CN105489094A - 一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，包括：一实验箱体；一设置在实验箱体内的蒸气发生筒体，蒸气发生筒体的前、后侧筒端分别密封设置有前、后透明石英玻璃，前透明石英玻璃位于实验箱体的观察窗口内；一位于后透明石英玻璃后侧的光源发生器；一设置在实验箱体内的加热系统；一设置在所述实验箱体内的冷却系统；一设置在蒸气发生筒体上的温度传感器；一设置在蒸气发生筒体上的压力传感器；一与蒸气发生筒体连通的注液阀；一与蒸气发生筒体连通的排液阀；以及一分别与光源发生器、加热系统、冷却系统、温度传感器以及压力传感器连接的上位机。本发明的实验台测试范围广、承压压力高、操作简单且安全可靠、提高实验效率。

Description

一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台

技术领域

本发明涉及教学实验台，尤其涉及一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台。

背景技术

热力学物性——气液两相饱和状态实验和观测是国家级精品课程“工程热力学”中一项非常重要的实验内容，目前已有的水的饱和压力和温度关系实验台是在90年代开发的实验台，实验过程中学生仅能测量水的气液饱和压力与温度的关系，不能观察临界乳光等跨临界奇异现象，且除了水工质外，该实验台不能观测其他工质。对于目前科研发展中其他工质的亚临界及超临界状态的物性状态，学生更是无法了解和体验，这种实验台已经不能满足现代教学发展的需求。

为此，浙江大学开发了一种临界乳光实验台，其采用直径1mm的玻璃实验管来实现的，由于玻璃实验管的直径小，学生观察非常困难，实验台的压力和温度测点也不好布置和测量。

此外，现有用于观察气液两相饱和状态的实验台中只有加热，没有冷却，做完一次实验后需要很长时间的自然冷却才能进行下一组实验，实验台的承压有限，一般最大承压力为1MPa，这也使得学生对物性类型、物性状态的感受有限，与此同时，现有的实验台外观陈旧，不能有良好的操作体验，给学生做实验造成诸多不便。

为此，申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有用于观察气液两相饱和状态的实验台存在的不足而提供一种测试范围广、承压压力高、操作简单且安全可靠、便于观测、提高实验效率的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，包括：

一实验箱体，所述实验箱体的前侧面上开设有一观察窗口；

一设置在所述实验箱体内的蒸气发生筒体，所述蒸气发生筒体的前、后侧筒端分别密封设置有前、后透明石英玻璃，所述蒸气发生筒体的前侧筒端上的前透明石英玻璃位于所述实验箱体的观察窗口内；

一设置在所述实验箱体内且位于所述蒸气发生筒体的后侧筒端上的后透明石英玻璃后侧的光源发生器；

一设置在所述实验箱体内的用于对所述蒸气发生筒体进行加热的加热系统；

一设置在所述实验箱体内的用于对所述蒸气发生筒体进行冷却的冷却系统；

一设置在所述蒸气发生筒体上的用于实时监测所述蒸气发生筒体内的温度的温度传感器；

一设置在所述蒸气发生筒体上的用于实时监测所述蒸气发生筒体内的压力的压力传感器；

一设置在所述实验箱体的侧部且与所述蒸气发生筒体连通的用于向所述蒸气发生筒体内注入实验工质的注液阀；

一设置在所述实验箱体的侧部且与所述蒸气发生筒体连通的用于将所述蒸气发生筒体内的实验工质排出外部的排液阀；以及

一集成在所述实验箱体内且分别与所述光源发生器、加热系统、冷却系统、温度传感器以及压力传感器连接的上位机。

在本发明的一个优选实施例中，所述加热系统包括一半圆状加热器以及一直流调压器，所述半圆状加热器包覆在所述蒸气发生筒体的外筒面的下部，所述直流调压器与所述半圆状加热器连接，用于调节所述半圆状加热器的加热量，所述直流调压器还与所述上位机控制连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述冷却系统包括一半圆状冷却水套、一冷却水箱、一潜水泵以及一制冷器，所述半圆状冷却水套包覆在所述蒸气发生器筒体的外筒面的上部，所述潜水泵安装在所述冷却水箱的底部，所述半圆状冷却水套的冷却水进口通过管路伸入所述冷却水箱内与所述潜水泵的出水口连接，其冷却水出口通过管路与所述冷却水箱的回水口连接，所述制冷器安装在所述冷却水箱内且与所述上位机控制连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述制冷器为半导体制冷器。

在本发明的一个优选实施例中，所述上位机具有一液晶触摸显示屏，所述液晶触摸显示屏位于所述实验箱体的前侧面上。

在本发明的一个优选实施例中，所述上位机具有一超温保护单元和一温度报警单元，当所述上位机检测到所述温度传感器传送过来的温度信号超出标准范围时，所述上位机触发所述超温保护单元和温度报警单元进行工作，所述超温保护单元向所述加热系统发出停止控制信号，所述加热系统接收到该停止控制信号后停止对所述蒸气发生筒体进行加热，所述温度报警单元发出温度警报提醒实验人员。

在本发明的一个优选实施例中，所述上位机还具有一超压保护单元和一压力报警单元，当所述上位机检测到所述压力传感器传送过来的压力信号超出标准范围时，所述上位机触发所述超压保护单元和压力报警单元进行工作，所述超压保护单元向所述加热系统发出停止控制信号，所述加热系统接收到该停止控制信号后停止对所述蒸气发生筒体进行加热，所述压力报警单元发出压力警报提醒实验人员。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一安装在所述蒸气发生筒体上的压力表，便于实验人员随时观察所述蒸气发生筒体内的压力值。

在本发明的一个优选实施例中，所述光源发生器为LED灯。

在本发明的一个优选实施例中，所述蒸气发生筒体采用不锈钢制成，所述前、后透明石英玻璃为高强度石英玻璃。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：

1)本发明的实验台测试范围广，可做多种实验工质，例如R134a、R600a、R410A、二氧化碳、水等多种环保工质的饱和蒸气压力和温度关系和比热容物性测量实验；

2)本发明的蒸气发生筒体由不锈钢制成，前、后透明石英玻璃为高强度石英玻璃，系统承压力最高可达10MPa，可使工质达到亚临界及超临界状态，同时带有压力报警和超压保护系统；

3)实验台带温度报警和超温保护系统，保证实验过程安全可靠；

4)高精度压力、温度传感器，使得测试精度优于1％；

5)本发明的上位机的液晶触摸显示屏实时显示系统温度、压力、功率等数据及数据曲线，并可生成实验报表，导出实验数据，便于学生进行实验数据分析；

6)加热器采用铸铝工艺，与蒸气发生筒体相互配合，加热传热均匀，加热量可调节；

7)充分考虑安全性能，可视承压罐外侧用双层石英玻璃保护；

8)为保证视觉体验，本发明的实验箱体内装有光源发生器，例如LED灯等，视觉效果柔和、均匀，视窗后面可放图片做背景来了解临界过程的界面变化，便于观察实验现象；

9)本发明的蒸气发生筒体上安装有冷却系统，冷却系统可采用水冷或风冷等形式，确保实验快速启停，提高实验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的工作原理示意图。

图3是本发明的内部各部件的连接结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1至图3，图中给出的是一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，包括实验箱体100、蒸气发生筒体200、光源发生器300、加热系统400、冷却系统500、温度传感器600、压力传感器700、注液阀810、排液阀820以及上位机900。

实验箱体100的前侧面上开设有一观察窗口110。

蒸气发生筒体200沿实验箱体100的前侧面向后侧面的方向横卧于实验箱体100内，蒸气发生筒体200的前、后侧筒端分别密封设置有前、后透明石英玻璃210、220，蒸气发生筒体200的前侧筒端上的前透明石英玻璃210位于实验箱体100的观察窗口110内。在本实施例中，蒸气发生筒体200采用不锈钢制成，前、后透明石英玻璃210、220为高强度石英玻璃，这样使得系统承压力最高可达10MPa。

光源发生器300设置在实验箱体100内且位于蒸气发生筒体200的后侧筒端上的后透明石英玻璃220的后侧，在本实施例中，光源发生器300优选地采用LED灯。光源发生器300还与上位机900连接，由上位机900控制其光源的明暗。另外，还可以在光源发生器300与蒸气发生筒体200的后侧筒端上的后透明石英玻璃220之间放置图片作为背景，便于实验人员在观察时了解临界过程的界面变化，便于观察实验现象。

加热系统400设置在实验箱体100内，用于对蒸气发生筒体200进行加热。具体地，加热系统400包括一半圆状加热器410以及一直流调压器420，半圆状加热器410包覆在蒸气发生筒体200的外筒面的下部，使得半圆状加热器410对蒸气发生筒体200加热更加均匀，直流调压器420与半圆状加热器410连接，用于调节半圆状加热器410的加热量，直流调压器420还与上位机900控制连接。

冷却系统500设置在实验箱体100内，用于对蒸气发生筒体200进行冷却。具体地，冷却系统500包括一半圆状冷却水套510、一冷却水箱520、一潜水泵530以及一制冷器540，半圆状冷却水套510包覆在蒸气发生筒体200的外筒面的上部，并与半圆状加热器410呈上下对称布置，潜水泵530安装在冷却水箱520的底部，半圆状冷却水套510的冷却水进口511通过管路伸入冷却水箱520内与潜水泵530的出水口连接，其冷却水出口512通过管路与冷却水箱520的回水口521连接，制冷器540安装在冷却水箱520内且与上位机900控制连接，在本实施例中，制冷器540优选地择用半导体制冷器540。当然，冷却系统500除了采用上述的水冷系统外，还可以采用风冷系统进行冷却，或者其他具有冷却功能的装置进行冷却。

温度传感器600设置在蒸气发生筒体200的下部且与上位机900连接，其作用是用于实时监测蒸气发生筒体200内的温度，并将其采集到的温度信号传送至上位机900。

压力传感器700设置在蒸气发生筒体200的上部且与上位机900连接，其作用是用于实时监测蒸气发生筒体200内的压力，并将其采集到的压力信号传送至上位机900。

注液阀810设置在实验箱体100的侧部且与蒸气发生筒体200连通，其用于向蒸气发生筒体200内注入实验工质。

排液阀820设置在实验箱体100的侧部且与蒸气发生筒体200连通，其用于将蒸气发生筒体200内的实验工质排出外部。

上位机900具有液晶触摸显示屏910、超温保护单元920、温度报警单元930、超压保护单元940和压力报警单元950。其中，液晶触摸显示屏910位于实验箱体100的前侧面上且位于观察窗口110的上方，便于实验人员对液晶触摸显示屏910进行操作。上位机900实时收集温度传感器600传递来的温度信号和压力传感器700传递来的压力信号，并对该温度信号和压力信号进行处理，在液晶触摸显示屏910上显示系统温度、压力、功率等数据及数据曲线，并可生成实验报表，导出实验数据，便于实验人员进行实验数据分析。

当上位机900检测到温度传感器600传来的温度信号超出标准范围时，上位机900触发其内的超温保护单元920和温度报警单元930和进行工作，一方面超温保护单元920向加热系统400的直流调压器420发出停止控制信号，加热系统400的直流调压器420接收到该停止控制信号后停止对蒸气发生筒体200内的实验工质进行加热，另一方面温度报警单元930发出温度警报，例如在上位机900的液晶触摸显示屏910上显示温度报警提示或发出温度报警异响，提醒实验人员，这样使得实验过程安全可靠。

当上位机900检测到压力传感器700传送过来的压力信号超出标准范围时，上位机900触发超压保护单元940和压力报警单元950进行工作，一方面超压保护单元940向加热系统400的直流调压器420发出停止控制信号，加热系统400的直流调压器420接收到该停止控制信号后停止对蒸气发生筒体200内的实验工质进行加热，另一方面压力报警单元950发出压力警报，例如在上位机900的液晶触摸显示屏910上显示压力报警提示或发出压力报警异响，提醒实验人员，这样使得实验过程安全可靠。

此外，在蒸气发生筒体200上安装有压力表1000，在实验过程中，实验人员可以通过压力表1000随时直观了解蒸气发生筒体200内的压力值，避免数据采集错误造成危险。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，包括：

一实验箱体，所述实验箱体的前侧面上开设有一观察窗口；

一设置在所述实验箱体内的蒸气发生筒体，所述蒸气发生筒体的前、后侧筒端分别密封设置有前、后透明石英玻璃，所述蒸气发生筒体的前侧筒端上的前透明石英玻璃位于所述实验箱体的观察窗口内；

一设置在所述实验箱体内且位于所述蒸气发生筒体的后侧筒端上的后透明石英玻璃后侧的光源发生器；

一设置在所述实验箱体内的用于对所述蒸气发生筒体进行加热的加热系统；

一设置在所述实验箱体内的用于对所述蒸气发生筒体进行冷却的冷却系统；

一设置在所述蒸气发生筒体上的用于实时监测所述蒸气发生筒体内的温度的温度传感器；

一设置在所述蒸气发生筒体上的用于实时监测所述蒸气发生筒体内的压力的压力传感器；

一设置在所述实验箱体的侧部且与所述蒸气发生筒体连通的用于向所述蒸气发生筒体内注入实验工质的注液阀；

一设置在所述实验箱体的侧部且与所述蒸气发生筒体连通的用于将所述蒸气发生筒体内的实验工质排出外部的排液阀；以及

一集成在所述实验箱体内且分别与所述光源发生器、加热系统、冷却系统、温度传感器以及压力传感器连接的上位机。

2.如权利要求1所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述加热系统包括一半圆状加热器以及一直流调压器，所述半圆状加热器包覆在所述蒸气发生筒体的外筒面的下部，所述直流调压器与所述半圆状加热器连接，用于调节所述半圆状加热器的加热量，所述直流调压器还与所述上位机控制连接。

3.如权利要求1所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述冷却系统包括一半圆状冷却水套、一冷却水箱、一潜水泵以及一制冷器，所述半圆状冷却水套包覆在所述蒸气发生器筒体的外筒面的上部，所述潜水泵安装在所述冷却水箱的底部，所述半圆状冷却水套的冷却水进口通过管路伸入所述冷却水箱内与所述潜水泵的出水口连接，其冷却水出口通过管路与所述冷却水箱的回水口连接，所述制冷器安装在所述冷却水箱内且与所述上位机控制连接。

4.如权利要求3所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述制冷器为半导体制冷器。

5.如权利要求1所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述上位机具有一液晶触摸显示屏，所述液晶触摸显示屏位于所述实验箱体的前侧面上。

6.如权利要求5所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述上位机具有一超温保护单元和一温度报警单元，当所述上位机检测到所述温度传感器传送过来的温度信号超出标准范围时，所述上位机触发所述超温保护单元和温度报警单元进行工作，所述超温保护单元向所述加热系统发出停止控制信号，所述加热系统接收到该停止控制信号后停止对所述蒸气发生筒体进行加热，所述温度报警单元发出温度警报提醒实验人员。

7.如权利要求5所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述上位机还具有一超压保护单元和一压力报警单元，当所述上位机检测到所述压力传感器传送过来的压力信号超出标准范围时，所述上位机触发所述超压保护单元和压力报警单元进行工作，所述超压保护单元向所述加热系统发出停止控制信号，所述加热系统接收到该停止控制信号后停止对所述蒸气发生筒体进行加热，所述压力报警单元发出压力警报提醒实验人员。

8.如权利要求1至7中任一项所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，还包括一安装在所述蒸气发生筒体上的压力表，便于实验人员随时观察所述蒸气发生筒体内的压力值。

9.如权利要求8所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述光源发生器为LED灯。

10.如权利要求8所述的亚临界超临界压力、温度及相态教学实验台，其特征在于，所述蒸气发生筒体采用不锈钢制成，所述前、后透明石英玻璃为高强度石英玻璃。