人工造雪喷雾和成核发生装置、控制方法及测试方法转让专利
申请号 : CN202110138696.4
文献号 : CN113008585B
文献日 : 2022-04-05
发明人 : 刘国强 , 熊通 , 晏刚
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种人工造雪喷雾和成核发生装置,其特征在于,包括冷水储箱(1),自来水经冷水储箱(1)顶部连接的补水管流入冷水储箱(1)内部,补水管上设置有补水管电磁阀(2);冷水储箱(1)内部的自来水经冷水储箱(1)底部连接的出水管与制冷循环器(5)的蒸发器进行换热,出水管上设置有冷却循环泵(3)和冷却泵止回阀(4),被蒸发器冷却的自来水经冷水储箱(1)顶部连接的回水管流回冷水储箱(1)内部;环境空气与制冷循环器(5)的冷凝器进行换热;冷水储箱(1)设置有热电偶(6),冷水储箱(1)设置有液位压力传感器(7);冷水储箱(1)内部冷水经冷水储箱(1)底部连接的出水总管流出,出水总管上设置有供水增压泵(8)和供水增压泵止回阀(9),供水增压泵(8)连接有供水增压泵变频调速器(13);出水总管在供水增压泵止回阀(9)后分为两条支路;一部分冷水增压后经第一冷水支路流入多个喷嘴(12)形成雾状液滴,第一冷水支路上设置有第一电动调节阀(14)、第一液体流量计(15)、第一水温传感器(16)和第一水压传感器(17),第一水压传感器(17)安装于第一冷水支路最末端;另一部分冷水增压后经第二冷水支路流入多个核子器(18)的进水孔,第二冷水支路上设置有第二电动调节阀(24)、第二液体流量计(25)、第二水温传感器(26)和第二水压传感器(27),第二水压传感器(27)安装于第二冷水支路最末端;空压机(10)连接有空压机变频调速器(19),环境空气被空压机(10)压缩后进入空气过滤器(11)过滤杂质,压缩空气经空气支路流入多个核子器(18)的进气孔,与冷水混合后形成雾状晶核,空气支路上设置有气体流量调节阀(20)、气体流量计(21)、空气温湿度传感器(22)和气压传感器(23);
环境温湿度传感器(28)设置于冷水储箱(1)附近;在雾状液滴或雾状晶核的两侧,光源(29)和高速摄像机(30)同轴对立设置,相位多普勒分析仪发射装置(31)和相位多普勒分析仪接受装置(32)同轴对立设置,相位多普勒分析仪接受装置(32)与相位频率处理器(33)相连;温度探针(34)设置于喷嘴(12)和核子器(18)的出口处;中央控制器(35)通过信号线与补水管电磁阀(2)、制冷循环器(5)、热电偶(6)、液位压力传感器(7)、供水增压泵变频调速器(13)、第一电动调节阀(14)、第一液体流量计(15)、第一水温传感器(16)、第一水压传感器(17)、空压机变频调速器(19)、气体流量调节阀(20)、气体流量计(21)、空气温湿度传感器(22)、气压传感器(23)、第二电动调节阀(24)、第二液体流量计(25)、第二水温传感器(26)、第二水压传感器(27)、环境温湿度传感器(28)和温度探针(34)连接,现场服务器(36)通过信号线与相位频率处理器(33)、中央控制器(35)和显示器(37)连接。
2.根据权利要求1所述的人工造雪喷雾和成核发生装置,其特征在于,所述冷水储箱(1)的1/3高度位置设置有热电偶(6),冷水储箱(1)的1/20高度位置设置有液位压力传感器(7)。
3.根据权利要求1所述的人工造雪喷雾和成核发生装置,其特征在于,所述制冷循环器(5)中的制冷剂采用冰箱冷柜制冷剂R600a或R290。
4.根据权利要求1所述的人工造雪喷雾和成核发生装置,其特征在于,所述光源(29)、高速摄像机(30)、相位多普勒分析仪发射装置(31)、相位多普勒分析仪接受装置(32)、相位频率处理器(33)和温度探针(34)移动至不同位置的单一喷嘴或单一核子器两侧进行可视化测试。
5.权利要求1至4任一项所述的人工造雪喷雾和成核发生装置的控制方法,其特征在于,所述冷水储箱(1)内的水量以液位压力传感器(7)输出信号为目标进行控制,中央控制器(35)采集压力值P,P小于设定下限值Pset‑10,开启补水管电磁阀(2)进行补水,P大于设定上限值Pset+10,关闭补水管电磁阀(2);所述冷水储箱(1)内的水温以热电偶(6)输出信号为目标进行控制,中央控制器(35)采集水箱水温值T,T大于设定上限值Tset+0.25,开启冷却循环泵(3)和制冷循环器(5)进行冷却,T小于设定下限值Tset‑0.25,关闭冷却循环泵(3)和制冷循环器(5);流入多个喷嘴(12)的冷水流量以第一液体流量计(15)输出信号为目标进行控制,流入多个喷嘴(12)的冷水压力以第一水压传感器(17)输出信号为目标进行控制,中央控制器(35)采集流量值和压力值,对供水增压泵变频调速器(13)的频率与第一电动调节阀(14)的开度进行耦合调节;流入多个核子器(18)的压缩空气流量以气体流量计(21)输出信号为目标进行控制,流入多个核子器(18)的气体压力以气压传感器(23)输出信号为目标进行控制,中央控制器(35)采集流量值和压力值,对空压机变频调速器(19)的频率与气体流量调节阀(20)的开度进行耦合调节;流入多个核子器(18)的冷水流量以第二液体流量计(25)输出信号为目标进行控制,流入多个核子器(18)的冷水压力以第二水压传感器(27)输出信号为目标进行控制,中央控制器(35)采集流量值和压力值,对供水增压泵变频调速器(13)的频率与第二电动调节阀(24)的开度进行耦合调节。
6.根据权利要求5所述的人工造雪喷雾和成核发生装置的控制方法,其特征在于,Pset的取值范围为490pa~1960pa,Tset的取值范围为0.5℃~10℃。
7.权利要求1至4任一项所述的人工造雪喷雾和成核发生装置的测试方法,其特征在于,初次启动前所有设备均关闭,仅测试喷嘴喷雾或核子器成核特性时,按时间顺序包括以下步骤:
1)环境温湿度调节至目标值;
2)开启补水管电磁阀(2),冷水储箱(1)水量补至目标值,关闭补水管电磁阀(2);
3)开启冷却循环泵(3)和制冷循环器(5),冷水储箱(1)水温冷却至目标值,关闭制冷循环器(5);
4)在冷水储箱(1)中加入活性添加剂,冷却循环泵(3)运行5~10min后关闭;
5)开启第一电动调节阀(14)、供水增压泵(8)和供水增压泵变频调速器(13),冷水流量和压力调节至目标值,保持第一电动调节阀(14)开度和供水增压泵变频调速器(13)频率不再动作;
6)移动光源(29)、高速摄像机(30)、相位多普勒分析仪发射装置(31)、相位多普勒分析仪接受装置(32)、相位频率处理器(33)和温度探针(34)对多个喷嘴(12)的雾状液滴进行测试;
7)测试完毕后,开启第二电动调节阀(24),关闭第一电动调节阀(14),冷水流量和压力调节至目标值,保持第二电动调节阀(24)开度和供水增压泵变频调速器(13)频率不再动作;
8)开启空压机(10)、气体流量调节阀(20)和空压机变频调速器(19),压缩空气流量和压力调节至目标值,保持气体流量调节阀(20)开度和空压机变频调速器(19)频率不再动作;
9)移动光源(29)、高速摄像机(30)、相位多普勒分析仪发射装置(31)、相位多普勒分析仪接受装置(32)、相位频率处理器(33)和温度探针(34)对多个核子器(18)的雾状晶核进行测试;
10)测试完毕后,优先关闭供水增压泵(8)和空压机(10),再关闭其他设备。
8.根据权利要求7所述的测试方法,其特征在于,从喷嘴(12)和核子器(18)的喷射口位置开始,测试点为3~5个,可视化测试点间距为最大喷射射程S的1/2、1/3或1/4,每个测试点重复性测试三次。
9.根据权利要求7所述的测试方法,其特征在于,同一时刻同时测试喷嘴喷雾和核子器核化时,所述多个喷嘴(12)和多个核子器(18)对立设置,同时开启供水增压泵(8)和空压机(10),使得多个喷嘴(12)的喷雾幕和多个核子器(18)的喷雾幕重合,移动光源(29)、高速摄像机(30)、相位多普勒分析仪发射装置(31)、相位多普勒分析仪接受装置(32)、相位频率处理器(33)和温度探针(34)测试重合部分的流体特性。
说明书 :
人工造雪喷雾和成核发生装置、控制方法及测试方法
技术领域
背景技术
单液相高压冷水,核子器内流体为液相高压冷水和气相压缩空气的混合物,喷嘴喷射的流
体为雾状液滴,核子器喷射的流体为雾状晶核,雾状液滴和雾状晶核发生碰撞后吸附成雪。
雾状液滴和雾状晶核的喷射特性如流动速度、粒径大小、雾幕角度等影响了成雪效率,而喷
嘴、核子器的内流体特性和内部结构是影响其喷射特性的决定性因素,为了开发高效雾化
的喷嘴、均匀核化的核子器,首先应对喷嘴和核子器的喷射特性进行精确地定量测试。
优劣,更多地是经验性分析,难以获得内流体和结构特征对喷嘴、核子器的喷射特性如流动
速度、粒径大小、雾幕角度、碰撞成雪等的影响,且目前尚无专门针对人工造雪领域内喷嘴
和核子器喷射性能进行测试的装置和测试方法。因此,本发明提出了一种人工造雪喷雾和
成核发生装置、控制方法及测试方法。
发明内容
补水管电磁阀、制冷循环器、供水增压泵、空压机、喷嘴、核子器、温度探针、光源、高速摄像
机、相位多普勒分析仪发射装置和接受装置等组成,可对冷水储箱水量、水温、喷嘴和核子
器的进水流量和压力、核子器进气流量和压力进行全自动化控制,并可对喷嘴雾化液滴和
核子器雾化晶核进行可视化测量,不仅可以对比不同工况下喷嘴、核子器喷射性能,且对比
不同型号喷嘴、核子器喷射性能。
经冷水储箱1底部连接的出水管与制冷循环器5的蒸发器进行换热,出水管上设置有冷却循
环泵3和冷却泵止回阀4,被蒸发器冷却的自来水经冷水储箱1顶部连接的回水管流回冷水
储箱1内部;环境空气与制冷循环器5的冷凝器进行换热;冷水储箱1设置有热电偶6,冷水储
箱1设置有液位压力传感器7;冷水储箱1内部冷水经冷水储箱1底部连接的出水总管流出,
出水总管上设置有供水增压泵8和供水增压泵止回阀9,供水增压泵8连接有供水增压泵变
频调速器13;出水总管在供水增压泵止回阀9后分为两条支路;部分冷水增压后经第一冷水
支路流入多个喷嘴12形成雾状液滴,第一冷水支路上设置有第一电动调节阀14、第一液体
流量计15、第一水温传感器16和第一水压传感器17,第一水压传感器17安装于第一冷水支
路最末端;另一部分冷水增压后经第二冷水支路流入多个核子器18的进水孔,第二冷水支
路上设置有第二电动调节阀24、第二液体流量计25、第二水温传感器26和第二水压传感器
27,第二水压传感器27安装于第二冷水支路最末端;空压机10连接有空压机变频调速器19,
环境空气被空压机10压缩后进入空气过滤器11过滤杂质,压缩空气经空气支路流入多个核
子器18 的进气孔,与冷水混合后形成雾状晶核,空气支路上设置有气体流量调节阀20、气
体流量计21、空气温湿度传感器22和气压传感器23;
装置32同轴对立设置,相位多普勒分析仪接受装置32与相位频率处理器33相连;温度探针
34设置于喷嘴12和核子器18的出口处;中央控制器35通过信号线与补水管电磁阀2、制冷循
环器5、热电偶6、液位压力传感器7、供水增压泵变频调速器13、第一电动调节阀14、第一液
体流量计15、第一水温传感器16、第一水压传感器17、空压机变频调速器19、气体流量调节
阀20、气体流量计21、空气温湿度传感器22、气压传感器23、第二电动调节阀24、第二液体流
量计25、第二水温传感器26、第二水压传感器27、环境温湿度传感器28、温度探针34连接,现
场服务器36通过信号线与相位频率处理器33、中央控制器35、显示器 37连接。
的单一喷嘴或单一核子器两侧进行可视化测试。
10,开启补水管电磁阀2进行补水,P大于设定上限值Pset+10,关闭补水管电磁阀2;冷水储箱
1内的水温以热电偶6输出信号为目标进行控制,中央控制器35采集水箱水温值T,T大于设
定上限值Tset+0.25,开启冷却循环泵3和制冷循环器5进行冷却,T小于设定下限值Tset‑
0.25,关闭冷却循环泵3和制冷循环器5;流入多个喷嘴12的冷水流量以第一液体流量计15
输出信号为目标进行控制,流入多个喷嘴12的冷水压力以第一水压传感器17输出信号为目
标进行控制,中央控制器35采集流量值和压力值,对供水增压泵变频调速器13的频率与第
一电动调节阀14 的开度进行耦合调节;流入多个核子器18的压缩空气流量以气体流量计
21输出信号为目标进行控制,流入多个核子器18的气体压力以气压传感器23输出信号为目
标进行控制,中央控制器35采集流量值和压力值,对空压机变频调速器19的频率与气体流
量调节阀20的开度进行耦合调节;流入多个核子器18的冷水流量以第二液体流量计 25输
出信号为目标进行控制,流入多个核子器18的冷水压力以第二水压传感器27输出信号为目
标进行控制,中央控制器35采集流量值和压力值,对供水增压泵变频调速器13的频率与第
二电动调节阀34 的开度进行耦合调节。
作;
重复性测试三次。
个喷嘴12的喷雾幕和多个核子器18的喷雾幕重合,移动光源29、高速摄像机30、相位多普勒
分析仪发射装置31、相位多普勒分析仪接受装置32、相位频率处理器33、温度探针34测试重
合部分的流体特性。
征核子器的核化喷射性能;
附图说明
具体实施方式
来水经冷水储箱1底部左侧连接的出水管与制冷循环器5的蒸发器进行换热,出水管上设置
有冷却循环泵3和冷却泵止回阀4,被蒸发器冷却的自来水经冷水储箱 1顶部左侧连接的回
水管流回冷水储箱1内部;环境空气与制冷循环器5的冷凝器进行换热,制冷循环器5采用制
冷剂R600a;冷水储箱 1的1/3高度位置设置有热电偶6,冷水储箱1的1/20高度位置设置有
液位压力传感器7;冷水储箱1内部冷水经冷水储箱1内部底部右侧连接的出水总管流出,出
水总管上设置有供水增压泵8和供水增压泵止回阀9,供水增压泵8连接有供水增压泵变频
调速器13;出水总管在供水增压泵止回阀9后分为两条支路;部分冷水增压后经第一冷水支
路流入多个喷嘴12形成雾状液滴,第一冷水支路上设置有第一电动调节阀14、第一液体流
量计15、第一水温传感器16和第一水压传感器17,第一水压传感器17安装于第一冷水支路
最末端;另一部分冷水增压后经第二冷水支路流入多个核子器18的进水孔,第二冷水支路
上设置有第二电动调节阀24、第二液体流量计25、第二水温传感器26和第二水压传感器27,
第二水压传感器27安装于第二冷水支路最末端;空压机10连接有空压机变频调速器19,环
境空气被空压机10压缩后进入空气过滤器11过滤杂质,压缩空气经空气支路流入多个核子
器18的进气孔,与冷水混合后形成雾状晶核,空气支路上设置有气体流量调节阀20、气体流
量计21、空气温湿度传感器 22和气压传感器23;
装置32同轴对立设置,相位多普勒分析仪接受装置32与相位频率处理器33相连;温度探针
34设置于喷嘴12和核子器18的出口处;中央控制器35通过信号线与补水管电磁阀2、制冷循
环器5、热电偶6、液位压力传感器7、供水增压泵变频调速器13、第一电动调节阀14、第一液
体流量计15、第一水温传感器16、第一水压传感器17、空压机变频调速器19、气体流量调节
阀20、气体流量计21、空气温湿度传感器22、气压传感器23、第二电动调节阀24、第二液体流
量计25、第二水温传感器26、第二水压传感器27、环境温湿度传感器28、温度探针34连接,现
场服务器36通过信号线与相位频率处理器33、中央控制器35、显示器 37连接。
将冷水流量设定为0.1m/h、压力设定为40bar;
度探针34移动至第一个喷嘴喷射射程的0、1/3、2/3和1位置,测试温度,打开光源,拍摄流体
流动轨迹,开启相位多普勒发射器和接收器,测试雾滴粒径大小;
设定为0.1m/h、压力设定为40bar;
定为0.2m/h、压力设定为6bar;
理器33、温度探针34移动至第一个核子器喷射射程的0、1/3、2/3和1位置,测试温度,打开光
源,拍摄流体流动轨迹,开启相位多普勒发射器和接收器,测试晶核粒径大小;
冷水流量设定为0.1m/h、压力设定为40bar,将进入核子器的冷水流量设定为0.1m /h、压力
3
设定为40bar,将进入核子器的压缩空气流量设定为0.2m/h、压力设定为6bar;
的中心位置,测试温度,打开光源,拍摄流体流动轨迹,开启相位多普勒发射器和接收器,测
试晶核粒径大小;