Politechnika Śląska w Gliwicach

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA i ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN i URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
Wartość opałowa
Laboratorium miernictwa
(M – 8)
Opracował: dr inż. Grzegorz Wiciak
Sprawdził: dr inż. Jan Około - Kułak
Zatwierdził: dr hab. inż. Janusz Kotowicz
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z sposobem oznaczania ciepła spalania i wartości
opałowej paliw gazowych i ciekłych za pomocą kalorymetru JUNKERS’a. Ponadto celem
ćwiczenia jest praktyczne oznaczenie wartości ciepła spalania i wartości opałowej gazu.
2. Wiadomości wstępne.
Paliwa dzielimy na naturalne sztuczne oraz paliwa gazowe ciekłe i stałe. Paliwa ciekłe i
gazowe w porównaniu z paliwami stałymi wykazują szereg zalet, z którymi najistotniejsze są:
• łatwe i szybkie przesyłanie rurociągami na duże odległości bez przeładunku i
strat,
• wysokie wartości opałowe,
• łatwe i zupełne spalanie przy niewielkim nadmiarze powietrza.
Do zalet należy spalanie bez takich pozostałości jak żużel lotny, popiół i koksik wskutek
czego powierzchnie ogrzewane i komora spalania pozostają zawsze czyste. Przy stosowaniu
paliw gazowych istnieje możliwość łatwego nastawienia dopływu paliwa oraz uzyskiwania
wysokich obciążeń cieplnych w komorze spalania.
3. Ciepło spalania i wartość opałowa.
Najistotniejszą cechą wszystkich paliw jest ich wartość opałowa. Przy ocenie
przydatności paliwa stałego rozpatruje się ponadto ciepło spalania, zawartość wody, lotnych
części palnych, popiołu, charakterystykę ziarnowa, zdolność spalania się i temperaturę
topliwości żużla.
Ciepłem spalania Wg nazywana jest ilość ciepła powstała przy spalaniu całkowitym i
zupełnym jednostki masy paliwa, przy założeniu, że produkty spalania zostają ochłodzone do
temperatury początkowej składników biorących udział w spalaniu, a woda ulega wykropleniu.
Wartość opałowa Wd jest liczbowo równa różnicy między wartością Wg a ilością ciepła
potrzebnego do odparowania wody zawartej w paliwie oraz powstałej ze spalania wodoru z
tego paliwa. Ciepło parowania wody przy 0° C przyjmuje się w technice za 2500 kJ/kg.
Wd = W g − 2500m w
kJ
kg
gdzie:
mw jest całkowitą ilością kg wody powstałej przy spaleniu 1 kg paliwa.
Stosowana jest inna postać wzoru:
Wd = W g − 25,00(8,94h + w)
kJ
kg
gdzie:
w – procentowa zawartość wody w paliwie
h procentowa zawartośc wodoru w paliwie.
Ciepło spalania oraz wartość opałowa można wyliczyć w sposób pośredni z wyników analizy
elementarnej danego paliwa.
4. Oznaczanie wartości opałowej paliw gazowych i ciekłych.
Pomiar wartości opałowej paliw gazowych oraz paliw ciekłych lekkich o niskiej
temperaturze wrzenia przeprowadza się najdogodniej za pomocą kalorymetru Junkersa rys. 1
Zasada metody opiera się na pomiarze przyrostu temperatury znanej masy wody
chłodzącej przepływającej przez płaszcz kalorymetru strumieniem o słabym natężeniu. Woda
ogrzewana jest gazami spalinowymi wytworzonymi przy spalaniu znanej ilości paliwa,
spalanego w sposób ciągły.
Zasadniczymi elementami kalorymetru są:
o specjalny palnik do spalania gazu,
o komora spalania otoczona dwuściennym cylindrycznym płaszczem wodnym
o systemem rur kierujących spaliny przez płaszcz wodny do wylotu
o cylindryczna obudowa poniklowana z zewnątrz w celu zmniejszenia wymiany
ciepła przez promieniowanie
Woda chłodząca z sieci wodociągowej dopływa do płaszcza poprzez naczynie
przelewowe 1, zawór regulacyjny A i cylindryczną komorę w której umieszczony jest czujnik
temperatury 7.
Termometr wskazuje temperaturę wody na wlocie do kalorymetru. Przepływająca przez
płaszcz woda chłodząca odbiera ciepło wydzielone przy spalaniu znanej ilości paliwa. Woda
chłodząca opuszcza płaszcz wody płynąc poprzez urządzenie mieszające i drugą komorą, w
której umieszczony jest czujnik termometru 8 do naczynia przelewowego 2. Termometr 8
wskazuje temperaturę wody ogrzanej na wylocie z kalorymetru. Ilość wody, jaka przepłynęła
przez płaszcz od chwili rozpoczęcia pomiaru do jego zakończenia jest kierowana przez obrót
kurka znajdującego się poniżej przelewu 2 do wytarowanego naczynia 7 i jest ważone.
Zadaniem naczyń przelewowych 1 i 2 jest zapewnienie stałego ciśnienia, a zatem i
stałego strumienia wody chłodzącej przez płaszcz wodny, niezależnie od zmian ciśnienia
wody pobieranej z sieci wodociągowej. Strumień przepływającej wody reguluje się
zaworkiem na wlocie tak, aby średnia arytmetyczna z temperatur wody dopływającej i
odpływającej była równa temperaturze otoczenia. Optymalna dokładność pomiaru uzyskuje
się przy różnicy temperatury 6-12 °C. Termometry 7 i 8 mają skalę z podziałką 0,1°C.
Termometry te są zamocowane obok siebie, co pozwala na pominięcie poprawki wystającego
słupka rtęci. Badany gaz doprowadza się do palnika z sieci poprzez gazomierz i specjalne
urządzenie dzwonowe. Urządzenie to zapewnia stałe ciśnienie, a więc i stały strumień
przepływu spalonego gazu.
Wielkość strumienia reguluje się obciążeniem dwoma ciężarkami przy jednoczesnej
obserwacji wskazań wodnego manometru różnicowego. Dopływ powietrza do palnika
reguluje się tak, aby badany gaz spalał się zupełnie, (tj. płomieniem utleniającym niebieskiej
barwy). Wylot palnika tkwi w komorze spalania płaszcza wodnego. Do kontroli płomienia
służy lusterko umożliwiające wyregulowanie dopływu powietrza. Spalanie gazu płomieniem
świecącym (redukującym) jest niezupełne i powoduje wydzielanie się sadzy na ściankach
kalorymetru.
Gaz za gazomierzem i urządzeniem dzwonowym można uważać za nasyconą parę wodna
w temperaturze pokojowej. Gazy spalinowe unoszą się początkowo w komorze spalania ku
górze, po czym opadają w dół przez rurki przechodzące przez płaszcz wodny do komory
dolnej i dalej uchodzą wylotem 5. Woda wykraplająca się w komorze dolnej z gazów
spalinowych wypływa króćcem 6. Wodę tę zbiera się do wytarowanej zlewki i waży się.
Temperatura spalin uchodzących z kalorymetru jest o kilka stopni niższa od temperatury
otoczenia. Wynikający stąd błąd jest niewielki i pomijamy w obliczeniach.
5. Metodyka pomiaru.
Kolejność czynności pomiarowych jest następująca:
a)
włączyć obieg wody chłodzącej przez kalorymetr
b)
otworzyć zawór gazu i zapalić palnik Bunsena oraz wyregulować ilość
dopływającego powietrza do palnika tak aby spalanie gazu było całkowite i
zupełne
c)
zaworem regulacyjnym na wlocie wyregulować strumień wody chłodzącej i
kondensatu
d)
zważyć puste i suche naczynia służące do zbierania wody chłodzącej i kondensatu
e)
przy każdym pełnym cyklu - spaleniu ustalonej dawki paliwa, dokonać pomiaru:
-
temperatury wody na wlocie do kalorymetru
-
temperatury wody na wylocie z kalorymetru
-
temperatury spalin na wylocie z kalorymetru
-
temperatury gazu w gazomierzu
-
nadciśnienia gazu na U- rurce zamontowanej na gazomierzu
f)
po dziesięciu cyklach zważyć naczynia z kondensatem oraz wodą chłodzącą
g)
powtórzyć pomiary wg punktów e) i f)
h)
odczytać wartości temperatury otoczenia oraz stan barometru.
Rys. 1 Schemat kalorymetru Junkersa
Legenda do rys. 1
1 – przelew wody dopływającej do kalorymetru
2 - przelew wody dopływającej z kalorymetru
3 – dopływ wody do kalorymetru
4 – odpływ wody z kalorymetru
5 – wylot spalin
6 – rurka do skroplin wody ze spalin
7 i 8 – czujniki termometrów
6. Opracowanie wyników pomiarów.
Oznaczenia:
t0 C temperatura otoczenia
t1 C temperatura wody dopływającej do kalorymetru
t2 C temperatura wody wypływającej z kalorymetru
ts C temperatura spalin na wylocie z kalorymetru
tg C temperatura gazu palnego
hg mmH20 nadciśnienie mierzonego gazu palnego
b mmHg stan barometru
hp mmH20 ciśnienie pary wodnej
Vg, Vgk m3 rzeczywista ilość wilgotnego gazu spalonego
Gw kg ilość wody z kalorymetru
Gk kg ilość kondensatu
Stan barometru przy ciśnieniu 1 at a i różnych temperaturach rtęci:
tC
0
15
20
30
b1
733,5
737,4
738,0
739,3
Redukcja cisnienia barometrycznego do temperatury 0 C
b0 =
b
735,5 = .........................=..............mmHg
b1
Pomiar temperatury i ciśnienia
Pomiar temperatury i ciśnienia
Odczyt
t1
t2
ts
tg
hg
Odczyt
1
1
2
2
3
3
4
4
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
Suma:
Suma:
Średnia:
Średnia:
t1
t2
ts
tg
hg
Ciśnienie nasyconej pary wodnej hp dla różnych temperatur t C
0
hp
mmH20
62,26
5
tC
t C hp
mmH20 t C hp
mmH20
14
162,97
20
238,40
88,96
15
173,86
21
253,56
10
125,20
16
185,37
22
269,56
11
133,84
17
197,55
23
286,44
12
143,01
18
210,42
24
304,23
13
152,69
19
224,02
25
322,98
Pomiar ilości wody
Pomiar I
Pomiar ilości kondensatu
Pomiar II
brutto kg
brutto kg
tara kg
tara kg
Gk kg
Gw kg
Pomiar ilości gazu palnego
Początkowe wskazanie
gazomierza
Pomiar
Końcowe wskazanie
gazomierza
Różnica wskazań
I
II
Ciepło spalania: W g =
G w (t 2 średnie − t1śrerdnie ) ⋅ 4,19
kJ
= K = K 3 gazu wilgotnego
Vg
m
Wd = W g − 2500
Wartość opałowa:
Gk
kJ
= K = K 3 gazu wilgotnego
V gk
m
Redukcja ciepła spalania i wartości opałowej gazu do stanu suchego i do warunków normalnych:
Współczynnik redukcji: R =
W gn =
Wg
R
273
⋅
273 + t gśśrednie
=K=K
b0 +
(h
g
− hp
13,5
760
kJ
m n3
)
=K
Wdn =
Wd
kJ
=K=K 3
R
mn
Zestawienie wyników
Pomiar
I
II
Wgn
Wdn
Wgnśr
Wdnśr
LITERATURA
[1] Szargut J., Termodynamika techniczna. PWN W-wa 1991
[2] Ochęduszko S., Termodynamika stosowana. WNT W-wa 1964
[3] pod redakcją: Graczyk Cz., Dydaktyczne materiały powielane do ćwiczeń laboratoryjnych z metrologii
wielkości energetycznych. Wyd. 3 Gliwice 1977