量熱儀基礎知識

1、煤質(zhì)化驗設備基礎知識---,量熱儀,主要內(nèi)容,1、量熱儀概況2、量熱儀的用途3、量熱儀原理,目前國內(nèi)使用的量熱儀除國產(chǎn)的外，還有美國LECO公司、PARR公司和德國IKA公司等多家外國公司生產(chǎn)的 。從結(jié)構(gòu)不同可分為恒溫式、絕熱式和雙干式（此種原則上應屬于恒溫式）,量熱儀概況,目前國內(nèi)市場根據(jù)外桶結(jié)構(gòu)的不同又分為靜態(tài)式（其容量較大，可裝20kg左右水，但沒有加熱、制冷裝置）和自動控溫式（有加熱、制冷裝置可自動控溫）目前大量使用的單

2、頭氧彈，內(nèi)腔容積約300ml左右，也有少數(shù)廠家生產(chǎn)內(nèi)腔容積180mL、200ml、250ml和350ml的。,,外桶形狀大都采用圓形。內(nèi)筒水定量的方式，早期量熱儀是采取稱量的方式。國外從上世紀七十年代，國內(nèi)從九十年代中期開始采用自動定量的方式。自動定量的方式也有多種方式，有利用連通器原理的自動平衡式，有探針式，有虹吸式，還有量杯式等。讀溫的方式有早期的貝克曼溫度計，也有現(xiàn)在普遍采用的鉑金探頭，也有少數(shù)采用晶振方式的。,量熱儀的用途,

3、量熱儀主要用來測定各種固態(tài)、液態(tài)可燃物質(zhì)的熱值。如：測定煤、石油、食品、飼料、炸藥、水泥生料等的熱值。量熱儀也可配合其它裝置用來測煤中的硫（稱彈筒硫）、煤中的氯、煤中的灰分等。 量熱儀目前尚不能用來測定氣態(tài)可燃物質(zhì)（如：液化氣、煤氣、天然氣等）的熱值。,,量熱儀是用來測定燃料發(fā)熱量的專用儀器，是國家規(guī)定的強制性計量檢定儀器。其中燃料煤的發(fā)熱量不但是火電廠進煤的計價依據(jù)，也是火電廠計算標準煤耗的主要參數(shù)，因而煤的發(fā)熱量的測定，是煤質(zhì)檢

4、驗的重點項目之一。我礦化驗室配置的量熱儀為長沙開元公司生產(chǎn)的5E-AC3自動量熱儀、5E-KC4快速量熱儀。,我礦化驗室使用的量熱儀,量熱儀的原理,1　熱量 物質(zhì)運動產(chǎn)生能量。隨著物質(zhì)運動方式的不同，所產(chǎn)生的能量也有多種形式，如電能、光能、機械能、核能等。能量的傳遞過程稱為做功。如不通過做功而傳遞的能量，則稱為熱量。故能量、功、熱量三者之間有著密切的關系。它們的概念雖則不同，但可用一個統(tǒng)一的單位來表示，這就是焦耳，簡稱焦（J）。,

5、,歷史上曾經(jīng)用卡（cal）作為熱量單位。1卡是指1g純水在標準大氣壓下升高1℃時所需要的熱量。由于水的比熱是隨著溫度變化而變化的，1g純水在標準大氣壓下在不同的溫度條件下升高1℃所需的熱量并不相同。,,單位質(zhì)量的物質(zhì)完全燃燒時所放出的熱量，稱為該物質(zhì)的發(fā)熱量（或稱熱值），以焦/克（J/g）或兆焦/千克（MJ/kg）表示。1MJ/kg=1000J/g。 因為卡（cal）作為熱量的單位已經(jīng)廢除，所以過去常用的發(fā)熱量單位卡/克（cal/g）

6、或千卡/千克(kcal/kg)也同時被廢除。,,為了照顧一部分從事煤質(zhì)化驗時間較久習慣，我們在相關軟件中將結(jié)果中的焦/克乘以20℃卡的換算系數(shù)4.1816轉(zhuǎn)換成卡/克，而用括號括起來，這種數(shù)據(jù)只能作參考，不能作正式報告的依據(jù)，因為不能保證是在20℃時得出的數(shù)據(jù)，所以會有誤差。,3　溫度單位 開爾文（K）是熱力學溫標的溫度單位，是統(tǒng)一的法定計量單位。 它的定義是以水的三相點為基點，該點溫度為273.16K，即熱力學溫度的1開爾文等于

7、水的三相點熱力學溫度的1/273.16。攝氏溫度（℃）不是法定計量單位，不過目前還允許使用。,,4　量熱體系量熱體系是指熱容量標定和發(fā)熱量測試過程中，試樣放出的熱量所能達到的各個部件。它們包括內(nèi)筒中的水、內(nèi)筒、氧彈及攪拌器、溫度計（感溫探頭）浸沒水中的部分等。,5 熱容量量熱體系溫度升高1℃時所吸收的熱量，稱為量熱儀的熱容量，用E表示，單位為J/℃或J/K。對一臺量熱儀而言，當內(nèi)筒水量、內(nèi)筒、氧彈及攪拌器、溫度計（感溫探頭）浸沒深

8、度以及環(huán)境溫度等實驗條件確定時，熱容量E是一個確定值。當上述條件中的任一個改變后都會引起熱容量的改變。例如改變了內(nèi)筒的水量，改變了環(huán)境溫度等都會引起熱容量的變化。,,熱容量和比熱是兩個不同的概念，熱容量是指量熱體系溫度升高1℃所吸收的熱量，而比熱是指1g物質(zhì)溫度升高1℃所吸收的熱量。,6 量熱儀的原理 量熱儀的測試原理是用一種已知熱值的物質(zhì)（通常用標準物質(zhì)苯甲酸），測量整個量熱體系溫度升高1℃所需的熱量，即測得量熱儀的熱容量。,舉個

9、例子,如：已知苯甲酸的熱值為26500J/g，燃燒1g的苯甲酸可使量熱體系升高2.65℃，則該量熱儀的熱容量為（26500J/g×1g）/2.65℃=10000J/℃,,當要測某種可燃物質(zhì)的熱值時，只需將一定量的該物質(zhì)置于量熱體系中燃燒，測出量熱體系的溫升值，即可算出該物質(zhì)的熱值。 如：1g未知熱值的煤在量熱體系中燃燒后使量熱體系升高了2℃，則該煤樣的熱值為 （10000J/℃×2℃）/1g=2000

10、0J/g; 若升高2.5℃，則該煤樣的熱值為 （10000J/℃×2.5℃）/1g=25000J/g。,在標定熱容量時，量熱體系除了從苯甲酸燃燒獲得熱量外還可從幫助點燃苯甲酸的點火絲獲得熱量，記作q1。由于氧彈中有氮氣，在高溫、高壓條件下，生成硝酸，這部分熱量稱為硝酸生成熱，記作qn。實驗過程中，內(nèi)、外桶之間有溫差，會產(chǎn)生熱的交換，需要進行校正，稱為冷卻校正，記作C，所以完整的熱容量計算公式應為：,,其中：

11、E——熱容量 J/K或J/℃ Q——苯甲酸熱值 J/g m——苯甲酸質(zhì)量 g to——點火時內(nèi)筒水溫 ℃ tn——終點時內(nèi)筒水溫 ℃ q1——點火絲熱量 J q

12、n——硝酸生成熱 J C——冷卻校正值 ℃ △——主期溫升 ℃,7 熱容量的標定 為了標定一臺量熱儀的熱容量，先要選擇一種已知熱值的物質(zhì)，現(xiàn)在常用的是一種由權威機構(gòu)已經(jīng)定值的叫做苯甲酸的標準物質(zhì)，其分子式為C6H5COOH。它是目前國際公認的唯一的標定熱容量的標準物質(zhì)。,,它具有以下優(yōu)點： a、易于純化。 b

13、、吸濕性低。 c、常溫下?lián)]發(fā)性低。 d、壓實的苯甲酸易完全燃燒，其發(fā)熱量接近煤的發(fā)熱量，約26425～26525J/左右（每批略有不同）。 缺點是粉狀的苯甲酸燃燒性能較差，不易燃燒完全，所以必須壓成餅再用。壓餅前應在40～55℃的干燥器中烘干（3～4）h或者在裝有濃硫酸的干燥器中放置48h以上。,標定熱容量時，是將一定量（一般為1g左右）已知熱值的二級苯甲酸置于密封的氧彈中，在充足的氧氣條件下，令試樣完全燃燒，

14、燃燒所放出的熱量被內(nèi)筒水所吸收，測出內(nèi)筒水的溫升，計算出點火絲熱量.硝酸生成熱.冷卻校正值，就可得出量熱體系溫度升高1℃所需的熱量，此即這臺量熱儀的熱容量。,,熱容量標定值的有限期為三個月，超過此期限時應重新標定。但有下列情況時應立即重標： 1、更換溫度計； 2、更換量熱儀的大部件，如氧彈頭.連接環(huán)（密封圈.電極柱.螺母等小部件不在此列）； 3、標定熱容量和測發(fā)熱量時的內(nèi)桶水溫相差超過5K； 4、

15、量熱儀經(jīng)過較大的搬動。如果量熱儀的量熱系統(tǒng)沒有顯著改變，重新標定的熱容量與前一次的熱容量相差不應大于0.25%，否則，應找出原因，解決后再重新標定。,8 發(fā)熱量的測定 一臺標定了熱容量的量熱儀就可用來測定固態(tài)、液態(tài)可燃燒物質(zhì)的熱值。操作步驟與標定熱容量時類似，也要稱樣、裝樣、充氧、測水溫等。不同的是點火絲熱量不是試樣燃燒產(chǎn)生的熱量，所以要減去（如果放了添加物還要減去添加物的熱量，記作q2）其計算公式為：,,其中：Q6——彈筒發(fā)熱量

16、 J/g或MJ/kg E——熱容量 J/k或J/℃ m——試樣質(zhì)量 g △——主期溫升 ℃ q1——點火絲熱量 J q2——添加物熱量 J C——冷卻校正值 ℃,9 彈筒發(fā)熱量（空干基）單位質(zhì)量的試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的：CO2、O2

17、（過剩）、N2、H2SO4、HNO3、H2O（液態(tài)）和固態(tài)的灰時放出的熱量稱為彈筒發(fā)熱量。其符號為Qb.ad。,,10 恒容高位發(fā)熱量（空干基）單位質(zhì)量的試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的：CO2、O2（過剩）、N2、SO2、H2O（液態(tài)）和固態(tài)的灰時放出的熱量稱為恒容高位發(fā)熱量，其符號為Qgr，ad。實際上由彈筒發(fā)熱量減掉稀硫酸生成熱和二氧化硫生成熱之差（二氧化硫生成熱是恒容高位發(fā)熱量的一部分，所以不應減去），再

18、減掉稀硝酸的生成熱，得出的就是恒容高位發(fā)熱量。11 恒容低位發(fā)熱量（收到基）單位質(zhì)量的試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的：CO2、O2（過剩）、N2、SO2、H2O（氣態(tài)）和固態(tài)的灰時放出的熱量稱為恒容低位發(fā)熱量，其符號為Qnet,ar。實際上由恒容高位發(fā)熱量減掉水的汽化潛熱，得出的就是恒容低位發(fā)熱量。,燃燒條件與燃燒產(chǎn)物種類及其相態(tài)關系,g—氣態(tài) I—液態(tài),空干基恒壓高位發(fā)熱量計算公式,Qg

19、r,v,ad= Qb－(94.1Sb,ad＋αQb,v,ad) 式中： Qgr,ad——空干基高位熱值 MJ/kg St——全硫 % α——硝酸校正系數(shù) 當Qb≤16.7MJ/kg時，α＝0.001 當16.7MJ/K＜Qb≤25.1MJ/kg時，α＝0.0012 當Qb＞25.1MJ/kg時，α=0.0016,收到基恒容低

20、位發(fā)熱量計算公式,Qnet,v,ar=(Qgr,v,ad-206Had) ×式中： Qnet,ar——收到基低拉熱值 MJ/kg Had——空干基氫 % Mar——收到基水分 % Mad——空干基水分