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量热仪基础知识

发布日期:2018-05-12 浏览次数:
导读:
一、量热仪的发展
随着计算机技术的 ...

一、量热仪的发展
随着计算机技术的发展,量热仪测试速度更快,精密度、准确度更高。
量热仪型号主要有恒温式、绝热式和双干式。双干式量热仪氧弹结构复杂,对环境要求较高,绝热式量热仪对温度的自动跟踪技术要求较高,基本上市场已经不生产了,目前使用的主要是恒温式量热仪。
二、量热仪的用途
量热仪主要用来测定煤、石油、水泥生料、食品、饲料、炸药等多种固态、液态可燃物质的热值。
该装置也可用来测煤中的硫(称弹筒硫),煤中的氯,煤的灰分等。
量热仪目前尚不能用来测定其态可燃物(如:液化气、煤气、天然气等)的热值,主要原因可能是计量单位不同,固态、液态可燃物质的热值是以每克多少焦耳为单位,而气态可燃物质是以每立方米多少焦耳为单位。
现在的量热仪要求试样是以质量来计量的,而不是以体积来计量的。即使气态可燃物制改为以质量来计量,如何称也有难度。
三、量热仪的原理
量热仪的测试原理是先用一种已知热值的物质(通常用标准物质苯甲酸),测得整个量热体系温度升高1℃所需的热值,即测得量热仪的热容量。如:已知苯甲酸的热值为26500J/g,燃烧1g的苯甲酸可使量热体系升高2.65℃,则量热仪的热容量为10000J/℃,若将1g未知热值的煤燃烧后可使量热体系升高2℃,则该煤样的热值为20000J/g,若升高2.5℃,则该煤样的热值为25000J/g。
四、热容量的定义
1、量热体系
指的是发热量测定过程中能够吸收燃料试样燃烧热的所有部分,包括浸没氧弹的水、氧弹、搅拌器在水中部分、探头(或温度计)在水中部分和盛水用的内筒等。
2、热容量
量热体系温度每升高1℃所吸收的热量,叫做该量热仪的热容量,用E表示。
热容量不同于比热,比热是使1g的物质升高1℃所吸收的热量。
3、热容量的计算公式
              式中:E--热容量         J/℃或J/KQ--苯甲酸的热值   J/gG--苯甲酸的质量   gt0--初始温度      ℃tn--终点温度      ℃q1--点火丝的热值  Jqn--硝酸生成热    J  (qn=0.0015×Q×G)
例:已知Q=26468J/g、G=0.9998g、t0=21.6614℃、tn=24.1894℃、q1=50J,求E?
解: ℃
五、发热量的定义
1、发热量
煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时产生的热量,其符号为Q,单位常以J/g(焦耳/克)或MJ/Kg(兆焦/千克)表示。
2、热量单位
法定计量单位为J(焦耳):指1牛顿的力在力的方向通过1米的距离所做的功。
1J(焦耳)=1N.m(牛顿 米)=1Kg.m/s2.m=107erg(尔格)
过去也曾用过Cal(卡)作为热量的单位,但因其与温度有关系,如:20℃时  1Cal=4.1816J,15℃时  1Cal=4.1855J,因此,我国自1992年开始也与国际上一样将焦耳作为法定的热量单位,卡则不再使用。
3、温度单位
热力学温度单位为K(开尔文)
摄氏温度单位℃(度)
t=T-T0    t--摄氏温度T--热力学温度           T0--273.15k
4、弹筒发热量(空干基)
单位质量的试样在充又过量氧气的氧弹内燃烧,其终态产物为25℃下的:CO2、O2(过剩)、N2、H2SO4、HNO3、H2O(液态)和固态的灰时放出的热量称为弹筒发热量。其符号为Qb,ad。
弹筒发热量由以下几部分的热量构成:
4.1可燃物燃烧生成发热量定义中规定种类并处于气态的产物释放的热量(简称为可燃物燃烧热)
4.2由SO2反应生成H2SO4的化学反应热和H2SO4溶入水的溶解热(简称为H2SO4的热效应值)。
4.3由N2反应生成HNO3的化学反应热和HNO3溶入水的溶解热(简称为HNO3的热效应值)。
4.4燃烧中的H2生成的H2O和燃料中含有的水分(M)由气态凝结成液态的水释放出的汽化潜热(简称为水的汽化潜热)。
5、恒容高位发热量(空干基)
单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其终态产物为25℃下的:CO2、O2(过剩)、N2、H2O(液态)和固态的灰时放出的热量称为恒容高位发热量,其符号为Qgr,ad。实际上由弹筒发热量减掉稀硫酸生成热和二氧化硫生成热之差,再减掉稀硝酸的生成热,得出的就是恒容高位发热量(因为煤在空气中实际燃烧时,硫只生成二氧化硫,氮则为游离氮,不生成硫酸、硝酸)。
恒容高位发热量由以下几部分热量组成:
5.1可燃物的燃烧热。      5.2水的汽化潜热。
6、恒容低位发热量(收到基)
单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其终态产物为25℃下的:CO2、O2(过剩)、N2、SO2、H2O(气态)和固态的灰时放出的热量称为恒容低位发热量,其符号为Qnet,ar。实际上由恒容高位发热量减掉水的汽化潜热,得出的就是恒容低位发热量。因为煤在工业装置中燃烧时,全部水(包括燃烧生成的水和煤中原有的水)呈蒸气状态随燃烧废气排出,不凝结成液态的水。恒容低位发热量只有可燃物的燃烧热。
六、发热量的单位
焦耳/克(J/g)千焦/克(KJ/g)兆焦/千克(MJ/Kg)吉焦/吨(GJ/t)
1GJ/t=1MJ/Kg=KJ/g=1000J/g
符号含义如下:
Qb,ad--弹筒发热量               J/g或MJ/Kg
Qgr,ad--空干基高位热值          J/g或MJ/Kg
Qnet,ar--收到基低位热值         J/g或MJ/Kg
Qgr,d--干基高位热值             J/g或MJ/Kg
Q--苯甲酸热值                   J/g
G--试样重量                     g
q1--点火丝热值                  J
q2--添加物热值                  J
qn--硝酸生成热                  J
△--主期温升                    K或℃
C--温升冷却校正值               K或℃
α--硝酸校正系数               
当Qb≤16.7MJ/Kg时,             α=0.001
当16.7MJ/Kg<Qb<25.1MJ/Kg时,  α=0.0012
当Qb≥25.1MJ/Kg时               α=0.0016
St,ad--空干基全硫            %
Mar--收到基水分              %
Mad--空干基水分              %
Had--空干基氢                %
七、量热仪精密度的评价方法
根据GB/T213-2003的规定:热容量标定一般应进行5次重复试验。计算5次重复试验结果的平均值和标准差S。其相对标准差不应超过0.20%,若超过0.20%,再补做一次试验,取符合要求的5次重复结果的平均值(修约至1J/K)作为该仪器的热容量。若任何5次结果的相对标准差都超过0.20%,则应对试验条件和操作技术仔细检查并纠正存在问题后,重新进行标定,同时舍弃已有的全部结果。
根据JJG672-2001的规定:平均热容量<1500J/K时,极差<9J/K;平均热容量在9000J/K~11000J/K时,极差<40J/K;平均热容量在14000J/K~15000J/K时,极差<60J/K;达不到上述要求时,应检查完后重复标定。
八、量热仪准确度的评价方法
根据GB/T213-2003的规定:标准煤样测试结果与标准值之差都在不确定度范围内,或者用苯甲酸作为样品进行5次发热量测定,其平均值与标准热值之差不超过50J/g。
根据JJG672-2001的规定:分别测定0.7g和1.3g苯甲酸热值各两次,计算各自的平均值,并与标准值之间的误差不超过60J/g。
九、仪器使用的注意事项
1、电
1.1电源要求220V±10%、50Hz,不可用380V。
1.2点压要求稳定,最好安装稳压电源,有UPS更好。
2、水
2.1仪器桶内用水要求用蒸馏水或去离子水。
2.2当自动桶内的水中有赃物时,应立即更换。
2.3普通桶外筒水量以装满而不溢出为准。
2.4内筒水量以盖住氧弹面10~20mm为准。
2.5普通桶内水筒量称准至1g。
2.6对同一热量计标热容量和测发热量时内筒水应一致。
3.1试验用的氧气不得用电解氧,因其中含有氢气,建议用冷却氧。
3.2钢瓶剩余压力要求4MPa以上。
3.3减压阀压力要求2.8MPa~3Mpa,最高不得超过3.2Mpa,表的最大量程要有6Mpa。
3.4充氧时间不少于15S(从减压阀的压力表指针到最大位置开始计时)。
3.5 300ml左右容积的氧弹,实际充氧量要大于10.5g。
3.6氧气纯度应大于99.5%。
4、温度
4.1室温以10℃~30℃为宜。
4.2一次测试过程室温变化要小于1℃。
4.3室温与外桶水温相差1.5℃以内。
4.4普通恒温桶内、外桶水温差的调节要满足有关要求。
4.5试验过程中不要开启门窗。
4.6太阳光不能直射在恒温桶上。
4.7恒温桶要远离暖器散热片和管道。
4.8空调的出风口不能直接对着恒温桶。
4.9空调的出风口形成的气流不能环绕着恒温桶。
4.10不论使用空调或暖气取暖的试验室不得时开时停,造成环境温度的不稳定。
5、其他
5.1仪器安装或拆卸时应先关掉电源,不得带电操作。
5.2仪器要求预热半小时后才开始试验。
5.3系统设置的内容与试验要求要相符。
5.4氧弹必须2年进行一次经20MPa水压试验的检定。
5.5装点火丝时,点火丝不能接触坩埚,以免形成短路而烧坏氧弹。
5.6若用该仪器测石油的热值,试样重量以0.6~0.7g为宜。
5.7不知热值范围的试样不要进行测试。
6、称内桶水应注意的问题
6.1 普通恒温桶的内筒水量约2000g,对不同的筒,水量可以不同,要求满足国标规定盖住氧弹盖10~20mm,用氧弹勾手提氧弹时,氧弹勾手的勾没入水中即可,在此前提下,取一个容易记的数即可。
6.2具体操作可按以下步骤进行:将一氧弹放入内筒中,灌入蒸馏水或去离子水,超过氧弹盖面10mm,而低于20mm。然后取出氧弹,将筒连水放在电子台秤上称重(不必单独称水,减少一次产生误差的机会),例如重量为2728g,则可去掉28g水,以后每次称重2700g即可,这样既保证符合国标规定又好记。
6.3对双控量热仪而言,在保证符合国标的前提下,两个内筒连水重取同一数据为宜,否则在使用过程中容易记混,因为有10mm的水深可调整,完全可以做到。
7、往氧弹内加水应注意的问题
7.1每次往氧弹内加的水应一致,不论标热容量,还是测发热量。
7.2加入氧弹内的水一般是10g(ml)。
7.3加入氧弹内的水可以从称好的内筒中取(对普通桶而言),也可以另外取。
7.4测发热量时如果氧弹内不加水(例如易飞溅煤的热值),则计算发热量时要将系统设置中的热容量减去42J/K(如果加入氧弹的水是从称好的内筒中取的则不用减)。
7.5标热容量时氧弹内一定要加水。
8、如何正确使用标煤
8.1标煤为空气干燥基,标煤的标准值为干燥基,使用时,必须同时测定水分,将测得的结果换算成干燥基比较。
8.2标煤使用后应密封保存,放置于阴凉干燥处,否则可能氧化,以致无法使用。
8.3标煤在使用前要上下翻动摇匀,使其均匀后在取样做试验否则可能因为上、下层煤样粗细不同而影响结果。
8.4对燃烧不完全的煤样可适当减少试样的重量,但总热值不要低于18000J,否则要加一定重量的苯甲酸,以保证总热值大于18000J。或者在坩埚底部垫一层经800℃灼烧的酸洗石棉绒。
8.5做挥发分高的煤样时,点火丝不要埋于煤内,可稍离开煤样一点距离,以免燃烧时将煤样溅出,或者用擦镜纸包好再做(此时记住要将擦镜纸作为添加物处理),或者盖一层酸洗石棉绒在试样表面。
8.6硫含量太高的煤样可适当减少试样重量,但总热值不要低于18000J,否则要加一定重量的苯甲酸,以保证总热值大于18000J。
9、使用添加物应注意的问题
9.1已知热值的苯甲酸、标煤、擦镜纸均可作为添加物。
9.2被测煤样与添加物要混合均匀。
9.3被测煤样与添加物各取的重量之和1g左右为宜,其总热值不要低于18000J,也不要高于30000J。
9.4测试之前应在系统设置的添加物热值一栏中将添加物的热值(J/g)输入计算机中,测试时,再将添加物的重量(g)输入计算机中。试验结束,计算机会自动从结果中减去添加物的热值。
10、2500型普通量热仪应注意的问题
10.1要求满足下列条件
10.1.1主期时间在10分钟以内。
10.1.2初期内筒温度能缓慢而均匀上升,末期能缓慢下降。
10.2要求掌握的原则
10.2.1对不同的热量计而言,热容量越大,要求内外桶水温差越小;反之,则越大。
10.2.2对同一台量热仪而言,试样热值越大的要求温差调节越大;反之,则越小。
10.3实验操作应注意的问题
10.3.1对2500型普通量热仪要求终点温度比外桶水温高1.6℃以上,且要求每次基本一致。
10.3.2如果标热容量时,温差1℃左右,则2500型型普通量热仪根据试样的不同发热量可参考下表选用不同的温差值:
        发热量(J/g)              内外桶温差(℃)
        28000左右                  1.2左右
        26000左右                  1.0左右
        24000左右                  0.8左右
        22000左右                  0.6左右
        20000左右                  0.4左右
        18000左右                  0.2左右
10.3.3发热量18000J/g以下的煤应加添加物为宜。
10.3.4内外桶温差是将氧弹放入内筒经搅拌稳定后的内筒水温与外桶水温之差。
10.3.5标热容量用哪种冷却校正公式,测法热量也只能用哪种冷却校正公式。
10.3.6标热容量与测发热量内筒的水量一致。