熱能與動力工程實驗---仝編XXXX110

1、2013-2014學年下學期熱能與動力工程專業(yè)實驗指導-2.5 穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導熱系數2.5.1 實驗目的1. 鞏固和深化穩(wěn)態(tài)導熱過程的基本理論，學習用平板法測定絕熱材料導熱系數。2. 測定實驗材料的導熱系數。3. 確定實驗材料導熱系數與溫度的關系。2.5.2 實驗原理穩(wěn)態(tài)平板法是一種應用一維穩(wěn)態(tài)導熱過程的基本原理來測定材料導熱系數的方法，可以用來進行導熱系數的測定試驗，測定材料的導熱系數及其和溫度的關系。試驗設備是根據在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的導熱量和平板兩面的溫差成正比，和平板的厚度成正比，以及和導熱系數成正比的關系來設計的。我們知道，通過薄壁平板（壁厚小于十分之一壁長和壁寬）的穩(wěn)

2、定導熱量為 W （1）測定時，如果將平板兩面的溫差、平板厚度、垂直熱流方向的導熱面積F和通過平板的熱流量Q測定以后，就可以根據下式得出導熱系數： （2）需要指出，上式所得的導熱系數是在當時的平均溫度下材料的導熱系數值，此平均溫度為： （3）在不同的溫度和溫差條件下測出相應的值，然后將值標在坐標圖內，就可以得出 的關系曲線。 2.5.3 實驗裝置穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導熱系數裝置圖如圖2.5.1所示。被試驗材料做成兩塊方形薄壁平板試件，面積為270×270 mm2，實際導熱計算面積F為200×200mm2，平板厚度為mm2（實測），平板試件分別被夾緊在加熱器的上、下熱面和上、下水

3、套的冷面之間。加熱器的上下面和水套與試件的接觸面都設有銅板，以使溫度均勻。利用薄膜式加熱片來實現對上、下試件熱面的加熱，而上下水套的冷卻面是通過循環(huán)冷卻水（或自來水）來實現的。在中間200× 200mm2部位上安設的加熱器為主加熱器。為了使主加熱器的熱量能夠全部單向通過上下兩個試件，并通過水套的冷水帶走，在主加熱器四周(即200× 200mm2之外的四側)設有四個輔助加熱器，測試時控制使主加熱器以外的四周保持與中間主加熱器的溫度相一致，以免熱流量向旁側散失。主加熱器的中心溫度 (或)和水套冷面的中心溫度 (或)用四個鎳鉻-康銅熱電偶埋設在銅板上來測量：輔助加熱器1和輔助加熱

4、器2的熱面也分別設置兩個輔助鎳鉻-康銅熱電偶和（埋設在銅板的相應位置上）。其中輔助熱電偶(或)接到溫度巡檢儀上，與主加熱器中心的主熱電阻 (或)的溫度相比較，通過跟蹤調節(jié)使全部輔助加熱器都跟蹤與主加熱器的溫度相一致。而在試驗進行時，可以通過熱電阻 (或)和熱電 (或)測量出一個試件的兩個表面的中心溫度。也可以再測量一個輔助熱電阻的溫度，以便與主熱電阻的溫度相比較，從而了解主、輔加熱器的控制和跟蹤情況。溫度是利用萬能信號輸入8電巡檢儀測量的，主加熱器的電功率可以用直流穩(wěn)壓電源的電壓表和電流表來測量。圖2.5.1 穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導熱系數裝置圖1. 水冷箱；2. 輔助加熱器；3. 主加熱器；4.

5、 銅板；5. 試件實驗臺主要參數：1. 主加熱器電阻值：100 2. 輔加熱器（每個）電阻值：4×253. 熱電偶：E型 4. 試件最高加熱溫度：805. 主加熱器電壓直流： 050V，電流02A（可調）6. 輔助加熱器電壓直流：050V，電流02A（可調）2.5.4 實驗方法與步驟1. 將兩個平板試件仔細地安裝在加熱器的上下面，試件表面應與銅板嚴密接觸，不應有空隙存在。在試件、加熱器和水套等安裝入位后，加壓一定的重物，以使它們都能緊密接觸。2. 聯接和仔細檢查各接線電路。將主加熱器的兩根導線接到儀表箱的主加熱器電源接線端子上，同樣將輔助加熱器的兩根導線接到儀表箱的輔助加熱器電源接線

6、端子上。 將測溫熱電偶的導線接到配電箱對應的接線端子上。關閉主、輔加熱電源開關及水泵開關；打開總電源開關,并檢查各熱電阻信號（溫度）是否正常（基本一致）。3. 打開水泵開關，檢查冷卻水水泵及其通路能否正常工作，調節(jié)水閥門開度應盡量一致。 4. 接通主加熱器電源，并調節(jié)到合適的電壓（建議由低至高間隔5V或10V逐漸分段加熱），開始加溫，然后開啟輔助加熱電源使加溫電壓與主加熱器電壓接近，一段時間后，觀察輔助加熱面的溫度是否與主加熱面的溫度一致，然后適當調整輔助加熱器的電壓（高則降低、低則增加）來跟蹤調整使主、輔加熱溫度相一致。在加溫過程中，可通過各測溫點的測量值來控制和了解加熱情況。開始時，可先不

7、啟動冷水泵，待試件的熱面溫度達到一定水平后，再啟動水泵（或接通自來水），向上下水套通入冷卻水。試驗經過一段時間后，試件的熱面溫度和冷面溫度開始趨于穩(wěn)定。在這個過程中可以適當調節(jié)主加熱器電源、輔助加熱器電源的電壓，使其更快或更利于達到穩(wěn)定狀態(tài)。待溫度基本穩(wěn)定后，就可以每隔一段時間進行一次電功率W（或電壓V和電流I）讀數記錄和溫度測量，從而得到穩(wěn)定的測試結果。5. 一個工況實驗后，可以將設備調到另一工況，既調節(jié)主加熱器功率后，再按上述方法進行測試得到另一工況的穩(wěn)定測試結果。調節(jié)的電功率不宜過大，一般在510W為宜。6. 根據實驗要求，進行多次工況的測試。（工況以從低溫到高溫為宜）。7. 測試結束后

8、，先切斷加熱器電源，經過10分鐘左右再關閉水泵（或停放自來水）。2.5.5 實驗數據及處理試件材料： 試件厚度： mm試件外型尺寸： mm2 導熱計算面積F： mm2 表2.5.1 穩(wěn)態(tài)平板法測定導熱系數實驗記錄計算表 測讀時間熱面溫度冷面溫度輔助加熱器/主加熱器/U/VI/A注：（1）導熱量（即主加熱器的電功率）：Q= U·I W其中，U 主加熱器的電壓值，V；I 主加熱器的電流值，A。由于設備為雙試件型，導熱量向上下兩個試件（試件1和試件2）傳導，所以 W （2）試件兩面的溫差： 其中，試件的熱面溫度（即或）， 試件的冷面溫度（即或）， （3）平均溫度為： 所以，平均溫度為時的導

9、熱系數： 2.5.6 實驗分析將不同平均溫度下測定的材料導熱系數在坐標中得出的關系曲線，并求出的關系式。 2.6 非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測材料的導熱性能2.6.1 實驗目的1. 本實驗屬于創(chuàng)新型實驗，要求學生自己選擇不同原料、按照不同配比進行加工出新型實驗材料，并對該材料的熱物性（密度、導熱系數、比熱容、熱擴散率）進行實驗測量。2. 測量絕熱材料（不良導體）的導熱系數和比熱，掌握其測試原理和方法。3. 掌握使用熱電偶測量溫差的方法。2.6.2 實驗原理本實驗是根據第二類邊界條件，無限大平板的導熱問題來設計的。設平板厚度為2，初始溫度為t0，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱（見圖2.6.1）。圖

10、2.6.1 第二類邊界條件無限大平板導熱的物理模型根據導熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件，對于任一瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t(x，)可由下面方程組解得； 方程組的解為：1 第二類方程組的解為： （1） 式中，時間，s； 平板的導熱系數，w/m；平板的熱擴散率，m2/s；，n=1，2，3，；F0 ，傅立葉準則數；t0初始溫度()；沿x方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度，w/m2。隨著時間的延長，F0數變大，式（1）中級數和項愈小。當F0>0.5時，級數項和變得很小，可以忽略，式（1）變成： （2）由此可見，當F0>0.5后，平板各處溫度和時間成線性關系，溫度隨時間變化的速率

11、是常數，并且到處相同。這種狀態(tài)稱為準穩(wěn)態(tài)。在準態(tài)時，平板中心面x=0處的溫度為： （2）平板加熱面x=處為： （3）此兩面的溫差為： （4）如已知qc和，再測出t，就可以由式（4）求出導熱系數： （5）實際上，無限大平板是無法實現的，實驗總是用有限尺寸的試件。一般可認為，試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時，兩側散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計。試件兩端面中心處的溫度差就等于無限大平板兩端面的溫度差。根據勢平衡原理，在準態(tài)時，有： （6）式中，F試件的橫截面，m2；c試件的比熱，J/kg；試件的密度，kg/m3；準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率，/s。由上式可得比熱： （7）實驗時，以試件中心處為準。按定義，

12、材料的導溫系數可表示為 m2/s （8）綜上所述，應用恒熱流準穩(wěn)態(tài)平板法測試材料熱物性時，在一個實驗上可同時測出材料的三個重要熱物性-導熱系數、比熱容和導溫系數。2.6.3 實驗裝置實驗設備包括破碎機、攪拌機、烘干機、電子天平、非穩(wěn)態(tài)導熱儀、計算機和實驗控制軟件。實驗裝置本體如圖2.6.2所示。圖2.6.2 實驗裝置本體實驗時，將四個試件迭放在一起，分別在試件1和2及試件3和4之間放入加熱器1和2，試件和加熱器要對齊。熱電偶放在試件2的兩側，熱電偶測溫頭要放在試件中心部位。放好絕熱層后，適當加以壓力，以保持各試件之間接觸良好。1. 加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器，康銅箔厚度僅為20m，加上保

13、護箔的絕緣薄膜，總共只有70m。其電阻值穩(wěn)定，在0100范圍內幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同，也是145mm×145mm的正方形。兩個加熱器的電阻值應盡量相同，相差應在0.1%以內。2. 絕熱層用導熱系數比試件小的材料作絕熱層，力求減少熱量通過，使試件1，4與絕熱層的接觸面接近絕熱。這樣，可假定式（5）中的熱量qc等于加熱器發(fā)出熱量的0.5倍。3. 熱電偶利用熱電偶測量試件2兩面的溫差及試件2、3接觸面中心處的溫升速率，熱電偶由0.1mm的康銅絲制成。 2.6.4 實驗方法與步驟1. 選用不同原料，進行破碎加工，按照不同配比，攪拌混合均勻，加工成150mm×150

14、mm，厚（1020mm）的材料，放在烘干機內烘干。2. 用卡尺測量試件的尺寸：面積F和厚度，并用天平稱其稱重。3. 按圖2放好試件、加熱器和熱電偶，接好電源，接通穩(wěn)壓器，并將穩(wěn)壓器預熱10分鐘。4. 接通加熱器開關，給加熱器通以恒定電流。同時啟動秒表，每隔一分鐘測讀一組數值。經過一段時間后（隨所測材料而不同，一般為1020分鐘），系統(tǒng)進入準狀態(tài)，兩個熱電偶的溫差（即（5）式中的t）幾乎保持不變，并記下加熱器的電源值U、I。5. 第一次實驗結束，將加熱器開關切斷，取下試件及加熱器，用電扇將加熱器吹涼，待其和室溫平衡后才能繼續(xù)作下一次實驗。試件不能連續(xù)做實驗，必須經過四小時以上放置，使其冷卻至與室

15、溫平衡后，才能再作下一次實驗。6. 實驗全部結束后，必須切斷電源，一切恢復原狀。2.6.5 實驗數據及處理1. 實驗記錄：實驗裝置名稱： 實驗臺號： 試件名稱： 試件厚度 = mm 試材面積= mm2 試件重量： g 試件密度= /m3 室溫= 加熱電壓U= V 加熱器電流I= A 表2.6.1 實驗數據記錄表時間/s熱面溫度t2/冷面溫度t1/時間/s熱面溫度t2/冷面溫度t1/時間/s熱面溫度t2/冷面溫度t1/2. 結果計算： a熱流密度qc b準穩(wěn)態(tài)時的溫差t（平均值） c準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率 然后，即可計算出試件的導熱系數、比熱c和熱擴散率a。第 8 頁 共 41 頁2.7 空氣橫掠管

16、束時的強迫對流換熱實驗2.7.1 實驗目的1. 測定空氣橫掠管束時的平均換熱系數，并將實驗數據整理成準則方程式；2. 熟悉實驗原理及裝置，掌握測定流速、熱流量、溫度的方法。3. 通過對實驗數據的綜合整理，進一步了解相似理論的應用。2.7.2 實驗原理1. 根據牛頓冷卻公式，壁面平均換熱系數為： （1）式中，管壁平均換熱系數，W/m2·；管壁平均溫度，取所有管束測得的溫度的平均，；     流體的平均溫度，取空氣進口與出口溫度的平均，；     管壁的換熱面積，；    對流換

17、熱量，W。本實驗采用電加熱，電加熱器所產生的總熱量，除了以對流方式由管壁傳給空氣外，還有一部分是以輻射方式傳出。因此，對流換熱量Qc為 （2） （3）式中，Qr 輻射換熱量，W； W 加熱電功率，W； 試管表面黑度，=0.60.7； 絕對黑體輻射系數，。2. 根據相似理論，流體強制流過物體時的傳熱系數與流體流速、物體幾何參數、物體間的相對幾何位置以及物性等的關系可用下列準數方程式描述： （4）實驗研究表明，空氣橫向流過管束表面時，由于空氣普郎特數（Pr=0.7）為常數，故一般可將上式簡化成，進一步整理成下列的指數形式： （5）式中，k 均為常數，由實驗確定；Nu 努塞爾準則數，；Re 雷諾準則

18、數，Re 上述各準則中，實驗管外徑，作為定性尺寸，m； 空氣導熱系數，由定性溫度查表確定，W/m·； 空氣流過實驗管最窄截面處流速，m/s； 空氣運動粘度，由定性溫度查表確定，m2/s。（1）定性溫度：空氣邊界層平均溫度tm=。式中，tw 實驗管壁面平均溫度，； tf 空氣平均溫度，取空氣進口與出口溫度的平均，tf =，。（2）空氣流速的計算 采用畢托管在測速段截面中心點進行測量，測得的動壓頭為，則空氣流速為： （6）式中，畢托管測得的動壓頭，Pa； 空氣的密度，由畢托管處的空氣溫度（即空氣進口溫度）查表確定，kgm3；由上式計算所得的流速是測速截面處的流速，而準則式中的流速是指流體

19、流過實驗管最窄截面的流速，由連續(xù)性方程： （7） （8）式中，u 畢托管測速處流體流速，m/s；F速 測速處流道截面積，mm2；F束 測試管束處流道截面積，mm2； L 實驗管有效管長，mm； d 實驗管外徑，mm； m 測試管束處實驗管數。3. 本實驗的任務在于確定C與k的數值，首先使空氣流速一定，然后測定有關的數據：電功率W、管壁溫度tw、空氣進口溫度tf1、空氣出口溫度tf2、畢托管動壓頭為。至于和在實驗中無法直接測得，可通過計算求得，而物性參數可在有關書中查得。得到一組數據后，可得一組Re、Nu值；改變空氣流速來改變Re值，重復測量便可得到一系列數據，再得一組Re、Nu值。在雙對數坐標

20、紙上，以Nu為縱軸，Re為橫軸，將各工況點出，它們的規(guī)律可近似地用一直線表示： （9）則Nu和Re之間的關系可近似表示為一指數方程的形式： （10）為直線的截距，k為直線的斜率，取直線上的兩點，即可得 （11） 注意：為減少取點誤差起見，可多取一些點，得出多對C、k值，然后取其平均值作為最后的C、k值。 2.7.3 實驗裝置 圖2.7.1 對流換熱綜合實驗臺1. 電源開關；2. 儀表開關；3. 交流供電開關；4. 交流調壓旋鈕；5. 直流大功率電源； 6. 壓差表；7. 交流功率表；8. 電流表；9. 電壓表；10. 十六路溫度巡檢儀；11. 四路溫度巡檢儀；12. 畢托管；13. 風道；14

21、. 熱電偶（測來流溫）；15. 熱電偶（測管壁溫）；16. 管束試件（順、叉排）；17. 交流供電電極；18. 變頻器圖2.7.2 管束的排列及尺寸圖2.7.3 翅片管尺寸2.7.4 實驗方法與步驟1. 連接并檢查所有線路和設備，在儀表正常工作后，關閉直流供電電源！將交流供電源開關打開，調節(jié)旋紐先轉至零位。2. 然后點擊變頻器的RUN/STOP鍵，啟動風機，然后調節(jié)風機變頻器到10Hz左右。3. 將交流電調節(jié)旋紐轉至適當位置，注意觀察控制箱面板上的功率表，并逐步提高輸出功率，對管束緩慢加熱。為避免損壞配件，又能達到足夠的測溫準確度，加熱功率大小的調整以使壁面溫度控制在80以下為原則。4. 保持

22、加熱功率不變，巡檢儀上各溫度顯示基本穩(wěn)定后，記錄數據在表1中。5. 再將風機頻率由050Hz定值遞增，每改變一次待穩(wěn)定后可測到一組數據。試驗時對每一種排列的管子，空氣流速可調整5個工況以上，都須保持加熱功率不變。溫度的高低應根據管子排列不同及風速大小適當調整，保持管壁與空氣來流有適當的溫差即可。6. 同時觀察到畢托管測速風壓顯示。因此調壓、調頻應配合調整直到系統(tǒng)穩(wěn)定并便于讀取溫度、風壓、電功率。2.7.5 實驗數據及處理1. 記錄和計算：實驗裝置名稱： 實驗臺號： 管束形式： mm mm 實驗管總數n= 測試管束處實驗管數m= 實驗管外徑d= mm 實驗管有效長度L= mm管壁換熱面積= mm

23、2 測速處流道截面積F測= mm2 測試管束處流道截面積F束= mm2表2.7.1為實驗數據記錄表，表2.7.2為實驗計算表。2. 在雙對數坐標紙上繪出各實驗點，并求出準則方程式。2.7.6 注意事項1. 首先了解試驗裝置的各個組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損壞儀器。2. 為確保管壁溫度不至超出允許的范圍，啟動及工況改變時都必須注意操作順序。啟動電源之前，先將電源調節(jié)旋鈕轉至零位：3. 啟動時必須先開風機，調整風速，然后對試驗管通電加熱，并調整到要求的工況。注意電流表上的讀數，不允許超出工作電流參考值。試驗完畢時，必須先關加熱電源，待試件冷卻后，再關風機。第 37 頁 共 41 頁實驗次數W

24、/W/Pa管束試件壁溫/空氣溫度/123456表2.7.1 實驗數據記錄表實驗次數tm/W/m·/m2/s/kgm3Qr/WQc/Wh/W/m2·u/m/s/m/sReNulgRelgNu123456表2.7.2 實驗計算表2.8 中溫法向輻射時物體黑度的測定2.8.1 實驗目的用比較法，定性地測量中溫輻射時物體黑度。2.8.2 實驗原理1. 由n個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)中，利用凈輻射法，可以求物體i的凈換熱量Qnet.i （1）式中， Qnet.i i面的凈輻射換熱量；Qabs.i i面從其他表面的吸熱量；Qe.i i面本身的輻射熱量； i面的黑度（或稱發(fā)射率）； Xk，

25、I k面對i面的角系數； Eeff.kk面有效的輻射力； Eb.i i面的黑體輻射力； i面的吸收率； Fi i面的輻射面積。2. 根據本實驗的設備情況，如圖2.8.1所示，可以作如下假定：（1）熱源1和傳導圓筒2為黑體。（2）熱源1、傳導圓筒2、待測物體（受體）3，它們表面上的溫度均勻。圖2.8.1 輻射換熱簡圖1. 熱源；2. 傳導圓筒；3. 待測物體在這種特定條件下，由凈輻射法得出待測物體3的凈輻射換熱量： （2）根據角系數的互換性F2X2,3= F3X3,2，又F1= F3；3=；X3,2=X1,2，得： （3）由于受體3與環(huán)境主要以自然對流方式換熱，因此： （4）式中，對流換熱系數；

26、待測物體（受體）溫度；室內環(huán)境溫度。由（3）、（4）式得： （5）當熱源1和傳導圓筒2的表面溫度一致時，Eb.1=Eb.2 ，并考慮到體系1、2、3為封閉系統(tǒng)，則： （6）由此，（5）式可寫成： （7）式中，稱為斯蒂芬-玻爾茨曼常數，其值為5.7×10-8。對不同待測物體（受體）a，b的黑度為： （8） （9）由于外部實驗條件相同，可假設，則： （10）當b為黑體時，1，（10）式可寫成： （11）2.8.3 實驗裝置實驗裝置簡圖如圖2.8.2所示：圖2.8.2 實驗裝置簡圖1. 調壓器；2. 測溫轉換開關； 3. 數顯溫度計；4. 接線柱；5. 導軌；6. 受體；7. 傳導體；8.

27、 熱源；9. 導軌支架；10. 熱源電壓表；11. 接線柱；12. 測溫接線柱；13. 電源開關熱源腔體具有一個測溫熱電偶，傳導腔體有二個熱電偶，受體有一個熱電偶，它們都可通過琴鍵轉換開關來切換。2.8.4 實驗方法與步驟實驗方法:本實驗儀器用比較法定性地測定物體的黑度，具體方法是通過對三組加熱器電壓的調整（熱源一組，傳導體兩組），使熱源和傳導體的測量點恒定在同一溫度上，然后分別將“待測”（受體為待測物體，具有原來的表面狀態(tài)）和“假象黑體”（受體仍為待測物體，但表面薰黑）兩種狀態(tài)的受體在恒溫條件下，測出受到輻射后的溫度，就可按公式計算出待測物體的黑度。實驗步驟：1. 熱源腔體和受體腔體（使用具

28、有原來表面狀態(tài)的物體作為受體）靠緊傳導體。2. 結通電源，調整熱源（加熱I）、傳導體（加熱II、III）的調溫旋鈕，使熱源溫度在50至150范圍內某一溫度，受熱約40分鐘左右，通過測溫轉換開關及測溫儀表測試熱源和傳導體的溫度，并根據測得的溫度微調相應的電壓旋鈕，使三點溫度盡量一致。3. 系統(tǒng)進入恒溫后（各測溫點基本接近，且在五分鐘內各點溫度波動小于3），開始測試受體溫度，當受體溫度五分鐘內的變化小于3時，每隔5分鐘記下一組數據。“待測”受體實驗結束。4. 取下受體，將受體冷卻后，用松脂（帶有松脂的松木）或蠟燭將受體薰黑，然后重復以上實驗，測得第二組數據。2.8.5 實驗數據及處理實驗裝置名稱：

29、 實驗臺號： 室溫= 表2.8.1 實驗數據記錄表序號熱源溫度（）傳導體溫度（）受體溫度（）備注1受體為紫銅光面23平均（）序號熱源溫度（）傳導體溫度（）受體溫度（）備注1受體為紫銅薰黑23平均（）將兩組數據代入公式（11）即可得出待測物體a的黑度。2.8.6 注意事項1. 熱源及傳導的溫度不可超過160。2. 每次做原始狀態(tài)實驗時，建議用汽油或酒精將待測物體表面擦凈，否則，實驗結果將有較大出入。煤的工業(yè)分析煤是主要的工業(yè)燃料之一，了解煤的質量和種類，對于合理利用和選擇燃料，節(jié)約能源是十分重要的。煤的工業(yè)分析與元素分析不同，它不需要復雜的儀器設備，在一般的實驗室中均可進行，因此掌握煤的工業(yè)分析

30、方法，在煤的工業(yè)應用中有著普遍意義。3.1.1 實驗目的掌握煤的工業(yè)分析方法，并由此了解判別煤的種類和質量。3.1.2 實驗原理煤的工業(yè)分析是測定煤的水分、灰分、揮發(fā)分產率和固定碳的質量百分含量。在測定揮發(fā)分產率的同時，利用坩堝中殘留的焦渣的特征，可以初步鑒定煤的粘結性。煤的工業(yè)分析主要是采用干燥和加熱等方法。（對于液體燃料只作水分和灰分的測定。由于它的可燃成分與固體燃料不同，在受熱時，極易完全轉化為氣態(tài)，所以不作揮發(fā)分和固定碳的測定。）3.1.3 實驗裝置1. 帶蓋的稱量瓶2個，其直徑為40毫米，高25毫米和20毫升揮發(fā)坩堝2個。2. 精度為萬分之一克的電子天平一臺、精度為十分之一克的電子秤

31、一臺。3. 玻璃干燥器一個，干燥劑為無水氯化鈣。4. 溫度高于110并帶有調溫裝置的電烘箱一臺。5. 能加熱到900以上并帶有溫度控制裝置的馬弗電爐一臺。6. 淺盤兩個。3.1.4 實驗內容及步驟：1. 煤的水分測定煤的水分包括外在水分和內在水分。吸附或凝聚在煤顆粒內部的毛細孔中的水稱為內在水分；附著在煤顆粒表面上的水，稱為外在水分。（1）外在水分（表面水分）的測定將盛有煤樣的試樣瓶取來，煤樣粒度為小于13mm，量不少于500g；搖動數分鐘使之混合均勻，然后把瓶蓋打開，取出約200g試樣放入淺盤中測定質量（電子秤應精確到0.1g）。將煤樣散置放在淺盤中，厚度約10mm，隨即放入溫度為7080的

32、干燥箱內，烘干至質量變化在每小時內不超過1%為止。取出試樣再在室溫下自然干燥24h，再稱質量。按下式計算表面水分（外在水分）： （1）式中，干燥后煤樣的質量，g； 原始煤樣的質量，g。（2）內在水分的測定（分析基水分）（指空氣干燥煤樣的水分含量） 煤的試樣需按規(guī)定的取樣方法取得，然后在空氣中風干粉碎，粉碎后粒度應通過60網目的篩孔（煤樣粒度在0.2mm以下）。用瓶嚴密封好（該試樣稱為分析試樣），以備下項試驗用。選好稱量瓶，并用精度為萬分之一克的電子天平稱其重量；將試樣放入瓶中，搖動數次后再將試樣取出1克左右，放入稱量過的稱 量瓶中，然后稱其重量；輕輕搖動稱量瓶中之試樣，打開蓋子放入溫度為105

33、-110的電烘箱中干燥1h；試樣在電烘箱中干燥1小時后取出，并立即蓋上蓋子，置于干燥器中冷卻至室溫（約20min）后稱重；稱重后，再放入到電烘箱中干燥0.5h，取出后稱重。如果前后兩次稱得的重量差小于0.001克，則以最后一次稱量結果為依據，求出試樣之減量。若大于0.001克則還需重復步驟4。由下式求出煤樣的水分百分含量： 去掉% （2）同一試樣同時做兩個，其允許誤差為0.2%以內，取平均值。煤中全水分百分含量： （3）煤的應用基，可通過所測得的表面水分及分析水分按下式計算，即空氣干燥基（分析基）換算成應用基(為全水)： （4）2. 揮發(fā)分產率的測定將試樣取出1克左右，放入稱量過的揮發(fā)坩堝中，

34、坩堝蓋好蓋子，置于溫度920的馬弗電爐中加熱7分鐘；坩堝取出后，在空氣中冷卻，冷卻時間不超過5分鐘，然后放入干燥器中冷卻至室溫（約20min）后稱重；求出試樣減少的重量后按下式求得揮發(fā)分產率的百分含量： 去掉% （5）記錄坩堝中殘留焦碳的外部特征，確定煤的粘結性序數（1-8）。粉狀 全部是粉末，沒有相互粘著的顆粒；粘著 以手指輕壓即碎成粉狀；弱粘結 以手指輕壓即碎成碎塊；不熔融粘結 以手指用力壓，才裂成小塊。焦渣表面無光澤，下面稍有銀白色光澤；不膨脹熔融粘結 焦渣呈扁平的餅狀，煤粒的界限不易分清，表面有銀白色金屬光澤；微膨脹熔融粘結 用手指壓不碎，焦渣表面有銀白色金屬光澤。但焦渣表面具有較小的

35、膨脹泡（或小氣泡）；膨脹熔融粘結 焦渣的上下表面有銀白色金屬光澤明顯膨脹，但高度不超過15毫米；強膨脹熔融粘結 焦渣的上下表面有銀白色金屬光澤，焦渣的高度大于15毫米。3. 灰分及固定碳的測定1）將試樣取出1克左右，放入稱量過的灰皿中，均勻地攤平，使其每立方厘米的質量不超過0.15g；2） 將灰皿送入爐溫不超過100的馬弗爐恒溫區(qū)中，關上爐門并使爐門留有15mm左右的縫隙。在不少于30min的時間內將爐溫緩慢升至500，并在此溫度下保存30min。繼續(xù)升溫到（815±10），并在此溫度下灼燒1h。3）將灰皿從爐中取出，在空氣中冷卻5min，再放入干燥器內冷卻至室溫（約20min）后稱

36、重，此重量即為灰分的重量，并按下式算出灰分的百分含量： 去掉% （6）3） 若煤中含硫量不高而不需分析時，則固定碳的含量可由下式求出： 去掉% （7）式中、 、均為空氣干燥煤樣（即分析基）的各成分的百分含量。3.1.5 實驗數據及處理1. 數據記錄表3.1.1 煤的水分（）測定數據表煤 樣 編 號外在水分測得平均值（%）稱量瓶編 號重量（g）煤樣 + 稱量瓶重（g）煤樣重（g）煤 樣+稱量瓶重（g）第一次干燥后第二次干燥后第三次干燥后內水分凈重（g）內水分含量（%） 表3.1.2 煤的揮發(fā)分產率()測定數據表煤樣編號坩堝編號坩堝重（g）煤樣 + 坩堝重（g）煤樣重（g）灼燒后坩堝+殘渣重（g）

37、灼燒后減輕量（g）揮發(fā)分產率（%）坩堝粘結性（1-8）表3.1.3 煤的灰分（）測定數據表煤 樣 編 號坩 堝 編 號坩 堝 重 （g）坩堝 + 煤樣重（g）煤 樣 重 （g）煤樣+坩堝重（g）燒后灰 分 凈 重 （g）灰 分（%） 2. 數據處理要求： （1）計算出煤的水分、揮發(fā)分產率、灰分、煤的固定碳的質量百分含量；（2）將水分、揮發(fā)分產率、灰分、固定碳的分析基換算成應用基；（3）初步鑒定煤的粘結性。表3.3.4實驗結果總表 3.2 燃料熱值的測定單位燃料完全燃燒后所放出的熱量稱為熱值（或稱發(fā)熱量），它是衡量燃料質量優(yōu)劣的重要指標之一。不同的工藝要求和熱工設備，需選用不同發(fā)熱量的燃料， 以

38、達到經濟省能的目的。因此，必須了解燃料熱值的測定方法。這里介紹氣體燃料和固體燃料發(fā)熱量的測定方法。3.2.1氣體燃料發(fā)熱量的測定3.2.1.1 實驗目的1. 掌握氣體燃料（或沸點低于250的輕質揮發(fā)性液體燃料）發(fā)熱量的測定方法。2. 了解容克式熱量計的構造、工作原理及操作。3.2.1.2 實驗原理 氣體燃料的熱值是指在溫度為0、壓力為760毫米汞柱下1標準立方米體積的干燥可燃氣體完全燃燒時所釋放出的熱量。它的測定方法很多，本實驗采用最常用的容克式熱量計法。此法測定發(fā)熱量的原理是：使一定流量的氣體燃料（或揮發(fā)性液體燃料）完全燃燒所放出的熱量全部被一定流量的水吸收。當水溫穩(wěn)定時，可通過水的溫升計量

39、吸收的燃燒反應熱效，再按下面公式求得燃料的發(fā)熱量： （1）式中，燃料的用量（在標準狀態(tài)下的體積），； 在燃料用量為V時通過熱量計的水量，； 水進入熱量計時的溫度，； t 水吸收熱量后的溫度，； 水的熱容量，（4.182）； 燃料的高發(fā)熱量， 。 本熱量計所測得的是高發(fā)熱量，它包含了燃燒產物中水分凝結時所放出的熱量。但是，在工業(yè)上應用的是低發(fā)熱量，為了求得應將水份凝結時所放出的熱量從高發(fā)熱量中減去，即： （2）式中， 每m3燃料燃燒后凝結水的重量，； 每千克蒸汽冷凝時所放出的熱量，。上面兩公式只適用于被測定的燃料體積處于標準狀態(tài)下（0，760毫米水銀柱）的情況。本實驗中，燃料的體積是在工作狀態(tài)下

40、的，因此需將它按下式換算為標準狀態(tài)： （3）式中，工作狀態(tài)下的燃料體積，；燃料在工作狀態(tài)下的絕對壓力， ；燃料在工作狀態(tài)下的溫度，。設 則（1）式可寫成： （4）本實驗中，燃料進入熱量計以前，要通過流量計測量流量。流量計中有水，所以燃料在通過時必定含有飽和的水蒸汽，而公式中的'是指燃料干燥時的壓力，因而在決定'時，必須從所測得的燃料飽和壓力中減去燃料在工作溫度下的飽和水蒸汽分壓，即：= 燃料的絕對壓力-燃料在工作溫度下的飽和水蒸汽壓力3.2.1.3 實驗裝置容克式熱量計一套，其結構如圖3.1.1.1所示。圖3.1.1.1 容克式熱量計結構圖A. 熱量計；B. 煤氣流量計；C.

41、煤氣壓力調節(jié)器；D. 量筒；表示水的流動方向；-表示廢氣流動方向；1. 燃燒器；2. 廢氣溫度調節(jié)閥；3. 廢氣溫度計；4. 進水管；5. 水量調節(jié)閥；6、7. 水銀溫度計；8. 三通閥；9. 冷凝水流出口；10 . 放水閥；11. 保持進水壓力的水箱；12. 保持出水壓力的水箱；13. 煤氣溫度計；14. 煤氣壓力計；15. 重錘；16. 多余水量流出口；17、18. 出水口；19. 燃燒器支架3.2.1.4 實驗方法與步驟1. 按圖1檢查煤氣系統(tǒng)是否接好，溫度計、壓力計是否安裝緊密，閉好水閥（10）；2. 將三通閥（8）轉向出水口（17）并將水量調節(jié)閥撥到“4”與“5”之間，打開水龍頭，使

42、水流入熱量計，注意水流量不能太大，以水不溢出水箱（11）為限，然后觀察水箱（12）是否有水流出。如一定時間后水箱（12）中無水，則應檢查，找出原因；3. 打開燃燒器（1）上的開關和煤氣管上的煤氣閥門，如果流量計B的指針慢慢移動，煤氣壓力計（14）中的水柱平穩(wěn)上升，則可以點燃燃燒器；4. 如果煤氣壓力計（14）上的讀數約25毫米水柱左右（即二液面之差為25毫米），則將點燃后的燃燒器置于熱量計中（如圖1所示）。否則應加重或減少穩(wěn)壓器C上面的重錘（15）的片數，使煤氣壓力為25毫米水柱。燃燒器放入熱量計前應轉動下部的圓片來調節(jié)空氣量，使火焰中呈蘭色的部分為最短；5. 燃燒器放入熱量計時，應位于圓筒的

43、中心，然后固定在支架（19）上；6. 燃燒器放入熱量計后，溫度計（6）的讀數開始升高，幾分鐘后即達到穩(wěn)定，溫度計（6）與（7）的讀數之差應為10-12，如果不在此范圍內，則轉動水量調節(jié)閥（5），使進入熱量計的水量增加或減少，以使溫度差調節(jié)到該范圍。調節(jié)時，調節(jié)閥（5）的轉動不能太大，且轉動后須等溫度達到穩(wěn)定時再進行轉動；7. 轉動廢氣溫度調節(jié)閥（2），使溫度計（3）與溫度計（13）的讀數相等。8. 當所有的溫度計和壓力計的讀數穩(wěn)定并合乎要求時，熱量計處于連續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這時才可以開始測定發(fā)熱量。為了便于計算，每次實驗的煤氣量取為10升（即0.01m3，流量計指針轉兩圈）。在開始記錄煤氣量的

44、同時，迅速撥通三通閥（8）使從熱量計出來的水進出水（18）流入量筒D中。當煤氣量達到10升時即迅速轉動三通閥（8）使水進出水（17）排入槽中。在每次測定過程中，須記錄溫度計（3）、（6）、（7）和壓力計（14）的讀數，共記錄5次（即煤氣每流過2升記錄一次），然后取平均值進行計算。溫度計（6）和（7）的讀數應精確到0.1以下。在開始記錄煤氣量的同時，將10 ml的量筒放在冷凝水出口（9）的下面，結束時再將它移開，由于冷凝水較少，可在實驗幾次后取平均值。大氣壓力由實驗室內氣壓計測得。3.2.1.5 實驗數據及處理1. 實驗記錄：實驗裝置名稱： 實驗臺號： 表3.2.1.1 實驗數據記錄煤氣名稱： 實驗次數記錄次數 第一次 第二次煤氣溫度：t= t t0 t t0煤氣溫度下的飽和水蒸汽壓 1力: S = mmHg 2大氣壓力:P= mmHg 3煤氣壓力計壓力： 4h= mmH2O = mmHg 5水升高