專利名稱：水反應金屬燃料高溫實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實驗裝置，更具體地說，涉及一種水反應金屬燃料高溫實驗
直O(jiān)
背景技術：
水反應金屬燃料是一種用于水下高速武器推進系統(tǒng)的新型高能量密度燃料，常用金屬包括鎂、鋁、鋰及相關化合物或其合金。水反應金屬燃料在燃氣發(fā)生器中進行一次燃燒，生成富含金屬顆粒、液滴或蒸汽的高溫燃氣，然后進入補燃室與海水發(fā)生強烈的放熱反應，產生的熱量使未參與反應的海水受熱蒸發(fā)，并以高壓蒸汽膨脹做功，從而推動水下航行體運動。如俄羅斯的“暴風雪”超高速魚雷就是應用鎂基水反應金屬燃料作為水沖壓發(fā)動機推進系統(tǒng)的燃料。水反應金屬燃料具有高的能量密度，產物無毒無污染等優(yōu)點，在水下武器、航行器和太空發(fā)動機以及燃料電池中有著巨大的應用潛力，成為各國搶占科技制高點的焦點之一。在發(fā)動機中金屬顆粒停留時間很短，往往由于金屬燃燒不充分而影響其能量釋放。因此，提高金屬與水反應速度是水反應金屬燃料研究的關鍵技術之一。在實驗室里一般采用管式爐模擬發(fā)動機的高溫環(huán)境，研究金屬鎂粉、鋁粉等相關合金粉末和水反應特性及添加劑對水反應金屬燃料反應的影響，利用反應率來表征反應的進行程度。因為金屬與水反應生成的氫氣不溶于水，可利用排水法測定反應產生的氫氣體積，得到氫氣體積與時間的關系，反應率按下式計算η =Vt/ V0上式中，11為反應率，Vt為t時刻前產生氫氣的總體積，單位為mL ；V0為金屬粉末完全反應的總體積，單位為mL。在公開的文獻中，實驗裝置所要解決的關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。如國防科技大學的周星等人在雜志《固體火箭技術》(2009年第32卷第3期)發(fā)表的文章《鎂粉的高溫水反應特性研究》中采用的是把緩沖罐放入冰水槽內的一次冷卻方式。這些實驗儀器或裝置冷卻和收集氫氣時，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，這樣勢必會損失一些反應生成的氫氣，影響數(shù)據的準確性；(3)這些冷卻裝置的冷卻的效率和裝置的安全性、實用性、可行性，以及保證數(shù)據的可靠性都有待提高。
發(fā)明內容實用新型要解決的技術問題本實用新型的目的是要解決現(xiàn)有水反應金屬燃料實驗裝置中出現(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)據準確度的水反應金屬燃料高溫實驗裝置。技術方案為達到上述目的，本實用新型提供的技術方案為一種水反應金屬燃料高溫實驗裝置，包括進氣單元、反應單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進氣單元由氬氣瓶、減壓閥、氣體流量計、圓盤電爐、錐形瓶組成，氬氣瓶、減壓閥、 氣體流量計順次連接，錐形瓶放在圓盤電爐上，錐形瓶內有水，提供水蒸氣；反應單元由石英管、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，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，三個部件均為玻璃材質并由鐵架臺固定，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為自上而下；氣體收集單元由量筒、冰水槽、升降臺組成，量筒倒置在冰水槽內，冰水槽放在升降臺上，按排水集氣法原理收集氣體。所述的石英管的氬氣進口與氣體流量計連接，水蒸氣進口與錐形瓶連接，粗管出口塞上穿有玻璃導管的橡膠塞作為氣體出口，粗管與細管之間有過渡圓角，細管上豎直分布著兩個對稱的實心石英柱；實心石英柱的位置要保證其靠住管式爐左壁出口時，被推進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，在實驗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定溫度下與水反應，提高了實驗的準確性；石英材質具有耐高溫的特性。所述的冷凝圓管上有圓口，內管是兩端敞口的直管，乳膠管從內管中穿過，冰塊從圓口放入并填滿內管外圍，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；實驗前，三通U型管先裝入水，由于連通器原理，三通U型管內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管里乳膠管內和球形冷凝管內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。本實用新型的原理是為排除空氣對反應的影響，實驗過程中通入氬氣作為保護氣，流量由氣體流量計設定，管式爐的溫度由溫控儀設定。用圓盤電爐加熱錐形瓶中的水至沸騰，使得水蒸氣進入石英管中與石英舟內的金屬樣品發(fā)生反應，從石英管內出來的高溫混合氣體(氫氣、氬氣和水蒸氣)通過乳膠管依次經過冷凝圓管、三通U型管和球形冷凝管， 冷凝圓管內管里乳膠管內和球形冷凝管內管中的冷凝水都流入三通U型管內并從排水口排出；按排水集氣法原理收集氣體，記錄時間和量筒內液面高度得到實驗數(shù)據；可以考察溫度、金屬原料的種類和粒徑、添加劑對水反應金屬燃料反應率的影響。有益效果與現(xiàn)有技術相比，本實驗新型的有益效果是[0025](1)本實用新型容易搭建，操作方便，系統(tǒng)誤差小，數(shù)據準確度高；(2)本實用新型的水蒸氣的冷卻方式安全有效，實驗過程直觀；(3)本實用新型的實驗參數(shù)與反應效果便于記錄和調整，可廣泛應用于相關教學和實驗，適用范圍廣。

圖1是本實用新型水反應金屬燃料高溫實驗裝置的整體結構示意圖；圖2是本實用新型石英管的結構示意圖；圖3是本實用新型冷凝圓管的結構示意圖；圖4是本實用新型三通U型管的結構示意圖；圖5是本實用新型實施例中反應率隨時間變化的曲線圖。示意圖中零部件的標號說明氬氣瓶1，圓盤電爐2，錐形瓶3，穿有玻璃導管的橡膠塞4，減壓閥5，氣體流量計 6，管式爐7，石英舟8，溫控儀9，熱電偶10，石英管11，鐵架臺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18，粗管Ila,過渡圓角11b，細管11c，實心石英柱lld，氬氣進口 lie，水蒸氣進口 llf，圓口 13a，內管13b，進氣口 14a，出氣口 14b，排水口 14c，三通中心14d。
具體實施方式
為進一步了解本實用新型的內容、特點及功效，結合附圖對本實用新型作詳細描述。圖1是本實用新型水反應金屬燃料高溫實驗裝置示意圖，包括進氣單元、反應單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進氣單元由氬氣瓶1、減壓閥5、氣體流量計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6順次連接，錐形瓶3放在圓盤電爐2上，錐形瓶3內有水，提供水蒸氣；反應單元由石英管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，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， 三個部件均為玻璃材質并由鐵架臺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為自上而下；氣體收集單元由量筒16、冰水槽17、升降臺18組成，量筒16倒置在冰水槽17內， 冰水槽17放在升降臺18上，按排水集氣法原理收集氣體。圖2是本實用新型石英管的結構示意圖，石英管11的氬氣進口 lie與氣體流量計 6連接，水蒸氣進口 Ilf與錐形瓶3連接，粗管Ila出口塞上穿有玻璃導管的橡膠塞4作為氣體出口，粗管Ila與細管Ilc之間有過渡圓角11b，細管Ilc上豎直分布著兩個對稱的實心石英柱；實心石英柱Ild的位置要保證其靠住管式爐7左壁出口時，被推進石英管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；在實驗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定溫度下與水反應，提高了實驗的準確性；石英材質具有耐高溫的特性。圖3是本實用新型冷凝圓管的結構示意圖，冷凝圓管13上有圓口 13a，內管1 是兩端敞口的直管，乳膠管從內管13b中穿過，冰塊從圓口 13a放入并填滿內管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是本實用新型三通U型管的結構示意圖，三通U型管14的進氣口 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; 實驗前，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內管和球形冷凝管15內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。下面結合實施例對本實用新型作進一步的描述。實施例結合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，本實施例的水反應金屬燃料高溫實驗裝置，包括進氣單元、反應單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進氣單元由氬氣瓶1、減壓閥5、氣體流量計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6順次連接，錐形瓶3放在圓盤電爐2上；反應單元由石英管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，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， 三個部件均為玻璃材質并由鐵架臺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為自上而下；氣體收集單元由量筒16、冰水槽17、升降臺18組成，量筒16倒置在冰水槽17內， 冰水槽17放在升降臺18上。 所述的石英管11的氬氣進口 1 Ie與氣體流量計6連接，水蒸氣進口 1 If與錐形瓶 3連接，粗管Ila出口塞上穿有玻璃導管的橡膠塞4作為氣體出口，粗管Ila與細管Ilc之間有過渡圓角11b，細管Ilc上豎直分布著兩個對稱的實心石英柱lid。所述的冷凝圓管13上有圓口 13a，內管13b是兩端敞口的直管，乳膠管從內管1 中穿過。所述的三通U型管14的進氣口 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。具體實驗過程如下以40目的鎂粉為金屬樣品進行水反應金屬燃料高溫實驗(a)設定溫控儀9使管式爐7加熱到預定溫度600°C并保溫1小時。(b)當管式爐7加熱到預定溫度600°C后，各部件按照圖1中的位置關系搭建好； 特別強調錐形瓶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6設定氬氣的流量為50 ml/min，讓氬氣作為保護氣，排除空氣對反應的影響。(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，然后暫時停止向石英管11內通入水蒸氣。(e)等待3 5分鐘，讓氬氣排盡石英管11內的空氣和水蒸氣，然后稱取0. 1 g 的鎂粉放入石英舟8內，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，同時將穿有玻璃導管的橡膠塞4塞緊石英管11粗管Ila出口，再將實心石英柱Ild 靠緊管式爐7左壁出口，最后再向石英管11內通入水蒸氣，此時水蒸氣便快速地通入石英管11內和石英舟8內的鎂粉發(fā)生反應，從而產生氫氣，在高溫下鎂粉與水反應發(fā)生如下反應Mg + 2H20 = Mg(OH)2 I + H2 個。(f)從石英管11內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內管和球形冷凝管15內管中的冷凝水都流入三通U型管14內并從排水口 Hc排出。(g)按排水集氣法原理收集氣體，記錄時間和量筒內液面高度得到實驗數(shù)據；經過計算得到各時刻的反應率，以時間為橫坐標，反應率為縱坐標繪制曲線圖，如圖5所示。重復上述實驗步驟，便可以考察溫度、金屬原料的種類和粒徑、添加劑對水反應金屬燃料反應率的影響。本實施例的水反應金屬燃料高溫實驗裝置結構簡單，能方便的冷卻和收集氫氣， 可控性強，提高了實驗效率并減小了系統(tǒng)誤差。以上示意性的對本實用新型及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本實用新型的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本實用新型創(chuàng)造宗旨的情況下，不經創(chuàng)造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種水反應金屬燃料高溫實驗裝置，其特征在于所述的水反應金屬燃料高溫實驗裝置包括進氣單元、反應單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；其中進氣單元由氬氣瓶(1)、減壓閥(5)、氣體流量計(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(6)順次連接，錐形瓶(3)放在圓盤電爐(2)上；反應單元由石英管(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，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， 三個部件均為玻璃材質并由鐵架臺(12)固定，球形冷凝管(15)外管中的冷卻水方向為自上而下；氣體收集單元由量筒(16)、冰水槽(17)、升降臺(18)組成，量筒(16)倒置在冰水槽 (17)內，冰水槽(17)放在升降臺(18)上。
2.根據權利要求1所述的水反應金屬燃料高溫實驗裝置，其特征在于所述的石英管 (11)的氬氣進口(lie)與氣體流量計(6)連接，水蒸氣進口(Ilf)與錐形瓶(3)連接，粗管 (Ila)出口塞上穿有玻璃導管的橡膠塞(4)作為氣體出口，粗管(Ila)與細管(Ilc)之間有過渡圓角(11b)，細管(Ilc)上豎直分布著兩個對稱的實心石英柱(lid)。
3.根據權利要求1所述的水反應金屬燃料高溫實驗裝置，其特征在于所述的冷凝圓管(13)上有圓口(13a)，內管(1 )是兩端敞口的直管，乳膠管從內管(1 )中穿過。
4.根據權利要求1或3所述的水反應金屬燃料高溫實驗裝置，其特征在于所述的三通U型管(14)的進氣口( 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)。
專利摘要本實用新型涉及一種水反應金屬燃料高溫實驗裝置，屬于實驗裝置領域，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)誤差的水反應金屬燃料高溫實驗裝置。本實用新型包括進氣單元、反應單元、冷卻單元、氣體收集單元，各單元之間用乳膠管連接；所述的進氣單元的氬氣瓶、減壓閥、氣體流量計順次連接，錐形瓶放在圓盤電爐上；所述的反應單元由石英管、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、升降臺組成，量筒倒置在冰水槽內，冰水槽放在升降臺上。本實用新型容易構建，操作方便，系統(tǒng)誤差小，數(shù)據準確度高，適用范圍廣。
文檔編號G01N7/18GK202166582SQ20112025609
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權日2011年7月20日
發(fā)明者夏鳴, 孫運蘭, 朱寶忠, 胡永華 申請人:夏鳴