本发明属于冷凝传热技术领域，涉及一种可以观察蒸汽冷凝及结霜过程并测量样本表面冷凝传热系数的实验装置。
背景技术：
冷凝相变传热是一种普遍存在的能量输运方式，在航空航天、发电、热管理、海水淡化、环境控制等生产与生活中均有着广泛的应用。材料、微宏观结构、不凝气含量以及表面蒸汽更新速度等对冷凝传热效率均有影响，因而研究各个影响因素的作用规律，以及各因素间的相互协调成为人们日益关注的焦点。同时，通过这些因素去实现对冷凝相变传热过程的调控，对于相变传热、材料表面抗凝露、抗结霜以及材料表面在湿冷条件下使用的稳定性和耐久性同样具有十分重要的意义。例如，通过对冷凝相变过程的抑制，可以保持空调翅片表面干燥，抑制霉菌滋生，也可以抑制低温环境下飞机机翼、高压线缆等表面的冰核长大。
研究含上述各因素的影响机制，需要采集大量有效实验数据，但现有的实验设备多为满足某一特定实验专门搭建，通用性和商业性差。例如，在已公开的冷凝实验装置中，专利申请号为201210540382.8的专利文件中公开的“含有多组分不凝性气体的蒸汽冷凝换热实验装置”只能用于研究不凝气体含量对管状样本冷凝传热性能的影响；专利申请号为201310084890.4的专利文件中公开的“可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置”只能基于管内递推法实现对管状表面传热性能的观测，而且无法提供低压和高压纯蒸汽的冷凝环境。同时，现存实验装置还有以下缺点：1)由于冷凝室体积普遍较小，系统稳定性较差，在气压、温度等实验参数的控制上波动较大；2)利用冷却水保持冷凝表面的温度恒定，由于水的比热容较大，导致改变冷凝表面温度所用时间较长；3)冷凝表面温度不能低于0℃，不能研究结霜现象；4)样本表面参与冷凝室的密封，对样本表面形状有要求，不能兼顾管状和平面样本的冷凝实验要求；5)观察视角较小，无法立体全面的观察现象。
技术实现要素：
本发明的目的为解决上述现有实验装置存在的通用性差等问题，本发明提供了一种能够完成多种蒸汽冷凝和结霜实验的装置，通过本装置可以研究多组分不凝气含量对冷凝传热的影响，材料或表面结构对含(或不含)不凝气的冷凝传热的影响，低压蒸汽冷凝传热以及相同条件下的结霜现象等。同时，对实验样品的形状没有要求，观察视角大，可同时进行侧拍和俯拍。
本发明的技术方案：
一种多功能蒸汽冷凝换热及结霜过程可视化实验装置，包括真空环境系统、可视化系统、蒸汽发生系统、气体供应系统、冷却系统、数据采集与控制系统、实验样品26及夹具；
所述的真空环境系统提供超高真空状态、恒温的密封腔室24，密封腔室24顶部和左右两侧开设有光学视窗，密封腔室24内部放置有实验样品26，实验样品26通过夹具夹持；密封腔室24通过管路与蒸汽发生系统、气体供应系统连接，根据实验要求向密封腔室24内部提供定量的蒸汽和不凝性气体；所述的真空环境系统包括排气阀4、真空阀5、真空泵组6、电子气压计7、加热带功率调节器19、热电偶20、加热带21、密封腔室24、蒸汽通入法兰32、冷却水穿透件33、电源穿透件35和热电偶穿透件36；所述的密封腔室24的舱门关闭后，利用真空泵组6通过真空阀5控制将密封腔室24内空气抽出，达到超高真空状态；所述的密封腔室24上设有排气阀4；加热带21缠绕在密封腔室24外壁四周，并通过计算机22和加热带功率调节器19调节加热带21的发热量，从而保持密封腔室24内部温度稳定在所需冷凝环境温度；电子气压计7和热电偶20设置在密封腔室24内壁，热电偶20位于实验样品26及冷却水进出口端，实现对密封腔室24内实验数据的采集和实时调控；蒸汽通入法兰32、冷却水穿透件33、电源穿透件35和热电偶穿透件36安装于密封腔室24的侧壁上，蒸汽通入法兰32实现与蒸汽流量计9的连接；
所述的可视化系统包括密封腔室24顶部和左右两侧开设有光学视窗、深入式观察镜筒和高速摄像机3；光学视窗分别为俯拍视窗30、右上视窗31、右下视窗34、左上视窗37和左下视窗38；高速摄像机3正对于左侧和顶部的光学视窗，配合深入式观察镜筒同时实现侧拍和俯拍密封腔室24内的实验样品26表面冷凝形态；所述的实验样品26的待冷凝或结霜表面通过夹具固定于光学视窗附近，便于观察实验现象；
所述的蒸汽发生系统包括蒸汽阀8、蒸汽流量计9、电磁阀10、液气分离器11、注液阀12、回流管阀13、锅炉测温热电偶14、锅炉功率调节器15和锅炉16，锅炉测温热电偶14焊接在锅炉16内部，探测锅炉16内水温，锅炉16通过锅炉功率调节器15将去离子水加热并稳定在冷凝环境温度，锅炉16通过蒸汽管道将产生的蒸汽输送到密封腔室24，蒸汽管道上设置有蒸汽阀8、蒸汽流量计9和电磁阀10，用以控制蒸汽的输出量；蒸汽管道与液气分离器11相连，液气分离器11通过回流管阀13控制与锅炉16构成回路；锅炉16上设有注液阀12；
所述的冷却系统负责将实验样品26的冷端温度保持恒定，并使冷凝表面的温度低于密封腔室24环境中的蒸汽饱和温度，促使蒸汽在表面冷凝，当表面温度降至0℃以下时则进行结霜实验；所述的冷却系统包括冷却水泵17、冷却水槽18、帕尔贴冷台28和冷却水蛇形管29，帕尔贴冷台28负责将实验样品26冷却到指定温度，帕尔贴冷台28的热端与冷却水蛇形管29接触，冷却水泵17将冷却水从冷却水槽18沿冷却水循环管道输送到冷却水蛇形管29，用于帕尔贴冷台28热端冷却；所述的帕尔贴冷台28通过帕尔贴冷台功率控制器23进行控制；
所述的数据采集与控制系统负责人机交互，控制整个实验装置的参数处于设定值，包括样品热电偶25、气压仪表、数据采集卡和计算机22；样品热电偶25设置在实验样品26附近，用于采集冷凝传热实验数据，推算传热系数；
所述的气体供应系统包括高压气瓶1、减压阀2和气体流量计27，高压气瓶1提供的气体在管路中经过减压阀2减压后再经过气体流量计27进入密封腔室24。
本发明的有益效果在于，提供了一种能够完成多种蒸汽冷凝和结霜实验的装置，通过本装置可以研究多组分不凝气含量对冷凝传热的影响，材料或表面结构对含(或不含)不凝气的冷凝传热的影响，变蒸汽压冷凝传热以及结霜现象等。同时，对实验样品的形状没有要求，观察视角大，可同时进行侧拍和俯拍。
附图说明
图1是本发明实验装置示意图。
图2密封腔室上前右面孔位图。
图3密封腔室下后左面孔位图。
图中：1高压气瓶；2减压阀；3高速摄像机；4排气阀；5真空阀；
6真空泵组；7电子气压计；8蒸汽阀；9蒸汽流量计；10电磁阀；
11液气分离器；12注液阀；13回流管阀；14锅炉测温热电偶；
15锅炉功率调节器；16锅炉；17冷却水泵；18冷却水槽；
19加热带功率调节器；20热电偶；21加热带；22计算机；
23帕尔贴冷台功率控制器；24密封腔室；25样品热电偶；26实验样品；
27气体流量计；28帕尔贴冷台；29冷却水蛇形管；30俯拍视窗；
31右上视窗；32蒸汽通入法兰；33冷却水穿透件；34右下视窗；
35电源穿透件；36热电偶穿透件；37左上视窗；38左下视窗。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
由图1可以看出，本发明采用将整个实验样品置于密封腔室24内的方法来满足实验所需环境条件，因此，本发明实验装置对实验样品26的形状以及摆放方向没有要求，可同时满足横管和竖管以及片状实验样品。密封腔室24可提供的环境条件参数包括温度、气压、气体组分、样品温度。锅炉16内蒸汽温度采用闭环控制，锅炉16功率调节器可以根据锅炉测温热电偶14所测量的炉内水温调节锅炉16加热功率，保证出口蒸汽温度的恒定。同时，密封腔室外部保温层可以防止内部蒸汽热量散失，缠绕在密封腔室24外壁的加热带18与密封腔室壁面热电偶20形成闭环控制，可以维持外壁温度始终等于内部蒸汽温度，从而保证了内部环境温度的恒定。在锅炉16与密封腔室24间的管路设计上，所有管路均有保温棉包裹，蒸气流量计9与电磁阀10同密封腔室24的管路尽量短，以减少管中蒸汽冷凝。蒸汽通过电磁阀10前，先通过液气分离器11将管路中可能产生的冷凝水收集起来，实验过后打开回流管阀13将冷凝水回流至锅炉16内。
电子气压计7与蒸汽进口电磁阀10形成闭环控制，维持内部气压恒定。
气体组分可根据流量计27和电子气压计7调节安装于高压气瓶1上的针阀，实现各组分不凝气的定量控制。
实验样品26为片状时，底部通过导热硅脂与帕尔贴冷台2821冷端紧密贴合，因此片状样品温度可以通过计算机和功率调节器调节帕尔贴冷台28功率实现；当实验样品26为管状样品时，管状样品的温度直接由冷却水温度确定，因此需要额外使用恒温制冷水浴设备控制冷却水温度。
如图2所示，密封腔室24采用钢板焊接成封闭空间，前端通过铰链连接带有视窗的密封门，腔体前部设置密封圈。
(1)锅炉16首次注水及后续加水，其技术方案是：首次加水时，关闭并锁紧密封门，打开蒸汽阀8和抽气阀5关闭密封腔室24所有阀门，启动真空泵组6开始抽真空，待电子气压计7显示气压低于1pa时，关闭抽气阀5，关闭蒸汽阀8，此时锅炉16与密封腔室24内都处于真空状态。将注液阀12另一端连接去离子水水管，打开注液阀12，由于锅炉16内外压差，去离子水被自动吸入锅炉16内。如果该过程中有空气吸入时，可加热锅炉16内去离子水至沸腾，打开注液阀12利用蒸汽将锅炉16内空气排出。后续加水时，将注液阀12连接去离子水水管，将水管的另一端浸入去离子水中，加热锅炉16内去离子水至沸腾，打开注液阀，利用蒸汽将去离子水管中的空气排空，随后锅炉16停止加热，待锅炉16冷却后，由于锅炉16内外压差，去离子水会自动吸入锅炉16中，达到预定水位后，关闭注液阀12，取下去离子水水管，完成锅炉16注水工作。
(2)用于多组分不凝气含量对冷凝传热的影响实验，其技术方案是：将实验样本安装在密封腔室24内，关闭密封门。锅炉16注水后，关闭除抽气阀5以外密封腔体外接所有阀门，设定锅炉16和真空腔室24内温度值，开始加热锅炉16和真空腔室24，打开真空泵组6抽真空，待电子气压计7显示压力小于1pa时，依次关闭抽气阀5和真空泵组6，完成抽真空工作，打开冷却水泵17，设定帕尔贴冷台28温度,。待系统温度稳定后，打开所需不凝气对应的高压气瓶1，观察电子气压计7气压值，调节高压气瓶1针阀控制流量，达到指定流量后关闭高压气瓶1。待系统温度稳定后，打开蒸汽阀8通入蒸汽，冷凝开始，待腔内压力稳定后，通过侧拍视窗和俯拍视窗观察实验现象，利用腔内样品热电偶25采集传热数据。
(3)用于材料或表面结构对不含不凝气的冷凝传热的影响实验，其技术方案是：将特定材料或加工有特定表面结构的实验样品26安装在密封腔室24内，关闭密封门。锅炉16注水后，关闭除抽气阀5以外密封腔室24外接所有阀门，设定锅炉16和密封腔室24内温度值，打开密封腔加热带21和锅炉16电源，开始加热锅炉16和密封腔室24，打开真空泵组6抽真空，待电子气压计7显示压力小于1pa时，依次关闭抽气阀5和真空泵组6，完成抽真空工作，打开冷却水泵17，设定帕尔贴冷台28温度。待系统温度稳定后，打开蒸汽阀8通入蒸汽，冷凝开始，待腔内压力稳定到大气压后，通过侧拍视窗和俯拍视窗观察实验现象，利用腔内热电偶采集传热数据。
(4)用于变蒸汽压冷凝传热以及结霜现象实验，其技术方案是：将特定材料或加工有特定表面结构的实验样品26安装在密封腔室24内，关闭密封门。锅炉16注水后，关闭除抽气阀5以外密封腔室24外接所有阀门，设定锅炉16和密封腔室24内温度值，打开密封腔加热带21和锅炉16电源，开始加热锅炉16和密封腔室24，打开真空泵组6抽真空，待电子气压计7显示压力小于1pa时，依次关闭抽气阀5和真空泵组6，完成抽真空工作，打开冷却水泵17，设定帕尔贴冷台28温度。待系统温度稳定后，设定密封腔室24内蒸汽压力，打开蒸汽阀8通入蒸汽，冷凝开始，计算机22程序会根据电子气压计7探测的实际气压值控制电磁阀10的开闭，从而保持密封腔室24内气压稳定，待密封腔室24内电子气压计7示数稳定到设定值后，根据具体需要通过左上视窗37或左下视窗38和俯拍视窗30观察实验现象，利用样品热电偶25采集传热数据；依次增大所设定的密封腔室24内蒸汽压力，实现变蒸气压冷凝或结霜实验。