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