燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與探索

文/張?jiān)萍?顧子迪 喬建仙 包河彬

利用膠囊實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)油品燃燒熱的測(cè)量，同時(shí)通過(guò)編寫(xiě)燃燒熱自動(dòng)測(cè)定軟件，實(shí)現(xiàn)溫差數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雷諾圖分析校正、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算等功能，對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中燃燒熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)（氧彈法）進(jìn)行改進(jìn)。

1.燃燒熱實(shí)驗(yàn)概述

燃燒熱（ΔcHm）是指物質(zhì)與氧氣進(jìn)行完全燃燒（氧化）反應(yīng)時(shí)放出的熱量，是熱化學(xué)中重要的基本數(shù)據(jù)。它一般用單位物質(zhì)的量、單位質(zhì)量或單位體積的燃料燃燒時(shí)放出的能量計(jì)量。目前，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定物質(zhì)燃燒熱的方法，主要是使用氧彈式燃燒熱測(cè)定方法，該法是把一定量的樣品放在充有高壓純氧的密閉彈筒（即氧彈）中完全燃燒，并使其燃燒放出的熱量通過(guò)彈筒傳遞給水及儀器系統(tǒng)，再根據(jù)水溫的變化計(jì)算出樣品的發(fā)熱量。測(cè)量物質(zhì)的燃燒熱是工業(yè)生產(chǎn)和研究中進(jìn)行熱值分析的基本方法，同時(shí)也是大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)基本的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是化學(xué)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)不可或缺的基本內(nèi)容之一[1]。

2.對(duì)傳統(tǒng)燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)

本研究主要探索和改進(jìn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中燃燒熱的測(cè)定方法（氧彈法），使用膠囊對(duì)油品進(jìn)行燃燒熱的測(cè)定，并基于實(shí)驗(yàn)儀器硬件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)了燃燒熱自動(dòng)測(cè)定軟件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于油品燃燒熱的快速測(cè)定。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及藥品。氧彈式量熱計(jì)（SHR-15，南京桑力公司），精密數(shù)字溫度溫差儀（SWC-ⅡD，南京桑力公司），計(jì)算機(jī)，電子天平，鎳絲，膠囊。苯甲酸（A.R.分析純），93#汽油，0#柴油，航煤。

2.3實(shí)驗(yàn)軟件。根據(jù)油品燃燒熱測(cè)試需求，基于南京桑力實(shí)驗(yàn)硬件（SHR-15氧彈式量熱計(jì)、SWC-IID精密數(shù)字溫度溫差儀），自行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)軟件（由于儀器硬件限制，需手動(dòng)點(diǎn)火），可實(shí)現(xiàn)溫差數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)驗(yàn)雷諾圖分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算功能。

2.3液體燃燒熱測(cè)定的測(cè)定過(guò)程。實(shí)驗(yàn)采用膠囊盛裝油品，點(diǎn)火絲嵌在膠囊中，增加了點(diǎn)火絲與油品的接觸面積，使點(diǎn)火絲能與油品充分接觸，從而提高了點(diǎn)火成功率和實(shí)驗(yàn)效率。（1）測(cè)量膠囊熱值：稱取膠囊，將燃燒絲纏于膠囊中部，在氧彈中加入10m l蒸餾水，按之前步驟測(cè)量熱值后，平行3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為膠囊的平均熱值。（2）測(cè)量油品熱值：以膠囊作為裝樣容器，稱取膠囊后將待測(cè)液體滴入膠囊中，扣緊密閉。實(shí)驗(yàn)步驟與之前相同，測(cè)量混合體系的熱值，計(jì)算出樣品的燃燒熱值，平行3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為樣品的平均熱值。

3.對(duì)燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)控制軟件改進(jìn)

3.1精密數(shù)字溫度溫差儀通訊協(xié)議分析、數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換。SWC-IID精密數(shù)字溫度溫差儀采用BCD碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，基于RS232串口發(fā)送數(shù)據(jù)。由其通訊協(xié)議可知，當(dāng)軟件與下位機(jī)開(kāi)始通訊后，下位機(jī)溫差儀會(huì)持續(xù)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要通過(guò)軟件從原始數(shù)據(jù)中提取需要的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)通訊協(xié)議可知數(shù)據(jù)幀的幀頭為0xFF，幀長(zhǎng)度為14，以此為判定規(guī)則，提取得到一幀完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如FF800A090105070A000901000000。溫差數(shù)據(jù)ΔT如圖1所示，由于溫差數(shù)據(jù)為BCD碼格式，因此直接將數(shù)據(jù)拼接即可，則溫差數(shù)據(jù)值為+09157，小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為3，最終的溫差數(shù)據(jù)ΔT為9.157℃。同理，解析溫度數(shù)據(jù)T如圖2所示，由于溫度數(shù)據(jù)同樣為BCD碼格式，因此直接將數(shù)據(jù)拼接即可，則溫度數(shù)據(jù)值為+00910，小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為2，最終的溫差數(shù)據(jù)T為9.10℃。

圖1 溫差數(shù)據(jù)ΔT解析

圖2 溫度數(shù)據(jù)T解析

圖3 燃燒熱曲線求導(dǎo)劃分實(shí)驗(yàn)區(qū)間

圖4 燃燒熱實(shí)驗(yàn)溫差數(shù)據(jù)曲線區(qū)間劃分

圖5 基于室溫確定I點(diǎn)

圖6 基于I點(diǎn)確定A點(diǎn)和C點(diǎn)

圖7 校正后的溫差值ΔT校正

3.3燃燒熱實(shí)驗(yàn)軟件的改進(jìn)編寫(xiě)。根據(jù)以上通訊協(xié)議、溫差校正算法和燃燒熱計(jì)算公式，使用Pascal語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)軟件。軟件的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示，TRS232Controller類用于控制溫差儀的串口通訊和數(shù)據(jù)采集，TRSEm uController類可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)時(shí)的模擬采集功能，即軟件可以在不連接溫差儀的情況下進(jìn)行操作，模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集情況，該功能主要用于軟件的演示和培訓(xùn)使用。軟件界面采用Docking方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即所有功能組件均以Docking方式加載到主窗體中，雙擊每個(gè)功能組件的標(biāo)題欄，該組件可轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)獨(dú)立的窗口程序，軟件主界面如圖9(a)所示。此外，軟件的“實(shí)驗(yàn)曲線”頁(yè)面可實(shí)時(shí)繪制燃燒熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線（可同時(shí)采集溫差數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)）；“數(shù)據(jù)監(jiān)控”頁(yè)面可實(shí)時(shí)顯示采集到的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)人員檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；“數(shù)據(jù)處理”頁(yè)面主要用于最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得到最終的燃燒熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9(b)所示。

圖8 燃燒熱實(shí)驗(yàn)軟件的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 燃燒熱實(shí)驗(yàn)軟件界面截圖

4.總結(jié)

本論文對(duì)“物化課程燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了探索和改進(jìn)，使用膠囊對(duì)油品進(jìn)行燃燒熱的測(cè)定，在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器硬件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)了自動(dòng)化檢測(cè)分析軟件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于油品燃燒熱的快速測(cè)定。

引用出處

[1]張軍峰，龐素娟，肖厚貞.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第二版）[M].北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2021.