[发明专利]一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统及其方法

说明书

本发明公开了一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统及其方法，其特征在于所述系统包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置，主要由空气压缩机、高压气瓶、气体增压器、高压缓冲容器、减压阀、机械压力表、高温高压可视容器、压力变送器、单向控制阀、微流量高压柱塞泵、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、温度控制器、冷凝器、背压阀、CCD相机和图像分析仪等设备组成。本发明可以实现高温高压环境下，甚至是水的超临界状态下的接触角测量，尤其适用于高温高压环境下水在金属表面的浸润行为研究。本发明具有工况参数高，应用范围广，操作便捷灵活，使用寿命长以及便于拓展改造等优点。

技术领域

本发明涉及到表面工艺、超临界CO₂地质封存技术和以沸腾传热为核心的动力装置、换热设备和热控系统中的强化换热等与表面浸润性有关的研究领域，尤其涉及到高温高压环境下，甚至是超临界环境下水在金属表面的浸润性的实验研究。

背景技术

浸润性是固体材料的最重要的表面特性之一。接触角(即静态接触角)是直接表征表面浸润性的主要参数。固体表面浸润性的研究和调控，对实际工业应用具有非常重要的作用，尤其是超亲水/疏水表面具有广阔的应用前景，例如超疏水表面的自清洁功能，超亲水表面的防雾功能。在能源动力、石油化工以及交通运输等领域，以沸腾传热为核心的动力装置、换热设备和热控系统中，超亲水/疏水表面应用于强化热交换，提高热效率，达到节能的目的。

从热力学的角度出发，表面浸润性对于传热的影响是显而易见的。在固体材料和液体工质组合确定的情况下，表面浸润性(接触角)受到各种因素的影响，包括表面的形貌和粗糙度以及环境温度和压力等。目前，针对环境温度和压力对表面浸润性的影响的研究很少，作用机理尚不明确，高温高压条件下水在金属表面上的浸润行为的研究相当有限，特别是在水的超临界状态下。超临界流体兼具气液两相的性质和优点，在超临界流体萃取，超临界锅炉以及超临界核反应堆等领域中具有积极而重要的作用，因此探究超临界状态下的浸润性无论是促进化学反应还是强化超临界流体的换热都是至关重要的。

但是，由于高温高压的实验工况给实验装置设计制造带来的很大困难，尤其是达到水的超临界状态，还将面临恶劣的氧化腐蚀等问题。在国内还未有适用于研究高温高压环境下甚至是超临界环境下水在金属表面的接触角变化规律的实验系统及方法。综上，发明制造出可靠的实验系统，开发出有效的接触角原位表征方法，有助于深入理解液体的浸润行为这一基础物理现象，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于设计发明出一个适用于测量高温高压环境下，甚至是水的超临界状态下液体在固体表面上的接触角的可视化实验系统及方法，以此来完成接触角的原位表征；同时，满足实验测试要求，具备较高的安全性；还可以实现智能且精准地变实验工况和图像采集及分析，具备灵活的改造拓展性和多种实验研究的适应性，便于研究液体在高温高压环境下的浸润行为这一基础物理现象，探究其理论机理。为此，并提供了一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统。

具体技术方案如下：

一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置。

测试装置包括圆柱形的高温高压可视容器，高温高压可视容器外壁安装有均匀嵌入6只加热管的加热缸套。高温高压可视容器的轴向两端设有两个视窗法兰。该容器径向的侧壁处开设有用于安装可拆卸测试平台的法兰。高温高压可视容器上开设有三个孔，第一开孔用于接入配气装置和安全阀，第二开孔位于高温高压容器轴向对称面的中心线处，用于接入压力传感器和进样装置，并采用不锈钢毛细针管进行液滴进样，第三开孔用于接入温度传感器和调压装置。