本发明属于吸收式制冷和化工过程领域，具体涉及一种用于测试气体-溶液两股工作流体在竖直管道(吸收管)或反应器(吸收器)中边流动、边发生吸收反应时，其溶液状态演化特征和热量传递规律的装置。
背景技术：
据公安部交管局统计，截止2016年底，我国的机动车保有量已达2.9亿辆。巨大的机动车保有量是恶化空气污染(特别是灰霾、光化学烟雾)的重要推手，也是导致石油消耗量和进口量急剧增加(对外依存度突破60％)的主要原因。而发展汽车节能低碳技术是该领域实现可持续发展的关键举措。机动车发动机所消耗的燃料有55％～70％(柴油机)或70％～80％(汽油机)被以废热形式排向环境，在正常行驶时尾气温度高于300℃(最高可达700℃)。基于吸收式制冷技术原理对车辆动力系统的排烟余热进行梯级转化利用，既可降低热污染提高能效，又可满足用户多层次的冷量需求。而新一代高效车载吸收式制冷循环系统的核心问题在于发展新型紧凑式鼓泡吸收器，并研发匹配的工作溶液。
因而制冷剂-吸收剂工质对在吸收器中的鼓泡吸收过程特性及其热、质传递过程机理是该领域亟需解决的关键性基础科学问题。为此，需要在准静态实验研究基础上，再根据车辆行驶实际，开展多种振动状态下吸收管内制冷剂-吸收剂的吸收过程特性研究，特别是气体-溶液两相流鼓泡吸收过程中的气泡生成、脱离、聚合或破裂、湮灭全过程动态演化规律。并且，需要研究多种初始和边界条件下体系的热、质传递特性与耦合机理，建立各参数间的有效关联。从而为发展新一代车载鼓泡吸收器提供实验数据、图像资料和理论参考。
但是当前此领域却缺少能够满足相关试验要求的测试装置。
技术实现要素：
针对当前该领域亟需和现有不足，本发明提出一种气体-溶液两相流鼓泡吸收过程热、质传递特性测试装置，可实现便捷、高效、可视化地分别测试静置状态下以及振动状态下的气体-溶液两股工作流体在管道(吸收管)或反应器(吸收器)中边流动、边发生吸收反应时，其溶液状态演化特征和热量传递规律。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种气-液两相流鼓泡吸收过程特性测试装置，用于测试气体-溶液两相流在管道或反应器中发生吸收反应时的状态演化特征和热量传递规律，整套装置包括待测样品准备与处理系统1、振动台2、反应管系统3以及数据采集与控制系统。
所述的振动台2平置于地面，位于反应管系统3的正下方(直接接触)。所述的振动台2由电机或电磁驱动器、振动执行机构以及外壳组成。所述的电机输入为标准电源(220v/380v)，输出端与振动执行机构连接，电机转速可调范围0～3000rpm。所述的振动执行机构的输出端连接振动台外壳上表面，其作用在于将电机或电磁驱动器的输出能量转化为平台的线性振动。所述的平台线性振动分为水平振动和垂直振动两种模式。所述的平台线性振动的振幅和频率均通过数采控制系统进行设置和调节，振幅可调范围为0.1mm至30mm，频率可调范围为10hz至100hz。可通过振动模式、振幅及频率三个参数的有效调节，实现多种振动试验条件的设置。
所述的反应管系统3包括圆柱形套管式反应管、上端盖密封法兰、下端盖密封法兰以及定位紧固件。所述的圆柱形套管式反应管通过底部定位紧固件竖直固定在振动台2的上表面；圆柱形套管式反应管包括两种几何尺寸相同的结构：一种为玻璃制套管式，用于测试气体-溶液两相流鼓泡吸收过程中的气泡生成、脱离、聚合或破裂、湮灭全过程动态演化规律；另一种为铜制套管式，用于研究多种初始和边界条件下体系的热量传递规律。反应管系统3与待测样品准备与处理系统1之间通过五条管路相连，包括两条溶液管路、两条水路、一条气体管路，分别为顶端水路(代号l1)、底端水路(代号l2)、底端溶液管路(代号l3)、顶端溶液管路(代号l4)和气体引入管路(代号l5)。
所述待测样品准备与处理系统1包括冷却水子系统、溶液子系统以及气体子系统三部分，位于整个装置的左侧，平置于地面，与反应管系统3之间通过五条管路连接。
所述的冷却水子系统的出口与反应管系统3之间通过顶端水路l1连接，入口与反应管系统3之间通过底端水路l2连接，冷却水子系统用于保证经顶端水路l1进入反应管的冷却水能够满足试验要求的温度和流速(或流量)。所述的冷却水子系统包括恒温冷水箱17，电加热器9、变频水泵14、开/关阀门15以及一套制冷机组。所述的恒温冷水箱17内的水温可调温度范围-20℃至50℃，升温依靠电加热器9工作实现，降温通过制冷机组工作实现。所述制冷机组为常规小型蒸气压缩式制冷装置，由节流阀5、蒸发盘管6、压缩机7、水冷冷凝器8及相关铜管管路组成；蒸发盘管6位于恒温冷水箱17内部，蒸发盘管6出口端与压缩机7入口相连接，蒸发盘管6入口端与节流阀5出口相连接，压缩机7出口与水冷冷凝器8的冷媒入口端相连接，而水冷冷凝器8的冷媒出口端与节流阀5入口相连接(水冷冷凝器8的循环水入口和出口分别与恒温热水箱12的一级加热热源出口和入口连接)。当所述制冷机组工作时，液态冷媒在蒸发盘管6中相变吸热，实现对恒温冷水箱17内水的冷却；吸热后的冷媒进入压缩机7，被压缩成高温高压的气体，而后排入水冷冷凝器8中释放热量转化为液态，经节流阀5降温，再次进入蒸发盘管6，如此循环制冷。当恒温冷水箱17内的水温低于试验所需温度，电加热器9工作，其功率可调范围0.2kw至4kw，电加热的热流密度通过内置于数据采集与控制系统中的可控硅组件调节。满足试验需求温度的冷却水经顶端水路l1，被水泵14泵入反应管的内、外管套间的流道中，吸收热量后，从反应管系统3底部流出，经底端水路l2流回恒温冷水箱17，如此循环流动。
所述的溶液子系统包括溶液循环系统和溶液再生系统两部分。所述的溶液循环系统的出口与反应管系统3之间通过底端溶液管路l3相连接，所述的溶液循环系统的入口与反应管系统3之间通过顶端溶液管路l4相连接。所述的溶液循环系统用于实现待测稀溶液与反应后的浓溶液的存储与循环，并保证待测稀溶液能够以试验要求的温度、压力、浓度、流速(或流量)经底端溶液管路l3进入反应管系统3。所述的溶液循环系统包括稀溶液储罐10、变频溶液泵11、恒温热水箱12，大功率电加热器13、开/关阀门14、水泵15、储水罐16、电动调节阀21、浓溶液储罐22。所述的稀溶液储罐10和浓溶液储罐22，分别用于存储试验之前所配置的稀溶液和试验之后反应了的浓溶液。所述的稀溶液储罐10出口与变频溶液泵11相连接，变频溶液泵11出口与恒温热水箱12中的加热盘管相连，加热盘管出口与底端溶液管路l3相连，底端溶液管路l3另一端与反应管系统3相连。所述的恒温热水箱12的可调温度范围为40至95℃。一级加热的热源来自水冷冷凝器8中高温高压气态冷媒相变时所释放的冷凝热，因而恒温热水箱12一级加热热源入口和出口分别与水冷冷凝器8的循环水出口和入口相连接，驱动力为循环水泵。所述的恒温热水箱12的二级加热热源来自其内置的大功率加热器13(功率可调范围0.5kw至10kw)，加热的热流密度通过内置于数据采集与控制系统中的可控硅组件调节。当所述的恒温热水箱12内水温相对于预设值超调，则打开底部的开/关阀14，而后通过位于恒温热水箱12与储水罐(或自来水龙头)连接管路上的水泵15，将自来水或储水罐16中的室温水从恒温热水箱12上端泵入其中，进行混合降温。从而实现恒温热水箱12的内水温的调节。预先配置好浓度的待测溶液从稀溶液储罐10中流出，被变频溶液泵11以试验需求的流速被泵入恒温热水箱12中调节至试验所需温度，而后经底端溶液管路l3进入反应管系统3。在反应管系统中反应后，溶液变浓，从反应管顶部流出，进入顶端溶液管路l4。所述顶端溶液管路l4出口端连接电动调节阀21，电动调节阀21的开度可调(开度10％～100％)，从而实现对于反应管内的吸收压力的动态调节。电动调节阀21的出口连接三条支路。第一个支路与直接取样口26连接，中间管道上装有一个开/关阀；第二个支路与浓溶液储罐22的顶部溶液入口连通，中间管道上同样装有一个开/关阀，控制溶液的进入；第三个支路首先连接一个开/关阀，然后连接一段毛细管28，流经毛细管28被节流的溶液一部分进入间接取样口27，剩余部分溶液从浓溶液储罐22的腰部溶液入口进入罐内。浓溶液储罐22底部出口分成两条支路，其一支路与稀溶液储罐10入口连接，实现溶液循环；其二支路与溶液再生系统中的发生器23入口连接，发生器23与外界还有另外两个接口，分别为气体逸出口(顶部)和液体排出口(底部)。所述发生器气体逸出口与风冷器24入口连接，风冷器24出口与膨胀阀29入口连接，膨胀阀29出口与回收工质储罐25连接，回收工质储罐25平置于地面。所述发生器液体排出口与开/关阀连接，开/关阀的另一端与溶液泵连接，溶液泵的出口与稀溶液储罐10的腰部溶液入口连接。进入发生器23中的浓溶液在电加热器加热作用下，之前溶解在溶液中的实验气体开始逐渐从溶液中逸出，并从发生器23顶部出口离开，进入风冷器24中，被冷却液化，再通过膨胀阀29，转化为低温低压的液态实验工质，最后被存入回收工质储罐25中。因实验气体的逸出，发生器23中的剩余溶液变成稀溶液，而后在溶液泵的驱动下，从发生器23底部流出，回到稀溶液储罐10。至此，完成了溶液的循环与再生。
所述的气体子系统用于保证待测实验气体能够以试验要求的温度、压力、流速(或流量)经气体引入管路l5进入反应管系统3。所述的气体子系统只与反应管系统3相连接。纯工质储罐18内存储着液化了的试验气体，其标准沸点温度低于室温。当纯工质储罐18阀门打开，迅速气化出实验气体，进入管道，流过微量调节阀19，微量调节阀19的开度决定着实验气体的流速或流量(可调范围为开度的10％-100％)，而后实验气体流过单向止回阀20(作用在于只允许实验气体单向通过，防止溶液回灌)，最后经气体引入管路l5进入反应管系统3。
所述数据采集与控制系统包括数采控制系统主机4、各类辅助电控器件以及各类传感器。所述的数采控制系统主机4由上位机和下位机组成。所述上位机为触摸屏或微型计算机(个人电脑)，所述下位机为可编程控制器(plc)及输入/输出模块(包括数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块)，上位机与下位机之间通过数据传输电缆线连接，下位机与各类辅助电控器件和传感器相连。所述各类辅助电控器件包括变送器、继电器、接触器、变频器、可控硅、直流-交流转换电源、开关与按钮、以及连接线。所述各类传感器包括温度传感器(符号t)、压力传感器(符号p)、流量传感器(符号f)、浓度传感器(符号c)。数据采集与控制系统一方面处理各类传感器所实时采集的数据，另一方面及时传递上位机发出的调控指令。
基于本发明装置进行试验时，可以调节和设置的参数包括：溶液类型(水、有机溶剂)、溶液入口温度(40～95℃)、溶液入口浓度(5％～95％)、溶液流速或流量(0.5l/h～30l/h)、气体类型(沸点温度高于室温的制冷剂)、气体入口压力(1.2bar～30bar)、气体流速或流量、冷却水入口温度(-20℃至50℃)、冷却水流速或流量(40l/h～800l/h)、体系静置或体系振动振幅(0.1mm～30mm)及振动频率(10hz～100hz)、溶液出口压力(1.2bar～30bar)。可以测试的项目包括两种类型：其一为两相流吸收状态演化特征，包括气泡生成、脱离、聚合或破裂、湮灭全过程特性、吸收高度、吸收时间、吸收速率等。其二为两相流吸收过程热量传递特性，包括沿管长方向上的温度分布规律、局部与总体传热系数、吸收过程反应热量等。
上述气-液两相流鼓泡吸收过程特性测试装置的吸收过程特性包括两相流状态演化特性和热量传递特性。两相流状态演化特性是指待测样气与待测溶液混合物边流动、边吸收过程中的气泡生成、脱离、聚合或破裂、湮灭全过程状态特性；两相流吸收过程热量传递特性，包括沿管长方向上的温度分布规律、局部与总体传热系数、吸收过程反应热量。
本发明的有益效果为：(1)依托所述测试装置，可以开展多种振动状态下(振动方式、振幅、频率)吸收管内气体-溶液的吸收过程状态演化特性研究，促进探索非稳态气-液两相流鼓泡吸收过程中的气泡生成、脱离、聚合或破裂、湮灭全过程状态特性规律以及吸收高度、吸收时间、吸收速率等参数。(2)依托所述测试装置，可以开展多种振动状态下(振动方式、振幅、频率)吸收管内气体-溶液的吸收过程两相流吸收过程热量传递特性，包括沿管长方向上的温度分布规律、局部与总体传热系数、吸收过程反应热量等。(3)当设置振动台为停止工作状态，依托所述测试装置，也可以进行准静态下的气-液两相流鼓泡吸收过程特性及热量传递试验研究。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1待测样品准备与处理系统；2振动台；3反应管；4数采控制系统主机；5节流阀；6蒸发盘管；7压缩机；8水冷冷凝器；9电加热器；10稀溶液储罐；11变频溶液泵；12恒温热水箱；13大功率加热器；14水泵；15开/关阀；16储水罐；17恒温冷水箱；18纯工质储罐；19微量调节阀；20单向止回阀；21电动调节阀；22浓溶液储罐；23发生器；24风冷器；25回收工质储罐；26直接取样口；27间接取样口；28毛细管；29膨胀阀。
管路：l1管路为顶端水路；l2管路为底端水路；l3管路为底端溶液管路；l4管路为顶端溶液管路；l5管路为气体引入管路。
符号：p代表压力传感器；符号t代表温度传感器；符号f代表流量传感器；符号c代表浓度传感器。泵示意中的符号s代表此泵为溶液泵、而符号w代表此泵为水泵。
具体实施方式
具体实施方式1：试验条件为：待测溶液r124(chclfcf3)+dmac(二甲基乙酰胺)、试验气体r124；溶液进口温度55℃，冷却水进口温度25℃，吸收压力0.126mpa。
本发明涉及一种试验装置，用于测试静置状态下以及振动状态下的气体-溶液两股工作流体在管道(吸收管)或反应器(吸收器)中边流动、边发生吸收反应时，其溶液状态演化特征和热量传递规律，整套装置由待测样品准备与处理系统1、振动台2、反应管系统3、以及数据采集与控制系统四部分组成。这四部分的位置关系为:振动台2平置于地面，位于反应管系统3的正下方，反应管被竖直地固定在振动台2的上表面中心位置；待测样品准备与处理系统1位于整个装置的左侧，平置于地面，与反应管系统3之间通过顶端水路l1、底端水路l2、底端溶液管路l3、顶端溶液管路l4以及气体引入管路l5共五条管路相连接；待测样品准备与处理系统1与振动台2之间不直接接触；数据采集与控制系统通过各类线缆与前述三个部分相连接，用于整套系统的数据采集与控制。具体工作流程共有八个步骤。第一步：数据采集与控制系统启动，第二步：调节反应管入口冷却水参数，第三步：调节反应管入口溶液参数，第四步：调节反应管入口试验气体参数，第五步：调节反应管内吸收压力，第六步:设置振动台的振幅和频率，第七步：正式试验并记录数据和影像，第八步，溶液再生。
第一步，接通电源，开启数据采集与控制系统，按照试验要求设置相关参数。所述数据采集与控制系统包括数采控制系统主机4(由pc机、plc和通用输入/输出模块组成)、各类辅助电控器件以及各类传感器。同时，各类辅助电控器件(电磁继电器、交流接触器、220v转24v电源、常闭开关、变频器等)通电，各类传感器(包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、浓度传感器)开始实时采集数据。
第二步，对反应管入口冷却水参数进行调节，使得冷却水能够以试验要求的温度(25℃)和流速/流量(10l/h)经顶端水路l1进入反应管。冷却水子系统由恒温冷水箱17，电加热器9、变频水泵14、开/关阀门15及制冷机组组成。所述的恒温冷水箱17内的水温可调温度范围-20℃至50℃，温度波动小于0.2℃。当位于恒温冷水箱内的温度传感器反馈水箱内的水温高于25.5℃时，制冷机组启动。所述制冷机组工作时，低温液态冷媒r404a在蒸发盘管6中相变吸热，降低恒温冷水箱17内的水温。吸热后的r404a进入压缩机7，被压缩成高温高压的气体，而后排入水冷冷凝器8中释放热量转化为液态，经节流阀5降温，再次进入蒸发盘管6，循环制冷，直至冷却水温度达到25℃。而当恒温冷水箱17内的水温低于24.5时，电加热器9工作，通过电阻发热来加热水，而电加热的热流密度通过可控硅组件调节，以降低水温波动。冷却水的供水流速依靠调节变频水泵的转速来实现。满足试验需求温度和流速的冷却水经顶端水路l1，被水泵14泵入反应管的内、外管套间的流道中，吸收溶液反应热量后，从反应管系统3底部流出，经底端水路l2流回恒温冷水箱17，如此循环。
第三步，对反应管入口溶液参数进行调节，使得待测稀溶液(本实施方案中为dmac+r124，浓度40％)能够以试验要求的温度(55℃)和流速/流量(4l/h)经底端溶液管路l3进入反应管系统3。整套溶液循环子系统包括稀溶液储罐10、变频溶液泵11、恒温热水箱12、大功率电加热器13、开/关阀门14、水泵15、储水罐16、电动调节阀21、浓溶液储罐22。将预先配置好的稀溶液直接灌入稀溶液储罐10中，然后打开开/关阀门14，利用变频溶液泵11将稀溶液泵入恒温热水箱12中被加热至55℃。所述恒温热水箱12的可调温度范围为40至95℃，温度波动小于0.5℃。一级加热的热源来自水冷冷凝器8中r404a的冷凝热。当一级加热热源温度低于60℃，二级加热热源启动，其大功率加热器13的热流密度可通过内置于数据采集与控制系统中的可控硅组件调节。而当流经恒温热水箱的溶液温度高于56℃时，位于恒温热水箱12与储水罐(或自来水龙头)连接管路上的水泵15启动，将自来水或储水罐16中的室温水从恒温热水箱12上端泵入其中，进行混合降温，至溶液温度降为54.5℃时停止。稀溶液的流速依靠调节变频溶液泵11的转速来实现。满足试验需求温度和流速的dmac+r124稀溶液经底端溶液管路l3进入反应管系统3的内套管流道。
第四步，对反应管入口试验气体参数进行调节，使得试验气体r124能够以试验要求的温度和流速/流量经底端气体引入管路l5进入反应管系统3。纯工质储罐18内存储着液化了的r124。当纯工质储罐18阀门打开，r124迅速气化，进入管道，流过微量调节阀19时其流速调整到300l/h，而后r124流过单向止回阀20，最后经气体引入管路l5进入反应管系统3。
第五步，对反应管内吸收压力进行调节。来自底端溶液管路l3的稀溶液(r124+dmac，浓度40％)与来自底端气体引入管路l5的纯r124气体，在反应管系统中自下而上边流动、边吸收，浓度逐渐变浓，而后浓溶液从反应管顶部流出，进入顶端溶液管路l4。所述顶端溶液管路l4出口端连接电动调节阀21，电动调节阀21的开度可调(开度10％～100％)，从而实现对于反应管内的吸收压力的动态调节，本实施方案中吸收压力调节至0.126mpa。
第六步，设置振动台的振幅和频率。振幅可调范围为0.1mm至30mm，频率可调范围为10hz至100hz。本实施方案中频率设置为30hz，带载荷振幅设置为5mm。
第七步，正式试验，记录数据和影像。
第八步，关闭试验系统，开启溶液再生系统。浓溶液储罐22底部出口分成两条支路，其一支路出口与稀溶液储罐10入口通过连接，另一支路出口与发生器23入口相连。进入发生器23中的浓溶液在电加热器加热作用下，之前溶解在溶液中的r124开始逐渐从溶液中逸出，并从发生器23顶部出口离开，进入风冷器24中，被冷却液化，再通过膨胀阀29，转化为低温低压的液态r124，最后被存入回收工质储罐25中。因r124的逸出，发生器23中的剩余溶液变成稀溶液，而后在溶液泵的驱动下，从发生器23底部流出，回到稀溶液储罐10。完成了溶液的再生。