CN109781779A - 一种适用于测量溶气流体比定压热容的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于测量溶气流体比定压热容的方法及装置，该装置包括液体容器、预热器、混合腔、量热仪、冷凝器和气体样品瓶；液体容器、预热器和混合腔依次连通，混合腔分别连通量热仪和气体样品瓶；量热仪通过管道连通冷凝器至液体容器形成循环回路；预热器、混合腔和量热仪均置于带有循环扇叶的恒温槽内；量热仪上连接有数据采集系统和直流电源。本发明通过采取闭合回路设计，使用混合腔与循环泵实现了系统内溶气液体的组分恒定，从而实现了流体比定压热容的有效、准确测量。

Description

一种适用于测量溶气流体比定压热容的方法及装置

技术领域

本发明属于流体热物性测量领域，涉及一种基于流动型量热法的溶气流体 高压比定压热容的方法与装置。

背景技术

比定压热容是指单位质量物体在恒定压力下，改变单位温度时所发生的焓 变。比定压热容是物质一种基本的热力学性质，其在航天、能源和化工等领域 内都有着重要的实际应用。当前，为了准确地获得物质的比定压热容实验数据， 主要采用的实验方法有流动型量热法、准稳态法和差示扫描量热法。

在各类方法之中，流动型量热法有着测量精度高、测量范围广和易于实现 等优点，已被国际上许多学者应用于高压流体比定热容的实验测量。其基本原 理是：在忽略流动技术功的情况下，比定压热容可视为在恒定压力下，单位温 度变化下的流体吸热量。因此，实验过程中可通过为流体提供给定的加热量， 并测量实验段两端流体温度，从而获得流体的比定压热容。然而，现有的非闭 合式流动型量热测量方法由于难以维持溶气流体的组分恒定，大多无法用于其 比定压热容的测量。对此，已有的较为可行的方法是：在系统中同时设置气、 液两个进口，并始终以稳定流速流入，在混合腔内完成混合后流入实验段内进 行测量，最终流出实验装置。但该方法仍难以精确控制混合流体组分，同时所 耗工质较多，成本高。

因此，本发明基于流动型量热法，设计了一种闭合式、可用于测量溶气流 体比定压热容的方法及装置。

发明内容

发明的目的在于提供一种测量溶气流体比定压热容的方法及装置，解决现 有流动型量热法难以维持混合流体组分恒定的问题，减少所测工质耗量，实现 稳定、精确与经济的实验测量。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，该装置包括液体容器、预热器、 混合腔、量热仪、冷凝器和气体样品瓶；所述液体容器、预热器和混合腔依次 连通，所述混合腔分别连通量热仪和气体样品瓶；所述量热仪通过管道连通冷 凝器至液体容器形成循环回路；所述预热器、混合腔和量热仪均置于带有循环 扇叶的恒温槽内；所述量热仪上连接有数据采集系统和直流电源。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述液体容器通过管道连接平流泵、阀门和过滤阀连通预热器；连 通预热器的管道上进一步设有调压器。

进一步，所述混合腔经过减压阀与气体样品瓶相连。

进一步，所述冷凝器通过管道连接循环泵以及流量计和阀门与液体容器相 连。

进一步，所述量热器包括不锈钢腔体和置于其内腔的第一铜块、第二铜块和 微加热器；所述第一铜块和第二铜块中分别插入有第一温度计与第二温度计， 第一铜块和第二铜块经弯管分别连通至不锈钢腔体外部的管道进口和管道出 口；所述微加热器设在第二铜块上并与第一铜块相连，通过引线引出不锈钢腔 体外部。

进一步，所述微加热器包括支柱、加热丝、扰流器和引线，所述引线与加热 丝相连，缠绕于支柱上，共同包裹于金属外壳内；所述扰流器设于金属外壳底 部。

进一步，所述数据采集系统包括电子计算机与数字万用表，所述数字万用表 和直流电源均分别与压力变送器第一温度计、第二温度计及微加热器相连。

进一步，所述装置还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和真空 泵；第一阀门与液体容器相连，第二阀门与平流泵相连，第三阀门置于混合腔 与气体样品瓶之间，第四阀门与真空泵相连。

本发明进而提供了一种利用所述装置测量溶气流体比定压热容的方法，包 括以下步骤：

1)关闭第一阀门，打开第二阀门、第三阀门和第四阀门，使用真空泵对系 统管路进行抽真空处理；

2)经过步骤1)后，关闭第四阀门，调节减压阀，将气体样品瓶内气体注 入系统管路；

3)经过步骤2)后，打开第一阀门，关闭第三阀门，调节恒温槽内温度， 使用平流泵将液体容器内的液体注入实验管路；当有稳定流速的液体流入液体 容器时，关闭第一阀门；

4)经过步骤3)后，再次打开第三阀门，关闭第二阀门，开启循环泵，使 液体在管路内流动；

5)经过步骤4)后，检查压力变送器示数是否下降，若压力p₀下降，则重 复步骤4)，若压力p₀经一段时间后仍保持不变，则进行步骤6)；

6)经过步骤5)后，调节调压器，使系统压力达到指定压力p；随后待第 一温度计与第二温度计示数稳定且基本相同后，开启微加热器，待第一温度计 与第二温度计示数再次稳定后，分别记录两温度计所测温度T₁、T₂，以及微加 热器功率P和流量计示数q_m；

7)计算比定压热容

根据步骤5)与步骤6)所测温度T₁和T₂，可查询得到指定压力p与指定温 度T＝(T₁+T₂)/2下的气体溶解度x；根据步骤6)所测功率P和所测质量流量q_m， 可计算得到指定压力p、温度T＝(T₁+T₂)/2和气体溶解度x下的比定压热容 c_p＝P/[q_m(T₂-T₁)]。

进一步，所述步骤6)与步骤7)中，通过调节循环泵转速，得到不同的质 量流量q_m，计算获得相应比定压热容c_p并进行比较，选出循环泵的最佳转速。

本发明的有益效果体现在：

本发明中所述混合腔用于液体与气体的混合；所述混合腔为上进下出，内 部流体为上气下液分布，使用所述循环泵与所述压力变送器，可有效实现气液 流体的充分混合，并判断液体是否已达到饱和状态；

本发明通过阀门切换管路，最终构造闭合回路，维持了溶气流体的组分稳 定，同时大大减少了所测工质耗量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分， 并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为溶气流体比定压热容测定装置的结构示意图；

图2为量热仪结构设计图；

图中：1、液体容器，2、第一阀门，3、调压器，4、平流泵，5、第二阀门，6、过滤阀，7、电子计算机，8、数字万用表，9、直流电源，10、恒温槽，11、 循环扇叶，12、预热器，13、混合腔，14、第三阀门，15、量热仪，16、压力 变送器，17、冷凝器，18、第四阀门，19、真空泵，20、减压阀，21、气体样 品瓶，22、循环泵，23、流量计，24、管道进口，25、不锈钢腔体，26、第一 铜块，27、第二铜块，28、第一温度计，29、第二温度计，30、管道出口，31、 引线，32、支柱，33、微加热器，34、加热丝，35、扰流器。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性 实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明所述测量溶气流体比定压热容的装置，其主要包括：液体 容器1、第一阀门2、调压器3、平流泵4、第二阀门5、过滤阀6、电子计算机 7、数字万用表8、直流电源9、恒温槽10、循环扇叶11、预热器12、混合腔 13、第三阀门14、量热仪15、压力变送器16、冷凝器17、第四阀门18、真空 泵19、减压阀20、气体样品瓶21、循环泵22、流量计23。其中，平流泵4通 过管道与液体容器相连，用于在溶气前首先将液体注入实验管路内。预热器12 与混合腔13顶部通过不锈钢管道相连，量热仪15通过不锈钢管道与混合腔13 下部相连，以保证在混合腔内形成上气下液的分布。预热器12、混合腔13和量 热仪15均置于带有循环扇叶11的恒温槽10内，用以保证测量段流体到达实验 指定温度。气体样品瓶21通过不锈钢管道与混合腔13上部相连，减压阀20置 于气体样品瓶21与混合腔13之间，用以在气体充分溶解前，调节实验系统至 指定压力。冷凝器17与量热仪15相连，用以降低经过测量的流体温度，保护 仪器。循环泵22用以维持溶气及之后的管路内流体流动。真空泵19通过三通 接头与系统管路相连，用以在实验开始时为管路抽真空。调压器3与实验系统 管路通过三通接头相连，用以调节实验时系统内压力。实验系统内压力和流体 流量分别由所述压力变送器16和流量计23测得。

在系统中设有不同阀门，其中，第一阀门2通过不锈钢管道与液体容器相 连，第二阀门5与平流泵4相连，第三阀门14置于混合腔13与减压阀20之间， 第四阀门18与真空泵19相连；第一阀门2、第二阀门5、第三阀门14和第四 阀门18用于控制溶气前后流体的流动回路。

参见图2，量热仪15主要包括：管道进口24、不锈钢腔体25、第一铜块 26、第二铜块27、第一温度计28、第二温度计29、管道出口30、引线31、支 柱32、微加热器33、加热丝34、扰流器35。流体经管道进口24流入量热仪15， 依次流过第一铜块26、微加热器33和第二铜块27完成测量，随后经管道出口 30流出量热仪15。第一温度计28和第二温度计29分别插于第一铜块26和第 二铜块27中，用于精确测量两位置点的流体温度。微加热器33置于第一铜块26和第二铜块27之间，用以加热流体，提供两铜块间的流体温升。微加热器 33由引线31、支柱32、加热丝34和扰流器35组成，引线31和加热丝34相连， 缠绕于支柱32上，用以加热流体。支柱32和加热丝34共同包裹于金属外壳内。 扰流器35位于微加热器33底部，用以均匀流体温度场。第一铜块26、第二铜 块27和微加热器33均通过不锈钢管道相连，共同置于不锈钢腔体25中。

参见图1和图2，直流电源9用于为压力变送器16、第一温度计28、第二 温度计29和微加热器33供电，数字万用表8与电子计算机7相连，用以采集 所述压力变送器16所测压力信号、第一温度计28和第二温度计29所测温度信 号以及微加热器33所输出功率信号。

上述测量溶气流体比定压热容装置的使用方法包括以下几个步骤：

(1)打开第一阀门2和第二阀门5，并关闭第三阀门14和第四阀门18， 使用平流泵4将纯水注入系统管路，当有液体经第一阀门2重新流入液体容器1 时，关闭第一阀门2。调节调压器3，使管内压力达到20MPa，1个小时后，若 系统压力变化低于1kPa，则认为系统的密封性良好。

(2)打开第一阀门2和第三阀门14，关闭第二阀门5，使用气瓶对管路进 行吹扫，排出管内液体。完成吹扫后，打开第二阀门5和第四阀门18，同时关 闭第一阀门2，使整个管路处于封闭状态。随后，打开真空泵19，对系统管路 进行抽真空处理。

(3)关闭第四阀门18，调节减压阀20，将气体样品瓶22内的气体注满系 统管路。再次打开第一阀门2，关闭第三阀门14，打开恒温槽10，调节其温度 至指定温度，并使用平流泵4将液体容器1内的待测液体注入实验管路，当有 液体经第一阀门2稳定流入液体容器1时，则认为待测液体已注满管路，随后 关闭平流泵4和第一阀门2。

(4)再次打开第三阀门14，关闭第二阀门5，调节减压阀20，将气体样品 瓶22内压力为p₀的气体注入混合腔13，随后关闭第三阀门14，开启循环泵22， 使液体在管路内流动，实现液体与气体的混合。

(5)20分钟后，检查压力变送器16示数是否下降，若压力下降超过1kPa， 则重复步骤(4)；当第一温度计28和第二温度计29的示数基本相同并稳定至 指定温度，且系统压力经20分钟后下降仍小于1kPa，则认为待测液体对气体 的溶解已达到饱和。

(6)调节调压器3，使系统压力达到指定压力p。随后待第一温度计28与 第二温度计29示数再次稳定且基本相同后，开启微加热器33对流体进行加热， 调节加热功率，使第二温度计29示数升高2～5K，待其重新稳定后，分别记录 两温度计所测温度T₁、T₂，以及微加热器33功率P和流量计23示数q_m。

(7)再次调节调压器3，使系统压力达到新的指定压力p，重复步骤(6)， 得到此时的温度T₁和T₂、功率P以及流量q_m。

为了保证实验结果的精确度和可复现性，对每个实验点进行3次测量。

实验数据的处理方法：

由于上述测量溶气流体比定压热容装置的直接测量结果是温度、压力、功 率和流量，仍需要将其转换为比定压热容结果，具体方法是：

根据物质比定压热容的定义，其通常为恒定压力下，比焓对温度的偏导数， 其表达式为

式中，c_p为比定压热容，p为压力，h为比焓，T为绝对温度。对于所述实验装 置及方法，若忽略流体的技术功，则有

式中q为单位质量流体所吸收的热量。若假设在微小的温度区间内，流体的比 定压热容为定值，并考虑加热过程中的热量损失，则式(2)可化为

式中，P为对微加热器功率，P₀为加热过程中的热量损失，q_m为质量流量，ΔT 为流体加热前后温差(T₂-T₁)，指定温度T取流体加热前后温度的算术平均数，即 T＝(T₁+T₂)/2，液体中气体摩尔分数x可通过查询在指定温度T和压力p₀下该气 体在所测液体中的溶解度得到。

式(3)中等式右边第二项为因热损失所引起的比定压热容测量偏差。可以 看出，若保持加热前后温差不变，增大流体的质量流量，则由热损失所引起的 测量偏差将减小。在所述方法中，可通过调节循环泵转速，得到不同的质量流 量q_m(间隔1g·min^-1)，计算获得相应比定压热容c_p并进行比较，当相邻两结果 间相对偏差小于0.1％时，则认为由热损失所引起的偏差可忽略，选定此时较大 的比定压热容即为最终测量结果。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领 域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一 些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，该装置包括液体容器(1)、预热器(12)、混合腔(13)、量热仪(15)、冷凝器(17)和气体样品瓶(21)；所述液体容器(1)、预热器(12)和混合腔(13)依次连通，所述混合腔(13)分别连通量热仪(15)和气体样品瓶(21)；所述量热仪(15)通过管道连通冷凝器(17)至液体容器(1)形成循环回路；所述预热器(12)、混合腔(13)和量热仪(15)均置于带有循环扇叶(11)的恒温槽(10)内；所述量热仪(15)上连接有数据采集系统和直流电源(9)。

2.根据权利要求1所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述液体容器(1)通过管道连接平流泵(4)、阀门和过滤阀(6)连通预热器(12)；连通预热器(12)的管道上进一步设有调压器(3)。

3.根据权利要求1所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述混合腔(13)经过减压阀(20)与气体样品瓶(21)相连。

4.根据权利要求1所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述冷凝器(17)通过管道连接循环泵(22)以及流量计(23)和阀门与液体容器(1)相连。

5.根据权利要求1所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述量热器(15)包括不锈钢腔体(25)和置于其内腔的两块铜块和微加热器(33)；所述两块铜块中分别插入有温度计，两块铜块经弯管分别连通至不锈钢腔体(25)外部的管道进口(24)和管道出口(30)；所述微加热器(33)设在第二铜块(27)上并与第一铜块(26)相连，通过引线(31)引出不锈钢腔体(25)外部。

6.根据权利要求5所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述微加热器(33)包括支柱(32)、加热丝(34)、扰流器(35)和引线(31)，所述引线(31)与加热丝(34)相连，缠绕于支柱(32)上，共同包裹于金属外壳内；所述扰流器(35)设于金属外壳底部。

7.根据权利要求1所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述数据采集系统包括电子计算机(7)与数字万用表(8)，所述数字万用表(8)和直流电源(9)均分别与压力变送器(16)第一温度计(28)、第二温度计(29)及微加热器(33)相连。

8.根据权利要求1所述一种适用于测量溶气流体比定压热容的装置，其特征在于，所述装置还包括第一阀门(2)、第二阀门(5)、第三阀门(14)、第四阀门(18)和真空泵(19)；第一阀门(2)与液体容器(1)相连，第二阀门(5)与平流泵(4)相连，第三阀门(14)置于混合腔(13)与气体样品瓶(21)之间，第四阀门(18)与真空泵(19)相连。

9.一种利用如权利要求1所述装置测量溶气流体比定压热容的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)关闭第一阀门(2)，打开第二阀门(5)、第三阀门(14)和第四阀门(18)，使用真空泵(19)对系统管路进行抽真空处理；

2)经过步骤1)后，关闭第四阀门(18)，调节减压阀(20)，将气体样品瓶(21)内气体注入系统管路；

3)经过步骤2)后，打开第一阀门(2)，关闭第三阀门(14)，调节恒温槽(10)内温度，使用平流泵(4)将液体容器(1)内的液体注入实验管路；当有稳定流速的液体流入液体容器(1)时，关闭第一阀门(2)；

4)经过步骤3)后，再次打开第三阀门(14)，关闭第二阀门(5)，开启循环泵(22)，使液体在管路内流动；

5)经过步骤4)后，检查压力变送器(16)示数是否下降，若压力p₀下降，则重复步骤4)，若压力p₀经一段时间后仍保持不变，则进行步骤6)；

6)经过步骤5)后，调节调压器(3)，使系统压力达到指定压力p；随后待第一温度计(28)与第二温度计(29)示数稳定且基本相同后，开启微加热器(33)，待第一温度计(28)与第二温度计(29)示数再次稳定后，分别记录两温度计所测温度T₁、T₂，以及微加热器(33)功率P和流量计(23)示数q_m；

7)计算比定压热容

根据步骤5)与步骤6)所测温度T₁和T₂，可查询得到指定压力p与指定温度T＝(T₁+T₂)/2下的气体溶解度x；根据步骤6)所测功率P和所测质量流量q_m，可计算得到指定压力p、温度T＝(T₁+T₂)/2和气体溶解度x下的比定压热容c_p＝P/[q_m(T₂-T₁)]。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤6)与步骤7)中，通过调节循环泵(22)转速，得到不同的质量流量q_m，计算获得相应比定压热容c_p并进行比较，选出循环泵(22)的最佳转速。