本發(fā)明屬于高溫混合物狀態(tài)方程測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測量高溫含氫混合物狀態(tài)方程的裝置與方法。

背景技術(shù)：

氫氣是一種清潔能源。2005年，閆秋會等發(fā)現(xiàn)在超臨界水中加入生物質(zhì)與煤漿，可將煤漿中的氫元素連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闅鋯钨|(zhì)析出，生成含有氫氣的混合工質(zhì)。實驗系統(tǒng)在650℃，25mpa下進行，生成的工質(zhì)含有12％氫氣，8％二氧化碳，80％水蒸氣。這種混合工質(zhì)可被用來驅(qū)動渦輪，帶動發(fā)動機發(fā)電。而要進行使用這種混合工質(zhì)的渦輪、發(fā)動機的設(shè)計，獲取其狀態(tài)方程就成為最直接而又較為關(guān)鍵的問題。

針對氫氣的狀態(tài)方程測量，目前主要有兩種方法：burnett法和定容積法。

2010年，sakoda等開發(fā)了使用burnett法測量氫氣狀態(tài)方程的裝置。其原理是依據(jù)狀態(tài)方程：pv＝zmrt,采用兩個固定容積的腔體，一個叫做樣品腔，一個叫做膨脹腔。樣品腔有兩個出口，一個是注入樣品的管道，有閥門控制；另一個是通向膨脹腔的管道，有閥門控制其中混合物的流動。膨脹腔上有三個出口，一個是與樣品腔相連的管道，另一個是放氣管道，用于實驗中排出混合物，第三個是用于抽真空的管道出口。在實驗開始時，向樣品腔中注入一定量的含氫混合物，混合物的壓力通過壓力計測得，混合物的容積通過標定樣品腔的體積測得，混合物的溫度通過熱電偶測得。唯一的未知數(shù)就是混合物初始溫度壓力的壓縮因子z。這個初始壓縮因子通過以下的方法擬合得到：加入混合物，測定容器內(nèi)初始的壓力、溫度以后，打開樣品腔與膨脹腔之間的閥門，從樣品腔放出一定量的混合物到膨脹腔中去，使樣品腔與膨脹腔中的混合物壓力相等。再關(guān)閉樣品腔與膨脹腔之間的閥門，保證樣品腔中的混合物質(zhì)量不變，測定此時樣品腔中混合物的壓力、溫度。之后，將膨脹腔的放氣管道打開，將其中的混合物排空，然后將膨脹腔抽真空，恢復到剛剛加入樣品至樣品腔中的狀態(tài)。然后，再次打開連接樣品腔和膨脹腔的閥門，將一部分混合物從樣品腔放出至膨脹腔中去，使樣品腔與膨脹腔中的混合物壓力相等，關(guān)閉閥門，保證樣品腔中的混合物質(zhì)量不變，測定此時樣品腔中的壓力、溫度。之后，再將膨脹腔的放氣管道打開，將其中的混合物排空，然后將膨脹腔抽真空。這樣，進行數(shù)次循環(huán)，直到樣品腔中的氣體壓力極小，極為稀薄。由于每次放出一定量混合物，放出的氣體占之前總氣體的比例是由膨脹腔與樣品腔體積比決定的，是一個常數(shù)?；旌衔镌趬毫O小時可認為趨向理想氣體，其壓縮因子趨向于1。所以將所有測得的數(shù)據(jù)聯(lián)合在一起，求極限，即可求出混合物初始狀態(tài)的壓縮因子z。這樣，混合物在測試范圍內(nèi)的狀態(tài)方程就可以全部測得了。

burnett方法只能測定氫氣在200℃下的狀態(tài)方程，超過200℃之后就會出現(xiàn)較為嚴重的氫氣滲漏問題，氫氣從樣品腔和膨脹腔中逸出，使測量結(jié)果不準確，而且會有較大的安全風險。因此burnett方法無法用于650℃的含氫混合物狀態(tài)方程的測量。

2012年，sakoda等開發(fā)了使用定容積法測量氫氣狀態(tài)方程的實驗裝置。其原理是：在burnett方法的基礎(chǔ)上，考慮樣品腔容積隨溫度的變化，樣品腔的體積遠小于膨脹腔，是膨脹腔的約十分之一，先對樣品腔容積在不同溫度下進行標定，然后采用和burnett方法類似的方法測定壓力溫度的數(shù)據(jù)。最后，計算得出含氫混合物的狀態(tài)方程。實驗測定，當溫度達到800k時，樣品腔的體積約上升為400k下樣品腔體積的1.01倍。采用定容積法測量，氫氣在200℃，0–100mpa的密度與文獻中已有的狀態(tài)方程的偏差不大于1％。

定容積法測量狀態(tài)方程需要事先得到低溫下物質(zhì)的狀態(tài)方程，或者使用理想氣體狀態(tài)方程進行近似，或者直接使用天平稱重的方法稱量分子量較大實驗工質(zhì)的質(zhì)量。然而對于成分未知的含氫混合物，其低溫下的狀態(tài)方程無法事先通過簡單測量得到，如果使用burnett方法先進行測定，不能保證burnett樣品腔中的混合物與定容積法容器中的混合物成分完全相同；如果通過理想氣體方程推算，由于含氫混合物在低溫下并不完全符合理想氣體方程，也會使測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差；含氫混合物各組分的分子量均較低，采用天平稱重的方法也會使實驗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

綜上所述，已有的實驗方法只能得到氫氣在500℃以下的狀態(tài)方程和含氫混合物在200℃以下的狀態(tài)方程。尚未有研究者提出測量650℃及其以上含氫混合物狀態(tài)方程的實驗方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種測量高溫含氫混合物狀態(tài)方程的裝置與方法，尤其是1000℃含氫混合物的狀態(tài)方程。該裝置每個測量過程通過兩步測量得到定密度下含氫混合物從溫度值t20到需要測量的最高溫度t10之間的狀態(tài)方程p＝p(t)，之后通過改變初始充入的含氫混合物的質(zhì)量，得到不同密度下含氫混合物在同樣范圍內(nèi)的狀態(tài)方程，最終得到溫度值t20到需要測量的最高溫度t10范圍含氫混合物的完整狀態(tài)方程p＝p(ρ,t)。此裝置具有避免高溫氫氣滲漏、測量精度高、操作簡便等優(yōu)點，彌補了高溫含氫混合物狀態(tài)方程測量領(lǐng)域的空白。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種測量高溫含氫混合物狀態(tài)方程的裝置，包括：

用于盛放含氫混合物的樣品容器一1；

與樣品容器一1連通的樣品容器二2；

用于加熱所述樣品容器一1的電加熱器一3；

用于加熱所述樣品容器二2的電加熱器二4；

用于測量所述樣品容器一1內(nèi)部壓力的壓力傳感器一7；

用于測量所述樣品容器一1內(nèi)部溫度的溫度計一8；

用于測量所述樣品容器二2內(nèi)部壓力的壓力傳感器二9；

用于測量所述樣品容器二2內(nèi)部溫度的溫度計二10；

設(shè)置在所述樣品容器一1含氫混合氣入口管路上的控制閥一11；

設(shè)置在所述樣品容器一1與樣品容器二2連通管路上的控制閥二12；

以及，

設(shè)置在所述樣品容器二2含氫混合氣出口管路上的控制閥三13。

本發(fā)明裝置還包括：

用于保溫所述樣品容器一1以及充入流動惰性氣體防止氫氣滲漏的密閉容器5；

用于保溫所述樣品容器二2以及充入流動惰性氣體防止氫氣滲漏的密閉容器6。

本發(fā)明測量高溫含氫混合物狀態(tài)方程的方法，包括如下步驟：

首先，將待測含氫混合物加壓后充入樣品容器一1中，然后關(guān)閉容器進口，在樣品容器一1內(nèi)部形成封閉空間，之后加熱樣品容器一1使其溫度達到需要測量的最高溫度t10；

然后，在不同溫度下，測定并記錄樣品容器一1內(nèi)的壓力p以及所對應的溫度t，之后將樣品容器一1和樣品容器二2的溫度控制在相同值t20，將樣品容器一1中的一部分含氫混合物引入樣品容器二2中，壓力達到平衡后，再次測量樣品容器一1內(nèi)的壓力p和溫度t，然后關(guān)閉控制閥二12，打開控制閥三13，將樣品容器二2抽真空；再關(guān)閉控制閥三13，打開控制閥二12，將樣品容器一1之中余下的一部分混合物引入樣品容器二2之中，壓力達到平衡后，再次測量樣品容器一1內(nèi)的壓力p和溫度t，重復該過程6–8次，由此確定樣品容器一1內(nèi)的含氫混合物在溫度值t20下的密度值，從而得到含氫混合物在該密度下從溫度值t20到需要測量的最高溫度t10的p＝p(t)狀態(tài)曲線；

最后，通過改變初始充入樣品容器一1中含氫混合物的質(zhì)量，改變樣品容器一1中混合物的密度，得到不同密度下含氫混合物從溫度值t20到需要測量的最高溫度t10的p＝p(t)狀態(tài)曲線，由此最終確定含氫混合物在溫度值t20到需要測量的最高溫度t10范圍的完整狀態(tài)方程p＝p(ρ,t)。

所述含氫混合物溫度范圍在150℃-1000℃，壓力范圍在0–100mpa。

所述抽真空后真空度在5×10^-4pa以下，利用機械泵和分子泵兩級抽真空，以防止容器中殘留氣體對測量的影響，分子泵選用leybold,tw70h，所述溫度由電加熱器和溫度計控制。

所述溫度t為樣品容器一1、樣品容器二2與被測含氫混合物達到熱平衡時共同的溫度。

所述每個測量過程分兩步，第一步只將被測含氫混合物充入樣品容器一1，加熱樣品容器一1到需要測量的最高溫度t10，測量樣品容器一1內(nèi)含氫混合物的壓力p，之后逐漸減小加熱功率，使樣品容器一1中的含氫混合物的溫度和壓力降低，再測量6-8次含氫混合物的溫度t和壓力p，直到樣品容器一1的溫度降低到t20；第二步將樣品容器一1、樣品容器二2同時保持在溫度值t20，從樣品容器一1中導出一部分含氫混合物到樣品容器二2中，兩容器壓力平衡后，測定樣品容器一1中的壓力p，之后關(guān)閉控制閥二12，使用機械泵分子泵兩級抽氣將樣品容器二2抽真空至5×10^-4pa，形成真空環(huán)境；之后再從樣品容器一1中導出一部分混合物到樣品容器二2中，如此重復6–8次；之后改變充入混合氣的質(zhì)量，重復上述測量過程，最終即可得到溫度值t20至需要測量的最高溫度t10范圍的完整狀態(tài)方程p＝p(ρ,t)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明巧妙地通過將被測含氫混合物的壓力、溫度測量和密度測量分開，通過兩步測量分別得到同樣成分的含氫混合物的壓力、溫度和密度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高溫下含氫混合物狀態(tài)方程的測量。本發(fā)明具有防止高溫氫氣滲漏、測量精度高、操作簡單等優(yōu)點，填補了高溫含氫混合物狀態(tài)方程測量領(lǐng)域的空白。

附圖說明

圖1為測量高溫含氫混合物狀態(tài)方程時的溫度壓力變化示意圖。

圖2為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)與具體組成。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。

每個測量過程分為兩步進行，如圖1所示。

第一步測量含氫混合物在一定密度下從溫度值t20到需要測量的最高溫度t10的狀態(tài)方程p＝p(t)。在樣品容器一1中充入一定量的含氫混合物，之后關(guān)閉控制閥一11和控制閥二12，使樣品容器一1中形成密閉空間，容納一定量的含氫混合物。之后使用電加熱器一3加熱樣品容器一1，使用溫度計一9控制，使樣品容器一1的溫度穩(wěn)定在需要測量的最高溫度t10。使用壓力傳感器一7測量樣品容器內(nèi)的壓力p1，使用溫度計一9測量樣品容器一1內(nèi)的溫度t1。之后，減小電加熱器一3的加熱功率，使樣品容器一1內(nèi)的溫度以及壓力逐漸下降，并穩(wěn)定在一個溫度上，如此重復m次，其中第m次使樣品容器內(nèi)的溫度穩(wěn)定在t20。在第i次溫度穩(wěn)定時，使用壓力傳感器一7測量樣品容器內(nèi)的壓力p1i，使用溫度計一9測量樣品容器一1內(nèi)的溫度t1i(i＝1,2，…,m)。這一步可得到m組壓力溫度數(shù)據(jù)(p1i，t1i)。

第二步測量含氫混合物在溫度值t20的密度。使用電加熱器一3加熱樣品容器一1，電加熱器二4加熱樣品容器二2，使用溫度計一9測量樣品容器一1內(nèi)的溫度，溫度計二10測量樣品容器二2內(nèi)的溫度，使樣品容器一1和樣品容器二2內(nèi)的溫度一直保持在t20。之后關(guān)閉控制閥一11和控制閥三13，打開控制閥二12，使一部分含氫混合物從樣品容器一1進入樣品容器二2中。使用壓力傳感器一7、壓力傳感器二9測量樣品容器一1、樣品容器二2中的壓力，待壓力平衡后，使用壓力傳感器一7測量樣品容器一1中的壓力p2j；之后關(guān)閉控制閥二12，打開控制閥三13，將樣品容器二2抽真空，關(guān)閉控制閥三13。再重復打開控制閥二12使一部分含氫混合物從樣品容器一1進入樣品容器二2待壓力平衡后測量壓力、再關(guān)閉控制閥二12打開控制閥三13將樣品容器二2抽真空并關(guān)閉控制閥三13的步驟，進行n次，得到n個壓力數(shù)據(jù)p2j(j＝1,2，…，n)。

在第二步測量中，最原始的壓力溫度(p20，t20)等于第一步測量的最末壓力溫度(p1m，t1m)。之后，每次重復測量的過程，認為含氫混合物均滿足狀態(tài)方程：

p2,j-1v1＝zj-1mj-1rt20(1)

p2j(v1+v2)＝zjmj-1rt20(2)

其中v1，v2分別是樣品容器一1、樣品容器二2的容積，zj為第j次重復過程中的壓縮因子，r為理想氣體常數(shù)。

上面兩式相除，即得到：

其中n＝(v1+v2)/v1為容器體積比常數(shù)。

將m次重復得到的m個(3)式相乘，在m比較大時，含氫混合氣十分稀薄，可認為接近理想氣體性質(zhì)，壓縮因子就為1，可得到

最終得到

至此，含氫混合物在溫度值t20下的密度ρ20也已得到。在這一密度下，從溫度值t20到需要測量的最高溫度t10范圍，含氫混合物的(ρ，p，t)數(shù)據(jù)即最終確定為：(ρ20，p1i，t1i)(i＝0,1,2，…，m)。

之后，改變初始充入樣品容器一1的含氫混合物的質(zhì)量，即可改變溫度值t20下含氫混合物的密度ρ20。再重復上述的兩步測量，即可得到不同密度下的含氫混合物的(ρ，p，t)數(shù)據(jù)(ρ20，p1i，t1i)(i＝0,1,2，…，m)。這樣，最終即可得到含氫混合物在溫度值t20-需要測量的最高溫度t10范圍的完整狀態(tài)方程p＝p(ρ,t)。

在具體實驗中，測量步驟如下：

步驟一：在樣品容器一1中充入一定量的含氫混合物，之后關(guān)閉控制閥一11和12，使樣品容器一1中形成密閉空間，容納一定量的含氫混合物。之后使用電加熱器一3加熱樣品容器一1，使用溫度計一9控制，使樣品容器一1的溫度穩(wěn)定在需要測量的最高溫度t10。使用壓力傳感器一7測量樣品容器內(nèi)的壓力p1，使用溫度計一9測量樣品容器一1內(nèi)的溫度t1。

步驟二：減小電加熱器一3的加熱功率，使樣品容器一1內(nèi)的溫度以及壓力逐漸下降，并穩(wěn)定在一個溫度上。溫度穩(wěn)定時，使用壓力傳感器一7測量樣品容器內(nèi)的壓力p1i，使用溫度計一9測量樣品容器一1內(nèi)的溫度t1i。

步驟三：重復步驟二m次，得到m組壓力溫度數(shù)據(jù)(p1i，t1i)(i＝1，2,3，…，m)。其中第m次控制樣品容器一1的溫度為t1m＝t20。

步驟四：電加熱器一3加熱樣品容器一1，電加熱器二4加熱樣品容器二2，使用溫度計一9測量樣品容器一1內(nèi)的溫度，溫度計二10測量樣品容器二2內(nèi)的溫度，使樣品容器一1和樣品容器二2內(nèi)的溫度一直保持在t20。

步驟五：關(guān)閉控制閥一11、控制閥三13，打開控制閥二12，使一部分含氫混合物從樣品容器一1進入樣品容器二2中。使用壓力傳感器一7、9測量樣品容器一1、樣品容器二2中的壓力，待壓力平衡后，使用壓力傳感器一7測量樣品容器一1中的壓力p2j；之后關(guān)閉控制閥二12，打開控制閥三13，將樣品容器二2抽真空，關(guān)閉控制閥三13。

步驟六：重復步驟五n次，得到n個壓力數(shù)據(jù)p2j(j＝1,2，…，n)

步驟七：關(guān)閉控制閥一11，打開控制閥二12、控制閥三13，將樣品容器一1、樣品容器二2抽真空，之后改變初始充入樣品容器一1的含氫混合物的質(zhì)量，重復步驟一至步驟六的過程，直到得到足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)。最后關(guān)閉控制閥一11，打開控制閥二12、控制閥三13，將樣品容器一1、樣品容器二2抽真空，儀器恢復初始狀態(tài)，全部測量過程結(jié)束。

本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式，本發(fā)明中的測試原理可廣泛應用于本領(lǐng)域及與之相關(guān)的其他領(lǐng)域，可以采用其他多種具體實施方式實施本發(fā)明。因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計思想，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。