一种用于测量气体比定压热容的装置及方法

本发明属于流体热物性测量，特别涉及一种用于测量气体比定压热容的装置及方法。

背景技术：

1、比定压热容是指在恒定压力下，单位质量物体温度升高1k所吸收的热量，是物质重要的热物理性质之一。精确的比定压热容数据在能源动力、航空航天、化工等诸多领域里至关重要，为获得精确的实验数据，当前主要的实验方法有流动型量热法、绝热量热法和差示扫描量热法。

2、现有的各类方法之中，流动型量热法具有测量范围广、精度高等优势，更适用于高温高压气体的实验研究；其基本原理是在恒定压力下，利用加热器为管路中质量流量稳定的待测气体提供热量，使实验段两端产生温度差，从而获得待测气体的比定压热容。流动型量热法用于气体比定压热容测量的关键是稳定的质量流量，目前较为流行的气体流量控制方法是借助气体质量流量控制器。气体质量流量控制器在使用时一般需要保证前后端具有一定的工作压差，仅适用于非闭式流动型量热法，且具有耗气量大、成本较高以及且无法进行有毒气体测量的缺陷。鉴于上述缺陷，较为可行的解决方案是：借鉴气体动力循环，利用压缩机维持气体的循环流动，从而实现闭式测量；然而，上述方案难以精确控制气体流量。因此，如何精确控制气体质量流量，实现精确的气体比定压热容闭式测量，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于测量气体比定压热容的装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种基于流动型量热法的气体比定压热容测量方案，可解决现有技术存在的难以精确控制质量流量的技术问题；本发明公开的技术方案能够减少耗气量，可实现经济、稳定的精确测量。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明第一方面，提供一种用于测量气体比定压热容的装置，包括：气体样品管路、驱动气源管路、气体增压泵、测量管路、气体回收瓶和调压器；其中，

4、所述气体样品管路的进口设置有第一阀门，所述气体样品管路的出口与所述气体增压泵的进口相连通；所述气体样品管路设置有第一减压阀；

5、所述驱动气源管路的进口用于与驱动气源相连通，所述驱动气源管路的出口与所述气体增压泵的进口相连通；所述驱动气源管路设置有第二减压阀和手拉阀；

6、所述测量管路的进口处设置有第四阀门，所述测量管路的出口与所述第一阀门和所述第一减压阀间的管路相连通；所述测量管路沿气体流动方向依次设置有预热器、量热仪、冷却器和单向阀，所述测量管路还设置有第三压力表和流量计；所述量热仪设置于恒温装置中；

7、其中，

8、所述气体增压泵的出口经缓冲罐、第三阀门与所述第四阀门和所述预热器间的管路相连通，所述气体回收瓶经第二阀门与所述气体增压泵和所述缓冲罐间的管路相连通；所述调压器用于与所述第三阀门之后的管路相连通；

9、所述量热仪包括腔体以及置于所述腔体中的第一感温铜块、第二感温铜块、微加热器；所述第一感温铜块和所述第二感温铜块分别插有第一温度计和第二温度计；所述第一感温铜块、所述第二感温铜块分别通过管路连接腔体外部设置的管路进口、管路出口，所述管路进口、所述管路出口分别与所述预热器、所述冷却器相连通；所述微加热器设置于所述第一感温铜块和所述第二感温铜块间的管路。

10、本发明装置的进一步改进在于，还包括：

11、气体样品瓶，所述气体样品瓶的气体出口用于与所述第一阀门的进口相连通。

12、本发明装置的进一步改进在于，还包括：

13、第一压力表，所述第一压力表用于设置于所述气体样品管路；其中，沿气体流动方向，所述第一压力表设置于所述第一减压阀之后；

14、第二压力表，所述第二压力表用于设置于所述驱动气源管路；其中，沿气体流动方向，所述第二压力表设置于所述第二减压阀之后。

15、本发明装置的进一步改进在于，还包括：

16、驱动气源，所述驱动气源用于与所述第二减压阀的进口相连通；其中，所述驱动气源为压缩空气。

17、本发明装置的进一步改进在于，还包括：

18、直流电源，所述直流电源用于作为所述用于测量气体比定压热容的装置的供电单元。

19、本发明装置的进一步改进在于，还包括：

20、真空泵，所述真空泵用于与所述第四阀门的进口相连通。

21、本发明装置的进一步改进在于，所述微加热器的底部设置有扰流器。

22、本发明装置的进一步改进在于，还包括：

23、数据获取及计算单元，用于获取所述微加热器加热前、后所述第一温度计、所述第二温度计的温差δti和δt，所述微加热器的功率p以及所述流量计测得的质量流量qm，待测气体在指定压力p、温度t＝(t1+t2)/2下的比定压热容为δt＝t2-t1，微加热器加热后第一温度计、第二温度计测量的温度分别为t1、t2，第三压力表测量压力为所述指定压力p。

24、本发明第二方面，提供一种用于测量气体比定压热容的方法，所述方法基于本发明第一方面所述的装置，所述方法包括以下步骤：

25、1)关闭第一阀门、第二阀门，打开第三阀门、第四阀门，对装置连通管路进行抽真空处理；

26、2)经过步骤1)后，关闭第三阀门、第四阀门，打开第一阀门，粗调第一减压阀，将待测气体注入气体样品管路；通过第二减压阀调节驱动气压力，拉起手拉阀，利用气体增压泵将足量待测气体压缩至与驱动气压成正比的高压状态，并储存在缓冲罐内，以确保后续测量时测量管路中有连续待测气体来流；

27、3)经过步骤2)后，关闭第一阀门，打开第三阀门，向测量管路内充注适量待测气体，当测量管路有稳定流速的气体时，关闭手拉阀，使系统处于停运保压状态并等待，若气密性良好则跳转执行步骤4)；

28、4)经过步骤3)后，开启预热器，调节恒温装置内温度，拉起手拉阀，使待测气体在测量管路中循环流动，微调第一减压阀控制气体流量至适当值，调节调压器控制气体压力至指定压力p；

29、5)经过步骤4)后，在微加热器关闭的情况下，第一温度计和第二温度计示数稳定且基本相同时，记录此时两温度计的初始温差δti，以消除管路中由焦汤效应引起的系统误差；开启微加热器，调节加热功率使第二温度计读数升高2～5k，待两温度计示数再次稳定后，记录此时第一温度计、第二温度计测量的温度t1、t2以及微加热器的功率p、流量计的示数qm；

30、6)基于步骤5)获取的数据，待测气体在指定压力p、温度t＝(t1+t2)/2下的比定压热容为其中，δt＝t2-t1，第三压力表测量压力为所述指定压力p。

31、本发明方法的进一步改进在于，在考虑漏热损失δp的情况下，待测气体在指定压力p、温度t＝(t1+t2)/2下的比定压热容为，

32、

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明具体公开了一种基于流动型量热法的气体比定压热容测量方案，可解决现有技术存在的难以精确控制质量流量的技术问题，能够减少耗气量，实现经济、稳定的精确测量。具体解释性的，本发明设置有气体样品管路、驱动气源管路，通过驱动气驱动气体增压泵将足量的待测气体压缩至与驱动气压成正比的高压状态，并储存在缓冲罐内，以确保实验管路中有连续气体来流；第一减压阀和第二减压阀分别用于调节气体增压泵的进口的待测气体压力和驱动气的压力，进而精确控制实验管路中气体的流量和压力；气体增压泵出口设置有缓冲罐，可保证系统有连续的气体循环流动；配备有气体回收装置，可用于高温高压或有毒气体的比定压热容测量，同时大大降低了耗气量；量热仪的管路进口设有预热器，可以快速将实验段气体加热并稳定至指定温度，量热仪的管路出口连接冷却器，可将试验段出口气体冷却至常温，避免仪器损坏。