一种流动高温熔盐流体绝热比热容测试系统的制作方法

1.本发明属于储能高温熔盐热物性测试领域，具体涉及一种流动高温熔盐流体绝热比热容测试系统。


背景技术：

2.比热容是物质主要的热物理性质之一，它不仅是科学研究和工程实践的基础数据，也是热物性研究中检验状态方程等关系式的重要参数。目前，对于高温熔融盐流体的热物性研究集中于对导热系数、比热容和热扩散率的直接测量，以及对其凝固后固相物质的微观结构观测。国内外的流动型量热器大部分是针对气体比热容进行研究，对液体的比热容研究，特别是高温高压下液体比热容的研究相对较少。
3.比热容的测量方法按照量热器热交换方式不同可分为冷却法和加热法两大类；加热法在工程实践及实验测量中比较容易实现，因而被广泛应用。加热法又可分为流动型和非流动型两种，其中非流动型以绝热法测量精度最高，且方法简单直接、测量速度快。非流动型绝热法按照加热方式不同可分为两种；一种是定热量加热法；另一种是连续加热法，也称准稳态法。
4.而比热容的精确值主要来源于实验测量，测定液体比热容的方法很多，如混合法、比较法、冷却法等，但这些方法只适用于低温下旳测量，比较成熟的高温比热容测量方法主要有差示扫描量热仪(dsc)法、流动型量热仪、绝热量热仪等。绝热法是属于电加热法的一种，其测量的基本原理与流动量热仪相似，即通过测量吸收的热量及温升，进而计算出比热容，绝热法测定比热容其测量精度主要取决于装置的绝热性能，即通过实现良好的绝热来减少热损失，但是绝热法在低温至500℃左右时精度比较高，但当温度高于500℃以后，精度下降，主要是因为随着温度的提高，绝热控制越来越困难，造成辐射热损失增加。
5.现有高温液体比热测试的方法主要分为加热法和冷却法两种，加热法在工程实践和实验测量中比较容易实现。加热法中的流动型量热仪法和绝热量热法更加简单易于操作且精度较高，但是目前以此原理为基础的测试装置大都无法满足高温熔盐流体的温度测试要求(＞300℃)；且高温熔盐流体具有腐蚀性和导电性，现有的装置无法满足。


技术实现要素：

6.针对现有的高温熔盐流体比热容测试中存在的不足，本发明提出一种流动高温熔盐流体绝热比热容测试系统，具体技术方案如下：
7.一种流动高温熔盐流体绝热比热容测试系统，包括实验测试子系统、电桥测试子系统、信息采集及控制子系统；
8.所述实验测试子系统包括绝热釜，以及位于绝热釜的外部的样品容器、平流泵、背压阀、冷却器、真空泵，和位于绝热釜内部的电加热器、入口温度检测器、量热器、出口温度检测器、外加热带、内加热带、第一热电偶、第二热电偶、压力表；
9.样品容器、平流泵、电加热器、量热器、冷却器之间依次通过不锈钢管连通；背压阀
安装在平流泵与电加热器之间的不锈钢管上，入口温度检测器安装在电加热器和量热器之间的不锈钢管上，出口温度检测器安装在量热器和冷却器之间的不锈钢管上；所述外加热带与内加热带均分别设置在量热器的上下两侧，每个加热带上均布置有第二热电偶，用于检测检测带上的温度变化；所述绝热釜的侧壁上安装所述第一热电偶和压力表，分别用于测量绝热釜内部的环境温度和压力；
10.所述电桥测试子系统包括直流稳压电源、电桥开关、第一电阻箱、第一电阻、第二电阻、第二电阻箱、第三电阻箱、第一电压表、第二电压表；
11.第一电阻、第二电阻、第二电阻箱和入口温度检测器连成四边形，组成惠斯通电桥的四个桥臂；第一电阻、第二电阻、第三电阻箱和出口温度检测器连成四边形，组成惠斯通电桥的四个桥臂；两个惠斯通电桥均连接在所述直流稳压电源、电桥开关、第一电阻箱依次串联后的两端；
12.所述信息采集及控制子系统包括依次电连接的计算机和数据采集卡，所述数据采集卡和第一电压表、第二电压表、第一热电偶、第二热电偶、电加热器、入口温度检测器、出口温度检测器、压力表通过导线电连接，用于采集对应的压力信号、温度信号，并将输入传送至装有热分析软件及温度压强控制软件的计算机；
13.所述计算机用于实时显示采集显示数据采集卡采集所得电压、压强和温度数据，根据这些数据计算待测熔盐比热容，并向所述外加热带、所述内加热带和电加热器传达温度指令。
14.进一步地，所述量热器设计为套管式，通过支撑架支撑在绝热釜的中心；量热器内部通道为环状，采用不同管径的不锈钢管焊接而成，分别为外管、中管以及内管；外管的一侧开设有量热器入口，外管的底部开设有量热器出口，量热器出口中还安装有混流器；中管嵌套在外管内，且与外管的顶面间有间隙，内管嵌套在中管内，且与中管的底部之间有间隙；内管内部放置由高强度铬镍合金双螺旋绕制而成的加热丝，且采用耐高温氧化镁粉填充加热丝与内管之间的间隙，顶部用环氧胶将其密封；量热器的外壁面设置有辐射屏，使外加热带和内加热带的壁面温度与量热器的外壁面保持一致，辐射屏保持光滑表面，尽可能减少热辐射导致的热量损失。
15.进一步地，所述入口温度检测器和出口温度检测器均为热敏电阻式结构。
16.进一步地，所述绝热釜内部的上部安装有绝热隔离板，所述实验测试子系统位于所述绝热隔离板上，所述绝热隔离板用于间隔实验测试子系统与电桥测试子系统。
17.进一步地，所述外加热带与所述内加热带采取双螺旋的方法绕制。
18.进一步地，所述绝热釜的侧壁上开设有引线出入口，为绝热釜内的实验测试子系统及电桥测试子系统的所有引线的出口。
19.本发明的有益效果如下：
20.(1)传统的比热容测量方法一般采用测温铂电阻、热电偶等温度传感器测量温度，存在温度读取误差大、读数不方便、单次测量引入随机误差的可能性大，本发明改造传统的惠斯通电桥，电桥采用双并联系统，将热信号向电信号转化，利用电压比值计算比热容，通过计算机对数据进行采集处理，更加智能且准确。
21.(2)测温装置采用双渠道测试，一为电压信号，二为热电偶传感器信号，做到大幅度消除实验误差。
22.(3)通过对流动型量热器进行改进以及内外绝热屏和电加热系统进行设计，拓宽了温度和压力的测量范围，为工程设计和计算提供了一定的理论依据。
附图说明
23.图1为本发明实施例的流动高温熔盐流体绝热比热容测试系统的示意图；
24.图2为实验测试子系统101的示意图；
25.图3为量热器101-8的示意图；
26.图4为电桥测试子系统102的示意图；
27.图5为信息采集及控制子系统103的示意图。
28.图中，实验测试子系统101、电桥测试子系统102、信息采集及控制子系统103、样品容器101-1、平流泵101-2、不锈钢管101-3、背压阀101-4、绝热釜101-5、电加热器101-6、入口温度检测器101-7、量热器101-8、出口温度检测器101-9、冷却器101-10、支撑架101-11、绝热隔离板101-12、外加热带101-13、内加热带101-14、引线出入口101-15、真空泵101-16、第一热电偶101-17、第二热电偶101-18、压力表101-19、量热器入口101-8-1、中管101-8-3、内管101-8-4、加热丝101-8-5、耐高温氧化镁粉101-8-6、辐射屏101-8-7、混流器101-8-8、量热器入口101-8-9、直流稳压电源102-1、电桥开关102-2、第一精密电阻箱102-3、第一精密电阻102-4、第二精密电阻102-5、第二精密电阻箱102-6、第三精密电阻箱102-7、第一精密电压表102-8、第二精密电压表102-9、计算机103-1、数据采集卡103-2。
具体实施方式
29.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.如图1所示，本发明的流动高温熔盐流体绝热比热容测试系统，包括实验测试子系统101、电桥测试子系统102、信息采集及控制子系统103。
31.其中，如图2所示，实验测试子系统101包括绝热釜101-5，以及位于绝热釜101-5的外部的样品容器101-1、平流泵101-2、背压阀101-4、冷却器101-10、真空泵101-16，和位于绝热釜101-5内部的电加热器101-6、入口温度检测器101-7、量热器101-8、出口温度检测器101-9、支撑架101-11、绝热隔离板101-12、外加热带101-13、内加热带101-14、第一热电偶101-17、第二热电偶101-18、压力表101-19。
32.样品容器101-1、平流泵101-2、电加热器101-6、量热器101-8、冷却器101-10之间依次通过不锈钢管101-3连通。背压阀101-4安装在平流泵101-2与电加热器101-6之间的不锈钢管101-3上，入口温度检测器101-7安装在电加热器101-6和量热器101-8之间的不锈钢管101-3上，出口温度检测器101-9安装在量热器101-8和冷却器101-10之间的不锈钢管101-3上。
33.样品容器101-1为承装待测熔盐的容器，平流泵101-2将样品容器101-1中的待测熔盐以均匀的速度打出。背压阀101-4用来调整绝热釜101-5内部的压力。绝热釜101-5为圆筒形状，上下两端均被绝热密封，为测试环境提供绝热条件。待测熔盐在电加热器101-6被加热至设定温度后，被输送至入口温度检测器101-7，由熔盐入口温度检测器101-7精准测量其温度数据。待测熔盐在被测定温度后，从量热器入口101-8-1加入量热器101-8。
34.如图3所示，量热器101-8设计为套管式，通过支撑架101-11支撑在绝热釜101-5的中心。量热器101-8内部通道为环状，采用不同管径的不锈钢管焊接而成，分别为外管101-8-2、中管101-8-3以及内管101-8-4。外管101-8-2的一侧开设有量热器入口101-8-1，外管101-8-2的底部开设有量热器出口101-8-9，量热器出口101-8-9中还安装有混流器101-8-8。中管101-8-3嵌套在外管101-8-2内，且与外管101-8-2的顶面间有间隙，内管101-8-4嵌套在中管101-8-3内，且与中管101-8-3的底部之间有间隙。内管101-8-4内部放置由高强度铬镍合金双螺旋绕制而成的加热丝101-8-5，且采用耐高温氧化镁粉101-8-6填充加热丝101-8-5与内管101-8-4之间的间隙，顶部用环氧胶将其密封。量热器101-8的外壁面设置有辐射屏101-8-7，使外加热带101-13和内加热带101-14的壁面温度与量热器101-8的外壁面保持一致，辐射屏101-8-7保持光滑表面，尽可能减少热辐射导致的热量损失。
35.待测熔盐由量热器入口101-8-1进入，先经过外管101-8-2与中管101-8-3的腔中，随后流入中管101-8-3与内管101-8-4的腔中进行加热，待测熔盐加热后，最后在底部的混流器101-8-8处稍作停留，进行充分换热后离开。
36.出口温度检测器101-9以与入口温度检测器101-7相同的方式测定出口温度，随后被输送至位于绝热釜101-5外部的冷却器101-10，待测熔盐被冷却后收集处理。第一热电偶101-17安装在绝热釜101-5的侧壁上，用于测量绝热釜101-5内部的环境温度。压力表101-19安装在绝热釜101-5的侧壁上，用于测量测量绝热釜101-5内部的环境压力。
37.绝热隔离板101-12位于绝热釜101-5内部的上部，用于用来间隔实验测试子系统101与电桥测试子系统102。外加热带101-13与内加热带101-14均分别设置在量热器101-8的上下两侧，外加热带101-13与所述内加热带101-14采取双螺旋的方法绕制，其上布置有第二热电偶101-18，用于检测检测带上的温度变化。信息采集及控制子系统103与外加热带101-13与内加热带101-14以及第二热电偶101-18进行控温，保证内外腔的温度和实验测试子系统101中的量热器101-8的温度基本一致，防止在测量高温下比热容时，由于量热器101-8和外加热带101-13与内加热带101-14形成一定的温度梯度，而导致热量损失。
38.绝热釜101-5的侧壁上开设有引线出入口101-15，为绝热釜101-5内的实验测试子系统101及电桥测试子系统102的所有引线的出口。真空泵101-16和背压阀101-4共同为绝热釜101-5内部提供真空环境，保证量热器101-8处在真空状态，防止存在热损失。
39.如图4所示，电桥测试子系统102包括直流稳压电源102-1、电桥开关102-2、第一电阻箱102-3、第一电阻102-4、第二电阻102-5、第二电阻箱102-6、第三精密电阻箱102-7、第一精密电压表102-8、第二精密电压表102-9。
40.其中，直流稳压电源102-1为线路提供直流稳定电压，电桥开关102-2控制整个电桥线路开关。第一电阻箱102-3为可调节精密电阻箱，主要用来保护电路系统，避免短路。第一电阻102-4与第二电阻102-5均为50ω精密电阻，入口温度检测器101-7和出口温度检测器101-9均为热敏电阻式结构，可测试温度区间为100-800℃。第一电阻102-4、第二电阻102-5、第二电阻箱102-6和入口温度检测器101-7连成四边形，组成惠斯通电桥的四个桥臂。第一电阻102-4、第二电阻102-5、第三电阻箱102-7和出口温度检测器101-9连成四边形，组成惠斯通电桥的四个桥臂。两组电桥系统共用第一电阻102-4与第二电阻102-5，但互不干扰测试。在对角线(a与b；a与c)上分别串联第一电压表102-8和第二电压表102-9，并将第一电压表102-8和第二电压表102-9的电压数据连接数据采集卡103-2。
41.为了充分利用测量设备的精度与保证线性段至少能维持3-5秒，选用1v的直流电压加热，桥路电压差一般在10-20mv，热线对应的温升为1-2k，数据的重复性在1％以内。
42.第一电阻箱102-3为r0，第一电阻102-4为r1，第二电阻102-5为r2，第一电阻102-4为r3，第二电阻102-5为r4，入口温度检测器101-7为r
x1
，出口温度检测器101-9为r
x2
，接通电源，当电桥没调平衡时，“桥”上有电流通过检流计，检流计发生偏转；调节各臂电阻，可使a与b以及a与c两点之间的电位相等，“桥”上无电流，这时称电桥处于平衡状态。当电桥处于平衡状态时有：r3r2＝r1r
x1
以及r4r2＝r1r
x1
,此式就是电桥的平衡条件，即电桥相对两臂电阻乘积相等。根据电桥的平衡条件，若己知其中任意三个臂的阻值，就可以计算出另一个桥臂的阻值，因此，电桥测电阻的计算式为r
x1
＝r2/r1·
r3＝kr3以及r
x2
＝r2/r1·
r4＝kr4，电阻为电桥的比率臂，实验中常用r1＝r2，r
x1
以及r
x2
为待测臂，r3以及r4作为比较的标准电阻，将熔盐入口前后的热敏电阻设置为待测臂，即待测臂r
x1
以及r
x2
，通电后根据测量出的桥路电压差值，计算得到对应的热线电阻r
x1
以及r
x2
，又根据热敏电阻与温度的变化关系，继而得到熔盐的温度变化情况。
43.如图5所示，信息采集及控制子系统103包括计算机103-1、数据采集卡103-2。数据采集卡103-2和第一电压表102-8、第二电压表102-9、第一热电偶101-17、第二热电偶101-18、电加热器101-6、入口温度检测器101-7、出口温度检测器101-9、压力表101-19通过导线电连接，用于采集对应的压力信号、温度信号，并将输入传送至装有热分析软件及温度压强控制软件的计算机103-1。计算机103-1主要有三个作用，其一为实时采集显示数据采集卡103-2采集所得电压、温度数据，其二为向所述外加热带101-13、内加热带101-14和电加热器101-6传达温度指令，其三为处理所得数据，计算待测熔盐比热容。
44.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。