一种p-v-t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法技术

一种p

【技术实现步骤摘要】
一种p
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t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法


[0001]本专利技术涉及能源动力
的实验教学，特别涉及一种p
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t关系测定教学实验台和充灌方法及使用方法，用于能源动力类p
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t关系测定专业课程实验的教学。

技术介绍

[0002]实际流体pvT关系测定实验是国内高校《工程热力学》课程广泛开设的一项课程实验，该实验是使用水银将气相工质封装在玻璃容器内，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，使得流体工质的体积发生变化，并在一定的温度和压力条件下发生液化。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工质的体积变化量，从而测得实际流体的pvT关系。目前国内高校所使用的实验台均充灌CO2工质，结构也完全相同，实验台中玻璃容器存在高压爆炸的风险，CO2液化后的液柱长度过小。此外由于CO2的临界温度较低，实验在高温天气下难以开设。为解决上述问题，专利技术人申请了专利技术专利(专利号201710203927.9)，将流体工质由CO2改为乙烷，同时在玻璃管外侧使用半导体进行控温，解决了上述问题。然而，改进后的实验台仍存在部分关键问题尚需进一步完善：
[0003](1)流体工质充灌困难，充灌过程水银极易洒出。流体工质以气相的形式从直接套在底部进样口上的软管充入容器中，充灌完成后用夹子将软管夹住，将夹子和软管同时塞入水银杯中，在水银中将软管从进样口退出。该过程操作难度非常大，尤其是软管必须在水银中拔掉，该过程极易导致水银被溅出，或者进样口浮出水银面，导致充灌失败。由于水银溅出后难以清理干净，导致实验室空气长期处于汞蒸气污染状态。
[0004](2)流体工质中的空气难以完全排除，造成较大的实验误差。流体工质充灌时，首先需要对玻璃管进行抽真空，将软管直接套在底部进样口外侧，连接至真空泵进行抽真空。由于软管与进样口之间密封性较差，当停止抽真空后，会有部分空气漏入玻璃管中，导致最终充入玻璃管中的气相工质中不可避免的存在部分空气。当漏入的空气较多时，会对低于临界温度曲线的测量结果造成重大影响，测量得出的饱和液相压力甚至可能高于临界压力，无法用于正常实验教学。
[0005](3)半导体控温平衡时间较长。在专利技术专利(专利号201710203927.9)中，玻璃管通过恒温铝块进行控温，由于玻璃管与铝块之间存在间隙，导致传热热阻较大，使得玻璃管内工质温度稳定的时间较长。由于本实验测量的实验点数量较多，造成实验可能无法在正常的授课时间内完成。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种方便充灌工质的p
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t关系测定教学实验台和充灌及使用方法，将气相工质的充灌由原本的内部充灌好再安装实验装置，改为可随时外部直接充灌，且整个充灌管路可实现完全真空密封，彻底解决空气漏入问题；在实验装置本体上开设两个观察窗，将实验装置由全封闭式改为可观测式，在工质充灌和实验测量过程中可直接
对实验现象进行观测，不仅完全解决了水银泄露的问题，还能加深学生对实验原理的理解；此外，设计了自动控温的半导体恒温水浴，大大缩短了实验中温度稳定所需要的时间。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下的实验方案来实现：
[0008]一种p
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t关系测定教学实验台，包括实验装置本体，水浴控温装置、活塞式压力泵和工质充灌系统；
[0009]其中，实验装置本体包括不锈钢容器，不锈钢容器上设置有第一观察窗和第二观察窗，第二观察窗内部充灌有水银；不锈钢容器顶部设置有与不锈钢容器相连通的玻璃管，玻璃管顶部封闭；
[0010]第一观察窗与第二观察窗的底部均与工质充灌系统相连；
[0011]第二观察窗顶部分为两路，一路通过不锈钢管连接有堵头，另一路通过不锈钢管与活塞式压力泵相连；
[0012]玻璃管外侧设置有水浴控温装置。
[0013]进一步的，玻璃管顶部设置有顶部压板，顶部压板通过螺纹丝杆与不锈钢容器相连。
[0014]进一步的，水浴控温装置包括半导体恒温水浴，设置在玻璃管外侧的水套，水套中安装有铂电阻温度计。
[0015]进一步的，水套顶部开设有补水口，铂电阻温度计安装在水套顶部，铂电阻温度计连接有温度控制器；水套侧面设置有水套出水口和水套进水口；水套出水口和水套进水口均与半导体恒温水浴相连。
[0016]进一步的，半导体恒温水浴包括水冷头，水冷头通过软管分别与循环浴出口和循环泵相连，水冷头的两个侧面分别设置有加热片和半导体制冷片，半导体制冷片外侧设置有散热器和风扇；半导体制冷片连接有开关电源，加热片通过固态继电器和开关电源连接，固态继电器连接有温度控制器。
[0017]进一步的，半导体制冷片的功率为30～120W；加热片为陶瓷片加热器或薄膜加热器，功率为50～200W；循环泵为磁力泵，扬程为1～3米；开关电源的输出电压为12或24V，功率为200～400W。
[0018]进一步的，工质充灌系统包括真空泵、第三阀门、第四阀门以及压力传感器，真空泵出口经第三阀门与第二阀门相连，第三阀门与第二阀门之间的管道上设置有压力传感器和气瓶，气瓶与管道之间设置有第四阀门；第二阀门的出口分为两路，一路与第一观察窗相连，另一路与第二观察窗相连。
[0019]进一步的，第一观察窗和第二观察窗的材料均为有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃；
[0020]第一观察窗内部的容积为35～60mL，第二观察窗内部的容积比第一观察窗大10～30mL；第一观察窗和第二观察窗为圆形通孔，通孔直径为30～50mm；第一观察窗和第二观察窗的材料均为厚度为10～30mm的有机玻璃、聚碳酸酯、钢化玻璃或石英玻璃；
[0021]玻璃管距不锈钢容器顶部的1/4～1/2高度位置处设置有限位护板，限位护板由有机玻璃或聚碳酸脂材料制作；
[0022]水套的材料为有机玻璃或聚碳酸酯，水套外侧设置有刻度尺；
[0023]水套与半导体循环浴中装有水，水中添加亚硫酸钠粉末，亚硫酸钠的质量浓度为4
～10％；
[0024]不锈钢容器与第二阀门设置在防护罩内；
[0025]工质充灌系统中的流体工质为乙烷、二氧化碳、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
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三氟乙烷。
[0026]一种基于上述的p
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t关系测定教学实验台的充灌方法，包括以下步骤：
[0027]1)关闭第一阀门，拆下堵头，将水银通过不锈钢管注入不锈钢容器内，所注入的水银的量大于等于不锈钢容器内部体积的80％；使用活塞式液压泵将液压油压至水银的上方，使空气完全从不锈钢管排出，安装好堵头；
[0028]2)打开第四阀门以及第二阀门，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，包括实验装置本体(1)，水浴控温装置、活塞式压力泵(3)和工质充灌系统(24)；其中，实验装置本体(1)包括不锈钢容器(4)，不锈钢容器(4)上设置有第一观察窗(10)和第二观察窗(11)，第二观察窗(11)内部充灌有水银(39)；不锈钢容器(4)顶部设置有与不锈钢容器(4)相连通的玻璃管(6)，玻璃管(6)顶部封闭；第一观察窗(10)与第二观察窗(11)的底部均与工质充灌系统(24)相连；第二观察窗(11)顶部分为两路，一路通过不锈钢管连接有堵头(36)，另一路通过不锈钢管与活塞式压力泵(3)相连；玻璃管(6)外侧设置有水浴控温装置。2.根据权利要求1所述的一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，玻璃管(6)顶部设置有顶部压板(13)，顶部压板(13)通过螺纹丝杆(7)与不锈钢容器(4)相连。3.根据权利要求1所述的一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，水浴控温装置包括半导体恒温水浴(2)，设置在玻璃管(6)外侧的水套(5)，水套(5)中安装有铂电阻温度计(14)。4.根据权利要求3所述的一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，水套(5)顶部开设有补水口(25)，铂电阻温度计(14)安装在水套(5)顶部，铂电阻温度计(14)连接有温度控制器(15)；水套(5)侧面设置有水套出水口(37)和水套进水口(38)；水套出水口(37)和水套进水口(38)均与半导体恒温水浴(2)相连。5.根据权利要求3所述的一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，半导体恒温水浴(2)包括水冷头(26)，水冷头(26)通过软管分别与循环浴出口(33)和循环泵(32)相连，水冷头(26)的两个侧面分别设置有加热片(27)和半导体制冷片(28)，半导体制冷片(28)外侧设置有散热器(29)和风扇(30)；半导体制冷片(28)连接有开关电源(35)，加热片(27)通过固态继电器(34)和开关电源(35)连接，固态继电器(34)连接有温度控制器(15)。6.根据权利要求5所述的一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，半导体制冷片(28)的功率为30～120W；加热片(27)为陶瓷片加热器或薄膜加热器，功率为50～200W；循环泵(32)为磁力泵，扬程为1～3米；开关电源(35)的输出电压为12或24V，功率为200～400W。7.根据权利要求1所述的一种p
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t关系测定教学实验台，其特征在于，工质充灌系统(24)包括真空泵(18)、第三阀门(22)、第四阀门(23)以及压力传感器(17)，真空泵(18)出口经第三阀门(22)与第二阀门(21)相连，第三阀门(22)与第二阀门(21)之间的管道上设置有压力传感器(17)和气瓶(19)，气瓶(19)与管道之间设置有第四阀门(23)；第二阀门(21)的出口分为两路，一路与第一观察窗(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张可，孟现阳，毕胜山，孟婧，王小丹，唐上朝，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：