專利名稱：一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置，特別是提供了一種符合實(shí)驗(yàn)室要求的能夠控制水蒸汽含量、壓力的水蒸汽發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
在航天、冶金等高溫領(lǐng)域，非氧化物材料因其具有優(yōu)良的耐高溫和抗腐蝕性能而得到越來越廣泛的關(guān)注，但在實(shí)際應(yīng)用中，材料的使用環(huán)境大多是高溫腐蝕，其中水蒸汽就是一種常見的腐蝕環(huán)境。例如，作為燃?xì)鉁u輪重要部件的SiC基復(fù)合材料經(jīng)常處于高溫環(huán)境中，同時(shí)燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生大量水蒸汽。在冶金領(lǐng)域，由于氫氣(H2)的還原能力是CO的14 倍，并且屬于一種清潔能源，隨著“低碳冶金”的倡導(dǎo)，“氫冶金”工藝是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的最佳選擇，氫冶金中H2作為主要還原氣體，對鐵礦石進(jìn)行還原。在這個(gè)工藝過程中，H2 的產(chǎn)物是水。由此可知，在“氫冶金”的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸汽。在高溫含水條件下， 非氧化物材料的保護(hù)性氧化膜與水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致氧化物層脫落，從而導(dǎo)致材料失去原有性能。目前，對于材料在高溫含水條件下的使用性能研究較少，原因就是還未有能夠提供水蒸汽含量、壓力可控的水蒸汽發(fā)生裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于發(fā)明一種裝置，即能夠產(chǎn)生含量可控的飽和水蒸汽，可以在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)際高溫含水的環(huán)境，研究材料在高溫含水條件下的使用性能，為研究者提供了簡單便捷的途徑，填補(bǔ)材料研究中設(shè)備的空白。一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置，由兩部分組成(1)水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置，包括鋁質(zhì)加熱套、三口燒瓶；( 飽和水蒸汽發(fā)生裝置，包括恒溫水浴鍋、恒溫水浴管。 水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置和飽和水蒸汽發(fā)生裝置兩者之間由石英管連接，再用石英管將氣體從飽和水浴管連接至反應(yīng)爐內(nèi)，三口燒瓶1設(shè)在鋁質(zhì)加熱套2內(nèi)；恒溫水浴管7設(shè)在恒溫水浴鍋 6內(nèi)，恒溫水浴管下部與虹吸管8相連。石英管外纏繞硅橡膠電熱線，以保證水蒸汽在傳輸過程中不會(huì)冷凝。采用上述裝置，向水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置中通入載氣(干空氣或某一反應(yīng)氣體)，并控制加熱套溫度保持某一溫度T1不變。利用載氣帶出水蒸汽，經(jīng)過恒溫水浴管(置于恒溫水浴鍋中)，由于水蒸汽的分壓隨著溫度的升高而增大，恒溫水浴的溫度T2需低于T1以保證水蒸汽達(dá)到飽和。恒溫水浴管中放滿玻璃珠，延長了氣體通過的時(shí)間，使水蒸汽與反應(yīng)氣體能充分混合。為保持氣體內(nèi)外壓強(qiáng)一致，采用虹吸管控制恒溫水浴管內(nèi)外壓強(qiáng)均為一個(gè)大氣壓。水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置、水蒸汽飽和發(fā)生裝置和反應(yīng)爐之間用石英管連接，石英管外密排纏繞硅橡膠電熱線，電熱線加熱溫度T3略大于T1以保證水蒸汽在傳輸過程中不會(huì)冷凝。本發(fā)明通過控制恒溫水浴鍋的溫度T2來控制氣氛中水蒸汽的含量。原理如下不同的溫度下，水蒸汽的飽和蒸汽壓不同，它們之間的關(guān)系可以通過克拉佩龍-克勞修斯方
式中p為飽和水蒸汽壓力(kPa)，T為溫度⑷，Δ 變禮為氣-液相摩爾焓差值(J/ mol), Δ ^eVm為氣-液相摩爾體積差值(L/mol)?；蛘卟殚單锢砘瘜W(xué)手冊(CRC handbook of chemistry and physics)得到不同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓。根據(jù)如下公式進(jìn)一步得到飽和水蒸汽的含量式中m為溫度T下單位體積中飽和水蒸氣的含量(g/m3) ；ρ為飽和水蒸汽的壓力 (mmHg) ο本裝置基于以上飽和水蒸汽壓和溫度之間的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋的溫度 T2(為達(dá)水蒸汽飽和，水浴鍋的溫度T2需低于T1)得到不同溫度下的飽和水蒸汽分壓，根據(jù)公式( 得到不同溫度下飽和水蒸汽的含量。本發(fā)明具有以下主要特點(diǎn)1.氣體成分能夠充分混合恒溫水浴管中裝滿玻璃珠，延長氣體通過的時(shí)間，能夠保證水蒸汽和反應(yīng)氣體的充分混合；2.水蒸汽保證達(dá)到飽和恒溫水浴鍋的溫度1~2低于加熱套的加熱溫度T1,使得預(yù)飽和的水蒸汽通過恒溫水浴鍋時(shí)的蒸汽壓減小，保證其達(dá)到飽和狀態(tài)。3.水蒸汽壓可控通過控制恒溫水浴鍋的溫度T2 (為達(dá)水蒸汽飽和狀態(tài)，恒溫水浴鍋的溫度T2要低于加熱套的溫度T1)來達(dá)到控制水蒸汽壓的目的。恒溫水浴鍋的溫度連續(xù)可調(diào)，因此水蒸汽的分壓也可以連續(xù)控制。4.裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易與已有設(shè)備連接，便于更換。下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例圖。三口燒瓶1、鋁質(zhì)加熱套2、硅橡膠電熱線3、石英管4、玻璃珠5、恒溫水浴鍋6、恒溫水浴管7、虹吸管8。
具體實(shí)施方案圖1所示常壓飽和水蒸汽發(fā)生裝置由三口燒瓶1、鋁質(zhì)加熱套2、硅橡膠電熱線3、 石英管4、玻璃珠5、恒溫水浴鍋6、恒溫水浴管7、虹吸管8組成。水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置和飽和水蒸汽發(fā)生裝置兩者之間由石英管連接，再用石英管將氣體從飽和水浴管連接至反應(yīng)爐內(nèi)，三口燒瓶1設(shè)在鋁質(zhì)加熱套2內(nèi)；恒溫水浴管7設(shè)在恒溫水浴鍋6內(nèi)，恒溫水浴管下部與虹吸管8相連。石英管外纏繞硅橡膠電熱線。載氣(干空氣或某一反應(yīng)氣體)通入三口燒瓶1中，三口燒瓶中液態(tài)水由燒瓶外加熱套2加熱至T1，液面由上部固定加水器控制，保持液面的穩(wěn)定，載氣帶動(dòng)水蒸汽進(jìn)入石英管4中，密排包裹在外的硅橡膠電熱線3加熱至T3 (略大于加熱套的溫度T1,保證水蒸汽在傳輸過程中不會(huì)冷凝)，氣體通入恒溫水浴管7 中，水浴管中裝滿玻璃珠5，用于氣體的混合，恒溫水浴管放置于恒溫水浴鍋6中，溫度控制在T2 (略低于溫度T1,以保證水蒸汽達(dá)飽和)，利用虹吸管8控制內(nèi)外壓強(qiáng)保持一致，過飽和的水蒸汽冷凝成液態(tài)水，從溢流管流出，飽和的水蒸汽通過石英管進(jìn)入反應(yīng)爐中，與樣品反應(yīng)。 只需調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋的溫度T2即可控制氣氛中水蒸汽的含量、壓力。
權(quán)利要求
1.一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置，其特征在于，包括由三口燒瓶(1)、鋁質(zhì)加熱套( 構(gòu)成的水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置和由玻璃珠(5)、恒溫水浴鍋(6)、恒溫水浴管(7)、構(gòu)成的水蒸汽飽和發(fā)生裝置；三口燒瓶(1)設(shè)在鋁質(zhì)加熱套O)內(nèi)；恒溫水浴管(7)設(shè)在恒溫水浴鍋(6)內(nèi)，恒溫水浴管下部與虹吸管(8)相連，恒溫水浴管內(nèi)部放滿玻璃珠；石英管 (4)連接水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置、水蒸汽飽和發(fā)生裝置以及反應(yīng)爐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置，其特征在于石英管(4)外密排纏繞硅橡膠電熱線(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置，其特征在于通過控制恒溫水浴鍋的溫度T2來控制氣氛中水蒸汽的含量；飽和水蒸汽壓和溫度之間的關(guān)系通過克拉佩龍-克勞修斯方程進(jìn)行計(jì)算dp = Δ相變_ Δ相變~dr~ T^vm' m^v式中P為水蒸汽壓力(kPa)，T為溫度⑷，Δ ^Hffl為氣-液相摩爾焓差值(J/mol)， △相$Vm為氣-液相摩爾體積差值(L/mol)；或者查閱物理化學(xué)手冊得到不同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓；根據(jù)如下公式進(jìn)一步得到飽和水蒸汽的含量 ‘ρλ (1000) 273m =■xl8(2)160J ^22.4 J (273 + Τ)式中m為溫度T下單位體積中飽和水蒸氣的含量(g/m3) ；ρ為飽和水蒸汽的壓力 (mmHg)；通過調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋的溫度T2，得到不同溫度下的飽和水蒸汽分壓，從而根據(jù)公式 (2)得到不同溫度下水蒸汽的含量；恒溫水浴鍋的溫度T2需低于鋁質(zhì)加熱套的加熱溫度1\。
全文摘要
一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發(fā)生裝置，屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域。包括由三口燒瓶(1)、鋁質(zhì)加熱套(2)構(gòu)成的水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置和由玻璃珠(5)、恒溫水浴鍋(6)、恒溫水浴管(7)、虹吸管(8)構(gòu)成的水蒸汽飽和發(fā)生裝置。石英管(4)連接水蒸汽預(yù)發(fā)生裝置、水蒸汽飽和發(fā)生裝置和反應(yīng)爐，石英管(4)外密排纏繞硅橡膠電熱線(3)。本發(fā)明通過控制水浴鍋的溫度來達(dá)到控制水蒸汽壓的目的，能夠產(chǎn)生水蒸汽含量、壓力可控的飽和水蒸氣水蒸汽，可以在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)際高溫含水的環(huán)境。裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易與已有設(shè)備連接，便于更換，為研究者提供了簡單便捷的途徑。
文檔編號F22B1/00GK102213407SQ201110095129
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者侯新梅, 周國治, 張梅, 虞自由, 陳志遠(yuǎn) 申請人:北京科技大學(xué)