CN103837567A - 能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法，其中装置包括相互连通的压力平衡机构以及测量机构，压力平衡机构包括：储液罐；设有第一阀门的进液管；设有第二阀门的出液管，出液管上的一端与储液罐固定，另一端与所述测量机构固定。本发明能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法，通过平衡气体对被测液体进行加压的方法，保证被测液体始终处于过冷区；储液罐的体积远大于测量池的体积，压力几乎不受测量池液体升温膨胀的影响；测量池始终充满被测液体，避免了气泡的产生和蒸发对热流的影响，且气液界面始终位于远离测量池的储液罐中，因此测量精度高；一次升温实验可以得到同一压力下整个升温温区的比热容实验数据，节省了实验时间。

Description

能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法

技术领域

本发明涉及液体比热容测量技术领域，具体涉及能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法。

背景技术

比热容(specific heat capacity)又称比热容量，简称比热(specific heat)，是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的热量。

物质的比热容与所进行的过程有关。在工程应用上常用的有定压比热容Cp、定容比热容Cv和饱和状态比热容三种。

定压比热容Cp：是单位质量的物质在压力不变的条件下，温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。

定容比热容Cv：是单位质量的物质在容积（体积）不变的条件下，温度升高或下降1℃或1K吸收或放出的内能。

饱和状态比热容：是单位质量的物质在某饱和状态时，温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的热量。

液体的比热容是衡量液体热力学性质的重要指标。所以一天比热容的测定具有重要意义。

如申请公布号为CN101793850A的专利文献公开一种适用于流动型流体定压比热容测定的实验装置，用于测定流动状态下的流体定压比热容。

对于制冷剂等化工产品，液态比热容数据对于它们热力学状态方程的建立以及在工程应用中的热力计算都具有不可或缺的重要意义。

很多制冷剂等化工产品都属于易挥发的物质,通常沸点比较低，在常温常压下为气态存在。为了使这类化工产品在常温及以上较高温区呈现为液态，就必须对它们作加压处理。这也是制冷剂等化工产品液相比热测量与普通液体液相比热测量最大的区别和最大的难点所在。目前国际上较为常见的方法，是通过高压泵驱动被测流体在闭合回路内循环，流体流经量热仪而被加热。在此过程中，通过测量流体的质量流量、进出量热仪的温差以及加热热流即可得到流体在实验压力和实验温度下的比热容。该方法结构较为复杂，关键参数流体的质量流量比较难以精确地控制以及测量，并且此方法一次实验只能测得一个温度压力下的数据。

2010年，日本学者提出了一种利用波纹管的膨胀来测量制冷剂等化工产品液相流体比热的新方法。该方法将制冷剂等流体充注在可自由伸缩的波纹管中，在波纹管的外部对其加压，以此保证波纹管内的流体呈液态。装置通过插入波纹管中的加热棒对流体加热，记录加热功率以及流体的温度变化，从而得到流体的液相比热容。此方法可以较为方便的控制被测流体的压力，且一次加热实验可以测得同一压力位下不同温度位的比热容。但是该技术的缺陷是波纹管自身具有一定的张力，这就使得波纹管内部的流体压力与外部压力存在一定的压力差，且该压力差会随着流体升温膨胀而改变，从而使得内部流体的压力很难稳定。另外，使用加热棒在波纹管内部进行加热的方法会到导致升温过程中流体的温度在空间上的分布不均匀，这亦给精确测定流体的温度带来了困难。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种能自平衡加压的液体比热容测量装置及方法。解决的了现有技术不能精确测量易挥发液体的比热容的问题。

一种能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，包括相互连通的压力平衡机构以及测量机构，所述压力平衡机构包括：

储液罐；

进液管，位于储液罐的外侧，进液管上设有第一阀门，且进液管一端与储液罐相连；

出液管，位于储液罐的外侧，出液管上设有第二阀门，且一端与储液罐固定，另一端与所述测量机构固定；

所述测量机构包括：

测量池，用于容纳被测液体，且测量池与出液管相连；

加热元件，位于测量池的外侧，加热所述测量池；

第一温度传感器，用于测定测量池外壁的温度；

第一热流测量元件，分布在测量池的外壁，用于测定测量池的热流量信号；

压力传感器，用于测量被测液体的压力。

所述压力传感器设置在测量池的顶端或者出液管上。

加热元件可以为加热丝或者加热片，加热元件可以直接贴合在测量池外表面上，为了使测量池受热更加均匀，作为优选，所述测量机构还包括填充在加热元件和测量池之间的保温介质。

作为优选，还包括用于容纳所述测量池、加热元件、第一温度传感器、第一热流测量元件的加热箱，所述加热箱的内侧壁均布有所述加热元件，加热箱内还设有对比池，该对比池与测量池相对于加热箱的中心线对称布置，对比池的外壁设有测定对比池的热流量信号的第二热流测量元件。所述对比池的各项参数与测量池一致，在计算时，利用对比池的数据能够剔除测量池池体的比热容对于热量的影响，且测量池和对比池的数据同步测量，测量效率高。

作为优选，所述对比池的外壁设有用于测定对比池外壁温度的第二温度传感器。

正常状态，第一温度传感器和第二温度传感器的数据相同。通过比对第一温度传感器和第二温度传感器的数据可以判定加热盒的性能，以及测定数据的可靠度。

为了使测得的对比池的热流量信号更加精准，作为优选，所述对比池通过管路连接有对比罐，该管路上设有第三阀门，所述对比罐的外侧固定有带有第四阀门的操作管，所述储液罐和所述对比罐相关于加热箱的中心线对称，且所述对比罐和对比池之间的管路与出液管关于加热箱的中心线对称。

这样使得测量池和对比池两个系统的条件完全一致，数据更准确。

当被测液体为混合液体时，因为各种原因会导致混合后各液体所占比例会有微量变化，为了更精准的测定混合液体中各液体的比例，作为优选，所述储液罐的中下部还设有取样管，该取样管上设有第五阀门。通过取样管能够从储液罐中得到被测液体，在测量混合液体的比热容时，可以通过取样管得到混合液体，并测得更精准的混合液体中各液体的比例，避免混合后各液体比例的微量变化。

作为优选，所述加热箱的外壁还盘绕有冷却管。向冷却管充入冷介质能够使加热箱降温，冷却介质可以为水、空气或者液氮等。

作为优选，所述加热箱位于封闭的冷却箱内，该冷却箱内具有一个冷却介质入口和一个冷却介质出口。通过向冷却箱充入冷却介质，能够使加热箱降温，冷却介质可以为水、空气或者液氮等。

作为优选，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门为手动阀、电磁阀或者电动阀。

本发明还提供了一种液体比热容的测量方法，包括以下步骤：

1）提供相互连通的储液罐和测量池，将储液罐和测量池抽真空，抽真空后，将储液罐的阀门关闭，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体；

2）对测量池进行均匀加热，测定在测量池内部为真空状态时测量池外壁的温度信号T＇和测量池外壁的热流量信号HF_blank；

3）在储液罐和测量池的内部为真空状态下，关闭储液罐和测量池之间的阀门，向储液罐内充注被测液体，待被测液体稳定后，打开储液罐和测量池之间的阀门，使被测液体填满测量池，且被测液体填满测量池时，储液罐内还具有部分被测液体；

4）向储液罐内充入平衡气体，至设定压力后停止充入，并将储液罐的阀门关闭，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体；

5）对测量池进行均匀加热，测定在测量池内充满被测液体时测量池外壁的温度信号T和测量池外壁的热流量信号HFsam_ple；

6）通过计算得到被测液体的比热容Cp，计算公式为：其中，dT/dt是步骤5）采集到的测量池外壁的温度信号T对时间的导数，即升温速率；ρ是被测液体的密度；V是测量池的容积。

所述步骤3）中，当被测液体为混合液体时，应依据各液体在室温下饱和压力，由低到高的顺序依次充注至储液罐中，待混合液体压力稳定且混合均匀后再打开储液罐和测量池之间的阀门，同时通过储液罐的取样管抽取适量混合液体，确定混合液体各成分的确切比例。

所述步骤4）中的平衡气体为与被测液体不反应、在被测液体中溶解度小且沸点远低于被测液体的气体。

作为优选，所述平衡气体为氮气、氦气或氩气。

通过增加对比池，提高测量效率，本发明还提供了一种液体比热容的测量方法，包括以下步骤：

1）提供储液罐以及测量池和对比池，其中，测量池和对比池各参数完全相同，所述储液罐和测量池通过管路连通，将储液罐、测量池和对比池均抽真空；

2）在储液罐和测量池的内部为真空状态下，关闭储液罐和测量池之间的阀门，向储液罐内充注被测液体，待被测液体稳定后，打开储液罐和测量池之间的阀门，使被测液体填满测量池，且被测液体填满测量池时，储液罐内还具有部分被测液体；

3）向储液罐内充入平衡气体，至设定压力后停止充入，并将储液罐的阀门关闭，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体；

4）同时对加热测量池和对比池进行均匀加热，并保证测量池和对比池受热情况相同，测定测量池外壁的温度信号T和测量池外壁的热流量信号HF_sample，测定对比池外壁的温度信号T＇和对比池外壁的热流量信号HF_blank；

5）通过计算得到被测液体的比热容Cp，计算公式为：

其中，dT/dt是测量池外壁的温度信号T对时间的导数，即升温速率；ρ是被测液体的密度；V是测量池的容积。

所述步骤2）中，当被测液体为混合液体时，应依据各液体在室温下饱和压力，由低到高的顺序依次充注至储液罐中，待混合液体压力稳定且混合均匀后再打开储液罐和测量池之间的阀门，同时通过储液罐的取样管抽取适量混合液体，确定混合液体各成分的确切比例。

所述步骤3）中的平衡气体为与被测液体不反应、在被测液体中溶解度小且沸点远低于被测液体的气体。

作为优选，所述平衡气体为氮气、氦气或氩气。

本发明的有益效果是：

①通过平衡气体加压的方法，可以保证在较高温度范围内的实验过程中，被测液体始终处于过冷区；

②压力的调节非常方便，由于储液罐的体积远大于测量池的体积，被测液体在升温过程中可始终保持体系压力稳定而不受测量池液体升温膨胀的影响；

③当被测液体为混合液体时，混合液体在储液罐中混合均匀后进入测量池，在测量混合液体比热容时可以很好的保证混合液体中各液体的成分准确；

④加热过程被测液体从测量池中自由地膨胀到管路中，测量池容积内始终充满液体，这样既避免了气泡的产生又避免了液体的蒸发对热流的影响；

⑤由于采用的平衡气体与被测液体不反应、在被测液体中溶解度小且沸点远低于被测液体的气体，并且气液界面始终位于远离测量池的储液罐中，因此避免了气体的引入对测量池内被测液体成分的影响；

⑥一次升温实验可以得到同一压力下整个升温温区的比热容实验数据，节省了实验时间。

附图说明

图1是本发明设有对比池的液体比热容测量装置的结构示意图；

图2是本发明未设有对比池的液体比热容测量装置的结构示意图。

图中各附图标记为：

1.第五阀门，2.取样管，3.储液罐，4.第一阀门，5.进液管，6.第二阀门，7.出液管，8.第三阀门，9.对比罐，10.第四阀门，11.加热箱，12.冷却介质出口，13.第二热流测量元件，14.对比池，15.保温介质，16.第二温度传感器，17.第一温度传感器，18.测量池，19.第一热流测量元件，20.加热元件，21.冷却介质入口，22.冷却箱，23.压力传感器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种能自平衡加压的液体比热容测量装置，包括相互连通的压力平衡机构以及测量机构，压力平衡机构包括：

储液罐3；

进液管5，位于储液罐的外侧，进液管上设有第一阀门4，且进液管一端与储液罐相连；

出液管7，位于储液罐的外侧，出液管上设有第二阀门6，且一端与储液罐固定，另一端与测量机构固定；

取样管2，位于储液罐的中下部，该取样管上设有第五阀门1。

测量机构包括：

加热箱11，内壁均布有加热元件20；

测量池18，位于加热箱内，用于容纳被测液体，且测量池与出液管相连；

保温介质15，填充在加热箱的内壁和测量池之间；

第一温度传感器17，设置在热量池的周围，用于测定测量池外壁的温度；

第一热流测量元件19，分布在测量池的周围，用于测定测量池的热流量信号；

压力传感器23，设置在出液管上，用于测量被测液体的压力。

加热箱11内还设有对比池14，该对比池与测量池相对于加热箱的中心线对称布置。对比池的周围设有第二热流测量元件13。对比池的各项参数与测量池一致，对比池的外侧壁设有用于测定对比池外壁温度的第二温度传感器16。

对比池通过管路连接有对比罐9，该管路上设有第三阀门8，对比罐的外侧固定有带有第四阀门10的操作管。

本实施例第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门为手动阀、电磁阀或者电动阀；第一温度传感器和第二温度传感器均为热电偶。

如图1所述，加热箱位于封闭的冷却箱22内，该冷却箱内具有一个冷却介质入口21和一个冷却介质出口12。通过向冷却箱充入冷却介质，能够使加热箱11降温，冷却介质可以为水、空气或者液氮等。除了冷却箱进行冷却，还可以在加热箱的外壁盘绕冷却管，向冷却管充入冷介质能够使加热箱降温，冷却介质可以为水、空气或者液氮等。

利用本实施例装置测量制冷剂二氟一氯甲烷（R22）的比热容的方法，包括以下步骤：

1）打开第一阀门4和第二阀门6，将储液罐3和测量池18抽真空，打开第三阀门8和第四阀门10，将对比池抽真空，并关闭第四阀门10。

2）关闭第二阀门6，向储液罐内充入二氟一氯甲烷，待二氟一氯甲烷压力稳定后，打开第二阀门6，使二氟一氯甲烷填满测量池18，且二氟一氯甲烷填满测量池时，储液罐内还具有二氟一氯甲烷。

当充入储液罐的为混合液体，应依据混合液体中各液体在室温下饱和压力，由低到高的顺序依次充注，待混合液体压力稳定，且混合均匀后，打开第二阀门，让混合液体通过管路流入到测量池中，同时通过储液罐的取样管2抽取适量混合液体，确定混合液体各成分的确切比例。

3）向储液罐内充入平衡气体，至设定压力后停止输入，并将第一阀门关闭，此时储液罐和测量池构成一个封闭的腔体。

平衡气体为与二氟一氯甲烷不反应、在二氟一氯甲烷中溶解度小且沸点远低于二氟一氯甲烷的气体。如氮气、氦气或氩气，因为气液界面始终位于远离测量池的储液罐中，避免了平衡气体的引入对测量池内二氟一氯甲烷成分的影响。

4）加热箱11内加热元件工作20工作，对加热测量池和对比池进行均匀加热，测定测量池外壁的温度信号T和测量池外壁的热流量信号HF_sample，测定对比池外壁的温度信号T＇和对比池外壁的热流量信号HF_blank；

正常状态，测定测量池外壁的温度信号T和对比池外壁的温度信号T＇相同。通过比对测定测量池外壁的温度信号T和对比池外壁的温度信号T＇，可以判定测量池和对比池受热是否均匀，可以保证测定数据的可靠度，当测定测量池外壁的温度信号T和对比池外壁的温度信号T＇不同时，应检测装置是否出现故障。

5）通过计算得到二氟一氯甲烷的比热容Cp，计算公式为：

其中，dT/dt是测量池外壁的温度信号T对时间的导数，即升温速率；ρ是被测液体的密度；V是测量池的容积。

采用本实施例测量的制冷剂二氟一氯甲烷（R22）在305K至345K温区，1.5MPa至5MPa压力范围内，比热容的数据的精度可达0.3～1%。

所示实施例，还可以精确测量R152,DME,R134a等纯物质的液态比热容，也可以精确测量R152+R134a，或者其它混合制冷剂的液态比热容。

实施例2

如图2所示，本实施在实施例1的基础上移除了对比罐、对比池、第二温度传感器以及第二热流测量元件。

利用本实施例装置测量制冷剂二氟一氯甲烷（R22）的比热容的方法，包括以下步骤：

1）打开第一阀门4和第二阀门6，将储液罐3和测量池18抽真空，抽完真空后关闭第一阀门4，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体，加热元件20工作，对加热测量池进行均匀加热，测定在测量池内部为真空状态时测量池外壁的温度信号T＇和测量池外壁的热流量信号HF_blank；

2）向冷却介质入口21充入冷水或空气，对加热箱进行冷却。

3）冷却完成后，关闭第二阀门6，向储液罐内充入二氟一氯甲烷，待二氟一氯甲烷压力稳定后，打开第二阀门6，使二氟一氯甲烷填满测量池18，且二氟一氯甲烷填满测量池时，储液罐内还具有二氟一氯甲烷。

当充入储液罐的为混合液体，应依据混合液体中各液体在室温下饱和压力，由低到高的顺序依次充注，待混合液体压力稳定，且混合均匀后，打开第二阀门，让混合液体通过管路流入到测量池中，同时通过储液罐的取样管2抽取适量混合液体，确定混合液体各成分的确切比例。

4）向储液罐内充入平衡气体，至设定压力后停止输入，并将第一阀门关闭，此时储液罐和测量池构成一个封闭的腔体。

平衡气体为与二氟一氯甲烷不反应、在二氟一氯甲烷中溶解度小且沸点远低于二氟一氯甲烷的气体。如氮气、氦气或氩气，因为气液界面始终位于远离测量池的储液罐中，避免了平衡气体的引入对测量池内二氟一氯甲烷成分的影响。

5）加热箱11内加热元件工作20工作，对加热测量池进行均匀加热，测定在测量池内充满被测液体时测量池外壁的温度信号T和测量池外壁的热流量信号HF_sample；

6）通过计算得到被测液体的比热容Cp，计算公式为：

其中，其中，dT/dt是步骤5）采集到的测量池外壁的温度信号T对时间的导数，即升温速率；ρ是被测液体的密度；V是测量池的容积。

Claims (10)

1.一种能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，包括相互连通的压力平衡机构以及测量机构，所述压力平衡机构包括：

储液罐；

进液管，位于储液罐的外侧，进液管上设有第一阀门，且进液管一端与储液罐相连；

出液管，位于储液罐的外侧，出液管上设有第二阀门，且一端与储液罐固定，另一端与所述测量机构固定；

所述测量机构包括：

测量池，用于容纳被测液体，且测量池与出液管相连；

加热元件，位于测量池的外侧，加热所述测量池；

第一温度传感器，用于测定测量池外壁的温度；

第一热流测量元件，分布在测量池的外壁，用于测定测量池的热流量信号；

压力传感器，用于测量被测液体的压力。

2.根据权利要求1所述的能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，所述测量机构还包括填充在加热元件和测量池之间的保温介质。

3.根据权利要求2所述的能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，还包括用于容纳所述测量池、加热元件、第一温度传感器、第一热流测量元件的加热箱，所述加热箱的内侧壁均布有所述加热元件，加热箱内还设有对比池，该对比池与测量池相对于加热箱的中心线对称布置，对比池的外壁设有测定对比池的热流量信号的第二热流测量元件。

4.根据权利要求3所述的能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，所述对比池的外壁设有用于测定对比池外壁温度的第二温度传感器。

5.根据权利要求4所述的能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，所述对比池通过管路连接有对比罐，该管路上设有第三阀门，所述对比罐的外侧固定有带有第四阀门的操作管，所述储液罐和所述对比罐相关于加热箱的中心线对称，且所述对比罐和对比池之间的管路与出液管关于加热箱的中心线对称。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的能自平衡加压的液体比热容测量装置，其特征在于，所述储液罐的中下部还设有取样管，该取样管上设有第五阀门。

7.一种液体比热容的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）提供相互连通的储液罐和测量池，将储液罐和测量池抽真空，抽真空后，将储液罐的阀门关闭，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体；

2）对测量池进行均匀加热，测定在测量池内部为真空状态时测量池外壁的温度信号T＇和测量池外壁的热流量信号HF_blank；

3）在储液罐和测量池的内部为真空状态下，关闭储液罐和测量池之间的阀门，向储液罐内充注被测液体，待被测液体稳定后，打开储液罐和测量池之间的阀门，使被测液体填满测量池，且被测液体填满测量池时，储液罐内还具有部分被测液体；

4）向储液罐内充入平衡气体，至设定压力后停止充入，并将储液罐的阀门关闭，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体；

5）对测量池进行均匀加热，测定在测量池内充满被测液体时测量池外壁的温度信号T和测量池外壁的热流量信号HF_sample；

6）通过计算得到被测液体的比热容Cp，计算公式为：

其中，dT/dt是步骤5）采集到的测量池外壁的温度信号T对时间的导数，即升温速率；ρ是被测液体的密度；V是测量池的容积。

8.根据权利要求7所述的液体比热容的测量方法，其特征在于，所述步骤3）中，当被测液体为混合液体时，应依据各液体在室温下饱和压力，由低到高的顺序依次充注至储液罐中，待混合液体压力稳定且混合均匀后再打开储液罐和测量池之间的阀门，同时通过储液罐的取样管抽取适量混合液体，确定混合液体各成分的确切比例。

9.一种液体比热容的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）提供储液罐以及测量池和对比池，其中，测量池和对比池各参数完全相同，所述储液罐和测量池通过管路连通，将储液罐、测量池和对比池均抽真空；

2）在储液罐和测量池的内部为真空状态下，关闭储液罐和测量池之间的阀门，向储液罐内充注被测液体，待被测液体稳定后，打开储液罐和测量池之间的阀门，使被测液体填满测量池，且被测液体填满测量池时，储液罐内还具有部分被测液体；

3）向储液罐内充入平衡气体，至设定压力后停止充入，并将储液罐的阀门关闭，使储液罐和测量池构成一个封闭的腔体；

4）同时对加热测量池和对比池进行均匀加热，并保证测量池和对比池受热情况相同，测定测量池外壁的温度信号T和测量池外壁的热流量信号HF_sample，测定对比池外壁的温度信号T＇和对比池外壁的热流量信号HF_blank；

5）通过计算得到被测液体的比热容Cp，计算公式为：

其中，dT/dt是测量池外壁的温度信号T对时间的导数，即升温速率；ρ是被测液体的密度；V是测量池的容积。

10.根据权利要求9所述的液体比热容的测量方法，其特征在于，所述步骤2）中，当被测液体为混合液体时，应依据各液体在室温下饱和压力，由低到高的顺序依次充注至储液罐中，待混合液体压力稳定且混合均匀后再打开储液罐和测量池之间的阀门，同时通过储液罐的取样管抽取适量混合液体，确定混合液体各成分的确切比例。

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