一种基于激光衰减的不凝气层测量装置及方法与流程

本发明涉及一种基于激光衰减的不凝气层测量装置及方法，属于冷凝实验测量领域。

背景技术：

在工业生产中时常可见水蒸气的冷凝过程。多数工业设备中的水蒸气冷凝往往伴随着少量的不凝性气体存在，比如，在乏汽在发电厂凝汽器中凝结的过程中，由于凝汽器内存在一定真空度，长时间运行会有部分空气进入；中央空调在夏天制冷时，空气中的水蒸气可能会在蒸发器盘管表面凝结；多级闪蒸海水淡化系统中闪蒸蒸汽的冷凝往往也伴随着一定量的不凝性气体存在。根据研究，即使含量很低的不凝气存在也会对蒸汽的冷凝过程产生极大的影响。当蒸汽在冷表面发生凝结时，蒸汽形成凝液附着在表面上，而气流中所含的不凝气由于扩散作用聚集在表面附近形成一层气层。这层不凝气层会导致表面附近的蒸汽分压下降，饱和温度降低进而导致传热温差减小，降低冷凝过程的传热驱动力；同时，由于表面附近形成了高浓度的不凝气层，其浓度梯度与蒸汽的浓度梯度相反，增加了蒸汽向表面的扩散阻力，削弱蒸汽冷凝的传质过程，从而更加抑制了冷凝过程。由此可见，不凝气层的形成是制约冷凝过程强化的关键环节，因此，对含不凝气的水蒸气冷凝过程中不凝气层的特性进行研究具有重要意义。

关于含不凝气蒸汽冷凝的实验研究中，目前大多只研究了不凝气含量、成分等对于冷凝换热系数的影响，并未有与不凝气层测量等相关的工作。傅里叶变换红外光谱(ftir)可以实现对混合气体中水蒸气浓度的在线测量，但是测量时需要将待测气体通入ftir分析仪，并不适合在冷凝实验过程中对不凝气层进行原位测量。为了在经典的冷凝模型上建立起适用于各种新型微纳结构强化表面的理论模型，同时为了验证对冷凝过程的数值模拟的可靠性，采用准确的实验方法对结果进行检验必不可少。

技术实现要素：

本发明针对目前的技术问题，提出了一种基于激光衰减的不凝气层测量装置及方法。本发明通过光学测量系统实现对冷凝腔体内含不凝气蒸汽的激光衰减测量，利用数据采集与处理系统对测量激光和参考激光光强的差值进行分析进而得出测量路径上的不凝气浓度梯度和不凝气层厚度，为实现对含不凝气蒸汽冷凝现象的更深一步研究提供有效手段。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于激光衰减的不凝气层测量装置包括光学测量系统、可视化冷凝实验体、数据采集与处理系统；

所述的可视化冷凝实验体包括腔内反射镜和光学视窗；所述的可视化冷凝实验体一侧装有光学视窗，与所述一侧相对的另一侧内壁面装有腔内反射镜；

数据采集与处理系统包括第一光束探测器、第二光束探测器、数据采集仪和计算机；

所述的光学测量系统由激光器、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二分束镜、第三分束镜、导轨组成；

第一分束镜位于激光器发射的激光光路上，且第一分束镜的法线方向与所述激光光路存在夹角；第一分束镜对激光进行反射和透射，第一反射镜布置在第一分束镜的透射光路上，且其法线方向与透射光路存在夹角；第二反射镜布置在第一分束镜的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；第三反射镜布置在第二反射镜的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；第二分束镜、第三分束镜分别布置在第一反射镜、第三反射镜的反射光路上，且其法线方向与分别与反射光路存在夹角；

第一分束镜的透射光束经第一反射镜后进入第二分束镜，第二分束镜的反射光束经光学视窗进入冷凝腔体，经腔内反射镜反射进入第二光束探测器；第一分束镜的反射激光经第二反射镜、第三反射镜后进入第三分束镜，第三分束镜的透射光束经第二分束镜反射后进入第二光束探测器，作为参考光束；

第一分束镜的反射光束经第二反射镜、第三反射镜后进入第三分束镜，第三分束镜的反射光束经光学视窗进入冷凝腔体，经腔内反射镜反射进入第一光束探测器；第一分束镜的透射光束经第一反射镜后进入第二分束镜，第二分束镜的透射光束经第三分束镜反射后进入第一光束探测器，作为测量光束；

所述的第一光束探测器与第二分束镜安装在同一滑动平台上，第二光束探测器与第三分束镜安装在另一滑动平台上，两个滑动平台安装在导轨上；两个滑动平台的位移均通过计算机控制导轨实现；计算机通过数据采集仪分别与第一光束探测器和第二光束探测器相连。

优选的，所述的第一分束镜将激光分成等光强的两束，最终分别进入光束探测器，以实现在滑动平台移动时仍能保持参考光束与测量光束等环境衰减，两个光束探测器接受到的光强差值即为由两路径上不凝气浓度差异形成，经过数据处理即可得到测量光束处的不凝气浓度。

优选的，所述的可视化冷凝实验体为测量主体还包括冷凝腔体、半导体冷台、保温材料、测试表面、布风板和温度传感器；所述的布风板、温度传感器位于冷凝腔体的一个壁面上；半导体冷台位于与所述的一个壁面相对的另一壁面上，布风板设在蒸汽入口处以减小蒸汽流速，保证腔内蒸汽均匀，减小气体流动对冷凝的影响；腔内反射镜法线方向与参考光束平行；温度传感器插入冷凝腔体，用于监控腔内混合蒸汽温度。测试表面粘贴于半导体冷台的制冷面上，制冷面其余部分包覆保温材料。

优选的，所述的冷凝腔体各个壁面设有电加热装置，防止蒸汽在壁面上冷凝。

优选的，所述的冷凝腔体壁面还开有若干个法兰接口用于连接外部管路、设备或用于安装传感器。

优选的，所述的第一光束探测器、第二光束探测器可以检测入射光束的光强并由数据采集仪输入计算机查看、存储。

第二分束镜的反射光束与第三分束镜的透射光束共同进入第二光束探测器，构成参考光束，测量无不凝气部分；第二分束镜的透射光束与第三分束镜的反射光束共同进入第三光束探测器，构成测量光束，测量混合气部分；两个光束探测器接受到的光强差值即为由两路径上水蒸气浓度差异形成；

第一分束镜将激光分成等光强的两束，最终分别进入光束探测器，以实现在滑动平台移动时仍能保持参考光束与测量光束等环境衰减，保证测量精度；

所述的冷凝腔体可以为含不凝气蒸汽冷凝提供真空环境，以控制不凝气的成分，冷凝腔体开有多个法兰接口用于仪表与管路的连接，腔体各个壁面内均敷设电加热装置与保温棉；所述的半导体冷态通过方形法兰插入冷凝腔体，冷端在腔体内用于测试表面的控温，冷台四周包裹保温材料；

所述的测试表面通过导热胶与半导体冷台连接以减小接触热阻，实现表面温度均匀；

所述的数据采集仪通过分析光束探测器采集到的光强差异，根据光束强度衰减与不凝气浓度间的关系计算出测量光束所经过路径处的不凝气浓度；随着测量光束从测试表面处向远处移动，测得的不同距离处的不凝气浓度数据被传回计算机；同时可以计算不凝气的浓度梯度，根据浓度梯度数据判断不凝气层的边界或范围。

本发明还公开了一种基于激光衰减的不凝气层测量方法：

首先，启动激光器，将滑动平台调节到合适位置，测量光束在测试表面一端，参考光束在蒸汽入口一端；打开计算机与数据采集仪，记录初始数据；

然后，按照含不凝气蒸汽在真空腔体内测试表面上冷凝的相应过程开始冷凝实验；由于不凝气在实验之前通入，实验中认为靠近蒸汽入口端不凝气含量为零；每个实验工况达到稳态后，调节测量光束从近测试表面一侧向远处移动，记录移动轨迹上的光强数据。由于光束只在不凝气中发生衰减，衰减程度由计算机获取两光束探测器的接收光强得到，且根据贝尔-兰贝特定律，衰减程度与不凝气浓度之间存在以下关系：

α(ν)＝s(t)×g(ν-ν0)×n，(2)

其中，i为接收光强，i0为入射光强，-α(ν)为不凝气的吸收系数，p为气体的总压强，l为吸收路径的长度(此处即为两倍的腔体内宽度)；t为气体的温度，s(t)为线吸收强度，g(ν—ν0)为不凝气分子的归一化常数，n为单位压强、单位体积吸收气体的总分子数；

根据理想气体状态方程，有：

其中，c是气体体积比，k为波尔兹曼常数；线吸收强度与不凝气分子的归一化常数可从数据库中获取，故不凝气浓度即为：

其中，et为第一光束探测器的接收光强(测量光束光强)，er为第二光束探测器的接收光强(参考光束光强)。

根据各处不凝气的浓度进而得到不凝气层边界位置和浓度梯度；当测量光束与参考光束紧贴时测量光束返回，重复多次以监测不凝气层的动态变化；

最后，每个工况的测量重复三次取平均值作为最终的测量结果，记录并保存；待所有工况测量完成之后，关闭光学测量系统与数据采集与处理系统，结束冷凝实验，测量完成。

本发明的有益效果是：

(1)利用了激光在不同浓度的水蒸气中衰减程度的不同，高精度的测量含不凝气蒸汽冷凝过程中不凝气层的分布特性，为进一步研究不凝气层对于传热传质的影响提供有效途径；

(2)可以实现不同冷凝压力、多种冷凝表面、多种不凝气成分和浓度下的不凝气层分布特性测量，为各种冷凝强化表面的强化效果提供参考依据；

(3)属于非接触测量方法，避免了微探头取样等接触式测量法带来的对不凝气层的干扰，提高可靠性；

(4)通过数据采集仪和计算机在线监测冷凝过程中不凝气层的变化过程。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是可视化冷凝实验体剖面图。

图中：激光器1、第一分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第二分束镜6、第二光束探测器7、第三分束镜8、第一光束探测器9、导轨10、可视化冷凝实验体11、腔内反射镜12、数据采集仪13、计算机14、冷凝腔体15、半导体冷台16、保温材料17、测试表面18、布风板19、温度传感器20、光学视窗21、第二接收光路22、第一接收光路23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

如图1和2所示，在本发明的一个具体实施例中，基于激光衰减的不凝气层测量装置包括光学测量系统、可视化冷凝实验体、数据采集与处理系统；所述的可视化冷凝实验体包括腔内反射镜12和光学视窗21；所述的可视化冷凝实验体一侧装有光学视窗21，与所述一侧相对的另一侧内壁面装有腔内反射镜12；数据采集与处理系统包括第一光束探测器9、第二光束探测器7、数据采集仪13和计算机14；所述的光学测量系统由激光器1、第一分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第二分束镜6、第三分束镜8、导轨10组成；

第一分束镜2位于激光器1发射的激光光路上，且第一分束镜2的法线方向与所述激光光路存在夹角；第一分束镜2对激光进行反射和透射，第一反射镜3布置在第一分束镜2的透射光路上，且其法线方向与透射光路存在夹角；第二反射镜4布置在第一分束镜2的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；第三反射镜5布置在第二反射镜4的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；第二分束镜6、第三分束镜8分别布置在第一反射镜3、第三反射镜5的反射光路上，且其法线方向与分别与反射光路存在夹角；

第一分束镜2的透射光束经第一反射镜3后进入第二分束镜6，第二分束镜6的反射光束经光学视窗21进入冷凝腔体15，经腔内反射镜12反射进入第二光束探测器7；第一分束镜2的反射激光经第二反射镜4、第三反射镜5后进入第三分束镜8，第三分束镜8的透射光束经第二分束镜6反射后进入第二光束探测器7，作为参考光束；

第一分束镜2的反射光束经第二反射镜4、第三反射镜5后进入第三分束镜8，第三分束镜的8反射光束经光学视窗21进入冷凝腔体15，经腔内反射镜12反射进入第一光束探测器9；第一分束镜2的透射光束经第一反射镜3后进入第二分束镜6，第二分束镜6的透射光束经第三分束镜8反射后进入第一光束探测器9，作为测量光束；

所述的第一光束探测器9与第二分束镜8安装在同一滑动平台上，第二光束探测器7与第三分束镜6安装在另一滑动平台上，两个滑动平台安装在导轨10上；两个滑动平台的位移均通过计算机14控制导轨10实现；计算机14通过数据采集仪13分别与第一光束探测器9和第二光束探测器7相连。

在本发明的另一个具体实施例中，所述的第一分束镜将激光分成等光强的两束，最终分别进入光束探测器，以实现在滑动平台移动时仍能保持参考光束与测量光束等环境衰减，两个光束探测器接受到的光强差值即为由两路径上不凝气浓度差异形成，经过数据处理即可得到测量光束处的不凝气浓度。

在本发明的另一个优选实施例中，所述的可视化冷凝实验体为测量主体还包括冷凝腔体15、半导体冷台16、保温材料17、测试表面18、布风板19和温度传感器20；所述的布风板19、温度传感器20位于冷凝腔体15的一个壁面上；半导体冷台16位于与所述的一个壁面相对的另一壁面上，布风板19设在蒸汽入口处以减小蒸汽流速，保证腔内蒸汽均匀，减小气体流动对冷凝的影响；腔内反射镜12法线方向与参考光束平行；温度传感器20插入冷凝腔体，用于监控腔内混合蒸汽温度。测试表面粘贴于半导体冷台的制冷面上，制冷面其余部分包覆保温材料。

优选的，所述的冷凝腔体15各个壁面设有电加热装置，防止蒸汽在壁面上冷凝。

优选的，所述的冷凝腔体15壁面还开有若干个法兰接口用于连接外部管路、设备或用于安装传感器。

优选的，所述的第一光束探测器9、第二光束探测器7可以检测入射光束的光强并由数据采集仪13输入计算机14查看、存储。

本发明的基于激光衰减的不凝气层测量方法如下所述：

首先，启动激光器，将滑动平台调节到合适位置，测量光束在测试表面一端，参考光束在蒸汽入口一端；打开计算机与数据采集仪，记录初始数据；

然后，按照含不凝气蒸汽在真空腔体内测试表面上冷凝的相应过程开始冷凝实验；由于不凝气在实验之前通入，实验中认为靠近蒸汽入口端不凝气含量为零；每个实验工况达到稳态后，调节测量光束从近测试表面一侧向远处移动，记录移动轨迹上的光强数据。由于光束只在不凝气中发生衰减，衰减程度由计算机获取两光束探测器的接收光强得到，且根据贝尔-兰贝特定律，衰减程度与不凝气浓度之间存在以下关系：

α(ν)＝s(t)×g(ν-ν0)×n，

其中，i为接收光强，i0为入射光强，-α(ν)为不凝气的吸收系数，p为气体的总压强，l为吸收路径的长度(此处即为两倍的腔体内宽度)；t为气体的温度，s(t)为线吸收强度，g(ν—ν0)为不凝气分子的归一化常数，n为单位压强、单位体积吸收气体的总分子数；

根据理想气体状态方程，有：

其中，c是气体体积比，k为波尔兹曼常数；线吸收强度与不凝气分子的归一化常数可从数据库中获取，故不凝气浓度即为：

其中，et为第一光束探测器的接收光强(测量光束光强)，er为第二光束探测器的接收光强(参考光束光强)。

根据各处不凝气的浓度进而得到不凝气层边界位置和浓度梯度；当测量光束与参考光束紧贴时测量光束返回，重复多次以监测不凝气层的动态变化；

最后，每个工况的测量重复三次取平均值作为最终的测量结果，记录并保存；待所有工况测量完成之后，关闭光学测量系统与数据采集与处理系统，结束冷凝实验，测量完成。