液氮中单管加注二氧化碳气体的实验研究

　　1 引言

　　随着制冷、低温液体传输、低温应用技术的迅速发展,低温液体过滤器的应用越来越广泛,其特性试验装置^[1]成为保证过滤器的质量和性能的必要检测设备,在低温超导、航天工程和宇宙探测等领域获得越来越多的应用。过滤器特性试验装置的性能直接影响其使用特性、检测过程的经济性和安全可靠性。为了获得均匀的固液混合物,使纯净的低温液体与掺杂的气体之间的混合得以稳定地进行,需设计合理的混合系统。

　　利用低温过滤器进行液氮净化时,将二氧化碳作为杂质,检验该过滤器的性能^[2]。本文着重探讨采用不锈钢盘管、大管径塑料管以及金属毛细管往液氮中加注一定流量下的常温二氧化碳气体时的固液混合过程、凝固颗粒大小以及管路的堵塞状况。

　　2 实验装置及测量方法

　　2. 1 实验装置

　　图1为利用待测管子往液氮中加注二氧化碳气体的凝固实验装置示意图,包括二氧化碳钢瓶、气体压力调节阀、气体质量流量计、真空绝热的玻璃杜瓦和液氮杜瓦。图2为不锈钢盘管外部尺寸图。表1为不锈钢盘管、塑料管、毛细管和玻璃杜瓦的具体尺寸。

　　2. 2 实验步骤

　　测量二氧化碳钢瓶出口压力、流量计入口压力以及二氧化碳的流量,在玻璃杜瓦中观察每种压力及流量下的固液混合过程,并根据流量判断是否发生堵塞。实验步骤如下:

　　(1)往玻璃杜瓦中加注液氮,并静置2小时,直至液面无雾且液体透明可见。记录液面高度。

　　(2)将气体压力调节阀连接至二氧化碳钢瓶的气体出口。在压力调节阀的出口,连接一个气体质量流量计(AlicatM-5SLPM-D/5M T),以记录二氧化碳的流量和流量计入口压力。

　　(3)将待测试的管子连接至气体质量流量计的出口,另一端置入玻璃杜瓦内的液氮中。待液氮沸腾蒸发之后,静置直至液面无雾且液体透明可见。

　　(4)打开二氧化碳钢瓶,调节气体压力调节阀,向玻璃杜瓦内的液氮中加注二氧化碳。必要时,调节气体压力调节阀的出口压力,以改变二氧化碳的流量。

　　(5)改变待测试管子沉浸在液氮内的深度,观察该深度对混合过程的影响。

　　3 实验结果分析

　　3. 1 不锈钢盘管加注的混合结果

　　杜瓦内液氮高度为40cm,即初始液氮体积为12.56升。二氧化碳流量及流量计入口压力变化如图3所示。刚开始加注时盘管管口有均匀的大气泡冒出,这是因为加入的二氧化碳未与液氮充分混合。但是,第2个点处,压力1.05141bar(绝对压力)时,仍然有较大流量,说明未堵塞。第3个点处,流量突然降低,增大气体压力调节阀的出口压力,但是流量并不升高,说明盘管中已经堵塞。之后2次加大压力,流量仍然没有升高。整个过程中二氧化碳的总流量为9升。