Wartość opałowa i ciepło spalania - katedra pieców przemysłowych

POLITECHNIKA
CZESTOCHOWSKA
WYDZIAL INZYNIERII
PROCESOWEJ, MATERIALOWEJ I FIZYKI
STOSOWANEJ
Katedra Pieców Przemyslowych i Ochrony
Srodowiska
Termodynamika i technika cieplna
Cwiczenie nr 7.
Wyznaczanie wilgoci, popiolu, czesci lotnych, wartosci opalowej i
ciepla spalania dla paliw stalych.
Tematy do przygotowania:
1.Podzial i charakterystyka paliw stalych?
2.Wlasnosci paliw stalych.
3.Metodyka wyznaczania wilgoci, popiolu i czesci lotnych wegla.
4.Cieplo spalania i wartosc opalowa - definicje.
5.Budowa i zasada dzialania kalorymetru.
6.Budowa i zasada dzialania bomby kalorymetrycznej.
7.Metodyka wyznaczania ciepla spalania i wartosci opalowej wegla.
W sprawozdaniu nalezy zamiescic:
1. Cel cwiczenia.
2. Schemat stanowiska badawczego.
3. Tabele z otrzymanymi wynikami pomiarów i obliczen.
4. Wnioski.
Cel cwiczenia
Celem cwiczenia jest wyznaczenie wilgoci, popiolu, czesci lotnych, ciepla spalania i
wartosci opalowej dla wybranej próbki wegla.
Wykonanie pomiarów
Oznaczenie wilgoci przemijajacej wegla metoda suszenia na powietrzu.
Metoda polega na suszeniu próbki wegla na powietrzu w temperaturze pokojowej i na
wagowym oznaczeniu ubytku masy próbki. Oznaczenie wykonuje sie na tacy nierdzewnej o
takich wymiarach, aby na 1 cm2 powierzchni tacy przypadalo nie wiecej niz 1 g paliwa.
Próbke wegla rozlozyc równomiernie na uprzednio zwazonej suchej tacy. Tace z paliwem
zwazyc i pozostawic w pomieszczeniu do suszenia w temperaturze pokojowej lub umiescic
w suszarce o temperaturze nie wyzszej niz 50ºC. Tace z weglem pozostawic w suszarce
przez 8 h, a nastepnie wyjac i doprowadzic wegiel do stanu równowagi z wilgocia
atmosferyczna. Podczas suszenia nalezy, co pewien czas, mieszac próbke. Suszenie konczy
sie wtedy, gdy po 2 h zmiana masy nie jest wieksza niz 0,1 % masy poczatkowej. Wazenie
wykonac do 0,05 % poczatkowej masy.
Wilgotnosc przemijajaca oblicza sie wg wzoru:
m − m2
Wex = 1
⋅ 100%
(1)
m1 − m3
gdzie:
m1 - masa tacy z nawazka paliwa przed suszeniem, g,
m2 - masa tacy z nawazka paliwa po suszeniu, g,
m3 - masa tacy, g.
Oznaczanie wilgoci powietrzno - suchej wegla.
Metoda polega na suszeniu odwazki wegla powietrzno suchego w atmosferze powietrza lub
azotu w temperaturze 105 – 110o C i na wagowym oznaczeniu jego masy.
Naczynka wagowe z doszlifowana pokrywka nalezy wygrzac w temperaturze 105 – 110o C.
Badajac próbke analityczna o granulacji ponizej 3 mm nalezy sporzadzic nawazke ok. 10 g,
natomiast przy próbce analitycznej 0,2 odwazyc 1 - 2 g do naczynka wagowego.
Rozprowadzic próbke równomiernie po dnie naczynka wagowego. Podczas suszenia
pokrywka naczynka powinna byc uchylona lub polozona obok. Suszenie odwazki wegla o
granulacji ponizej 3 mm powinno trwac nie krócej niz 60 min, natomiast dla próbki
analitycznej 0,2 nie krócej niz 30 min. Po uplywie tego czasu naczynko przykryc pokrywka,
1
wyjac z suszarki i wlozyc do eksykatora az do wystygniecia. Zwazyc naczynko uchylajac na
chwile pokrywke. Przeprowadzic suszenie kontrolne az do uzyskania stalej masy z
dokladnoscia do ± 0,01 g. Czas suszenia kontrolnego trwa 30 min. Wazyc z dokladnoscia do
0,002 g. Wilgoc powietrzno - sucha Wh oblicza sie wg wzoru
m − m5
Wh = 4
⋅100%
(2)
m4 − m6
gdzie:
m4 - masa naczynka z nawazka przed suszeniem, g,
m5 - masa naczynka i nawazki po suszeniu, g,
m6 - masa naczynka, g.
Za wynik koncowy oznaczenia nalezy przyjac srednia arytmetyczna wyników co najmniej
dwóch pomiarów, zaokraglonych do 0,1. Wykonac oznaczenie wilgoci próbki analitycznej
0,2 wegla. Wyniki pomiarów i obliczen zestawic w tabeli.
Nr
oznaczenia
m1 ,
g
m2 ,
g
m3 ,
g
Wex,
%
m4 ,
g
m5 ,
g
m6 ,
g
Wh ,
%
1
2
srednia
Wyznaczanie czesci lotnych wegla.
Wyprazony tygiel porcelanowy z pokrywka zwazyc z dokladnoscia 0,0002 g. Do tygla
(rys. 1) wsypac nawazke wegla próbki analitycznej 0,2 o masie 1,0 ± 0,01 g. Napelniony
tygiel zwazyc ponownie. Tygiel z nawazka umiescic na podstawce (rys. 2) ogrzanej
uprzednio do temperatury 850ºC ± 15ºC. Na podstawce nale zy umiescic tyle tygli ile jest
otworów.
2
4
O 27
Rys. 1 Tygiel
O21
1,5
12
O25
120°
O27
86
38
5
Rys.2. Podstawka
42
O22
50
25
1
50
45
150
W przypadku mniejszej liczby nawazek w pozostalych otworach umiescic puste tygle, aby
pojemnosc cieplna ukladu zlozonego z tygli i podstawki byla stala podczas badan. Tak
przygotowany zestaw umiescic w piecu o temperaturze 850ºC ± 15ºC i natychmiast
zamknac piec. Temperatura pieca poczatkowo obnizy sie, a nastepnie bedzie rosnac i po
uplywie 3 do 4 min powinna osiagnac temperature poczatkowa. Jezeli piec nie osiagnie po
tym czasie wymaganej temperatury oznaczenie nalezy powtórzyc. Tygle grzac przez 7 min
od momentu zamkniecia pieca, a nastepnie wyjac z pieca i pozostawic na powietrzu przez 5
min. Wyjac tygle z podstawki i umiescic je w eksykatorze. Studzic 30 min. Zwazyc z
dokladnoscia do 0,0002 g.
Zawartosc czesci lotnych w próbce analitycznej ( Va ) wegla oblicza sie wg wzoru
(m − m3 ) ⋅ 100
Va = 2
−W a
(3)
m2 − m1
gdzie :
m1 - masa pustego tygla z pokrywka, g,
m2 - masa tygla z pokrywka i nawazka, g,
m3 - masa tygla z pokrywka i nielotna pozostaloscia, g,
Wa - wilgoc calkowita w próbce analitycznej, %,
Za wynik koncowy nalezy przyjac srednia arytmetyczna wyników co najmniej dwóch
oznaczen zaokraglona do 0,1. Wyniki pomiarów i obliczen zestawic w tabeli.
Nr
oznaczenia
m1 ,
g
m2 ,
g
m3 ,
g
1
2
srednia
3
Wa,
%
Va,
%
Oznaczanie popiolu w weglu.
Popiól jest to stala pozostalosc po wyprazeniu paliwa z dostepem powietrza w temperaturze
8150 C ± 150 C. Zawartosc popiolu jest to masa stalej pozostalosci po wyprazeniu odwazk i
paliwa w warunkach oznaczenia, odniesiona do masy paliwa wyrazona w procentach.
Odwazyc 1,0 ± 0,1 g próbki analitycznej 0,2 do naczynka wagowego porcelanowego lub
kwarcowego, plaskiego o wymiarach 30x40x10 mm. Na 1 cm2 powierzchni dna naczynka
powinno przypadac nie wiecej niz 0,15 g paliwa. Naczynko wagowe wyprazyc do stalej
masy w temperaturze 8150 C ± 150 C przed przystapieniem do oznaczen. Naczynko wraz z
nawazka wazyc z dokladnoscia do 0,0002 g, a nastepnie polozyc na przedniej sciance lub na
odpowiedniej konsolce pieca ogrzanego do temperatury 8150 C ± 150 C. Nastepnie przesuwac
naczynko do strefy zarzenia przez ok. 10 min. Zamknac piec i po wyrównaniu sie
temperatury prazyc przez 35 min. Wyjac naczynko z nawazka i studzic na powietrzu.
Przeprowadzic prazenie kontrolne przez 15 min - w razie potrzeby przedluzyc, az róznica
pomiedzy kolejnymi wazeniami bedzie nie wieksza niz 0,001 g. Zawartosc popiolu w próbce
analitycznej wegla Aa obliczyc wg wzoru
m − m1
Aa = 3
⋅100%
(4)
m2 − m1
gdzie:
m1 - masa wyprazonego naczynka, g,
m2 - masa naczynka z nawazka, g,
m3 - masa naczynka z popiolem, g.
Za wynik koncowy oznaczenia nalezy przyjac srednia arytmetyczna dwóch równoleglych
oznaczen z tej samej próbki. Przy zawartosci popiolu do 10% blad bezwzgledny nie moze
byc wiekszy niz 0,5%. Jezeli róznica pomiedzy wynikami oznaczen jest wieksza, nalezy
wykonac trzecie oznaczenie. Gdy wynik trzeciego oznaczenia spelnia wymagania bledu w
stosunku do jednego z poprzednich oznaczen, za wynik koncowy nalezy przyjac srednia
arytmetyczna tych dwóch pomiarów. Wyniki nalezy zaokraglic do 0,1.
Wyniki pomiarów i obliczen zestawic w tabeli.
Nr
oznaczenia
m1 ,
g
m2 ,
g
m3 ,
g
Aa,
%
1
2
srednia
Pomiar polega na calkowitym spaleniu próbki paliwa w atmosferze tlenu pod cisnieniem w
bombie kalorymetrycznej zanurzonej w wodzie i na pomiarze przyrostu temperatury tej
wody. Cieplo spalania paliwa wyliczane jest w sposób automatyczny i przedstawione na
monitorze.
4
Opis techniczny i podstawy funkcjonowania (pracy) kalorymetru.
Praca kalorymetru oparta jest na specjalistycznym ukladzie elektronicznym podlaczonym
do komputera PC odpowiedzialnym za wszystkie realizowane funkcje. Automatyczny cykl
pomiarowy zapewnia wygode i latwosc obslugi tego urzadzenia. Kalorymetr dziala na
zasadzie pomiaru charakterystycznych temperatur bilansu cieplnego. Wartosci te sa
przetwarzane na postac cyfrowa, analizowane i przeliczane przez komputer oraz
zapamietywane.
Caly proces pomiarowy przebiega wg wykresu (rys. 3):
Rys. 3. Przebieg procesu pomiarowego
Cieplo spalania próbki paliwa jest obliczane automatycznie (wg wewnetrznego programu).
Automatyczna praca kalorymetru steruje program komputerowy, tak wiec przebieg
wszystkich czynnosci jest caly czas kontrolowany, a ewentualne bledy sa sygnalizowane
na ekranie monitora.
Praca kalorymetru podzielona jest na 5 cykli pokazanych na wykresie. Poszczególne cykle
informuja o stanie kalorymetru:
Cykl: 0 - Wlaczenie kalorymetru i ustabilizowanie temperatury wewnatrz kalorymetru
(czas trwania: okolo 2 min).
1 - Rejestracja temperatury T1 i odmierzenie odcinka czasu równego 5 minut.
2 - Rejestracja temperatury T2 i zaplon próbki paliwa w bombie kalorymetrycznej. Cykl
ten trwa n- minut tj. az do osiagniecia temperatury maksymalnej.
3 - Rejestracja temperatury T3 (maksymalnej) i odmierzenie kolejnego odcinka czasu
równego 5 minut.
4 - Rejestracja temperatury T4 i zakonczenie pracy.
Kalorymetr po wejsciu w 2 cykl rozpoczyna odmierzac czas, jaki uplywa od chwili
zaplonu próbki do momentu, gdy program stwierdzi osiagniecie maksymalnej temperatury
w naczyniu. Zostaje odmierzany nastepny odcinek czasowy i zapamietywana jest
temperatura stanu koncowego. Program oblicza cieplo spalania, wylaczajac jednoczesnie
mieszadlo mechaniczne pracujace od chwili startu. Umozliwia wpisanie krótkiej notatki i
zapamietanie wyników w bazie danych.
Stanowisko pomiarowe przedstawiono na rys. 4.
5
3
2
4
5
1
6
Rys. 4. Stanowisko pomiarowe
1 - kalorymetr, 2 - pokrywa kalorymetru, 3 - uchwyt pokrywy z
umieszczonym w nim napedem mieszadla mechanicznego, 4 - monitor
komputera, 5 – drukarka, 6 – komputer
WARUNKI PROWADZENIA BADAN
Pomieszczenie, w którym maja byc wykonywane pomiary powinno miec stala
temperature, w granicach 18-21°C, ale nie przekraczajaca 25°C.
Blok termometru dostarczony przez producenta zapewnia pomiar z zadana dokladnoscia w
zakresie 16-26°C. Najbardziej optymalna temperatura nie powinna przekraczac 23°C.
Okna pomieszczenia przeznaczonego do badan, jezeli jest to mozliwe powinny wychodzic
na pólnoc, a w zadnym przypadku nie na poludnie. Winny byc ponadto zaopatrzone w
zaslony dla unikniecia nagrzewania promieniami slonecznymi. W czasie najwiekszego
naslonecznienia wystepujacego w ciagu dnia nie zaleca sie prowadzenia pomiarów. W
pomieszczeniu nie powinno byc zadnych przeciagów. Niedopuszczalne jest, aby
kalorymetr znajdowal sie w poblizu pieca, grzejnika, nagrzewajacych sie lamp
oswietleniowyc h itp. zródel ciepla. W czasie prowadzenia badania drzwi i okna powinny
byc zamkniete. Kalorymetru nie nalezy instalowac w sasiedztwie zródel silnego
promieniowania elektromagnetycznego takich jak nadajniki radiowe, przekazniki
telekomunikacyjne, stacje bazowe telefonii komórkowej itp., poniewaz moze to
spowodowac zaklócenie odczytu temperatury i tym samym uniemozliwi wykonywanie
poprawnych badan. Podczas wykonywanych badan nalezy równiez dezaktywowac w
pomieszczeniu laboratoryjnym dzialanie telefonów komórkowych.
Na rys. 5. przedstawiono budowe kalorymetru.
6
1
2
Rys. 5 . Budowa kalorymetru
1 - pokrywa kalorymetru,
2 - uchwyt pokrywy z umieszczonym
w
nim
napedem
mieszadla
mechanicznego,
3 - zaciski zaplonowe,
4 - naczynie kalorymetryczne,
5 - czujnik temperatury,
6 - mieszadlo mechaniczne
6
3
4
5
WYKONYWANIE POMIARU
W celu przeprowadzenia pomiaru wykonac nastepujace czynnosci:
1. Ustawic przelacznik jednostek w odpowiednia pozycje i sprawdzic czy jest prowadzona
i pamietana wlasciwa wartosc stalej kalorymetru.
2. Przygotowac pastylke badanego paliwa (m=1,0 g).
3. Przygotowac naczynie kalorymetryczne.
4. Wprowadzic bombe kalorymetryczna do naczynia kalorymetrycznego, a nastepnie
nalozyc na elektrody koncówki przewodów od zaplonu.
5. Zamknac kalorymetr pokrywa, która przesunac na wysiegniku, a nastepnie
opuscic w dól.
6. Jesli przewody sa odlaczone od sterownika, to nalezy je podlaczyc.
7. Wlaczyc zasilanie kalorymetru przyciskiem umieszczonym w listwie zasilajacej; dla
ustabilizowania temperaturowych warunków pracy nalezy odczekac 15 minut przed
zalaczeniem cyklu pomiarowego.
8. Wprowadzic dane do komputera (rys. 6):
- mase próbki bez drutu oporowego,
- zawartosc wilgoci przemijajacej i higroskopijnej,
- zawartosc popiolu analitycznego,
- rodzaj badanego paliwa.
7
Rys. 6. Okno programu „Dane o próbce” oraz „Dane fizykochemiczne”
9. Uruchomic „pomiar” i obserwowac zmiany temperatury na monitorze komputera
(rys. 7); w przypadku, gdy widoczne sa duze zmiany temperatury, próbe przerwac,
wlaczyc mieszadlo i odczekac jeszcze kilka minut.
Program komputerowy wykonuje niezbedne obliczenia i odpowiednie zestawienie
wyników (rys. 5.12).
Rys. 7. Okno programu „Zmiany temperatury”
Po dokonaniu pomiaru podniesc pokrywe zamykajaca naczynie kalorymetryczne, odlaczyc
przewody z elektrod bomby. Wyjac bombe z naczynia i osuszyc sciereczka. Wypuscic
gazy spalinowe otwierajac zawór wylotowy przez wkrecenie radelkowanego regulatora
zaworu wylotowego, zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Wypuszczanie gazów
spalinowych z bomby zaleca sie dokonywac pod degestorium.
8
Rys. 8. Okno programu „Zestawienie wyników pomiarów i obliczen”
Nastepnie ustawic bombe na podstawce, odkrecic zakretke samouszczelniajaca. Sciagnac
glowice bomby i sprawdzic w tyglu i w bombie czy nastapilo calkowite spalenie paliwa.
Jezeli widoczne sa niespalone czastki próbki, to oznaczanie nalezy powtórzyc.
Tygiel wyjac z obsady tygla, zdjac i zwazyc resztki niespalonego drutu oporowego.
Literatura:
1. Czaplinski A.: Wegiel kamienny, Wyd. AGH, Kraków 1994.
2. Kruszynski S., Boryca J., Krezolek I., Wyczólkowski R., Janda T.: Cwiczenia
laboratoryjne z Termodynamiki i techniki cieplnej, Skrypt SWPCz,
Czestochowa 2006.
3. Kruszynski S.: „Technika cieplna – cwiczenia laboratoryjne”, Skrypt
Politechniki Czestochowskiej, Czestochowa 1990.
4. Petela R.: Paliwa i ich spalanie – cz. I Paliwa, Skrypt Politechniki Slaskiej,
Gliwice 1978.
5. PN/G – 0451 „ Oznaczanie ciepla spalania i obliczanie wartosci opalowej”.
6. Spalanie i paliwa, Praca zbiorowa pod red. W. Kordylewskiego, Wyd.
Politechniki Wroclawskiej, Wroclaw 1993.
7. Tomeczek J.: Spalanie wegla, Wyd. Politechniki Slaskiej, Gliwice 1992.
8. Tor B.: Weglowe mieszanki energetyczne, Wyd. AGH, Kraków 2005.
9. Wlasciwosci, budowa i wykorzystanie wegli koksujacych, Praca zbiorowa pod
red. S. Jasienki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, Wroclaw
2003.
9