CN106018474B - 一种液体比热容测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液体比热容测量系统，包括液体流动循环模块，所述液体流动循环模块包括样品容器、流量泵、量热器、冷却器和膨胀箱，所述样品容器通过输送管与流量泵连接，所述流量泵通过输送管与量热器连接，所述量热器通过输送管与冷却器连接，所述冷却器通过输送管与膨胀箱连接，所述膨胀箱通过输送管与流量泵连接；所述膨胀箱与流量泵之间的输送管上设置电磁阀。本发明的有益效果：可测量液体在高温条件下的比热容；温度测量分辨率高，温度控制准确；最大限度减少散热损失，减小测量不确定度；提高检测结果的精确性，拓展其适用范围。

Description

一种液体比热容测量系统

技术领域

本发明涉及一种比热容测量领域，具体为一种液体比热容测量系统。

背景技术

比热容作为流体的基本物理性质，是当今科研项目及工业生产过程中评价流体物质尤其是功能流体材料的重要物理量，也是流体工质热系统设计和计算过程中的重要参数之一。精确的流体比热容数据主要依靠实验测量获得，其测量方法很多，按照量热器热交换方式不同可分为冷却法和加热法两大类。加热法在工程实践及实验测量中比较容易实现,因而被广泛应用。加热法又可分为流动型和非流动型两种。随着材料科学、能源科学、计算科学以及传感、信息等科学和测量工程技术的飞速发展，相关测量方法在不断完善，手段、仪器设备日趋先进。

液体比热测量的基本原理、方法变化不大，其先进性的关键在于液体热量变化与温度变化能否精确测量。在欧美、日本等发达国家，由于工业基础好、知识产权体系完善、市场机制长久良性竞争运作，各种成型的可在实验室及工业上应用的热物性测量仪器很多，其中可测量液体比热的仪器有：1)法国塞塔拉姆公司的C80微量热仪，该仪器适用温度范围为室温～300℃，而本项目需要测量液体在0～350℃的比热容；2)美国DECAGON公司的KD2Pro热特性分析仪，该仪器应用的测试温度范围为-50～150℃，比热测量精度为5％，其温度范围和测量精度达不到本项目要求；3)日本京都电子工业株式会社(KEM)的 SHA-500液体比热容测定仪；该仪器测量温度范围为4～85℃，温度范围较窄，不能用于测量高温液体的比热容。

在中国国内，相应的液体比热测量仪器还不太成熟，其中相对成熟的是西安夏溪电子科技有限公司的HC2000液体比热计，其他的则大多是比较简陋的测量装置，集成化和自动化程度低，存在测量精度不高、重复性、稳定性不好等问题，无法满足工业应用需求。

综上所述，现有的液体比热容测量仪器设备测量温度范围较窄，或者精度较低，集成化与自动化程度低，应用范围受到限制，很难满足高温液体比热容测量需求。因此，有必要研制可测量高温液体的高精度比热容测量仪器。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的存在的不足，提供一种液体比热容测量系统。

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：一种液体比热容测量系统，包括液体流动循环模块，所述液体流动循环模块包括样品容器、流量泵、量热器、冷却器和膨胀箱，所述样品容器通过输送管与流量泵连接，所述流量泵通过输送管与量热器连接，所述量热器通过输送管与冷却器连接，所述冷却器通过输送管与膨胀箱连接，所述膨胀箱通过输送管与流量泵连接；所述膨胀箱与流量泵之间的输送管上设置电磁阀。

所述样品容器与流量泵之间的输送管上安装有过滤器和电磁阀，用于过滤待测量样品，保证待测量样品在液体流动循环模块能够顺畅运转。

所述流量泵与量热器之间的输送管上安装预热器，用于对进入量热器的测量样品进行温度预调节。

所述量热器包括温度计和加热组件，两个温度计分别安装于加热组件的两侧。其中，所述加热组件由进水端的电阻加热段、微波加热段和电磁加热段串接组成，可以实现对待测液体的快速稳定加热，减少误差。

优选的，所述量热器包括电阻加热段、微波加热段和电磁加热段，所述电阻加热段、微波加热段和电磁加热段为并联设置，所述电阻加热段、微波加热段和电磁加热段的入口端与流入输送管连接，所述电阻加热段、微波加热段和电磁加热段的出口端与流出输送管连接，在电阻加热段、微波加热段和电磁加热段的入口端设置控制流通的阀门。

所述电阻加热段内的流通管可以是铜管或者不锈钢管，在流通管上设置发热电阻丝，用于加热带测量流体，可以用于测量普通流体。

所述微波加热段的流体管可以是陶瓷管，微波产生元件设置于陶瓷管外侧，可以高效快速的对陶瓷管内的待测流体进行加热，且具有极高的耐腐蚀性。

所述电磁加热段的流体管可以是铁质管，电磁加热组件设置在所述流体管外侧，可以高效快速的对铁质管内的低腐蚀的待测流体进行加热。

为了提高铁质管的耐腐蚀性，在所述铁质管的内侧壁涂敷防腐蚀层，所述防腐蚀层可以是聚四氟乙烯涂层。

本发明还包括自动测控模块，所述自动测控模块包括测控单元、测控传感器、电源控制元件和电子天平，所述测控传感器、电源控制元件和电子天平分别与测控单元连接，测控传感器和电子天平将收集数据反馈给测控单元，所述电源控制元件接收测控单元指令。

液体比热容测量的关键问题在于液体温度变化与热量变化能否精确测量。本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1)、解决高温测量环境的实现问题，以测量液体在高温条件下的比热容，填补高温液体比热容测量的国内空白；

2)、解决温度变化的精确测量与控制问题，使得温度测量分辨率高，温度控制准确；

3)、解决液体热量变化的精确测量与控制问题，最大限度减少散热损失，减小测量不确定度；

4)、解决多参数、多通道数据采集测控技术及实时测控和数据后处理技术问题，以检测液体比热动态变化情况，提高检测结果的精确性，拓展其适用范围。

附图说明

图1是本发明一种液体比热容测量系统的系统构造示意图；

图2是本发明中量热器的结构示意图；

图3是本发明中量热器的结构示意图1；

图4是本发明实施例中系统构造示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明一种进行详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，不用于限定本发明。

一种液体比热容测量系统，如图1所示，包括液体流动循环模块和自动测控模块。所述液体流动循环模块包括样品容器1、流量泵3、量热器6、冷却器 7和膨胀箱8，所述样品容器1通过输送管与流量泵3连接，所述流量泵3通过输送管与量热器6连接，所述量热器6通过输送管与冷却器7连接，所述冷却器7通过输送管与膨胀箱8连接，与流量泵3连接；所述膨胀箱8与流量泵3 之间的输送管上设置电磁阀。所述样品容器1与流量泵3之间的输送管上安装有过滤器2和电磁阀，用于过滤测量样品，保证液体流动循环模块能够顺畅运转。所述流量泵3与量热器6之间的输送管上安装预热器5，用于对进入量热器6的测量样品进行温度预调节。所述流量泵3与预热器5之间设置电磁阀4。所述样品容器1可以通过输送管与所述预热器5连接，且在输送管上设置阀门。所述膨胀箱8通过输送管与所述样品容器1连接。

如图2所示，所述量热器6包括温度计(61，62)和加热组件63，两个温度计(61，62)分别安装于加热组件63的两侧，分别用于测量加热组件63两侧的温度。其中，所述加热组件63可以由进水端的电阻加热段、微波加热段和电磁加热段串接组成，可以实现对待测液体的快速稳定加热，减少误差。

如图3所示，所述量热器6包括外壳和设置在外壳内的电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段66，所述电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段66为相互并联设置。优选的，所述电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段66并联排布的中心点连线的横截面为三角形，这样可以节约空间，也有利于流体无阻力的通过。所述电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段66的入口端与流入输送管连接，所述电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段 66的出口端与流出输送管连接，在电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段66的入口端设置控制流通的阀门67，用于选择加热管程。优选的，所述电阻加热段64、微波加热段65和电磁加热段66彼此之间的间距为1-3cm,这样可以节约空间，且有效的减少流通阻力。

所述电阻加热段64内的流通管可以是铜管或者不锈钢管，在流通管上设置发热电阻丝，用于加热带测量流体，可以用于测量普通流体。

所述微波加热段65的流体管可以是陶瓷管，微波产生元件设置于陶瓷管外侧，可以高效快速的对陶瓷管内的待测流体进行加热，且具有极高的耐腐蚀性。

所述电磁加热段66的流体管可以是铁质管，电磁加热组件设置在所述流体管外侧，可以高效快速的对铁质管内的低腐蚀的待测流体进行加热。

为了提高铁质管的耐腐蚀性，在所述铁质管的内侧壁涂敷防腐蚀层。所述防腐蚀层的厚度可以是0.05-0.08微米。所述防腐蚀层可以是聚四氟乙烯涂层。

如图4所示，所述自动测控模块包括测控单元、测控传感器、电源控制元件和电子天平，所述测控传感器、电源控制元件和电子天平分别与测控单元连接，测控传感器和电子天平将收集数据反馈给测控单元，所述电源控制元件接收测控单元指令。其中，所述测控单元为温度计。所述量热器6安装电子天平上，用于测量流体质量。所述电源控制元件(测控表)控制加热电源，使温度处于要求状态。在所述量热器6外设置绝热屏，用于减少热量散失，保持测量环境稳定。所述测控单元可以是PC机9。测控单元分别与量热器6和预热器5 上的温度计和电磁阀连接。

本发明 采用目前国际公认的测量流体比热最先进的方法，开发具有测试准确度高、重复性好等优点，实现集成化、自动化的高温液体比热容测定仪。该仪器可测量0～350℃条件下有机热载体(导热油)、石油、润滑油、各种有机混合液等流体的比热容值，填补了国内在高温液体比热容测定领域的空缺。

采用多参数、多通道数据采集测控技术，实现全自动化检测，同时，利用实时测控及数据后处理技术，检测液体比热动态变化情况，提高检测结果的精确性，拓展其适用范围。

具有先进、准确、可靠、稳定、高度重复性；体现高度集成化、自动化；检测过程上体现简单清晰、快速；检测适应范围上体现广泛性及专业性的统一。

测量精度：±3％；重复性：±2％。仪器适用范围广泛，可测量样品包括：有机热载体(导热油)、石油、润滑油、各种有机混合液等各种流体；温度：0～ 350℃；比热：0～5.000kJ/(kg·K)。

一种液体比热容测量方法，基于上述液体比热容测量系统，若稳定地流经量热器管内的流体的质量流量为m，流体从加热器吸收的功率为Q，量热器进出口的温度分别为T1和T2，流体的压力为p，温度为T2状态下流出量热器，根据热力学定义有cp(T，p)＝(δQ/dT)p/m，因(δQ/dT)p/m无法直接测量，故在实际测量中，温度为T，压力为p状态下的定压比热容可表示为：

cp(T，p)＝Q/m(T2-T1)

式中：温度T＝(T1+T2)/2；p为量热器出口处的压力。

由此可知，通过测量加热功率Q，流体质量流量m，以及温度T1和T2，可以得到液体在温度为T，压力为p状态下的定压比热容。

在温度不太高的情况下，利用流动型方法来测量液体比热，测量精度能达到较高水平。然而，如果要进行高温测量，测量液体温度达到几百摄氏度或更高时，液体的蒸汽压会增加，液体可能就没有办法进行恒流流动，量热器管内液体的质量流量测量稳定性将会受到很大影响，从而影响液体比热容测量精度，这是此方法在实际应用中的最大问题。因此，本项目准备了另一套初步实施方案，拟采用非流动型绝热法进行液体比热测量，具体拟采用其中的准稳态方法进行测量。准稳态方法是动态测量比热容的方法之一,较之其他方法,准稳态方法具有原理简单、实验时间短、获得数据多等优点。准稳态方法测量原理如下：

1)准稳态方法原理

若热力系统中每点的温度随时间的变化可表示为：

T＝T0+bτ

则此时热力系统所处的状态称为准稳状态,简称准稳态。式中：T0为热力系统的初始温度；τ为时间；b＝dT/dτ为常数。对于内无热源的热力系统，只要边界为恒热流密度，且有足够的加热时间，热力系统就能达到准稳态。

在准稳态工况下,温度场分布不再取决于物体初始状态,而变得具有一定的规则性。此时物体上任意点间的温度梯度都是稳定的,即不随时间变化。

2)准稳态方法测量比热

在定容或定压条件下，给一个闭口热力系统加热，使该系统内部各点温度随时间的变化率b＝dT/dτ为常数，这时整个热力系统处于准稳态。

在准稳态的条件下，整个热力系统的吸热量满足：

Q＝cbm

式中：c为物质的比热容，m为系统的总质量,Q为整个热力系统温度变化率为dT/dτ时m质量所吸收的总热量。

对于实际物质而言，比热容c是温度的函数，但在准稳态下，如果维持系统内的温差较小，c可近似看作系统平均温度下的比热容。测量过程中只要得到Q、m、dT/dτ的值即可求得对应于系统平均温度下的比热容。

这里需要说明的是，测量前，需对未填注样品的空系统进行系统自身空当量(简称空当量)吸热量Q0的标定，得到系统自身吸热量随温度的变化关系。应用以下公式即可得到待测样品的比热容：

c＝(Q-Q0)/mb

本项目基于上述准稳态方法构思的高温液体比热容测定仪的总体框架如图 4所示。

需要测量的量有样品的质量m。、温度T、时间τ、加热量Q。质量用电子天平测量,温度、加热电压及电流用多功能数字测控表测量,用计算机进行数据采集和处理，并对测量过程进行控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，但是本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据技术方案以及方案构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种液体比热容测量系统，其特征在于：包括液体流动循环模块，所述液体流动循环模块包括样品容器、流量泵、量热器、冷却器和膨胀箱，所述样品容器通过输送管与流量泵连接，所述流量泵通过输送管与量热器连接，所述量热器通过输送管与冷却器连接，所述冷却器通过输送管与膨胀箱连接，所述膨胀箱通过输送管与流量泵连接；所述膨胀箱与流量泵之间的输送管上设置电磁阀；所述量热器包括温度计和加热组件，两个温度计分别安装于加热组件的两侧；其中，所述加热组件由进水端的电阻加热段、微波加热段和电磁加热段串接组成；

或者所述电阻加热段、微波加热段和电磁加热段为相互并联设置，所述电阻加热段、微波加热段和电磁加热段的入口端与流入输送管连接，所述电阻加热段、微波加热段和电磁加热段的出口端与流出输送管连接，在电阻加热段、微波加热段和电磁加热段的入口端设置控制流通的阀门。

2.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：所述样品容器与流量泵之间的输送管上安装有过滤器和电磁阀。

3.根据权利要求2所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：所述流量泵与量热器之间的输送管上安装预热器。

4.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：所述电阻加热段内的流通管是铜管或者不锈钢管，在流通管上设置发热电阻丝。

5.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：所述微波加热段的流体管是陶瓷管，微波产生元件设置于陶瓷管外侧。

6.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：所述电磁加热段的流体管是铁质管，电磁加热组件设置在所述流体管外侧。

7.根据权利要求6所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：在所述铁质管的内侧壁涂敷防腐蚀层。

8.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于：还包括自动测控模块，所述自动测控模块包括测控单元、测控传感器、电源控制元件和电子天平，所述测控传感器、电源控制元件和电子天平分别与测控单元连接，测控传感器和电子天平将收集数据反馈给测控单元，所述电源控制元件接收测控单元指令。