饱 和 蒸 气 压 实 验 教 学 装 置 的 研 制

邓昌宇， 张 可， 刘翱铭， 唐文蕙， 吴江涛

(西安交通大学 a.能源与动力工程专业国家级实验教学示范中心；b.电气工程学院，西安 710049)

0 引 言

饱和蒸气压是流体最重要的热物理性质之一，饱和蒸气压数据是能源、化工等领域首要获取的参数之一，对于热力循环及化工过程计算等都具有重要意义。饱和蒸气压的测量方法包括静态法、动态法、饱和气流法、雷德法、Knudsen隙透法、参比法、色谱法、DSC法等[1]，其中静态法是目前最基本和最常用的方法[2]。

液体饱和蒸气压测定实验是国内许多高校均开设的物理化学课程实验，由于静态测量法最常用且较为准确[3]，该实验所用的教学装置均基于静态测量法，且均为玻璃结构。受玻璃容器耐压的限制，该实验所测试的压力均为负压，真空不容易维持[4]，且压力测试范围较小，不利于学生对饱和蒸气压概念全面和正确的理解；玻璃结构的实验装置结构复杂，学生在动手安装和操作的过程中比较容易损坏，而且升温过程中液体易爆沸，降温过程中空气易倒灌[5]；测量装置使用传统的玻璃管温度计进行测温，使用U型管压力计进行测压，测试方法比较落后，学生在实验中容易由于操作不当，导致U型管压力计中的水银溢出，造成实验室污染[6]；此外，实验装置使用液体恒温槽控制玻璃容器的温度，由于玻璃容器的体积较大，从而导致等待温度稳定的时间较长，实验中大部分时间浪费在等待温度稳定的过程中，不利于实验教学[7]。

近年来，许多高校的实验教师对该实验装置进行了改进。其中，最多的改进是使用数字式压力计代替U型管水银压力计[8-11]；龚楚清等[12]引入可控进气量的增、减压缓冲瓶的调压装置，使气压调节缓慢可控；王党生等[13]将油泵替换为循环水真空泵，使实验系统得到简化；冯玲等[6，14]改进了平衡管的设计，防止了实验的倒吸和爆沸现象；此外，杨涛等[10]改进了玻璃仪器的密封性，陈顺玉等[11]在缓冲瓶与真空泵之间增加了干燥塔装置，乔艳红等[7]通过改变实验原理中的算法，去掉了实验中较难的抽真空部分，使得实验效率和测量精度得到提高。

通过实验装置的改进，饱和蒸气压测定实验的稳定性、准确度和安全性均得到提高。然而，已有的改进方案均基于原有的玻璃仪器实验装置，实验改进后依然存在测量时间长、设备结构复杂、测量范围小等问题。为解决现有实验教学装置的缺点，本文研制了一种基于半导体控温的饱和蒸气压实验教学装置。

1 饱和蒸气压实验装置

1.1 实验装置结构

图1所示为饱和蒸气压实验装置结构图，实验装置包括测量容器、压力传感器、真空泵和温度控制系统，由LabVIEW软件实现温度、压力值的读取和流体温度的控制。测量容器为圆柱形，由304不锈钢制作，内部腔体体积约为25 mL。测量容器上部通过直径为3 mm的不锈钢管连接至压力传感器，为实现高温下的压力测量，使用杭州米科MIK-P300G电流型扩散硅耐高温压力变送器，测量精度为0.5 %FS。使用Fluke 8808A数字多用表对传感器输出信号进行读取，由RS-232接口连接至计算机，通过LabVIEW软件进行压力值的记录和显示。测量容器下部通过3 mm的不锈钢管与针阀V1连接，V1另一端经过三通接头分别与真空泵和待测流体相连。

测量容器置于均热铝块内，通过控制铝块的温度来实现被测流体的温度控制。均热铝块4个侧面中两个相对的面上布置有半导体片，通过控制半导体片的电流方向实现制冷和加热功能。为尽可能降低铝块的温度，在半导体片外侧使用热管换热器代替了常规的翅片式散热器。实验装置中使用的半导体片的型号为12707，尺寸为40 mm×40 mm，可工作的最高温度为220 ℃，本实验装置测量的温度范围为-20～200 ℃。均热铝块内部打孔安装有Pt100铂电阻温度计，铂电阻温度计连接至厦门宇电AI518型温度控制器，由温度控制器对实验温度进行测量。温度控制器通过RS-485转USB接口连接至计算机，通过LabVIEW软件实现温度的记录和显示。

图1 实验装置结构图

1.2 温度控制系统

实验测量的温度由温度控制器控制半导体片的电流方向和电路通断来实现。当测量温度低于室温时，半导体片起制冷作用，与热管散热器连接的一侧产生大量的热量，热量经热管传至散热翅片，由风扇将热量散发至周围环境；当测量温度高于室温时，改变半导体片的电流方向，半导体片起到加热作用，当制热温度较高时，需要关闭风扇以提高热管散热器的温度。

图2为本装置的温度控制系统电路图。半导体片与热管散热器的散热风扇均由12 V开关电源供电。温度控制器内部安装有固态继电器驱动电压输出G模块、双路继电器常开触点开关输出L3模块与大容量继电器常开触点开关L1模块。G模块控制固态继电器J1的通断，进而控制半导体片的通断以实现被测流体的温度控制。L3模块控制双路继电器J2的闭合方向，从而改变半导体片的电流方向，实现半导体片加热或制冷功能的切换。L1模块内置有继电器J3，通过控制J3的通断来控制风扇的打开和关闭。

图2 温度控制系统电路图

在实验中，温度、压力值的显示和记录、温度控制系统的设置和控制均可通过LabVIEW程序实现，图3是编制的LabVIEW程序界面。温度控制器的设置和数据读取基于宇电AIBUS通信协议，在LabVIEW程序中可设置温度控制器的通信地址、PID控制参数和所要控制的温度值，切换半导体片的制冷或加热功能以及控制风扇的打开或关闭。其中风扇的控制包括自动和手动两种方式，由LabVIEW程序中的按钮开关进行选择。在手动模式下，通过按钮开关进行控制；在自动模式下，程序会根据当前温度自动控制风扇开关：在制冷模式下或者加热模式且温度低于50 ℃时，风扇自动打开，在加热模式且温度高于50 ℃时，风扇自动关闭。

2 实验装置的检验

实验开始前，首先注入被测流体。关闭阀门V3，打开V1和V2，开启真空泵将管道和容器抽真空至10 Pa左右，关闭V2，打开V3充入被测流体。对于高沸点流体，在重力作用下将其灌入；对于低沸点流体，需要开启制冷功能，将测量容器的温度降至最低，此时待测流体气体将会在容器内逐渐液化。实验中容器内充入待测流体的液相体积约为腔体容积的1/2左右，充入流体的体积通过天平称重，结合实际流体密度计算的方法进行控制。

图3 LabVIEW程序界面

充入被测流体后，使用LabVIEW程序设置测量温度，通过实时观测温度和压力的变化曲线来判断是否达到平衡。待压力和温度值稳定时，即可获得该测量温度下的饱和蒸气压值。实验中温度每升高10 ℃并达到稳定仅需要5～10 min，与常规的循环浴相比可以节省大量时间。

为检验实验装置的测量准确度，对制冷剂R32(二氟甲烷)、R152a(1,1-二氟乙烷)和乙醇的饱和蒸气压进行了测量，并将实验值与美国国家标准与技术研究院(NIST)编制的REFPROP 9.0热物性软件的计算结果进行了比较。实验测量中使用的压力传感器的量程均为5 MPa，实验前使用YS-60型活塞式压力计对传感器进行了标定，实验过程中未更换传感器。图4是3种工质饱和蒸气压测量值与计算值的对比曲线，图5是3种工质实验值与计算值的偏差图。从图中可以看出，R152a与R32的饱和蒸气压测量结果与计算值较为接近，而乙醇的测量结果相对偏差较大。

从图5可以看出，对于R152a和R32，其饱和蒸气压测量结果的偏差基本均不超过±2 %，该偏差可以

图4 3种工质饱和蒸气压测量值与计算值的对比

图5 3种工质饱和蒸气压测量值与计算值的偏差

满足饱和蒸气压实验教学的要求。由图5还可以明显地看出，随着温度的升高，实验测量结果的负偏差不断增大，出现了明显的系统偏差。该偏差源于实验装置的结构，在实验测量系统中，压力传感器置于均热铝块之外，被测流体向上通过不锈钢管与传感器相连，向下通过不锈钢管与针阀V1相连。在测量温度逐渐增大的情况下，由于均热铝块外的温度较低，整个气、液相流体必将出现一定的温度梯度，从而导致气、液相流体的平均温度低于测量温度，因此高温测量结果小于计算值，且随着测量温度的升高该偏差将越来越大。实际上，即使在科研测量中，精确测量得到的流体饱和蒸气压数据的温度测量范围大多也不超过100 ℃[15]，高温下流体饱和蒸气压的精确测量具有较大的难度。本实验装置测量得到的乙醇饱和蒸气压结果与计算值的偏差基本均在±5 %之内，考虑到其所测试的温度均高于100 ℃，因此该偏差在实验教学中也属于可以接受的误差范围。此外，通过对该实际实验测量偏差的分析，还能使学生认识到饱和蒸气压测量产生误差的原因，以及如何提高测量精度，反而更加有助于实验教学效果的提升。

3 结 语

基于半导体控温的方式，研制了一套饱和蒸气压实验教学装置。与常规的玻璃仪器实验装置相比，该装置测量的温度和压力范围均得到很大提高。测量装置采用了较为先进的传感器和测量仪表，通过LabVIEW程序进行数据采集和温度控制，自动化程度高。实验装置结构简单，不需要配备恒温槽，节约了实验室的空间。此外，本实验装置最适用于实验教学之处在于其测量效率非常高，每个温度点升温和达到温度平衡的时间仅需要5～10 min左右。实验装置的测量误差在实验教学可接受的范围之内，且通过对实际测量结果的误差分析，更加有助于学生理解饱和蒸气压测量过程中产生误差的原因以及如何提高测量精度。