二 氧化碳超临界PVT可视化综合实验装置
一、系统整体概述
本装置型上海计呈研制的一套双测试单元工质 PVT 状态可视化科研教学一体化实验平台，融合高压透明可视化实体测试系统与多物性状态方程数值对标软件，构建实体工况实测 — 物性模型对标 — 临界相态可视化观测 — 工质替换拓展一体化实验体系。装置以二氧化碳为标准工质，覆盖 CO₂临界温度 304.18K、临界压力 7.38MPa 区间，*运行压力 10MPa (A)、*温度 200℃；搭载 P-V 石英变容可视单元、P-T 蓝宝石定容可视双测试回路，配套全自动真空充装、工质回收、伺服容积调控、高精度多通道传感采集、毫秒级光学同步录像、多状态方程对比分析软件。完整复现工质抽真空 — 定量充装 — 恒温变容 / 定容升温 — 相态观测 — 数据采集 — 工质回收全流程，可直观观测气液弯月面、临界乳光、超临界单相流体等特征现象，精准绘制 P-V 等温线、P-T 饱和 / 等容曲线。
设备突破传统水银式简易 CO₂实验台汞污染、人工读数、参数上限低、仅单一观测腔短板，无汞伺服传压、全自动闭环控制、双可视化测试腔、宽温压工况、多工质兼容，配套物性计算软件内置 van der Waals、PR、SRK、CoolProp、可选 REFPROP 物性数据库对标，覆盖《工程热力学》《流体相平衡》《超临界流体技术》《制冷工质物性》本科、研究生核心课程。整机由工质处理计量单元、P-V 可视变容单元、P-T 可视定容单元、温控单元、压力容积执行单元、光学观察单元、数据采集控制单元、安全防护单元八大模块化子系统组成，压力、温度、容积、图像、充装质量全参数毫秒级同步采集，实测数据一键导入物性模型完成偏差对比，可支撑基础热力学验证、临界现象科研、新型环保工质物性测试、高校教学多层次应用。
二、系统组成
（一）工质处理与计量单元
核心设备：干式真空泵、精密过滤器、缓冲罐、0-12.5MPa 高压计量泵、0-2000g 高精度电子天平、工质回收瓶、多路高压切换阀组、氮气吹扫接口；
核心功能：回路真空抽取、30min 真空保压检漏、高纯氮气惰性吹扫、称重 / 计量泵两种定量充装、实验后工质压差冷凝回收、工质纯度与质量溯源管理；
安全配套：止回阀、分级调压、专用回收管路，CO₂工况配套低位排风检测接口，可燃工质选配防爆吹扫组件。
（二）P-V 可视变容测试单元
可视化腔体：压力级高纯熔融石英直管，内径 10.00±0.05mm，透明有效长度≥160mm，两端 316L 柔性夹持座消除装配应力；
容积执行机构：伺服电机 + 滚珠丝杠驱动隔离活塞 / 金属波纹管，活塞有效行程 0-120mm，理论排量 9.425mL，有效容积区间 1.0-11.5mL；配绝对值位移编码器实时换算容积，容积分辨率 0.001mL；
工况控制：变容速率 0.001\0.50mL/min 可调，临界区推荐低速 0.02mL/min 以内；5\200℃全温域适配，温度均匀性≤±0.2℃；
观测功能：石英管全程透光，搭配光学系统同步记录等温变容过程中气液两相、弯月面消失、临界乳光演变全过程。
（三）P-T 可视定容测试单元
承压腔体：316L 无缝承压管 Φ25×5mm，名义标定容积 31.8mL，氦质谱整体漏率≤1×10⁻⁸ Pa・m³/s；
可视化视窗：双端 C 轴单晶蓝宝石承压视窗，光学通径≥8mm，一端背光、一端成像观测；配套受控预紧金属密封垫片，耐受 5~200℃热循环；
温控与压力特性：升降温速率 0.1~3.0K/min 可调，临界区间低速升温；内置四线制 Pt100 插入式测温探头；双串联高压隔离阀实现*定质量封闭体系；
拓展功能：外接 0~50mL 计量泵支路，可实现可变工质质量的压力状态点扫描实验。
（四）温度控制单元
温控硬件：双通道高低温循环器、透明恒温浴液（5\80℃）、高温硅油加热套（80\200℃）、循环换热盘管、独立超温切断保护；
控制性能：稳态温度波动≤±0.10℃，腔体上下中三点均匀性≤±0.2℃；支持恒温、阶跃、斜坡、自定义程序升温；
适配设计：80℃以上高温工况配套隔热光路，避免高温干扰相机成像；整机加热功率 2~3kW，制冷 20℃工况制冷量≥1.0kW。
（五）压力与容积执行单元
压力执行：0\12.5MPa 高压计量泵，0.01\20mL/min 充装流量，PID 压力闭环控制，稳定度≤±0.02MPa；9.5MPa 预警、9.8MPa 联锁卸荷；
容积执行：伺服闭环活塞驱动，压力限幅双回路保护，预测超压自动减速停机；位移数据实时修正温度膨胀、死容积误差；
安全边界：系统设计压力 12.5MPa，金属回路出厂 15MPa 水压保压 30min 耐压验收；透明石英、蓝宝石组件单件 15MPa 耐压、批次≥25MPa 爆破试验。
（六）光学观察单元
成像硬件：500 万像素工业相机、远心微距镜头、可调 LED 背光、偏振片、长度标定标尺；30fps 录像，毫秒级时间戳同步温压容积数据；
观测场景适配：背光基础观测两相界面，偏振光路强化临界乳光密度涨落成像；高温工况远程隔离拍摄，避免热辐射干扰；
数据输出：自动存储实验录像、关键相变帧，图像文件与 P/T/V 时序数据统一归档，支持回放对比临界现象变化。
（七）数据采集与控制单元
采集硬件：24bit 高精度 ADC 采集模块，常规采样 10Hz、快速通道*100Hz；多通道 A 级 Pt100、0.05% FS 高精度绝对压力传感器、位移编码器、电子天平、CO₂浓度变送器同步接入；PLC 安全继电器 + 工业触摸屏 + 上位工业计算机分级控制；
控制逻辑：分三大独立运行模式 —— 等温 P-V 模式、定容饱和 P-T 模式、压力扫描可变质量模式，模式间软件互锁防止误操作；
权限管理：分级账号（学生 / 教师 / 管理员），完整记录校准、联锁旁路、工质更换、操作日志，所有原始数据只读留存，修改版本留痕。
（八）安全防护单元
机械防护：全封闭金属防护舱约束石英、蓝宝石脆性承压件碎片，抗冲击观察窗隔离操作区；防护门联锁，舱内压力＞0.2MPa (A) 时门锁无法解锁；
超压超温保护：安全阀 + 爆破片两级泄压，介质回收管路；202℃超温切断加热，压力分级减速、停机、自动卸荷三级动作；
气体与环境防护：CO₂浓度检测传感器，浓度≥5000ppm 声光报警并启动强制排风；可燃工质选配防爆电气、可燃气体探测；
整机联锁矩阵：覆盖超压、超温、浴液缺液、执行器超行程、传感器断线、舱门开启、气体泄漏全部故障场景，自动记录报警事件时序。
三、分层全套实验项目
第一层级：本科必修基础验证实验（适配《工程热力学》《流体物性》课程）
实验 1 CO₂临界状态与超临界相变现象观测
实验目的
掌握纯物质临界点定义，直观区分亚临界气液两相、临界态、超临界单相流体；观察弯月面消失、临界乳光光学特征；理解临界温度、临界压力物理意义。
实体操作流程
设备抽真空、氮气吹扫，定量充装高纯 CO₂；
P-V 单元恒温至 31℃临界区间，低速伺服变容，同步录像记录气液界面变化；
缓慢升温越过临界点，观测两相密度趋同、弯月面完全消失、临界乳光；
升温至超临界区域，记录单相流体无分相特征。
物性对标操作
软件调用 NIST/CoolProp CO₂基准物性，对比实测临界温压与理论值偏差，分析温度梯度、工质纯度对观测效果的影响。
核心观测内容
亚临界清晰气液弯月面；临界点附近界面模糊、临界乳光散射；超临界区间无两相分界面，流体兼具气液扩散、溶解特性。
实验 2 CO₂等温 P-V 曲线测定实验
实验目的
掌握定质量等温条件下工质压力 - 容积变化规律；识别亚临界两相平台、临界等温拐点、超临界平滑连续曲线；对比理想气体与实际流体物性差异。
实体操作流程
分别设定 20℃、25℃、30℃、31℃、40℃多组恒温工况；
恒温稳定后程序控制活塞缓慢变容，自动同步采集压力、容积、图像；
软件自动生成多条等温 P-V 曲线，标记两相共存区间。
物性对标操作
导入 van der Waals、PR、SRK 方程计算理论 P-V 曲线，与实测曲线对比，分析分子间作用力、分子体积修正项对实际流体的影响。
核心观测内容
低于临界温度等温线存在水平两相压力平台；临界 31℃等温线出现唯一拐点；超临界等温线无分相平台，压力随容积连续变化。
实验 3 CO₂饱和 P-T 曲线与等容线测定实验
实验目的
理解纯物质气液饱和压力 - 温度对应关系；掌握定容体系升温压力变化规律；区分饱和曲线、不同密度等容线。
实体操作流程
P-T 定容单元定量充装 CO₂，封闭隔离阀形成定质量封闭体系；
低速率程序升温，采集全流程温压数据；两相共存阶段得到饱和 P-T 数据；越过临界点后得到定密度等容线；
多组充注质量重复实验，得到多条不同密度等容线。
物性对标操作
实测饱和曲线与 REFPROP 饱和物性数据库对标，计算近临界区温压测量偏差；分析升降温热滞后对曲线精度的影响。
核心观测内容
两相区升温饱和压力单调上升；临界点饱和曲线与临界等容线交汇；高密度等容线压力随温度变化斜率更大。
实验 4 温度、容积对工质压缩因子影响测定
实验目的
掌握压缩因子 Z 的计算方法；分析温度、比容对实际气体偏离理想气体程度的影响；理解超临界流体高可压缩性特征。
实体操作流程
基于 P-V、P-T 两组实验实测 P、T、V 数据，软件自动计算摩尔体积、压缩因子；分别绘制 Z-P、Z-T 变化曲线。
物性对标操作
对比三种经典立方状态方程压缩因子计算结果，评估各方程在亚临界、近临界、超临界区间的计算精度。
核心观测内容
近临界区压缩因子大幅偏离 1；高温低压区域流体趋近理想气体，Z≈1。
第二层级：本科综合设计 / 创新实验（课程设计、大创、能源类竞赛）
实验 1 不同工质 PVT 物性对比实验
实验目的
对比 CO₂、R134a、R1234ze 等环保工质临界参数、饱和曲线、等温线差异；理解分子结构、偏心因子对流体相平衡的影响；建立工质筛选评价思路。
实体操作流程
完整回收原有工质，多次抽真空 - 氮气吹扫更换目标工质；
统一工况下分别完成 P-V 等温线、P-T 饱和曲线测试；
对比不同工质临界温压、两相区间宽度、压缩特性。
物性对标操作
软件调取各工质物性数据库，量化对比临界参数、饱和曲线斜率、状态方程拟合偏差，筛选适配低温余热、制冷场景工质。
核心观测内容
不同工质临界温度、临界压力差异显著；低临界压力工质两相平台更宽，近临界乳光观测窗口不同。
实验 2 变操作参数对 PVT 测量精度影响探究
实验目的
探究变容速率、升温速率、温度均匀性、死容积修正对实验曲线精度的影响；掌握高精度相平衡实验标准化操作规范。
实体操作流程
控制单一变量：设置多档活塞变容速率、多档升温速率，分别采集等温线、饱和曲线；对比曲线跳点、两相平台平滑度；修正死容积、温度膨胀误差后重新计算数据。
物性对标操作
以标准物性数据库为基准，量化不同操作参数带来的测量误差，建立*实验操作参数区间。
核心观测内容
临界区间高速变容 / 升温会造成温压滞后，两相曲线畸变；低速稳态测量可显著降低系统误差。
实验 3 工质充装量对定容 P-T 曲线特性影响实验
实验目的
理解工质平均密度与等容线形态的耦合关系；掌握临界充注密度判定方法；分析充注过量 / 不足对临界观测的干扰。
实体操作流程
向 P-T 单元充装不同质量 CO₂，形成低、中、临界、高四种平均密度；程序升温采集各组等容 P-T 曲线，对比曲线交汇临界点特征。
物性对标操作
根据充注质量与标定容积计算平均密度，与 CO₂临界密度对比，分析密度偏离临界值时相态变化差异。
核心观测内容
充注密度接近临界密度时，升温曲线可精准抵达临界点；密度偏离临界值，升温过程提前 / 延后脱离两相区。
实验 4 多状态方程适用性对比评估实验
实验目的
掌握 van der Waals、PR、SRK 物性模型的适用范围；基于实测 PVT 数据完成模型参数校正；学会评估物性方程计算误差。
实体操作流程
复用 CO₂、替代工质全套实测 PVT 数据，软件批量调用各状态方程计算理论值，自动生成偏差对比表格。
物性对标操作
分别统计亚临界两相区、近临界区、超临界单相区三类工况的计算平均误差，筛选适配不同区间的物性模型。
核心观测内容
van der Waals 方程全区间误差偏大；PR 方程在近临界、超临界区间拟合精度*。
第三层级：研究生科研拓展实验（《超临界流体技术》《相平衡热力学》、硕士课题、纵向科研）
实验 1 近临界区流体密度涨落与临界乳光定量研究
实验目的
定量表征临界点附近流体密度涨落光学特征；探究工质纯度、温度梯度对临界乳光强度的影响；支撑超临界流体光散射基础研究。
实验内容
采用偏振光路、高速录像采集临界区间光学图像；结合图像灰度量化乳光强度；精准控制 ±0.05℃恒温梯度，对比不同温度偏移下散射效果；同步采集温压数据建立光强 - 状态参数关联模型。
实验 2 新型低 GWP 制冷工质相平衡特性测试
实验目的
完成 R1234yf、R1234ze 等低碳环保工质饱和 P-T、P-V 等温线标定；建立替代工质完整物性数据库；为制冷系统循环仿真提供实测基准数据。
实验内容
执行完整工质更换、密封兼容验证流程；宽温压区间批量测试相平衡数据；实测数据校正 CoolProp 物性模型，修正厂商数据库偏差。
实验 3 超临界 CO₂体系压缩特性与萃取工况匹配研究
实验目的
研究 10MPa、50~200℃超临界 CO₂比容、压缩因子变化规律；分析温度压力对超临界流体溶解能力的影响；优化超临界萃取工艺工况窗口。
实验内容
在超临界单相区间设置多组恒温变容工况，获取高精度 P-V 数据；基于实测密度划分超临界流体高密度、低密度区域，匹配萃取工艺操作参数。
实验 4 脆性透明承压件疲劳与安全边界试验研究
实验目的
探究石英、蓝宝石视窗长期温压循环疲劳特性；建立透明高压元件寿命判定标准；完善高压可视化设备安全设计规范。
实验内容
对石英管、蓝宝石视窗开展 5\200℃温度循环、0\10MPa 压力循环耐久测试；记录表面缺陷、泄漏阈值；结合有限元应力分析确定强制更换周期。
实验 5 基于 PLC 的 PVT 实验智能控制算法开发
实验目的
开发自适应 PID、模型预测控制 MPC 程序，优化临界区间温压容积稳定控制；实现全自动无人值守批量变工况实验。
实验内容
通过设备开放 Modbus TCP/OPC UA 接口接入自研控制程序；批量仿真预整定控制参数，实体平台验证变工况扰动下控温、控容稳定性。
第四层级：企业技术服务与科普演示实验
实验 1 新型工质物性标定检测服务
实验目的
为企业自研制冷、发泡、超临界萃取工质提供标准化 PVT 相平衡实测标定；出具实测 + 物性模型对标完整测试报告，支撑产品配方迭代。
实验内容
企业待测工质上机完成饱和曲线、等温线全套测试；实测数据校正物性仿真模型，给出工质临界参数、适用温压工况区间优化建议。
实验 2 热力学、超临界流体科普可视化演示实验
实验目的
面向高校参观、行业培训人员直观演示纯物质相变、临界点、超临界流体核心原理；消除抽象相平衡理论理解门槛。
实验内容
低安全压力工况简化运行，大屏同步展示实时 P-V/P-T 曲线与相机相态录像，分步演示气液两相、临界消失、超临界单相全过程。
四、配套测控与物性分析软件完整功能
实时监测预警模块
全通道 P/T/V/ 图像 / 质量同步刷新，超压、超温、舱门开启、气体泄漏自动弹窗 + 声光分级报警，锁定自动实验流程保障高压部件运行安全。
双模式数据存储模块
稳态定点采集、连续时序动态采集两种模式；所有数据带毫秒级时间戳，自动导出 CSV、XLSX、PDF 实验报告，原始测量数据加密只读留存。
内置热力物性计算工具
自动计算工质密度、比容、摩尔体积、压缩因子、测量不确定度；一键绘制 P-V、P-T、T-V、密度 - 温度、压缩因子曲线，支持多批次曲线叠加对比。
多物性方程对标核心模块
内置 van der Waals、Peng-Robinson、SRK 立方状态方程；原生对接 CoolProp 物性数据库；可选正版 REFPROP 接口；自动计算实测值与理论物性偏差，生成误差分析图表。
图像 - 数据同步分析模块
实验录像、关键相变帧与温压容积时序数据统一时间轴回放；一键标记弯月面消失、临界点特征时刻，自动提取对应状态参数。
二次开发开放接口
支持 Ethernet、Modbus TCP、OPC UA、Python/REST 数据接口；可自主编写批量变工况自动化脚本，适配研究生课题批量测试需求。
五、整套装置教学、科研综合优势
无汞化全自动可视化独有优势
摒弃传统教学设备水银传压结构，伺服活塞 / 波纹管隔离传压，消除汞污染安全隐患；双透明可视腔体同步观测 P-V 变容、P-T 定容两类相态变化，相机远程成像，人员远离高压脆性部件，安全性大幅提升。
工况参数覆盖 CO₂完整临界 / 超临界区间
* 10MPa (A)、200℃宽温压边界，完整覆盖 CO₂临界点，可开展亚临界、近临界、超临界全区间实验；区别于低压简易教学台，测量数据可直接用于科研物性标定，工程参考价值高。
双测试单元模块化设计，实验维度丰富
P-V 石英变容腔专注等温线、连续变容相态观测；P-T 蓝宝石定容腔专注饱和 P-T 曲线、定密度等容线研究；两套回路共享真空、充装、回收系统，互不串液，一机实现两类核心 PVT 实验。
多工质兼容，适配双碳前沿工质研究
标准化工质更换流程，原生兼容 CO₂、R134a，选配防爆模块可测试低 GWP 可燃环保工质；支撑制冷、余热回收、超临界萃取多领域前沿课题，设备科研生命周期长。
分层阶梯化人才培养体系
本科基础实验夯实热力学相平衡理论；课程设计自主工质对比、参数优化锻炼工程创新；研究生依托高压高精度平台开展临界光学、新型工质标定等深度科研，覆盖完整教学科研培养链条。
自动化闭环控制降低实验操作门槛
温、压、容积全流程 PID 自动调控，变容 / 升温速率精准可控；数据自动采集、物性自动计算、曲线自动生成，学生无需手工记录、查表计算，重点聚焦相变机理与物性模型分析。
完善分级安全联锁，适配实验室长期高频使用
金属防护舱、多级泄压、门联锁、气体浓度监测、超温超压停机多重工业级安全保护；石英、蓝宝石承压件全套耐压、爆破型式试验验收，模块化标准备件，年度运维成本低。
