无机材料热工基础
实 验 指 导 书
实验一 煤的工业分析
一、实验目的
1.掌握煤的工业分析方法；
2.了解煤的合用性能及煤种的判断方法； 3.根据经验公式计算煤的低发热量；
二、实验原理
工业分析则是我国工矿企业中采用的一种简易分析方法，即通过对实验室中的空气干燥基煤样所含挥发分 V、固定碳FC、灰分 A、水分M 进行测定，得到煤的工业分析成分的方法。若分别以 Vad 、FCad 、Aad 、M ad 表示空干燥基下煤样中挥发分、固定碳、灰分和水分的重量百分含量，则有：
V ad +FC ad +A ad +M ad =100%
实验的原理为热解重量法，即根椐煤样中各组分的不同物理学性质，控制不同的温度和时间，使其中的某种组分发生分解或完全燃烧，并以失去的重量占原度样重量的百分比作为该组分的重量百分含量。
其中对水分的分析采用常规测定的方法进行。即将煤置于 105℃～110℃ 的鼓风干燥箱中干燥，并进行检查，直至重量变化小于 ± 0.001g 为止；对煤的灰分的分析采用快速灰化法，即将煤样置于 815℃ 的马弗炉中灼烧 40 分钟，并检查其燃烧完全程度，直至重量变化小于 ± 0.001g 为止。挥发分是煤样在特定的条件下受热分解的产物，故采取将煤样放入带盖的瓷坩埚中，置于 900± 10℃ 的马弗炉中，隔绝空气加热 7 分钟，冷却后称重，以失重减去水分即为挥发分重量。 上述各组分的计算式为：
水分： M ad = （失重 / 样品重） × 100% 灰分： A ad = （灰重 / 样品重） × 100% 挥发分： V ad = （灰重 / 样品重） × 100% － M ad
三、仪器设备
主要设备有：马弗炉、鼓风干燥箱、 1/10000 天平、玻璃干燥器及称量瓶、瓷坩埚等。
四、实验步骤
1.准备工作
将鼓风干燥箱、马弗炉升温至实验要求的温度并制备实验煤样。
2.水分的测定
在分析天平上称出预先烘干的带盖称量瓶的空重，然后加入粒度小于 0.2mm 的煤样 1 ± 0.1g ，称量时读数精确到小数点后四位。打开瓶盖，将称量瓶置入预先加热到 105 ～ 110C 的鼓风干燥箱中，将烟煤干燥 1 小时，无烟煤干燥 1 ～ 1.5 小时。取出称量瓶并加盖，在空气中冷却 2 ～ 3 分钟后，放入干燥器中冷却到室温（约 20 分钟），称重。 3.灰分的测定
在预先灼烧并称出空重的矩形坩埚中加入粒度为 0.2mm 以下的煤样 1 ± 0.1g ，称量时准确至小数点后 4 位。将坩埚置入已预热到 850C 的马弗炉中，在 815 ± 10C 的温度下灼烧 40 分钟，取出坩埚在空气中冷却 5 分钟后，放入干燥器内冷却到室温（约 20 分钟），称重。称重后的样品再进行每次 20 分钟的检查性灼烧，直至重量变化＜ 0.001g 为止（当灰分＜ 15% 时可不进行检查性灼烧），并取最后一次测定重量进行计算。 4.挥发分的测定
在分析天平上称出预先在920C下烧至恒重的带盖坩埚的空重，加入粒度＜ 0.2mm 的煤样 1 ± 0.1g ，称准至小数点后四位，轻轻振动坩埚待煤样铺平后加盖（若为褐煤或长焰煤则应预先压块，并切成约 3mm 的小块备用）。将坩埚迅速置入预先升温至 920C 的马弗炉中，并在 900 ± 10C 的温度下继续加热 7 分钟（若 3 分钟内炉温不能恢复到 900 ± 10 C ，并保持到实验结束，则该实验作废）。取出坩埚在空气中冷却 5 ～ 6 分钟后，放入干燥器中冷却到室温（约 20 分钟）称重。根据煤样的焦渣特性及 V daf 值进行种类判断及其低发热量 Q net,ad 的计算。
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五、数据记录与结果处理
1.测定数据的记录及处理
热处理后 测定成分 容器名称 容器空重 /g 加样总重 /g 样品重 /g 计算结果 /%
总重 /g 水 分 灰 分 挥发分 固定碳 FC ad ＝ 100% －（ M ad ＋ A ad ＋ V ad ） 2.煤的种类的判断
鉴于我国对煤的种类的划分是以 无灰分含量 V daf 为根据，而 V daf 与 V ad 之间存在以下的换算关系：
Vdaf =Vad×[100－（ Mad +Aad ）]/100
则根据 Vdaf 可进行煤样的种类判断。
煤的种类 V daf 褐煤 ＞ 37 烟煤 10~46 无烟煤 ＜ 10 3.计算煤的低位发热量 Q net.ad 根据工业分析数据，可按下列公式计算 Q net.ad ： （ 1 ）无烟煤：
Q net.ad ＝K0-360Mad-385Aad-100Vad （ KJ/Kg ）
式中 K 0 ——系数，根据 V daf 查得
V daf ＜ 0.6 0.6～1.2 1.2～1.5 1.5～2.0 2.0～2.5 2.5～3.0 3.0～3.5 3.5～4.1 K 0 （ 2 ）烟煤：
Qnet.ad ＝100K1―（K1＋25 ）（ Mad ＋Aad ）―12.56Vad （KJ/Kg ） 式中 K1 ——系数，根据 Vdaf 和焦渣特性查得。 4. 计算被测定煤样的标准燃料值
32198 33035 33662 34289 34707 34916 35335 35753 六、思考题
1.固体燃料的组成有哪几种基准表示？各适用于哪些场合？ 2.准确进行煤的工业分析的关键是什么？ 3.煤的工业分析在工程实际中有何作用？
4.水泥工业中，立窑、回转窑生产对煤的种类有什么要求?为什么? 5.将实验煤样折合成标准燃料的意义是什么?
实验二、气-汽传热实验
一、实验装置的功能和特点
本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的，以空气和水蒸汽为传热介质，可以测定对流传热系数，用于教学实验和科研中。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数?i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu?ARePrm0.4中常数A、m的值；通过对管程内部插有螺旋线圈的
空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其强化比Nu论和基本方式。
实验装置的主要特点如下： ⑴ 实验操作方便，安全可靠。
Nu0，了解强化传热的基本理
⑵ 数据稳定可靠，强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。 ⑶ 水、电的耗用小，实验费用低。
⑷ 传热管路采用管道法兰连接,不但密封性能好,?而且拆装也很方便。 ⑸ 箱式结构，外观整洁，移动方便。
二、套管换热器实验简介
㈠ 光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
⒈ 对流传热系数?i的测定
在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。
对流传热系数?i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定
?i?Qi （1） ?tm?Si式中：?i—管内流体对流传热系数，W/(m2?℃)； Qi—管内传热速率，W； Si—管内换热面积，m2；
?tm—内壁面与流体间的温差，℃。 ?tm由下式确定：