双波长动态液膜厚度与温度同步测量系统 下载: 842次
1 引言
液膜的形成、蒸发和流动现象广泛地存在于各种工业过程中,如热能工程、空调制冷、航空航天、石油化工等相关领域。例如,垂直管式蒸发器中降膜的形成和蒸发[1]、泡腾雾化器表面液膜的形成[2]、硬盘磁头与磁片表面润滑液膜的流动[3]、冷却塔中降膜的流动和冷却[4],以及汽车尾气脱硝的选择性催化还原系统中尾气排放管上尿素水溶液液膜的形成[5]。总之,液膜多参数(厚度、温度等)的同步测量对于设计和优化相关的工业过程至关重要。传统的温度测量方法,如热电偶法,虽然操作简单、价格低廉,但会对被测对象造成干扰,不适用于较薄液膜的测量。液膜厚度的测量方法通常分为两类:接触式和非接触式。接触式测量方法,如电容法和电导法,测量精度和测量范围易受液膜电导率、液膜表面形状和探针结构参数等因素的影响[6-7]。非接触式测量方法主要包括图像法和光学法等。图像法可以利用高分辨率的CCD(Charge-Coupled Device)相机采集液膜图像,将拍摄的图像进行二值化后获得液膜厚度[8-9]。然而,由于相机的景深有限,拍摄的图像可能会出现离焦模糊,从而影响测量精度[10]。光学法主要基于光的全反射[11-12]和激光光谱法,具有无干扰、高灵敏度和高精度等优点[13]。如Porter等[14]提出了一种双波长中红外激光吸收法同步测量气相燃料的摩尔分数和液体燃料膜厚度。Mignot等[15]基于吸收光谱技术测量了热力学条件下安全壳在发生严重事故时的液膜厚度。Schmidt等[16]开发了一种基于吸收光谱技术的测量系统,用于测量150~400 μm范围内的动态液膜厚度。Pan等[17-18]研制了一种多波长半导体激光吸收光谱(DLAS)测量系统,分别测定了NaCl水溶液和尿素水溶液的静态液膜蒸发过程中液膜的厚度、温度和溶质浓度,但这三个参数中其中一个参数(温度和浓度)必须为已知数。此外,Pan等[19]结合1412 nm和1353 nm两个波长的半导体激光器测量了已知温度下非透明表面上的液膜蒸发过程中液膜的厚度变化。Yang等[20]通过结合4个波数(6714.57,7082.89,7185.59,7390.13 cm-1)的半导体激光器,基于DLAS技术同步测量了纯水液膜蒸发过程中液膜厚度、温度及液膜上方水蒸气温度。然而,由于液膜蒸发后期存在剧烈的光束转向现象,穿过液膜后的透射光无法完全被探测器接收,从而影响测量精度。上述DLAS系统[17-20]均不能追踪静态液膜整个蒸发过程中液膜厚度的变化,并且也无法对动态液膜进行研究。
本文研究了基于双波长-DLAS技术的动态液膜厚度和温度同步测量系统,通过采用积分球以避免剧烈的光束转向现象,从而实现对动态液膜的高精度测量。首先利用已知液膜厚度和温度的标准具对该系统的测量精度进行验证。在此基础上,对水平放置的石英玻璃板上静态液膜的蒸发过程和不同液膜温度下流道中的动态液膜的流动过程进行研究。
2 基本原理
根据比尔-朗伯定律,波数为
式中:
式中:
综上,透射率仅取决于两个特定波数下的液膜厚度和温度。因此,选用两个波长来确定两个未知参数。
由于氢键作用[22],液态水在近红外区域存在一个宽带的吸收光谱。Yang 等[23]测得了在5500~8000 cm-1范围内不同温度下(25~75 ℃)的液态水高分辨率的吸收光谱图。在此选用实验室目前可用的激光器1(6718.2 cm-1)和激光器2(7040.8 cm-1)。在不同温度下,激光1和2的光谱红外吸收截面
式中:
图 1. 激光1和2的红外吸收截面σ(vi,Tl)随温度的变化
Fig. 1. Infrared absorption cross sections σ(vi,Tl) of lasers 1 and 2 versus temperature
表 1. 两个选定波数的液态水吸收截面的拟合参数
Table 1. Fitting parameters of liquid water absorption cross sections at two selected wavenumbers
|
通过联立(1)~(4)式,可见透射率仅是关于
令
所提双波长液膜测量系统对温度测量的灵敏度取决于
将(4)式代入(5)式,可得液膜温度
若液膜温度
3 实验装置和结果
3.1 测量系统
双波长DLAS液膜测量系统如
图 3. 双波长DLAS液膜测量系统示意图
Fig. 3. Schematic of two-wavelength DLAS liquid film measurement system
3.2 标准具验证
利用标准具[23]对双波长DLAS液膜测量系统的测量精度进行验证。当标准具已知液膜厚度(即两水平石英玻璃板间距)为200,400,600,800,1000 μm,液膜温度为308,315,323 K时,进行三次重复测量,结果如
图 4. 标准具验证实验结果。(a)液膜温度;(b)液膜厚度
Fig. 4. Experimental results of validation by calibration tool. (a) Liquid film temperature; (b) liquid film thickness
3.3 静态液膜研究
利用该测量系统研究水平石英玻璃板上的液膜蒸发过程,同时采用图像法和热电偶分别测量液膜厚度和温度,并与DLAS测得的结果进行比较。其中,DLAS的测点设置在水平石英玻璃板中心,图像法采用的CCD相机的像素为1.30万(XF-MT 0.8×110,IMI TECH,韩国),K型热电偶的直径为0.1 mm,通过热风枪(AT-A882D,ATTEN,深圳)(出口温度
图 5. 激光1和2在液膜蒸发过程中的透射光强和室温下的入射光强
Fig. 5. Time-dependent transmitted intensities during liquid film evaporation process and incident intensities at room temperature for lasers 1 and 2
图 6. 液膜蒸发过程中不同方法测得的液膜厚度和温度随时间的变化
Fig. 6. Time-resolved measurements of liquid film temperature and liquid film thickness during liquid film evaporation process obtained by different methods
图 7. 液膜蒸发过程中的4个特定时刻的阴影图像。(a) t=960 s;(b) t=2280 s;(c) t=3000 s;(d) t=3600 s
Fig. 7. Shadow graphs at four specific instants during liquid film evaporation process. (a) t=960 s; (b) t=2280 s; (c) t=3000 s; (d) t=3600 s
3.4 动态液膜研究
进一步利用双波长DLAS测量系统研究不同温度下流道中动态液膜的液膜厚度和温度的变化,实验装置如
图 8. 流道中动态液膜测量实验装置图
Fig. 8. Experimental setup of dynamic liquid film measurement in flow channel
图 9. 不同液膜温度下流道中液膜厚度和温度随时间的变化。(a) Tw=308 K;(b) Tw=315 K;(c) Tw=323 K
Fig. 9. Liquid film thickness and temperature in flow channel versus time for different liquid film temperatures. (a) Tw=308 K; (b) Tw=315 K; (c) Tw=323 K
4 结论
通过结合两个不同波数(6718.2 cm-1和7040.8 cm-1)的半导体激光器,研究了一种基于DLAS的测量系统,进行同步测量液膜厚度和温度。采用积分球以避免剧烈的光束转向现象,实现了对动态液膜的高精度测量。利用已知液膜厚度和温度的标准具验证系统的测量精度,其结果表明,该系统测得的液膜厚度和温度与相应的已知参数之间的平均误差分别为4.58%和1.34%。在此基础上,利用该测量系统研究水平石英玻璃板上静态液膜的蒸发过程,并采用图像法和热电偶对DLAS测量结果进行验证。结果表明,该系统可以追踪静态液膜整个蒸发过程中液膜厚度的变化。在热风枪出口温度为340 K的条件下,液膜的平均蒸发速率为0.34 μm/s,液膜的蒸发速率随液膜温度的升高而增大,且DLAS与热电偶和图像法测得的液膜温度和厚度的变化趋势一致、结果良好吻合。此外,利用该测量系统研究不同温度下流道中动态液膜的液膜厚度和温度。结果表明,当液膜温度为308,315,323 K时,1 s时间内液膜厚度有11次波动,液膜温度几乎保持恒定。由此可见,该测量系统在动态液膜研究中也表现出良好的性能。
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