燃烧热测定（通用9篇）
燃烧热测定 篇1
0 引言
我国是农业大国, 也是秸秆资源最丰富的国家之一。 (1) 秸秆中含有大量的有机物, 主要是由半纤维素、纤维素和木质素三种组分构成的。 (2) 我国各类农作物秸秆年产量约为7.0亿吨, 但目前利用率相当低, 仅为30%, 在有限的秸秆资源利用中主要包括四方面:一是作为农业饲料;二是作为还田肥料;三是作为生产燃料乙醇的原料;四是秸秆压块成型及炭化技术。后两种方式是秸秆资源化、能源化利用的发展趋势, 有利于改善国家的能源结构, 已受到世界各国政府的广泛重视。
燃烧热是秸秆能源化、资源化利用的重要参考与指导数据, 根据秸秆的热值不同, 可以对秸秆进行分类有效利用, 从而取得最大化的经济、社会和环保效益。 (3) 目前, 量热计法是国际通用的燃烧热测定方法, 该实验方法原理简单, 检测快速, 结果准确, 操作易行, 仪器设备简单, 成本也较低。 (4) 本文通过调整秸秆颗粒大小、压片方法、点火电压、助燃气体压力等, 在对传统氧弹式量热法改进的基础上, 测量了苏北地区五种常见秸秆的燃烧热, 从而大大拓展了氧弹式量热法的应用范围, 将该实验由单纯的验证性实验转变为有实际应用价值的研究性实验, 提高了学生理论联系实际的能力。
1 实验材料与方法
1.1 主要仪器与材料
仪器:SHR-15氧弹式量热计1套 (包括压片机、充氧机、氧弹、量热计等, 南京桑力电子设备厂) ;SWC-IIc贝克曼温度计 (南京桑力电子设备厂) ;BSA224S-CW分析天平 (Sartorius公司) ;氧气钢瓶及减压表;DT890D万用电表 (贵州鑫博雅仪器仪表有限公司) ;6202高速粉碎机 (台湾欣镇企业有限公司) 。
材料:氧气 (纯度>99.2%) ;燃烧丝 (0.15 mm纯铁丝, Q’v=6694 J/g) ;苯甲酸 (分析纯, QV=26432 J/g, 天津福晨化学试剂厂) ;秸秆 (玉米芯、玉米杆、小麦杆、稻草、紫芹泽兰) 。
1.2 量热计的检定
依照国家计量检定规程及检定方法, (5) 对本实验中使用的量热计检定, 3次测定结果显示其极差不大于40 J/℃, 表明本实验使用的量热计符合国家要求。
1.3 改进的实验方法
(1) 苯甲酸纯化与干燥:将分析纯苯甲酸重结晶提纯1次, 然后于105℃烘箱中烘3 h, 于干燥器中冷至室温, 备用。
(2) 秸秆的预处理:将玉米芯、玉米杆、小麦杆、稻草、紫芹泽兰粉碎, 如图1所示。然后经粉末筛过滤大颗粒, 放于干燥器中备用。粉末状秸秆有利于提高压片紧密度与点火的成功率。
(3) 仪器预热:将量热器及其全部附件清洗干净晾干, 向量热计内筒中添加水至合适位置, 再将量热计及贝克曼温度计通电预热。
(4) 压片:先将燃烧丝中部在细棒上绕5圈制成直径为3毫米的螺旋弹簧状, 称量燃烧丝质量并记录, 然后将螺旋部分埋在样品粉末中压片, 这种压片方式不仅使燃烧丝埋没深度大, 而且与样品接触面积也大, 可以解决秸秆压片不易点燃的问题, 大大提高实验的成功率。此外, 这种压片方式不需要棉线, 避免了棉线燃烧所带来的误差。 (6)
(5) 氧弹充氧:将压片放入氧弹的金属坩埚中, 固定燃烧丝 (注意不能接触坩埚而造成短路) , 用万用电表检查燃烧丝是否连接正常;将氧弹旋紧, 为提高点火的成功率并减小点火过程中N2与O2反应放热引起的误差, 预先充约0.5 MPa的氧气, 然后用放气阀放气, 借以赶出氧弹中的N2, 连续重复2~3次; (7) 为保证试样的充分燃烧, 同时使秸秆更易于点燃, 经过多次实验, 发现充氧至2.5 MPa比较合适。
(6) 调节内桶温度与点火电压:将完成充氧的氧弹连接电源线并放入量热计, 量取3000 ml水倒入内桶中, 调节水温低于外桶1.0℃。为保证点火成功, 调节点火输入电压为220V, 避免电流过大使燃烧丝瞬间熔断而断路, 或电流过小而无法点燃试样以及由此引发的电加热效应。 (8)
(7) 燃烧热测定:打开电源总开关和搅拌开关, 每隔30s读取体系温度一次, 直到连续五次温度变化小于±0.002℃;按下点火按钮, 每15s记录体系温度一次。待温度变化不太大时再每隔30s记录一次, 直至两次的温差变化小于±0.002℃。
(8) 停止实验:点火后待温度变化不太大时再每隔30s记录一次, 直至两次的温差变化小于±0.002℃时停止实验;关闭电源, 将氧弹取出, 放气, 打开氧弹并称量未燃尽的燃烧丝的质量;清洗氧弹以备下次实验。
2 结果与讨论
2.1 实验原理分析
量热计主要有环境恒温式量热计和绝热式量热计两种, 本实验所用的实验仪器就是绝热式量热计。实验测定基于能量守恒原则的基础上, 在氧弹式热量计中测定, 即样品在氧弹筒中燃烧所释放出的热量加上引燃样品的燃丝放出的热量之和等于热量计中水和热量计共同吸收的热量 (假设传热损失可以忽略不计) 。 (9) 为了培养学生严谨的科学态度和严格的科研作风, 在将氧弹中的氮气充分排出的前提下考虑燃烧丝等放热的部分数据, 物质燃烧热的计算公式是:
其中C为水当量 (即体系升温一度所需吸收的热量) , T为燃烧前后系统的有效温差 (通过雷诺图校正得出) , W为测试试样的质量, Qv是样品的燃烧热, m为燃烧丝的质量, Q’v为燃烧丝的燃烧热。实验中以苯甲酸为标准物质, 求取量热计的水当量C, 且多次试验均在同一时间, 同一状态下进行, 然后根据计算公式求得待测秸秆样品的燃烧热数据, 再换算成煤当量。
2.2 实验数据的处理与结果
实验过程中首先需要及时、准确地记录实验数据。在量热计中进行的燃烧过程是在绝热条件下进行的, 但是由于存在空气对流、热量辐射和搅拌器搅拌等因素的影响, 整个实验过程不可能真正地绝热, 这将影响系统温度的变化。尤其是点火成功后变化非常快, 因此实验中采取每15s记录体系温度一次的方式, 提高温度数据的完整性。数据记录的及时、准确和完整, 将减小利用雷诺温度图校正T的误差, 提高实验结果的准确性。
绘制雷诺温度校正图的方法不当也会带来非常大的实验误差, 因此数据处理过程中舍弃了用坐标纸手工绘图的方式, 改用计算机进行处理, 利用计算机软件拟合初期和末期的数据得到线性方程, 对燃烧过程中的数据采用二次曲线拟合的方式, 将相对误差可控制在2%以内。 (10)
在利用苯甲酸校正仪系的基础上, 通过计算机绘制雷诺温度校正图, 得出了苏北地区五种常见秸秆 (玉米芯、玉米杆、小麦杆、稻草、紫芹泽兰) 的燃烧热数据, 并折合成标准煤当量 (1kg标准煤的热值为7000 kcal) , 列于表1中。
摘要：燃烧热是评价农业秸秆作为能源的重要指标。本文将氧弹式量热法应用于农业秸秆燃烧热的测定, 对比分析了五种常见秸秆的燃烧热, 不仅为秸秆的资源化利用提供了重要的参考数据, 也将单纯的验证性实验转变为有实际应用价值的研究性实验。
关键词：燃烧热,氧弹式量热法,农业秸秆,可再生资源
注释
1李鲁予.高速秸秆资源化收获机的研究与应用[J].十三省区市机械工程学会学术年会论文集, 2008:5-10.
2李华, 孔新刚, 吴国莲.秸秆粗饲料中粗纤维结构层次的研究[J].中国农学通报, 2007.6:295-298.
3樊恕.提高秸秆综合利用率减少环境污染[J].第十届中国科协年会论文集 (二) , 2008:6-9.
4王运华, 孙传庆, 梁鸿.苯甲酸助燃氧弹量热法测定高燃点物质的燃烧热[J].石河子大学学报, 2002.6 (2) :167-169.
5国家技术监督局.中华人民共和国国家计量检定规程JJG672-90等温型氧弹量热计[M].北京:中国计量出版社, 1990.
6王心满.几种燃烧热实验压片方法比较与改进[J].辽宁教育学院学报, 1996.5:80.
7蓝庭钊, 曾平.物理化学燃烧热试验探讨[J].内江师范学院学报, 2002.17 (2) :70-72.
8陈屏昭.燃烧热实验成败条件浅探[J].昭通师专学报, 1996.18 (3) :62-64.
9李咏梅, 李人宇, 夏海涛, 钱保华.燃烧热测定实验的绿色化研究[J].甘肃科技, 2008.24 (17) :52-54.
10易均辉, 龚福.燃烧热的测定的改进及用Origin软件处理实验数据[J].化工技术与开发, 2012.41:8-11.
燃烧热测定 篇2
【实验目的】
① 明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的区别。
② 掌握量热技术的基本原理，学会测定奈的燃烧热。
③ 了解氧弹卡计主要部件的作用，掌握氧弹量热计的实验技术。
④ 学会雷诺图解法校正温度改变值。
【实验原理】
燃烧热是指 1 摩尔物质完全燃烧时所放出的热量。在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热（O v）, 恒容燃烧热这个过程的内能变化（△ U）
。在恒压条件下测得的燃烧热称为恒压燃烧热（Q p）,恒压燃烧热 等于这个过程的热焓变化（△ H）。若把参加反应的气体和反应生成的气体作为理想气体处理，则有下列关 系式：
-c H m = Q p = Q + A n RT（1）
本实验采用氧弹式量热计测量蔗糖的燃烧热。测量的基本原理是将一定量待测物质样品在氧弹 中完全燃烧，燃烧时放出的热量使卡计本身及氧弹周围介质（本实验用水）的温度升高。
氧弹是一个特制的不锈钢容器（如图）为了保证化妆品在若完全燃烧，氧弹中应充以高压氧气（或者 其他氧化剂），还必须使燃烧后放出的热量尽可能全部传递给量热计本身和其中盛放的水，而几乎不与周 围环境发生热交换。
但是，热量的散失仍然无法完全避免，这可以是同于环境向量热计辐射进热量而使其温度升高，也可以是由于量热计向环境辐射出热量而使量热计的温度降低。因此燃烧前后温度的变化值不能直接准确 测量，而必须经过作图法进行校正。
放出热（样品 + 点火丝）
=吸收热（水、氧弹、量热计、温度计）
量热原理一能量守恒定律 在盛有定水的容器中，样品物质的量为 n 摩尔，放入密闭氧弹充氧，使样品完全燃烧，放出的热量传 给水及仪器各部件，引起温度上升。设系统（包括内水桶，氧弹本身、测温器件、搅拌器和水）的总热容 为 C（通常称为仪器的水当量，即量热计及水每升高 1K 所需吸收的热量），假设系统与环境之间没有热交 换，燃烧前、后的温度分别为 T 1、T 2 ,则此样品的恒容摩尔燃烧热为 ：
（2）
1）
;n 为样品的摩尔数（mol）
;C 为仪器的总热容 J ・ K-1
图 1 氧弹量热计构造示意图图 2 氧弹构造示意图 1、氧弹—厚壁圆筒； 2 —弹盖 2、内水桶（量热容器）—螺帽； 4 —进气孔 3、电极 4、温度计 5 —排气孔； 6 —电极 5、搅拌器 6、恒温外套 8 —电极（也是进气管）
但是，由于（1）:氧弹量热计不可能完全绝热，热漏在所难免。
因此，燃烧前后温度的变化不能直接 用测到的燃烧前后的温度差来计算，必须经过合理的雷诺校正才能得到准确的温差变化。
（2）多数物质不 能自燃，如本实验所用萘，必须借助电流引燃点火丝，再引起萘的燃烧，因此，等式（2）左边必须把点 火丝燃烧所放热量考虑进去就如等式（3）:-nQ v,m-m 点火丝Q点火丝 HC
（3 3）
式中：
m 点火丝为点火丝的质量，Q 点火丝为点火丝的燃烧热，为-6694.4 J / g，„汀为校正后的温度 升高值。
仪器热容的求法是用已知燃烧焓的物质（如本实验用苯甲酸），放在量热计中燃烧，测其始、末温度，经雷诺校正后，按上式即可求出 Co 雷诺校正：消除体系与环境间存在热交换造成的对体系温度变化的影响。
方法：将燃烧前后历次观察的贝氏温度计读数对时间作图，联成 FHDG 线如图 2-1-2。图中 H 相当于 开始燃烧之点，D 点为观察到最高温度读数点，将 H 所对应的温度 T 1 , D 所对应的温度 T 2 ,计算其平均温 度，过 T 点作横坐标的平行线，交 FHDG 线于一点，过该点作横坐标的垂线 a, 然后将 FH 线和 GD 线外延交 a 线于 A、C 两点 ,A 点与 C 点所表示的温度差即为欲求温度的升高 厶 T o 图中 AA 表示由环境辐射进来的热 量和搅拌引进的能量而造成卡计温度的升高，必须扣除之。
CC 表示卡计向环境辐射出热量和搅拌而造成 卡计温度的降低，因此，需要加上，由此可见，AC 两点的温度差是客观地表示了由于样品燃烧使卡计温度 升高的数值 有时卡计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进热量，使得燃烧后的最高点不出 现，如图 2-1-3，这种情况下„汀仍可以按同法校正之。
【实验仪器与药品】
仪器：
外槽恒温式氧弹卡计（一个）
；氧气钢瓶（一瓶）
；压片机（2 台）
;数字式贝克曼温度计（一台）
;0 〜 100 C 温度计（一支）
；万用电表（一个）；扳手（一把）
;药品：
萘（A.R）；苯甲酸（A.R 或燃烧热专用）；铁丝（10cm 长）； 【实验步骤】
一、量热计常数 K 的测定。、苯甲酸约 1.0g，压片，中部系一已知质量棉线，称取洁净坩埚放置样片前后质量 W1 和 W2。、苯甲酸约 1.0g，压片，中部系一已知质量棉线，称取洁净坩埚放置样片前后质量 W1 和 W2。、把盛有苯甲酸片的坩埚放于氧弹内的坩埚架上，连接好点火丝和助燃棉线。、盖好氧弹，与减压阀相连，充气到弹内压力为 1.2MPa 为止。、把氧弹放入量热容器中，加入 3000ml 水。、插入数显贝克曼温度计的温度探头。
&接好电路，计时开关指向 “1 分”，点火开关到向“振动”，开启电源。约 10min 后，若温度变化 均匀，开始读取温度。读数前 5s 振动器自动振动，两次振动间隔 1min ,每次振动结束读数。、在第 10min 读数后按下“点火”开关，同时将计时开关倒向“半分”，点火指示灯亮。加大点火 电流使点火指示灯熄灭，样品燃烧。灯灭时读取温度。、温度变化率降为 0.05 ° C-min-1 后，改为 1min 计时，在记录温度读数至少 10min ,关闭电源。
先取出贝克曼温度计，再取氧弹，旋松放气口排除废气。、称量剩余点火丝质量。清洗氧弹内部及坩埚。
二、萘的恒容燃烧热的测定 1、取萘 0.6g 压片，重复上述步骤进行实验，记录燃烧过程中温度随时间变化的数据。
【注意事项】
① 为避免腐蚀，必须清洗氧弹
② 点火成败是实验关键。应仔细安装点火丝和坩埚。点火丝不应与弹体内壁接触，坩埚支持架不应与 另一电极接触。
③ 每次实验前均应称量坩埚。
【文献值】
恒压燃烧热 kcal/mol kJ/mol J/g 测定条件 苯甲酸-771.24-3226.9-26410 p?,2 5 C 萘-1231.8-5153.8-40205 p?,25 C C p , m(H 2 OI)= 75.291 J/mol?K
C p , m(CO 2 g)= 37.11 J/mol?K C p，m(O 2 g)= 29.36 J/mol?K C p , m(苯甲酸 s)= 146.8 J/mol 水 C p , m
(萘 s)= 165.7 J/mol?K 【实验数据与处理】
［实验原始数据 ］ 第一组测定的数据：苯甲酸① 点火丝：
0.0121g 苯甲酸 + 点火丝（精测）：
1.5072g 点火后剩余：
0.0040g 苯甲酸净含量：
1.4951g 点火丝消耗质量：
8.1 X 10-3
g
时间 /t（60s 每次）
温度 /T(C)时间 /t（15s 每次）
温度 /T(C)时间 /t（15s 每次）
温度 /T(C)1 7.871 8 10.092 26 10.550 2 7.874 9 10.161 27 10.557 3 7.875 10 10.220 28 10.564 4 7.877 11 10.268 29 10.570 5 7.880 12 10.306 30 10.574 6 7.882 13 10.340 31 10.579 7 7.885 14 10.368 时间 /t（60s 每次）
温度 /T(C)8 7.886 15 10.394 1 10.583 9 7.890 16 10.418 2 10.600 10 7.891 17 10.439 3 10.608 时间 /t（15s 每次）
温度 /T(C)18 10.456 4 10.611 1 8.364 19 10.472 5 10.614 2 8.672 20 10.486 6 10.613 3 9.074 21 10.501 7 10.612 4 9.377 22 10.513 8 10.610 5 9.638 23 10.523 9 10.608 6 9.834 24 10.532 10 10.606 7 9.983 25 10.542
第二组测定的数据：苯甲酸② 点火丝：
0.0120g 苯甲酸 + 点火丝（精测）：
1.2750g 点火后剩余：
0.0088g 苯甲酸净含量：/ 点火丝消耗质量：
.2630g 3.2 X 10-3 g
时间 /t（60s 每次）
温度 /T(C)时间 /t（30s 每次 温度 /T(C)时间 /t（30s 每次）
温度 /T(C)1 8.128 8 10.071 26 10.421 2 8.136 9 10.115 27 10.428 3 8.143 10 10.154 28 10.433 4 8.149 11 10.191 29 10.437 5 8.154 12 10.214 30 10.450 6 8.156 13 10.248 时间 /t（60s 每次）
温度 /T(C 7 8.169 14 10.274 1 10.461 8 8.164 15 10.292 2 10.467 9 8.167 16 10.311 3 10.472 10 8.170 17 10.328 4 10.474 时间 /t（15s 每次）
温度 /T(C)18 10.341 5 10.474 1 8.540 19 10.357 6 10.475 2 8.925 20 10.368 7 10.474 3 9.327 21 10.379 8 10.472 4 9.577 22 10.390 9 10.471 5 9.789 23 10.398 10 10.470 6 9.915 24 10.406
10.007 25 10.415
第三组测定的数据：萘① 点火丝：
0.0140g 萘 + 点火丝（精测）：
1.0051g 点火后剩余：
0.0061g 萘净含量：
0.9911g 点火丝消耗质量：
7.9 X 10-3
g
时间 /t（60s 每次）
温度 /T(C)时间 /t（30s 每次 温度 /T(C)时间 /t（30s 每次）
温度 /T(C)1 8.100 8 10.358 26 10.840 2 8.105 9 10.435 27 10.846 3 8.109 10 10.494 28 10.850 4 8.113 11 10.541 29 10.854 5 8.115 12 10.580 时间 /t（60s 每次）
温度 /T(C 6 8.119 13 10.615 1 10.865 7 8.121 14 10.643 2 10.872 8 8.124 15 10.669 3 10.877 9 8.127 16 10.691 4 10.878
8.130 17 10.713 5 10.878 时间 /t(15s 每次)温度 /T(C)18 10.747 6 10.879 1 8.435 19 10.762 7 10.877 2 8.845 20 10.774 8 10.875 3 9.236 21 10.787
9.571 22 10.790
9.968 23 10.807
10.119 24 10.823
10.259 25 10.829
［ 实验数据的处理 ］ ① 雷诺校正作图 ② 计算卡计的热容 C,并求出两次实验所得水当量的平均值。
苯甲酸的燃烧反应方程式为：
C 7 H 6 O 2(s)+^O 2(g 戸 7CO 2(g)+3H 2 O(l), A c H^-3226.0kJ moL 根据基尔霍夫定律: 15--△ C p, m = 7 X C p, m(CO,g)+ 3 X C p, m(H 2 O,l)— G, m(苯甲酸 ,s)—
---
C p, m(Q,g)2 = 154.6805 J/mol ?K „„„当室温为 26.0 C 时苯甲酸的燃烧焓为：
△ cHn(26.0 《)=△ c H.(25.0 C)+ △ C p X^ T =-3226.9 + 154.6805 X(26.0-25.0)X 10-3
=-3225.84 kJ/mol 则：苯甲酸的恒容摩尔燃烧热为：
Q V
= △ c U m =A c Hi — RT 刀 B V B ©)=-3225.84 — 8.314 X 299.15 X(7 — 7.5)X 10-3
=-3224.6 kJ/mol 又: nQ =-C △ T-Q V 点火线 „ m 点火线 „(I)苯甲酸①燃烧的数据处理：
Q 点火丝 • m 点火丝 =-6694.4 X 10-3
X 3.7 X 10-3
=-0.02477 kJ
C =(15.517 + 15.866)+ 2 = 15.692 kJ/ C ③ 计算萘的恒容摩尔燃烧热 Q V，m C=-nQv，m-Q 丝 5 丝 = AT
0 4354(-3224.6)-(-0.006025)122.12
= 15.866 kJ/ C 31.373-30.648(n)苯甲酸②燃烧的数据处理: Q 点火丝 „ m 点火丝 =-6694.4 X 10-3
X 9 X 10-4
=-6.025 X 10-3
kJ(川)两次实验所得水当量的平均值为:
根据公式：
nQ =-C
△ T-Q V 点火线 „ m 点火线 则：(I)萘①燃烧的数据处理：
_3 _3 Q 点火丝 • m 点火丝 =-6694.4 X 10 _ 3
X 5.4 X 10 _ 3
=-0.03615 kJ Q V , m =(-C △ T-Q V 点火线 „ m 点火线)/n-15.692 29.695-28.47-0.03615 一 c … _ = =— 5217.9 kJ/mol 0.4731 128.18(n)萘②燃烧的数据处理：
Q 点火丝 • m 点火丝 =-6694.4 X 10-3
X 1.7 X 10-3
=-0.01138 kJ Q V , m =(-C △ T-Q
V 点火线 „ m点火线)/n-15.692 28.867-27.627-0.01138 = =— 5178 kJ/mol 0.4819 128.18(川)萘的恒容摩尔燃烧热平均值为 Q v , m
=(— 5217.9 — 5178)+ 2 = — 5197.5 kJ/mol ④ 求萘的恒压摩尔燃烧热 Q , m(即△ c Hn)萘燃烧的化学方程式为：
C 10 H 8 s 12O 2 g > 10CO 2 g 4H 2 O l "、B(g)=— 2，B 根据基尔霍夫定律：
• C p , m = 10 X C p，m(CO 2 ,g)+ 4 X C p，m(H 2 O,l)— C p，m(奈 ,s)— 12C p > m(O 2 ,g)= 154.304 J/mol?K „ 26.0 C 时奈的燃烧焓为：
△ c H m(26.0 《)=△ c U k + RT 刀 BW(g)=— 5206.63 + 8.314 X 299.15 X(— 2)X 10-3
=— 5211.604 kJ/mol ⑤ 由基尔霍夫定律将△ cHn(T)换成△ cf(298.15K)，并与文献比较 △ c H m(25.0 《)=△ c Hn(26.0 《)+△ GXA T =— 5211.604 + 154.304 X(25.0 — 26.0)X 10-3
=— 5211.758 kJ/mol 相对误差：二 十 5 211.75 8
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go%” ％ 5153.8 【实验结果与讨论】
实验求得萘的燃烧热 Q, 实 与文献值 Q, 标二』 153.85 kJ mol 」的误差为 1.12%（小于 3%。可见本实验温 度对萘的燃烧焓值
影响很小，实验结果较为准确。产生误差的原因除了仪器误差之外，主要还有以下几个 方面：
① 使用雷诺图解法时，要做切线，切线分别表示正常温度上升和量热系统温度降低，切线拟合的结果 对△ T 的影响很大，此次实验结果很大程度上取决于这一步数据处理。
② 在实验进行过程中，夹套水温也不可能恒定，这会对 △ T 的求算造成影响。但是夹套中水很多，且 为了调零水温只比夹套水温 1K 左右，所以此误差可以忽略，这也是步骤中调整水温的原因。
③ 萘为易挥发性物质，压片称量后应该迅速放入氧弹中，以免因挥发而损失过多的质量，给实验带来 误差，使实验结果偏大。
④ 氧弹内可能存在少量空气，空气中 N 2 的氧化会产生热效应。
⑤ 若试样未完全燃烧，造成的影响很大，若有明显的黑色残渣，实验应重做。
⑥ 量取 3000mL 水使用的 2000mL 量筒的称量误差很大。
⑦ 水温改变带来的误差：由于此次实验是测量的内桶的水温，且总的波动不超过 3 C, 所以水温的改 变会对实验结果造成较大影响。
热量交换很难测量，温度或温度变化却很容易测量。本实验中采用标准物质标定法，根据能量守恒原 理，标准物质苯甲酸燃烧放出的热量全部被氧弹及周围的介质等吸收，使得测量体系的温度变化，标定出 氧弹卡计的热容。再进行奈的燃烧热测量和计算。
测量体系与环境之间有热量的交换，因为理想的绝热条件是不可能达到的。同时影响热量的交换量大小的 因素也比较多，①与体系、环境的材质有关；②与体系、环境的接触界面积大小有关；③与体系、环境的 温差有关，所以要定量准确地测量出体系与环境交换的热量是比较困难的。如果有净的热量交换的话，将 会增大实验的测量误差。
在本实验中采用的是恒容方法先测量恒容燃烧热，然后再换算得到恒压燃烧热。原因为：①如果是使 用恒压燃烧方法，就需要有一个无摩擦的活塞，这是机械摩擦的理想境界，是做不到的；②做燃烧热实验 需要尽可能达到完全燃烧，恒压燃烧方法难于使另一反应物 一一“氧气”的压力（或浓度）达到高压，会造 成燃烧不完全，带来实验测定的实验误差。
【实验评注与拓展】
（1）实验关键：点火成功、试样完全燃烧是实验成败关键，可以考虑以下几项技术措施：
① 试样应进行磨细、烘干、干燥器恒重等前处理，潮湿样品不易燃烧且有误差。
压片紧实度：一般硬到表面有较细密的光洁度，棱角无粗粒，使能燃烧又不至于引起爆炸性燃烧残剩黑糊 等状。
② 点火丝与电极接触电阻要尽可能小，注意电极松动和铁丝碰杯短路问题。
③ 充足氧（2MPa）
并保证氧弹不漏氧，保证充分燃烧。燃烧不完全，还时常形 成灰白相间如散棉絮状。
④ 注意点火前才将二电极插上氧弹再按点火钮，否则因仪器未设互锁功能，极易发生（按搅拌钮或 置 0 时）误点火，样品先已燃烧的事故。
（2）
氧弹内预滴几滴水，使氧弹为水汽饱和，燃烧后气态水易凝结为液态水。
试样在氧弹中燃烧产生的压力可达 14MPa，长期使用，可能引起弹壁的腐蚀，减少其强度。故氧弹应 定期进行 20MPa 水压检查，每年一次。
氧弹、量热容器、搅拌器等，在使用完毕后，应用干布擦去水迹，保持表面清洁干燥。恒温外套（即 外筒）内的水，应采用软水。长期不使用时应将水倒掉。
氧弹以及氧气通过的各个部件，各联接部分不允许有油污，更不允许使用润滑油，在必须润滑时，可 用少量的甘油。
（3）
仪器应置放在不受阳光直射的单独一间试验室内进行工作。
室内温度和湿度应尽可能变化小。
最适 宜的温度是 20 _5 C。每次测定时室温变化不得大于 1 C。因此。室内禁止使用各种热源，如电炉、火炉、暖气等。
(4)如用贝克曼温度计，其调节可以归纳为倒立连接、设定温度、正立震断和校验四步，注意别让水 银过多地流向弯曲贮管，导致因水银重而在正立时，玻管扩张处挂不住。也绝不允许放在电炉上烤等骤冷 骤热情况出现。在精密的测量中，应进行贝克曼温度计的校正。
改进后的本实验普遍采用热敏电阻温度计、铂电阻温度计或者
热电堆等，相应配以电桥、指示 mV 值，实际已转换为温度(数显温度计)的仪器，能 自动记录温度，精密度可达 10，~10^K。国产型号为半自动 HR — 15A(B)数显微机型或 WHR — 15 全自动 微机型氧弹式热量计。进入了全面启用电脑处理数据的新时代。
(5)苯甲酸和萘燃烧产物的热容差别因为产物量小而仪器热容的基数相对较大而可以忽略。
(6)量热方法和仪器多种多样，可参阅复旦大学物理化学实验教材。
量热法广泛用来测量各种反应热如 相变热等。本实验装置除可用作测定各种有机物质、燃料、谷物等固体、液体物质的燃烧热外，还可以研 究物质在充入其它气体时反应热效应的变化情况。
【提问与思考】
(1)什么是燃烧热？它在化学计算中有何应用？ 答：在 101 kPa 时，1 mol 可燃物完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热.单 位为 kJ/mol。反应热中 AH 为负，则为放热反应；为正，则为吸热反应，燃烧热为反应热的一种，其 AH 为负值含相同碳原子数的烷烃异构体中，直链烷烃的燃烧热最大，支链越多燃烧热越小。
⑵什么是卡计和水的热当量？如何测得？ 答：卡计和水当量就是量热仪内筒水温每升高一度所吸收的热量(即量热计的热容量)。单位是：焦 耳 / 度 测法：用已知燃烧焓的物质(如本实验用的苯甲酸)，放在量热计中燃烧，测量其始、末温度，经雷 诺校正后，按下式：
—n Q v,m — m 点火丝 Q 点火丝 =C AT 即可求出。
(3)测量燃烧热两个关键要求是什么？如何保证达到这两个要求？答：
实验关键：点火成功、试样完全燃烧是实验成败关键，可以考虑以下几项技术措施：
① 试样应进行磨细、烘干、干燥器恒重等前处理，潮湿样品不易燃烧且有误差。
压片紧实度：一般硬到表面有较细密的光洁度，棱角无粗粒，使能燃烧又不至于引起爆炸性燃烧残剩黑糊 等状。
② 点火丝与电极接触电阻要尽可能小，注意电极松动和铁丝碰杯短路问题。
③ 充足氧(2MPa)并保证氧弹不漏氧，保证充分燃烧。燃烧不完全，还时常形 成灰白相间如散棉絮状。
④ 注意点火前才将二电极插上氧弹再按点火钮，否则因仪器未设互锁功能，极易发生(按搅拌钮或置 0 时)误点火，样品先已燃烧的事故。
燃烧热测定 篇3
1 燃烧热的测定
1.1 基本原理
氧弹量热计大体可分为两类:一类是环境恒温式,另一类是绝热式,本实验采用的是环境恒温式。该仪器是将可燃烧性物质在隔离体系中燃烧,从体系的温度升高值及体系的热容来计算燃烧热。被测物质在氧弹中完全燃烧所释放的燃量使氧弹本身及周围的介质和热量计有关的附件的温度升高。根据能量守恒定律,测量体系在燃烧前后温度的变化就可以求算该物质恒容燃烧热QV。其方程式如下:
式中QV为样品的恒容燃烧热;3000为量取水的体积;ρ是水的密度;C水是水的比热容;C计为量热计的水当量;ΔT为样品燃烧前后水温的变化;l丝和Q丝是引然用的燃烧丝的长度和单位长度的燃烧值;m棉和Q棉是引燃用的棉线的质量和燃烧值;m样和M是被测样品的质量和摩尔质量。则:
由于实验中不可避免地存在热交换,使得ΔT不能很准确地测定。实验通过雷诺温度校正曲线得到所需的ΔT。雷诺温度校正曲线是把燃烧前后所测得时间(t)温度(T)作图得到的曲线。
图1所示的曲线由于热量计向环境的热漏造成了温度的降低。图2所示的曲线由于试验装置的绝热性能良好,热漏很小,而搅拌器功率较大,不断引进的能量使得曲线不出现极高温度点;可把A、B间的距离作为校正后的ΔT。将ΔT代入式(2)算出C计,再由C计求出QV,最后再根据QP=QV+∑vB(g)RT式计算出萘的恒压燃烧热值QP。
1.2 实验方法的改进
针对该实验存在着成功率低,实验时间长的缺点,我们提出来了以下2点改进:(1)增大引火丝与可燃物的接触面。为了使引火丝与可燃物接触面大为增加,我们将其绕成小圈状并贴在可燃物上方,提高点火成功率。(2)避免引火丝松动。由于引火丝很轻,有可能在装样过程因摇晃而造成引火丝松动,而与样品脱落,或与坩埚接触,为此我们将缠绕一根棉纱于引火丝上。
2 Origin处理数据
与Microsoft word、Excel等一样,Origin软件是一个多文档界面(Multiple Document Interface)的应用程序[5]。用Origin软件处理化学实验数据,不用编程,只要输入测量数据,然后再选择相应的菜单命令,点击相应的工具按钮,即可方便地进行有关计算、统计、作图、曲线拟合等处理,操作简便快速。它将用户所有的工作都保存在后缀为OPJ的工程文件(Project)中,一个工程文件可以包括多个子窗口,可以是工作表窗口(Worksheet)、绘图窗口(Graph)、函数图窗口(Function Graph)、矩阵窗口(Matrix)、版面设计窗口(Layout Page)等。Origin软件的基本功能和一般用法简介Origin具有2大主要功能:数据绘图和数据分析。下面先以本实验数据为例主要介绍Origin其数据绘图功能。以下引用一组实验数据为例,见表1所示。
2.1 Origin绘图
启动Origin,在工作表中输入实验数据,添加新一列并右击其顶部,在文本框中输入相应的数据。先作苯甲酸雷诺温度校正曲线图,我们选取第一列和第二列数据,绘制直线+符号图。所得结果如图3(a)所示。选取点火前实验数据,即30~600 s段数据进行线性拟合,点击Origin工具栏里的Data selector,点击光标,按住Ctrl键移动到所需位置点,然后在分析栏选择线性拟合。出现图3(b)内容然后再选择数据菜单中选中linear Fit5,再在分析菜单选中内推与外推工具,弹出窗口,改变最大值与最小值就得图3(c);同理处理得上半段数据得到如图3(d)结果,再点击Origin工具栏里选取的Line Tool,按住shift画一水平和铅直直线,再选取Pointer移动工具,水平为虚线,中点位置,交于S曲线一点,见图3(e);铅直直线就过这一点,会与外推线与内推线交于一点,见图3(f);最后用Screen Reader读出坐标点,标于图中,最后再进行简单地处理得到最终图见图4所示。
2.2 计算ΔT
计算苯甲酸ΔT=291.3831-289.9251=1.4580k;同理萘ΔT′=1.7266k。与坐标纸处理值的结果差别见表2。
2.3 计算QP
已知:气压102.49k Pa,温度18℃,QV=-26414J·g-1;Q丝=-2.9J·cm-1;Q棉=-16736J·g-1,ρ水=1.0g·m L-1;C水=4.2J·g-1,实验中各物质消耗的量见表3。
根据式(2),计算出QV最后转化成QP,即燃烧热△c Hm。对Origin处理及坐标纸处理获取的结果及文献数据对照,结果列于表4。
3 结论
一方面通过实验方法改进,克服了成功率低,实验时间长的缺点,大大提高点火成功率,缩短了实验所需时间。另一方面使用Origin软件处理实验数据,一般仅需10min即可完成,同时能够符合实验的要求,从结果来看,绝对误差非常小,相对误仅为0.022%,较手工绘图误差缩小近4.5倍。因此,运用该软件处理实验数据方便快捷,科学精确。对于物理化学的其它实验具有指导作用,如纯液体饱和蒸气压的测定;电导法测定乙酸乙酯在碱性条件下的水解反应;二组分气一液平衡相图;测定表面张力实验中都有应用[6~9]。
摘要：针对燃烧热测定实验中存在的实验成功率低,实验时间长的缺点进行了技术改进。实践证明,整个实验过程时间大大缩短、操作简化,实验一次性燃烧成功率达到99%。将实验所得到的数据用Origin软件进行处理,所得结果与文献值相吻合,相对误差仅为0.022%,大大减少数据处理过程中产生的误差,而且该方便快捷。
关键词：燃烧热测定,改进,Origin软件,数据处理
参考文献
[1]李森兰,杜巧云,王保玉.燃烧热测定实验研究[J].大学化学,2001,16(1):51.
[2]钟红梅.氧弹式量热法测定燃烧焓实验的改进[J].科技信息(学术研究),2008,(15):72.
[3]张建策,毛力新.燃烧热测定实验的进一步改进[J].化工技术与开发,2005,34(6):43-44.
[4]陈旭红.用Origin软件的线性拟合和非线性曲线拟合功能处理实验数据[J].江苏技术师范学院学报,2006,12(6):85-90.
[5]叶卫平,方安平,等.Origin7.0科技绘图及数据分析[M].北京:北京机械工业出版社,2003.
[6]易均辉,莫惠媚,龚福忠,等.巧用Origin软件处理物理化学实验数据[J].实验室研究与探索,2009,29(8):56-69.
[7]谢祖芳.用Origin处理溶液表面张力实验数据[J].中国砚代教育装备,2007,49(3):49-51.
山大物化实验燃烧热 篇4
化学热力学 实验一 燃烧热的测定
【目的要求】
1.通过测定萘的燃烧热，掌握有关热化学实验的一般知识和技术。2.掌握氧弹式量热计的原理、构造及其使用方法。3.掌握高压钢瓶的有关知识并能正确使用。【实验原理】
燃烧热是指1 mol物质完全燃烧时的热效应，是热化学中重要的基本数据。一般化学反应的热效应，往往因为反应太慢或反应不完全，因而难以直接测定。但是，通过盖斯定律可用燃烧热数据间接求算。因此燃烧热广泛地用在各种热化学计算中。许多物质的燃烧热和反应热已经精确测定。测定燃烧热的氧弹式量热计是重要的热化学仪器，在热化学、生物化学以及某些工业部门中广泛应用。燃烧热可在恒容或恒压情况下测定。由热力学第一定律可知：在不做非膨胀功情况下，恒容反应热QV＝ΔU，恒压反应热Qp＝ΔH。在氧弹式量热计中所测燃烧热为QV，而一般热化学计算用的值为Qp，这两者可通过下式进行换算：
Qp＝QV ＋ ΔnRT(1)式中：Δn为反应前后生成物与反应物中气体的摩尔数之差；R为摩尔气体常数；T为反应温度(K)。
在盛有定量水的容器中，放入内装有一定量样品和氧气的密闭氧弹，然后使样品完全燃烧，放出的热量通过氧弹传给水及仪器，引起温度升高。氧弹量热计的基本原理是能量守恒定律，测量介质在燃烧前后温度的变化值，则恒容燃烧热为：
QV ＝（M/m）· W·(t终－t始)(2)式中：W为样品等物质燃烧放热使水及仪器每升高1℃所需的热量，称为水当量。
水当量的求法是用已知燃烧热的物质(如本实验用苯甲酸)放在量热计中燃烧，测定其始、终态温度,一般来说，对不同样品，只要每次的水量相同，水当量就是定值。热化学实验常用的量热计有环境恒温式量热计和绝热式量热计两种。环境恒温式量热计的构造如图2-1-1所示。
由图可知，环境恒温式量热计的最外层是储满水的外筒(图中5)，当氧弹中的样品开始燃烧时，内筒与外筒之间有少许热交换，因此不能直接测出初温和最高温度，需要由温度—时间曲线(即雷诺曲线)进行确定,详细步骤如下：
将样品燃烧前后历次观察的水温对时间作图，联成FHIDG折线，如图2-1-2所示。图中H相当于开始燃烧之点，D为观察到的最高温度读数点，作相当于环境温度之平行线JI交折线于I过I点作ab垂线，然后将FH线和GD线外延交ab线A、C两点，A点与C点所表示的温度差即为欲求温度的升高ΔT。图中AA′为开始燃烧到温度上升至环境温度这一段时间Δt1内，由环境辐射进来和搅拌引进的能量而造成体系温度的升高必须扣除，CC′为 温度由环境温度升高到最高点D这一段时间Δt2内，体系向环境辐射出能图2-1-1 环境恒温式氧弹量热计
量而造成体系温度的降低，因此需要添加上。由此可见AC两点的温差是较1-氧弹；2-温度传感器；3-内筒；4-空气隔层；5-外筒；6-搅拌
客观地表示了由于样 品燃烧致使量热计温度升高的数值。
有时量热计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进能量使得燃烧后的最高点不出现，如图2-1-3所示。这种情况下ΔT仍然可以按照同样方法校正。
图2-1-2 绝热较差时的雷诺校正图 图2-1-3 绝热良好时的雷诺校正图
【仪器试剂】
氧弹式量热计1套；氧气钢瓶(带氧气表)1个；台称1只；电子天平1台(0.0001g)。苯甲酸(A.R.)；萘(A.R.)；燃烧丝；棉线。【实验步骤】 1.水当量的测定：
(1)仪器预热 将量热计及其全部附件清理干净，将有关仪器通电预热。(2)样品压片 在电子台秤上粗称0.7～0.8g苯甲酸，在压片机中压成片状；取约10cm长的燃烧丝和棉线各一根，分别在电子天平上准确称重；用棉线把燃烧丝绑在苯甲酸片上，准确称重。
(3)氧弹充氧 将氧弹的弹头放在弹头架上，把燃烧丝的两端分别紧绕在氧弹头上的两根电极上；在氧弹中加入10mL蒸馏水，把弹头放入弹杯中，拧紧。当充氧时，开始先充约0.5MPa氧气，然后开启出口，借以赶出氧弹中的空气。再充入1MPa氧气。氧弹放入量热计中，接好点火线。
(4)调节水温 准备一桶自来水，调节水温约低于外筒水温1℃。用容量瓶量取一定体积（视内筒容积而定）已调温的水注入内筒，水面盖过氧弹。装好搅拌头。(5)测定水当量 打开搅拌器，待温度稳定后开始记录温度，每隔30s记录一次，直到连续几min水温有规律微小变化，开启“点火”按钮，当温度明显升高时，说明点火成功，继续每30s记录一次；到温度升至最高点后，再记录几min，停止实验。
停止搅拌，取出氧弹，放出余气，打开氧弹盖，若氧弹中无灰烬，表示燃烧完全，将剩余燃烧丝称重，待处理数据时用。
2.测量萘的燃烧热 称取0.6～0.7g萘，重复上述步骤测定之。【注意事项】
— 内筒中加3000mL水后若有气泡逸出，说明氧弹漏气，设法排除。— 搅拌时不得有摩擦声。
— 燃烧样品萘时，内筒水要更换且需重新调温。— 氧气瓶在开总阀前要检查减压阀是否关好；实验结束后要关上钢瓶总阀，注意排净余气，使指针回零。【数据处理】
1.将实验条件和原始数据列表记录。
2.由实验数据分别求出苯甲酸、萘燃烧前后的t始和t终。3．由苯甲酸数据求出水当量W。
Q总热量=Q样品·(M/m)＋Q燃丝·m燃丝＋Q棉线·m棉线－5.983·VNaOH＝ W·(t终－t始)式中：Q铁丝= －6695J·g-1；Q镍铬丝=－1400.8J·g-1；Q棉线=－17479J·g-1。4．求出萘的燃烧热QV，换算成Qp。
5.将所测萘的燃烧热值与文献值比较，求出误差，分析误差产生的原因。
思 考 题
1.在氧弹里加10mL蒸馏水起什么作用？2.本实验中，那些为体系？那些为环境？实验过程中有无热损耗，如何降低热损耗？盛水桶内部物质及空间为系统，除盛水桶内部物质及空间的热量计其余部分为环境，系统和环境之间有热交换，热交换的存在会影响燃烧热测定的准确值，可通过雷诺校正曲线校正来减小其影响。
3.在环境恒温式量热计中，为什么内筒水温要比外筒水温低？低多少合适？ 4.欲测定液体样品的燃烧热，你能想出测定方法吗？玻璃泡中 【讨论】
1.量热计的类型很多，分类方法也不统一。常用的为环境恒温式和绝热式量热计两种。绝热式量热计的外筒中有温度控制系统，在实验过程中，内桶与外筒温度始终相同或始终略低0.3℃，热损失可以降低到极微小程度，因而，可以直接测出初温和最高温度。
2.在燃烧过程中，当氧弹内存在微量空气时，N2的氧化会产生热效应。在一般的实验中，可以忽略不计；在精确的实验中，这部分热效应应予校正，方法如下：用0.1mol·dm-3 NaOH 溶液滴定洗涤氧弹内壁的蒸馏水，每毫升0.1 mol·dm-3 NaOH溶液相当于5.983 J(放热)。
1．常用的热量计分为哪几种？
2．燃烧热测定中，我们在样品上绑棉线的目的是什么？
3．用钢瓶对氧弹充氧时应遵循什么顺序？
4．样品在氧弹中燃烧后，水温的升高是由那些因素引起的？ 5．换另一个样品时，内筒水是否更换？为什么？ 6．氧弹内加入少量水的作用是什么？ 7．雷诺校正是校正什么？
燃烧热测定 篇5
随着各种微型化机械装置系统的出现, 研制作为其能量供给的微能源系统 (Power MEMS System) 受到了世界各国的普遍重视。1997年美国麻省理工学院 (MIT) 首次提出了研制硅基微燃烧/透平发动机的设想, 并随后开发出一种能量密度远高于锂电池数十倍, 亚立方厘米体积的微燃烧/透平发动机[1]。与现存的其它微型能源相比, 该发动机具有能量密度高、供电时间长、体积小、无污染等优点, 因而具有较广阔的应用空间[1]。其相关技术的研究受到了各国专家的普遍关注。
研制微燃烧/透平发动机首先需要充分掌握微尺度燃烧机理, 研制微燃烧器。有关研究表明[1], 当常规尺度的燃烧器缩小为数十立方厘米甚至数立方厘米时, 火焰燃烧的完全程度、火焰的稳定性均表现出与常规尺度不同的燃烧特性。
目前研究微燃烧器燃烧特性的方法大都采用数值计算的方法[1,4], 主要原因有两点:1) 微燃烧器尺寸过小, 相关参数、实验数据的测量非常困难;2) 当前使用的实验设备不能较好地胜任微尺度下相关数据的测量。
从查阅的相关文献来看[1,2,4,5,6,7,8], 以MIT研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象, 研究其燃烧特性的现在只有美国和新加坡的两所大学, 并且只有新加坡的大学进行了三维微尺度燃烧特性的研究。
这些微燃烧器设计上的重要特性和影响参数还未能充分掌握, 在开发具有燃烧效率、操作弹性、稳定性等综合良好特性的微小燃烧器方面, 还有许多尚未突破的关键问题, 并且由于微尺度燃烧器尚处于探索阶段, 再加上具有浓厚的军事背景, 相关的数据报道较少[3], 因而对其燃烧性能的研究具有非常重要的意义。
1 微燃烧器二维模型的建立
根据相关数据资料, 我们以流体动力学仿真软件FLUENT的前置模块Gambit为平台, 采用线框建模法, 构建了微燃烧器的二维模型 (由于着重究燃烧器内部的燃烧性能, 因而这里不考虑氢气/空气的预混情况) 如图1所示。
2 微燃烧器燃烧计算过程
当燃烧器的尺度缩小至数十立方厘米甚至数立方厘米时, 其内部混合物的流动状况基本上处于层流状态, 此时燃烧器的稳定性、燃烧效率以及热损失等方面均表现出不同于常规尺度的特殊现象[1]。本文在研究微燃烧器燃烧特性时, 主要考虑了以下主要因素:
2.1 网格划分
为了得到精确的计算结果, 需要根据混合气体的实际流动、燃烧状况, 对整个计算区域进行网格划分。整个计算区域由两大部分组成:混合气体流动、燃烧区域 (如图2 (a) ) ;燃烧器和流体的热交换区域 (即燃烧器的内外墙壁, 如图2 (b) ) 。基于Gambit平台, 我们选择合理的网格格式完成了整个区域的网格划分, 共生成单元76 397个, 如图2 (c) 所示。产生的网格被成功地导入到FLUENT中, 因而可被用来后续的模拟计算。
2.2 计算模型
氢气/空气混合物经过流动混合后, 在燃烧室内总共进行了19步可逆的基元化学反应。此时燃烧器和周围环境及介质之间存在着一定程度的热交换, 对燃烧器的燃烧效率、内部火焰的稳定性影响较大。主要涉及的热交换有:燃烧器外墙壁与周围环境之间的传导、对流和辐射;燃烧器内墙壁与混合气体之间的热传递等。描述上述物理过程的数学方程有:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分质量守恒方程, 其通用形式为[9]
将式 (1) 展开得:
式中:ф为变通量, 可以代表μ、ν、ω、Τ等求解变量;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。式 (1) 中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。同时, 对于特定的方程, ф、Γ和S分别具有相应的特定形式。
由于微尺度下的热传递状况不同于常规尺度下的热传递状况, 所以在进行微燃烧器燃烧特性数值计算时, 我们着重考虑了以下方程[10]:
1) 单位体积的热传导方程:
式中:k为燃烧器墙壁材料 (这里指单晶硅) 的热传导系数;q觶v为传入燃烧器墙壁中的热量;c为硅的比热容。
2) 对流传热方程:
式中:h为硅的传热系数;Ts为燃烧器墙壁的温度;T∞为混合流体 (这里是指氢气/空气) 的温度。
3) 辐射传热方程:
式中:ε为辐射常数, 0≤ε≤1;T∞为燃烧器外围空间的温度;σ为Stefan-Boltzma常数, 其值等于5.67×10-8W/ (m2·K4) 。
因此在整个计算过程中, 可以将微燃烧器看成是一个由传导-对流-辐射组成的热传递系统进行处理。
2.3 气相反应机理
当氢气/空气混合气体在燃烧器内部混合、流动、燃烧时, 必须考虑其详细的气相化学反应机理, 如表1所示[1,4,10]。该机理总共进行了19步可逆的基元化学反应, 涉及的组分包括:H2、O2、H、HO2、OH、O、H2O、H2O2和M。
与文献[4]不同的地方是, 我们考虑混合气体化学反应机理时, 没有借助其它额外程序, 而是根据混合物的实际化学反应情况, 利用流体动力学软件FLUENT自带的CHEMKIN程序, 自己编写CHEMKIN MECHANISM文件, 然后导入FLUENT中进行计算的。
表1中:A是化学反应的温度指数;B是反应的频率;E是反应的活化能。
3 计算结果与讨论
3.1 初始条件的设置
依照文献[1]、[4], 本文设置了如下的初始条件:
1) 氢气/空气的当量比为0.5;2) 氢气/空气的流量为0.2 g/s;3) 燃烧器墙壁的材料为硅, 热辐射系数为0.85, 导热系数为149 W/ (m·K) ;外墙壁热传递系数分别取为50 W/ (m2·K) 、150 W/ (m2·K) 、250 W/ (m2·K) ;4) 燃烧器外围空间的温度为300 K;气体进入燃烧器时的温度也为300 K。
3.2 结果分析
1) 从图3可以清楚地看出:混合气体在进入燃烧室后, 其流动速度明显减慢。这是因为, 当混合气体邻近燃烧室时, 燃烧室入口处的火焰稳定器开始对其点火燃烧, 混合气体在燃烧室内进行了多步骤的可逆基元化学反应, 产生了许多中间产物, 在微小尺度的燃烧区域中, 这些产物的分子扩散到壁面的距离被缩短, 造成单位时间内的分子与壁面的碰撞频率增加, 因而延缓了混合气体的流动速度。
2) 从图4、图5可以看出, 随着燃烧器外墙壁热传递系数的增大, 整个燃烧器的燃烧效率、出口温度以及外墙壁的温度均出现了降低或下降的趋势, 与文献[4]显示的情形一样 (如表2所示) , 文献[1]没有给出相应的温度场分布图。分析上图, 其主要原因是, 微尺度燃烧器的表面积体积比 (A/V) 较常规尺度燃烧器大很多[1], 当燃烧器的热传递系数增大时, 其相应的表面散热量也变大, 这样燃烧器的热效率降低了。此外, 随着燃烧器与外界的热交换加大, 整个燃烧器的温度将下降, 因而延缓了混合燃料的化学反应速度, 增加了其反应需要的时间, 所以, 当外墙壁热传递系数增大, 燃烧器燃烧效率下降是必然的趋势。
3) 图6的温度场分布状况与文献[4]给出的结果较为相似 (如图7所示) , 都在燃烧器外墙壁热传递系数为50 W/ (m2·K) 时, 其微细通道内发生了回燃。同时, 图6显示的排出气体温度值、燃烧器外墙壁的温度值与表2给出的数据基本接近, 因而可以认为, 本文采用的方法是正确的, 所计算的结果是可信的。至于本文给出的其余计算结果, 文献[4]没有相应的温度场分布图。
比较图6、图7可以看出, 这两个温度场分布图存在一定的差别, 我们认为, 这主要是由于在燃烧器几何建模时, 缺少细微的结构参数造成的 (如压缩机叶片和涡轮转子的相应几何参数) , 这些参数对混合气体的流动状况影响较大, 进而影响了混合气体在燃烧室中的燃烧效率[4]。对于图6发生的回燃现象, 我们认为其主要原因是:当燃烧器外墙壁的热传递系数降低到一定数值时, 整个燃烧器与外界的热交换将大大减少, 导致燃烧器的墙壁温度较高, 这样来流的氢气/空气混合物就可能被急剧加热, 超过其着火点温度 (858 K[4]) , 在微细通道内发生了燃烧。此外, 我们还可以看到, 混合气体发生回燃时, 微细通道墙壁的温度达到甚至超过了1200 K, 这对整个燃烧器的结构危害极大, 因为当硅材料承受到的温度超过900 K时, 其屈服强度将大大降低, 发生软化, 出现蠕变失效[1,2,4,5,6,7], 因此这种现象应该避免。
5 结论
本文以美国麻省理工学院研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象, 在考虑氢气/空气的流体动力学特性、传热学特性以及其详细化学反应机理的基础上, 采用二维CFD数值模拟的方法, 研究其外墙壁热损失状况对微燃烧器燃烧特性的影响程度, 结果表明:
1) 利用二维CFD数值计算的方法研究微尺度燃烧器的燃烧特性, 得到的计算结果非常直观, 与国外相关结果较为吻合。
2) 适当减少燃烧器与外界的热交换状况有利于提高燃烧器的燃烧效率, 但燃烧器的热传递系数过小, 其内部容易发生回燃现象, 对整个燃烧器的结构危害极大, 所以选择合理的壁墙热传递系数, 对优化微燃烧器的燃烧特性非常重要。
3) 在目前测量设备、实验手段十分有限的情况下, 采用数值计算的方法研究微尺度燃烧特性, 能够获得实验设备无法得到的数据资料, 这一方面对我们了解微尺度燃烧器的燃烧特性、稳燃机理、燃烧效率提供了帮助, 另一方面可以交互地对整个燃烧器的运行参数进行调整和优化, 提高了工作效率, 降低了开发成本。
摘要：以美国麻省理工学院 (MIT) 研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象, 研究其外墙壁热损失状况对该燃烧器燃烧特性的影响程度。采用考虑了基元反应动力学机理燃烧程序的二维CFD数值分析方法, 研究在微燃烧器入口处氢气/空气当量比、流量不变的情况下, 其外墙壁热损失状况对燃烧器燃烧特性的影响程度。整个计算过程包括混合气体的流动路径、燃烧器的内部区域以及其墙壁面;同时在计算过程中也考虑了混合气体的流体动力学特性、传热学特性和详细的基元反应机理。计算结果表明, 燃烧器外墙壁的热传递状况不但影响燃烧器的燃烧性能, 还对整个燃烧器的结构寿命影响较大。随着外墙壁热传递状况的改善, 如从150 W/ (m2·K) 增大到250 W/ (m2·K) , 燃烧器排出气体的温度、燃烧性能均出现降低或下降的趋势, 但外墙壁的热传递系数过小, 如50 W/ (m2·K) 时, 燃烧器的微细通道内将发生回燃。结果表明, 利用二维CFD数值模拟的方法研究微尺度燃烧器燃烧特性可行, 与国外实际测量结果较为相近, 为今后微型燃气轮机燃烧器的研制及改进提供了一定的参考依据。
关键词：热损失,微燃烧器外墙壁,燃烧特性,计算流体动力学 (CFD)
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燃烧热测定 篇6
热分析是在程控温度下测量物质的物性与温度关系的技术,通过测定物质在升温、恒温、降温或循环变温等过程中的物理性质(主要是质量与能量)的变化,研究无机和有机材料的热分解过程及其反应动力学等问题。该技术可广泛应用于对金属、非金属、无机物、有机物、高分子化合物等物质的反应热、比热容、熔点、结晶热、质量变化等参数的测定,是在动态条件下快速研究物质热特性的有效手段。充分有效地应用热分析技术,深入了解火灾条件下建筑室内装修材料的热稳定性,有助于消防监督人员正确地评价室内装修材料的火灾危险性,为监督管理提供科学依据和技术支持,对于预防和控制建筑室内装修材料火灾具有积极的现实意义。
1 热分析技术概述
1.1 起源与发展
热分析起源于1887年。1899年发明了差热分析法(DTA),1915 年研制出世界上第一台热天平(热重法(TG)的雏形),1964 年研发出差示扫描量热法(DSC),1968年成立了国际热分析及量热协会(ICTAC)。目前,热分析技术领域已有丰硕成熟的研究成果,根据研究对出各被研究材料的TG曲线,然后在相同的温度区间内进行比较。评价判据为:反应温度区处于高温部位的比处于低温部位的材料更稳定。
(2)关键温度表示法。利用TG曲线上能够反映材料热稳定性的特征温度点进行比较与评价,先作出材料的TG曲线,然后在曲线上找出失重达50% 的点(记作点G,点G对应的温度称半寿温度),过点G作曲线的切线(即最大失重线的延长线),与基线延长线相交于一点(记作点B),点B对应温度定义为外延起始温度。评价判据为:材料的外延起始温度越高,其热稳定性越好。
(3)积分程序分解温度法。比较与评价材料热稳定性的半定量方法,将热稳定性与材料因受热变化的全过程联系起来,不是仅考虑其主要的反应温度区间或某个特征温度点,而是根据起始温度到终止温度整条TG曲线失重的累积值描述材料(试样)的热稳定性。
(4)ISO法和ASTM法。ISO(国际标准局)法是在TG曲线上找出失重达20%、50%的点,分别记作点E和点G,两点相连,与基线延长线相交于一点(记作点B),点B对应温度定义为分解温度。ASTM(美国材料测试协会)法是在TG曲线上找出失重达5%、50%的点,分别记作点F和点G,两点相连,与基线延长线相交于一点(记作点C),点C对应温度定义为分解温度。
(5)微商热重法(DTG)。也称最大失重速度法,是记录TG曲线对温度(或时间)的一阶微分技术,将TG曲线对温度(或时间)取一阶导数即得到微商热重曲线。DTG曲线是一条反映材料热失重速率的峰形曲线,与TG曲线的对应关系为:DTG曲线上的峰值与TG曲线的拐点相对应,表示失重速率的最高值(记作Tｐ);DTG曲线上的峰数与TG曲线的阶梯数相对应;DTG曲线的峰面积与材料(试样)的失重量成正比。DTG曲线可与TG曲线联合使用。
2.3 热重分析仪
热重分析仪又称热天平,是热重法的主要试验装置,是用于测量样品材料在特定温度条件下的质量变化情形的仪器。由天平、加热炉、程序控温系统与记录仪等组成。主要原理:将样品置于一个可程序控制升温、降温或恒温的加热炉中,通入固定的环境气体(如氮气、空气等),当温度上升至样品中某一成分的蒸发温度、裂解温度、氧化温度时,会发生蒸发、裂解、氧化,从而导致质量的变化。通过记录样品质量随温度或时间的变化,即可判定材料的裂解温度、热稳定性、成分比例、样品纯度、水分含量、还原温度及材料的抗氧化性等热解特性。
3 试验实例及结果分析
3.1 试验环境与试样
试验样品为纯棉、纯毛、腈纶和金丝绒4 种饰面材料,4种铺地材料则选取3家企业生产的丙纶-1号、丙纶-2号、丙纶-3号3种丙纶地毯和1种锦纶地毯。所有试样均未进行任何阻燃处理,并依试验需求裁成规定的尺寸。试验装置采用热重分析仪。试验环境条件:温升速率为15 ℃/min;反应气体流速为30 mL/min;环境气体为空气。
3.2 试验结果与分析
经试验,分别得到8种材料的TG-DTG曲线,如图1~图8所示。
由图1~图8可得每种材料在模拟火灾条件下的热解失重阶段分布、热解温度区间、失重百分比、最大失重速率等试验参数,如表1所示。
3.2.1 饰面材料热解特性分析
由表1可以看出,第一热解阶段是4种可燃饰面材料的主要热解失重阶段,最大失重速率对应的峰值温度的分布较为集中,在350~430 ℃,跨度不到100 ℃。
通过微商热重法得到上述试验数据后,再采用曲线比较法,将4种可燃饰面材料的TG曲线进行比较,评价其火灾危险性。
天然材质类饰面材料的热解温度区间比较宽,表明天然材质类材料具有相对较好的延燃、阻燃性能和相对较低的火灾危险性。对纯棉与纯毛2种天然材质类材料再作进一步比较,可以看出:纯毛材料在炭化阶段的失重速率较纯棉缓慢,同时纯毛的失重终止温度较纯棉更高,表明纯毛材料具有相对较低的火灾危险性。
3.2.2 铺地材料热解特性分析
由表1可以看出,不同企业生产的丙纶铺地材料的热解特性相差无几,有且仅有一个失重阶段,各项热解参数取值比较接近,热解温度区间的浮动值不超过13 ℃,浮动范围<5%;失重率集中在96%~97%;最大失重速率对应的峰值温度的跨度不到25 ℃。
将丙纶与锦纶的TG曲线进行对比可知,较之锦纶铺地材料,丙纶铺地材料的热解温度区间比较窄(跨度仅为135 ℃),热解过程比较短,且没有氧化阶段;而锦纶铺地材料的热解温度区间则比较宽(跨度为472 ℃),TG曲线较为平滑,表明丙纶铺地材料的火灾危险性较高。
摘要：介绍热分析技术的起源、发展与分类,以热重法(TG)为例,探讨热分析技术在评价室内装修材料热解特性中的应用,并应用热重分析仪通过试验对8种常见的室内装修材料进行热解特性分析与评价,为室内装修材料监督管理提供科学依据和技术支持。
燃烧热测定 篇7
一、教科书中实验的不足之处
利用教科书上设计的实验装置 (如图1所示) 探究质量守恒定律时, 虽然实验现象明显, 但实验装置的组装比较麻烦, 需要将小气球、玻璃管、单孔橡皮塞、锥形瓶、细沙等多种实验用品准确有序地连接起来, 操作很不方便。尤其是用热的玻璃管末端点燃红磷时, 既要准确接触红磷, 又要让橡皮塞及时封闭锥形瓶瓶口, 还要防止玻璃棒末端捣坏锥形瓶底部。
二、对教科书中实验装置的改进
在教学中, 笔者采用实验创新中的“替换法” (通过更换不同性能的材料优化实验装置或实验方法, 从而产生更好的实验效果[1]) , 并利用食品包装玻璃瓶对该实验装置进行了改进。
1.改进后的实验装置
改进后的实验装置如图2所示 (托盘天平没有画出) 。
主要实验用品是带有铁质瓶盖的120 mL的“老干妈香辣酱”玻璃包装瓶。此类玻璃包装瓶国家标准对其耐压要求为-1至+2个标准大气压, 抗热震性要求是耐急冷温差42℃[2]。因此实验中只要气体体积膨胀不超过瓶子容积的3倍, 一般不会爆瓶。笔者使用这种玻璃包装瓶已做此实验近20次, 至今完好无损。
2.改进后的实验操作
(1) 取一个120 mL的“老干妈香辣酱”玻璃包装瓶 (净含量是200 g) 洗干净, 晾干, 备用。
(2) 旋下铁质瓶盖, 倒立在桌面上, 并在瓶盖中间放置黄豆粒大小的红磷 (或白磷) , 然后将倒立的玻璃瓶旋紧在瓶盖上。
(3) 将此玻璃瓶倒立在托盘天平的左盘上, 并用砝码平衡, 记下第一次的称量值。
(4) 从托盘天平上取下倒立的玻璃瓶, 用手拿着 (玻璃瓶仍要倒立) , 让酒精灯外焰对着红磷 (或白磷) 加热。由于铁的导热性能好, 因此稍微加热磷就能燃烧起来, 同时伴随浓厚的白烟。
(5) 等到玻璃瓶冷却后, 再将其倒立在托盘天平的左盘上进行第二次称量, 发现称量值没有改变, 从而说明“反应前后各物质的质量总和保持不变”。
(6) 若课堂教学时间允许, 接下来还能利用此装置延伸出“测量空气中氧气体积分数”的实验, 操作步骤是:将玻璃瓶倒立在水中, 再旋开铁质瓶盖, 发现有水进入玻璃瓶内, 并且玻璃瓶内水的体积约是玻璃瓶容积的1/5 (如图3所示) 。
三、实验的注意事项
在本实验中, 磷的燃烧反应会加速铁质瓶盖的腐蚀和破损, 因此为了确保安全和实验成功, 铁质瓶盖在经历10次左右的实验后, 就要及时更换。
四、改进实验的优点
(1) 实验装置简单, 实验设计巧妙, 实验操作简便, 提高了课堂教学效率。
(2) 一个实验装置能进行两个化学实验, 提高了实验教学的有效性。
(3) 利用生活中的废旧物品进行化学实验, 有利于学生开展课外探究活动, 从而培养学生的创新精神和实践能力。
参考文献
[1]李德前.例谈初中化学实验创新的思维方法进[J].化学教学, 2013 (3) :65-68.
燃烧热测定 篇8
目前国内外对于以木材为主要成分的材料的热解条件、过程及模型等进行了大量的研究。李迎旭对火场中硬木地板材料变氧浓度燃烧过程进行了研究,分析了氧浓度对燃烧热失重过程的影响[1]。陈海翔等对木材油茶树试样在正常空气条件下木材内部微观分解机理研究,以及各因素对热解和燃烧结果的影响[2]。高亚萍等对不同氧浓度下白杨、白桦、红松以及这三种材料的阻燃品,在不同氧浓度条件下进行了对比热分析[3]。沈永兵等在常压热重分析仪和加压热重分析仪上对木屑进行了热解实验,利用热重分析法对其热解行为特性和动力学规律进行了分析[4]。这些研究中大多侧重于正常空气条件下或者不同氧气浓度下木材内部微观分解机理研究。浙江大学的宋常忠、沈德魁等对杉木在中途一次变气氛的情况[5,6],以期模拟真实火灾场景下木材的热解情况。但目前尚未有模拟真实火灾场景下回燃状况下刨花板的热解研究。
本文在上述研究的基础上,主要针对室内火灾发生过程中氧气浓度逐渐降低,而后又突然补充新鲜空气的回燃情况,利用热重分析仪研究不同阶段反应气氛对刨花板热分解和燃烧过程的影响。热解过程用一级的动力学模型进行了模拟,并确定了热解主反应段的动力学参数。
1 试验条件及方法
1.1 试验样品及设备
实验采用环保等级为E1级5cm刨花板为样品,实验前将物料磨细,在CS101-1E电热鼓风干燥箱中,70℃下烘干12h,之后多次称其质量,直到质量不再发生变化时,从干燥箱内取出,放入干燥皿中待用。热重分析是在梅特勒-托利多TGA/SDTA851e热重分析仪上进行。
1.2 实验方法
用热重法TG和微商热重法DTG研究在反应过程中不同温度处变换气氛情况下,刨花板热解情况。从TG曲线上可以详细地了解到不同温度下样品的失重情况。对TG曲线进行微分得到DTG曲线,根据DTG曲线上峰的个数可以确定该样品在热解失重时是分几个阶段进行的[4,5,6]。在实验中,对每个试样都做两个同样工况的重复试验,以验证实验的可重复性。
在实际火灾中,常会发生气氛变化的情况。本试验主要考虑两种气氛变化情况下刨花板的热解,分为三种情况:空气在某一温度下变为氮气气氛;氮气气氛在某一温度下转变为空气气氛;空气在某一温度下氧气耗尽变为氮气气氛,然后又在某一温度下,突然有空气补充。
实验时将样品放入体积为70μl的AL2O3坩埚中,通过加热炉使温度上升,获得样品反应所需热量。实验方案见表1所示。
(注:反应气氛流速30ml·min-1;整个反应过程升温速率20℃·min-1)
2 结果和讨论
2.1 氮气和空气气氛
图1、图2所示分别为刨花板在空气和氮气气氛下TG和DTG曲线图。由图1、图2可以看出,刨花板在氮气与空气气氛下的低温度区间(低于150℃时)为水分蒸发过程,质量损失约为4%-8%,整个失重过程都分为三个部分。在空气气氛下主要的失重过程500℃附近结束,在氮气气氛下为340℃。在空气中失重曲线在310℃附近出现了拐点,在氮气中则较为平滑。在空气中DTG曲线286℃和421℃出现两个放热峰,氮气中只在314℃出现一个。
在空气气氛下,250-490℃之间是主要热分解失重阶段,该阶段失重量约占总失重量的94%。在此阶段的TG曲线上有一个拐点,将主要热分解失重分为两个阶段,其中第一阶段主要为刨花板中木材的半纤维素、纤维素热分解过程,产生挥发分物质,第二阶段是伴随着木材中木质素热分解的焦炭的燃烧过程。500℃以后,随着温度的升高,试验试样失重基本不变,该阶段是试样残留物的缓慢热分解过程。试验结束后,试样残留物为灰分和不可分解的氧化物。在氮气气氛下,260-400℃是主要热失重阶段,该阶段失重量占整个热解失重的65%左右;390℃以后试样中残留物质的缓慢热解最终形成焦炭。直到试验结束,残留物为黑色焦炭和不可分解的氧化物。
2.2 中途变气氛工况
图2-图10为刨花板在a-1、a-2、a-3;b-1、b-2、b-3;c-1、c-2;d方法下以及全程为空气、氮气气氛下的TG和DTG曲线对比图。
由图2-图10可见:
(1)500℃时变气氛与全程为500℃前气氛下热解失重趋势基本相同;200℃时变气氛与全程为200℃后气氛下热解失重趋势基本相同。说明材料200℃以前及500℃以后的气氛变化对热解失重无明显影响。
(2)200℃时变氮气工况中,约330℃前沿氮气气氛下失重趋势进行。300℃、400℃变氮气工况中,在变气氛后升温大约20℃后,沿氮气气氛下失重趋势进行。再次变换为空气气氛后,则在升温大约20℃后,沿空气气氛下失重趋势进行。
(3)产物最终剩余质量和主要反应结束时间,主要决定于主反应阶段结束前的反应气氛。在主要反应结束之前反应气氛为空气的,则反应结束时间以及最终剩余物质量基本与全程空气气氛下相同;在主要反应结束之后开始换为空气的,则反应结束时间与空气气氛下结束时间相应的推后,但最终产物质量与空气气氛下基本相同。在反应结束之前为氮气气氛的,在对应于空气气氛下,第二热解阶段前变换气氛的,最终产物质量以及主要反应结束时间与全程氮气气氛下基本相同;在第二热解阶段后变换气氛的,则最终产物质量要少于全程氮气下最终质量。
由以上分析可得,第一阶段热解的气氛对最终的热解失重趋势影响较小,而第二阶段反应气氛却影响较大。说明空气气氛下第一阶段的着火只发生在气相,不会影响焦炭的生成量,而空气气氛下失重第二阶段可认为是炭的氧化过程,如果此时处于缺氧状态,则焦炭处于阴燃阶段,热解速度缓慢。当高温状态下的焦炭骤然与富含氧的新鲜空气接触时,会发生强烈的氧化反应,反应速率增加失重明显加大,直至所有焦炭全部反应最终形成灰烬。
3 刨花板热解动力学模型
由阿累尼乌斯定律:初始质量为m0的样品在程序控制下升温发生分解反应,在某一时间t,质量变为m,则其分解速率可表示为[3,4,5,6,7]:
式中:k=Aexp(-E/RT);f(α)=(1-α)n;undefined
由以(1)、(2)式可以得到:undefined
对式(3)积分,令undefined则:undefined
m∞为试样的最终质量,mg;α为t时刻材料的失重百分率,%;A是频率因子,min-1;E为活化能,kJ/mol;R为气体常数,8.31×10-3kJ/(mol·K);β为升温速率,本研究中β为20℃/min;T是反应温度,K。
本文采用Coats-Redferm积分方法,通过对温度积分的近似推导,推导出下式近似的积分型方程:
undefined
以undefined对undefined作图,其斜率为undefined,而截距中包含频率因子A。因此可以从图线的斜率项和截距项中分别求出活化能E和频率因子A。该图线是否呈现线性,决定了g(α)选取值是否正确。
通常用于固体反应动力学研究的g(α)见表2[9]。
在空气和氮气气氛下,刨花板的TG曲线明显的分为两个阶段,每一阶段对应不同的组分的热分解。参考文献[5,7,8,9],并将部分实验数据进行拟合,选取g(α)=-ln(1-α)。本文认为刨花板的热解符合双组分、两阶段一级反应模型。由此模型计算刨花板在空气气氛和氮气气氛下热解主反应段的动力学参数,见表3。
由表3可知,刨花板在空气中与氮气中第一热解阶段活化能与频率因子差别不大,说明此阶段气氛对反应进程影响不大。这是因为材料中木屑成分中木质素和半木质素的热分解过程,产生挥发分物质。而在第二热解阶段中,空气中的活化能要远低于氮气中,频率因子要高于氮气,说明此阶段氧气对反应进程影响较大。
4 结语
(1)材料在空气和氮气中失重曲线均为三个部分,其中在空气中,第二失重部分出现拐点,在氮气中则较为平滑。材料在200℃以前及500℃以后的气氛变化对热解失重无明显影响。
(2)变气氛过程中,200℃时变氮气工况中,约330℃前沿氮气气氛下失重趋势进行。300℃、400℃变氮气工况中,在变气氛后升温大约20℃后,沿氮气气氛下失重趋势进行。再次变换为空气气氛后,则沿空气气氛下失重趋势进行。而对氮气变空气工况下,由于氧化反应曲线有一个突然的下凹。
(3)试样均在50-200℃发生脱水,在250-500℃是失重的主要阶段,主要热解过程符合两阶段热解模型。
(4)通过一级反应模型求解出了刨花板在空气气氛和氮气气氛下两阶段热解动力学参数,并由此得到反应气氛对材料的第一热解阶段进程影响不大,对第二阶段影响较大。
摘要：对刨花板的变工况热解行为进行了热重分析和差热分析研究。将试样分别加热到一定温度做空气变氮气热重试验,模拟实际火场中由富氧到缺氧的状态;在试样加热过程中,在不同的温度点由空气转变为氮气,经过一段时间的升温后,再由氮气转变为空气,模拟火场中的回燃情况。通过结果分析,深入研究了环境气氛变化对试样热解的影响。用一级的动力学模型进行了模拟,给出了热解主反应阶段的动力学参数。
关键词：刨花板,热解,热分析,模型
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燃烧热测定 篇9
新一代内燃机燃烧模式——均质充量压缩着火 (HCCI) 燃烧正受到越来越广泛的关注。HCCI燃烧的显著特点是“均匀稀薄混合气压缩自燃”, 它具有很低的NOx排放和几乎没有碳烟, 同时热效率与传统的直喷式柴油机相当。HCCI燃烧在20世纪80年代初就提出, 随着车辆和发动机需要面对越来越严格的排放法规以及全球的能源问题, 到90年代中期才开始受到重视, 并首先在柴油机上得到研究。文献[1,2,3]介绍了通过油束之间的碰撞以及油束和空气之间的强烈混合来形成均匀混合气。随着共轨控制技术的发展, 文献[4,5,6,7]采用共轨多次喷射来制备混合气, 并研究了喷射次数、喷射间隔、油量分布等参数对柴油HCCI燃烧的影响。此外, 在进气管喷入部分燃料, 然后在上止点附近喷入大部分柴油的分层HCCI燃烧也得到了研究。
由于柴油燃料的低挥发性和容易自燃着火的特性, 因此, 柴油燃料的HCCI燃烧关键在于均匀混合气的形成及其燃烧控制。众所周知, 正庚烷燃料在压缩过程中容易发生低温和高温两阶段放热反应, 并产生大量的活性基团, 为此, 本文在进气管喷入一定量的正庚烷, 在进气和压缩行程在缸内形成均匀稀薄的燃料/空气混合气, 然后在上止点前喷入柴油。通过正庚烷反应生成的热量和释放的活性基团, 来促进直喷燃料的蒸发并影响和控制主喷柴油的着火和燃烧。在试验中, 通过改变气口喷射的正庚烷流量来控制缸内的活化热氛围强度, 进而评价其对发动机燃烧和排放的影响。此外, 还研究了在缸内活化热氛围条件不变 (气口喷射正庚烷量固定) 的条件下, 直喷柴油的供油时刻对发动机的影响。
1 试验方法
试验发动机为单缸直喷式柴油机, 发动机的基本参数见表1。正庚烷通过安装在进气口处的电控低压喷嘴供给, 喷射时刻和喷射量由电控单元控制, 试验中正庚烷喷射时刻固定在285 °CA BTDC。HC、CO、NOx通过气体分析仪进行测量。烟度采用AVL 439测量。试验在1 800 r/min固定转速下进行, 所采用的预混合比例α<80 %, 总燃空当量比ϕ<0.8, 直喷柴油的供油提前角为5 °CA、7 °CA和9 °CA。
2 试验结果与分析
根据文献[8], 正庚烷在10 °CA BTDC以前发生低温和高温化学反应, 释放出热量和活性基团, 而本文试验的柴油机供油时刻较晚, 在直喷燃料进入气缸时预喷的正庚烷已接近完全反应。正庚烷的浓度决定了反应释放的热量和活性基团的浓度, 从而决定了缸内的热氛围条件。为此, 可采用预混合比例来表征缸内热氛围强度:
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式中, undefined和undefined分别为进气口喷射的正庚烷和缸内直喷柴油的循环油量;Hu1和Hu2分别为正庚烷和柴油的低热值。
2.1 活化热氛围强度对燃烧特性的影响
图1为预喷射正庚烷在缸内产生活化热氛围后对柴油机燃烧的影响。由于正庚烷发生低温和高温反应, 以及随后的柴油的扩散燃烧, 整个放热率曲线呈现3阶段放热现象。在相同的总燃空当量比 (ϕ=0.47) 下, 随着预混合比例的增加, 相应的直喷柴油的比例减少, 第一阶段着火时刻略微提前, 最大放热明显增加;第二阶段着火时刻显著提前, 最大放热率快速增加。活化热氛围可以促进直喷柴油的着火, 然而着火时刻受活化热氛围的强度影响不明显, 只有略微的提前。究其原因, 主要是由于在固定总燃空当量比下, 活化热氛围强度增加, 则直喷柴油的比例减少。因此, 直喷柴油引起的缸内湍流强度减弱, 混合气形成质量变差, 局部燃空当量比减小, 最终抵消了活化热氛围对着火的促进作用。
图2为预混合比例对第二阶段最大放热率及其出现的曲轴转角的影响。从图2可见, 随着预混合比例和总燃空当量比的增大, 第二阶段最大放热率明显增加。
扩散燃烧阶段的最大放热率随预混合比的变化规律如图3所示。与第二阶段 (图2) 正好相反, 相同总燃空当量比下, 预混合比例减小引起扩散燃烧阶段的最大放热率减小;相同预混合比例下, 总燃空当量比增加也会导致扩散燃烧阶段的最大放热率降低。这是因为在相同总燃空当量比下预混合比例增加, 以及相同预混合比例下总燃空当量比增加, 都会使得正庚烷的绝对数量增加, 从而活化热氛围强度提高, 有利于直喷柴油着火延迟的缩短;另一方面, 增加预混合比例则相应减少了直喷柴油比例, 柴油的绝对浓度降低。在两方面的作用下, 滞燃期内形成的可燃混合气数量减少, 则峰值放热速率降低。
2.2 活化热氛围强度对排放的影响
图4为活化热氛围强度对柴油机常规排放的影响。由于缸内活化热氛围是通过气口喷射的正庚烷在缸内化学反应产生的, 因此发动机的HC和CO排放具有火花点火发动机的特点。CO排放随着混合比例的增大而迅速增加, 在某一临界值达到最高, 之后则随混合气均匀度的增加而快速降低。此外, 最大CO的浓度随着总燃空当量比的增大而显著降低。
由于预混合气体容易进入燃烧室死区、活塞环缝隙, 以及气缸壁面的淬熄效果, 发动机的HC排放相对纯柴油燃烧有显著的升高, 特别是较小燃空当量比下HC排放几乎随预混合比例的增大呈线性升高。但是在高负荷下, 当预混合比例增大到某一临界值, HC排放则不再增加。
从图4可发现, 随着热氛围强度的提高, NOx排放在各种燃空当量比下先逐渐降低;在超过某一临界值后, 又逐渐升高。但是需要注意的是, 最低NOx排放所对应的正庚烷预混合比例随总燃空当量比的增大而降低。在较低的预混合比例下, 正庚烷不完全反应并释放出一定热量, 生成一定的CO2。在这些热量的作用下, 促进了直喷柴油的蒸发汽化;CO2则具有内部EGR的功能, 推迟了直喷柴油的着火, 抑制了燃烧。在两方面的作用下, NOx排放显著降低。但是当活化热氛围强度超过临界值后, 尽管缸内热氛围依然具有促进柴油蒸发雾化的效果, 缸内CO2也具有内部EGR的作用, 但是此时的温度较高, 并极大地促进着火, 从而部分抵消了NOx的降低效果。从图4可看出, 活化热氛围强度在20 %～30 %之间具有最佳的NOx抑制效果。
由图4可知, 在较小燃空当量比下, 活化热氛围强度对碳烟排放几乎没有明显的影响。在较大燃空当量比下, 随着活化热氛围强度增大, 烟度排放显著降低, 并在20 %～25 %的强度下达到最低;随着活化热氛围强度的进一步增大, 烟度排放反而开始增加, 并在35 %～40 %的强度下达到极大值;之后, 烟度排放再次随着活化热氛围强度的增大而降低。这种现象的根本原因与NOx排放规律有类似的机理:在较低的预混合比例下, 正庚烷释放的热量不多, 并发生不完全的氧化, 燃烧室内存在大量的活性基团, 这些热量不足以使得直喷柴油尽快着火, 反而促进柴油的蒸发, 着火前混合气均匀度大幅度提高, 燃烧过程中大量的活性基团促进燃料燃烧得更完全, 从而能够显著降低碳烟排放;当热氛围达到一定强度后 (如超过30 %) , 此时缸内温度较高, 使得直喷柴油的着火延迟显著缩短, 加上此时缸内存在一定浓度的CO2, 从而导致碳烟排放开始增加并在某一强度下达到极大值;预混合比例继续增高, 直喷柴油的量显著减小, 整个燃烧过程逐渐由正庚烷的HCCI燃烧所主导, 因此碳烟排放会再次降低。
2.3 传统直喷式燃烧、HCCI燃烧及活化热氛围燃烧的排放比较
图5为不同活化热氛围强度下发动机的常规排放与传统的直喷式燃烧 (DICI) 、HCCI燃烧的比较。受到爆震的限制, HCCI的运行范围较小, 最大燃空当量比只有0.283。由图5可见, HCCI燃烧具有较高的HC和CO排放, 而直喷式柴油燃烧产生极低的HC和CO排放。由于本文采用预混合正庚烷创造活化热氛围, 因此在各种预混合比例下发动机的CO和HC排放要明显高于传统柴油机, 同时也显著低于纯粹的HCCI燃烧。
相对传统的柴油机而言, 活化热氛围燃烧能够明显降低NOx排放 (图5) 。在中低燃空当量比下 (<0.5) , 热氛围强度对NOx排放的降低效果影响不大。然而在较高燃空当量比下, 采用较大的活化热氛围强度会导致NOx排放快速上升并接近纯柴油机水平, 在25 %～30 %的活化热氛围强度下NOx排放的升高速率依然很慢, 从而得到很好的NOx降低效果。
由于正庚烷HCCI燃烧理论上不产生碳烟, 因此图5中未列出HCCI燃烧的烟度排放。如果将纯柴油机燃烧的活化热氛围强度视为0, 发现在总燃空当量比<0.55时, 在同一总燃空当量比下热氛围强度越大则烟度排放越高。当总燃空当量比>0.65后, 纯柴油机的碳烟排放大幅度增加, 而采用活化热氛围燃烧则可以显著降低整机的烟度排放。
2.4 直喷供油提前角对活化热氛围燃烧的影响
在试验中, 保持气口喷射的正庚烷质量不变 (11.1 mg/cycle) , 即正庚烷缸内放热量和活性基团绝对数量不变, 分别考察了供油提前角为9 °CA、7 °CA、5 °CA下的负荷特性。图6为不同供油提前角下的燃烧特性。由于预喷射油量相同, 所以在3种供油角度下的低温和高温反应基本相同, 但是扩散燃烧却有显著的差别。
图7为3种供油提前角下的活化热氛围的排放特性。在3种供油角度下, HC排放基本上随总燃空当量比的增大呈线性降低, 对供油角度的影响不大。然而, 供油角度对CO的排放却有显著影响, 供油时刻越早, CO排放越低;总燃空当量比增大, CO排放也进一步降低。这是因为CO的排放主要受温度的影响, 供油时刻提前, 总燃空当量比增大, 导致最高燃烧温度上升, 从而加速CO向CO2转化, 降低了CO排放。供油角度的推迟同样显著抑制活化热氛围燃烧的NOx排放, 总燃空当量比越大, 推迟供油对NOx排放的抑制效果更加显著。在3种供油提前角中, 9 °CA时的烟度则明显高于其他2种。
3 结论
(1) 随着活化热氛围强度的增大, 柴油扩散燃烧阶段的着火时刻只有略微提前, 最大放热率却逐渐减小。
(2) 采用适当强度的活化热氛围可以显著降低高负荷下的NOx排放, 然而活化热氛围强度超过某一临界点后, NOx抑制效果开始减弱。活化热氛围对较小燃空当量比下的烟度排放无明显影响;在较大燃空当量比下, 随着预混合比例的增高, 烟度排放显著改善并达到最低, 之后则开始增加并在某一比例下达到极大值, 随着预混合比例的进一步增高, 烟度排放再次下降。
(3) 与HCCI燃烧发动机相比, 活化热氛围燃烧具有更低的CO和HC排放。与传统的柴油机相比, 活化热氛围燃烧具有较低的NOx排放, 但是当热氛围强度较高时会导致高负荷下NOx排放快速增长;在中小总燃空当量比下, 活化热氛围燃烧引起烟度排放有所增加, 但是却可以显著降低高负荷下的烟度排放。
(4) 推迟喷油可以显著降低活化热氛围燃烧的NOx排放, 但是会导致CO排放的升高。
摘要：采用气口喷射正庚烷形成稀薄均匀混合气, 利用其低温和高温化学反应释放的热量和生成的活性基团在柴油喷入气缸前形成活化热氛围, 研究了活化热氛围强度对直喷柴油燃烧和排放的影响。研究发现:随着正庚烷比例的增加, 活化热氛围强度增大, 柴油扩散燃烧着火时刻略有提前, 最大放热率明显降低, 高负荷下的NOx和烟度排放显著降低;活化热氛围强度超过某一临界点后, NOx抑制效果开始减弱并单调升高, 而烟度排放开始升高到极大值后再次降低。综合各个负荷下的排放, 热氛围强度不适宜过强, 在试验条件下20%30%最佳。
关键词：内燃机,柴油机,正庚烷,活化热氛围,燃烧,排放
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