laboratorium techniki cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia:
WYZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA
I WARTOŚCI OPAŁOWEJ PALIW GAZOWYCH
Wyznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych
1.
2
PODSTAWY TEORETYCZNE
Spalanie jest egzotermiczną reakcją polegającą na łączeniu się paliwa z tlenem. Może
ono być zupełne i całkowite (spaliny nie zawierają substancji palnych oraz cała masa paliwa
ulega spaleniu), lub niezupełne oraz niecałkowite w przypadkach, gdy ilość tlenu jest
niewystarczająca.
Prowadząc obliczenia bilansowe procesów chemicznych entalpię poszczególnych
substancji biorących udział w procesie określamy zgodnie z regułą:
I = I ch,u + I f ,
(1)
gdzie:
I – entalpia substancji w danych warunkach,
Ich,u – entalpia chemiczna substancji w warunkach umownych,
If – fizyczna nadwyżka entalpii ponad stan umowny.
W miejsce entalpii chemicznej w stanie odniesienia podstawiamy entalpię tworzenia,
wartość opałową lub ciepło spalania substancji. Dwa ostatnie podejścia są z reguły stosowane
podczas bilansowania procesów spalania.
Wartość opałowa Wd paliwa jest to ilość ciepła jaka wydziela się po całkowitym i
zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa i ochłodzeniu produktów spalania (spalin) do
temperatury początkowej substratów, przy założeniu, że zawarta w spalinach para wodna nie
ulega wykropleniu.
Ciepło spalania Wg paliwa jest to ilość ciepła jaka wydziela się po całkowitym i
zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa i ochłodzeniu produktów spalania (spalin) do
temperatury początkowej substratów, przy czym para wodna zawarta w spalinach ulega
całkowitemu wykropleniu.
Z definicji wartości opałowej Wd i ciepła spalania Wg wynika, że jedynie ciepło
spalania może zostać wyznaczone eksperymentalnie. Określenia wartości opałowej dokonuje
się zgodnie z równaniem:
Wd = W g − r ⋅ m k ,
(2)
gdzie:
Wd, Wg – oznaczają odpowiednio wartość opałową i ciepło spalania,
r – utajone ciepło parowania wody w temperaturze początkowej substratów,
mk – ilość kondensatu otrzymanego po spaleniu jednostki masy paliwa.
Do wyznaczania ciepła spalania paliw stałych stosuje się bombę kalorymetryczną, zaś
w przypadku paliw ciekłych i gazowych przepływowy kalorymetr Junkersa.
2.
OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO I ZASADA POMIARU
Stanowisko składa się z przepływowego kalorymetru wodnego Junkersa zasilanego
gazem ziemnym (rys. 1). Ciśnienie gazu utrzymywane jest na stałym poziomie przez
reduktor. Przepływ gazu mierzony jest gazomierzem mokrym. Nasycony wilgocią gaz
spalany jest w specjalnie przystosowanym palniku. Gorące spaliny, płynąc przez kalorymetr
oddają ciepło przepływającej wodzie. Zgodnie z definicją ciepła spalania, przepływ wody
należy tak dobrać, aby temperatura wylotowa spalin była równa temperaturze gazu i
powietrza atmosferycznego, w którym spalany jest gaz. Jednocześnie (ze względu na straty
ciepła do otoczenia) przyrost temperatury wody powinien wynosić około 10 ºC.
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych
3
Rys. 1 Schemat stanowiska pomiarowego
Woda chłodząca komorę spalania 1 dopływa do płaszcza wodnego 3 z przelewu 11 i wpływa
do przelewu 12, z którego płynie dalej do zlewu. W czasie pomiaru wodę chłodzącą gromadzi
się w naczyniu 13. Woda dopływająca do płaszcze wodnego 3 ma temperaturę tw1, a
opuszczając płaszcz temperaturę tw2. Palnik Bunsena 2 zasilany jest gazem o temperaturze tg
i nadciśnieniu hg (mierzone za pomocą manometru i termometru 7 umieszczonego na
gazomierzu). Ilość spalonego gazu mierzy gazomierz mokry 4. Stabilizacji ciśnienia gazu
zasilającego palnik dokonuje zawór wyrównujący ciśnienie 9. Wodę powstałą ze spalenia
wodoru zawartego w gazie gromadzi się w naczyniu 8. Gaz i powietrze przed spalaniem są
nawilżane: gaz w gazomierzu mokrym 4, a powietrze w nawilżaczu 10. Nawilżanie
substratów ma na celu zmniejszenie błędu w ocenie ilości wody powstałej ze spalenia wodoru
zawartego w gazie. Temperaturę spalin ts mierzy termometr 6. W skład zestawu pomiarowego
wchodzi ponadto barometr 14 i termometr do pomiaru temperatury otaczającego powietrza
15.
3.
OPIS POMIARÓW
Po zapaleniu palnika i włączeniu przepływu wody przez kalorymetr należy tak
wyregulować jej strumień, aby temperatura spalin na wylocie była równa temperaturze
substratów. Pomiary można rozpocząć po doprowadzeniu układu do stanu ustalonego. Do
tego momentu należy co pewien czas notować parametry wody chłodzącej na wlocie
i wylocie z kalorymetru. Przystępując do pomiarów należy:
1. odczytać ciśnienie otoczenia,
2. odczytać parametry (temperaturę i ciśnienie) gazu palnego,
3. odczytać temperaturę wody na wlocie i wylocie z kalorymetru,
4. przez około 3 min. prowadzić pomiar właściwy mierząc w tym samym czasie ilość
spalonego gazu, ilość wody oraz skroplin wypływających z kalorymetru,
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych
4
4. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Dysponując wartościami objętości wody chłodzącej Vw, która przepłynęła przez kalorymetr
oraz objętości skroplin Vskr obliczamy masę wody chłodzącej oraz masę skroplin:
(3)
m w = Vw ⋅ ρ w
m skr = Vskr ⋅ ρ w
(4)
Dla zakresu parametrów występujących podczas ćwiczenia najczęściej przyjmuje się gęstość
wody ρw = 1000 kg/m3. Bardziej poprawne byłoby jednak odczytanie gęstości z
odpowiednich tablic dla aktualnych parametrów (temperatury) wody.
Ciepło spalania gazu obliczamy ze wzoru:
m ⋅ c ⋅ ∆t w
Wg = w w
,
Vg
(5)
gdzie:
Wg - ciepło spalania, kJ/m3
mw – masa wody przepływającej przez kalorymetr w czasie pomiaru, kg
cw – ciepło właściwe wody, cw = 4.19 kJ/(kg·K)
∆tw – przyrost temperatury wody chłodzącej, ∆tw = t2 – t1 , K
Vg – objętość spalonego w czasie pomiaru zasadniczego gazu ziemnego, m3
Po wyznaczeniu ciepła spalania można, korzystając z równania (2) obliczyć wartość opałową
gazu. Dla warunków pomiaru można przyjąć r = 2500 kJ/kg (w zasadzie powinna zostać
odczytana z tablic dla aktualnego ciśnienia otoczenia).
Otrzymane wartości ciepła spalania i wartości opałowej należy przeliczyć na warunki
normalne: tn = 0ºC, pn = 101 325 Pa.
Aby obliczyć ilość normalnych metrów sześciennych gazu zużytego w czasie pomiaru
zapisujemy termiczne równanie stanu Clapeyrona dla warunków normalnych i warunków
pomiaru:
p n Vn = n g (MR )Tn
T pg
Vn = Vg ⋅ n ⋅
Tg p n
p g Vg = n g (MR )Tg
Ciśnienie bezwzględne gazu:
pg = pot + pmg
(6)
(7)
Przeliczenia wartości ciepła spalania i wartości opałowej na warunki normalne dokonujemy
wg następujących zależności:
Wg,n = Wg ⋅
Wd,n = Wd ⋅
Vg
Vn
Vg
Vn
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
(8a)
(8b)
Wyznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych
Można również zapisać, że:
Wg ,n =
5
m w ⋅ c w ⋅ ∆t w
Vn
(9)
m skr ⋅ r
Vn
(10)
oraz
Wd ,n = Wg ,n −
Określenie błędów pomiaru zależne jest od ilości wykonanych serii pomiarowych.
Zazwyczaj, gdy n > 30 (n – ilość pomiarów) określa się niepewność typu A obliczając
odchylenie standardowe. Jeśli n < 30 analizę wyników przeprowadza się za pomocą rozkładu
t-Studenta. W przypadku, gdy dysponujemy tylko jednym pomiarem błąd określa się z tzw.
prawa przenoszenia błędów dla pomiaru pośredniego. Należy w tym przypadku dysponować
informacjami dotyczącymi dokładności użytych przyrządów pomiarowych.
W czasie ćwiczeń zazwyczaj udaje się zrealizować dwie serie pomiarowe, w związku z
czym do określenia błędu zastosowana zostanie trzecia z przedstawionych metod. Celem jest
przedstawienia ciepła spalania gazu w postaci:
Wg ,n ± σ g ,n
gdzie:
 ∂Wg ,n  2
 ∂Wg ,n  2
 ∂Wg ,n  2

σ ∆t w + 
σ m w + 
σ g ,n = 
 ∂V σ Vn

 ∂∆t 
n 
w 


 ∂m w 
Błędy wyznaczenia masy wody i przyrostu temperatury wody określa się z przyrządów, które
służyły do ich pomiaru. Tak więc:
σ mw = ±10 g
σ ∆t w = ±0.1 K
Określenie błędu wyznaczenia normalnej objętości spalonego gazu jest trochę bardziej
skomplikowane, ponieważ nie jest ona mierzona bezpośrednio:
 ∂V 
 ∂V 
 ∂V 
σ Vn =  n σ 2Vg +  n σ T2g +  n σ 2pg
 ∂V 
 ∂T 
 ∂p 
 g
 g
 g
σ Vg = ±0.001 m 3
σ Tg = ±0.1 K
σ pg = ±9.81 Pa
(1 mmH 2O )
Z równania (9) wyznaczamy pochodne cząstkowe:
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych
6
∂Wg , n c w ⋅ ∆t w
=
Vn
∂m w
∂Wg , n m w ⋅ c w
=
∂∆t w
Vn
∂Wg ,n
∂Vn
=
m w ⋅ c w ⋅ ∆t w
2
Vn
Pozostałe pochodne wyznaczamy z równania (6):
∂Vn p g ⋅ Tn
=
∂Vg p n ⋅ Tg
∂Vn
Tn
= Vg
p n ⋅ Tg
∂p g
p ⋅T
∂Vn
= − Vg g n2
∂Tg
p n ⋅ Tg
5. SPRAWOZDANIE
W sprawozdaniu należy zamieścić:
- krótką charakterystykę wielkości wyznaczanych,
- schemat i krótki opis stanowiska pomiarowego,
- sposób przeprowadzenia pomiarów,
- zestawienie wyników pomiarów,
- obliczenia ciepła spalania i wartości opałowej paliwa,
- określenie błędu pomiaru
- uwagi końcowe i wnioski.
LITERATURA
[1] Szargut J.: Termodynamika, PWN, Warszawa 1980.
[2] Górniak H., Szymczyk J.: Podstawy termodynamiki, cz.II, Skrypt Politechniki Śląskiej nr
1676, Gliwice 1991.
Instrukcja zaktualizowana 23.02.2004
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ