專利名稱：吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置及其測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置及其測定方法，屬于工程熱物理及燃料性能測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超燃沖壓發(fā)動機(jī)在高超聲速條件下飛行，發(fā)動機(jī)燃燒室熱載荷大。利用吸熱型碳?xì)淙剂狭呀馕鼰醽韺Πl(fā)動機(jī)實(shí)施冷卻是一條有效途徑，這種方法稱為主動冷卻。目前，對于吸熱型碳?xì)淙剂系难芯?，其中一部分主要集中在烴類燃料上，美國等率先展開了吸熱型碳?xì)淙剂系难芯抗ぷ鳎⒃诔紱_壓發(fā)動機(jī)上采用了主動冷卻手段。
在工程上將單位質(zhì)量吸熱型碳?xì)淙剂系奈鼰崮芰ΨQ為熱沉，是評價吸熱型碳?xì)淙剂衔鼰嵝阅艿闹匾笜?biāo)之一。吸熱型碳?xì)淙剂系臒岢林饕獊碜砸韵聝蓚€方面物理熱沉由燃料升溫和相變吸熱引起；化學(xué)熱沉由燃料在高溫條件下發(fā)生的裂解和聚合反應(yīng)決定。吸熱型碳?xì)淙剂显谡嬲龖?yīng)用于冷卻時，考慮到其它工程問題，要求處于超臨界狀態(tài)(即壓力和溫度分別高于超臨界壓力和超臨界溫度)，在超臨界條件下的燃料熱沉測定是燃料評價的重要方面，而且獲得高的熱沉是燃料制備的最重要的目標(biāo)之一。
目前，國內(nèi)主要有浙江大學(xué)，天津大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校在這個方面開展了一些的研究工作。目前國內(nèi)流行的方法主要依據(jù)Tian’ s方程，結(jié)合傅立葉定律徑對系統(tǒng)一維傳熱模型建立量熱系統(tǒng)，采用直接計(jì)算輸入功率，在線測定系統(tǒng)散熱的方法得到吸熱型碳?xì)淙剂系目偀岢?。但該方法存在以下幾方面的不足測量過程散熱量精確標(biāo)定困難，標(biāo)定的參數(shù)可遷性差等，最終制約了不同工況條件下的熱沉測定的精確性，難以對燃料吸熱能力給予準(zhǔn)確評價。同時，現(xiàn)有測定方法無法區(qū)分燃料總熱沉中的物理熱沉和化學(xué)熱沉兩方面的各自貢獻(xiàn)，對于燃料的設(shè)計(jì)和裂解管道的表面處理難以提供有效指導(dǎo)。因此，現(xiàn)行的測定方法難以滿足對于眾多不同種類的碳?xì)淙剂希煌r條件下的燃料熱沉的準(zhǔn)確測定的需求，需要建立更科學(xué)可靠的測定方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有熱沉測試方法的不足而提供一種吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置及其測定方法，其特點(diǎn)是采用熱力學(xué)循環(huán)的原理，避開燃料熱沉直接測定中的各種問題，通過在線測定水浴冷卻過程吸熱和離線測定裂解產(chǎn)物的燃燒熱，分別測定燃料的物理熱沉和化學(xué)熱沉，實(shí)現(xiàn)高溫(1200K以下)，超臨界和亞臨界 (0. IMpa-SMpa)壓力條件下，碳?xì)淙剂狭呀鉄岢恋臏?zhǔn)確測量。
本發(fā)明的工作原理
吸熱型碳?xì)淙剂蠠岢涟锢砦鼰岷土呀夥磻?yīng)的化學(xué)吸熱兩方面。本方法根據(jù)熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)法，將在線的水浴法測量和離線的燃燒熱測定結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)燃料熱沉的準(zhǔn)確測定。本發(fā)明的工作原理描述如下。
吸熱型碳?xì)淙剂显诔夯虺R界條件下的裂解過程(熱裂解和催化裂解)，根據(jù)熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)法設(shè)計(jì)如下過程，詳見圖1所示。需要測定的燃料超臨界高溫裂解的吸熱(總熱沉)AH1的直接測定存在困難，因?yàn)锳Hjf應(yīng)的過程存在著升溫、相變、裂解、電加熱功率輸入、裂解裝置對外散熱等過程， AH1直接測量的精度難以得到保證。但是，設(shè)計(jì)一個熱力學(xué)循環(huán)過程，將總熱沉AH1的直接測量變可為對其它幾個焓值的測量，即Δ H1 = Δ H6- Δ H2- Δ H3- Δ H4- Δ H5(1)式中，ΔΗ2為冷凝焓變，是高溫裂解產(chǎn)物冷卻到室溫的顯熱和相變潛熱之和；ΔΗ3 是等溫降壓裂解組分分離過程的焓變；Δ H4是裂解殘液(一般為高碳餾分)的燃燒焓；AH5 是氣態(tài)裂解產(chǎn)物(一般為低碳餾分)的燃燒焓；△ H6是吸熱型碳?xì)淙剂?冷態(tài))的燃燒焓。按照熱化學(xué)的一般定義，本發(fā)明將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(IOOkPa)，室溫條件下從穩(wěn)定反應(yīng)物到穩(wěn)定產(chǎn)物反應(yīng)焓差定義為化學(xué)熱沉，即AHcheffl= Δ H6-Δ H4-Δ H5(2)并將AH1除化學(xué)熱沉外的其它部分之和定義為物理熱沉，即Δ Hphys = - Δ H2- Δ H3(3)按上述定義，總熱沉為AH1 = Δ Hphys+Δ Hcheffl(4)即總熱沉為物理熱沉和化學(xué)熱沉之和。采用簡單水浴冷卻的方法直接得到燃料的物理熱沉，采用氧彈式量熱計(jì)的方法測定化學(xué)熱沉，從而得到燃料的總熱沉，為燃料設(shè)計(jì)和燃料管道設(shè)計(jì)及處理提供更詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置由加壓氣源通過針型閥與儲油罐連接， 儲油罐通過流量調(diào)節(jié)閥，質(zhì)量流量計(jì)與加熱管連接，加熱管經(jīng)冷凝器與背壓閥連接，背壓閥經(jīng)氣液分離罐分別與液體接收器和氣相色譜連接。加熱管后端和冷凝器前后端裝設(shè)熱電偶，進(jìn)行實(shí)時溫度測量，加熱管接交流電源。儲油罐上設(shè)進(jìn)油口，儲油罐下設(shè)出油口。冷凝器下設(shè)進(jìn)水口，冷凝器上設(shè)出水口，冷凝器進(jìn)出水口處放置貝克曼溫度計(jì)。吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置的測定方法包括以下步驟1)液體燃燒焓Δ H4和Δ H6的測定采用離線方法，用氧彈法測定常溫吸熱型碳?xì)淙剂蠘悠泛鸵簯B(tài)裂解產(chǎn)物的燃燒焓，首先采用苯甲酸或萘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，然后將吸熱型碳?xì)淙剂匣蛞后w接收器中的高餾分液體產(chǎn)物準(zhǔn)確稱重，并稱取燃火絲和棉線的質(zhì)量，裝入氧彈瓶，沖入2ΜΙ^的氧氣，將氧彈瓶放入內(nèi)筒，在內(nèi)筒中加入2L水，接好電源，開啟計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序，每半分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，攪拌15分鐘后點(diǎn)火，點(diǎn)火30分鐘后停止實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)采集的內(nèi)筒水溫升曲線，計(jì)算液體燃燒焓八扎和ΔΗ6;2)氣態(tài)產(chǎn)物燃燒焓Δ H5的測定通過氣態(tài)裂解產(chǎn)物成分的在線測定，采用熱化學(xué)數(shù)據(jù)直接計(jì)算ΔΗ5 將氣液分離罐中的低餾分氣體產(chǎn)物在加熱管加熱的同時，通入氣相色譜，根據(jù)每種氣體產(chǎn)物的特征出峰時間對色譜峰進(jìn)行指認(rèn)，用儀器標(biāo)定的響應(yīng)因子計(jì)算每種氣體的含量，根據(jù)美國OTST數(shù)據(jù)庫中每種氣體的燃燒焓計(jì)算δη5 ；3) Δ H3 的確定按熱力學(xué)方法處理，液體產(chǎn)物等溫降壓過程的焓變可忽略不計(jì)，而氣體產(chǎn)物可近似按理想氣體處理，等溫過程其焓變?yōu)榱?，故δ? = 0 ；4)冷凝焓變Δ H2的測定采用水浴法，在高溫裂解產(chǎn)物后端接入水浴，用貝克曼溫度計(jì)精確測量冷凝水浴的進(jìn)出口溫度，用熱電偶直接測量水浴前后端的吸熱型碳?xì)淙剂蠝囟?，通過測定吸熱型碳?xì)淙剂狭髁亢屠鋮s水流量，獲得吸熱型碳?xì)淙剂贤ㄟ^水浴冷卻和相變的焓變ΔΗ2 ；因此，根據(jù)公式1可以直接計(jì)算總熱沉ΔΗ1;即AH1 = Δ H6-Δ H2- Δ H3- Δ H4- Δ H5同時，根據(jù)公式2和3可以分別確定物理熱沉和化學(xué)熱沉即AHphys = -AH2-AH3AHcheffl= Δ H6-Δ H4-Δ H5吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀鉄岢翜y定裝置用于吸熱型碳?xì)淙剂显诟邷?200Κ以下， 在0. I-SMpa的亞臨界和超臨界壓力條件下的裂解熱沉測定。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的吸熱型碳?xì)淙剂蠠岢翜y定方法測量誤差小，參數(shù)可遷性好，可實(shí)現(xiàn)物理熱沉和化學(xué)熱沉的分別測定，采集的參數(shù)對發(fā)動機(jī)主動冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要作用。


圖1.為吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀夂腿紵鞒淌疽鈭D1、吸熱型碳?xì)淙剂?冷態(tài)， 300Κ， IOOKPa)，2、高溫高壓裂解氣( 1000K， 5000KPa)，3、裂解產(chǎn)物( 300K， 5000KPa)，4、高溜分產(chǎn)物(液體， 300K， IOOKPa)， 5、低餾分產(chǎn)物( 300K, IOOKPa)，6、氣態(tài)二氧化碳和水( 300K, IOOKPa)。圖2.吸熱型碳?xì)淙剂狭呀庀到y(tǒng)示意圖1、加壓氣源，2、針型閥，3、儲油罐，4、流量調(diào)節(jié)閥，5、質(zhì)量流量計(jì)，6、超臨界裂解加熱管，7、交流電源，8、熱電偶，9、貝克曼溫度計(jì)，10、冷凝器，11、背壓閥，12、氣液分離器，13、 液體接收器，14、氣相色譜在線分析
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該技術(shù)的熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。實(shí)施例如圖2所示，吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置由加壓氣源1通過針型閥 2與儲油罐3連接，儲油罐通過流量調(diào)節(jié)閥4，質(zhì)量流量計(jì)5與加熱管6連接，加熱管經(jīng)冷凝器10與背壓閥11連接，背壓閥經(jīng)氣液分離罐12，與氣相色譜14和液體接收器13連接。加熱管后端和冷凝器前端設(shè)壓熱電偶8，冷凝器進(jìn)出口設(shè)貝克曼溫度計(jì)9。加熱管接交流電源7.
該儲油罐3上設(shè)進(jìn)油口，儲油罐下設(shè)出油口。冷凝器10下設(shè)進(jìn)水口，冷凝器上設(shè)出水口。吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置的測定方法包含以下步驟1)超臨界裂解裝置我們搭建了一套超臨界裂解裝置的實(shí)驗(yàn)平臺，如圖2所示。電加熱功率10KW，加熱管內(nèi)徑3-10mm ；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1次/秒2)系統(tǒng)標(biāo)定在無介質(zhì)流過的情況下，對加熱管纏好保溫棉，進(jìn)行加熱，觀測后端冷凝器出口處水溫的變化，考察金屬管壁傳熱和冷凝器外壁散熱引起的水溫變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水溫?zé)o明顯變化，表明加熱管壁傳熱和冷凝器自身散熱效果相當(dāng)，整套體統(tǒng)的散熱效應(yīng)可以忽略。3)誤差分析誤差的來源主要有進(jìn)出口水處溫貝克曼溫度計(jì)測量誤差2%0，貝克曼溫度計(jì)精度誤差對熱沉影響誤差小于；氣體燃燒熱數(shù)據(jù)來源于NIST數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)精度誤差小于 1%。，按氣體燃燒熱52MJ/Kg，產(chǎn)氣率最大50%計(jì)算帶來誤差為0. 026MJ/Kg，對熱沉影響誤差小于；冷卻水采用恒高水位水箱供水，保證水壓恒定，水流速測定誤差在1%。以內(nèi)，測定誤差對熱沉影響小于2%。為消除氣液分離可能造成的誤差，我們要求一次殘液收集時間在兩分鐘以上。殘液樣品進(jìn)行離線燃燒熱測定，每個樣品燃燒熱測定平行試驗(yàn)次數(shù)不少于三次，燃燒熱取算術(shù)平均。在線水浴冷卻測定采用貝克曼溫度計(jì)(精度0. oorc)測溫，為了不致冷卻水升溫過高需要根據(jù)燃料流量控制水流量，冷卻水流量預(yù)先精確測定。4)應(yīng)用實(shí)例具體操作步驟如下1)開啟進(jìn)油閥門，通過加壓方式使液態(tài)燃料以0. 2 4m/s的流速進(jìn)入超臨界裂解管路；2)開啟冷卻水，用貝克曼溫度計(jì)精確測量冷凝水浴的進(jìn)出口溫度；3)用質(zhì)量流量計(jì)5測定液態(tài)燃料的質(zhì)量流量；4)待質(zhì)量流量計(jì)顯示流量和冷卻水溫穩(wěn)定后，開啟電加熱系統(tǒng)，對燃料管路進(jìn)行加熱，使之發(fā)生相變和裂解反應(yīng)；5)用熱電偶8測量冷凝器前后端碳?xì)淙剂系臏囟龋捎秘惪寺鼫囟扔?jì)9測量冷凝器進(jìn)出口處水溫，采用在線水浴方法，測定公式3中的冷凝焓變ΔΗ2，根據(jù)公式3計(jì)算物理熱沉；AHphys = -AH2-AH36)用氣液分離器12分離超臨界裂解的高餾分產(chǎn)物(液態(tài))和低餾分產(chǎn)物(氣態(tài))，根據(jù)液體收集器13中收集的裂解殘液和前端的質(zhì)量流量計(jì)讀數(shù)，計(jì)算產(chǎn)氣率，根據(jù)氣相色譜14分析結(jié)果計(jì)算氣態(tài)產(chǎn)物的燃燒熱，根據(jù)氧彈式量熱計(jì)測量殘液的燃燒熱，從而根據(jù)式2計(jì)算化學(xué)熱沉；AHcheffl= Δ H6-Δ H4-Δ H57)通過數(shù)據(jù)采集軟件按不低于1次/s的頻率在線采集質(zhì)量流量、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、差壓值；
基于上述方法，采用兩種吸熱型碳?xì)淙剂线M(jìn)行熱裂解實(shí)驗(yàn)，測量結(jié)果詳見表1和表2所示介質(zhì)航空煤油，加熱管內(nèi)徑2mm ；加熱管長度650mm ；質(zhì)量流量1. lg/s,實(shí)驗(yàn)壓力 3. 5Mpa。
表1
溫度(0C)
產(chǎn)氣率 (%)
化學(xué)熱沉 (MJ/kg)
物理熱沉 (MJ/kg)
總熱沉(MJ/kg)
1000.000.000.220.222000.000.000.480.483000.000.000.760.764000.00-0..011.191.185000.17-0..041.431.395500.30-0..191.581.396002.44-0,.391.761.376507.54-0,.332.061.7368014, 890.012.212.2270022, 750.392.302.69(2)介質(zhì)某型吸熱型碳?xì)淙剂?，加熱管?nèi)徑2mm ；加熱管長度650mm ；質(zhì)量流量1. lg/s，實(shí)驗(yàn)壓力3. 5Mpa測量結(jié)果如下表 權(quán)利要求
1.一種吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置，其特征在于該測定裝置由加壓氣源 (1)通過針型閥( 與儲油罐C3)連接，儲油罐通過流量調(diào)節(jié)閥G)，質(zhì)量流量計(jì)( 與加熱管(6)連接，加熱管經(jīng)冷凝器(10)與背壓閥(11)連接，背壓閥經(jīng)氣液分離罐(1 分別與液體接收器(1 和氣相色譜(14)連接。
2.如權(quán)利要求1所述吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置，其特征在于加熱管后端和冷凝器前后端裝設(shè)熱電偶(8)，進(jìn)行實(shí)時溫度測量，加熱管接交流電源。
3.如權(quán)利要求1所述吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置，其特征在于儲油罐 (3)上設(shè)進(jìn)油口，儲油罐下設(shè)出油口。
4.如權(quán)利要求1所述吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置，其特征在于冷凝器下設(shè)進(jìn)水口，冷凝器上設(shè)出水口，冷凝器進(jìn)出水口處放置貝克曼溫度計(jì)(9)。
5.如權(quán)利要求1 4之一所述吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置的測定方法， 其特征在于該方法包括以下步驟1)液體燃燒焓ΔH4和Δ H6的測定采用離線方法，用氧彈法測定常溫吸熱型碳?xì)淙剂蠘悠泛鸵簯B(tài)裂解產(chǎn)物的燃燒焓，首先采用苯甲酸或萘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，然后將吸熱型碳?xì)淙剂匣蛞后w接收器中的高餾分液體產(chǎn)物準(zhǔn)確稱重，并稱取燃火絲和棉線的質(zhì)量，裝入氧彈瓶，沖入2MPa 的氧氣，將氧彈瓶放入內(nèi)筒，在內(nèi)筒中加入2L水，接好電源，開啟計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序，每半分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，攪拌15分鐘后點(diǎn)火，點(diǎn)火30分鐘后停止實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)采集的內(nèi)筒水溫升曲線，計(jì)算液體燃燒焓八氏和ΔΗ6;2)氣態(tài)產(chǎn)物燃燒焓ΔΗ5的測定通過氣態(tài)裂解產(chǎn)物成分的在線測定，采用熱化學(xué)數(shù)據(jù)直接計(jì)算將氣液分離罐中的低餾分氣體產(chǎn)物在加熱管加熱的同時，通入氣相色譜，根據(jù)每種氣體產(chǎn)物的特征出峰時間對色譜峰進(jìn)行指認(rèn)，用儀器標(biāo)定的響應(yīng)因子計(jì)算每種氣體的含量，根據(jù)美國OTST數(shù)據(jù)庫中每種氣體的燃燒焓計(jì)算ΔH5;3)Δ H3的確定按熱力學(xué)方法處理，液體產(chǎn)物等溫降壓過程的焓變可忽略不計(jì)，而氣體產(chǎn)物可近似按理想氣體處理，等溫過程其焓變?yōu)榱?，故Δ? = 0 ；4)冷凝焓變的測定采用水浴法，在高溫裂解產(chǎn)物后端接入水浴，用貝克曼溫度計(jì)精確測量冷凝水浴的進(jìn)出口溫度，用熱電偶直接測量水浴前后端的吸熱型碳?xì)淙剂蠝囟?，通過測定吸熱型碳?xì)淙剂狭髁亢屠鋮s水流量，獲得吸熱型碳?xì)淙剂贤ㄟ^水浴冷卻和相變的焓變δη2 ；因此，根據(jù)公式1可以直接計(jì)算總熱沉AH1，即AH1 = Δ H6-Δ H2- Δ H3- Δ H4- Δ H5同時，根據(jù)公式2和3可以分別確定物理熱沉和化學(xué)熱沉即AHphys = -AH2-AH3八 Hchem= Δ H6-Δ H4-Δ H5;
6.如權(quán)利要求1所述吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀鉄岢翜y定裝置，其特征在于該測定裝置用于吸熱型碳?xì)淙剂显诟邷?200Κ以下，在0. I-SMpa的亞臨界和超臨界壓力條件下的裂解熱沉測定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種吸熱型碳?xì)淙剂细邷亓呀獾臒岢翜y定裝置及其測定方法，其特征在于該測定裝置由加壓氣源(1)通過針型閥(2)與儲油罐(3)連接，儲油罐通過流量調(diào)節(jié)閥(4)，質(zhì)量流量計(jì)(5)與加熱管(6)連接，加熱管經(jīng)冷凝器(10)與背壓閥(11)連接，背壓閥經(jīng)氣液分離罐(12)分別與液體接收器(13)和氣相色譜(14)連接。采用熱力學(xué)循環(huán)的原理，避開燃料熱沉直接測定中的各種問題，通過在線測定水浴冷卻過程吸熱和離線測定裂解產(chǎn)物的燃燒熱，分別測定燃料的物理熱沉和化學(xué)熱沉，實(shí)現(xiàn)高溫(1200K以下)，超臨界和亞臨界(0.1Mpa-8Mpa)壓力條件下，碳?xì)淙剂狭呀鉄岢恋臏?zhǔn)確測量。
文檔編號G01N25/20GK102495101SQ20111041636
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者朱權(quán), 李象遠(yuǎn), 王健禮 申請人:四川大學(xué)