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煤的發熱量 量熱儀的測定方法
作者:    發布於:2019-07-05 09:02:50    文字:【】【】【

本標準規定了煤的高位發熱量的測定方法和低位發熱量的計算方法,適用於泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤和炭質頁岩的發熱量測定。

1 定義

1.1 熱量單位

熱量的單位為J〔焦()〕。1J〔焦()=1N·m(牛頓·)=107erg(爾格)。我國過去慣用的熱量單位為20℃卡,以下簡稱卡(cal)。

1cal(20℃)=4.1816J。

1.2 發熱量的表示方法

發熱量測定結果以kJ/g(千焦/)MJ/kg(兆焦/千克)表示。

1.2.1 彈筒發熱量

在氧彈中,在有過剩的氧的情況下〔氧氣初始壓力2.63.0MPa(2630atm)〕,燃燒單位質量的試樣所產生的熱量稱為彈筒發熱量。燃燒產物為二氧化碳、硫酸、硝酸、呈液態的水和固態的灰。

注:任何物質(包括煤)的燃燒熱,隨燃燒產物的最終溫度而改變,溫度越高,燃燒熱越低。因此,一個嚴密的發熱量定義,應對燒燒產物的溫度有所規定。但在實際測定發熱量時,由於具體條件的限製,把終點溫度限定在一個特定的溫度或一個很窄的範圍內都是不現實的。溫度每升高1K,煤和苯甲酸的燃燒熱約降低0.41.3J/g。當按規定在相近的溫度下標定熱容量和測定發熱量時,溫度對燃燒熱的影響可近於完全抵銷,而無需加以考慮。

1.2.2 恒容高位發熱量

煤在工業裝置的實際燃燒中,硫隻生成二氧化硫,氮則成為遊離氮,這是同氧彈中的情況不同的。由彈筒發熱量減掉稀硫酸生成熱和二氧化硫生成熱之差以及稀硝酸的生成熱,得出的就是高位發熱量。因為彈筒發熱量的測定是在恒定容積(即彈筒的容積)下進行的,由此算出的高位發熱量也相應地稱為恒容高位發熱量,它比工業上的恒壓(即大氣壓力)狀態下的發熱量約低816J/g,一般可忽略不計。

1.2.3 恒容低位發熱量

工業燃燒與氧彈中燃燒的另一個不同的條件是:在前一情況下全部水(包括燃燒生成的水和煤中原有的水)呈蒸汽狀態隨燃燒廢氣排出,在後一情況下水蒸氣凝結成液體。由恒容高位發熱量減掉水的蒸發熱,得出的就是恒容低位發熱量。

1.3 熱容量

量熱係統在試驗條件下溫度上升1K 所需的熱量稱為熱量計的熱容量,習慣上也叫做水當量,以J/K(cal/℃)表示。

2 試驗室條件

2.1 試驗室應設在一單獨房間,不得在同一房間內同時進行其他試驗項目。

2.2 室溫應盡量保持恒定,每次測定室溫變化不應超過1K,通常室溫以不超出1535℃範圍為宜。

2.3 室內應無強烈的空氣對流,因此不應有強烈的熱源和風扇等,試驗過程中應避免開啟門窗。

2.4 實驗室最好朝北,以避免陽光照射,否則熱量計應放在不受陽光直射的地方。

3 儀器設備

3.1 熱量計

通用的熱量計有兩種:恒溫式和絕熱式。它們的差別隻在於外筒及附屬的自動控溫裝置,其餘部分無明顯區別。熱量計包括以下主件和附件:

3.1.1 氧彈

由耐熱、耐腐蝕的鎳鉻或鎳鉻鉬合金鋼製成,需要具備三個主要性能:a.不受燃燒過程中出現的高溫和腐蝕性產物的影響而產生熱效應;

b.能承受充氧壓力和燃燒過程中產生的瞬時高壓;c.試驗過程中能保持完全氣密。

彈筒容積為250350mL,彈蓋上應裝有供充氧和排氣的閥門以及點火電源的接線電極。新氧彈和新換部件(杯體、彈蓋、連接環)的氧彈應經15.0MPa(150atm)的水壓試驗,證明無問題後方能使用。此外,應經常注意觀察與氧彈強度有關的結構,如杯體和連接環的螺紋、氧氣閥和電極同彈蓋的連接處等,如發現顯著磨損或鬆動,應進行修理,並經水壓試驗後再用。

另外,還應定期對氧彈進行水壓試驗,每次水壓試驗後,氧彈的使用時間不得超過一年。

3.1.2 內筒

用紫銅、黃銅或不鏽鋼製成,斷麵可為圓形、菱形或其他適當形狀。筒內裝水20003000mL,以能浸沒氧彈(進、出氣閥和電極除外)為準。

內筒外麵應電鍍拋光,以減少與外筒間的輻射作用。

3.1.3 外筒

為金屬製成的雙壁容器,並有上蓋。外壁為圓形,內壁形狀則依內筒的形狀而定,原則上要保持兩者之間有1012mm 的間距,外筒底部有絕緣支架,以便放置內筒。

a.恒溫式外筒:恒溫式熱量計配置恒溫式外筒。盛滿水的外筒的熱容量應不小於熱量計熱容量的5 倍,以便保持試驗過程中外筒溫度基本恒定。外筒外麵可加絕緣保護層,以減少室溫波動的影響。用於外筒的溫度計應有0.1K 的最小分度值。

b.絕熱式外筒:絕熱式熱量計配置絕熱式外筒,外筒中裝有電加熱器,通過自動控溫裝置,外筒中的水溫能緊密跟蹤內筒的溫度。外筒中的水還應在特製的雙層上蓋中循環。自動控製裝置的靈敏度,應能達到使點火前和終點後內筒溫度保持穩定(5min 內溫度變化不超過0.002K);在一次試驗的升溫過程中,內外筒間的熱交換量應不超過20J。

3.1.4 攪拌器

螺旋槳式,轉速400600r min 為宜,並應保持穩定。攪拌效率應能使熱容量標定中由點火到終點的時間不超過10min,同時又要避免產生過多的攪拌熱(當內、外筒溫度和室溫一致時,連續攪拌10min 所產生的熱量不應超過120J)。

3.1.5 量熱溫度計

內筒溫度測量誤差是發熱量測定誤差的主要來源。對溫度計的正確使用具有特別重要的意義。

a.玻璃水銀溫度計

常用的玻璃水銀溫度計有兩種:一是固定測溫範圍的精密溫度計,一是可變測溫範圍的貝克曼溫度計。兩者的最小分度值應為0.01K,使用時應根據計量機關檢定證書中的修正值做必要的校正。兩種溫度計應每隔0.5K 檢定一點,以得出刻度修正值(貝克曼溫度計則稱為毛細孔徑修正值)。貝克曼溫度計除這個修正值外還有一個稱為平均分度值的修正值。

b.各種類型的數字顯示精密溫度計

需經過計量機關的檢定,證明其測溫準確度至少達到0.002K(經過校正後),以保證測溫的準確性。

3.2 附屬設備

3.2.1 溫度計讀數放大鏡和照明燈

為了使溫度計讀數能估計到0.001K,需要一個大約5 倍的放大鏡。通常放大鏡裝在一個鏡筒中,筒的後部裝有照明燈,用以照明溫度計的刻度。鏡筒借適當裝置可沿垂直方向上、下移動,以便跟蹤觀察溫度計中水銀柱的位置。

3.2.2 振蕩器

電動振蕩器,用以在讀取溫度前振動溫度計,以克服水銀柱和毛細管間的附著力。如無此裝置,也可用套有橡皮管的細玻璃棒等敲擊溫度計。

3.2.3 燃燒皿

鉑製品最理想,一般可用鎳鉻鋼製品。規格可采用高17mm、上部直徑2627mm、底部直徑1920mm、厚0.5min。其他合金鋼或石英製的燃燒皿也可使用,但以能保證試樣燃燒完全而本身又不受腐蝕和產生熱效應為原則。

3.2.4 壓力表和氧氣導管

壓力表應由兩個表頭組成:一個指示氧氣瓶中的壓力,一個指示充氧時氧彈內的壓力。表頭上應裝有減壓閥和保險閥。壓力表每年應經計量機關至少檢定一次,以保證指示正確和操作安全。壓力表通過內徑12mm 的無縫銅管與氧彈連接,以便導入氧氣。壓力表和各連接部分禁止與油脂接觸或使用潤滑油。如不慎沾汙,必須依次用苯和酒精清洗,並待風幹後再用。

3.2.5 點火裝置

點火采用1224V 的電源,可由220V 交流電源經變壓器供給。線路中應串接一個調節電壓的變阻器和一個指示點火情況的指示燈或電流計。點火電壓應預先試驗確定。方法:接好點火絲,在空氣中通電試驗。在熔斷式點火的情況下,調節電壓使點火絲在12s 內達到亮紅;在棉線點火的情況下,調節電壓使點火絲在45s 內達到暗紅。電壓和時間確定後,應準確測出電壓、電流和通電時間,以便據以計算電能產生的熱量。如采用棉線點火,則在遮火罩以上的兩電極柱間連接一段直徑約0.3mm 的鎳鉻絲,絲的中部預先繞成螺旋數圈,以便發熱集中。再把棉線一端夾緊在螺旋中,另一端通過遮火罩中心的小孔(直徑12mm)搭接在試樣上。根據試樣點火的難易,調節棉線搭接的多少。

3.2.6 壓餅機

螺旋式或杠杆式壓餅機。能壓製直徑10mm 的煤餅或苯甲酸餅。模具及壓杆應用硬質鋼製成,表麵光潔,易於擦試。

3.2.7 秒表或其他能指示10s 的計時器。

3.3 天平

3.3.1 分析天平:感量0.1mg。

3.3.2 工業天平:載重量45kg,感量1g。

4 試劑和材料

4.1 試劑

4.1.1 氧氣:不含可燃成分,因此不許使用電解氧。

4.1.2 苯甲酸:經計量機關檢定並標明熱值的苯甲酸。

4.1.3 氫氧化鈉標準溶液(供測彈筒洗液中硫用):濃度為0.1mol/L(相當於0.1N)。

4.1.4 0.2%的甲基紅指示劑。

4.2 材料

4.2.1 點火絲:直徑0.1mm 左右的鉑、銅、鎳鉻絲或其他已知熱值的金屬絲,如使用棉線,則應選用粗細均勻、不塗蠟的白棉線。各種點火絲點火時放出的熱量如下:

鐵絲:6700J/g(1602cal/g);

鎳鉻絲:1400J/g(335cal/g);

銅絲:2500J/g(598cal/g);

棉線:17500J/g(4185cal/g)。

4.2.2 酸洗石棉絨:使用前在800℃下灼燒30min。

4.2.3 擦鏡紙:使用前先測出燃燒熱。方法:抽取34 張紙,用手團緊,稱準質量,放入燃燒皿中,然後按常規方法測定發熱量。取兩次結果的平均值作為標定值。

5 測定步驟

5.1 恒溫式熱量計法

5.1.1 在燃燒皿中精確稱取分析試樣(小於0.2mm)11.1g(稱準到0.0002g)。

燃燒時易於飛濺的試樣,可先用已知質量的擦鏡紙包緊,或先在壓餅機中壓餅並切成24mm 的小塊使用。不易燃燒完全的試樣,可先在燃燒皿底鋪上一個石棉墊,或用石棉絨做襯墊(先在皿底鋪上一層石棉絨,然後以手壓實)。石英燃燒皿不需任何襯墊。如加襯墊仍

燃燒不完全,可提高充氧壓力至3.03.2MPa(3032atm),或用已知質量和發熱量的擦鏡紙包裹稱好的試樣並用手壓緊,然後放入燃燒皿中。

5.1.2 取一段已知質量的點火絲,把兩端分別接在兩個電極柱上,注意與試樣保持良好接觸或保持微小的距離(對易飛濺和易燃的煤),並注意勿使點火絲接觸燃燒皿,以免形成短路而導致點火失敗,甚至燒毀燃燒皿。同時還應注意防止兩電極間以及燃燒皿與另一電極之間的短路。

往氧彈中加入10mL 蒸餾水。小心擰緊氧彈蓋,注意避免燃燒皿和點火絲的位置因受震動而改變。接上氧氣導管,往氧彈中緩緩充入氧氣,直到壓力達到2.62.8MPa(2628atm)。充氧時間不得少於30s。當鋼瓶中氧氣壓力降到5.0MPa(50atm)以下時,充氧時間應酌量延長。

5.1.3 往內筒中加入足夠的蒸餾水,使氧彈蓋的頂麵(不包括突出的氧氣閥和電極)淹沒在水麵下1020mm。每次試驗時用水量應與標定熱容量時一致(相差1g 以內)。水量最好用稱重法測定。如用容量法,則需對溫度變化進行補正。注意恰當調節內筒水溫,使終點時內筒比外筒溫度高1K 左右,以使終點時內筒溫度出現明顯下降。外筒溫度應盡量接近室溫,相差不得超過1.5K。

5.1.4 把氧彈放入裝好水的內筒中。如氧彈中無氣泡漏出,則表明氣密性良好,即可把內筒放在外筒的絕緣架上;如有氣泡出現,則表明漏氣,應找出原因,加以糾正,重新充氧。然後接上點火電極插頭,裝上攪拌器和量熱溫度計,並蓋上外筒和蓋子。溫度計的水銀球應對準氧彈主體(進、出氣閥和電極除外)的中部,溫度計和攪拌器均不得接觸氧彈和內筒。靠近量熱溫度計的露出水銀柱的部位,應另懸一支普通溫度計,用以測定露出柱的溫度。

5.1.5 開動攪拌器,5min 後開始計時和讀取內筒溫度(t0)並立即通電點火。隨後記下外筒溫度(tj)和露出柱溫度(te)。外筒溫度至少讀到0.05K,內筒溫度借助放大鏡讀到0.001K。讀取溫度時,視線、放大鏡中線和水銀柱頂端應位於同一水平上,以避免視差對讀數的影響。每次讀數前,應開動振蕩器振動35s。

5.1.6 觀察內筒溫度(注意:點火後20s 內不要把身體的任何部位伸到熱量計上方)。如在30s內溫度急劇上升,則表明點火成功。點火後1min40s 時讀取一次內筒溫度(t1′40″),讀到0.01K即可。

5.1.7 接近終點時,開始按1min 間隔讀取內筒溫度。讀溫前開動振蕩器,要讀到0.001K。

以第一個下降溫度作為終點溫度(tn)。試驗主要階段至此結束。

注:一般熱量計由點火到終點的時間為810min。對一台具體熱量計,可根據經驗,恰當掌握。

5.1.8 停止攪拌,取出內筒和氧彈,開啟放氣閥,放出燃燒廢氣,打開氧彈,仔細觀察彈筒和燃燒皿內部,如果有試樣燃燒不完全的跡象或有炭黑存在,試驗應作廢。找出未燒完的點火絲,並量出長度,以便計算實際消耗量。用蒸餾水充分衝洗彈內各部分、放氣閥、燃燒皿內外和燃燒殘渣。把全部洗液(共約100mL)收集在一個燒杯中供測硫使用(見本標準6.2.2 )。

5.2 絕熱式熱量計法

5.2.1 按使用說明書安裝和調節熱量計。

5.2.2 按本標準5.1.1 款步驟準備試樣。

5.2.3 按本標準5.1.2 款步驟準備氧彈。

5.2.4 按本標準5.1.3 款步驟稱出內筒中所需的水。調節水溫使其盡量接近室溫,相差不要超過5K,以稍低於室溫為最理想。內筒溫度過低,易引起水蒸氣凝結在內筒外壁;溫度過高,易造成內筒水的過多蒸發。這都對測定的結果不利。

5.2.5 按本標準5.1.4 款步驟安放內筒和氧彈以及裝置攪拌器和溫度計。

5.2.6 開動攪拌器和外筒循環水泵,開通外筒冷卻水和加熱器。當內筒溫度趨於穩定後,調節冷卻水流速,使外筒加熱器每分鍾自動接通35 (由電流計或指示燈觀察)。如自動控溫線路采用可控矽代替繼電器,則冷卻水的調節應以加熱器中有微弱電流為準。過大的電流隻能徒然消耗電能。調好冷卻水後,開始讀取內筒溫度,借助放大鏡讀到0.001K,每次讀數前,開動振蕩器35s。當5min 內溫度變化不超過0.002K 時,即可通電點火,此時的溫度即為點火溫度t0。否則,調節電橋平衡鈕,直到內筒溫度達到穩定,再行點火。點火後67min,再以1min 間隔讀取內筒溫度,直到連續三次讀數相差不超過0.001K為止。取最高的一次讀數作為終點溫度tn。

注:用鉑電阻為內、外筒測溫元件的自動控製係統中,在內筒初始溫度下調定電橋的平衡位置後,到達終點溫度(一般比初始溫度高23K)後,內筒溫度也能自動保持穩定。但在用半導體熱敏元件的儀器中,可能出現在初始溫度下調定的平衡位置,不能保持終點溫度的穩定。凡遇此種情況時,平衡鈕的調定位置應服從終點溫度的需要。具體做法是:先按常規步驟安放氧彈和內筒,但不必裝試樣和充氧。把內筒水溫調節到可能出現的最高終點溫度。然後開動儀器,攪拌510min。精確觀察內筒溫度。根據溫度變化方向(上升或下降)調節平衡鈕位置,以達到內筒溫度最穩定為止,至少應能達到每5min 內變化不超過0.002K。平衡鈕的位置一經調定後,就不要再動,隻有在又出現終點溫度不穩定的情況下,才需重新調定。按照上述方式調定的儀器,在使用步驟上應做如下修正:裝好內筒和氧彈後,開動攪拌器、加熱器、循環水泵和冷卻水,攪拌5min (此時內筒溫度可能緩慢持續上升),準確讀取內筒溫度並立即通電點火,而無需等內筒溫度穩定。

5.2.7 關閉攪拌器和加熱器(循環水泵繼續開動),然後按本標準5.1.8 款步驟結束試驗。

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