吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置及其測定方法

2023-09-09 21:35:50

專利名稱：吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置及其測定方法
技術領域：
本發明涉及一種吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置及其測定方法，屬於工程熱物理及燃料性能測試領域。
背景技術：
超燃衝壓發動機在高超聲速條件下飛行，發動機燃燒室熱載荷大。利用吸熱型碳氫燃料裂解吸熱來對發動機實施冷卻是一條有效途徑，這種方法稱為主動冷卻。目前，對於吸熱型碳氫燃料的研究，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氫燃料的研究工作，並在超燃衝壓發動機上採用了主動冷卻手段。
在工程上將單位質量吸熱型碳氫燃料的吸熱能力稱為熱沉，是評價吸熱型碳氫燃料吸熱性能的重要指標之一。吸熱型碳氫燃料的熱沉主要來自以下兩個方面物理熱沉由燃料升溫和相變吸熱引起；化學熱沉由燃料在高溫條件下發生的裂解和聚合反應決定。吸熱型碳氫燃料在真正應用於冷卻時，考慮到其它工程問題，要求處於超臨界狀態(即壓力和溫度分別高於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製備的最重要的目標之一。
目前，國內主要有浙江大學，天津大學和西安交通大學等高校在這個方面開展了一些的研究工作。目前國內流行的方法主要依據Tian』 s方程，結合傅立葉定律徑對系統一維傳熱模型建立量熱系統，採用直接計算輸入功率，在線測定系統散熱的方法得到吸熱型碳氫燃料的總熱沉。但該方法存在以下幾方面的不足測量過程散熱量精確標定困難，標定的參數可遷性差等，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確評價。同時，現有測定方法無法區分燃料總熱沉中的物理熱沉和化學熱沉兩方面的各自貢獻，對於燃料的設計和裂解管道的表面處理難以提供有效指導。因此，現行的測定方法難以滿足對於眾多不同種類的碳氫燃料，不同工況條件下的燃料熱沉的準確測定的需求，需要建立更科學可靠的測定方法。發明內容
本發明的目的是針對現有熱沉測試方法的不足而提供一種吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置及其測定方法，其特點是採用熱力學循環的原理，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物的燃燒熱，分別測定燃料的物理熱沉和化學熱沉，實現高溫(1200K以下)，超臨界和亞臨界 (0. IMpa-SMpa)壓力條件下，碳氫燃料裂解熱沉的準確測量。
本發明的工作原理
吸熱型碳氫燃料熱沉包含物理吸熱和裂解反應的化學吸熱兩方面。本方法根據熱力學狀態函數法，將在線的水浴法測量和離線的燃燒熱測定結合起來，實現燃料熱沉的準確測定。本發明的工作原理描述如下。
吸熱型碳氫燃料在常壓或超臨界條件下的裂解過程(熱裂解和催化裂解)，根據熱力學狀態函數法設計如下過程，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，因為AHjf應的過程存在著升溫、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，設計一個熱力學循環過程，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 是氣態裂解產物(一般為低碳餾分)的燃燒焓；△ H6是吸熱型碳氫燃料(冷態)的燃燒焓。按照熱化學的一般定義，本發明將標準狀態(IOOkPa)，室溫條件下從穩定反應物到穩定產物反應焓差定義為化學熱沉，即AHcheffl= Δ H6-Δ H4-Δ H5(2)並將AH1除化學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熱沉之和。採用簡單水浴冷卻的方法直接得到燃料的物理熱沉，採用氧彈式量熱計的方法測定化學熱沉，從而得到燃料的總熱沉，為燃料設計和燃料管道設計及處理提供更詳細的基礎數據。本發明的目的由以下技術措施實現吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置由加壓氣源通過針型閥與儲油罐連接， 儲油罐通過流量調節閥，質量流量計與加熱管連接，加熱管經冷凝器與背壓閥連接，背壓閥經氣液分離罐分別與液體接收器和氣相色譜連接。加熱管後端和冷凝器前後端裝設熱電偶，進行實時溫度測量，加熱管接交流電源。儲油罐上設進油口，儲油罐下設出油口。冷凝器下設進水口，冷凝器上設出水口，冷凝器進出水口處放置貝克曼溫度計。吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測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的測定採用離線方法，用氧彈法測定常溫吸熱型碳氫燃料樣品和液態裂解產物的燃燒焓，首先採用苯甲酸或萘標準物質對氧彈式量熱計進行參數標定，然後將吸熱型碳氫燃料或液體接收器中的高餾分液體產物準確稱重，並稱取燃火絲和棉線的質量，裝入氧彈瓶，衝入2ΜΙ^的氧氣，將氧彈瓶放入內筒，在內筒中加入2L水，接好電源，開啟計算機數據採集程序，每半分鐘記錄一次數據，攪拌15分鐘後點火，點火30分鐘後停止實驗，根據計算機採集的內筒水溫升曲線，計算液體燃燒焓八紮和ΔΗ6;2)氣態產物燃燒焓Δ H5的測定通過氣態裂解產物成分的在線測定，採用熱化學數據直接計算ΔΗ5 將氣液分離罐中的低餾分氣體產物在加熱管加熱的同時，通入氣相色譜，根據每種氣體產物的特徵出峰時間對色譜峰進行指認，用儀器標定的響應因子計算每種氣體的含量，根據美國OTST資料庫中每種氣體的燃燒焓計算δη5 ；3) Δ H3 的確定按熱力學方法處理，液體產物等溫降壓過程的焓變可忽略不計，而氣體產物可近似按理想氣體處理，等溫過程其焓變為零，故δη3 = 0 ；4)冷凝焓變Δ H2的測定採用水浴法，在高溫裂解產物後端接入水浴，用貝克曼溫度計精確測量冷凝水浴的進出口溫度，用熱電偶直接測量水浴前後端的吸熱型碳氫燃料溫度，通過測定吸熱型碳氫燃料流量和冷卻水流量，獲得吸熱型碳氫燃料通過水浴冷卻和相變的焓變ΔΗ2 ；因此，根據公式1可以直接計算總熱沉ΔΗ1;即AH1 = Δ H6-Δ H2- Δ H3- Δ H4- Δ H5同時，根據公式2和3可以分別確定物理熱沉和化學熱沉即AHphys = -AH2-AH3AHcheffl= Δ H6-Δ H4-Δ H5吸熱型碳氫燃料高溫裂解熱沉測定裝置用於吸熱型碳氫燃料在高溫1200Κ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。本發明具有以下優點本發明的吸熱型碳氫燃料熱沉測定方法測量誤差小，參數可遷性好，可實現物理熱沉和化學熱沉的分別測定，採集的參數對發動機主動冷卻系統設計有重要作用。


圖1.為吸熱型碳氫燃料高溫裂解和燃燒流程示意圖1、吸熱型碳氫燃料(冷態， 300Κ， IOOKPa)，2、高溫高壓裂解氣( 1000K， 5000KPa)，3、裂解產物( 300K， 5000KPa)，4、高溜分產物(液體， 300K， IOOKPa)， 5、低餾分產物( 300K, IOOKPa)，6、氣態二氧化碳和水( 300K, IOOKPa)。圖2.吸熱型碳氫燃料裂解系統示意圖1、加壓氣源，2、針型閥，3、儲油罐，4、流量調節閥，5、質量流量計，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，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
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用於只用於對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該技術的熟練人員可以根據上述本發明的內容對本發明做出一些非本質的改進和調整。實施例如圖2所示，吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置由加壓氣源1通過針型閥 2與儲油罐3連接，儲油罐通過流量調節閥4，質量流量計5與加熱管6連接，加熱管經冷凝器10與背壓閥11連接，背壓閥經氣液分離罐12，與氣相色譜14和液體接收器13連接。加熱管後端和冷凝器前端設壓熱電偶8，冷凝器進出口設貝克曼溫度計9。加熱管接交流電源7.
該儲油罐3上設進油口，儲油罐下設出油口。冷凝器10下設進水口，冷凝器上設出水口。吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測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驗平臺，如圖2所示。電加熱功率10KW，加熱管內徑3-10mm ；數據採集系統1次/秒2)系統標定在無介質流過的情況下，對加熱管纏好保溫棉，進行加熱，觀測後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，實驗結果顯示水溫無明顯變化，表明加熱管壁傳熱和冷凝器自身散熱效果相當，整套體統的散熱效應可以忽略。3)誤差分析誤差的來源主要有進出口水處溫貝克曼溫度計測量誤差2%0，貝克曼溫度計精度誤差對熱沉影響誤差小於；氣體燃燒熱數據來源於NIST資料庫，數據精度誤差小於 1%。，按氣體燃燒熱52MJ/Kg，產氣率最大50%計算帶來誤差為0. 026MJ/Kg，對熱沉影響誤差小於；冷卻水採用恆高水位水箱供水，保證水壓恆定，水流速測定誤差在1%。以內，測定誤差對熱沉影響小於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。殘液樣品進行離線燃燒熱測定，每個樣品燃燒熱測定平行試驗次數不少於三次，燃燒熱取算術平均。在線水浴冷卻測定採用貝克曼溫度計(精度0. oorc)測溫，為了不致冷卻水升溫過高需要根據燃料流量控制水流量，冷卻水流量預先精確測定。4)應用實例具體操作步驟如下1)開啟進油閥門，通過加壓方式使液態燃料以0. 2 4m/s的流速進入超臨界裂解管路；2)開啟冷卻水，用貝克曼溫度計精確測量冷凝水浴的進出口溫度；3)用質量流量計5測定液態燃料的質量流量；4)待質量流量計顯示流量和冷卻水溫穩定後，開啟電加熱系統，對燃料管路進行加熱，使之發生相變和裂解反應；5)用熱電偶8測量冷凝器前後端碳氫燃料的溫度，採用貝克曼溫度計9測量冷凝器進出口處水溫，採用在線水浴方法，測定公式3中的冷凝焓變ΔΗ2，根據公式3計算物理熱沉；AHphys = -AH2-AH36)用氣液分離器12分離超臨界裂解的高餾分產物(液態)和低餾分產物(氣態)，根據液體收集器13中收集的裂解殘液和前端的質量流量計讀數，計算產氣率，根據氣相色譜14分析結果計算氣態產物的燃燒熱，根據氧彈式量熱計測量殘液的燃燒熱，從而根據式2計算化學熱沉；AHcheffl= Δ H6-Δ H4-Δ H57)通過數據採集軟體按不低於1次/s的頻率在線採集質量流量、介質溫度、介質壓力、差壓值；
基於上述方法，採用兩種吸熱型碳氫燃料進行熱裂解實驗，測量結果詳見表1和表2所示介質航空煤油，加熱管內徑2mm ；加熱管長度650mm ；質量流量1. lg/s,實驗壓力 3. 5Mpa。
表1
溫度(0C)
產氣率 (%)
化學熱沉 (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)介質某型吸熱型碳氫燃料，加熱管內徑2mm ；加熱管長度650mm ；質量流量1. lg/s，實驗壓力3. 5Mpa測量結果如下表 權利要求
1.一種吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置，其特徵在於該測定裝置由加壓氣源 (1)通過針型閥( 與儲油罐C3)連接，儲油罐通過流量調節閥G)，質量流量計( 與加熱管(6)連接，加熱管經冷凝器(10)與背壓閥(11)連接，背壓閥經氣液分離罐(1 分別與液體接收器(1 和氣相色譜(14)連接。
2.如權利要求1所述吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置，其特徵在於加熱管後端和冷凝器前後端裝設熱電偶(8)，進行實時溫度測量，加熱管接交流電源。
3.如權利要求1所述吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置，其特徵在於儲油罐 (3)上設進油口，儲油罐下設出油口。
4.如權利要求1所述吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置，其特徵在於冷凝器下設進水口，冷凝器上設出水口，冷凝器進出水口處放置貝克曼溫度計(9)。
5.如權利要求1 4之一所述吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置的測定方法， 其特徵在於該方法包括以下步驟1)液體燃燒焓ΔH4和Δ H6的測定採用離線方法，用氧彈法測定常溫吸熱型碳氫燃料樣品和液態裂解產物的燃燒焓，首先採用苯甲酸或萘標準物質對氧彈式量熱計進行參數標定，然後將吸熱型碳氫燃料或液體接收器中的高餾分液體產物準確稱重，並稱取燃火絲和棉線的質量，裝入氧彈瓶，衝入2MPa 的氧氣，將氧彈瓶放入內筒，在內筒中加入2L水，接好電源，開啟計算機數據採集程序，每半分鐘記錄一次數據，攪拌15分鐘後點火，點火30分鐘後停止實驗，根據計算機採集的內筒水溫升曲線，計算液體燃燒焓八氏和ΔΗ6;2)氣態產物燃燒焓ΔΗ5的測定通過氣態裂解產物成分的在線測定，採用熱化學數據直接計算將氣液分離罐中的低餾分氣體產物在加熱管加熱的同時，通入氣相色譜，根據每種氣體產物的特徵出峰時間對色譜峰進行指認，用儀器標定的響應因子計算每種氣體的含量，根據美國OTST資料庫中每種氣體的燃燒焓計算ΔH5;3)Δ H3的確定按熱力學方法處理，液體產物等溫降壓過程的焓變可忽略不計，而氣體產物可近似按理想氣體處理，等溫過程其焓變為零，故ΔΗ3 = 0 ；4)冷凝焓變的測定採用水浴法，在高溫裂解產物後端接入水浴，用貝克曼溫度計精確測量冷凝水浴的進出口溫度，用熱電偶直接測量水浴前後端的吸熱型碳氫燃料溫度，通過測定吸熱型碳氫燃料流量和冷卻水流量，獲得吸熱型碳氫燃料通過水浴冷卻和相變的焓變δη2 ；因此，根據公式1可以直接計算總熱沉AH1，即AH1 = Δ H6-Δ H2- Δ H3- Δ H4- Δ H5同時，根據公式2和3可以分別確定物理熱沉和化學熱沉即AHphys = -AH2-AH3八 Hchem= Δ H6-Δ H4-Δ H5;
6.如權利要求1所述吸熱型碳氫燃料高溫裂解熱沉測定裝置，其特徵在於該測定裝置用於吸熱型碳氫燃料在高溫1200Κ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
本發明公開了一種吸熱型碳氫燃料高溫裂解的熱沉測定裝置及其測定方法，其特徵在於該測定裝置由加壓氣源(1)通過針型閥(2)與儲油罐(3)連接，儲油罐通過流量調節閥(4)，質量流量計(5)與加熱管(6)連接，加熱管經冷凝器(10)與背壓閥(11)連接，背壓閥經氣液分離罐(12)分別與液體接收器(13)和氣相色譜(14)連接。採用熱力學循環的原理，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物的燃燒熱，分別測定燃料的物理熱沉和化學熱沉，實現高溫(1200K以下)，超臨界和亞臨界(0.1Mpa-8Mpa)壓力條件下，碳氫燃料裂解熱沉的準確測量。
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 優先權日2011年12月14日
發明者朱權, 李象遠, 王健禮 申請人:四川大學