碳平衡法（共7篇）
碳平衡法 篇1
1 概述
随着全球能源危机的出现和加剧, 世界各国近年来都不断寻找节能与可持续发展的方法。汽车作为能源消耗的大户, 目前各国对本国各型车辆的油耗限值以及排放标准要求的日趋严格。
汽车的百公里燃油消耗量是衡量汽车油耗的重要指标。目前测量汽车油耗的方法有质量法, 容积法以及碳平衡法。质量法与容积法的特点是精度高, 测量准确, 但是测量所需要时间长, 而且需要拆卸油管。碳平衡法虽然测量精度比前两种方法略低, 但偏差仍在允许的范围内。而且碳平衡法的最大优点是方便快捷, 不需要拆装油管, 因此用碳平衡法测量汽车油耗近年来被广泛应用。
2 碳平衡法的基本原理
汽油与柴油的主要成分为碳氢化合物, 即汽油、柴油中主要包含C和H两种元素。而其碳元素在燃烧后主要包含在其燃烧产物CO2、CO、HC化合物中。碳平衡法就是根据元素的质量守恒定理, 即燃烧前柴油中所含碳元素的质量等于其燃烧产物中碳元素质量之和。通过测量各燃烧产物的量得到其中碳元素的质量, 再根据碳元素在柴油中所占的质量百分比就可算出相应的柴油消耗量。因此建立碳平衡法需要以下条件的成立:
(1) 燃烧产物中的碳仅包含在CO2、CO、HC化合物及碳烟中, 并且CO2、CO、HC化合物及碳烟中的碳都来自于柴油中。
(2) 燃烧产物中碳元素质量之和等于汽油中所含碳元素质量。
(3) 被测车辆技术状况良好, 排气系统无漏气现象, 曲轴箱窜气量较小。
3 汽油机碳平衡法模型的建立
根据GB/T 19233—2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》中规定, 汽油中碳的质量比为0.86655, 即CWFF=0.86655。碳氢化合物中碳的质量比为0.866, 即CWFHC=0.866。由于汽油中主要包含C和H两种元素, 则设汽油的化学式为CnHm。所以:
经计算, 则汽油的化学式为:C8.6655H16.014。设碳氢化合物的化学式为HXC, 所以:
解得:x=1.8568。碳氢化合物的化学式为:H1.85566C。
汽油燃烧后的产物主要为CO2、CO、HC化合物, 其他成分较少可以忽略。因此汽油燃烧的化学反应方程式为:
其中x和y为方程式配平后CO2与CO的系数, 反应了CO2与CO生成量的多少, 这两个系数与汽油的不完全燃烧率有关, 其中x随汽油的不完全燃烧率的增大而减小;y随不完全燃烧率的增大而增大, 即不完全燃烧率越高, 燃烧同量的汽油生成的CO2越少, 生成的CO越多。
从上述汽油燃烧的化学反应方程式可以看出, 产物CO2、CO、HC化合物中所含碳的质量等于生成这些产物所燃烧的汽油中的碳的质量。设VCO2、VCO、VH1.85566C分别为CO2、CO、HC化合物所占排气总的干体积QZ的体积百分数。由于1mol任何气体在标准状态下的体积为22.4L, 另GBT 19233-2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》中规定汽车尾气中CO2、CO、HC化合物的碳的质量比分别为0.273、0.429、0.866, 则尾气中碳元素的质量总和MC1为:
设车辆以速度v km/h行驶了t (h) , 消耗的燃油量为M (L) , 燃油的单位体积含碳量为b。则:
单位里程燃油消耗量FE为:
百公里燃油消耗量FC为:
设体积为1L的汽油, 其密度为ρ (kg/L) , 则该汽油的质量为ρ (kg) 。由于汽油中碳的质量比为0.86655, 则该汽油中的碳的质量为0.86655ρ (kg) , 所以该汽油的单位体积含碳量为0.86655ρ (kg/L) 。百公里油耗公式变为:
其中:QZ为排气总的干体积 (L) ;v为被测车辆的行驶速度 (km/h) ;t为被测车辆行驶时间 (h) ;ρ为被测车辆所使用汽油的密度 (kg/L) 。
4 柴油机碳平衡法模型的建立
由于柴油机的结构特点以及工作特性决定了柴油机与汽油机的排放物存在明显的差异。其中柴油机颗粒物的排放量为汽油机的30~80倍。其直径大约在0.1~10μm范围内, 其中对人体和大气环境危害最大的是2.5μm左右的微粒, 它悬浮于离地面1~2m高的空气中, 容易被人体吸入, 不但对人体产生危害, 也是造成能见度变差的原因。当柴油车加速或者在车况差时, 会产生更多的碳烟。而目前世界各国家与地区的柴油机碳平衡法测量油耗的模型中都没有将排放的碳烟考虑其中。因此本文的模型中将把碳烟考虑在内。
4.1 烟雾计算模型的建立[2]
根据我国现行国家标准GB 18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法 (中国Ⅲ、Ⅳ阶段) , 柴油车烟雾排放水平通过测量光吸收系数k值来评价。光吸收系数即反应了排放颗粒物的数量、粒径, 又反映了光衰减系数。如果确定了废气流量, 就可以计算出颗粒物的排放量。定义单车颗粒物排放量qV为:
式中, qV为单车行走1km排放的光吸收系数为1m-1的碳烟排放量, 单位为m2/vehgkm;Grexh为车辆运行1km的尾气排放量, 单位为m3, k为被测碳烟的光吸收系数, 单位为m-1。
柴油机燃烧后向大气排放的产物有完全燃烧产物CO2和H2O, 也有不完全燃烧产物CO, HC, 自由C以及残余O2、N2等, 且自由C含量较高。根据化学反应平衡原理, 1km燃料燃烧后气态产物的总量为:
式中, CMO、MCO2、MH2O、MC、MO2、MN2为1kg燃料燃烧后生成CO, CO2, H2OC, O2, N2的千克摩尔数, 单位为:kg-mol/kg。令:MCO=φgC/12;MCO2= (1-φ-φ) g C/12;MC=φgC/12;MG2O=gH/2;MN2=0.79αL0;MO2=0.21 (α-1) L0+21φ12gC+φ12gC。其中gC为1kg燃料中碳的含量, 单位为kg;φ为碳元素中以自由碳状态排出的百分比;φ为碳元素中燃烧转化成CO的百分比;α为过量空气系数;L0为理论空燃比, 通常取14.7。
将代入式 (9) 中得:
液体燃料的体积与气体燃料的体积相比较小, 故略去, 则燃烧前的工质数量为空气的千克摩尔数值L=φL0。柴油机排气中的CO的含量很低, 也略去, 则φ≈0。
则燃烧前后工质的分子量变更系数β为:
根据H和C个数比可推出柴油中的氢含量。这里取gH=0.130kg。
因此只要测得单位里程油耗量mf和过量空气系数α, 就可得到排气流量:
式中, Grexh为柴油机的排气流量, 单位为m3/km;mf为单位里程的油耗量, 单位为L/km;
因此, 当确定了排气光吸收系数k值后, 就能得到单位里程的烟雾排放量。
式中, k为柴油车排出废气的光吸收系数, 单位为m-1;qV为柴油车单车烟雾排放量, 单位为m2/vehgkm。
在确定过量空气系数和光吸收系数时, 因为碳烟及其它成分的排放浓度会有波动, 因此需要连续积分取样, 并取平均值。因此式 (13) 可变为:
假设测量1辆车行驶1km排放的烟雾量, 则式 (14) 中qV的单位变为m2。因此qV/k/变为1辆车行驶1km排放的颗粒物的总体积GT, 设排放的颗粒物的平均浓度为ρ (kg/m3) , 则ρg GT为排放颗粒物的总质量。
因为碳烟的质量占颗粒物总质量的40%~50%, 我们这里取45%[3], 所以所排放的碳烟质量为0.45ρg GT。
则单车单位里程所排放的碳烟总质量 (kg) 为:
4.2 油耗模型的建立
根据GB/T 19233—2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》中规定, 柴油中碳的质量比为0.8658, 即CWFF′=0.8658。碳氢化合物中碳的质量比为0.866, 即CWFHC′=0.866。由于柴油中主要包含C和H两种元素, 则设汽油的化学式为CnHm。所以:
经计算, 则柴油的化学式为:C8.658H16.104。设碳氢化合物的化学式为:HXC, 所以:
解得:x=1.8658。碳氢化合物的化学式为:H1.8658C。
柴油燃烧后的产物主要为CO2、CO、HC化合物, 其它成分比如碳烟等较少可以忽略。因此柴油燃烧的化学反应方程式为:
从上述柴油燃烧的化学反应方程式可以看出, 产物CO2、CO、HC化合物中所含碳的质量等于生成这些产物所燃烧的柴油中的碳的质量。设VCO2、VCO、VH1.85566C分别为CO2、CO、HC化合物所占排气总的干体积的体积QZ百分数。由于1mol任何气体在标准状态下的体积为22.4L, 另GBT 19233-2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》中规定汽车尾气中CO2、CO、HC化合物的碳的质量比分别为0.273、0.429、0.866, 设车辆以速度v (km/h) 行驶了t (h) , 消耗的燃油量为M (L) , 则尾气中碳元素的质量总和MC1为:
燃油的单位体积含碳量为b。则:
单位里程燃油消耗量mf为:
解得:
百公里燃油消耗量FC为:
设体积为1L的柴油, 其密度为ρ1 (kg/L) , 则该柴油的质量为ρ1 (kg) 。由于汽油中碳的质量比为0.8658, 则该汽油中的碳的质量为0.8658ρ1 (kg) , 所以该柴油的单位体积含碳量为0.8658ρ1 (kg/L) 。百公里油耗公式变为:
其中:为排气总的干体积 (L) ;v为被测车辆的行驶速度 (km/h) ;t为被测车辆行驶时间 (h) ;ρ1为被测车辆所使用柴油的密度 (kg/L) ;ρ为颗粒物的平均浓度 (kg/m3) ;α为过量空气系数的平均值;L0为理论空燃比, 通常取14.7。
5 结论
(1) 经过计算推导得出汽油机碳平衡法计算百公里油耗的公式为:
(2) 经过计算和推导, 得出考虑碳烟的情况下柴油机的碳平衡法计算百公里油耗的公式为:
由于此公式中参数较多, 在实际应用过程中未知参数的测量比较繁琐和复杂, 所以此公式有待于进一步的优化。
参考文献
[1]GB/T19233—2008, 轻型汽车燃料消耗量试验方法.
[2]王生昌, 刘浩学, 等.公路隧道柴油车烟雾基准排放量研究.人类工效学, 2004, 12.
[3]李岳林, 主编.汽车排放与噪声控制.北京:人民交通出版社, 2007.
碳平衡法 篇2
陆地是人类生存与发展的主要场所,人类活动已经极大地改变了陆地的本来面貌。陆地生态系统是全球碳循环的重要组成部分,并存在最大的不确定性。研究陆地生态系统碳收支/碳平衡的机制,可分析陆地碳源和碳汇以及在全球变化中的贡献,因此陆地碳循环已经成为国际地圈—生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、全球变化与陆地生态系统(GCTE)等多个核心计划的重要内容[4,5,6]。分析陆地碳库的大小及碳收支/碳平衡状态,探讨主要陆地生态系统碳收支/碳平衡过程,剖析当前影响陆地生态系统碳收支/碳平衡因素,对预测未来全球变化具有重要的意义。
1 陆地碳库的收支与平衡
在全球碳循环中,陆地碳库起着重要的作用。陆地碳库主要以3种形式存在:植物碳库、土壤有机碳库和凋落物碳库。全球陆地植被碳库在420—830PgC之间,凋落物在70—150PgC之间,土壤碳库是最大的碳库,是植被碳库的1.5—3倍,因此土壤碳库在全球碳循环中起着更大的作用[7]。陆地生态系统碳蓄积大部分集中在森林生态系统,其余储存在耕地、苔原、湿地、草原和沙漠半沙漠中。从气候类型角度看,碳蓄积则主要发生在热带地区,全球50%的植被碳和近25%的土壤碳集中在热带森林和热带草原,这是由于热带地区提供碳蓄积所需大量热量和水分。植被碳蓄积和有机土壤碳蓄积主要分布在温带森林和草地,剩余部分碳蓄积则分布在北方森林、苔原、湿地及沙漠半沙漠地区[5,8]。
在陆地生态系统碳收支/碳平衡过程中,全球植物通过光合作用所固定的总碳量(GPP)约为120PgC/a,植物通过自身的呼吸作用(RA)消耗一部分能量,约为GPP的1/2,剩下部分则为净初级生产力(NPP),即60PgC/a。微生物的呼吸作用(RH)对有机残体的分解得到净生态系统生产力,约为10PgC/a。除了异养呼吸外,还包括导致现存有机物和有机残体的损失(收割、森林清理、火灾等),最终得到的净生物群系生产力的量很少,1989—1998年期间全球NBP估计约0.7±1.0PgC/a。从NBP的数值不难能看出,整个陆地生态系统循环得到的能量是很少的,约相当于1%的NPP和10%的NEP。而人为活动的干扰,特别是化石燃料的燃烧打破了陆地生态系统碳收支的平衡[7]。
化石燃料的燃烧对陆地碳库收支平衡产生重要影响。化石燃料燃烧排放的CO2约为6.0PgC/a[7],这部分CO2如果全部保留在大气中,能使大气中CO2的浓度每年以0.8%的速率增加,但是目前增加的速率仅为0.4%。仅考虑化石燃料的因素,每年化石燃料燃烧产生的CO2只有56%(3.36PgC)保留在大气中,其余33%(2PgC)被海洋吸收。这样两部分只有89%,其余的11%就是通常所说的“未知碳汇”。如果海洋的吸收量是准确的,那么“未知碳汇”只能存在陆地,而土壤和植被是可能的碳汇[7,9]。寻找“未知碳汇”有利于更好地研究全球的变化问题,应对全球变化采取更好的应对措施,将是今后碳收支/碳平衡研究的重点。
2 主要陆地生态系统碳收支/碳平衡过程
在自然状态下,陆地生态系统碳循环的基本过程为:大气中的CO2通过植物的光合作用形成的有机碳以化学能形式储存在植物体中,植物死亡后其残体经微生物分解向大气释放CO2,这样便形成了“大气—植被—土壤—大气”这样首尾闭合的循环系统,从而实现陆地生态系统的循环过程。
2.1 森林生态系统
森林作为陆地生态系统的主体,在调节陆地生态系统与大气碳库之间的碳交换中起着巨大的“生物泵”作用。森林在全球碳循环中具有重要意义,对陆地生态系统碳收支/碳平衡过程起着重要的调节作用。全球森林总面积约为4.11×109hm2,约占全球陆地总面积的31%;全球陆地总碳库为1800PgC,其中森林生态系统碳储量达77%。目前森林包含的碳储量约占陆地生物圈地上碳储量的80%和地下碳储量的40%,其中约有2/3存在于土壤有机质中,只有约1/3储存在植被中。从纬度分布状况看,高、中、低纬度分别占全球总面积的33%、25%、42%,碳储量分别为陆地碳库的49%、14%、37%[8,10,11]。
森林生态系统的GPP具有时空尺度的变化。从时间尺度上看,在森林生长的幼林期GPP随碳吸收率不断增加,但由于以前森林中死生物量的分解作用,使呼吸量高于NPP,此年龄段的森林不会起到碳汇作用。对成熟林而言,碳的蓄积量在不断增加;发育后期森林的GPP不再增加,碳收入大于支出,表现为碳源。从空间尺度上,不同地区的森林生物量也有区别,全世界热带雨林的净初级生产量最高(37.4PgC/a),其次为热带季雨林(12.0PgC/a)、北方针叶林(9.6PgC/a)、温带落叶阔叶林(8.4PgC/a)、亚热带常绿林(6.5PgC/a)、苔原及高山植被(1.1PgC/a)[10,12]。尽管大多数森林起到碳汇作用,但由于人类活动的干扰(砍伐、炼山等)已使个别森林地变为碳源。在全球气候变化的背景下,应注重对森林的保护和管理,发挥其碳汇作用,减缓全球气候变暖的趋势。
2.2 草地生态系统
草地作为世界陆地生态系统的主体类型之一,是目前受人为活动影响较严重的区域。草地生态系统对全球变化和环境变化更为敏感,对草地生态系统碳收支/碳平衡过程的研究是正确认识全球碳循环的关键之一[13]。世界草地面积为24×108hm2,约占全球陆地面积的1/5。其中热带草原约为15×108hm2,温带草原约占9×108hm2,是世界分布最广的植被类型之一。根据WBGU估算,全球草地生态系统的碳储量约为1200PgC。其中草地植被层碳储存量约为110PgC,土壤层中约1100PgC[14]。完整的草地生态系统碳循环应包括草食动物在内的草地—草食动物—土壤界面系统下的碳循环。然而,目前对整个循环系统的研究仍不全面,尚未形成完整的循环系统框架[7,10]。
草地上的植被和大气中的CO2通过同化作用形成GPP,再经过植物自身的呼吸作用、动物的呼吸作用、植物根部的呼吸作用消耗掉大部分能量,积累了少部分能量,并释放出CO2到大气,形成草地生态系统碳循环全过程。这个过程包含了草食动物的碳摄取、碳蓄积、碳排放的3个主要环节。由于人口增长及对粮食需求的增加,大量草地被开垦成农田。Lal等研究发现,到1998年全球约6.6×108hm2的草地被开垦成农田,约占土地利用变化的40%,占温带草原的2/3,造成了19PgC的损失[15],这个过程的碳损失量超过了热带森林转化为农田导致的有机土壤损失的全球平均值(2.45×104kgC/hm2)[16,17]。此外,过度放牧也会影响草地生态系统碳收支/碳平衡过程,全世界草地退化总面积的35%是由过度放牧造成的,导致土壤中的碳释放。过度放牧可促进草地土壤的呼吸作用,从而加速土壤中的碳向大气中释放。人类的活动已极大地影响到草地生态系统碳收支/碳平衡过程。
2.3 内陆水体生态系统
内陆水体生态系统是陆地生态系统的重要类型。内陆水体碳库的大小是由内陆水体的总量及其碳容量所决定的。除广阔的海洋水体外,其余水体即为内陆水体,又被称为“地表水”。内陆水体包括河流、湖泊、沼泽、冰川和永久积雪等。全球陆地地表水储量约为2.43×1016m3,河流、湖泊、沼泽储水量只占地表水的0.8%,为24×1014m3[10]。在水体生态系统中,碳主要为溶解性无机碳(DIC)、溶解态有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)和生物有机碳(BOC)[18]。河流的碳收支受水流和流域河流体系地理相互作用程度的控制。MeybeckM研究发现,全球由河流输入海洋的碳中DIC为0.244Gt/a、DOC为0.199Gt/a、POC(包括BOC)为0.18Gt/a,分别占碳通量的45%、37.5%和18%,总共为0.623Gt/a[18]。据报道,对河流的碳汇功能的研究不多,其中对湖泊的碳汇功能看法不一致。Cole等对北美的湖泊研究发现,敞水带的生产和呼吸基本平衡,湖泊外源输入是碳释放的源[19]。然而Dowing等估算发现,湖泊的碳汇功能显著[20]。
在全球许多地区,随着人类经济活动对流域地表干扰程度的加剧,河流输送的有机碳在数量和性质等方面已经发生并且仍在发生着变化。全球陆地生态系统每年通过河流向海洋排放约0.45Gt的有机碳[21],约相当于全球陆地生态系统净初级生产量的1%—2%。而我国河流每年向海洋输运的有碳总量约为0.07Gt,占我国植被净初级生产量的3%左右。全球许多地区的植被遭到严重破坏,地表覆盖性质退化后的流域生态系统有机碳输出通量迅速提高,使近海水域陆源有机碳的沉积埋藏速率随之增加。研究和预测对水体生态系统产生重大影响的人类活动(水体富营养化等)对水体碳循环过程和功能的改变,有利于维持内陆水体生态系统的碳平衡,今后对此应加强研究[10]。
2.4 湿地生态系统
湿地是界于陆地和水体间的过渡生态类型[6]。根据《Ramsar公约》对湿地的定义,湿地指不论其为天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带,静止或流动,或为淡水、半咸水或咸水的水体者,包括低潮时水深不超过6m的水域。湿地植物的生长期内水位至少接近于地表,在土壤水处于饱和状态的嫌气性环境中,分解作用较缓慢,长时间积累形成泥炭。据加拿大1998年国家碳汇报告估计,湿地占了全球陆地面积的6%,全球泥炭地有机碳储量非常丰富。据估计,全球湿地的有机碳约为120—260Pg,占全球陆地总碳量的15%[6]。Birx等研究发现,湿地植物净化的碳仅有15%释放到大气中,表明湿地生态系统能作为一个抑制大气CO2升高的碳汇。然而,气候变暖引起湿地水温和土壤温度升高,使冰层覆盖变化、冻原融化、湿地水位下降影响湿地生态系统的生物群落演替及生物地球化学过程。人口的增加和人类活动的增强,全球湿地面积正日益减少,导致大气中CO2含量升高是不容忽视的重要因素[22]。湿地排水开垦和世界水稻种植面积的增加可能与大气中的CH4增加有关,CH4的排放量将会以每年1%的速度增加。由于这些开垦活动使湿地植被遭到破坏,土壤侵蚀作用加强,导致区域湿地生态系统碳收支/碳平衡格局发生变化[23,24]。
2.5 农田生态系统
农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,而且是全球碳库中最活跃的部分。随着世界人口的增长,人类对粮食及其它农产品的需求量日益增大,大量土壤被开垦成农田。Houghton研究发现,1850—1950年全球约有8亿hm2森林被开垦为农田,该过程已释放大量的碳[25]。IPCC的报告估计,在未来的50—100年中农田土壤可固定碳40—80PgC[7,26,27,28]。由于土地利用变化,导致碳释放量为1.1PgC。它远小于农田的碳储量,因此农田土壤可截留足够的碳来补偿未来12—24年中因化石燃料燃烧等向大气排放的CO2[7]。
农田生态系统碳循环过程是在人类活动干扰下的生态系统物质转化过程。农作物通过光合作用固定大气中的CO2,一部分合成有机物质,以食物、饲料等形式存在植物体内,并通过人和动物的消耗排放到大气中,一部分成为工业原料储存起来,另一部分直接用于植物的呼吸消耗、残体腐烂分解释放CO2到大气中,形成农田生态系统碳平衡/碳收支过程。大量的人类活动(开垦农田)影响了农田生态系统碳平衡/碳收支过程。不合理的农田活动和土地利用变化造成的CO2和CH4的排放量占大气总的气体含量的20%和70%,这些活动改变了农田生态系统的碳收支状况。因此,有必要加强对农田的管理,维持农田生态系统的碳平衡[7,12]。
3 影响陆地生态系统碳收支/碳平衡因素
影响陆地生态系统碳收支/碳平衡的因素有很多,气候变化、土地利用/土地覆被变化(LUCC)、氮沉降、火灾等扰动的发生、CO2的施肥效应等。但目前关于各个因素对陆地碳循环的贡献大小还存在许多不同的看法[5]。
3.1 气候变化
气候变化的因素有很多,本文从全球气候变暖方面来综述它对陆地生态系统碳收支/碳平衡的影响。气候变暖既可通过光合作用直接影响生态系统净生产力,又可通过土壤水分影响陆地生态系统的NPP[25]。Cao等研究发现,20世纪80—90年代全球范围内的NPP变化表明,各大洲的NPP随气候的变暖均有所增加[30]。Melillo、Chen的研究结果表明,气候变暖使森林固定的碳增多[31,32,33]。相反的观点则认为,气候变暖并不能增加NPP,反而起到降低作用。虽然温度升高植被通过光合作用可固定更多的碳,但植物自身的自养呼吸和微生物的异养呼吸也增加,最终导致NPP降低[34]。
气候变暖对植物的呼吸作用随温度的升高呈指数增加,通常用温度系数Q10表示,即以温度每升高10℃其呼吸速率增加的倍数来描述温度对呼吸作用的影响。一般认为,Q10的数值为2.0[12]。Tjoelker等通过对北极冻原、北方森林、温带森林、热带森林等树种研究发现,Q10的数值随温度升高而呈线性降低,且CO2浓度的升高并不会改变该趋势[12,37]。一般认为,气候变暖可增加植被碳库,还可增加凋落物的量,影响陆地生态系统的碳源和碳汇,全球陆地生态系统表现为一个很弱的碳源,同时碳循环的速率加快。随着全球气候变暖,这种趋势变得更加明显[29]。
3.2 土地利用/覆被变化(LUCC)
随着碳循环研究的继续深入,土地利用/覆被变化(LUCC)对陆地生态系统碳收支/碳平衡的影响日益引起人们的关注。目前对森林转化为草地、农田的数据观测有很多不确定性,对森林转化为草地和农田到底是碳净吸收还是释放估测不一致。森林转化为草地后,这种方式可能使土壤成为碳源或碳汇。杨玉盛等对中亚热带山区土地利用变化研究发现,天然林转变为其它土地利用类型(杉木人工林、木荷人工林、经济林、坡耕地等)后,1m深土层土壤的有机碳储量从142.16t/hm2下降到69.42—105.66 t/hm2,下降幅度为25.6%—51.2%。转变为坡耕地的下降幅度最大,坡耕地因本身坡度大、夏季多暴雨及人为的严重干扰(火烧、炼山等),使土壤有机碳储量明显下降;表层土壤因土地利用方式变化有机碳储量下降幅度比深层土壤多[38]。Cerri等研究发现,在巴西亚马逊的玛瑙斯地区,良好的管理方式使土壤中碳储量有所增加;相反,没有良好的管理甚至不管理的土壤碳储量严重下降[39]。森林转化为草地后,如果不进行管理,土壤碳储量也会大幅度下降。Eden和Detwiler的研究也发现,管理对土壤碳储量的增加具有重要影响[40,41]。不管是森林还是草地转化为农田都会造成大量的碳释放[42]。
随着人口的急剧增加,大量湿地被转化为农田和城市建筑用地。在这个转化过程中,湿地将释放大量的碳。湿地尽管是CH4的主要排放源,但湿地生态系统可吸收大量的CO2,且吸收量远远大于CH4的排放量。IPCC指出,湿地生态系统是陆地生态系统的重要碳库,约占陆地生态系统总碳库的10%。Maltby和Immirzi研究发现,湿地转化为农田后将导致生态系统释放2.5—10Mg/Chm2·a,而热带湿地的旱化可能造成每年释放40MgC/hm2[45]。为此,我们应加强湿地保护,发挥其原有的碳汇功能。然而,旱地向湿地转化情况正好相反,它会使湿地吸收大量的碳,减缓大气中CO2浓度的上升。这种情况在我国这样一个人口众多的国家是很少发生的。由于人为因素的复杂性,土地利用/覆被变化(LUCC)对陆地生态系统碳收支/碳平衡的影响定量化研究是比较困难的。“3S”技术的发展为此研究提供了重要手段,土地利用/覆被变化(LUCC)对陆地生态系统碳收支/碳平衡的机制有待进一步研究。
3.3 氮沉降
人类活动极大地改变氮素从大气向陆地生态系统的输入方式,对陆地生态系统碳收支/碳平衡产生重要影响。氮素输入的增加会刺激植物的生长,提高其净初级生产力和碳蓄积量[46,47]。最早估算氮沉降引起碳蓄积量增加的方法是Melillo和Gosz提出的[48]。通过实验,他们得到氮输入引起森林碳蓄积为0.3Pg/Ca;Schindler和Bayley得到氮输入引起的陆地生态系统碳蓄积量为0.65—1.95PgC/a[49,50];Field等研究估算出北方针叶林和北半球温带森林因氮沉降引起的碳蓄积量为0.3—0.25PgC/a[51,52]。
长期的氮输入对土壤有机质分解也会产生影响。大量研究发现,长期的氮输入会提高氮的初期矿化速率,降低土壤的C/N,以及降低土壤有机质的分解和养分的释放[53]。莫江明等对广东鼎湖山的森林植物凋落物研究发现,氮输入的初期促进了马尾松(Pinus massoniana)凋落物的分解,对荷木(Schina superba)的影响明显不如马尾松显著[54]。Bowden等对美国Harvard森林长达13年的氮施肥(15g N/m)发现,在生长季节土壤的呼吸速率下降41%左右[55,56]。氮输入引起微生物活性降低也是土壤排放量减少的重要原因之一。通过一系列的研究发现,氮沉降对陆地生态系统碳收支/碳平衡产生影响,但在量上是如何影响的还有待继续研究。
3.4 火灾扰动的发生
火灾过程中释放大量含碳气体是火干扰碳循环的直接影响,也是陆地生态系统过程中碳的净损失过程。此过程释放碳,主要气体是CO2、CO、CH4,各自占总排放源的45%、21%、44%。估算发现,全球每年因火灾释放到大气的碳约4PgC,相当于每年人为化石燃料燃烧释放量的70%[57]。火灾改变了整个生态系统的年龄结构。在植物生长的初期,由于植被较少,生态系统的净初级生产力较低。随着年龄的增长,NPP增加,但达到一定的年龄便不再增长。火干扰后生态系统往往需要很长时间才能恢复。Hicke等对北美洲北方针叶林的研究发现,火干扰迹地NPP恢复到原来水平需要9a[58];Harden等在模拟北美洲地区火干扰对碳循环的影响时发现,NPP恢复到火干扰前的水平则需要10a[57,59]。
火灾的发生可使地上和地下的生物量严重减少,从而改变生态系统的原有格局和过程。火干扰还会改变土壤的理化性质,间接影响陆地生态系统的生产力,进而影响整个陆地生态系统碳收支/碳平衡的过程[57]。火干扰后,地表物质的消耗和树冠及植被的破坏影响到土壤、植被的蒸发和蒸散等水交换过程,进而对土壤的呼吸作用产生影响。Sawamoto等对西伯利亚地区的研究发现,火灾后土壤呼吸作用降低,而异养呼吸却升高。Richter、Hicke等均得到了一致的结论[60]。人类活动既可能增加一些地区的火灾发生几率,同时人类有目的的防火措施又有可能减少一些地区的火灾发生或控制火灾的蔓延,火灾次数的改变可影响到陆地生态系统的结构和功能,改变陆地生态碳收支与碳平衡[61]。火干扰是一个综合作用的过程,研究此过程应综合考虑气候变化、生产力之间的因素,定量研究火干扰对陆地生态系统碳收支/碳平衡过程的影响。
3.5 CO2的施肥效应
CO2的施肥效应通常认为是因为大气中CO2体积分数的增加直接影响植物的光合作用,进而提高NPP,这个过程是明显的碳汇过程[4]。随着大气CO2增加,温度也增高,生态系统的生物呼吸作用加快。但是,这个过程是否能导致生态系统代谢过程的加快,主要取决于光合作用与呼吸作用之间的平衡。
随着CO2浓度的不断升高,陆地生态系统将是人类活动引起碳排放的一个潜在碳汇,但不同类型的植物光合速率提高的幅度有所不同,如C3植物(小麦、水稻等)光合速率比C4植物(玉米、高粱等)高,引起光合速率上升的原因是增加Rubisco羧化酶活性、降低加氧酶活性,加速碳同化过程[62]。C4植物的光合速率对CO2浓度产生更强的光合作用,当光合能力超过了植物转移与储藏碳水化合物的能力时,植物就减少光合作用装置及酶系统来适应,陆地生态系统的碳汇能力将会由强变弱[63]。从长远的角度来看,所有NPP都将成为死生物量(残屑)并通过异养呼吸或自然及人为造成的火灾等扰动返回到大气碳库中[7]。CO2的施肥效应影响了陆地生态系统碳收支与碳平衡。随着工业经济的发展,CO2的施肥效应对陆地生态系统碳收支与碳平衡的影响力已经大大超越了工业革命前,并且呈持续上升的趋势。此外,废弃地和砍伐森林的再生、虫灾的扰动、土壤水分等因素都会使陆地生态系统的碳储量发生变化。但是,目前有关影响陆地碳储存的看法并不相同[64],有必要开展进一步的研究,可结合“3S”技术对陆地生态系统碳循环的影响过程进行模拟。
4 陆地生态系统碳收支/碳平衡研究展望
陆地生态系统碳收支和碳平衡是受人类活动影响最大的部分,存在着极大的不确定性。当前陆地生态系统碳收支和碳平衡应加强以下研究[65,66,67,68,69,70]:(1)用现有的研究手段和成果,加强碳收支/碳平衡的地面观测和数据采集,建立全球碳通量观测网络,为碳收支/碳平衡的全球预测奠定良好的数据基础。(2)在碳收支/碳平衡模型方面,应建立全球碳收支/碳平衡动态模型,探讨几年到几千年碳收支/碳平衡动态的控制与反馈机制,加强陆地碳收支/碳平衡模型与遥感、GIS技术相结合,模拟更大尺度的碳收支/碳平衡过程。(3)定量分析过去及当前的气候变化、土地利用/土地覆被变化(LUCC)对碳收支与碳平衡的影响。(4)进一步寻找“未知碳汇”。研究陆地生态系统碳收支/碳平衡过程中CO2源/汇强度的季节分布特征和年际间的变化特征。(5)加强对影响陆地生态系统的因素对碳收支/碳平衡研究,特别是从定量角度进行研究。
碳平衡法 篇3
末端负荷不均衡是三相负荷不平衡率高的主要原因, 一般采用调整负荷的方式进行解决。由于从低压主干线、分支线连接到电能表箱的接户线采用的是单相两线制模式, 原始的调整方法只能使主干线路达到三相负荷均衡, 而接户线部分的中性线电流一直存在且很大, 造成接户线电能损耗严重, 不能彻底解决线路损耗高的问题。
针对上述情况, 笔者建议采用三级负荷平衡法:主干线路、分支线路到表箱的接户线均采用三相四线制模式接线, 根据表箱内各客户用电负荷情况, 将电能表合理分配, 使负荷均匀分布到各相, 从而实现配电盘总负荷一级平衡、低压分路出线二级平衡、表箱三级平衡, 彻底解决三相负荷不平衡带来的各种问题。
除此之外, 为保持台区三相负荷的平衡, 还应定期对配电变压器进行负荷电流的现场测量, 发现负荷不平衡情况严重时, 及时调整各表箱所带负荷, 尽量使三相负荷就地平衡。
碳平衡法 篇4
自2008年以来, 我国天然气汽车行业得到了快速的发展, 天然气汽车在道路运输行业得到了广泛应用, 但是我国天然气汽车气耗量的检测缺乏统一有效的方法, 气耗量检测设备的缺乏是重要原因。近年来, 国家不断出台相关的标准来规范天然气汽车的使用, 其中GB/T 23335-2009《天然气汽车定型试验规程》是天然气汽车生产准入管理的重要依据, 其对压缩天然气、液化天然气、两用燃料和双燃料等不同类型的天然气汽车的排放性、动力性、经济性、操稳性、可靠性以及专用装置等均提出了性能要求, 并规定了相应的试验方法。但因受到测量技术的限制, 对于天然气汽车的燃料经济性测量并没有完全执行。因此研究适用于不同类型天然气汽车燃料消耗量检测方法可以为我国天然气汽车的规范管理提供一个科学的、有效的手段, 为整车生产企业开发天然气汽车提供技术依据, 能够进一步推动道路运输行业天然气汽车的应用, 实现道路运输行业能源的多元化和清洁化, 降低企业运营成本, 减少尾气排放[1]。
本文通过分析我国天然气汽车行业发展现状, 借鉴利用碳平衡法燃油消耗量测量的原理, 建立基于碳平衡原理的天然气汽车燃料消耗量计算模型;对比分析闭式和开式碳平衡检测系统的结构工作原理及适用范围, 确定采用开式稀释采样方式进行天然气燃料消耗量检测系统开发;结合天然气汽车燃料消耗量计算模型中技术参数需求, 设计开发了碳平衡气耗仪。
2 基于碳平衡原理建立气耗量测量模型
依据质量守衡定律, 燃料在发动机气缸内燃烧, 不论燃料的燃烧状况如何, 燃料燃烧后生成的尾气中碳元素质量应等于燃料燃烧前的碳元素质量。因此, 可建立基于碳平衡原理的天然气汽车燃气消耗量的测量模型:燃气燃烧前的碳质量总和等于燃气燃烧后尾气中碳质量总和[2]。
车用天然气主要由碳氢化合物 (烃) 组成, 不同地区所供应的天然气组分含量有所差异。通过对多家天然气供应企业的调查研究发现, 天然气中各成分所占质量分数的范围为:碳质量75.3%~76.2%, 氢质量23.8%~24.7%, 其它物质质量远小于1%。当燃气密度d G (kg/m3) 以及燃气中的碳质量分数MGC确定时, 即可确定该燃气单位体积的碳元素质量MGC (kg) 。
天然气在汽车发动机气缸内燃烧时, 燃气中的碳与空气中的氧反应生成二氧化碳 (CO2) 。燃气中的氢与氧反应生成水蒸气 (H2O) 。当气缸内供氧不足时, 天然气燃烧不完全就会有一氧化碳 (CO) 和碳氢 (HC) 生成, HC是未燃烧完全的天然气分解产生的气体。因此, 天然气汽车尾气中含碳气态为CO2、CO以及HC[3]。当单位体积天然气燃烧后, 测得排放尾气中的CO2、CO、HC气体平均质量为MCO2、MCO、MHC (kg) , 计算可得CO2、CO的碳元素质量分数分别为0.273、0.429, 假设HC气态化合物的碳质量分数为mHC, 单位体积的天然气燃烧后排放气体的碳质量为:
依据碳平衡原理, 燃料燃烧前的含碳元素质量总和等于燃料燃烧后生成物碳元素质量总和, 即天然气燃烧前后碳质量守恒, 则有:
假设天然气汽车行驶里程为S (km) , 平均气耗为Gs (km/m3) , 则车辆行驶里程为S所消耗燃气中碳质量为:
车辆行驶S后, 再由实验测得数据计算排放气体中CO2、CO、HC的平均排放质量MCO2''、MCO''、MHC'' (kg/km) 。可由以上公式推算车辆行驶历程S所耗天然气燃烧后, 排放气体中碳质量和∑MC'' (kg) 为:
同理, 依据碳平衡原理有:
当用百公里燃气消耗量表征车辆燃气消耗量时, 上式可转换为:
其中, 燃气密度d G的取值定为天然气平均密度0.654 kg/m3 (288.15 K、101.33 k Pa) ;燃气中的碳质量分数m GC的取值为平均值75.75%;取目前国内使用最为广泛的车用天然气进行组分测量, 测得其主要碳氢组分CH4、C2H6、C3H8的平均含量分别为94.13%、3.253%、0.637%, 再根据这三种组分所含的碳质量分数分别为75%、80%、82%, 对应相乘相加得到未燃碳氢气体中碳质量分数m HC约为0.737。则有:
因此, 当燃气密度d G (kg/m3) 与燃气中的碳质量分数m GC确定时, 只需测得尾气中二氧化碳、一氧化碳以及未燃碳氢气体的质量即可由上式计算出天然气的消耗量。
3 基于碳平衡原理的气耗检测系统分析
基于碳平衡原理检测在用天然气汽车的燃气消耗量的具体步骤是先测得燃气燃烧后排放的CO2、CO和HC气体质量, 计算出其中的碳元素质量的总和, 最后依据碳元素质量守恒推算出天然气消耗量。目前尚无直接测得含碳排放气体中碳元素质量, 只能通过先测取含碳排放气体的体积和浓度, 再由相应的关系计算得到含碳排放气体中碳元素质量总和。显然, 这种方法测量燃气消耗量的准确度就直接取决于含碳排放气体体积和浓度的测量准确度[4,5]。
用于测量在用天然气汽车燃气消耗量的碳平衡气耗仪的基本功能是测取车辆排放尾气的体积和浓度, 基本组成部分是排气体积测量系统以及浓度测量系统。排气体积的测量通常是利用流量计测量排气流量, 再依据测得的排气流量, 计算得到在测试时间内汽车排放气体的体积, 而气体浓度则是用相应的气体浓度测量仪直接测得。测取汽车排气流量和浓度的元器件类型、规格、型号较多, 不同的方式组合形成各有特点的测量系统。组成系统的好坏评价标准是测量汽车含碳排气气体浓度和体积的数据准确度、系统结构的繁简和操作的方便程度。
目前, 利用碳平衡原理测量在用天然气汽车含碳排气气体浓度和体积的方式主要是以下两种:
(1) 直接测取车辆的排气体积和排气中的含碳气体浓度, 将检测装置的采样管与汽车排气管密闭连接。
(2) 不通过将检测装置的采样管与汽车排气管直接连接来收集排气, 而是测取由环境空气稀释过的排气体积, 从原始排气采样或者从稀释排气采样测取含碳气体浓度。
第一种系统为闭式碳平衡排气测量系统, 第二种系统为开式碳平衡排气测量系统。基于碳平衡原理的天然气汽车闭式气耗检测系统由闭式碳平衡排气测量系统和检测工况模拟系统构成, 开式碳平衡气耗检测系统由开式碳平衡排气测量系统与检测工况模拟装置构成。针对开式碳平衡气耗检测系统测取排放气体含碳浓度的方法不同, 又将其分为开式直接采样气耗检测系统和开式稀释采样气耗检测系统。
开式稀释采样气耗检测系统并非通过直接从原始汽车排气中采样来测量原始排气含碳量, 而是通过测取稀释排气流量及稀释排气含碳气体浓度来确定原始排气含碳量, 由此可见, 开式稀释采样气耗检测系统不仅排除了开式直接采样气耗检测系统中不可变稀释比的测定误差对气耗量检测准确度的影响, 并且结构也相对简单, 可以利用流量控制器调控风机风量 (调控稀释比) , 实现对各种排量天然气汽车燃气消耗量的检测[2], 其工作原理如图1所示。本文选用开式稀释采样气耗检测系统继续进行天然气汽车尾气采样。
碳平衡气耗仪的硬件系统主要由3个测量子系统和1个控制子系统组成, 分别用于测量稀释排气流量、稀释排气流量、排气含碳气体浓度以及对测量子系统的协调控制。
1.汽车原始排气2.环境空气3.排气稀释管4.风机5.压力传感器6.温度传感器7.流量传感器8.排入大气的稀释排气9.稀释排气含碳气体浓度取样探头10.含碳气体浓度测量装置11.稀释排气流量处理器12.稀释排气流量控制器13.测控子系统14.主控计算机15.底盘测功机加载控制系统16.司机助17.底盘测功机
由开式稀释采样气耗检测系统, 和底盘测功机构成的碳平衡气耗检测系统的工作流程, 如图2所示。
4 试验验证
基于碳平衡气耗仪结构工作原理分析结果, 本文设计开发了试验样机。为了分析设计开发的碳平衡气耗仪测量结果的准确性, 分别选用LNG宇通客车和东风危险品运输车, 在苏州狮山机动车检测中心进行了燃料消耗量的对比测试试验, 试验过程如图3和图4所示。试验过程中, 采用科里奥利力质量流量计的测量结果作为对比[6], 对比试验结果如表1和表2所示。
通过对比试验分析可得:设计开发的天然气气耗仪与采用科里奥利力质量流量计的测量结果相对误差为5%左右, 基本满足在用天然气汽车燃料消耗量测试需求。
5 结论
本文通过分析天然气组份, 基于碳平衡原理建立了天然气汽车燃料消耗量计算模型。针对天然气汽车排放的尾气中CO2、CO和HC采样问题, 对比分析闭式和开式碳平衡检测系统的结构工作原理及适用范围, 确定采用开式稀释采样方式进行天然气燃料消耗量检测系统开发, 提出了天然气气耗仪结构工作架构图。
结合天然气汽车燃料消耗量计算模型中技术参数需求以及天然气气耗仪结构工作原理架构, 设计开发了碳平衡气耗仪试验样机。为了分析设备工作的可靠性和测量的准确性, 选用LNG宇通客车和东风危险品运输车作为试验样车, 利用科里奥利质量流量计对其进行标定。
通过对比试验可知:碳平衡气耗仪与科里奥利质量流量计相对误差为5%, 基本满足在用天然气汽车燃料消耗量检测的需求。
参考文献
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[4]刘军, 高建立, 穆桂脂, 谢文磊.基于碳平衡法的汽车燃油消耗量快速测量系统开发[J].内燃机工程, 2008, 12, (6) :73-76.
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用“旋转法”解决动态平衡问题 篇5
一、用转法解决动态问题的思路和步骤
当一个物体在三个共点力的作用下处于动态平衡状态时,物体所受力的变化具有这样 的特点:其中某一 个的大小、方 向都保持不变;第二个力的方向 不变、大小变 化(或大小不 变、方向变化);第三个力的大小、方向都变化.力的大小、方向变化情况在力的矢量三角形中分别 由三条边 的长短、方向 来体现.所以,解决此类问题的关键是 在理解题 意的基础 上,正确分析 矢量三角形三条边的变化情况.
具体的解题思路和步骤如下:1.建立矢量三角形,明确三条边对应的三个力,使问题“化动 为静”.2.分析三个 力的变化特点,分别做上标记“1”、“2”、“3”.在矢量三角形中,将大小、方向都不变的力对应的 边标为“1”;将只有大 小不变 (或方向不变)的力对应的边标为“2”;将第三个 变化的力 对应的边 标为“3”.这样标记后,三角形的三条边分别称为1号力、2号力和3号力.3.旋转3号力,使问题“化静为动”.在矢量三角形中,保证2号力方向不变、大小变化(或大小不变、方向变化)这一特点按照题意要求的方向,以1号力和3号力的顶点为圆心,旋转3号力,使问题“由静为动”.4.分析各力的变化情况.
二、例题赏析
例1(2012年新课标 卷)如图1,一小球放 置在木板 与竖直墙面之 间 .设墙面对 球的压力 大小为N1,球对木板 的压力大小为N2.以木板与 墙连接点 所形成的 水平直线 为轴 ,将木板从图 示位置开 始缓慢地 转到水平 位置 .不计摩擦 ,在此过程中()
(A)N1始终减小,N2始终增大
(B)N1始终减小,N2始终减小
(C)N1先增大后减小,N2始终减小
(D)N1先增大后减小,N2先减小后增大
解析:1、球在重力G、墙面对球的压力大小为N1、木板对球的支持力N2′,三个力的作用下处于动态平衡状态.做出球的受力分析图,由合成法得出矢量三角形OMN.
2.三角形的OM边表示重 力G,大小、方向都 不变,标记“1”;MN边表示墙对球的压 力N1,方向不变、大 小变化,标记“2”;ON边表示球的重力、墙面对球的压力N1的合力(与木板对球的支持力N2′等大而反向),标记“3”.
3.以1号力和3号力的顶点O 为圆心,以3号力的边长ON为半径按题意所述顺时针方向旋转.
4.由3号力端点N的位置左移确定矢量三角形变小,MN、ON的长度均变小,所以墙面对球的压力N1、木板对球的支持力N2′均变小.
由牛顿第三定律可知本题答案应选(B).
例2用A、B两个弹簧秤拉橡皮条的D端(O端固定),当D端达到E处时,α+β=90°.然后保持A的读数不变,α角由图2中所示的值逐渐变小时,要使D端仍在E处,则β角___(选填:增大、保持不 变或减小 ),B弹簧秤的 拉力大小___.(选填:增大、保持不变或减小).
解析:1、由题意可知,橡皮条的自由端在橡皮条的拉力F、弹簧秤A的拉力FA和弹簧秤B的拉力FB三个力的作用下处于平衡状态.其中,弹簧秤A的拉力FA和弹簧秤B的拉力FB的合力F′,跟橡皮条的拉力F等大、反向.做出受力分析图3,由合成法得出矢量三角形EAB.
2.三角形的EB边表示弹簧秤A的拉力FA和弹簧秤B的拉力FB的合力F′,跟橡皮条的拉力F等大、反向,由于D端仍在E处,所以,F′的大小、方向都不变,标记“1”;EA边表示弹簧秤A的拉力FA,由于A的读数不变,角α由图中所示的值逐渐变小,所以,FA大小不变,方向变化,标记“2”;AB边表示弹簧秤B的拉力FB,大小、方向都变化,标记“3”.
3.以1号力和3号力的顶点B为圆心,以3号力的边长AB为半径按题意所述顺时针方向旋转.
4.由3号力端点 A 的位置沿着圆弧向右移动,确定矢量三角形变小,则β角减小,B 弹簧秤的拉力大小也减小.
例3在固定于地面的光滑斜面上垂直安放了一个 挡板,截面为1/4圆的柱状物体甲放在斜 面上,半径与甲 相等的光滑圆球乙被夹 在甲与挡 板之间,乙没有与斜面接触而处于静止状态,如图4所示.现在从球心处对甲施加一平行于斜面向下的力F使甲沿斜面方向缓慢地移动,直至甲与挡板接触为止.设乙对挡板的压力为F1,甲对斜面的压力为F2,在此过程中()
(A)F1缓慢增大,F2缓慢增大
(B)F1缓慢增大,F2缓慢减小
(C)F1缓慢减小,F2缓慢增大
(D)F1缓慢减小,F2保持不变
解析:对乙受力分析如图5(1)所示.类似例题1的解题思路,运用旋转法可知挡板对乙的弹力F1,逐渐减小;对甲、乙整体研究,受力分析如图5(2)所示,甲对斜面的压力F2始终等于两者重力沿垂直斜面方向的分力,因此保持不变,(D)正确.
荷载箱自平衡法技术研究 篇6
文章以重庆惠科8.5+代项目的桩基检测为例, 阐述自平衡箱施工及检测工艺。主厂最大桩径为2m。本场地工程地质分布层为人工填土层、第四系残坡积层、泥岩或砂岩。桩基承载力的检测均采用荷载箱自平衡法的工艺。
2 选择荷载箱自平衡法的原因
荷载箱自平衡法具有如下优点:1大吨位试验可靠性高;2测量数据准确;3试验桩处理后可用于工程桩;4操作简单、检测速度快、不影响施工进度、占用施工场地小、工地安全易保障;5荷载箱自重轻。没有“堆载”, 也不需沉重的反力支架。试验费用省, 检测成本易于控制。国内建筑行业热追的自平衡法桩基检测设备荷载箱主要应用于交通、房建、桥梁等桩基工程检测项目中。
3 荷载箱自平衡法施工方法
3.1 工艺原理
荷载箱自平衡法检测原理是将特制的加载装置——荷载箱, 在混凝土浇筑之前和钢筋笼一起埋入桩内相应的位置, 将加载箱的加压管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面, 然后灌注成桩。加压泵在地面向荷载箱加压加载, 使桩体内部产生加载力。通过对加载力与参数之间关系的计算和分析, 不仅可以获得桩基承载力, 而且可以获得每层土层的侧阻系数、桩的侧阻、桩端承力等数据, 这种方法可以为设计提供数据依据, 也可用于工程桩承载力的检验。
3.2 安装流程
荷载箱组装→钢筋笼制作、灌注导管的安装→荷载箱固定→位移杆或位移丝和油压管等安装→导管安装→混凝土浇筑→液压站、传感器、基准梁和数据采集分析系统等安装→检测→检测完成后注浆。
3.3 现场施工
(1) 预浇混凝土。1将荷载箱锥体朝上, 倒置于平整地面上, 注意下口需用水泥纸铺住, 以防止灌注时水泥浆直接粘结在地面;2将混凝土料浇筑入锥体内后, 用振动棒充分捣实;混凝土强度不得低于C30标准;3浇注完毕后10小时内, 不得移动荷载箱体;4待一面荷载箱锥体凝固后, 用吊车翻转, 浇筑另一面锥体。
(2) 荷载箱与钢筋笼焊接。1将灌注好的荷载箱用吊车侧吊, 吊起后的荷载箱与钢筋笼进行焊接;焊接方法:钢筋笼的主筋与荷载箱上的方钢或加强筋进行焊接;焊接标准:钢筋笼与荷载箱必须保持垂直, 偏心度控制在5度之内;2将灌注导管的导向结构焊接在钢筋笼上;3在荷载箱上下各1m和荷载箱加载面的位置, 对钢筋笼横向箍筋进行加密处理, 使其间距缩减至10cm。
(3) 现场布管。1位移护管及位移丝:采用钢丝拉索, 根据孔深设计长度, 下笼无需对接, 只在下笼过程中顺着钢筋笼绑扎至地面。上下位移固定点具体位置为:荷载箱加压体上下各20~40cm左右的位置, 呈180度布置, 分别用于测量上位移和下位移。另在灌注完成, 或准备测试前, 在装顶安装两根90度交叉的钢筋, 从中心引出位移丝, 作为桩顶位移监控点;2根据现场情况决定采用加压软管, 预先盘好在荷载箱处, 待下钢筋笼时连续盘开即可;3三条声测管呈120度排列, 均匀布置 (根据桩径不同布置相应根数的声测管) ;4荷载箱周边管线处理:鉴于声测管和钢筋计缆线要通过荷载箱截面, 而荷载箱在加载后打开会产生位移, 故需要对荷载箱周边的管路进行处理。具体为:a.声测管:每条声测管需准备一套内伸缩节, 行程不小于18cm。端面O型圈密封, 要求密封面能承受200bar的油压;b.钢筋计缆线:在荷载箱侧壁放置一个PVC管, 把钢筋计缆线卷曲在管内, PVC管两头密封。
(4) 下放钢筋笼。下笼过程中, 需要对位移管、油管和钢筋计缆线进行绑扎。下放钢筋笼时, 需割开两条焊接的钢筋, 以便于荷载箱打开。
3.4 检测阶段
检测前, 试桩两侧若有条件直接搭建基准梁, 则直接搭建;若无条件, 则打基准桩后搭建基准梁。基准梁长度应不小于试桩桩径的6倍, 可利用现场132A的工字钢搭建, 其检测用设备由检测单位安装。检测阶段, 数据采集系统用电瓶供电, 但同时现场也应保证不间断供电, 试桩周围15m内不得有较大的振动。为尽量减少试桩时外部因素的影响, 须搭设防风蓬架 (保护罩) , 确保测试仪表检测时不受外界环境的影响。随后使用荷载箱自平衡法进行桩基检测。
3.5 试验后注浆
试验后, 利用补浆导管 (也可以利用声测管) 对荷载箱加载后桩体间隙进行补浆处理后, 并保证补浆部分的桩体强度不低于桩体参数。
4 工序质量控制要点
4.1 荷载箱
(1) 荷载箱的所有参数应满足设计要求, 桩身隐蔽前并对声测管、油压管、位移丝、钢筋加强部位等安装质量重点控制。荷载箱的基桩底部应平整, 因为荷载箱底部不平整, 容易引起荷载箱上下桩身段的阻力不平衡而使检测数据失真。
(2) 选择适合的测桩时间和测桩条件一般在桩身混凝土强度不低于设计要求强度的85%, 方可开始作自平衡检测。检测前应先采用超声波法对桩身作完整性检测, 在检测符合要求后, 方可开始作自平衡检测。采用荷载箱自平衡法核心问题是平衡点的位置的确定。平衡点位置确定不当, 向下荷载或向上荷载就会过早达到极限, 检测数据不准确, 甚至严重失实不能成为检测结论
4.2 全程监控自平衡测桩过程
一般采用慢速维持荷载法, 即逐级加载法。每隔1h加一级荷载;加载的分级:可按预估的极限荷载的1/10~1/5进行加载, 第一级可按2倍分级荷载加载;桩顶的沉降观测:在每级荷载施加后维持1h, 按第5min、15min、30min、45min、60min测读桩顶的沉降量, 以后每隔15min测读一次。当测读时间累计1h时, 若最后15min时间间隔的桩顶沉降增量与前阶段的桩顶沉降量相比, 未明显收敛, 应延长维持荷载时间, 直至最后15min的沉降增量小于相邻15min的桩顶沉降增量为止。桩基检测合格后严格控制注浆施工质量。
5 结束语
重庆惠科8.5+代线项目主厂房的单桩竖向承载力特征值为5000k N, 单桩竖向极限承载力标准值为10000k N, 采用荷载箱自平衡法检测结果合格, 充分展现出荷载箱自平衡法的优点。荷载箱自平衡法将会以其独特的优势逐渐取代传统的检测方法。
摘要：随着建筑的体量和高度不断攀升, 受地质情况的影响, 大口径灌注桩基础越来越被普及采用。传统的堆载法静载试验在绝大多数项目的工程桩检测工作中已无法满足性价比和工艺要求。荷载箱自平衡法将被普遍用于大口径灌注桩基础的检测。
关键词：桩基检测:荷载箱:自平衡法:控制:要点
参考文献
[1]建筑桩基技术规范[S].JGJ94-2008.
[2]建筑桩基检测技术规范[S].JGJ106-2003.
数轴法在化学等效平衡的运用 篇7
一、方法展示
数轴法表示平衡如图1, 数轴上由0、1、平衡点组成, 0代表反应的初始状态, 即全部是反应物;1代表反应物极限转化 (100% 完全转化) 为生成物的状态;平衡点代表几种状态会到达同一个平衡状态, 即等效平衡下的等同平衡状态.
二、数轴法巧解等效平衡问题
例1 (2013年江苏省) 一定条件下, 存在反应:CO (g) +H2O ( g) #image_id=22#CO2 (g) + H2 (g) , ΔH < 0. 现有三个2L恒容绝热 (与外界没有热量交换) 的密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ, 在Ⅰ中充入1 molCO和1 mol H2O, 在Ⅱ中充入1 mol CO2和1 mol H2, 在Ⅲ中充入2 mol CO和2 mol H2O, 700℃条件下开始反应. 达到平衡.
分析:容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ体积相同, 均在恒容绝热条件下 (等效平衡应该在恒温条件下) , 容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ冲入各物质物质的量如图2所示.
容器Ⅰ中充入的是1mol CO和1 mol H2O, 相当于数轴上的0点, Ⅱ中充入 1 mol CO2和 1 mol H2相当于数轴上的1点, 两种充入方式, 可以极限转化, 若在恒温条件下, 即为等同的等效平衡, 但本题中在绝热条件下, 平衡会收到温度的影响, 容器Ⅰ中随着反应的进行, 正反应为放热反应, 温度升高, 平衡会向逆反应方向移动, 容器Ⅱ中随着反应的进行, 逆反应为吸热反应, 温度降低, 平衡会向正反应方向移动, 如数轴所示如图3所示.
容器Ⅰ与容器Ⅱ转化率的问题:恒温条件下, 容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和等于1, 容器Ⅰ相当于在所到达的平衡状态的基础上, 升高温度, 平衡向逆反应移动, CO的转化率比两容器相同温度时CO的转化率低, 容器Ⅱ中相当于在所到达的平衡状态的基础上, 降低温度, 平衡向正反应移动, 二氧化碳的转化率比两容器相同温度时容器Ⅱ中CO2的转化率低, 故容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和小于1.
容器Ⅰ与容器Ⅲ转化率的问题:反应:CO (g) + H2O ( g) #image_id=24#CO2 (g) + H2 (g) , 方程式前系数之比相同, 容器Ⅲ冲入2 mol CO和2 mol H2O与容器Ⅰ中冲入各物质的量成比例, 若在恒温条件下, 可以建立相似平衡, 各反应物的转化率等对应相等, 即容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO的转化率相等, 虽然容器Ⅲ中的压强比容器Ⅰ中的压强大, 但反应前后系数之和相等, 平衡不会发生移动, 各物质的转化率依然相等, 由于容器Ⅲ中反应的物质较多, 反应放出的热量大, 比容器Ⅰ温度升高多, 相比之下, 平衡在容器Ⅰ的基础上继续向逆反应移动, CO的转化率比容器Ⅰ相同温度时CO的转化率低, 故容器Ⅲ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和小于1, 且比容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和还要小. 如图4数轴所示,