CN110715950B - 一种可变容积流体热物性测量装置 - Google Patents

一种可变容积流体热物性测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的可变容积流体热物性测量装置，包括：变容积模块、可视化平衡釜及恒温模块、测量模块，所述恒温模块包括恒温浴、温度测量模块、压力测量模块、密度测量模块及组分测量模块，由于可变容积模块内的加压流体与可视化平衡釜内目标流体由弹性元件隔绝，互不接触，对已知质量的待测流体通过恒温浴将整个装置升温至接近待测流体的临界温度，可不重新装填工质，而是通过冲放加压流体使弹性元件伸缩，改变待测流体所在腔体的容积，进而改变待测流体的体积，通过温度、压力、组分测量模块测出此时流体的温度、压力、组分，计算此时的密度，该装置还能够较快的测量流体的临界温度、压力、密度及组分，节省了不必要的实验次数，缩短实验周期。

Description

一种可变容积流体热物性测量装置
技术领域
本发明涉及流体热物性测量领域，特别涉及一种可变容积流体热物性测量装置。
背景技术
流体的热物性数据在能源、化工、制冷、动力等许多科学研究和工程设计领域都是不可缺少的基础参数，对于提高热能与机械能的转换效率、减少污染物排放等方面都有着重要作用。因此，获取满足用户使用要求的流体热物性数据始终是相关研究人员所围绕和关心的问题。特别是目前工程热物理的大量前沿研究，如清洁汽车燃料，新型动力、制冷和热泵循环，氢能和太阳能利用，功能流体强化传热，废弃物处理等都涉及许多新的工质尤其是混合工质，而这些工质的热物性数据特别是临界热物性数据的临界性质(临界温度Tc、临界压力pc、临界密度ρc、临界组成xc)作为混合工质重要的热力学参数之一，能够反映真实流体的性质，提供混合工质的相变边界。有了这些临界参数，就可以通过状态方程推算混合工质的热力学性质和迁移性质。因此，混合工质的高精度临界参数测量具有重要意义。
流体热物性数据的获取途径主要有：实验测量、理论推算和计算机模拟。利用计算机模拟方法来获取流体物性数据是随着计算机技术的发展而产生的，尽管整体研究还处于起步阶段，但已表现出了良好的前景，然而就现阶段的研究水平而言，由于其精度较低，想要利用计算机模拟的方法取代实验测量或理论推算则显然是不可能的。到目前为止，可以认为实验测量仍然是流体热物性数据获取的最主要的途径，而且没有精确的实验数据作基础，就不能得到合理的计算机模拟结果或理论推算结果，因此在今后很长的一段时间内，实验研究仍将是流体热物性研究的最主要的手段。而本发明正是为流体临界热物性的实验研究提供了一个能够满足其测量精度要求的基础实验平台。
另外，就混合工质流体临界热物性实验研究的现状而言，目前的测量方式仍依靠人工进行大量的重复测量，每次测量都要改变工质的平均密度使其接近临界密度才能观察到临界现象，且多数实验装置不能同时测量流体的多个临界参数，再加上临界点本身的特殊性质使得每一次测量所需的时间都要十几小时，导致临界参数的实验数据需要的时间极长，远远无法满足工业界和其他领域对流体临界热物性数据的大量需求。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种节省实验次数，缩短实验周期的可变容积流体热物性测量装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可变容积流体热物性测量装置，包括：变容积模块、可视化平衡釜及恒温模块，所述恒温模块包括恒温浴及测量模块，所述变容积模块及所述可视化平衡釜设置于所述恒温模块内；其中：
所述变容积模块包括壳体、端盖及弹性元件，所述弹性元件的两端与所述壳体及端盖固定连接，所述弹性元件与所述壳体及端盖形成的腔体内设置有加压流体；
所述可视化平衡釜包括：平衡釜身、观察镜片及平衡釜连接机构，所述平衡釜连接机构与所述壳体且靠近所述弹性元件下方腔体固定连接，由所述观察镜片的可视化窗口可观察所述平衡釜身内的情况，所述平衡釜身内设有待测流体，通过改变所述加压流体的量使得所述弹性元件发生形变改变所述待测流体的容积；
所述测量模块设置于所述恒温浴外部，所述测量模块可测量所述待测流体内的温度、压力、密度及组份。
在一些较佳的实施例中，所述端盖包括上端盖及下端盖，所述上端盖、所述下端盖与所述壳体配合形成所述腔体。
在一些较佳的实施例中，所述上端盖上开设有加压流体入口，通过所述加压流体入口可向所述腔体内注入所述加压流体。
在一些较佳的实施例中，所述加压流体入口处连接有外部气瓶、温度及压力测量模块，所述温度及压力测量模块用于计算加压流体所在腔体的体积。
在一些较佳的实施例中，所述下端盖上开设有待测流体出口，所述待测流体出口与所述平衡釜身相连通，通过改变所述加压流体的冲注量对所述下端盖施加的压力，使得所述弹性元件产生弹性位移并使得所述弹性元件下方容积变化。
在一些较佳的实施例中，所述弹性元件为波纹管。
在一些较佳的实施例中，所述加压流体包括氮气或二氧化碳。
在一些较佳的实施例中，所述加压流体通过外部加压设备注入到所述腔体内，所述加压设备包括高压气瓶、手动增压泵、电动增压泵或机械增压设备。
在一些较佳的实施例中，所述可变容积流体热物性测量装置还包括可摇晃底座，所述可摇晃底座包括搅拌轮及与所述搅拌轮连接的摇摆件，所述搅拌轮设置于所述恒温浴内且位于所述平衡釜身下方，所述可摇晃底座可使所述待测流体在所述平衡釜身内充分搅拌。
在一些较佳的实施例中，所述可摇晃底座采用青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金和因康镍尔合金材料。
在一些较佳的实施例中，所述恒温浴采用空气浴，可通过设定所述恒温浴内部的空气温度对整个装置保持恒温。
在一些较佳的实施例中，所述测量模块包括：
温度测量模块设置于所述恒温浴外部，所述温度测量模块可测量所述待测流体内的温度；
所述压力测量模块设置于所述恒温浴外部，所述压力测量模块可测量所述待测流体内的压力；
所述密度测量模块设置于所述恒温浴外部，所述密度测量模块可测量所述待测流体内的密度；
所述组分测量模块设置于所述恒温浴外部，所述组分测量模块可测量所述待测流体内的组份。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的可变容积流体热物性测量装置，包括：变容积模块、可视化平衡釜及恒温模块，所述恒温模块包括恒温浴、温度测量模块、压力测量模块、密度测量模块及组分测量模块，由于可变容积模块内的加压流体与可视化平衡釜内目标流体由弹性元件隔绝，互不接触，对已知质量的待测流体通过恒温浴将整个装置升温至接近待测流体的临界温度，可不重新装填工质，而是通过冲放加压流体使弹性元件伸缩，改变待测流体所在腔体的容积，进而改变待测流体的体积，通过温度、压力、组分测量模块测出此时流体的温度、压力、组分，计算此时的密度，该装置还能够较快的测量流体的临界温度、压力、密度及组分，节省了不必要的实验次数，缩短实验周期。
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它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可变容积流体热物性测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例提供的可变容积流体热物性测量装置的结构示意图，包括：变容积模块110、可视化平衡釜120及恒温模块130，所述恒温模块130包括恒温浴131及测量模块(图未示)，所述变容积模块110及所述可视化平衡釜120设置于所述恒温模块130内。以下详细说明各个部件之间的结构关系。
所述变容积模块110包括壳体111、端盖112及弹性元件113，所述弹性元件113的两端与所述壳体111及端盖112固定连接，所述弹性元件113与所述壳体111及端盖112形成的腔体内设置有加压流体114。
在一些较佳的实施例中，所述端盖112包括上端盖1121及下端盖1122，所述上端盖1121、所述下端盖1122与所述壳体111配合形成所述腔体V1。
进一步地，所述上端盖1121上开设有加压流体入口1123，通过所述加压流体入口1123可向所述腔体V1内注入所述加压流体114。
可以理解，所述加压流体入口1123处连接有外部气瓶(图未示)、温度及压力测量模块(图未示)，所述温度及压力测量模块(图未示)用于计算加压流体114所在腔体V1的体积。
所述可视化平衡釜120包括：平衡釜身121、观察镜片122及平衡釜连接机构123，所述平衡釜连接机构123与所述壳体111且靠近所述弹性元件113下方腔体V1固定连接，由所述观察镜片122的可视化窗口可观察所述平衡釜身121内的情况，所述平衡釜身121内设有待测流体124，通过改变所述加压流体114的量使得所述弹性元件113发生形变改变所述待测流体124的容积。
在一些较佳的实施例中，可视化窗口为所述观察镜片与密封结构构成可观察平衡釜内的情况，所述密封结构包含聚四氟乙烯或聚酰亚胺的密封圈及刚性金属密封法兰。
在一些较佳的实施例中，所述下端盖1122上开设有待测流体出口(图未示)，所述待测流体出口与所述平衡釜身121相连通，通过改变所述加压流体114的冲注量对所述下端盖1122施加的压力，使得所述弹性元件113产生弹性位移并使得所述弹性元件113下方容积变化。
所述测量模块设置于所述恒温浴外部，所述测量模块可测量所述待测流体内的温度、压力、密度及组份。
所述测量模块包括：温度测量模块132、压力测量模块133、密度测量模块134及组分测量模块135。
所述温度测量模块132设置于所述恒温浴131外部，所述温度测量模块132可测量所述待测流体124内的温度。
具体地，所述温度测量模块132包括：温度计、温度计套管、测温电桥、数据采集系统，所述温度计套管设置于所述待测流体中，所述温度计设置于温度计套管内部，另一端与测温电桥、数据采集系统相连，通过所述温度测量模块132可实时测量所述待测流体124的温度。
所述压力测量模块133设置于所述恒温浴131外部，所述压力测量模块133可测量所述待测流体124内的压力。
具体地，所述压力测量模块133包括：压力传感器及数据采集系统，所述压力传感器与带测流体124和数据采集系统连接，可实时测量所述待测流体124的压力。
所述密度测量模块134设置于所述恒温浴131外部，所述密度测量模块134可测量所述待测流体124内的密度。
具体地，所述密度测量模块134包括：天平、外部加压装置及连接管路，可通过测量外部加压装置内气体减少的质量得到冲入装置内部待测流体的质量，结合预先标定的容器体积、加压流体状态参数及状态方程可间接求得待测流体的体积，进而得到待测流体124的平均密度，当通过可视化平衡釜观察到临界现象时，可近似认为待测流体124此时的平均密度与其临界密度相等。
所述组分测量模块135设置于所述恒温浴131外部，所述组分测量模块135可测量所述待测流体124内的组份。
在一些较佳的实施例中，所述弹性元件113为波纹管。
进一步地，所述波纹管为金属材料，所述金属材料为青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金和因康镍尔合金中任意一种。
在一些较佳的实施例中，所述加压流体114为性能稳定、密度较低、实验过程中不会液化的气体，例如为氮气或二氧化碳。
在一些较佳的实施例中，所述加压流体114通过外部加压设备注入到所述腔体内，所述加压设备包括高压气瓶、手动增压泵、电动增压泵或机械增压设备。
在一些较佳的实施例中，所述可变容积流体热物性测量装置还包括可摇晃底座140，所述可摇晃底座140包括搅拌轮141及与所述搅拌轮141连接的摇摆件142，所述搅拌轮141设置于所述恒温浴131内且位于所述平衡釜身121下方，所述可摇晃底座141可使所述待测流体124在所述平衡釜身121内充分搅拌。
在一些较佳的实施例中，所述可摇晃底座140采用青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金和因康镍尔合金材料。
在一些较佳的实施例中，所述恒温浴131采用空气浴，可通过设定所述恒温浴131内部的空气温度对整个装置保持恒温。
可以理解，所述加压流体114位于所述弹性元件113、所述壳体111与所述端盖112(具体为下端盖1122)形成的区域V1内，所述待测流体124位于所述弹性元件113、所述壳体111与所述端盖112(具体为上端盖1121)形成的区域V2内。
本发明利用V1+V2体积之和在实验过程中为一定值，通过直接测量和计算V1体积变化量V1’，间接求出此时待测流体所占体积为：V1+V2-V1’。
实验开始时，首先向V2腔内注入已知质量的待测流体，然后设定恒温浴的温度，使其靠近临界温度，通过外部加压设备向V1腔加入已知质量的加压流体，使弹性元件113发生形变间接改变V2腔的容积使其接近临界密度，再次升温至观察到临界现象(临界乳光或半月面消失及复现)后记录临界温度、临界压力，通过组分测量模块135测量组分，并测量V1腔内的温度、压力，计算出V1腔体积的改变量，计算此时的临界密度。
本发明提供的可变容积流体热物性测量装置，由于可变容积模块内的加压流体与可视化平衡釜内目标流体由弹性元件隔绝，互不接触，对已知质量的待测流体通过恒温浴将整个装置升温至接近待测流体的临界温度，可不重新装填工质，而是通过冲放加压流体使弹性元件伸缩，改变待测流体所在腔体的容积，进而改变待测流体的体积，通过温度、压力、组分测量模块测出此时流体的温度、压力、组分，计算此时的密度，该装置还能够较快的测量流体的临界温度、压力、密度及组分，节省了不必要的实验次数，缩短实验周期。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
当然本发明的可变容积流体热物性测量装置还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (9)

1.一种可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，包括：变容积模块、可视化平衡釜及恒温模块，所述恒温模块包括恒温浴及测量模块，所述变容积模块及所述可视化平衡釜设置于所述恒温模块内；其中：
所述变容积模块包括壳体、端盖及弹性元件，所述弹性元件的两端与所述壳体及端盖固定连接，所述弹性元件与所述壳体及端盖形成的腔体内设置有加压流体；
所述可视化平衡釜包括：平衡釜身、观察镜片及平衡釜连接机构，所述平衡釜连接机构与所述壳体且靠近所述弹性元件下方腔体固定连接，由所述观察镜片的可视化窗口可观察所述平衡釜身内的情况，所述平衡釜身内设有待测流体，通过改变所述加压流体的量使得所述弹性元件发生形变改变所述待测流体的容积；
所述测量模块设置于所述恒温浴外部，所述测量模块可测量所述待测流体内的温度、压力、密度及组份；
所述端盖包括上端盖及下端盖，所述上端盖、所述下端盖与所述壳体配合形成所述腔体；
所述上端盖上开设有加压流体入口，通过所述加压流体入口可向所述腔体内注入所述加压流体；
所述下端盖上开设有待测流体出口，所述待测流体出口与所述平衡釜身相连通，通过改变所述加压流体的冲注量对所述下端盖施加的压力，使得所述弹性元件产生弹性位移并使得所述弹性元件下方容积变化；
所述加压流体位于所述弹性元件、所述壳体与所述下端盖形成的区域V 1 内，所述待测流体位于所述弹性元件、所述壳体与所述上端盖形成的区域V2内，
利用V 1 +V 2 体积之和在实验过程中为一定值，通过直接测量和计算V 1 体积变化量V 1 ’，间接求出此时待测流体所占体积为：V 1 +V 2 -V 1 ’；
首先向V 2 腔内注入已知质量的待测流体，然后设定恒温浴的温度，使其靠近临界温度，通过外部加压设备向V 1 腔加入已知质量的加压流体，使弹性元件发生形变间接改变V 2 腔的容积使其接近临界密度，再次升温至观察到临界现象后记录临界温度、临界压力，通过组分测量模块测量组分，并测量V 1 腔内的温度、压力，计算出V 1 腔体积的改变量，计算此时的临界密度。
2.根据权利要求1所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述加压流体入口处连接有外部气瓶、温度及压力测量模块，所述温度及压力测量模块用于计算加压流体所在腔体的体积。
3.如权利要求1所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述弹性元件为波纹管。
4.如权利要求1所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述加压流体包括氮气或二氧化碳。
5.如权利要求4所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述加压流体通过外部加压设备注入到所述腔体内，所述加压设备包括高压气瓶、手动增压泵、电动增压泵或机械增压设备。
6.如权利要求1所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述可变容积流体热物性测量装置还包括可摇晃底座，所述可摇晃底座包括搅拌轮及与所述搅拌轮连接的摇摆件，所述搅拌轮设置于所述恒温浴内且位于所述平衡釜身下方，所述可摇晃底座可使所述待测流体在所述平衡釜身内充分搅拌。
7.如权利要求6所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述可摇晃底座采用青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金和因康镍尔合金材料。
8.如权利要求1所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述恒温浴采用气浴或液浴，可通过设定所述恒温浴内部的介质温度对整个装置保持恒温。
9.如权利要求1所述的可变容积流体热物性测量装置，其特征在于，所述测量模块包括：
温度测量模块设置于所述恒温浴外部，所述温度测量模块可测量所述待测流体内的温度；
压力测量模块设置于所述恒温浴外部，所述压力测量模块可测量所述待测流体内的压力；
密度测量模块设置于所述恒温浴外部，所述密度测量模块可测量所述待测流体内的密度；
所述组分测量模块设置于所述恒温浴外部，所述组分测量模块可测量所述待测流体内的组份。
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基于不同的SAFT类状态方程研究甲烷的热物性;杨智等;《低温工程》;20151231;6-12 *
流体热物性的基础研究创新;纪军等;《中国科学基金》;20051231;147-150 *

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