一种用于观测烟道气中CO2非平衡凝结的可视化设备

本发明涉及烟道气中co2非平衡凝结领域，具体涉及一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备。

背景技术：

1、碳捕集技术是缓解温室效应，实现“双碳”战略目标的主要手段之一。常用的碳捕集技术主要包括金属氧化物法、低温分离法、吸收法、膜分离法和吸附法。超音速分离技术是本世纪提出的一项气体处理技术，该技术踏足了传热学、凝结动力学、流体力学、空气动力学等领域，将膨胀制冷、非平衡凝结、旋流分离、激波增压等原理集中在一个结构紧凑的超音速分离器内部。该技术可以应用于多个领域，包括天然气除湿、天然气液化、烟道气脱碳等。与传统的碳捕集技术相比，超音速分离技术具有分离器结构简单、体积小、重量轻、结构紧凑且无运动零件、效率高、能耗低、无需添加试剂等优势。这就意味着该技术可以用更低的代价捕集到更多的co2。

2、超音速分离技术的核心原理是在非平衡条件下的自发凝结，也称非平衡凝结。由于分离器内部是超音速的可压缩流动，这对研究超音速分离器内部的非平衡凝结带来了挑战。对于烟道气中的co2气体而言，目前尚未报道可以准确预测其物性参数(热导率、黏度、液滴密度等)和凝结过程(成核与液滴生长)的模型。这就意味着需要可靠的实验来研究在超音速流动中co2的非平衡凝结过程，通过实验数据对co2的物性参数模型、成核模型、液滴生长模型进行修正和完善。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，来研究在超音速可压缩流动中co2的非平衡凝结过程，通过实验获得的数据对co2的物性参数模型、成核模型、液滴生长模型进行修正和完善。

2、本发明采用以下的技术方案：

3、一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，包括左侧管道部分、超音速矩形喷管部分和右侧管道部分，所述左侧管道部分包括二级收缩管道，二级收缩管道的右端连接有第一直管道；所述超音速矩形喷管部分包括喷管主体、前保护壳和后保护壳，所述喷管主体的前后两侧分别安装有凸形石英玻璃，所述前保护壳设置在喷管主体的前侧，所述后保护壳设置在喷管主体的后侧，前保护壳和后保护壳连接在一起从而将喷管主体和凸形石英玻璃固定并保护在前保护壳和后保护壳之间；所述右侧管道部分包括二级扩张管道，所述二级扩张管道的左端连接有第二直管道；所述第一直管道与喷管主体的左端相连接，所述第二直管道与喷管主体的右端相连接。

4、优选地，所述左侧管道部分还包括第一入口法兰和第一出口法兰，所述第一入口法兰固定连接在二级收缩管道的左端，所述第一出口法兰固定连接在第一直管道的右端。

5、优选地，所述超音速矩形喷管部分还包括喷管入口法兰和喷管出口法兰，所述喷管入口法兰固定连接在喷管主体的左端，所述喷管出口法兰固定连接在喷管主体的右端；所述喷管入口法兰与第一出口法兰固定连接，从而将第一直管道与喷管主体连接。

6、优选地，所述右侧管道部分还包括第二入口法兰和第二出口法兰，所述第二入口法兰固定连接在第二直管道的左端，所述第二出口法兰固定连接在二级扩张管道的右端；所述第二入口法兰与喷管出口法兰固定连接，从而将第二直管道与喷管主体连接。

7、优选地，所述二级收缩管道包括第一管外壳，在第一管外壳内设置有第一管道段、第二管道段和第三管道段，所述第一管道段与第二管道段相连，第二管道段与第三管道段相连；所述第一管道段的内径大于第二管道段的内径，第二管道段的内径大于第三管道段的内径；

8、所述第一直管道包括第二管外壳，第二管外壳与第一管外壳相连接，在第二管外壳内设置有第四管道段，第四管道段与第三管道段相连接，第四管道段与第三管道段的内径相同。

9、优选地，所述二级扩张管道包括第三管外壳，在第三管外壳内设置有第五管道段、第六管道段和第七管道段，所述第五管道段与第六管道段相连，第六管道段与第七管道段相连；所述第五管道段的内径小于第六管道段的内径，第六管道段的内径小于第七管道段的内径；

10、所述第二直管道包括第四管外壳，第四管外壳与第三管外壳相连接，在第四管外壳内设置有第八管道段，第八管道段与第五管道段相连接，第八管道段与第五管道段的内径相同。

11、优选地，所述喷管主体包括h形的主体外壳，主体外壳的内部设置有矩形的空腔，在空腔内的上部和下部均设置有异形的固定块，两个固定块之间形成喷管流道，所述喷管流道包括第一矩形段，第一矩形段向右收缩形成收缩段，收缩段向右扩张形成扩张段，扩张段向右延伸形成第二矩形段；所述主体外壳的前部和后部均开设矩形的窗口，在窗口的外周设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有密封胶；

12、所述凸形石英玻璃包括玻璃主体，玻璃主体的内侧设置有凸出的内玻璃体，所述内玻璃体的形状与窗口相契合，内玻璃体能够嵌入窗口内，玻璃主体通过环形凹槽内的密封胶与主体外壳密封安装在一起；

13、优选地，所述前保护壳和后保护壳均为c形结构，前保护壳和后保护壳的中央均开设有长条形的观察窗口，前保护壳和后保护壳的上部和下部均设置有多个螺栓孔；前保护壳安装在位于前部的凸形石英玻璃外，后保护壳安装在位于后部的凸形石英玻璃外，前保护壳和后保护壳与凸形石英玻璃之间均设置有硅胶垫片，前保护壳和后保护壳对应的螺栓孔通过螺栓和螺母连接，从而将前保护壳和后保护壳连接到一起。

14、优选地，所述主体外壳的顶部开设有多个引压孔，引压孔延伸到喷管流道内，在每个引压孔上均固定连接有引压管，所述引压管的顶部连接有转接头；

15、所述主体外壳的左端面的中央设置有矩形的第一通道口，主体外壳的右端面的中央设置有矩形的第二通道口，第一通道口和第二通道口均与喷管流道连通，第一通道口比第二通道口大。

16、优选地，所述喷管入口法兰的中央开设入口通道，所述入口通道的左侧为圆形，入口通道的右侧为矩形，并与第一通道口的形状相同；喷管出口法兰的中央开设出口通道，所述出口通道的左侧为矩形，并与第二通道口的形状相同，出口通道的右侧为圆形。

17、本发明具有的有益效果是：

18、本发明提供了一个用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，来研究在超音速可压缩流动中co2的非平衡凝结过程，通过实验获得的数据对co2的物性参数模型、成核模型、液滴生长模型进行修正和完善。本发明主要针对的是烟道气中的co2气体，在co2气体流过超音速矩形喷管时会出现凝结现象，可以通过观察窗口观察到喷管内部的凝结现象从而确定wilson点(凝结的起始位置)，通过光学仪器可以监测液滴半径等参数；通过引压管上的转接头连接测量仪器，能够测量壁面上的静压和静温等参数，这些参数可以作为宝贵的实验数据验证并改进co2的成核模型、液滴生长模型，以及一系列关于co2的物性参数模型，为超音速分离技术在碳捕集领域的发展打下了坚实的基础。

技术特征：

1.一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，包括左侧管道部分、超音速矩形喷管部分和右侧管道部分，所述左侧管道部分包括二级收缩管道，二级收缩管道的右端连接有第一直管道；所述超音速矩形喷管部分包括喷管主体、前保护壳和后保护壳，所述喷管主体的前后两侧分别安装有凸形石英玻璃，所述前保护壳设置在喷管主体的前侧，所述后保护壳设置在喷管主体的后侧，前保护壳和后保护壳连接在一起从而将喷管主体和凸形石英玻璃保护并固定在前保护壳和后保护壳之间；所述右侧管道部分包括二级扩张管道，所述二级扩张管道的左端连接有第二直管道；所述第一直管道与喷管主体的左端相连接，所述第二直管道与喷管主体的右端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述左侧管道部分还包括第一入口法兰和第一出口法兰，所述第一入口法兰固定连接在二级收缩管道的左端，所述第一出口法兰固定连接在第一直管道的右端。

3.根据权利要求2所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述超音速矩形喷管部分还包括喷管入口法兰和喷管出口法兰，所述喷管入口法兰固定连接在喷管主体的左端，所述喷管出口法兰固定连接在喷管主体的右端；所述喷管入口法兰与第一出口法兰固定连接，从而将第一直管道与喷管主体连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述右侧管道部分还包括第二入口法兰和第二出口法兰，所述第二入口法兰固定连接在第二直管道的左端，所述第二出口法兰固定连接在二级扩张管道的右端；所述第二入口法兰与喷管出口法兰固定连接，从而将第二直管道与喷管主体连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述二级收缩管道包括第一管外壳，在第一管外壳内设置有第一管道段、第二管道段和第三管道段，所述第一管道段与第二管道段相连，第二管道段与第三管道段相连；所述第一管道段的内径大于第二管道段的内径，第二管道段的内径大于第三管道段的内径；

6.根据权利要求1所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述二级扩张管道包括第三管外壳，在第三管外壳内设置有第五管道段、第六管道段和第七管道段，所述第五管道段与第六管道段相连，第六管道段与第七管道段相连；所述第五管道段的内径小于第六管道段的内径，第六管道段的内径小于第七管道段的内径；

7.根据权利要求3所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述喷管主体包括h形的主体外壳，主体外壳的内部设置有矩形的空腔，在空腔内的上部和下部均设置有异形的固定块，两个固定块之间形成喷管流道，所述喷管流道包括第一矩形段，第一矩形段向右收缩形成收缩段，收缩段向右扩张形成扩张段，扩张段向右延伸形成第二矩形段；所述主体外壳的前部和后部均开设矩形的窗口，在窗口的外周设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有密封胶；

8.根据权利要求1所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述前保护壳和后保护壳均为c形结构，前保护壳和后保护壳的中央均开设有长条形的观察窗口，前保护壳和后保护壳的上部和下部均设置有多个螺栓孔；前保护壳安装在位于前部的凸形石英玻璃外，后保护壳安装在位于后部的凸形石英玻璃外，前保护壳和后保护壳与凸形石英玻璃之间均设置有硅胶垫片，前保护壳和后保护壳对应的螺栓孔通过螺栓和螺母连接，从而将前保护壳和后保护壳连接到一起。

9.根据权利要求7所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述主体外壳的顶部开设有多个引压孔，引压孔延伸到喷管流道内，在每个引压孔上均固定连接有引压管，所述引压管的顶部连接有转接头；

10.根据权利要求9所述的一种用于观测烟道气中co2非平衡凝结的可视化设备，其特征在于，所述喷管入口法兰的中央开设入口通道，所述入口通道的左侧为圆形，入口通道的右侧为矩形，并与第一通道口的形状相同；喷管出口法兰的中央开设出口通道，所述出口通道的左侧为矩形，并与第二通道口的形状相同，出口通道的右侧为圆形。

技术总结
本发明公开了一种用于观测烟道气中CO<subgt;2</subgt;非平衡凝结的可视化设备，属于烟道气中CO<subgt;2</subgt;非平衡凝结领域，包括左侧管道部分、超音速矩形喷管部分和右侧管道部分，左侧管道部分包括二级收缩管道和第一直管道，超音速矩形喷管部分包括喷管主体、前保护壳和后保护壳，右侧管道部分包括二级扩张管道和第二直管道。第一直管道与喷管主体的左端相连接，第二直管道与喷管主体的右端相连接。在CO<subgt;2</subgt;气体流过超音速矩形喷管时会出现凝结现象，通过观察窗口可以观察到凝结现象并测量液滴半径；通过引压孔可以测量静温、静压等参数，这为现有的CO<subgt;2</subgt;非平衡凝结模型及物性参数模型的优化提供了宝贵的实验数据，也为超音速分离技术在碳捕集领域的发展打下了坚实的基础。

技术研发人员：陈佳男,李安娜,黄柱,席光
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31