CN106847000B - 一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台 - Google Patents

一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台 Download PDF

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Abstract

一种临界状态观测及p‑v‑T关系测定教学实验台，包括底部腔体，底部腔体内设置有金属杯，金属杯与底部腔体内壁之间有空隙，金属杯内填充有水银，金属杯内水银面上部与底部腔体内壁之间填充有液压油；金属杯内设置有伸入水银中的金属气体压缩腔体，金属气体压缩腔体底部设置有伸入水银中的导管；金属气体压缩腔体顶部设置有石英玻璃管，金属气体压缩腔体与石英玻璃管内填充有流体工质，石英玻璃管外侧设置有用于控制实验温度的实验温度控制部分。本发明使用金属压缩腔体代替玻璃压缩腔体，使用厚壁石英玻璃管代替了普通玻璃管，通过密封设计将常规压缩气体所用的葫芦形玻璃腔体改为金属腔，大大提高了实验台的耐压性和安全性。

Description

一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域的实验教学，特别涉及一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台，用于能源动力类临界状态观测及p-v-T关系测定专业课程实验的教学。
背景技术
“临界状态观测及p-v-T关系测定实验”是国内热力学、物理化学、热工基础等课程所开设的课程测量实验，目前国内针对本科生的该项实验所使用的二氧化碳P-V-T关系仪，是使用水银将二氧化碳封装在玻璃容器内，玻璃容器上部为圆柱形长玻璃管，下部为葫芦形腔体。使用压力泵将压力油送入高压容器，水银在液压油的作用下被压入玻璃容器，使得二氧化碳气体的体积发生变化，通过套在玻璃容器长管部位外面的玻璃水套上的标尺读出二氧化碳的体积变化量，从而测得二氧化碳的p-v-T关系。
国内目前所出售和使用中的该实验台均以二氧化碳作为工质，实验台存在以下缺陷：
1.玻璃容器存在耐压风险。
该容器均采用普通玻璃制作，玻璃容器壁厚一般为1～3mm，且容器下部直径葫芦形部分内外都要承压，因此该玻璃容器不宜在过大的压力下使用。本实验通过压力泵将二氧化碳加压，由于二氧化碳的临界压力较高，实验中的最高压力将达到10MPa，在如此大的压力下进行实验显然具有一定的危险性，而国内该教学实验仪器的生产商大多不具备压力容器的生产和制造资质，进一步加剧了使用该仪器在教学过程中的风险。
2.二氧化碳液化后的液柱长度过小。
在本实验的实验过程中，需要在一定的温度下，将二氧化碳完全压缩为液态，然后通过观测液柱的长度进行实验数据的处理，实验结果的准确度与液柱测量的准确度直接相关，由于二氧化碳液化后的液柱长度非常短，约为15mm，而标尺的最小刻度为1mm，这么短的液柱显然不容易读准。此外，液体全部液化后再对其压缩时压力会迅速上升，由于二氧化碳的液柱太短，在实验中学生很容易加压过快而导致玻璃管超压破裂，从而造成危险。
3.实验开设时间范围受限。
受教学实验台采购成本的限制，目前高校所采用的本实验台所附带的循环浴大多没有制冷功能。二氧化碳的临界压力为30.98℃，实验中要进行低于临界温度的测试，由于不带制冷功能的恒温槽需要在高于室温至少5～10℃的条件下才能稳定，因此本实验在夏天或春秋室温较高的时候可能无法正常开出。
由于二氧化碳非常容易获取，且相对于其它工质其热物性数据更为人熟知，因此“临界状态观测及p-v-T关系测定实验”从一开始至今一直仅采用二氧化碳作为工质，从而使得该实验台存在以上诸多问题。近年来，由于教学实验仪器的市场化，仪器开发人员的专业性往往略为缺乏，而更为专业的科研人员大多不再对其关注，因此长期以来该教学实验一直未得到改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台，用于测定流体工质的临界特性及p-v-T关系，本发明的实验台的安全性得到极大的提高，也不需要另外配备恒温槽循环浴，可节省实验台成本和实验室空间，大大缩短实验中由于恒温槽控温等待的时间，提高实验教学的效率。
为实现上述目的，本发明采用以下的方案来实现：
一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台，包括底部腔体，底部腔体内设置有金属杯，金属杯与底部腔体内壁之间有空隙，金属杯内填充有水银，水银的高度低于金属杯的高度，金属杯内水银面上部与底部腔体内壁之间填充有液压油；金属杯内设置有伸入水银中的金属气体压缩腔体，金属气体压缩腔体底部设置有导管；金属气体压缩腔体顶部设置有与金属气体压缩腔体相连通的石英玻璃管，金属气体压缩腔体与石英玻璃管内填充有流体工质，石英玻璃管外侧设置有用于控制实验温度的实验温度控制部分。
本发明进一步的改进在于，底部腔体上设置有进液口；金属气体压缩腔体上设置有上法兰，底部腔体上设置有下法兰，通过上法兰和下法兰将底部腔体和金属气体压缩腔体进行密封连接。
本发明进一步的改进在于，金属气体压缩腔体与上法兰为整体结构。
本发明进一步的改进在于，上法兰中部开一通孔，通过设置密封件将上法兰与石英玻璃管密封相连。
本发明进一步的改进在于，实验温度控制部分包括设置在石英玻璃管的外侧的铝制热沉，铝制热沉的外侧设置有半导体制冷片，半导体制冷片的外侧设置有散热器，散热器的外侧安装有若干风扇。
本发明进一步的改进在于，铝制热沉上安装有用于观察石英玻璃管内流体工质长度的观察窗。
本发明进一步的改进在于，石英玻璃管、观察窗或铝制热沉上刻有标尺。
本发明进一步的改进在于，石英玻璃管的内径为0.5～2mm，壁厚为2～10mm，长度为300～500mm。
本发明进一步的改进在于，金属气体压缩腔体的容积为30～50mL。
本发明进一步的改进在于，流体工质为乙烷、氟甲烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明使用金属压缩腔体代替玻璃压缩腔体，使用厚壁石英玻璃管代替了普通玻璃管，通过密封设计将常规压缩气体所用的葫芦形玻璃腔体改为金属腔，大大提高了实验台的耐压性和安全性；同时采用低压工质代替二氧化碳作为工质，从而使新发明的实验台的安全性得到极大的提高。此外，本发明通过设置实验温度控制部分进行控温，所以不需要另外配备恒温槽循环浴，可节省实验台成本和实验室空间，大大缩短实验中由于恒温槽升、降温过程所需等待的时间，提高实验教学的效率。此外，本发明提出多种更适合教学的流体工质，丰富了教学内容，提高了实验教学的效果。
进一步的，本发明的实验台由于在铝制热沉的外侧设置半导体制冷片，所以具有制冷功能，避免了本实验在高温天气下无法正常进行的问题。
进一步的，本发明中石英玻璃管的壁厚为2～10mm，通过使用厚壁石英玻璃光管代替普通的玻璃管，提高了实验台的安全性，此外，通过设置厚壁石英玻璃管和金属气体压缩腔，通过水银传递压力，可以使用多种低临界压力的流体作为被测工质，温度控制通过半导体制冷片进行实现。
进一步的，石英玻璃管的内径为0.5～2mm，使用较细的内径，可以增长实验中产生的液柱长度，便于学生观察和记录，提高实验结果的准确度。
进一步的，在本发明中，流体工质的温度通过半导制冷片进行制冷和加热。在石英玻璃管外设置铝制热沉，铝制热沉两侧安装半导体制冷片，半导体制冷片外侧安装散热器，散热器上安装风扇。流体工质的温度由铝制热沉进行保证。
进一步的，在本发明中，铝块正面与背面与石英玻璃管对应处开槽安装观察窗，并设置标尺，实验中流体的高度差通过标尺进行读取，由于标尺更靠近石英管，因此读数更准确。
进一步的，本发明的装置中可以采用的工质为乙烷、氟甲烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷，在高校所开设的本实验课程中，可在上课用的多套实验台中分别充注不同的工质，以增强学生对温度、压力及实际工质热物性的理解和认识。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图中，1为底部腔体，2为进液口，3为液压油，4为金属杯，5为水银，6为金属气体压缩腔体，7为上法兰，8为密封件，9为石英玻璃管，10为观察窗，11为半导体制冷片，12为散热器，13为风扇，14为流体工质，15为铝制热沉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1和图2，本发明包括带有进液口2的底部腔体1，底部腔体1内设置有金属杯4，金属杯4与底部腔体1内壁之间有空隙，金属杯4内填充有水银5，水银5的高度低于金属杯的高度，金属杯4内水银面上部与底部腔体1内壁之间填充有液压油3。通过进液口2可以向底部腔体1内加入液压油。金属杯4内设置有伸入水银中的金属气体压缩腔体6，金属气体压缩腔体6底部焊接金属管，金属管深入水银中，水银通过金属管进入金属压缩腔体6内部。
本发明中金属气体压缩腔体6上设置有上法兰7，并且金属气体压缩腔体6与上法兰7为整体结构，底部腔体1上设置有下法兰，通过上法兰7和下法兰相连接将底部腔体1和金属气体压缩腔体6进行密封连接。
金属气体压缩腔体6顶部设置有石英玻璃管9，石英玻璃管9与金属气体压缩腔体6相连通。
上法兰7中部开一通孔，通过将密封件8将上法兰7与石英玻璃管9密封相连。
石英玻璃管9与金属压缩腔体6共同构成一个内部连通的容器，该容器即为储存流体工质14的容器。
石英玻璃管9外侧还设置有用于控制实验温度的实验温度控制部分，实验温度控制部分包括铝制热沉15，铝制热沉15的外侧设置有半导体制冷片11，半导体制冷片11的外侧设置有散热器12，散热器12的外侧安装有若干风扇13。
在铝制热沉15靠近石英玻璃管处打孔安装温度传感器，用于测量实验温度，温度传感器采用铂电阻温度计。铂电阻温度计连接至温度控制器，通过温度控制器显示实验温度，并对半导体制冷片的制冷或加热进行控制。
本发明中铝制热沉15上安装有用于观察石英玻璃管9内流体工质长度的聚碳酸酯观察窗10。石英玻璃管9的内径为0.5～2mm，壁厚为2～10mm。
在实验前，首先充入被测流体工质。金属气体压缩腔体6与上法兰7为一体化结构，金属气体压缩腔体6的容积约为30～50mL。将石英玻璃管9和金属气体压缩腔体6通过密封件8相连通。在金属气体压缩腔体6的底部连接软管，将石英玻璃管9和金属气体压缩腔体6抽真空，然后充入流体工质14至常压。将金属气体压缩腔体6的底部及软管置于水银5中，抽掉软管。
将上法兰7与底部腔体1所连接的下法兰密封，使用液压泵由进液口2泵入液压油3，通过水银5传递压力，并隔离液压油3和流体工质14，从而实现对流体工质的加压和减压。
本发明所使用的石英玻璃管9的内径为0.5～2mm，壁厚为2～10mm，长度为300～500mm。使用较细的内径，可以增长实验中产生的液柱长度，便于学生观察和记录，提高实验结果的准确度。石英玻璃管9外紧贴铝制热沉15，铝制热沉15由纯铝或铝合金制作，用于实现对石英玻璃管9的温度控制。实验中流体工质的长度通过台面正面的标尺进行读取，标尺可以刻在石英玻璃管的外壁面，也可以刻在聚碳酸酯观察窗10上，也可以刻在铝制热沉15上，实验中流体的高度差通过标尺进行读取。
实验时，首先通过温度控制器设定所需的实验温度，温度控制器通过继电器或可控硅来控制半导体制冷片11，半导体制冷片11外侧所产生的热量或冷量传递至散热器12，然后由风扇13带走，从而实现对铝制热沉15的制冷或加热功能，达到对石英玻璃管9内流体工质14的温度控制。通过本发明的温度控制方式，可实现流体工质在0～120℃温度区间内的测试。常规的循环浴往往至少需要半小时左右的时间来进行温度的稳定，其测量较高的温度时所需要的稳定时间会更长，而本发明的实验台，每变换一个温度点，仅需要约5～10分钟的时间就能达到温度稳定。
本发明所使用的石英玻璃管9的内径为0.5～2mm，壁厚为2～10mm。使用较细的内径，可以增长实验中产生的液柱长度，便于学生观察和记录，提高实验结果的准确度。实验中流体工质的长度通过台面正面的标尺进行读取，标尺紧贴石英玻璃管，从而方便数据的读取，而目前的实验装置中的标尺均位于玻璃管外的水套外层，与玻璃管存在较大的距离，具体尺寸读取非常困难。
目前该教学实验台所采用的工质均为二氧化碳，本发明通过计算分析和实验，提出使用几种低临界压力的流体(气相流体工质为乙烷、氟甲烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷)作为被测量工质，可增强实验台的安全性，增长实验中的液柱长度，便于观察和记录，如：
1.使用乙烷替代二氧化碳作为工质，乙烷的临界压力为4.87MPa，远低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用乙烷作为工质时，可将最大实验压力控制为5～6MPa，远低于二氧化碳的8～10Mpa，从而大大提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，乙烷的液柱长度为二氧化碳液柱长度的1.55倍，可提高实验测量的准确性。
2.使用氟甲烷替代二氧化碳作为工质，氟甲烷的临界压力为5.90MPa，低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用氟甲烷作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为6～7MPa，低于二氧化碳的8～10Mpa，从而提高了实验台的安全性。通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，氟甲烷的液柱长度与二氧化碳液柱的长度基本相同。
3.使用六氟化硫替代二氧化碳作为工质，六氟化硫的临界压力为3.76MPa，远低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用六氟化硫作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为4～5MPa，远低于二氧化碳的8～10Mpa，从而大大提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，六氟化硫的液柱长度为二氧化碳液柱长度的1.77倍，可提高实验测量的准确性。
4.使用五氟乙烷替代二氧化碳作为工质，五氟乙烷的临界压力为3.62MPa，远低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用五氟乙烷作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为4～5MPa，远低于二氧化碳的8～10Mpa，从而大大提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，五氟乙烷的液柱长度为二氧化碳液柱长度的1.65倍，可提高实验测量的准确性。
5.使用三氟甲烷替代二氧化碳作为工质，三氟甲烷的临界压力为4.83MPa，低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用三氟甲烷作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为5～6MPa，低于二氧化碳的8～10Mpa，从而提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，三氟甲烷的液柱长度为二氧化碳液柱长度的1.67倍，可提高实验测量的准确性。
6.使用三氟氯甲烷替代二氧化碳作为工质，三氟氯甲烷的临界压力为3.88MPa，远低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用三氟氯甲烷作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为4～5MPa，远低于二氧化碳的8～10Mpa，从而提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，三氟氯甲烷的液柱长度为二氧化碳液柱长度的2.04倍，可提高实验测量的准确性。
7.使用八氟丙烷替代二氧化碳作为工质，八氟丙烷的临界压力为2.64MPa，远低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用八氟丙烷作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为3～4MPa，远低于二氧化碳的8～10Mpa，从而提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，八氟丙烷的液柱长度为二氧化碳液柱长度的2.34倍，可提高实验测量的准确性。
8.使用1,1,1-三氟乙烷替代二氧化碳作为工质，1,1,1-三氟乙烷的临界压力为3.76MPa，远低于二氧化碳的7.38MPa。因此使用1,1,1-三氟乙烷作为工质时，在实验过程中可将最大实验压力控制为4～5MPa，远低于二氧化碳的8～10Mpa，从而提高了实验台的安全性。此外，通过理论计算和具体实验表明，当充入的气体量为45mL，同样在10℃的温度下进行充灌工质时，在实验温度为25℃时，1,1,1-三氟乙烷的液柱长度为二氧化碳液柱长度的1.48倍，可提高实验测量的准确性。
在高校所开设的本实验课程中，可在上课用的多套实验台中分别充注上述多种流体工质，每组学生分别测量不同的工质，首先可以有效避免学生在完成实验报告时的抄袭现象，此外，在实验报告中，可要求学生将不同组所做出来的实验数据进行对比和分析，从而加深学生对实际工质热物性的理解和认识，提高实验教学的效果。
以上所述显示了本发明的基本技术方法和部分实施例，显示了本发明的优点。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，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 (3)

1.一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台，其特征在于，包括底部腔体(1)，底部腔体(1)内设置有金属杯(4)，金属杯(4)与底部腔体(1)内壁之间有空隙，金属杯(4)内填充有水银(5)，水银(5)的高度低于金属杯的高度，金属杯(4)内水银面上部与底部腔体(1)内壁之间填充有液压油(3)；金属杯(4)内设置有伸入水银中的金属气体压缩腔体(6)，金属气体压缩腔体(6)底部设置有导管；金属气体压缩腔体(6)顶部设置有与金属气体压缩腔体(6)相连通的石英玻璃管(9)，金属气体压缩腔体(6)与石英玻璃管(9)内填充有流体工质(14)，石英玻璃管(9)外侧设置有用于控制实验温度的实验温度控制部分；
底部腔体(1)上设置有进液口(2)；金属气体压缩腔体(6)上设置有上法兰(7)，底部腔体(1)上设置有下法兰，通过上法兰(7)和下法兰将底部腔体(1)和金属气体压缩腔体(6)进行密封连接；
金属气体压缩腔体(6)与上法兰(7)为整体结构；
上法兰(7)中部开一通孔，通过设置密封件(8)将上法兰(7)与石英玻璃管(9)密封相连；
实验温度控制部分包括设置在石英玻璃管(9)的外侧的铝制热沉(15)，铝制热沉(15)的外侧设置有半导体制冷片(11)，半导体制冷片(11)的外侧设置有散热器(12)，散热器(12)的外侧安装有若干风扇(13)；
流体工质(14)为乙烷、六氟化硫、五氟乙烷、三氟甲烷、三氟氯甲烷、八氟丙烷或1,1,1-三氟乙烷；
石英玻璃管(9)的内径为0.5～2mm，壁厚为2～10mm，长度为300～500mm；
金属气体压缩腔体(6)的容积为30～50mL。
2.根据权利要求1所述的一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台，其特征在于，铝制热沉(15)上安装有用于观察石英玻璃管(9)内流体工质长度的观察窗(10)。
3.根据权利要求2所述的一种临界状态观测及p-v-T关系测定教学实验台，其特征在于，石英玻璃管(9)、观察窗(10)或铝制热沉(15)上刻有标尺。
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