一种拉法尔喷管湿蒸汽凝结强化实验装置

1.本发明公开一种拉法尔喷管湿蒸汽凝结强化实验装置，涉及湿蒸汽凝结相变领域。

背景技术：

2.高压天然气通过拉法尔喷管时会发生显著温降，饱和蒸汽发生冷凝，从而从气相中分离出来。利用拉法尔制冷效应可实现天然气净化脱水，甚至液化。拉法尔喷管结构可以直接影响到凝结效率的高低，进而影响天然气净化以及液化的效果。对拉法尔喷管内部流场进行准确测量是结构优化的关键，传统的拉法尔喷管流场测试需要通过打孔插入探针，这种介入式测量方法会对流场造成干扰，从而影响参数测量的准确性。此外，传统的拉法尔内蒸汽凝结主要由均匀成核控制，需要在较大的过饱和下发生，凝结效率低。

3.本发明专利公开了一种拉法尔喷管湿蒸汽凝结强化实验装置，它在传统喷管制冷的效果上，采用外加射线方法，使射线粒子作为凝结核心促进湿蒸汽的冷凝，加强喷管的凝结效果。同时采用了纹影的方法，在不影响喷管流场的情况下进行凝结现象的观察。该发明可以简单高效地加强拉法尔喷管的凝结效率并对现象进行观察。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种拉法尔喷管湿蒸汽凝结强化实验装置，通过外加射线的方法促进喷管内的湿蒸汽进行冷凝，增强凝结的效果，同时采用纹影方法直观观察拉法尔喷管内部凝结现象，能实现非介入测量。

5.本发明公开的一种拉法尔喷管湿蒸汽强化凝结的实验装置主要包括实验介质供应系统、拉法尔喷管系统以及纹影测试系统。

6.所述的介质供应系统主要包括压缩机，气体缓冲罐，过滤器，高压加湿罐，高压微雾加湿器；压缩机、气体缓冲罐、过滤器通过管道依次相连，过滤器通过管道与高压加湿罐相连，过滤器与高压加湿罐之间的管道上设有气体流量计和气量调节阀；高压微雾湿气发生器与高压加湿罐通过管道相连，高压微雾湿气发生器与高压加湿罐之间的连接管道上设有湿蒸汽调节阀，高压加湿罐通过管道与拉法尔喷管入口相连，高压加湿罐通过管道与拉法尔喷管入口之间连接管道上设有温湿度传感器以及压力传感器；拉法尔喷管的出口管上设有压力调节阀，温湿度传感器，压力传感器以及背压调节阀；

7.所述的拉法尔喷管系统主要包括：拉法尔喷管，射线源，导轨，控温器；所述的拉法尔喷管主要由拉法尔槽道板，前盖板，后盖板，槽道板为2块，其结构上下对称，前盖板和后盖板分别安装在两槽道板两侧，从而两槽道板之间形成流体通过的拉法尔型槽道；槽道板为金属材料，前盖板、后盖板均采用透明石英玻璃制成。所述的导轨与拉法尔喷管轴线平行，导轨起终点分别位于拉法尔喷管的进、出口处，射线源安装在导轨上，能够沿导轨前后移动，射线源所采用的射线物质可为镅或铯；控温器通过导线与拉法尔槽道板相连。

8.所述的纹影测试系统主要包括点光源，前凸透镜，后凸透镜，刀片，高速摄像机，光

学平台以及位置控制组件。其中点光源，前凸透镜，后凸透镜，刀片，高速摄像机依次放置且在同一光轴上，其中前凸透镜和后凸透镜分别位于拉法尔喷管前后两侧。

9.点光源设置在光学平台上的一端，前凸透镜距离点光源一倍焦距。点光源发出的光线经过前凸透镜后变为平行光线，平行光线透射拉法尔喷管槽道流场后，通过后凸透镜将平行光线聚焦，刀片与后凸透镜之间的距离为后凸透镜的一倍焦距；刀片之后设有高速摄像机。点光源，前凸透镜，后凸透镜，刀片，摄像机均安装在位置控制组件上，位置控制组件底部安装在光学平台的基座上，并且可以根据需要进行竖向高度和水平位置的调节。

10.与现有技术相比，本发明具有如下优势：

11.(1)通过外加射线源的方法，为喷管内的湿蒸汽提供了凝结核心，方便快捷地增强了拉法尔喷管的凝结效果；

12.(2)采用纹影的方法，可以直观明了地观察凝结现象，可以达到非介入测量的效果；

13.(3)在拉法尔喷管设有控温装置，可以克服因喷管与周围环境换热对湿气凝结的影响。

附图说明

14.图1为含湿空气产生以及外加射线流程图；

15.图2为本发明的纹影装置摆放图；

16.图3为本发明射线源的组成图；

17.图4为本发明的纹影效果示意图。

18.1-压缩机；2-缓冲罐；3-过滤器；4-漩涡流量计；5-气量控制阀；6-高压微雾湿气发生器；7-湿气调节阀；8-高压加湿罐；9-压力调节阀；10-温湿度传感器；11-压力传感器；12-拉法尔喷管；13-射线源；14-导轨；15-控温器；15-拉法尔喷管；16-背压调节阀；17-拉法尔槽道；18-前盖板；19-后盖板；20-点光源；21-前凸透镜；22-后凸透镜；23-刀片；24-高速摄像机；25-光学平台；26-位置调节组件。

具体实施方式

19.本发明公开的一种拉法尔喷管湿蒸汽强化凝结的实验装置，主要包括实验介质供应系统、拉法尔喷管系统以及纹影测试系统。

20.所述的介质供应系统主要包括压缩机1、气体缓冲罐2、过滤器3、高压加湿罐8、高压微雾加湿器6；压缩机1、气体缓冲罐2、过滤器3通过管道依次相连，过滤器3通过管道与高压加湿罐8相连蒸汽发生器，过滤器3与高压加湿罐8之间的管道上设有气体流量计4和气量调节阀5；高压微雾湿气发生器6与高压加湿罐8通过管道相连，高压微雾湿气发生器6与高压加湿罐8之间的连接管道上设有湿蒸汽调节阀7，高压加湿罐8通过管道与拉法尔喷管12入口相连，高压加湿罐8通过管道与拉法尔喷管12入口之间连接管道上设有温湿度传感器10以及压力传感器11；拉法尔喷管12的出口管上设有压力调节阀9，温湿度传感器10，压力传感器11以及背压调节阀16。

21.如图1所示，拉法尔喷管系统主要包括：拉法尔喷管12，射线源13，导轨14，控温器15。如图2所示，所述的拉法尔喷管12主要由拉法尔槽道板17，前盖板18，后盖板19，槽道板

17为2块，其结构上下对称，前盖板18和后盖板19分别安装在两槽道板17两侧，从而两槽道板17之间形成流体通过的拉法尔槽道；槽道板17采用金属材料，前盖板18、后盖板19均采用透明石英玻璃制成。如图3所示，所述的导轨14与拉法尔喷管12轴线平行，导轨14起终点分别位于拉法尔喷管12的进、出口处，射线源13安装在导轨14上，能够沿导轨14前后移动，射线源13采用的射线物质可为镅241或铯137；控温器15通过导线与拉法尔槽道板17相连，能够调节拉法尔喷管12流道温度。

22.如图4所示，所述的纹影测试系统主要包括点光源20，前凸透镜21，后凸透镜22，刀片23，高速摄像机24，光学平台25以及位置控制组件26。其中点光源20，前凸透镜21，后凸透镜22，刀片23，高速摄像机24依次放置且在同一光轴上，其中前凸透镜21和后凸透镜22分布位于拉法尔喷管12前后两侧。

23.点光源20设置在光学平台25上的一端，前凸透镜21距离点光源20一倍焦距。点光源20发出的光线经过前凸透镜21后变为平行光线，平行光线透射拉法尔喷管槽道流场后，通过后凸透镜22将平行光线聚焦，刀片23与后凸透镜22之间的距离为后凸透镜22的一倍焦距；刀片23之后设有高速摄像机24。点光源20，前凸透镜21，后凸透镜22，刀片23，摄像机24均安装在位置控制组件26上，位置控制组件26底部安装在光学平台25的基座上，并且可以根据需要进行竖向高度和水平位置的调节。

24.本发明工作过程说明如下：

25.如图1所示，从压缩机1出来的高压压缩空气经过缓冲罐2，气体通过缓冲消除了压力波动，然后通过过滤器3过滤掉油滴、固体颗粒等污染介质，随后通过气体流量计4计量流量后进入高压加湿罐8。高压微雾加湿器6出来的水雾通过湿蒸汽调节阀7调节流量后亦进入高压加湿罐8。高压空气和高压湿蒸汽在高压加湿罐8内混合后，通过管道与拉法尔喷管12的入口连通。

26.进入拉法尔喷管12的气流压力可以通到压力调节阀9进行调节，而气流湿度通过高压微雾加湿器6进行调节。通过温湿度传感器10用于测量高压湿气的温度和湿度，压力传感器11测量用于高压湿气的压力。

27.拉法尔喷管12的流道为渐缩渐扩型，高压湿气进入拉法尔喷管12后由于膨胀降温而发生凝结。为提高凝结效率，采用射线源13辐射带电粒子作为凝结核心。射线源13通过导轨14移动，可以向拉法尔喷管12不同位置发射粒子，从而可研究不同位置处凝结效果的差异。通过温度控制器15对拉法尔喷管槽道板17进行控温，补偿环境温度对拉法尔喷管12内温度场的影响。控温器15通过测量环境温度与喷管槽道板的温度来判定是否进行温度调节，使得喷管表面的温度始终等于外界环境的温度，从而实现喷管与环境的绝热。拉法尔喷管12出口连接管道上设有背压阀16，用于背压的压力调节控制，同时设有温湿度传感器10和压力传感器11，用于监测出口气流的温度、湿度以及压力。

28.拉法尔喷管12内流场的凝结观察记录由纹影系统的来完成，具体实施方案如下：

29.(1)将点光源20、前凸透镜21、拉法尔喷管12、后凸透镜22、刀片23、高速摄像机24通过位置调节组件26固定于光学平台25基座上。

30.(2)调节高速摄像机24，刀片23，后凸透镜22，前凸透镜21，点光源20，使其中心处于同一轴线上。

31.(3)将高速摄像机24接通电源，并且调节镜头，调整视场的大小以及亮度，调节高

速摄像机24的高度，使镜头中出现物体。

32.(4)打开点光源20，点光源20发出的光经过前凸透镜21后变为平行光束，调节点光源20与前凸透镜21之间的距离为凸透镜的一倍焦距左右。

33.(5)调节高速摄像机24的镜头与刀片23之间的距离，使高速摄像机24镜头的焦距等于其与刀片23之间的距离。

34.(6)调节后凸透镜22与刀片23之间的距离，使后凸透镜22的焦距等于其与刀片23之间的距离。

35.(7)分别调节前凸透镜21、后凸透镜22和拉法尔喷管12之间的距离，使得光线能够平行地通过待测的拉法尔喷管12的截面。其中拉法尔喷管12的截面为矩形，可以通过微调喷管的角度，使得光线可以垂直地通过拉法尔喷管12。

36.(8)经过拉法尔喷管12后的光束通过后凸透镜22进行汇聚，汇聚后的光束通过刀片23遮挡。

37.(9)经过刀片23遮挡后的一部分光束进入到高速摄像机24的镜头之中获得纹影图案。

38.(10)观察此时镜头中的画面，是否出现拉法尔喷管12的清晰画面，并通过微调距离与角度等方式使得镜头中出现明亮清晰的图案。

39.(11)来自高压微雾加湿器6的湿蒸汽和来自压缩机1的高压空气在高压加湿罐8中进行混合，随后进入拉法尔喷管12。高压湿气通过拉法尔喷管12时，使用高速摄像机24拍摄此时的流动纹影图案。当需要增强凝结效果时，可以通过调节射线源13，向拉法尔喷管12内释放射线粒子作为凝结核心。通过调节射线源13在导轨14上的位置，可以研究不同位置处的射线凝结效果。当需要改变射线源的强度时，可以调整射线物质(即镅241或铯137)的质量。

40.本发明提出了一种拉法尔喷管湿蒸汽凝结强化实验装置，通过施加射线作为凝结核心强化凝结效果，通过纹影显示，直观观察拉法尔流场内湿蒸汽凝结效果。本发明通过控温器，可克服拉法尔喷管与周围环境换热对内部湿气凝结的影响。本发明拉法尔喷管的入口湿气流量、压力、湿度，以及射线源强度和射线释放位置均可灵活调节，从而为研究湿蒸汽凝结规律，优化工作参数提供科学依据。

技术特征：

1.一种拉法尔喷管湿蒸汽强化凝结的实验装置，其特征在于：主要包括实验介质供应系统、拉法尔喷管系统以及纹影测试系统；所述的介质供应系统主要包括压缩机(1)，气体缓冲罐(2)，过滤器(3)，高压加湿罐(8)，高压微雾加湿器(6)；压缩机(1)、气体缓冲罐(2)、过滤器(3)通过管道依次相连，过滤器(3)通过管道与高压加湿罐(8)相连，过滤器(3)与高压加湿罐(8)之间的管道上设有气体流量计(4)和气量调节阀(5)；高压微雾湿气发生器(6)与高压加湿罐(8)通过管道相连，高压微雾湿气发生器(6)与高压加湿罐(8)之间的连接管道上设有湿蒸汽调节阀(7)，高压加湿罐(8)通过管道与拉法尔喷管(12)入口相连，高压加湿罐(8)通过管道与拉法尔喷管(12)入口之间连接管道上设有温湿度传感器(10)以及压力传感器(11)；拉法尔喷管(12)的出口管上设有压力调节阀(9)，温湿度传感器(10)，压力传感器(11)以及背压调节阀(16)；所述的拉法尔喷管系统主要包括：拉法尔喷管(12)，射线源(13)，导轨(14)，控温器(15)；所述的拉法尔喷管主要由拉法尔槽道板(17)，前盖板(18)，后盖板(19)组成，槽道板(17)为2块，其结构上下对称，前盖板(18)和后盖板(19)分别安装在两槽道板(17)两侧，从而两槽道板(17)之间形成流体通过的拉法尔型槽道；所述的导轨(14)与拉法尔喷管(12)轴线平行，导轨(14)起终点分别位于拉法尔喷管(12)的进、出口处，射线源(13)安装在导轨(14)上，能够沿导轨(14)前后移动，射线源(13)所采用的射线物质可为镅或铯；控温器(15)通过导线与拉法尔槽道板(17)相连；所述的纹影测试系统主要包括点光源(20)，前凸透镜(21)，后凸透镜(22)，刀片(23)，高速摄像机(24)，光学平台(25)以及位置控制组件(26)，点光源(20)，前凸透镜(21)，后凸透镜(22)，刀片(23)，高速摄像机(24)依次放置且在同一光轴上，其中前凸透镜(21)和后凸透镜(22)分布位于拉法尔喷管(12)前后两侧；刀片(23)与后凸透镜(22)和之间的距离为后凸透镜(22)的一倍焦距；刀片(23)之后设有高速摄像机(24)。

2.根据权利要求1所述的一种拉法尔喷管湿蒸汽强化凝结的实验装置，其特征在于：所述的槽道板(17)为金属材料，所述的前盖板(18)、后盖板(19)均采用透明石英玻璃制成。3.根据权利要求1所述的一种拉法尔喷管湿蒸汽强化凝结的实验装置，其特征在于：所述的点光源(20)，前凸透镜(21)，后凸透镜(22)，刀片(23)，摄像机(24)均安装在位置控制组件(26)上，位置控制组件(26)底部安装在光学平台(25)的基座上，并且可以根据需要进行竖向高度和横向位置的调节。

技术总结

一种拉法尔喷管湿蒸汽强化凝结的实验装置主要包括实验介质供应系统、拉法尔喷管系统以及纹影测试系统。通过射线源向拉法尔喷管内释放射线作为凝结核心强化凝结效果；通过纹影显示直观观察拉法尔流场内湿蒸汽凝结效果；通过控温器消除拉法尔喷管与周围环境换热对内部湿气蒸汽凝结的影响。本发明拉法尔喷管的入口湿气流量、压力、湿度，以及射线源强度和射线释放位置均可灵活调节，从而为研究湿蒸汽凝结规律蒸汽发生器，优化工作参数提供了科学依据。优化工作参数提供了科学依据。优化工作参数提供了科学依据。

技术研发人员：梁法春 汪征宇 唐国祥 杨婷

受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）

技术研发日：2022.10.24

技术公布日：2023/1/31