临界点附近CO2 密度的高精度单浮子密度计测量与状态方程验证

为解决临界点附近CO2 密度测量数据不足及现有状态方程(EoS)精度不足的问题，研究人员通过改造单浮子磁悬浮密度计(SSD)系统，在298.15–423.15 K和35 MPa条件下获得密度不确定度仅0.05%的高精度数据。研究发现Span-Wagner和Yang等提出的EoS在临界点附近均存在低估现象，为优化能源系统设计提供了关键实验依据。

　　

在能源系统和工业流程中，二氧化碳(CO₂
)因其临界温度接近室温(304.1282 K)而成为关键工质，尤其在跨临界制冷和超临界动力循环(sCO₂
)中，临界点附近的密度变化直接影响系统效率。然而，现有Span-Wagner状态方程(EoS)在临界区域存在非物理振荡和临界指数不匹配问题，而Yang等提出的交叉EoS虽改进但仍需实验验证。这一领域长期面临高精度数据稀缺的挑战，主要源于临界点附近微小的温压波动会导致物性剧烈变化，传统测量技术难以捕捉。

为突破这一瓶颈，中国的研究团队对原有单浮子磁悬浮密度计(SSD)系统进行升级，通过改进气体供应模块和温压校准链，将测量不确定度控制在温度±25 mK、压力±4 kPa、密度±0.05%的领先水平。系统首先以氮气(N₂
)为介质验证可靠性，在308.15–423.15 K和20 MPa条件下与Span-Wagner EoS比较显示平均相对偏差仅0.05%。随后聚焦CO₂
临界区域(298–310 K，5–10 MPa)，首次同步测量饱和蒸汽压和液相密度，填补了现有EoS验证的数据缺口。

关键技术方法
研究采用磁悬浮密度计(基于阿基米德浮力原理)避免校准流体干扰，通过单浮子(SSD)设计平衡中高密度区精度与系统复杂度。样本采用北京普莱克斯高纯气体(GC检测无杂质)，测量链通过GUM标准进行不确定度分析，温度控制采用三级恒温槽，压力传感器经德国PTB认证。

研究结果

Material
使用GC-2014色谱仪验证N₂
和CO₂
纯度达99.99%，确保杂质误差可忽略。

Experimental system
改造的SSD系统包含气体注入、测量和回收模块，核心浮子体积通过氦膨胀法标定，磁耦合单元实现±0.1 mg质量分辨率。

Uncertainty analysis and N₂
verification experiment
27组N₂
数据验证系统在20 MPa下密度偏差≤0.05%，确认系统适用于临界区测量。

Comparison to the EoS
临界区(0.98<>_r
<1.02，0.68<>_r
<1.36)数据显示，Span-Wagner EoS密度预测普遍偏低0.3–0.8%，Yang的交叉EoS虽改善临界指数但仍有0.2–0.5%偏差。Martynets等早期数据因不确定度>0.2%被排除。

Conclusion
实验证实现有EoS在临界区的系统性偏差，Yang的EoS在临界指数描述上优于Span-Wagner，但两者均需基于新数据进一步优化。测得CO₂
饱和液相密度与文献差异<0.1%，为制冷循环设计提供基准。

意义与展望
该研究不仅为修正EoS临界区偏差提供了首个高精度数据集，更揭示了磁悬浮密度计在极端热力学条件下的应用潜力。数据可直接用于优化sCO₂
动力循环的压缩机设计和跨临界系统的换热器效率，推动碳捕集技术的精准建模。未来可扩展至其他临界流体如甲烷或水的物性研究，为新能源开发奠定实验基础。