CN202166582U

CN202166582U - 水反应金属燃料高温实验装置

Info

Publication number: CN202166582U
Application number: CN2011202560974U
Authority: CN
Inventors: 夏鸣; 孙运兰; 朱宝忠; 胡永华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2021-07-20

Abstract

本实用新型涉及一种水反应金属燃料高温实验装置，属于实验装置领域，旨在提供一种能够安全有效地将水蒸气完全冷却并且能够减小系统误差的水反应金属燃料高温实验装置。本实用新型包括进气单元、反应单元、冷却单元、气体收集单元，各单元之间用乳胶管连接；所述的进气单元的氩气瓶、减压阀、气体流量计顺次连接，锥形瓶放在圆盘电炉上；所述的反应单元由石英管、石英舟、管式炉、温控仪、热电偶组成；所述的冷却单元由冷凝圆管、三通U型管、球形冷凝管由乳胶管依次连接组成；所述的气体收集单元由量筒、冰水槽、升降台组成，量筒倒置在冰水槽内，冰水槽放在升降台上。本实用新型容易构建，操作方便，系统误差小，数据准确度高，适用范围广。

Description

水反应金属燃料高温实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，更具体地说，涉及一种水反应金属燃料高温实验装置。

背景技术

水反应金属燃料是一种用于水下高速武器推进系统的新型高能量密度燃料，常用金属包括镁、铝、锂及相关化合物或其合金。水反应金属燃料在燃气发生器中进行一次燃烧，生成富含金属颗粒、液滴或蒸汽的高温燃气，然后进入补燃室与海水发生强烈的放热反应，产生的热量使未参与反应的海水受热蒸发，并以高压蒸汽膨胀做功，从而推动水下航行体运动。如俄罗斯的“暴风雪”超高速鱼雷就是应用镁基水反应金属燃料作为水冲压发动机推进系统的燃料。水反应金属燃料具有高的能量密度，产物无毒无污染等优点，在水下武器、航行器和太空发动机以及燃料电池中有着巨大的应用潜力，成为各国抢占科技制高点的焦点之一。

在发动机中金属颗粒停留时间很短，往往由于金属燃烧不充分而影响其能量释放。因此，提高金属与水反应速度是水反应金属燃料研究的关键技术之一。在实验室里一般采用管式炉模拟发动机的高温环境，研究金属镁粉、铝粉等相关合金粉末和水反应特性及添加剂对水反应金属燃料反应的影响，利用反应率来表征反应的进行程度。因为金属与水反应生成的氢气不溶于水，可利用排水法测定反应产生的氢气体积，得到氢气体积与时间的关系，反应率按下式计算：

η=V_t/ V₀

上式中，η为反应率，V_t为t时刻前产生氢气的总体积,单位为mL；V₀为金属粉末完全反应的总体积,单位为mL。在公开的文献中，实验装置所要解决的关键问题是用何种方式提供水蒸气和如何冷却高温水蒸气以得到较纯的氢气。如国防科技大学的周星等人在杂志《固体火箭技术》（2009年第32卷第3期）发表的文章《镁粉的高温水反应特性研究》中采用的是把缓冲罐放入冰水槽内的一次冷却方式。

这些实验仪器或装置冷却和收集氢气时，存在如下不足：

（1）由于从管式炉中出来的水蒸气潜热和压力都很大，缓冲罐放入冰水槽内的一次冷却方式不一定能把水蒸气都冷却完，且由于巨大温差极易造成玻璃器皿破裂；

（2）采用真空泵抽吸气体，这样势必会损失一些反应生成的氢气，影响数据的准确性；

（3）这些冷却装置的冷却的效率和装置的安全性、实用性、可行性，以及保证数据的可靠性都有待提高。

发明内容

实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的是要解决现有水反应金属燃料实验装置中出现的不足与缺陷，提供一种能够安全有效地将水蒸气完全冷却并且能够减小系统误差提高数据准确度的水反应金属燃料高温实验装置。

技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种水反应金属燃料高温实验装置，包括进气单元、反应单元、冷却单元、气体收集单元，各单元之间用乳胶管连接；其中：

进气单元由氩气瓶、减压阀、气体流量计、圆盘电炉、锥形瓶组成，氩气瓶、减压阀、气体流量计顺次连接，锥形瓶放在圆盘电炉上，锥形瓶内有水，提供水蒸气；

反应单元由石英管、石英舟、管式炉、温控仪、热电偶组成，金属样品放在石英舟中，石英舟置于石英管内，石英管穿过管式炉；

冷却单元由冷凝圆管、三通U型管、球形冷凝管由乳胶管依次连接组成，三个部件均为玻璃材质并由铁架台固定，冷凝圆管倾斜摆置并处于比石英管低的位置，三通U型管竖直摆置并处与最低位置，球形冷凝管竖直摆置并处于最高位置，球形冷凝管外管中的冷却水方向为自上而下；

气体收集单元由量筒、冰水槽、升降台组成，量筒倒置在冰水槽内，冰水槽放在升降台上，按排水集气法原理收集气体。

所述的石英管的氩气进口与气体流量计连接，水蒸气进口与锥形瓶连接，粗管出口塞上穿有玻璃导管的橡胶塞作为气体出口，粗管与细管之间有过渡圆角，细管上竖直分布着两个对称的实心石英柱；实心石英柱的位置要保证其靠住管式炉左壁出口时，被推进石英管里并靠住过渡圆角的石英舟的中心处于热电偶的下方，在实验操过程中若是由于人为操作造成石英管偏离了正确位置，只要将实心石英柱靠住管式炉左壁出口，即能使石英舟的中心处于热电偶的下方，从而保证了金属样品始终在预定温度下与水反应，提高了实验的准确性；石英材质具有耐高温的特性。

所述的冷凝圆管上有圆口，内管是两端敞口的直管，乳胶管从内管中穿过，冰块从圆口放入并填满内管外围，这样既保证了冷却效果，又不致于巨大的温差使得玻璃破裂。

所述的三通U型管的进气口与冷凝圆管连接，出气口与球形冷凝管连接，排水口的中心线低于三通中心；实验前，三通U型管先装入水，由于连通器原理，三通U型管内的液面始终保持在排水口的高度，这样既能收集冷凝圆管内管里乳胶管内和球形冷凝管内管中的冷凝水并排出，又能阻止外界空气的混入和氢气的逸出，从而保证了氢气顺利地通过三通U型管。

本实用新型的原理是：为排除空气对反应的影响，实验过程中通入氩气作为保护气，流量由气体流量计设定，管式炉的温度由温控仪设定。用圆盘电炉加热锥形瓶中的水至沸腾，使得水蒸气进入石英管中与石英舟内的金属样品发生反应，从石英管内出来的高温混合气体（氢气、氩气和水蒸气）通过乳胶管依次经过冷凝圆管、三通U型管和球形冷凝管，冷凝圆管内管里乳胶管内和球形冷凝管内管中的冷凝水都流入三通U型管内并从排水口排出；按排水集气法原理收集气体，记录时间和量筒内液面高度得到实验数据；可以考察温度、金属原料的种类和粒径、添加剂对水反应金属燃料反应率的影响。

有益效果

与现有技术相比，本实验新型的有益效果是：

（1）本实用新型容易搭建，操作方便，系统误差小，数据准确度高；

（2）本实用新型的水蒸气的冷却方式安全有效，实验过程直观；

（3）本实用新型的实验参数与反应效果便于记录和调整，可广泛应用于相关教学和实验，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型水反应金属燃料高温实验装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型石英管的结构示意图；

图3是本实用新型冷凝圆管的结构示意图；

图4是本实用新型三通U型管的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中反应率随时间变化的曲线图。

示意图中零部件的标号说明：

氩气瓶1，圆盘电炉2，锥形瓶3，穿有玻璃导管的橡胶塞4，减压阀5，气体流量计6，管式炉7，石英舟8，温控仪9，热电偶10，石英管11，铁架台12，冷凝圆管13，三通U型管14，球形冷凝管15，量筒16，冰水槽17，升降台18，粗管11a，过渡圆角11b，细管11c，实心石英柱11d，氩气进口11e，水蒸气进口11f，圆口13a，内管13b，进气口14a，出气口14b，排水口14c，三通中心14d。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，结合附图对本实用新型作详细描述。

图1是本实用新型水反应金属燃料高温实验装置示意图，包括进气单元、反应单元、冷却单元、气体收集单元，各单元之间用乳胶管连接；其中：

进气单元由氩气瓶1、减压阀5、气体流量计6、圆盘电炉2、锥形瓶3组成，氩气瓶1、减压阀5、气体流量计6顺次连接，锥形瓶3放在圆盘电炉2上，锥形瓶3内有水，提供水蒸气；

反应单元由石英管11、石英舟8、管式炉7、温控仪9、热电偶10组成，金属样品放在石英舟8中，石英舟8置于石英管11内，石英管11穿过管式炉7；

冷却单元由冷凝圆管13、三通U型管14、球形冷凝管15由乳胶管依次连接组成，三个部件均为玻璃材质并由铁架台12固定，冷凝圆管13倾斜摆置并处于比石英管11低的位置，三通U型管14竖直摆置并处与最低位置，球形冷凝管15竖直摆置并处于最高位置，球形冷凝管15外管中的冷却水方向为自上而下；

气体收集单元由量筒16、冰水槽17、升降台18组成，量筒16倒置在冰水槽17内，冰水槽17放在升降台18上，按排水集气法原理收集气体。

图2是本实用新型石英管的结构示意图,石英管11的氩气进口11e与气体流量计6连接，水蒸气进口11f与锥形瓶3连接，粗管11a出口塞上穿有玻璃导管的橡胶塞4作为气体出口，粗管11a与细管11c之间有过渡圆角11b，细管11c上竖直分布着两个对称的实心石英柱；实心石英柱11d的位置要保证其靠住管式炉7左壁出口时，被推进石英管11里并靠住过渡圆角11b的石英舟8的中心处于热电偶10的下方；在实验操作过程中若是由于人为操作造成石英管11偏离了正确位置，只要将实心石英柱11d靠住管式炉7左壁出口，即能使石英舟8的中心处于热电偶10的下方，从而保证了金属样品始终在预定温度下与水反应，提高了实验的准确性；石英材质具有耐高温的特性。

图3是本实用新型冷凝圆管的结构示意图，冷凝圆管13上有圆口13a，内管13b是两端敞口的直管，乳胶管从内管13b中穿过，冰块从圆口13a放入并填满内管13b外围，这样既保证了冷却效果，又不致于巨大的温差使得玻璃破裂。

图4是本实用新型三通U型管的结构示意图，三通U型管14的进气口14a与冷凝圆管13连接，出气口14b与球形冷凝管15连接，排水口14c的中心线低于三通中心14d；实验前，三通U型管14先装入水，由于连通器原理，三通U型管14内的液面始终保持在排水口14c的高度，这样既能收集冷凝圆管13内管和球形冷凝管15内管中的冷凝水并排出，又能阻止外界空气的混入和氢气的逸出，从而保证了氢气顺利地通过三通U型管14。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例：

结合图1、图2、图3、图4和图5，本实施例的水反应金属燃料高温实验装置，包括进气单元、反应单元、冷却单元、气体收集单元，各单元之间用乳胶管连接；其中：

进气单元由氩气瓶1、减压阀5、气体流量计6、圆盘电炉2、锥形瓶3组成，氩气瓶1、减压阀5、气体流量计6顺次连接，锥形瓶3放在圆盘电炉2上；

气体收集单元由量筒16、冰水槽17、升降台18组成，量筒16倒置在冰水槽17内，冰水槽17放在升降台18上。

所述的石英管11的氩气进口11e与气体流量计6连接，水蒸气进口11f与锥形瓶3连接，粗管11a出口塞上穿有玻璃导管的橡胶塞4作为气体出口，粗管11a与细管11c之间有过渡圆角11b，细管11c上竖直分布着两个对称的实心石英柱11d。

所述的冷凝圆管13上有圆口13a，内管13b是两端敞口的直管，乳胶管从内管13b中穿过。

所述的三通U型管14的进气口14a与冷凝圆管13连接，出气口14b与球形冷凝管15连接，排水口14c的中心线低于三通中心14d。

具体实验过程如下：

以40目的镁粉为金属样品进行水反应金属燃料高温实验：

（a）设定温控仪9使管式炉7加热到预定温度600℃并保温1小时。

（b）当管式炉7加热到预定温度600℃后，各部件按照图1中的位置关系搭建好；特别强调：锥形瓶3和三通U型管14中加入适量水，锥形瓶3暂不放在圆盘电炉2上，穿有玻璃导管的橡胶塞4暂不塞住石英管11的粗管11a出口。

（c）打开氩气瓶1，由气体流量计6设定氩气的流量为50 ml/min，让氩气作为保护气，排除空气对反应的影响。

（d）将锥形瓶3放在圆盘电炉2上加热使得锥形瓶3的水至沸腾，然后暂时停止向石英管11内通入水蒸气。

（e）等待3～5分钟，让氩气排尽石英管11内的空气和水蒸气，然后称取0.1 g的镁粉放入石英舟8内，用工具快速地将石英舟8从石英管11粗管11a出口推入过渡圆角11b处，同时将穿有玻璃导管的橡胶塞4塞紧石英管11粗管11a出口，再将实心石英柱11d靠紧管式炉7左壁出口，最后再向石英管11内通入水蒸气，此时水蒸气便快速地通入石英管11内和石英舟8内的镁粉发生反应，从而产生氢气，在高温下镁粉与水反应发生如下反应：

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂↓+ H₂↑ 。

（f）从石英管11内出来的高温混合气体（氢气、氩气和水蒸气）通过乳胶管依次经过冷凝圆管13、三通U型管14和球形冷凝管15，冷凝圆管13内管和球形冷凝管15内管中的冷凝水都流入三通U型管14内并从排水口14c排出。

（g）按排水集气法原理收集气体，记录时间和量筒内液面高度得到实验数据；经过计算得到各时刻的反应率，以时间为横坐标，反应率为纵坐标绘制曲线图，如图5所示。

重复上述实验步骤，便可以考察温度、金属原料的种类和粒径、添加剂对水反应金属燃料反应率的影响。

本实施例的水反应金属燃料高温实验装置结构简单，能方便的冷却和收集氢气，可控性强，提高了实验效率并减小了系统误差。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种水反应金属燃料高温实验装置，其特征在于：所述的水反应金属燃料高温实验装置包括进气单元、反应单元、冷却单元、气体收集单元，各单元之间用乳胶管连接；其中：

进气单元由氩气瓶（1）、减压阀（5）、气体流量计（6）、圆盘电炉（2）、锥形瓶（3）组成，氩气瓶（1）、减压阀（5）、气体流量计（6）顺次连接，锥形瓶（3）放在圆盘电炉（2）上；

反应单元由石英管（11）、石英舟（8）、管式炉（7）、温控仪（9）、热电偶（10）组成，金属样品放在石英舟（8）中，石英舟（8）置于石英管（11）内，石英管（11）穿过管式炉（7）；

冷却单元由冷凝圆管（13）、三通U型管（14）、球形冷凝管（15）由乳胶管依次连接组成，三个部件均为玻璃材质并由铁架台（12）固定，球形冷凝管（15）外管中的冷却水方向为自上而下；

气体收集单元由量筒（16）、冰水槽（17）、升降台（18）组成，量筒（16）倒置在冰水槽（17）内，冰水槽（17）放在升降台（18）上。

2.根据权利要求1所述的水反应金属燃料高温实验装置，其特征在于：所述的石英管（11）的氩气进口（11e）与气体流量计（6）连接，水蒸气进口（11f）与锥形瓶（3）连接，粗管（11a）出口塞上穿有玻璃导管的橡胶塞（4）作为气体出口，粗管（11a）与细管（11c）之间有过渡圆角（11b），细管（11c）上竖直分布着两个对称的实心石英柱（11d）。

3.根据权利要求1所述的水反应金属燃料高温实验装置，其特征在于：所述的冷凝圆管（13）上有圆口（13a），内管（13b）是两端敞口的直管，乳胶管从内管（13b）中穿过。

4.根据权利要求1或3所述的水反应金属燃料高温实验装置，其特征在于：所述的三通U型管（14）的进气口（14a）与冷凝圆管（13）连接，出气口（14b）与球形冷凝管（15）连接，排水口（14c）的中心线低于三通中心（14d）。