kalorymetria paliw gazowych
Transkrypt
kalorymetria paliw gazowych
Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych W9/K2 Miernictwo energetyczne – laboratorium Kalorymetria paliw gazowych Instrukcja do ćwiczenia nr 7 Opracowała: dr inż. Elżbieta Wróblewska Wrocław, październik 2015 r. I. WSTĘP TEORETYCZNY Ciepłem spalania Qs nazywamy ilość ciepła uzyskaną przy zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa po ostudzeniu spalin do temperatury początkowej substratów, przy czym para wodna powstała w czasie spalania zostaje doprowadzona do stanu ciekłego. Wartością opałową Qi nazywamy ilość ciepła uzyskaną przy zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa po ostudzeniu spalin do temperatury początkowej substratów, przy czym woda powstała w czasie spalania pozostaje w stanie pary. Kalorymetr Junkersa jest urządzeniem przepływowym, służącym do wyznaczania ciepła spalania i wartości opałowej paliwa gazowych i ciekłych. Spalanie w kalorymetrze odbywa się przy stałym ciśnieniu, równym ciśnieniu atmosferycznemu. Pracuje on w stanie ustalonym, tzn. przy występującym stałym natężeniu przepływu spalanego gazu i stałym natężeniu przepływu wody chłodzącej. W warunkach ustalonych temperatury w poszczególnych punktach kalorymetru są stałe, a jego energia wewnętrzna również jest stała. II. STANOWISKO POMIAROWE Badany gaz dopływa do gazomierza mokrego (1) wypełnionego wodą (gaz, wskutek przejścia przez gazomierz mokry nasycony jest parą wodną, spalany gaz jest więc gazem wilgotnym). Gazomierz wskazuje objętość spalonego gazu Vg, jego ciśnienie bezwzględne pg i temperaturę tg. Parametry te mierzone są na wylocie z gazomierza. Po wyjściu z gazomierza badany gaz kierowany jest do dzwonowego regulatora ciśnienia (2). Jego zadaniem jest utrzymanie stałego nadciśnienia gazu dopływającego do palnika, co zapewnia stałe natężenie przepływu gazu. Zalecane jest takie dobranie natężenia przepływu gazu, aby ilość ciepła wywiązanego w kalorymetrze w ciągu godziny nie przekroczyła 37004200 kJ. Płomień palnika (3) powinien być spokojny, nieświecący i niebieski. Gdy płomień jest świecący mamy do czynienia ze spalaniem niezupełnym. Zapalony palnik wprowadza się do wnętrza komory spalania i mocuje się tak, by był stabilny. Należy pamiętać, aby przed wprowadzeniem palnika do komory spalania otworzyć przepływ wody chłodzącej. Palnik powinien być umieszczony jak najwyżej i możliwie w osi komory spalania (4). Woda chłodząca dopływa z pewnym nadmiarem do naczynia przelewowego (5), w którym utrzymuje się stały poziom a-a. Przepływ wody należy wyregulować za pomocą zaworu regulującego tak, aby przyrost temperatury wody po przejściu przez kalorymetr nie przekraczał 10-12ºC. Po przepłynięciu przez naczynie przelewowe woda omywa termometr wskazujący temperaturę dolotową t1. Woda przepływając przez labirynt (6) odbiera ciepło od spalin przez ściankę komory spalania. 2 Dlatego też na wypływie z kalorymetru temperatura wody wylotowej t2 jest wyższa od temperatury wody dolotowej t1. Na odpływie umieszczone jest drugie naczynie przelewowe (7), które zapewnia stałość poziomu b-b. Dzięki stałej różnicy poziomów H, w czasie przeprowadzania pomiaru występuje stałe natężenie przepływu wody. Rys. 1. Schemat kalorymetru Junkersa [3] W czasie pomiaru do ciepła spalania opałowej spala się 10 dm3 gazu i jednocześnie zbiera się do odpowiedniego naczynia wodę podgrzaną w kalorymetrze Junkersa i wyznacza jej masę mw. Odczytuje się też wartość temperatury tg i nadciśnienia gazu pg na wskaźnikach na gazomierzu mokrym oraz temperaturę wody dolotowej do kalorymetru t1 i wylotowej z urządzenia t2. 3 III. PRZEBIEG ĆWICZENIA 1) Włączyć obieg wody chłodzącej. 2) Zapalić palnik i ustalić wielkość strumienia spalanego gazu, umieścić palnik w komorze spalania dokładnie mocując na zaczepach. 3) Wyregulować strumień masy wody chłodzącej tak, aby różnica temperatury wody dolotowej i wylotowej nie przekraczała 10-12ºC. 4) Spalając 50 dm3 gazu zbierać skropliny do kolby pomiarowej (do wyznaczenia wartości opałowej). 5) Jednocześnie, przy w/w pomiarze, strumień wody chłodzącej odprowadzanej do zlewu skierować do wiadra, na czas odpowiadający spalaniu 10 dm3 gazu (do wyznaczania ciepła spalania), a następnie ponownie skierować do zlewu. 6) W czasie wykonywania całego pomiaru należy w jednakowych odstępach (np. co 2-2,5 dm3 gazu) odczytać jednocześnie t1, t2, tg oraz pg. 7) Po zakończonym pomiarze należy wyjąć palnik z komory spalania i odciąć dopływ gazu a następnie dopływ wody chłodzącej. 8) Wyznaczyć objętość wody i skroplin, zgromadzonych odpowiednio w wiadrze i kolbie pomiarowej. 9) Odczytać temperaturę i ciśnienie otoczenia. IV. OBLICZENIA Z uzyskanych na drodze pomiaru danych t1, t2, tg, pg należy obliczyć wartości średnie. Następnie wyznacza się ciepło spalania gazu ze wzoru: Qs = mw c w (t 2 śr - t1śr ) Vg gdzie: mw – masa wody chłodzącej, kg cw – ciepło właściwe wody, cw= 4,19 kJ kgK t2śr – średnia temperatura wody wylotowej, ºC, t1śr – średnia temperatura wody dolotowej, ºC, Vg – spalona objętość gazu wilgotnego, m3 W celu wyznaczenia wartości opałowej badanego gazu spala się 50 dm3 gazu i jednocześnie zbiera się skropliny spływające z komory spalania. Wartość opałowa: 4 Qi = Qs - rH 2O mk Vgk gdzie: rH 2O - ciepło parowania wody, rH 2O = 2257,104 kJ kg mk – masa skroplin zebrana w czasie spalania objętości gazu Vgk, kg Vgk – spalona objętość gazu wilgotnego, m3 Spaliny opuszczające kalorymetr nasycone są parą wodną, powietrze użyte w procesie spalania ma nieznaną wilgotność względną oraz występuje zjawisko zmniejszenia objętości podczas spalania (kontrakcja). Wskutek powyższego nie mamy pewności czy w kalorymetrze wykropliła się cała masa pary wodnej jaka powstała wskutek spalania wodoru zawartego w paliwie. Dlatego też, otrzymane ciepło spalania może być obarczone błędem, który znosi się przy obliczaniu wartości opałowej, gdyż masa skroplin mk jest masą rzeczywiście wykroplonej pary wodnej. Uzyskane wartości ciepła spalania Qs i wartości opałowej Qi odnoszą się do jednostki objętości gazu wilgotnego w warunkach panujących na wylocie z gazomierza. Aby obliczyć wartości ważne dla gazu suchego i warunków normalnych należy uwzględnić współczynnik redukcji a: a= Tn p ag - p H 2O Tg pn p ag pb p g gdzie: pag – bezwzględne ciśnienie spalonego gazu, Pa pH 2O – prężność nasyconej pary wodnej w temperaturze Tg gazu wilgotnego, Pa Tn – temperatura normalna, 273,15K pn – ciśnienie normalne, 101325 Pa Tg – temperatura gazu wilgotnego, K pb – ciśnienie barometryczne, Pa Ciepło spalania Qsn i wartość opałowa Qin w warunkach normalnych: Qsn = Qs a Qin = Qi a 5 V. ZADANIA DO WYKONANIA 1) Wykonać pomiary. 2) Obliczyć wielkości średnie z pomiarów (t1, t2, tg, pg). 3) Obliczyć ciepło spalania i wartość opałową paliwa gazowego oraz dzięki obliczeniu współczynnika redukcji wyznaczyć Qsn oraz Qin. 4) Sformułować wnioski. LITERATURA [1] „Laboratorium procesów termonenergetycznych”, tom I pod red. A. Negrusza, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1987 [2] „Miernictwo energetyczne. Pomiary podstawowych wielkości z zakresu techniki cieplnej”, pod red. A. Negrusza i M. Sąsiadka, Politechnika Wrocławska, Wrocław1977 [3] Negrusz A. Stańda J., „Badania procesów termoenergetycznych”, cz. I, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1980 6 Ćwiczenie nr 7 Miernictwo Energetyczne Protokół pomiarowy z dnia …………… pb= ………… Pa, tot=…………⁰C, mw=…………kg, mk=…………kg L. p. t1, ⁰C t2, ⁰C tg, ⁰C pg, Pa pH2O=………… Pa L. p. t1, ⁰C t2, ⁰C tg, ⁰C pg,Pa średnia 7