或超疏水涂层处理，可显著降低表面对水、霜的粘附性，在高压气体冲击时，可将冷凝水或霜吹落，提高抗结霜性能，避免堵塞细管间的气流通道，保障细管换热器的正常运行。

(4)本发明提出的技术方法简单易行，装置设计紧凑简洁，操作简便。

(5)本发明提出的技术和装置，配有观测和数据采集系统，可实时检测测试过程中冷媒温度、蒸气湿度、流速、细管表面温度等重要的特征参数，并能实时调控和采集结霜行为图像。

(6)本发明提出的细管束表面超低温结霜控制方法，可为在液氢、液氧、液氦等其它超低温条件工作的零部件和装置的抗结冰，提供新思路，在空气深预冷换热器、火箭燃料注射口、低温液体运输和输送装置等领域存在重要的应用前景。

附图说明：

图1为一种细管束表面超低温结霜控制装置的原理图。

1为高纯氮气，2为液氮杜瓦，3为冷媒混合控温装置，4为蒸汽发生器，5为数据采集处理装置，6为细管束体，7为观察室主体，8为尾气处理装置，9为温度传感器，10为风速传感器，11为湿度传感器，12为电机。

图2为设备中观察室的二维原理图。

1为输液管，2为有机玻璃，3为排液口，4石英玻璃，5为微管束，6为套管，7为抽真空口，8为加压蒸汽进口

具体实施方式

一种细管束表面超低温结霜控制方法及其装置，所述控制方法一方面是指细管束表面温度可在-50～-190℃之间精确控制，温差小于±5℃，另一方面是指细管束表面具有抗结霜性能，所述装置由超低温控制系统、细管束及其连接系统、环境控制系统、观察和数据采集系统构成。

所述超低温控制系统由液氮杜瓦、高纯氮气瓶、冷媒混合控温装置和排空装置构成，冷媒混合控温装置采用304不锈钢材料加工而成，共开有四个圆形通孔，其中一个是高纯氮气入口，一个是液氮入口，一个是混合冷媒出口，最后一个孔则连接温度传感器，用于探测出口冷媒的温度，以液氮作为冷源，利用高纯氮气对冲混合，通过氮气流量大小控制混合冷媒温度和压力，尾气排空装置是在系统末端，在混合冷媒管道外侧加装加热装置，或采用多根不锈钢小管并排焊接到尾气出口管道上，增加换热效率，将冷媒加热至-30℃～室温后排空，防止过低温度尾气可能造成的伤害。

所述细管束及其连接系统由外径0.8～5mm，壁厚0.1～0.5mm，间距0.8-5mm的细金属管同向排列而成的细管束，材质为高温镍合金或304不锈钢，表面经有机硅树脂、氟碳树脂或超疏水涂层处理，细管束两端采用钎焊技术，固定到开有通孔的套管内，再利用卡套固定，实现与冷媒管道的连接。细金属管根数为1～5000根，可根据要求采用模块化制备，再拼接联通到一起。

所述环境控制系统由蒸汽发生装置、增压装置、真空泵和有机玻璃腔体构成，蒸汽发生装置由超声波雾化片和密闭箱体组成，箱体内填充水、醇类、酮类、醚类、氯氟烃、氢氟氯烃、氢氟烃、氢氟醚或其它烷烃内液体，或其二种及以上的混合物，超声雾化后，增压装置将蒸汽吸入、增压并输送至所述的有机玻璃腔体内，通过调节密闭箱体上表面开孔大小进一步控制蒸汽流速，通过超声功率和混合物中液体介质配比，控制有机玻璃腔体内湿度和蒸汽介质。

所述观察和数据采集系统包括体式显微镜、高速相机、红外热像仪以及温度、风速和湿度检测装置，通过数据采集仪和电脑采集图片和数据。

所述有机玻璃腔体侧面中心区域是由石英玻璃构成的观察窗，其余位置由多块有机玻璃拼接，并用螺栓紧固而成，可自由拆卸，高速蒸汽流喷嘴为扁平状，向下倾斜45°，以提高喷射均匀性，并防止蒸汽直接喷射在石英玻璃观察窗，以免造成结露，影响观测和图像采集。

所述有机玻璃腔体总体是密封的，留有一个排水口和抽真空接口，排水口蒸汽冷凝液体的排出，真空接口外接真空泵，用于测试前抽出腔体内空气，消除调温期间细管表面冷凝和结霜对测试过程的干扰。

所述的所有装置的冷媒输送管道，均采用聚四氟乙烯管。

所述有机硅树脂是指聚硅氧烷、硫化硅橡胶中的任意一种，氟树脂是指聚四氟乙烯、氟烯烃和乙烯基醚共聚树脂中的任意一种，超疏水涂层是由疏水性纳米颗粒喷涂而成。

所述的抗结霜性能是指霜层生长速度缓慢，密度高，在高压气流冲击时，可被吹落，避免堵塞细管间的气流通道，保证在超低温条件下基本不结霜。

实施例1

1)表面涂覆一层氟碳树脂的细管束体，放在80℃烘箱中24h后，装入观察室内，然后依次连接好其他设备。

2)打开观察室内的抽真空电机，抽到所需真空度后断开开关。

3)然后打开液氮杜瓦的和氮气阀门，通过流量表检测液氮和氮气的流量，液氮经输送管道进入冷媒混合器中，以液氮为冷源，利用进入冷媒混合器中的高纯氮气在冷媒混合器中对冲混合，通过氮气流量大小控制混合冷媒温度和压力，气化的氮气经排气口排出，利用温度传感器检测出口端的温度，持续1-2min。尾气排出时可以采用在混合冷媒管道外侧加装加热装置，或采用多根不锈钢小管并排焊接到尾气出口管道上，增加换热效率，将冷媒加热至-30℃～室温后排空，防止过低温度尾气可能造成的伤害。冷媒也可以采用其他合适的冷媒，只要能够便于控制箱体内达到试验温度即可。

4)然后打开蒸汽发生装置和增压装置，打开速度传感器、湿度传感器、温度传感器，打开结霜过程的图像采集装置，等到温度传感器温度检测到的温度到达-150℃后，立即打开进气阀门。图像采集可以通过在细管束结霜装置主体的箱体上设置透明观察窗，然后将图像采集装置布置在观察窗外采集，也可以视技术将数据采集装置布置在箱体内采集，然后通过处理器处理得到的数据、图像。

5)结霜过程图像的采集，同时实时记录细管束体两端温度传感器的温度示数，同时记录速度传感器、湿度传感器的示数。

6)结霜过程完成，先关闭液氮杜瓦的阀门，然后关闭其他阀门即可。

实施例2

1)微管表面的涂覆一层有机硅树脂，放在80℃烘箱中24h后，装入观察室内特定位置上，然后依次连接好其他设备。

2)打开观察室内的抽真空电机，抽到所需真空度后断开开关。

3)然后打开液氮杜瓦的液氮阀门和高纯氮气的氮气阀门，通过流量表检测各自的流量，液氮和氮气经输送管道进入冷媒混合其中，在冷媒混合器中充分混合后，混合气体经排气口排出，利用温度传感器检测出口端的温度，持续30s，通过流量的大小控制输出的温度。

4)然后打开蒸汽发生装置和增压装置，打开速度传感器、湿度传感器、温度传感器，打开结霜过程的图像采集装置，等到温度传感器温度检测到的温度到达所需的温度后，立即打开进气阀门。

5)结霜过程图像的采集，同时实时记录微管两端温度传感器的温度示数，同时记录速度传感器、湿度传感器的示数。

6)结霜过程完成，先关闭液氮杜瓦的阀门，然后关闭其他阀门即可。

实施例3

1)微管表面用浸渍提拉法制备超疏水涂层，放在80℃烘箱中2h后，装入观察室内特定位置上，然后依次连接好其他设备。

2)打开观察室内的抽真空电机，抽到所需真空度后断开开关。

3)然后打开液氮杜瓦的液氮阀门，通过流量表检测液氮的流量，液氮经输送管道进入冷媒混合其中，气化的氮气经排气口排出，利用温度传感器3检测出口端的温度，持续1-2min。

4)然后打开蒸汽发生装置和增压装置，打开速度传感器、湿度传感器、温度传感器，打开结霜过程的图像采集装置，等到温度传感器温度检测到的温度到达-150℃后，立即打开进气阀门。

5)结霜过程图像的采集，同时实时记录微管两端温度传感器的温度示数，同时记录速度传感器、湿度传感器的示数。

6)结霜过程完成，先关闭液氮杜瓦的阀门，然后关闭其他阀门即可。

实施例4

一种细管束表面超低温结霜控制装置，所述的细管束结霜装置主体分别与超低温控制装置、蒸汽发生装置、抽真空装置、数据采集处理装置连接；所述的细管束结霜装置主体包括箱体和固定在箱体内的细管束体；所述的细管束体为若干细金属管同向排列而成的细管束外设套管，金属管的表面经过超疏水处理，所述的细管束体一头与超低温控制装置的冷媒管道出口连接，另一头与尾气处理装置连接，所述箱体内设有风速、温湿度传感器，所述箱体顶部设有加压蒸汽进口，底部设有排水口。

所述超低温控制装置包括液氮杜瓦、高纯氮气瓶、冷媒混合控温装置，冷媒混合控温装置分别与液氮杜瓦、高纯氮气瓶、细管束体连接，冷媒混合控温装置上还设有温度传感器。冷媒混合控温装置可以采用304不锈钢材料加工而成，上设高纯氮气入口、液氮入口、混合冷媒出口，并与温度传感器连接。混合冷媒出口分别与细管束体混合冷媒进口与尾气排气装置连接。尾气排气装置可以采用在混合冷媒出口管道外侧加装加热装置，或采用多根不锈钢小管并排焊接到尾气出口管道上，增加换热效率，将冷媒加热至-30℃～室温后排空，防止过低温度尾气可能造成的伤害。液氮杜瓦和高纯氮气瓶与冷媒混合控温装置之间的连接管道上皆设有阀门和流量表以方便控制两者的流量用于调节冷媒混合器中的氮气与液氮的比例，控制冷媒混合物的温度。冷媒混合控温器与细管束体之间也设有阀门来调节进入细管束体的混合冷媒的流量进而控制结霜速度。

所述细管束体由外径0.8～5mm，壁厚0.1～0.5mm，间距0.8-5mm的细金属管同向排列而成的细管束，材质为高温镍合金或304不锈钢，表面经有机硅树脂、氟碳树脂或超疏水涂层处理，细管束两端采用钎焊或其他技术，固定到开有通孔的套管内，再利用卡套固定，实现与混合冷媒管道的连接。细金属管根数为1～5000根，可根据要求采用模块化制备，再拼接联通到一起。

所述的蒸汽发生装置包括蒸汽发生器和增压器，所述的蒸汽发生器由超声波雾化片和密闭箱体组成，箱体内盛有待观察液体。所述加压蒸汽进口为扁平状，伸入细管束结霜装置主体箱体内向下倾斜45°，以提高喷射均匀性，并防止蒸汽直接喷射在石英玻璃观察窗，以免造成结露，影响观测和图像采集。待观察液体可以为水、醇类、酮类、醚类、氯氟烃、氢氟氯烃、氢氟烃、氢氟醚或其它烷烃内液体，或其二种及以上的混合物，超声雾化后，增压装置风机将蒸汽吸入、增压并输送至细管束结霜装置主体箱体内，通过调节蒸汽发生器箱体上表面开孔大小进一步控制蒸汽流速，通过超声功率和混合物中液体介质配比，控制进入细管束结霜装置主体箱体内湿度和蒸汽介质。

冷媒输送管道均采用聚四氟乙烯管。

所述有机硅树脂是指聚硅氧烷、硫化硅橡胶中的任意一种，氟树脂是指聚四氟乙烯、氟烯烃和乙烯基醚共聚树脂中的任意一种，超疏水涂层是由疏水性纳米颗粒喷涂而成。

所述的细管束体主体箱体可以采用有机玻璃或其他刚性材质制作，可以为整体结构也可以采用多块板拼接，以螺栓固定而成，拼接则可以自由拆卸。箱体上侧面中心区域可以设有石英玻璃构成的透明观察窗，以便高速数码相机采集细管束表面结霜情况。箱体总体是密封的，留有一个排水口和抽真空接口，排水口蒸汽冷凝液体的排出，真空接口外接真空泵，用于测试前抽出腔体内空气，消除调温期间细管表面冷凝和结霜对测试过程的干扰。