一种面向热力学参数分布式测量的宽温区流动量热仪

本发明涉及面向热交换过程的量热技术及仪器领域，更具体的涉及一种面向气液样品在热交换过程中热力学参数分布式测量的宽温区流动量热仪。

背景技术：

1、流动量热仪是一种用于测量气液样品热化学过程的实验仪器，能够测量气液样品的比热容、混合热或者反应热等热力学参数。在测量过程中，气液样品以一定的流量通入流动量热仪，并始终保持流动状态。一定的热量在管道壁面上通过对流换热的方式传递到气液样品，或者通过化学反应从气液样品自身中产生。当气液样品、管道、周围环境之间的热量交换达到动态平衡时，气液样品和管道的温度不再随时间的变化而变化，而是在空间上形成一个稳定的温度分布。用热电偶等温度传感器测量气液样品在管道轴向上两个位置之间的温差，结合热力学方程可以推算出比热容、混合热或者反应热等热力学数据。

2、在传统的流动量热仪中，气液样品以恒定流速v持续输入到管道内，气液样品在管道内吸收或者释放热量的方式主要有两种：一种是通过给管道施加电加热功率等方式使管道升温，然后通过对流换热使管道的热量传递给气液样品，另一种是气液样品发生化学反应释放热量，这两种方式最终导致气液样品的温度发生变化。待气液样品、管道、周围环境之间发生了稳定的热交换后，用热电偶等温度传感器测量管道z1、z2处的温差，由z1、z2处的温差可推算出气液样品在管道内总的内能变化。由于管道、周围环境之间存在热交换，所以一部分热量无可避免的散失到管道、周围环境中。为了准确计算气液样品的热力学参数，散失的热量需要额外的精确测量才可构建起准确的热平衡方程。传统的流动量热仪的原理示意图如图1所示；当气液样品在管道内的热交换到达动态平衡后，流动量热系统的热平衡方程表达式见式(1)：

3、qtotal＝qliquid+qloss    (1)

4、式(1)中，qtotal表示系统总输入功率，单位w；当流动量热仪被水平放置且体积及液体压力无变化时qliquid表示气液样品的内能变化，单位w；qloss表示系统损耗功率，单位w。

5、以测量气液样品比热为例，通常采用电加热的方式加热管道，从而使气液样品在管道内流动过程中的温度发生变化。其中，系统总输入功率qtotal可通过流过管道的电流大小i与管道进出口之间的电压u计算得出，即qtotal＝u·i，单位w。系统损耗功率qloss可以通过预先标定并计算获取，其具体获取步骤为通过空管标定实验得到系统损耗功率和管道外壁温度的映射关系ql(t)，再结合通入气液样品后的管道外壁温度梯度分布求解得出系统损耗功率qloss。

6、假设流动量热仪水平放置、管内液体无相变、无压力变化、无化学反应，则该系统的热平衡可改写为方程式(2)。

7、qtotal＝qliquid(z1,z2)+qloss＝m·c·δt(z1,z2)+qloss    (2)

8、z1、z2分别表示管道进、出口位置坐标，δt(z1,z2)表示气液样品在管道进出口之间的温差，单位k，m表示气液样品的质量流量，单位kg/s，c表示气液样品的比热，单位j/(kg·k)。

9、在测量气液样品比热实验中待系统的热交换达到动态平衡后，利用等间距点焊在管道外壁的n根热电偶测量管道外壁温度，结合空管标定实验预先获取损耗功率ql与管道外壁温度t(x)关系的函数ql(t(x))，通过式(3)的方式计算出系统损耗功率qloss：

10、

11、t(x)表示第x根热电偶所测得的管道外壁温度，单位k，ql(t(x))表示管道在第x根热电偶处的损耗功率，单位w。其中，热电偶的数量要足够多，才可以准确计算出系统损耗功率qloss。；但是受限于技术条件，焊接热电偶的数量往往有限。

12、当获取系统总输入功率、系统损耗功率、气液样品质量流量和气液样品在管道进出口处的温度后，气液样品的比热即可通过式(4)求解：

13、

14、同理，气液样品的焓变通过表达式(5)计算得出：

15、

16、h表示气液样品的焓变，单位j/kg。虽然比热、焓变均为温度相关的参量，但受限于传统流动量热仪的基本工作原理，只能获取总体的比热或者若干温度段的比热，不能获取随温度变换的连续比热。

17、国内外对流动量热仪均已有了一定的研究，研制了一系列应用于不同领域的流动量热仪，满足了测量气液样品热力学数据的基本要求。例如，等人研制的流动量热仪[1]用于测量地热水的等压热容，该流动量热仪将管道放置在真空室和隔热层内极大减少了热量损失至周围环境，采用预加热器使管道内的地热水均匀加热，并且在管道进出口分别布置4个热电偶用来测量管道进出口处地热水的径向温度分布，实现了从室温至170℃、室压至3mpa范围内的地热水等压热容的测量。segovia等人研制的一种自动流动量热仪[2]用于测量250k至400k和0mpa至20mpa的纯化合物和混合物的等压比热，该流动量热计通过给量热腔体同时加热和冷却，以保持恒定流速下气液样品在入口和出口之间的固定温差，通过确定净交换功率来计算气液样品的热容。lv等人研制的流动量热仪[3]用于测量氟化乙酯(hfc-161)在液相和气相中的等压比热容，该仪器测量了多组在相同温度和压力、不同流量条件下的气液样品比热容从而确定反应物的等压比热容，从而降低了热损失对测量结果的影响，该仪器支持315.43k至383.71k和最高12.0mpa的测量。浙江大学研制的流动量热仪[4-9]用于测量碳氢燃料的焓变值(亦称为热沉)，该流动量热仪采用gh3128合金管作为实验管道，实验前先对实验管道的热损耗功率进行标定，通过电加热的方式使恒定流速的碳氢燃料受热，通过采用热电偶等间距测量管道轴向外壁温度、用热电偶测量实验管道反应产物等实现了对碳氢燃料的焓变值(热沉)测量。

18、尽管传统的流动量热仪能测量气液样品的比热容、焓变等多种热力学参数，但是其采用热电偶等间距点焊至管道测量外壁温度的方式，存在离散、测温温度点有限，计算出系统总体的热损耗功率误差大，无法获取热化学反应中间过程参数等问题。因为这种测量管道外壁温度的方式不能获取连续的管道外壁温度，导致不能分析总体管道中任意位置任意长度部分的热损耗功率，不能构建起管道任意位置任意长度部分的热平衡方程。

19、综上所述，传统的流动量热仪在设计和功能上的缺陷导致其不能在管道上分布式的测量气液样品的热力学参数，对于分析气液样品热力学数据在管道中的中间变化过程存在着黑箱效应，这阻碍了气液样品的性能和热力学数据研究的发展。

20、参考文献

21、[1]elisabethklaus thomauske,jens schmalzbauer,sabrinaherberger,christoph gebert,marina velevska.design and test of a new flowcalorimeter for online detection of geothermal water heatcapacity.geothermics；2015；53；202-212.

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29、[9]yue l,wu j,gong y,hou j,xiong l,xiao c,et al.heat transfer andcracking performance of endothermic hydrocarbon fuel when it cools a hightemperature channel.fuel processing technology 2016；149:112-20.

技术实现思路

1、针对背景技术中提到的传统的流动量热仪在设计和功能上的缺陷导致不能在管道上分布式的测量气液样品的热力学参数等问题，本发明设计了一种面向气液样品在热交换过程中热力学参数分布式测量的宽温区流动量热仪。

2、本发明包括进样系统、分布式流动热量计系统、控制和实验数据采集系统；

3、所述进样系统包括恒流泵和气液储存罐，实现气液样品以一定流速的进样给料；

4、所述分布式流动热量计系统，置于密封箱中，实现分布式的精确测量气液样品热力学参数；所述分布式流动热量计系统包括高温合金管道、宽温区的热像仪、低电压大功率直流电源；

5、所述气液样品以室温状态通入所述高温合金管道，且以恒定流速在管道内流动，通过低电压大功率直流电源在管道上施加一个已知大小的电流使管道升温，进而通过对流换热的方式使管道热量传递给气液样品；待管道外壁上形成稳定的温度场后，基于所述热像仪一维巡扫技术，利用热像仪测量管道外壁温度，获取连续的管道轴向外壁温度数据；结合管道任意位置的电加热功率值与热损耗功率值构建微元热平衡方程，从而获取所述气液样品在任意位置的热力学参数。

6、与现有的流动量热仪相比，本发明的有益效果是：

7、1、本发明利用红外热像仪通过一维巡扫的方式获取连续的外管壁温度数据，改变现有装置上在实验管道外壁焊接热电偶获取不连续的管道轴向温度的不足之处，为分析气液样品在管道内的热化学过程创造了条件。

8、2、本发明基于能量守恒定理，创新性的提出分布式流动量热新方法，以微元作为分析对象，获取气液样品与实验管道间“流速—位置—温度”的映射关系，构建一个可以分布式分析气液样品在管道内热交换达到稳定时的热力学参数的白盒系统。