二氧化碳PVT曲线测定教学装置的制作方法

本实用新型属于化工教学装置领域，具体涉及一种二氧化碳PVT曲线测定教学装置。

背景技术：

通常高纯度的二氧化碳气体会严格遵从气态方程PVm＝RT的气体，是一种理想气体，而实际气体由于气体分子体积和分子之间存在相互作用力，状态参数压力(P)、温度(T)、比容(V)之间的关系不再遵循理想气体方程。考虑上述两方面的影响，1873年，范德华对理想气体状态方程做了修正，从修正后的方程式可看出，简单可压缩系统工质处于平衡态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定关系，保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变换规律。比如，保持温度不变，测定压力和比容之间的对应数值，就可以得到等温线数据，绘制等温曲线。

但现有的可压缩系统存在结构复杂、结构密封效果差、在试验过程中容易出现漏油现象，同时还存在观察效果不明显等缺陷，造成实际操作中无法准确观察到临界乳光现象、整体相变现象气液两相模糊不清的现象。因此，开发一种结构简单、密封效果好、易于观察的二氧化碳PVT曲线测定教学装置用于教学具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种二氧化碳PVT 曲线测定教学装置。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种二氧化碳PVT 曲线测定教学装置，包括油压机、试验台本体和恒温水槽；

所述试验台本体包括二氧化碳承载玻璃管、倒T型上法兰体和下法兰体，所述倒T型上法兰体底部设置有密封凸台，所述下法兰体顶部开设有与所述密封凸台相配合的密封凹槽，所述下法兰体内部开设有液压油承载腔体，所述密封凹槽与所述液压油承载腔体相连通，所述密封凹槽内设置有四氟乙烯垫片，所述倒T型上法兰体通过紧固螺栓和所述四氟乙烯垫片与所述下法兰体密封连接；

所述液压油承载腔体中设置有敞口加载容器，所述液压油承载腔体通过加压油管与所述油压机相连通；

所述倒T型上法兰体顶端设置有外螺纹，所述倒T型上法兰体顶端螺纹连接有压紧大螺母，所述倒T型上法兰体内部开设有阶梯状承压毛细玻璃管装配孔，所述阶梯状承压毛细玻璃管装配孔顶端设置有T型压紧内芯，所述阶梯状承压毛细玻璃管装配孔的底端为喇叭形；

所述二氧化碳承载玻璃管自上而下包括承压毛细玻璃管部和敞口水银承载容器部，所述承压毛细玻璃管部与所述敞口水银承载容器部相连接的部位为与所述阶梯状承压毛细玻璃管装配孔底端相配合的锥形；

所述承压毛细玻璃管部的顶端穿过所述T型压紧内芯设置在所述倒T 型上法兰体的外部，所述承压毛细玻璃管部与所述T型压紧内芯密封配合；所述承压毛细玻璃管部的外侧还设置有玻璃水套管，所述玻璃水套管通过水管与所述恒温水槽相连通，所述玻璃水套管上还设置有测温仪表。

基于上述，所述油压机为手动油压机，所述手动油压机包括油罐和压力台油缸，所述压力台油缸的进油端通过加压油管和第一阀门与所述油罐相连接，所述压力台油缸的出油端通过加压油管和第二阀门与所述液压油承载腔体相连接，所述压力台油缸内设置有活塞螺杆。

基于上述，所述恒温水槽上还设置有温度计。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体地说，本实用新型提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置结构简单，通过在倒T型上法兰体顶端设置有密封凸台，在下法兰体顶部开设有与密封凸台相配合的密封凹槽，使得倒T型上法兰体能够通过紧固螺栓和所述四氟乙烯垫片与所述下法兰体密封连接，密封效果好，避免了在试验过程中出现的漏油现象，使得利用该装置可清楚的阐述二氧化碳的P-V-T关系曲线测定方法和原理；并能清楚显示二氧化碳气体的临界乳光现象、整体相变现象、气液两相模糊不清现象，可增强观察者对临界状态的感性认识和热力学基本概念的理解。

附图说明

图1是本实用新型提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置的整体连接结构示意图。

图2是本实用新型提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置中的试验台本体结构示意图。

图3是本实用新型提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置中的倒T 型上法兰体结构示意图。

图4是本实用新型提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置中的压紧大螺母结构示意图。

图5是本实用新型提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置中的下法兰体结构示意图。

图中：1、油压机；2、试验台本体；3、恒温水槽；4、加压油管；5、压力表；6、第一阀门；7、第二阀门；8、测温仪表；9、玻璃水套管；10、承压毛细玻璃管部；11、温度计；12、压力台油缸；13、压紧大螺母；14、倒T型上法兰体；15、下法兰体；16、四氟乙烯垫片；17、T型压紧内芯； 18、敞口加载容器；19、敞口水银承载容器部；20、液压油承载腔体；21、外螺纹；22、阶梯状承压毛细玻璃管装配孔；23、密封凸台；24、密封凹槽。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实施例提供一种二氧化碳PVT曲线测定教学装置，如图1所示，它包括油压机1、试验台本体2和恒温水槽3。

具体地，如图2所示，所述试验台本体2包括二氧化碳承载玻璃管、倒T型上法兰体14和下法兰体15，所述倒T型上法兰体14底部设置有密封凸台23，所述下法兰体15顶部开设有与所述密封凸台23相配合的密封凹槽24，所述下法兰体15内部开设有液压油承载腔体20，所述密封凹槽 24与所述液压油承载腔体20相连通，所述密封凹槽24内设置有四氟乙烯垫片16，所述倒T型上法兰体14通过紧固螺栓和所述四氟乙烯垫片16与所述下法兰体15密封连接；

所述液压油承载腔体20中设置有敞口加载容器18，所述液压油承载腔体20通过加压油管4与所述油压机1相连通。

如图3、图4和图5所示，所述倒T型上法兰体14顶端设置有外螺纹 21，所述倒T型上法兰体14顶端螺纹连接有压紧大螺母13，所述倒T型上法兰体14内部开设有阶梯状承压毛细玻璃管装配孔22，所述阶梯状承压毛细玻璃管装配孔22顶端设置有T型压紧内芯17，所述阶梯状承压毛细玻璃管装配孔22的底端为喇叭形。

所述二氧化碳承载玻璃管自上而下包括承压毛细玻璃管部10和敞口水银承载容器部19，所述承压毛细玻璃管部10与所述敞口水银承载容器部19相连接的部位为与所述阶梯状承压毛细玻璃管装配孔22底端相配合的锥形。

所述承压毛细玻璃管部10的顶端穿过所述T型压紧内芯17设置在所述倒T型上法兰体14的外部，所述承压毛细玻璃管部10与所述T型压紧内芯17密封配合；所述承压毛细玻璃管部10的外侧还设置有玻璃水套管 9，所述玻璃水套管9通过水管与所述恒温水槽3相连通，所述玻璃水套管 9上还设置有测温仪表8。所述恒温水槽3上还设置有温度计11。

其中，本实施例中，所述油压机1为手动油压机，所述手动油压机包括油罐和压力台油缸12。所述压力台油缸12的进油端通过加压油管和第一阀门6与所述油罐相连接，所述压力台油缸12的出油端通过加压油管和第二阀门7与所述液压油承载腔体20相连接，所述压力台油缸12内设置有活塞螺杆。

实验原理及操作步骤

1873年，范德华对理想气体状态方程做了修正，提出如下修正方程：

式中：a/v²是分子力的修正项；

b是分子体积的修正项。

从上式可看出，简单可压缩系统工质处于平衡态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定关系，保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变换规律。比如，保持温度不变，测定压力和比容之间的对应数值，就可以得到等温线数据，绘制等温曲线。

利用本实施例提供的二氧化碳PVT曲线测定教学装置在实验中，由油压机送来的压力油进入液压油承载腔体和敞口加载容器的上半部，迫使位于敞口水银承载容器部内的水银进入预先装由高纯度的二氧化碳气体的承压毛细玻璃管部，使二氧化碳气体被压缩。

此时的压力和容积通过油压机上的压力台上的活塞螺杆的进、退来调节；温度由玻璃水套管和恒温水槽提供。

二氧化碳的压力由压力表读出，温度由测温仪表显示，比容由承压毛细玻璃管部中的二氧化碳柱高度除以质面比常数计算得到。

具体计算过程如下：

由于充入承压玻璃管内的二氧化碳质量不便于测定，而玻璃管内径或截面积也不易准确测量，因而实验中采用间接方法来确定比容，即设定二氧化碳比容与其在承压毛细玻璃管部内的高度之间存在线性关系：

首先测定该二氧化碳在25℃、7.8MPa下的液柱高度，记为Δh^*(m)；

已知T＝25℃、p＝7.8MPa时，

则任意温度、任意压力下，二氧化碳的比容为：

式中：Δh＝h0-h，为任意温度压力下二氧化碳柱的高度；

h为任意温度压力下水银柱的高度；

h0为承压毛细玻璃管部内径顶端刻度。

具体操作步骤如下：

一、试验前准备：

(1)启动装置总电源，打开恒温水槽开关，调整玻璃水套管内的温度至试验所需温度；

(2)向承压毛细玻璃管部充入高纯二氧化碳气体，并向敞口水银承载容器部中充入水银；

(3)关闭第二阀门并打开第一阀门，摇退压力台油缸内的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，使压力台油缸内充满油；然后打开第二阀门并关闭第一阀门，摇进活塞螺杆，如此反复使液压油承载腔体充油并且压力表上有压力读数为止。

二、测定承压毛细玻璃管部内二氧化碳的质面比常数K值

(1)恒温到25℃，加压到7.8MPa，此时比容V＝0.00124；

(2)稳定后记录此时的水银柱高度h和承压毛细玻璃管柱顶端高度h0，根据公式换算质面比常数。

三、测定低于临界温度t＝20℃时的等温线

(1)将恒温水槽温度调定在t＝20℃，并保持恒温；

(2)逐渐增加压力，压力在2.9MPa左右(承压毛细玻璃管下部出现水银液面)开始读取相应水银柱上液面刻度，记录第一个数据点；

(3)根据标准曲线结合实际观察承压毛细玻璃管内物质状态，若处于单相区，则按压力0.3MPa左右提高压力；当观测到毛细管内出现液柱，则按每提高液柱5～10mm，记录一次数据；达到稳定时，读取相应水银柱上液面刻度；

(4)再次处于单相区时，逐次提高压力，按压力间隔0.3MPa左右升压，直到压力达到9.0MPa左右为止，在操作过程中记录相关压力和刻度。

四、测定临界等温线和临界参数，并观察临界现象

(1)将恒温水槽调至31.1℃，按上述方法和步骤测出临界等温线，注意在曲线的拐点(7.5～7.8MPa)附近，应缓慢调节压力(调节间隔可在5mm 刻度)，较准确地确定临界压力和临界比容，较准确地描绘出临界等温线上的拐点。

(2)观察临界现象

临界乳光现象：将恒温水槽加热到临界温度31.1℃并保持温度不变，摇进压力台上的活塞螺杆使压力升至上7.8MPa附近，然后摇退活塞螺杆降压，在此瞬间承压毛细玻璃管内将出现圆锥状的乳白色的闪光现象，即为临界乳光现象。

气液两相模糊不清的现象：按绝热过程来进行，先调节压力等于 7.4Mpa(临界压力)附近，突然降压，二氧化碳状态点不是沿等温线，而是沿绝热线降到二相区，管内二氧化碳出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的二氧化碳是气体的话，那么，这种气体离液相区很接近，是接近液态的气体；当膨胀之后，突然压缩二氧化碳时，这个液面又立即消失了。这就表面此时二氧化碳液体离汽相区也很接近，是接近气态的液体。此时二氧化碳既接近气态，又接近液态，所以只能是处于临界点附近。临界状态的流体是一种气液分不清的流体。这就是临界点附近气液模糊不清的现象。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。