封闭式含冰晶颗粒气体生成装置 <一>技术领域
本发明是一种主要用于航空、航天等领域结冰研究的封闭式含冰晶颗粒气体生成装置。
<二>背景技术
新型含冰晶颗粒气体生成装置是产生含冰晶颗粒流动气体的一种装置，主要用于研究结冰现象，该装置利用液氮迅速产生超低温气体进行制冷。但是该装置管路并不封闭，通过液氮制冷降温的冷空气不能循环利用，消耗液氮较多，且制冷时间和制冷温度受到环境空气影响，特别是当夏天湿度较大时，所产生地含冰晶颗粒流动气体不能降低到所需温度。需要发明一种减少液氮用量，制冷时间短，不受季节影响的装置。
<三>发明内容
本发明改进了新型含冰晶颗粒气体生成装置，使用封闭管路循环利用冷空气，能够充分利用液氮的制冷量，减少液氮用量，且制冷时间和制冷温度受季节影响较小。
见图1所示，本发明装置包括5部分：气源、水源、冷源、合成试验段和回流段。
气源由鼓风机3、变频器4和整流段5组成，其中整流段5由不锈钢制成，厚为3mm，并在整流段上有两个测压点18和19。
水源由压气机10、压力水罐11、电加热器12、电加热器控制模块13、水路连接管道15、气路连接管道16、气动喷嘴21和喷嘴连接配件组成，其中压力水罐11只要能承受0.5Mpa压力即可。其中压气机10通过进气阀25与压力水罐相接，气路连接管道16一端与出气阀28连接，另一端连接气动喷嘴21的气路入口，水路连接管道15一端连接出水阀29，另一端连接气动喷嘴21的水路入口。电加热器12加热端位于压力水罐11内部水底，电加热器控制模块13与电加热器相连，控制电加热器12加热功率，可保持压力水罐内水温在90℃以上。
冷源由杜瓦瓶1、液氮开关阀门2、液氮传输管道17组成。
合成试验段由出水喷雾制冷段6和观察试验段7组成，其中出水喷雾制冷段6由不锈钢制成，厚为3mm，内径140mm，其内部安装有液氮喷嘴20及气动喷嘴21，其中液氮喷嘴20通过液氮传输管道17与杜瓦瓶1相连；观察试验段7由有机玻璃制成，厚为10mm，内径140mm，出水喷雾制冷段6和观察试验段7之间通过法兰连接。
回流段8由不锈钢制成，回流段一端通过法兰与观察试验段7连接，另一端通过喇叭口与鼓风机入口连接。其中，所述的回流段8中间有一段盲管和盲板9，用于收集流过试验件的冰晶颗粒。
其中，所述的气动喷嘴21和水路连接管道15用保温材料进行保温。该保温材料采用但不限于25mm厚聚乙烯泡沫塑料，保温材料紧密包裹在气动喷嘴21和水路连接管道15外部。
其中，所述的回流段用保温材料进行保温，该保温材料采用但不限于25mm厚的聚乙烯泡沫塑料，保温材料紧密包裹回流段8外部。
本发明一种封闭式含冰晶颗粒气体生成装置，其优点及功效在于：本发明使用封闭管路循环利用冷空气，能够充分利用液氮的制冷量，减少液氮用量，且制冷时间和制冷温度受季节影响较小。
<四>附图说明：
图1.本发明结构原理示意图
图2.整流段剖面图
图3.出水喷雾制冷管道段
图4.观察试验段
图5.压力水罐
图6.本发明实施流程图
1.杜瓦瓶，2.液氮阀，3.鼓风机，4.变频器，5.整流段，6.出水喷雾制冷段，7.观察试验段，8.回流段，9.盲板，10.压气机，11.水罐，12.电加热器，13.电加热控制模块，14.试验件，15.水路连接管道，16.气路连接管道路，17.液氮传输管道，18.整流段测压点，19.整流段测压点，20.液氮喷嘴，21.气动喷嘴，22.测温点，23.观察段管道，24.液位计，25.进气阀，26.进水阀，27.压力表，28.出气阀，29.出水阀。
<五>具体实施方式
气源由鼓风机3、变频器4和整流段5组成，其中整流段5由不锈钢制成，厚为3mm，并在整流段上有两个测压点18和19。气源是通过调节变频器4控制鼓风机3提供试验研究所需流量的气体。由于鼓风机3出口是长方形，需通过整流段5整流，同时将气体出口变成圆形，在整流段上的两个测压点18和19，用于监测气体流量。
水源由压气机10、压力水罐11、电加热器12、电加热器控制模块13、水路连接管道15、气路连接管道16、气动喷嘴21和喷嘴连接配件组成，其中压力水罐11只要能承受0.5Mpa压力即可。其中压气机10通过进气阀25与压力水罐相接，气路连接管道16一端与出气阀28连接，另一端连接气动喷嘴21的气路入口，水路连接管道15一端连接出水阀29，另一端连接气动喷嘴21的水路入口。电加热器12加热端位于压力水罐11内部水底，电加热器控制模块13与电加热器相连，控制电加热器12加热功率，可保持压力水罐内水温在90℃以上。水源是压气机10生成的有压气体进入压力水罐11后，以相同的压力使压力水罐11内的气体和水流出，从气动喷嘴21的水路和气路入口进入，喷出试验所需水颗粒。使气动喷嘴21的水和气入口有相同压力，能很好地控制气动喷嘴21喷出的水流量和喷水颗粒度。另外，为防止气动喷嘴发生冻堵，由电加热控制模块13控制电加热器12对压力水罐11内的水进行加热，气动喷嘴21和水路连接管道15用保温材料进行保温。保温材料采用但不限于25mm厚聚乙烯泡沫塑料，保温材料紧密包裹在气动喷嘴21和水路连接管道15外部。
冷源是通过控制液氮阀2使液氮从杜瓦瓶1流出，液氮经过液氮传输管道17和液氮喷嘴20后，喷向整流段的壁面，迅速汽化后生成超低温冷气体，与来流空气混合，使来流空气迅速变成所需冷空气，达到试验结冰所需温度(通常为-20℃)。
合成试验段由出水喷雾制冷段6和观察试验段7组成，其中出水喷雾制冷段6由不锈钢制成，厚为3mm，内径140mm，其内部安装有液氮喷嘴20及气动喷嘴21，其中液氮喷嘴20通过液氮传输管道17与杜瓦瓶1相连；观察试验段7由有机玻璃制成，厚为10mm，内径140mm，出水喷雾制冷段6和观察试验段7之间通过法兰连接。合成试验段是主要气源的气体通过整流段5后，与冷源的产生的低温氮气在混合出水喷雾制冷段6迅速混合，然后与气动喷嘴21喷出的微小水颗粒混合，从出水喷雾制冷段6流出，再在观察试验段7流动的过程中，充分混合，并迅速生成含冰晶颗粒的冷气体(此时气体温度为-20℃)，吹在试验件14上结冰。观察试验段7为开口设计，可以在结冰试验完成后立即取出试验件14，进行分析。
回流段8由不锈钢制成，回流段一端通过法兰与观察试验段7连接，另一端通过喇叭口与鼓风机入口连接。其中，所述的回流段8中间有一段盲管和盲板9，用于收集流过试验件的冰晶颗粒。回流段8使结冰后的冷气体回流至鼓风机3，充分可以充分利用冷气体的制冷量。回流段用保温材料进行保温，以减少冷气体与环境的换热。保温材料采用但不限于25mm厚的聚乙烯泡沫塑料，保温材料紧密包裹回流段8外部。
本发明装置的详细实施过程如图6所示。打开电加热控制模块13控制电加热器12给水罐中的水加热，保持水温为90℃以上。通过变频器4调节电流的频率控制鼓风机3的转速大小，以此控制风速，气体经过整流段5，变成速度均匀的流动气体，在观察试验段7内通过测速仪确定所要研究的气体流速。然后打开液氮阀2，迅速手动调节液氮阀2，使冷源流出的低温氮气与流动气体混合后变成温度为-20℃的气体。由于冷热气体混合存在一定的变化，因此以流到观察试验段7的开口处的温度为准。当试验件14处的混合气体温度稳定在-20℃时，计时员发出指令，同时打开气动喷嘴21的水路阀门，并将试验件14放在观察试验段7的管道出口处。这时气动喷嘴21喷出的水颗粒达到时试验件14时已经完全变成冰晶颗粒，并在与试验件的撞击后粘附在试验件表面，由于撞击位置和速度不一样，试验件不同部位的结冰也有所不同。随着喷水时间的增加，试验件表面结冰越来越多。当计时员发出停止指令时，迅速取出试验件，测试试验件结冰尺寸、重量和照相，同时关闭电加热器12和液氮阀2，直到气动喷嘴21表面和观察试验段7内表面的冰溶化成水时，关掉鼓风机3、压气机10和气动喷嘴21的水路和气路阀门，结束试验。