纳米尺度气体流动规律实验系统及实验方法与流程

文档序号:12449736阅读:来源:国知局

技术特征:

1.纳米尺度气体流动规律实验系统,其特征在于:包括置于恒温箱内的夹持器、压力控制系统、抽真空系统、压力压差测量系统、稳压系统、流量测量系统和数据采集控制系统;

所述夹持器包括左罐体和右罐体,左罐体的右端沿径向凸起设有左连接盘,右罐体的右端沿径向凸起设有右连接盘,左连接盘和右连接盘通过螺栓可拆卸压接在一起;左连接盘的右端面上开设有左卡槽,右连接盘的左端面上开设有右卡槽,左卡槽和右卡槽相对应并组成孔板卡槽;孔板卡槽内卡接有孔板结构;

孔板结构包括卡接配合的左孔板和右孔板,左孔板和右孔板的径向外端部卡接在孔板卡槽内,左孔板和右孔板的中部对应开设有气孔,左孔板上的气孔和右孔板上的气孔对应连通并左右贯通左孔板和右孔板;左孔板和右孔板之间压接有由阳极氧化铝薄膜制成的圆形试样;孔板结构将夹持器的内腔分为左腔体和右腔体;

所述压力控制系统包括入口压力控制单元和出口压力控制单元;入口压力控制单元包括用于储存天然气的高压气瓶、减压阀、入口压力表和入口调速阀;以气流方向为前向,高压气瓶的出口通过管路由后向前依次连接所述减压阀、入口压力表和入口调速阀;

出口压力控制单元包括由后向前依次通过管路相连接的压力真空表、出口调速阀和第一手动阀;

抽真空系统包括真空泵,真空泵的吸入口连接有抽真空管路,抽真空管路上设有第二手动阀;

压力压差测量系统包括精密压力传感器和压差传感器,压差传感器的一端通过测量管与所述左腔体相连通,压差传感器的另一端通过测量管与所述右腔体相连通;

流量测量系统包括并联连接的第一支路、第二支路和第三支路;第一支路上串联连接有第一电磁阀和量程为0~100SCCM的第一质量流量计,第二支路上串联连接有第二电磁阀和量程为0~500SCCM的第二质量流量计,第三支路上串联连接有第三电磁阀和量程为0~5000SCCM的第三质量流量计;

稳压系统包括压力缓冲罐和稳压容器,压力缓冲罐通过连通管连接稳压容器,稳压容器连接有用于排空负压的第四电磁阀,压力缓冲罐上设有第一压力传感器和温度传感器;

数据采集控制系统包括计算机和与计算机相连接的信号线路;

所述夹持器的左腔体连通有进气管,进气管连接所述入口调速阀,进气管上串联连接有第一三通阀,第一三通阀的第三个接口连接所述精密压力传感器,所述精密压力传感器、压差传感器、第一至第四电磁阀、第一至第三质量流量计、第一压力传感器和温度传感器分别通过所述信号线路连接所述计算机;

所述夹持器的右腔体连通有出气管,出气管连接所述出口压力控制单元的压力真空表;所述出气管上设有第二三通阀,第二三通阀的第三个接口连接所述抽真空管路;

所述流量测量系统与出口压力控制单元之间设有第一四通阀,所述流量测量系统的气体流出端设有第二四通阀;

以气流方向为前向,所述第一支路、第二支路和第三支路的后端分别连接所述第一四通阀的一个接口,第一四通阀的第四个接口连接所述出口压力控制单元的管路的前端;

所述第一支路、第二支路和第三支路的前端分别连接所述第二四通阀的一个接口,第二四通阀的第四个接口连接有第三三通阀,第三三通阀的另外两个接口分别连接排空管和稳压进气管,排空管上设有第三手动阀;稳压进气管连接所述压力缓冲罐,稳压进气管上设有第四手动阀。

2.根据权利要求1所述的纳米尺度气体流动规律实验系统,其特征在于:所述左孔板和右孔板的径向外端部之间通过螺栓压接在一起;所述左孔板的中部向右凸起设有卡台,所述右孔板的中部设有与所述卡台相适配的凹槽,卡台卡入所述凹槽,且所述试样压接在卡台与凹槽的槽底之间。

3.根据权利要求1或2所述的纳米尺度气体流动规律实验系统,其特征在于:所述连通管上设有第五手动阀;压力缓冲罐容积大于等于5升,稳压容器的容积大于等于15升。

4.根据权利要求1或2所述的纳米尺度气体流动规律实验系统,其特征在于:所述卡台径向外侧的左孔板的左侧表面开设有环形的左密封槽,左密封槽与左连接盘围成的环形空间内压设有左密封圈;

所述凹槽径向外侧的右孔板的左侧表面设有中间密封槽,左孔板与中间密封槽围成的环形空间内压设有中间密封圈;

所述凹槽径向外侧的右孔板的右侧表面设有右密封槽,右连接盘与中间密封槽围成的环形空间内压设有右密封圈。

5.使用权利要求3中所述纳米尺度气体流动规律实验系统进行常压实验的方法,其特征在于依次按以下步骤进行:

第一步骤是装样连接步骤,首先关闭所有阀门,将圆形试样装入夹持器的左孔板和右孔板之间,通过螺栓将左孔板和右孔板压接在一起,将左孔板和右孔板组成的孔板结构装入孔板卡槽,然后通过螺栓将左罐体和右罐体压接在一起,再将进气管和出气管分别连接在夹持器的左右两端,并确保连接处密封良好;

第二步骤是抽真空步骤;首先打开入口调速阀、出口调速阀、第一手动阀、第二手动阀以及第一至第三电磁阀,启动真空泵对系统进行脱气处理,根据压力真空表的读数判断是否达到实验的真空度要求,当压力真空表的读数为0时,关闭入口调速阀、出口调速阀、第一手动阀、第二手动阀以及第一至第三电磁阀,并关闭真空泵;

第三步骤是调温步骤;调节恒温箱的温度,将温度调节至实验设定的范围,确保实验系统处于恒温状态;

第四步骤是通气步骤;打开减压阀、第三手动阀、第一手动阀和出口调速阀,根据精密压力传感器的示数调节入口调速阀,将夹持器的进气压力调节至实验设定的数值;高压气瓶内的气体通过进气管进入夹持器的左腔体,然后依次通过左孔板、试样和右腔体,由出气管流出夹持器;

第五步骤是计量步骤;根据试验的设计要求调节出口调速阀从而将试样两侧的气体压差调节至预定值,计算机持续采集并记录精密压力传感器传送的压力数据以及压差传感器传送的压差数据;

根据气体流量的大小,量程大于气体实际流量且量程与气体实际流量最为接近的质量流量计为最匹配质量流量计,打开最匹配质量流量计所在支路上的电磁阀,从而通过第一或第二或第三质量流量计精确测定常压条件以及特定压差条件下的气体质量流量,气体通过流量测量系统后通过第三三通阀和排空管以及第三手动阀后排出;计算机持续采集并记录质量流量计传送的气体流量数据;待气体流量稳定不变后,计算机记录稳流状态下的压力数据、压差数据和气体流量数据,完成一次常压特定压差下的实验;

重复进行第五步骤并在每次进行第五步骤时,通过调节出口调速阀从而将试样两侧的气体压差调节至不同的预定值,完成常压不同压差状态下纳米尺度气体流动规律实验;

实验完成后,以气流的方向为前向,由后向前依次关闭所有阀门,完成一次完整的试样实验;

第六步骤是更换具有不同大小孔径的试样,重复第一至第五步骤,完成不同孔隙条件下的纳米尺度气体流动规律实验。

6.使用权利要求3中所述纳米尺度气体流动规律实验系统进行负压实验的方法,其特征在于依次按以下步骤进行:

第一步骤是装样连接步骤,首先关闭所有阀门,将圆形试样装入夹持器的左孔板和右孔板之间,通过螺栓将左孔板和右孔板压接在一起,将左孔板和右孔板组成的孔板结构装入孔板卡槽,然后通过螺栓将左罐体和右罐体压接在一起,再将进气管和出气管分别连接在夹持器的左右两端,并确保连接处密封良好;

第二步骤是抽真空步骤;首先打开入口调速阀、出口调速阀、第一手动阀、第二手动阀、第一至第三电磁阀、第四手动阀和第五手动阀,启动真空泵对系统进行脱气处理,根据压力真空表的读数判断是否达到实验的真空度要求,当压力真空表的读数达到预设的负压时,关闭入口调速阀、出口调速阀、第一手动阀、第二手动阀、第四手动阀、第五手动阀以及第一至第三电磁阀;关闭真空泵;

第三步骤是调温步骤;调节恒温箱的温度,将温度调节至实验设定的范围,确保实验系统处于恒温状态;

第四步骤是通气步骤;打开减压阀,根据精密压力传感器的示数调节入口调速阀,将夹持器的进气压力调节至实验设定的范围,高压气瓶内的气体通过进气管进入夹持器的左腔体,然后依次通过左孔板、试样和右腔体,由出气管流出夹持器;

第五步骤是计量步骤;根据试验的设计要求调节出口调速阀从而将试样两侧的气体压差调节至预定值,计算机持续采集并记录精密压力传感器传送的进口处压力数据以及压差传感器传送的压差数据;

打开第一手动阀、第四手动阀和第五手动阀,根据气体流量的大小,量程大于气体实际流量且量程与气体实际流量最为接近的质量流量计为最匹配质量流量计,打开最匹配质量流量计所在支路上的电磁阀,从而通过第一或第二或第三质量流量计精确测定负压条件以及特定压差条件下的气体质量流量,气体通过流量测量系统后通过第三三通阀、第四手动阀进入压力缓冲罐,接着通过连通管进入稳压容器;计算机持续采集并记录质量流量计传送的气体流量数据、第一压力传感器传送的压力缓冲罐压力数据以及温度传感器传送的温度数据;待气体流量稳定不变后,计算机记录稳流状态下的进口处压力数据、压力缓冲罐压力数据、压差数据和气体流量数据,完成一次负压特定压差下的实验;

重复进行第五步骤并在每次进行第五步骤时,通过调节出口调速阀从而将试样两侧的气体压差调节至不同的预定值,完成负压不同压差状态下纳米尺度气体流动规律实验;

关闭除第五手动阀以外的其他阀门,然后打开第四电磁阀,排空压力缓冲罐及稳压容器内部的气体,完成一次完整的试样实验;

第六步骤是更换具有不同大小孔径的试样,重复第一至第五步骤,完成不同孔隙条件、负压条件下的纳米尺度气体流动规律实验。

7.使用权利要求3中所述纳米尺度气体流动规律实验系统进行相同压差条件下不同稀薄程度气体实验的方法,其特征在于依次按以下步骤进行:

第一步骤是装样连接步骤,首先关闭所有阀门,将圆形试样装入夹持器的左孔板和右孔板之间,通过螺栓将左孔板和右孔板压接在一起,将左孔板和右孔板组成的孔板结构装入孔板卡槽,然后通过螺栓将左罐体和右罐体压接在一起,再将进气管和出气管分别连接在夹持器的左右两端,并确保连接处密封良好;

第二步骤是抽真空步骤;首先打开入口调速阀、出口调速阀、第一手动阀、第二手动阀以及第一至第三电磁阀,启动真空泵对系统进行脱气处理,根据压力真空表的读数判断是否达到实验的真空度要求,当压力真空表的读数为0时,关闭入口调速阀、出口调速阀、第一手动阀、第二手动阀以及第一至第三电磁阀,并关闭真空泵;

第三步骤是调温步骤;调节恒温箱的温度,将温度调节至实验设定的范围,确保实验系统处于恒温状态;

第四步骤是通气步骤;打开减压阀、第三手动阀、第一手动阀和出口调速阀,根据精密压力传感器的示数调节入口调速阀,将夹持器的进气压力调节至实验设定的数值;高压气瓶内的气体通过进气管进入夹持器的左腔体,然后依次通过左孔板、试样和右腔体,由出气管流出夹持器;

第五步骤是计量步骤;根据试验的设计要求调节出口调速阀从而将试样两侧的气体压差调节至预定值,计算机持续采集并记录精密压力传感器传送的压力数据以及压差传感器传送的压差数据;

根据气体流量的大小,量程大于气体实际流量且量程与气体实际流量最为接近的质量流量计为最匹配质量流量计,打开最匹配质量流量计所在支路上的电磁阀,从而通过第一或第二或第三质量流量计精确测定常压条件以及特定压差条件下的气体质量流量,气体通过流量测量系统后通过第三三通阀和排空管以及第三手动阀后排出;计算机持续采集并记录质量流量计传送的气体流量数据;

在第五步骤的进行过程中,不断调节出口调速阀,保持第五步骤进行当中试样两侧的气体压差保持不变;

待气体流量稳定不变后,计算机记录稳流状态下的压力数据、压差数据和气体流量数据,完成一次常压恒定压差下的实验;

重复进行第五步骤并在每次进行第五步骤时,通过调节入口调速阀,将夹持器的进气压力调节至不同的预定值,完成常压下恒定压差状态下不同稀薄程度的纳米尺度气体流动规律实验;

实验完成后,以气流的方向为前向,由后向前依次关闭所有阀门,完成一次完整的试样实验;

第六步骤是更换具有不同大小孔径的试样,重复第一至第五步骤,完成不同孔隙条件、恒定压差下不同稀薄程度的纳米尺度气体流动规律实验。

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