專利名稱：水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，更具體地說，涉及一種水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)
直O(jiān)
背景技術(shù)：
水反應(yīng)金屬燃料是一種用于水下高速武器推進(jìn)系統(tǒng)的新型高能量密度燃料，常用金屬包括鎂、鋁、鋰及相關(guān)化合物或其合金。水反應(yīng)金屬燃料在燃?xì)獍l(fā)生器中進(jìn)行一次燃燒，生成富含金屬顆粒、液滴或蒸汽的高溫燃?xì)?，然后進(jìn)入補(bǔ)燃室與海水發(fā)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使未參與反應(yīng)的海水受熱蒸發(fā)，并以高壓蒸汽膨脹做功，從而推動(dòng)水下航行體運(yùn)動(dòng)。如俄羅斯的“暴風(fēng)雪”超高速魚雷就是應(yīng)用鎂基水反應(yīng)金屬燃料作為水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的燃料。水反應(yīng)金屬燃料具有高的能量密度，產(chǎn)物無毒無污染等優(yōu)點(diǎn)，在水下武器、航行器和太空發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃料電池中有著巨大的應(yīng)用潛力，成為各國搶占科技制高點(diǎn)的焦點(diǎn)之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)中金屬顆粒停留時(shí)間很短，往往由于金屬燃燒不充分而影響其能量釋放。因此，提高金屬與水反應(yīng)速度是水反應(yīng)金屬燃料研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在實(shí)驗(yàn)室里一般采用管式爐模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境，研究金屬鎂粉、鋁粉等相關(guān)合金粉末和水反應(yīng)特性及添加劑對(duì)水反應(yīng)金屬燃料反應(yīng)的影響，利用反應(yīng)率來表征反應(yīng)的進(jìn)行程度。因?yàn)榻饘倥c水反應(yīng)生成的氫氣不溶于水，可利用排水法測(cè)定反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣體積，得到氫氣體積與時(shí)間的關(guān)系，反應(yīng)率按下式計(jì)算η =Vt/ V0上式中，11為反應(yīng)率，Vt為t時(shí)刻前產(chǎn)生氫氣的總體積，單位為mL ；V0為金屬粉末完全反應(yīng)的總體積，單位為mL。在公開的文獻(xiàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置所要解決的關(guān)鍵問題是用何種方式提供水蒸氣和如何冷卻高溫水蒸氣以得到較純的氫氣。如國防科技大學(xué)的周星等人在雜志《固體火箭技術(shù)》(2009年第32卷第3期)發(fā)表的文章《鎂粉的高溫水反應(yīng)特性研究》中采用的是把緩沖罐放入冰水槽內(nèi)的一次冷卻方式。這些實(shí)驗(yàn)儀器或裝置冷卻和收集氫氣時(shí)，存在如下不足(1)由于從管式爐中出來的水蒸氣潛熱和壓力都很大，緩沖罐放入冰水槽內(nèi)的一次冷卻方式不一定能把水蒸氣都冷卻完，且由于巨大溫差極易造成玻璃器皿破裂；(2)采用真空泵抽吸氣體，這樣勢(shì)必會(huì)損失一些反應(yīng)生成的氫氣，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；(3)這些冷卻裝置的冷卻的效率和裝置的安全性、實(shí)用性、可行性，以及保證數(shù)據(jù)的可靠性都有待提高。
發(fā)明內(nèi)容實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是要解決現(xiàn)有水反應(yīng)金屬燃料實(shí)驗(yàn)裝置中出現(xiàn)的不足與缺陷，提供一種能夠安全有效地將水蒸氣完全冷卻并且能夠減小系統(tǒng)誤差提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置。技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為一種水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，包括進(jìn)氣單元、反應(yīng)單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進(jìn)氣單元由氬氣瓶、減壓閥、氣體流量計(jì)、圓盤電爐、錐形瓶組成，氬氣瓶、減壓閥、 氣體流量計(jì)順次連接，錐形瓶放在圓盤電爐上，錐形瓶?jī)?nèi)有水，提供水蒸氣；反應(yīng)單元由石英管、石英舟、管式爐、溫控儀、熱電偶組成，金屬樣品放在石英舟中，石英舟置于石英管內(nèi)，石英管穿過管式爐；冷卻單元由冷凝圓管、三通U型管、球形冷凝管由乳膠管依次連接組成，三個(gè)部件均為玻璃材質(zhì)并由鐵架臺(tái)固定，冷凝圓管傾斜擺置并處于比石英管低的位置，三通U型管豎直擺置并處與最低位置，球形冷凝管豎直擺置并處于最高位置，球形冷凝管外管中的冷卻水方向?yàn)樽陨隙?；氣體收集單元由量筒、冰水槽、升降臺(tái)組成，量筒倒置在冰水槽內(nèi)，冰水槽放在升降臺(tái)上，按排水集氣法原理收集氣體。所述的石英管的氬氣進(jìn)口與氣體流量計(jì)連接，水蒸氣進(jìn)口與錐形瓶連接，粗管出口塞上穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞作為氣體出口，粗管與細(xì)管之間有過渡圓角，細(xì)管上豎直分布著兩個(gè)對(duì)稱的實(shí)心石英柱；實(shí)心石英柱的位置要保證其靠住管式爐左壁出口時(shí)，被推進(jìn)石英管里并靠住過渡圓角的石英舟的中心處于熱電偶的下方，在實(shí)驗(yàn)操過程中若是由于人為操作造成石英管偏離了正確位置，只要將實(shí)心石英柱靠住管式爐左壁出口，即能使石英舟的中心處于熱電偶的下方，從而保證了金屬樣品始終在預(yù)定溫度下與水反應(yīng)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；石英材質(zhì)具有耐高溫的特性。所述的冷凝圓管上有圓口，內(nèi)管是兩端敞口的直管，乳膠管從內(nèi)管中穿過，冰塊從圓口放入并填滿內(nèi)管外圍，這樣既保證了冷卻效果，又不致于巨大的溫差使得玻璃破裂。所述的三通U型管的進(jìn)氣口與冷凝圓管連接，出氣口與球形冷凝管連接，排水口的中心線低于三通中心；實(shí)驗(yàn)前，三通U型管先裝入水，由于連通器原理，三通U型管內(nèi)的液面始終保持在排水口的高度，這樣既能收集冷凝圓管內(nèi)管里乳膠管內(nèi)和球形冷凝管內(nèi)管中的冷凝水并排出，又能阻止外界空氣的混入和氫氣的逸出，從而保證了氫氣順利地通過三通U型管。本實(shí)用新型的原理是為排除空氣對(duì)反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)過程中通入氬氣作為保護(hù)氣，流量由氣體流量計(jì)設(shè)定，管式爐的溫度由溫控儀設(shè)定。用圓盤電爐加熱錐形瓶中的水至沸騰，使得水蒸氣進(jìn)入石英管中與石英舟內(nèi)的金屬樣品發(fā)生反應(yīng)，從石英管內(nèi)出來的高溫混合氣體(氫氣、氬氣和水蒸氣)通過乳膠管依次經(jīng)過冷凝圓管、三通U型管和球形冷凝管， 冷凝圓管內(nèi)管里乳膠管內(nèi)和球形冷凝管內(nèi)管中的冷凝水都流入三通U型管內(nèi)并從排水口排出；按排水集氣法原理收集氣體，記錄時(shí)間和量筒內(nèi)液面高度得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；可以考察溫度、金屬原料的種類和粒徑、添加劑對(duì)水反應(yīng)金屬燃料反應(yīng)率的影響。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)驗(yàn)新型的有益效果是[0025](1)本實(shí)用新型容易搭建，操作方便，系統(tǒng)誤差小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高；(2)本實(shí)用新型的水蒸氣的冷卻方式安全有效，實(shí)驗(yàn)過程直觀；(3)本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與反應(yīng)效果便于記錄和調(diào)整，可廣泛應(yīng)用于相關(guān)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，適用范圍廣。

圖1是本實(shí)用新型水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型石英管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型冷凝圓管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型三通U型管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例中反應(yīng)率隨時(shí)間變化的曲線圖。示意圖中零部件的標(biāo)號(hào)說明氬氣瓶1，圓盤電爐2，錐形瓶3，穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞4，減壓閥5，氣體流量計(jì) 6，管式爐7，石英舟8，溫控儀9，熱電偶10，石英管11，鐵架臺(tái)12，冷凝圓管13，三通U型管 14，球形冷凝管15，量筒16，冰水槽17，升降臺(tái)18，粗管Ila,過渡圓角11b，細(xì)管11c，實(shí)心石英柱lld，氬氣進(jìn)口 lie，水蒸氣進(jìn)口 llf，圓口 13a，內(nèi)管13b，進(jìn)氣口 14a，出氣口 14b，排水口 14c，三通中心14d。
具體實(shí)施方式
為進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)描述。圖1是本實(shí)用新型水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，包括進(jìn)氣單元、反應(yīng)單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進(jìn)氣單元由氬氣瓶1、減壓閥5、氣體流量計(jì)6、圓盤電爐2、錐形瓶3組成，氬氣瓶 1、減壓閥5、氣體流量計(jì)6順次連接，錐形瓶3放在圓盤電爐2上，錐形瓶3內(nèi)有水，提供水蒸氣；反應(yīng)單元由石英管11、石英舟8、管式爐7、溫控儀9、熱電偶10組成，金屬樣品放在石英舟8中，石英舟8置于石英管11內(nèi)，石英管11穿過管式爐7 ；冷卻單元由冷凝圓管13、三通U型管14、球形冷凝管15由乳膠管依次連接組成， 三個(gè)部件均為玻璃材質(zhì)并由鐵架臺(tái)12固定，冷凝圓管13傾斜擺置并處于比石英管11低的位置，三通U型管14豎直擺置并處與最低位置，球形冷凝管15豎直擺置并處于最高位置， 球形冷凝管15外管中的冷卻水方向?yàn)樽陨隙?；氣體收集單元由量筒16、冰水槽17、升降臺(tái)18組成，量筒16倒置在冰水槽17內(nèi)， 冰水槽17放在升降臺(tái)18上，按排水集氣法原理收集氣體。圖2是本實(shí)用新型石英管的結(jié)構(gòu)示意圖，石英管11的氬氣進(jìn)口 lie與氣體流量計(jì) 6連接，水蒸氣進(jìn)口 Ilf與錐形瓶3連接，粗管Ila出口塞上穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞4作為氣體出口，粗管Ila與細(xì)管Ilc之間有過渡圓角11b，細(xì)管Ilc上豎直分布著兩個(gè)對(duì)稱的實(shí)心石英柱；實(shí)心石英柱Ild的位置要保證其靠住管式爐7左壁出口時(shí)，被推進(jìn)石英管11里并靠住過渡圓角lib的石英舟8的中心處于熱電偶10的下方；在實(shí)驗(yàn)操作過程中若是由于人為操作造成石英管11偏離了正確位置，只要將實(shí)心石英柱Ild靠住管式爐7左壁出口， 即能使石英舟8的中心處于熱電偶10的下方，從而保證了金屬樣品始終在預(yù)定溫度下與水反應(yīng)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；石英材質(zhì)具有耐高溫的特性。圖3是本實(shí)用新型冷凝圓管的結(jié)構(gòu)示意圖，冷凝圓管13上有圓口 13a，內(nèi)管1 是兩端敞口的直管，乳膠管從內(nèi)管13b中穿過，冰塊從圓口 13a放入并填滿內(nèi)管1 外圍，這樣既保證了冷卻效果，又不致于巨大的溫差使得玻璃破裂。圖4是本實(shí)用新型三通U型管的結(jié)構(gòu)示意圖，三通U型管14的進(jìn)氣口 1 與冷凝圓管13連接，出氣口 14b與球形冷凝管15連接，排水口 Hc的中心線低于三通中心14d; 實(shí)驗(yàn)前，三通U型管14先裝入水，由于連通器原理，三通U型管14內(nèi)的液面始終保持在排水口 14c的高度，這樣既能收集冷凝圓管13內(nèi)管和球形冷凝管15內(nèi)管中的冷凝水并排出， 又能阻止外界空氣的混入和氫氣的逸出，從而保證了氫氣順利地通過三通U型管14。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，本實(shí)施例的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，包括進(jìn)氣單元、反應(yīng)單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進(jìn)氣單元由氬氣瓶1、減壓閥5、氣體流量計(jì)6、圓盤電爐2、錐形瓶3組成，氬氣瓶 1、減壓閥5、氣體流量計(jì)6順次連接，錐形瓶3放在圓盤電爐2上；反應(yīng)單元由石英管11、石英舟8、管式爐7、溫控儀9、熱電偶10組成，金屬樣品放在石英舟8中，石英舟8置于石英管11內(nèi)，石英管11穿過管式爐7 ；冷卻單元由冷凝圓管13、三通U型管14、球形冷凝管15由乳膠管依次連接組成， 三個(gè)部件均為玻璃材質(zhì)并由鐵架臺(tái)12固定，冷凝圓管13傾斜擺置并處于比石英管11低的位置，三通U型管14豎直擺置并處與最低位置，球形冷凝管15豎直擺置并處于最高位置， 球形冷凝管15外管中的冷卻水方向?yàn)樽陨隙拢粴怏w收集單元由量筒16、冰水槽17、升降臺(tái)18組成，量筒16倒置在冰水槽17內(nèi)， 冰水槽17放在升降臺(tái)18上。 所述的石英管11的氬氣進(jìn)口 1 Ie與氣體流量計(jì)6連接，水蒸氣進(jìn)口 1 If與錐形瓶 3連接，粗管Ila出口塞上穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞4作為氣體出口，粗管Ila與細(xì)管Ilc之間有過渡圓角11b，細(xì)管Ilc上豎直分布著兩個(gè)對(duì)稱的實(shí)心石英柱lid。所述的冷凝圓管13上有圓口 13a，內(nèi)管13b是兩端敞口的直管，乳膠管從內(nèi)管1 中穿過。所述的三通U型管14的進(jìn)氣口 1 與冷凝圓管13連接，出氣口 14b與球形冷凝管15連接，排水口 Hc的中心線低于三通中心14d。具體實(shí)驗(yàn)過程如下以40目的鎂粉為金屬樣品進(jìn)行水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)(a)設(shè)定溫控儀9使管式爐7加熱到預(yù)定溫度600°C并保溫1小時(shí)。(b)當(dāng)管式爐7加熱到預(yù)定溫度600°C后，各部件按照?qǐng)D1中的位置關(guān)系搭建好； 特別強(qiáng)調(diào)錐形瓶3和三通U型管14中加入適量水，錐形瓶3暫不放在圓盤電爐2上，穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞4暫不塞住石英管11的粗管Ila出口。(c)打開氬氣瓶1，由氣體流量計(jì)6設(shè)定氬氣的流量為50 ml/min，讓氬氣作為保護(hù)氣，排除空氣對(duì)反應(yīng)的影響。(d)將錐形瓶3放在圓盤電爐2上加熱使得錐形瓶3的水至沸騰，然后暫時(shí)停止向石英管11內(nèi)通入水蒸氣。(e)等待3 5分鐘，讓氬氣排盡石英管11內(nèi)的空氣和水蒸氣，然后稱取0. 1 g 的鎂粉放入石英舟8內(nèi)，用工具快速地將石英舟8從石英管11粗管Ila出口推入過渡圓角 lib處，同時(shí)將穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞4塞緊石英管11粗管Ila出口，再將實(shí)心石英柱Ild 靠緊管式爐7左壁出口，最后再向石英管11內(nèi)通入水蒸氣，此時(shí)水蒸氣便快速地通入石英管11內(nèi)和石英舟8內(nèi)的鎂粉發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫氣，在高溫下鎂粉與水反應(yīng)發(fā)生如下反應(yīng)Mg + 2H20 = Mg(OH)2 I + H2 個(gè)。(f)從石英管11內(nèi)出來的高溫混合氣體(氫氣、氬氣和水蒸氣)通過乳膠管依次經(jīng)過冷凝圓管13、三通U型管14和球形冷凝管15，冷凝圓管13內(nèi)管和球形冷凝管15內(nèi)管中的冷凝水都流入三通U型管14內(nèi)并從排水口 Hc排出。(g)按排水集氣法原理收集氣體，記錄時(shí)間和量筒內(nèi)液面高度得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；經(jīng)過計(jì)算得到各時(shí)刻的反應(yīng)率，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，反應(yīng)率為縱坐標(biāo)繪制曲線圖，如圖5所示。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，便可以考察溫度、金屬原料的種類和粒徑、添加劑對(duì)水反應(yīng)金屬燃料反應(yīng)率的影響。本實(shí)施例的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能方便的冷卻和收集氫氣， 可控性強(qiáng)，提高了實(shí)驗(yàn)效率并減小了系統(tǒng)誤差。以上示意性的對(duì)本實(shí)用新型及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本實(shí)用新型的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本實(shí)用新型創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置包括進(jìn)氣單元、反應(yīng)單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進(jìn)氣單元由氬氣瓶(1)、減壓閥(5)、氣體流量計(jì)(6)、圓盤電爐(2)、錐形瓶(3)組成，氬氣瓶(1)、減壓閥(5)、氣體流量計(jì)(6)順次連接，錐形瓶(3)放在圓盤電爐(2)上；反應(yīng)單元由石英管(11)、石英舟(8)、管式爐(7)、溫控儀(9)、熱電偶(10)組成，金屬樣品放在石英舟(8)中，石英舟(8)置于石英管(11)內(nèi)，石英管(11)穿過管式爐(7)；冷卻單元由冷凝圓管(13)、三通U型管(14)、球形冷凝管(15)由乳膠管依次連接組成， 三個(gè)部件均為玻璃材質(zhì)并由鐵架臺(tái)(12)固定，球形冷凝管(15)外管中的冷卻水方向?yàn)樽陨隙?；氣體收集單元由量筒(16)、冰水槽(17)、升降臺(tái)(18)組成，量筒(16)倒置在冰水槽 (17)內(nèi)，冰水槽(17)放在升降臺(tái)(18)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的石英管 (11)的氬氣進(jìn)口(lie)與氣體流量計(jì)(6)連接，水蒸氣進(jìn)口(Ilf)與錐形瓶(3)連接，粗管 (Ila)出口塞上穿有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞(4)作為氣體出口，粗管(Ila)與細(xì)管(Ilc)之間有過渡圓角(11b)，細(xì)管(Ilc)上豎直分布著兩個(gè)對(duì)稱的實(shí)心石英柱(lid)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的冷凝圓管(13)上有圓口(13a)，內(nèi)管(1 )是兩端敞口的直管，乳膠管從內(nèi)管(1 )中穿過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的三通U型管(14)的進(jìn)氣口( 14a)與冷凝圓管(13)連接，出氣口( 14b)與球形冷凝管(15)連接，排水口(14c)的中心線低于三通中心(14d)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置，屬于實(shí)驗(yàn)裝置領(lǐng)域，旨在提供一種能夠安全有效地將水蒸氣完全冷卻并且能夠減小系統(tǒng)誤差的水反應(yīng)金屬燃料高溫實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型包括進(jìn)氣單元、反應(yīng)單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；所述的進(jìn)氣單元的氬氣瓶、減壓閥、氣體流量計(jì)順次連接，錐形瓶放在圓盤電爐上；所述的反應(yīng)單元由石英管、石英舟、管式爐、溫控儀、熱電偶組成；所述的冷卻單元由冷凝圓管、三通U型管、球形冷凝管由乳膠管依次連接組成；所述的氣體收集單元由量筒、冰水槽、升降臺(tái)組成，量筒倒置在冰水槽內(nèi)，冰水槽放在升降臺(tái)上。本實(shí)用新型容易構(gòu)建，操作方便，系統(tǒng)誤差小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。
文檔編號(hào)G01N7/18GK202166582SQ20112025609
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者夏鳴, 孫運(yùn)蘭, 朱寶忠, 胡永華 申請(qǐng)人:夏鳴