采用流動型絕熱量熱法測量航空煤油的比熱容★

鄭煜鑫 魏朝暉 李 潔

(西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，陜西 西安 710077)

1 概述

航空煤油(Aviation kerosene)，學(xué)名噴氣燃料(Jet fuel)，是針對渦輪、渦噴、渦扇、渦槳、渦軸等噴氣式航空發(fā)動機(jī)用燃料。航空煤油作為國家重大戰(zhàn)略資源類物資，在民用和軍用領(lǐng)域有著極其重要的社會經(jīng)濟(jì)利用價值，其質(zhì)量安全是影響飛機(jī)飛行安全的重要因素。

航空煤油成分復(fù)雜，由上千種成分組成，包括C7-C16等多種鏈烴、環(huán)烷以及芳香族化合物,其具體成分隨產(chǎn)地、廠家和年份等而有所變化[1-6]。目前，國際上標(biāo)準(zhǔn)航空煤油主要為美國的Jet A，Jet A-1，Jet B，JP-8和JP-10。我國航空煤油一般分1號，2號，3號和4號，1號適用于寒冷地區(qū)，2號、3號適用于一般地區(qū)；4號餾分較寬，輕餾分較多，有利于啟動點火，但不宜于炎熱地區(qū)；3號一般也叫做RP-3，用途最廣，供出口和過境飛機(jī)加油。

作為材料的基本物性，熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確測量和描述對于航空煤油的應(yīng)用具有重要作用。比熱是航空煤油重要的熱物理參數(shù)，是航空煤油合成、燃燒、傳熱、冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)研究中必不可少的設(shè)計參數(shù)。開展航空煤油的熱物性研究，獲得準(zhǔn)確可靠的航空煤油的比熱熱物性數(shù)據(jù)和模型，不僅可以為航空煤油的生產(chǎn)、基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)的熱物性數(shù)據(jù)，還能為民用和軍用航空飛行器的研發(fā)、安全運行提供技術(shù)支持。

2 實驗原理及量熱器

在工程科技領(lǐng)域中，比熱容是物質(zhì)的重要熱物理性質(zhì)之一，在工業(yè)生產(chǎn)、化學(xué)工程和節(jié)能設(shè)計的研究中是非常重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。定壓比熱容的數(shù)據(jù)應(yīng)用比較廣泛，在實驗中也比較容易做到定壓過程。它的測量原理如圖1所示，當(dāng)質(zhì)量流量為qm的流體穩(wěn)定流經(jīng)量熱器時，加熱器的加熱功率為Pm，溫度計1和2分別測量流入量熱器的流體的進(jìn)口和出口溫度分別為T1,T2，因此，在溫度為T，壓力為p的狀態(tài)下的比熱容的計算公式[7-9]為：

(1)

其中，P為加熱器的加熱功率,W；qm為質(zhì)量流量,kg/s；T1為加熱前的溫度,K；T2為加熱后的溫度,K。

式中的定壓比熱容所對應(yīng)的溫度為：

(2)

根據(jù)上式得到平均定壓比熱容cp為實際氣體(或者液體)在溫度為T的比熱容。然而，在實際測量的過程中，加熱器前后兩支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計所測試的溫差，并不能單純地認(rèn)為是由于吸熱而引起的溫升，由于在液體經(jīng)過加熱器時，在沒有加熱的情況下也會產(chǎn)生一定的溫差，因此，只有把加熱時所測出溫差ΔTm減去不加熱時的溫差ΔTb所得到的溫差才是真實液體所吸熱而產(chǎn)生的溫升。該溫升的計算公式為：

ΔT=ΔTm-ΔTb

(3)

另外，在實際測量的過程中，存在導(dǎo)熱損失、對流散熱損失和輻射損失等影響實驗結(jié)果，因此，真實的比熱容的計算公式為：

(4)

其中，φs為漏熱量,W。

3 實驗系統(tǒng)

流動型比熱容實驗系統(tǒng)主要包括：主要是量熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括加熱器結(jié)構(gòu)、耐壓和管路的設(shè)計，為了減少漏熱損失；另外將背壓閥接入實驗系統(tǒng)，拓寬了測壓范圍。流動型量熱實驗系統(tǒng)主要是由量熱器、溫控系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、測量軟件系統(tǒng)和管路流動系統(tǒng)組成，流動型比熱實驗系統(tǒng)圖如圖2所示。

流動型比熱實驗系統(tǒng)流程：首先，采用真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，保證量熱器在一定的真空狀態(tài)；接著開啟平流泵和恒溫槽，被測液體樣品由平流泵以均勻的流速流入實驗系統(tǒng)，通過循環(huán)浴對管路中液體進(jìn)行預(yù)熱；預(yù)熱完成后進(jìn)入量熱器中，量熱器主要包括進(jìn)出口測溫裝置和加熱器；整個管路中的壓力通過背壓閥控制；最后通過三相閥進(jìn)入取樣瓶。量熱器進(jìn)出口鉑電阻的溫度、加熱器的電壓、流量和恒溫槽的溫度通過Flow Calorimeter1.0軟件實現(xiàn)自動化測量。

整個實驗系統(tǒng)是開式流動系統(tǒng)，待測液體的流量的大小是通過平流泵調(diào)節(jié)，流量的恒定與溫度、壓力、調(diào)節(jié)背壓閥的開度有關(guān)，恒溫槽是為實驗系統(tǒng)提供一個恒溫的環(huán)境，一方面是為了選擇需要測試的溫度點，對管道內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行加熱；另一方面是為了防止量熱器出來的工質(zhì)溫度梯度過大，使得溫度降低過快，而導(dǎo)致測量誤差。壓力是通過調(diào)節(jié)背壓閥來控制系統(tǒng)中的壓力，在整個實驗過程中，為了防止漏熱損失，需要對量熱器的真空腔進(jìn)行抽真空。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 量熱器的漏熱檢驗

1)漏熱損失。

量熱器的內(nèi)部的漏熱量的大小會影響比熱容的測量結(jié)果，當(dāng)漏熱量較大時，可以通過實驗加以消除，當(dāng)漏熱量較小時，可以忽略不計，在改進(jìn)的流動型絕熱量熱液體比熱容的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以自動地采集和計算一定時間內(nèi)加熱器的加熱量Q，被測液體的溫升ΔT和質(zhì)量m，因此，比熱容的實驗公式為：

(5)

因此，漏熱量的修正原理：在加熱器的加熱熱量Q中，大部分熱量Q1被樣品吸收，另一部分熱量QL從量熱器中散失，傳遞給真空腔壁。

由式(5)分析可得出：

當(dāng)QL=0時，則cpexp=cp;

當(dāng)QL≠0時，必須對實驗值加以修正。為此進(jìn)行這樣的實驗。

因此，在一定的狀態(tài)下，保持ΔT基本不變，改變流量，由于ΔT不變，流量變化后還必須增大或減小加熱功率。在這種情況下，cpexp和1/m應(yīng)是直線關(guān)系，若直線是水平的，說明QL=0，則cpexp=cp；若QL≠0，則當(dāng)1/m=0時，cpexp=cp。

2)純水。

表1 水的定壓比熱容與文獻(xiàn)值[10]的比較

由于純水的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且具有較寬的液程，并且具有價格低廉等優(yōu)點，因此，純水在國際上被推薦為測量比熱的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。本文通過測量水在溫度為293.15 K，壓力為0.1 MPa，不同流量下的比熱容的測量結(jié)果如表1所示?；诒?在不同的流量下的比熱容值及與標(biāo)準(zhǔn)值[10]的偏差得到圖3。

從圖3可以看出直線的斜率接近于0，漏熱量很小，可以認(rèn)為QL接近于0；表1表示測量結(jié)果與文獻(xiàn)值的偏差在0.2%之內(nèi)；可以得出該實驗系統(tǒng)的漏熱損失可以忽略不計。

4.2 航空煤油的實驗結(jié)果及分析

RP-3航空煤油樣品來自于中石化北京燕山石油化工分公司,通過色譜—質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀確定樣品中含量最大的前100種組分及其相對體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)GC-MS分析結(jié)果,國產(chǎn)航空煤油RP-3的不同烴類體積分?jǐn)?shù)其中比例最高的是鏈烷烴為53.0%,平均碳原子數(shù)為10.8。其次是環(huán)烷烴為37.7%,平均碳原子數(shù)為10.2。而芳香烴含量只有4.6%,低于國外JP-8和Jet-A航空煤油。

本文基于流動型比熱實驗系統(tǒng)，測量了航空煤油在常壓下在溫度范圍為233 K～373 K的比熱容，實驗結(jié)果如表2所示。基于表2中的實驗結(jié)果得到圖4。從圖4中可以看出RP-3航空煤油的比熱容隨著溫度的升高而升高。圖5將其數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)[11]進(jìn)行對比，偏差在1%之內(nèi)。

表2 RP-3航空煤油的比熱容的實驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對廣泛應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)的吸熱碳?xì)洳牧?，研究大慶航空煤油的比熱容性質(zhì)。基于流動型絕熱量熱系統(tǒng)，采用純水檢驗流動型絕熱量熱器的漏熱損失，該實驗系統(tǒng)的漏熱損失可以忽略不計。測量了航空煤油在常壓下溫度范圍為253 K～393 K的比熱容，從實驗結(jié)果分析可以看出，航空煤油的比熱容數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，偏差在1%之內(nèi)。

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