量熱儀基礎(chǔ)知識(shí)

1、煤質(zhì)化驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)---,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(guó)內(nèi)使用的量熱儀除國(guó)產(chǎn)的外，還有美國(guó)LECO公司、PARR公司和德國(guó)IKA公司等多家外國(guó)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(yīng)屬于恒溫式）,量熱儀概況,目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(méi)有加熱、制冷裝置）和自動(dòng)控溫式（有加熱、制冷裝置可自動(dòng)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(chēng)量的方式。國(guó)外從上世紀(jì)七十年代，國(guó)內(nèi)從九十年代中期開(kāi)始采用自動(dòng)定量的方式。自動(dòng)定量的方式也有多種方式，有利用連通器原理的自動(dòng)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(jì)，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(lái)測(cè)定各種固態(tài)、液態(tài)可燃物質(zhì)的熱值。如：測(cè)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(lái)測(cè)煤中的硫（稱(chēng)彈筒硫）、煤中的氯、煤中的灰分等。 量熱儀目前尚不能用來(lái)測(cè)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(lái)測(cè)定燃料發(fā)熱量的專(zhuān)用儀器，是國(guó)家規(guī)定的強(qiáng)制性計(jì)量檢定儀器。其中燃料煤的發(fā)熱量不但是火電廠進(jìn)煤的計(jì)價(jià)依據(jù)，也是火電廠計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤耗的主要參數(shù)，因而煤的發(fā)熱量的測(cè)定，是煤質(zhì)檢

4、驗(yàn)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。我礦化驗(yàn)室配置的量熱儀為長(zhǎng)沙開(kāi)元公司生產(chǎn)的5E-AC3自動(dòng)量熱儀、5E-KC4快速量熱儀。,我礦化驗(yàn)室使用的量熱儀,量熱儀的原理,1　熱量 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量。隨著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式的不同，所產(chǎn)生的能量也有多種形式，如電能、光能、機(jī)械能、核能等。能量的傳遞過(guò)程稱(chēng)為做功。如不通過(guò)做功而傳遞的能量，則稱(chēng)為熱量。故能量、功、熱量三者之間有著密切的關(guān)系。它們的概念雖則不同，但可用一個(gè)統(tǒng)一的單位來(lái)表示，這就是焦耳，簡(jiǎn)稱(chēng)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下升高1℃時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)所放出的熱量，稱(chēng)為該物質(zhì)的發(fā)熱量（或稱(chēng)熱值），以焦/克（J/g）或兆焦/千克（MJ/kg）表示。1MJ/kg=1000J/g。 因?yàn)榭ǎ╟al）作為熱量的單位已經(jīng)廢除，所以過(guò)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(shí)被廢除。,,為了照顧一部分從事煤質(zhì)化驗(yàn)時(shí)間較久習(xí)慣，我們?cè)谙嚓P(guān)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(hào)括起來(lái)，這種數(shù)據(jù)只能作參考，不能作正式報(bào)告的依據(jù)，因?yàn)椴荒鼙ＷC是在20℃時(shí)得出的數(shù)據(jù)，所以會(huì)有誤差。,3　溫度單位 開(kāi)爾文（K）是熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度單位，是統(tǒng)一的法定計(jì)量單位。 它的定義是以水的三相點(diǎn)為基點(diǎn)，該點(diǎn)溫度為273.16K，即熱力學(xué)溫度的1開(kāi)爾文等于

7、水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。攝氏溫度（℃）不是法定計(jì)量單位，不過(guò)目前還允許使用。,,4　量熱體系量熱體系是指熱容量標(biāo)定和發(fā)熱量測(cè)試過(guò)程中，試樣放出的熱量所能達(dá)到的各個(gè)部件。它們包括內(nèi)筒中的水、內(nèi)筒、氧彈及攪拌器、溫度計(jì)（感溫探頭）浸沒(méi)水中的部分等。,5 熱容量量熱體系溫度升高1℃時(shí)所吸收的熱量，稱(chēng)為量熱儀的熱容量，用E表示，單位為J/℃或J/K。對(duì)一臺(tái)量熱儀而言，當(dāng)內(nèi)筒水量、內(nèi)筒、氧彈及攪拌器、溫度計(jì)（感溫探頭）浸沒(méi)深

8、度以及環(huán)境溫度等實(shí)驗(yàn)條件確定時(shí)，熱容量E是一個(gè)確定值。當(dāng)上述條件中的任一個(gè)改變后都會(huì)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(huì)引起熱容量的變化。,,熱容量和比熱是兩個(gè)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(cè)試原理是用一種已知熱值的物質(zhì)（通常用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸），測(cè)量整個(gè)量熱體系溫度升高1℃所需的熱量，即測(cè)得量熱儀的熱容量。,舉個(gè)

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(dāng)要測(cè)某種可燃物質(zhì)的熱值時(shí)，只需將一定量的該物質(zhì)置于量熱體系中燃燒，測(cè)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(biāo)定熱容量時(shí)，量熱體系除了從苯甲酸燃燒獲得熱量外還可從幫助點(diǎn)燃苯甲酸的點(diǎn)火絲獲得熱量，記作q1。由于氧彈中有氮?dú)?，在高溫、高壓條件下，生成硝酸，這部分熱量稱(chēng)為硝酸生成熱，記作qn。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，內(nèi)、外桶之間有溫差，會(huì)產(chǎn)生熱的交換，需要進(jìn)行校正，稱(chēng)為冷卻校正，記作C，所以完整的熱容量計(jì)算公式應(yīng)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(diǎn)火時(shí)內(nèi)筒水溫 ℃ tn——終點(diǎn)時(shí)內(nèi)筒水溫 ℃ q1——點(diǎn)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(biāo)定 為了標(biāo)定一臺(tái)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(quán)威機(jī)構(gòu)已經(jīng)定值的叫做苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其分子式為C6H5COOH。它是目前國(guó)際公認(rèn)的唯一的標(biāo)定熱容量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。,,它具有以下優(yōu)點(diǎn)： a、易于純化。 b

13、、吸濕性低。 c、常溫下?lián)]發(fā)性低。 d、壓實(shí)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(diǎn)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(yīng)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(biāo)定熱容量時(shí)，是將一定量（一般為1g左右）已知熱值的二級(jí)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(cè)出內(nèi)筒水的溫升，計(jì)算出點(diǎn)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(tái)量熱儀的熱容量。,,熱容量標(biāo)定值的有限期為三個(gè)月，超過(guò)此期限時(shí)應(yīng)重新標(biāo)定。但有下列情況時(shí)應(yīng)立即重標(biāo)： 1、更換溫度計(jì)； 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(biāo)定熱容量和測(cè)發(fā)熱量時(shí)的內(nèi)桶水溫相差超過(guò)5K； 4、

15、量熱儀經(jīng)過(guò)較大的搬動(dòng)。如果量熱儀的量熱系統(tǒng)沒(méi)有顯著改變，重新標(biāo)定的熱容量與前一次的熱容量相差不應(yīng)大于0.25%，否則，應(yīng)找出原因，解決后再重新標(biāo)定。,8 發(fā)熱量的測(cè)定 一臺(tái)標(biāo)定了熱容量的量熱儀就可用來(lái)測(cè)定固態(tài)、液態(tài)可燃燒物質(zhì)的熱值。操作步驟與標(biāo)定熱容量時(shí)類(lèi)似，也要稱(chēng)樣、裝樣、充氧、測(cè)水溫等。不同的是點(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(guò)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(guò)剩）、N2、H2SO4、HNO3、H2O（液態(tài)）和固態(tài)的灰時(shí)放出的熱量稱(chēng)為彈筒發(fā)熱量。其符號(hào)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(guò)量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的：CO2、O2（過(guò)剩）、N2、SO2、H2O（液態(tài)）和固態(tài)的灰時(shí)放出的熱量稱(chēng)為恒容高位發(fā)熱量，其符號(hào)為Qgr，ad。實(shí)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(yīng)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(guò)量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的：CO2、O2（過(guò)剩）、N2、SO2、H2O（氣態(tài)）和固態(tài)的灰時(shí)放出的熱量稱(chēng)為恒容低位發(fā)熱量，其符號(hào)為Qnet,ar。實(shí)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(lèi)及其相態(tài)關(guān)系,g—?dú)鈶B(tài) I—液態(tài),空干基恒壓高位發(fā)熱量計(jì)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(dāng)Qb≤16.7MJ/kg時(shí)，α＝0.001 當(dāng)16.7MJ/K＜Qb≤25.1MJ/kg時(shí)，α＝0.0012 當(dāng)Qb＞25.1MJ/kg時(shí)，α=0.0016,收到基恒容低

20、位發(fā)熱量計(jì)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