一种低温气体生成装置以及低温气体温度和该气体形成的气泡特性的控制方法

本发明属于浸没式喷吹两相流动实验，涉及一种低温气体生成装置以及低温气体温度和该气体形成的气泡特性的控制方法。

背景技术：

1、浸没式喷吹熔池熔炼技术在传统的铅、锌、锑、铜等金属冶炼领域以及废铅酸蓄电池、废旧电子线路板、有色冶炼渣、工业污泥等固废循环利用领域得到了广泛应用。近年来，国内外学者通过基于水溶液实验装置对气液两相流动过程开展了大量实验研究。但常压下水的沸点低，在不影响气泡观测的情况下，实验装置所形成的最高气液温差仅有50℃左右。加压后可提高水的沸点，但高压条件对气泡生成迁移过程产生影响。

2、同时上述实验系统所设计的气液温差均为喷嘴入口处的气体温度与液体温度的差值，并未考虑喷嘴内气体与喷嘴内壁及回流液体的传热过程。喷嘴内气体与内壁面的换热导致气体沿流动方向温度显著升高，喷嘴出口处的实际气液温差小于设计值，较小的气液温差导致气泡密度变化对气泡生成、脱离、迁移过程的影响并不显著。尤其在小流量条件下，气泡等待时间较长，气体与喷嘴内壁及回流液体的换热导致气泡在生成时刻已被加热至高温状态。

3、现有的实验装置难以避免气体在喷嘴内的对流换热过程，气泡在生成时刻已被加热至高温状态，导致气相密度变化对气泡生成、脱离、迁移过程以及液相流动等特性影响的实验研究难以展开，另外水溶液实验系统通常通过高速相机拍摄喷嘴出口处气泡产生的图像，用于获得气泡直径、纵横比、迁移轨迹以及液相流场信息等特性，现有实验设备无法控制气泡的大小，也无法在多次实验中对气泡大小进行一致性的控制，这极易影响高速相机拍摄图像的质量，影响对特性的判断。

技术实现思路

1、本发明为了克服至少一个现有技术的不足，提供一种低温气体生成装置以及低温气体温度和该气体形成的气泡特性的控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种低温气体生成装置,供气装置、气体冷却装置、气体保温装置、水槽、测量装置、气体温度控制模块以及气泡控制模块，气体冷却装置包括冷却器和换热管，气体保温装置包括冷却夹层和喷嘴，换热管设置于冷却器，换热管与冷却夹层连通，冷却器内置冷却介质，换热管内流通的气体经冷却介质冷却后得到低温气体，冷却夹层内的低温气体经冷却介质冷却保温，保温的低温气体从喷嘴喷出并在水槽内形成气泡，气体温度控制模块用于控制低温气体的温度，气泡控制模块用于控制气泡的尺寸。

3、进一步的，所述供气装置包括依次连接的氮气罐、减压阀和流量控制器，氮气罐与减压阀连接，减压阀与流量控制器连接，流量控制器与换热管连接，换热管一端与冷却器连接，另一端与冷却夹层连接，冷却夹层与喷嘴连接，喷嘴设置于水槽。

4、进一步的，所述冷却器的顶部配置有保温盖，冷却器设为双层钢板结构，双层钢板间抽真空。冷却器外部敷设保温材料。

5、进一步的，所述换热管安装于冷却器底部；换热管的材质采用高导热系数材料，换热管外为冷却介质，换热管内为被冷却气体，气体通过换热管的壁面与冷却介质换热。

6、进一步的，所述冷却夹层连接换热管和水槽，冷却器与水槽相邻设置，冷却夹层设为双层管道结构，包括第一管道、第二管道和圆环片，第一管道和第二管道内外同轴设置，第一管道的内管壁和第二管道的外管壁之间设为冷却间隙，冷却器的侧壁设有出口端，换热管位于出口端内部，换热管与出口端之间具有空隙；第一管道的一端与出口端固定连接，另一端与水槽固定连接，第二管道与换热管的出口端固设连接，另一端与喷嘴固设连接，空隙与冷却间隙连通，靠近水槽的第一管道和第二管道的冷却间隙通过圆环片密封连接，冷却介质通过空隙流入冷却间隙，被冷却后的气体从换热管流出后进入冷却夹层的第二管道内。

7、进一步的，所述测量装置包括高速相机、计算机，高速相机的图像采集端面向水槽采集喷嘴喷出的气泡图像，高速相机与计算机通信连接，高速相机将采集的气泡图像传输至计算机，计算机通过气泡图像对气液两相流动特性进行测量。

8、一种低温气体温度和该气体形成的气泡特性的控制方法，对所述的低温气体生成装置生成的低温气体温度以及该气体形成的气泡尺寸进行控制，具体包括以下步骤：

9、步骤s1：计算换热管的换热面积，根据换热面积获得换热管的目标长度；

10、步骤s2：建立气泡脱离体积计算模型，根据模型计算气泡尺寸；

11、气泡脱离体积计算模型为：

12、

13、式(1)中，wem为无量纲修正韦伯数；为无量纲气泡直径，vb为气泡体积，单位为m3，其为待求解参数；v0为气泡脱离阶段起始体积，单位为m3；由下式进行计算：

14、

15、式(2)中，ρg和ρl分别为气液两相密度，单位为kg/m3，其为已知值；g为重力加速度；系数c1＝1，σ为表面张力系数，单位为mn/m，其为已知值；d0为喷嘴直径，单位为m，其为设定值；u0为喷嘴处气体流速，单位为m/s，其为已知值；a0为喷嘴截面积，单位为m2，其为设定值，根据上式计算v0；

16、修正韦伯数wem通过下式进行计算：

17、

18、式(3)中，ρg和ρl分别为气液两相密度，单位为kg/m3，其为已知值；

19、u0为喷嘴处气体流速，单位为m/s，其为已知值；a0为喷嘴截面积，单位为m2，其为设定值；σ表面张力系数，单位为mn/m，其为已知值；d0为喷嘴直径，单位为m，其为设定值；系数c1＝1，系数c2＝0.5；根据上述可获得wem；

20、将wem、v0代入式(1)，获得vb；

21、步骤s3：结束步骤。

22、进一步的，所述步骤s1的计算换热管的换热面积的具体步骤为：

23、步骤s11：通过冷却介质与换热管外壁的换热过程，获得换热管外壁温

24、度tt,o；

25、针对冷却介质与换热管外壁的换热过程，换热管浸没于冷却介质中，认为换热管外壁温度tt,o与冷却介质温度一致，当冷却介质选定时，外壁温度tt,o为已知值；

26、步骤s12：建立换热管外壁由外向内的导热过程中导热量qt的传热方程1；

27、步骤s13：建立换热管内壁与被冷却气体的对流换热过程中对流换热量qc的传热方程2：

28、步骤s14：建立被冷却气体每秒钟的吸热量qg的传热方程3；

29、步骤s15：建立qt、qc、qg约束条件；

30、步骤s16：根据传热方程3计算被冷却气体的吸热量qg；

31、步骤s17、根据约束条件计算换热管外壁由外向内的导热量qt；

32、步骤s18、初始化换热管内壁温度区间[tlow，thigh]，其中在第一次迭代过程中取tlow为冷却介质温度，thigh为被冷却后温度；

33、步骤s19、以温度区间中点tm作为当前换热管内壁温度进行计算，根据传热方程1得到当前循环的换热面积a；

34、该步骤中，换热管的内径及外径为设定值；

35、步骤s20、将当前循环的换热面积a以及内壁温度tm带入传热方程2，计算获得换热管内壁与被冷却气体的对流换热量qc；

36、步骤s21、比较qc、qg的差值是否小于设定值，若是，tm为换热管内壁温度，结束循环，获得所需温度下的换热面积a，进入步骤s23；若否，进入步骤s22；

37、步骤s22、若qc>qg，则表明，换热管的内壁温度偏高，步骤s18的温度区间下限tlow接近内壁温度，将tm指代为thigh，以[tlow，tm]温度区间作为当前换热管内壁温度区间，并返回步骤s18继续循环；若qc<qg，则表明，内壁温度偏低，步骤s18温度区间上限接近内壁温度，将tm指代为tlow，以[tm，thigh]温度区间作为当前换热管内壁温度区间，并返回步骤s18继续循环；

38、步骤s23、根据换热面积a获得在低温气体目标温度以及设定换热管的内径及外径条件下的换热管的目标长度。

39、进一步的，所述传热方程1具体为：

40、

41、式中，qt为换热管外壁由外向内的导热量，单位为w，其为待求解参数；λt为换热管导热系数，其大小与换热管的平均温度有关，平均温度为换热管内壁温度和外壁温度的算术平均值，单位为w/(m·k)，其为未知值，当换热管内壁温度为已知时，则λt为已知值；lt为换热管的长度，单位为m，其为待求解参数；tt,i为换热管内壁温度，单位为℃，其为待求解参数；tt,o为换热管外壁温度，单位为℃；rt,o为换热管外径，单位为m；rt,i为换热管内径，单位为m；

42、传热方程2具体为：

43、qc＝ha△tm

44、式中，qc为换热管内壁与被冷却气体的对流换热量，单位为w，其为待求解参数；a为换热管内换热面积，a＝2×π×rt,i×lt，单位为m2，其为待求解参数；δtm为被冷却气体与换热管内壁的对数平均温差，单位为℃，由下式进行计算：

45、

46、式中，tg,i为气体被冷却前的温度，单位为℃，其为已知值；tt,i为换热管内壁温度，单位为℃，其为待求解参数；tg,o为气体被冷却后的温度，单位为℃，其为设定值；

47、h为管内对流换热系数，单位为w/(m2·k)，由下式进行计算：

48、

49、式中，λg为被冷却气体的导热系数，其与被冷却气体的种类、气体冷却前温度、气体冷却后温度有关，单位为w/(m·k)，其为已知值；rt,i为换热管内径，m；nu为努塞尔数，采用下式进行计算；

50、

51、式中，ref为雷诺数，计算公式为ref＝urt,i/v，u为气体速度，单位为m/s，其为设定值；rt,i为换热管内径，单位为m；v为气体黏度，单位为m2/s，其为已知值；prf为气体普朗特数，通过查询气体物性参数表获得，h为已知值；传热方程3具体为：

52、qg＝mc△tg

53、式中，qg为被冷却气体每秒钟的吸热量，单位为w，其为待求解参数；m为被冷却气体质量，单位为kg，其为已知值；c为气体比热，，单位为j/(kg·k)，其为已知值；δtg为气体被冷却前后的温差，δtg＝tg,i-tg,o，单位为℃，其为已知值。

54、进一步的，所述约束条件为qt＝qc＝qg。

55、综上所述，本发明的有益之处在于：

56、本发明设置气体冷却装置对气体进行冷却，并通过气体保温装置对冷却的气体进行保温，进一步保持管路内气体的低温状态，可使喷嘴出口处的最低气相温度保持在-196℃，使本装置可在宽范围流量条件下喷嘴出口处生成低温气体，满足喷嘴出口处的高气液温差，为研究气液高温差条件下浸没式喷吹气液两相流动传热过程提供新的技术支持。

57、本发明通过气体温度控制模块精确控制低温气体的温度，并通过气泡控制模块精确控制气泡的尺寸。