1

WYZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA PALIW ZA POMOCĄ BOMBY

KALORYMETRYCZNEJ

1. WSTĘP.

Jedną z najważniejszych cech charakteryzujących paliwa stałe takie jak węgiel

kamienny i brunatny, koks, trociny jest wartość opałowa paliwa. Wartość opałową paliwa

oblicza się na podstawie znajomości ciepła spalania paliwa oraz zawartości w nim wody i

wodoru. Tak ciepło spalania jak i wartość opałową mierzy się w kJ/kg.

Według definicji ciepłem spalania Q

c

nazywa się ilość ciepła odniesioną do jednego

kilograma paliwa, uzyskaną po całkowitym i zupełnym spaleniu próbki paliwa w bombie

kalorymetrycznej i po schłodzeniu produktów spalania do temperatury początkowej

substratów. Wartość opałowa Q

w

jest to ilość ciepła odniesiona do jednego kilograma

paliwa, uzyskana po całkowitym i zupełnym spaleniu próbki paliwa w bombie

kalorymetrycznej i po schłodzeniu produktów spalania do temperatury początkowej

substratów, zakładając, że woda znajdująca się w spalinach pozostaje w stanie pary.

2. BOMBA KALORYMETRYCZNA.

Bezpośrednia metoda pomiaru wartości opałowej paliw stałych polega na spaleniu w

atmosferze tlenu odpowiednio przygotowanej próbki, umieszczonej w szczelnie

zamkniętym naczyniu zwanym bombą kalorymetryczną. Bomba ta zanurzona jest w

wodzie i ciepło wynikające ze spalenia próbki paliwa zostaje przekazane wodzie poprzez

ś

cianki bomby. Powoduje to wzrost temperatury wody.

Najbardziej znany jest kalorymetr Bertholta – Krokera – Mahlera. Bomba ta składa się z

naczynia cylindrycznego o średnicy ok. 6 cm i wysokości 12 cm, wykonanego ze stali

kwaso- i ognioodpornej, zamykanego od góry nakręcaną pokrywą. W pokrywie są dwa

otwory zamykane zaworami iglicowymi. Otwór wlotowy służy do napełniania bomby

tlenem, drugi zaś do opróżniania bomby. Rurka wstawiona w otwór wlotowy sięga

poniżej tygla, w którym umieszczamy próbkę paliwa i ma za zadanie tak skierować

strumień tlenu aby nie nastąpiło rozpylenie paliwa. W pokrywie bomby umieszczone są

dwa zaciski do przyłączenia źródła prądu stałego o napięciu 4..6 V. Jeden z nich (+) jest

izolowany od pokrywy, drugi zaś (-) połączony z korpusem bomby. Do zapłonu paliwa

2

służy cienki drucik ( o średnicy 0,1 .. 0,2 mm ) najczęściej stalowy ( Q

c

= 1600 kcal/kg )

zanurzony w próbce paliwa i dołączony do źródła prądu.

Widok stanowiska do pomiarów kalorymetrycznych.

3. PRZYGOTOWANIE PRÓBKI PALIWA.

Próbkę analityczną paliwa o bardzo małej ziarnistości ( zmielona ) należy dokładnie

wymieszać, po czym z różnych miejsc próbki pobrać co najmniej 3 porcje o takiej łącznej

masie aby po spaleniu temperatura wody w naczyniu kalorymetrycznym podniosła się o

1,8 .. 3,0

o

C ( warunek ten spełnia próbka paliwa o masie ok. 1 g ). Następnie próbkę

należy zważyć i umieścić w tyglu. Próbka może być umieszczona w tyglu:

•

luzem

•

w postaci uformowanej pastylki

3

Najdogodniejszym i najprostszym sposobem jest umieszczenie próbki paliwa luzem w

tyglu. W tym przypadku łatwiej jest ważyć paliwo już umieszczone w tyglu. Założenie

drutu oporowego o długości ok. 10 cm dokonuje się po zawieszeniu tygla w bombie.

Z paliwa, które daje się prasować, po sproszkowaniu tworzy się pastylki o średnicy ok. 8

mm i o wysokości 6 .. 10 mm. Drut zapłonowy uprzednio zważony musi zostać

wprasowany w pastylkę.

Jeśli w prasie formowano uprzednio pastylki innych próbek paliwa, należy odrzucić

dwie pierwsze pastylki aktualnie prasowanego paliwa aby uniknąć zanieczyszczeń

pastylki resztkami poprzedniego paliwa.

W przypadku paliw o dużej zawartości popiołów lub nie nadających się do

brykietowania zachodzi obawa niecałkowitego spalenia próbki. W takich przypadkach

pastylki tworzy się z mieszaniny paliwa i kwasu benzoesowego w stosunku 4:1, a wynik

pomiaru odpowiednio koryguje w oparciu o dokładnie znane ciepło spalania kwasu

benzoesowego ( Q

c

= 6323 kcal/kg ).

4. PRZYGOTOWANIE BOMBY DO POMIARU.

Na dno bomby należy wpuścić pipetą kilka mililitrów wody destylowanej, aby

umożliwić rozpuszczanie się w niej kwasów azotowego i siarkowego, powstających

podczas spalania. Ilość wody powinna być stale jednakowa, równa ilości wody użytej do

oznaczenia wartości cieplnej kalorymetru. Odważoną próbkę badanego paliwa umieszcza

4

się w bombie, zakręca szczelnie pokrywę i napełnia wnętrze bomby tlenem do ciśnienia

2,0

±

0,2 MPa przy badaniu węgla brunatnego, 2,5

±

0,2 MPa przy badaniu węgla

kamiennego. Bombę, podłączoną do źródła prądu umieszczamy w naczyniu

kalorymetrycznym wypełnionym wodą tak by cała bomba znajdowała się poniżej lustra

wody. Do naczynia kalorymetrycznego wkładamy termometr oraz mieszadło, które

zapewnia lepszą wymianę ciepła pomiędzy wodą i bombą kalorymetryczną. Należy

zwrócić uwagę aby termometr nie stykał się z bombą kalorymetryczną. Naczynie

kalorymetryczne zakrywamy pokrywą z winiduru aby wyeliminować wymianę ciepła z

otoczeniem.

5

5. POMIAR KALORYMETRYCZNY.

Po uruchomieniu mieszadła należy odczekać ok. 5 min w celu wyrównania

temperatury w kalorymetrze. Następnie przystępujemy do właściwego pomiaru

kalorymetrycznego. Składa się on z trzech okresów:

•

Okres początkowy- trwa 5 min i służy do określenia stopnia wymiany ciepła z

otoczeniem. Dokonuje się w nim pomiarów temperatury w 1-minutowych odstępach.

Bezpośrednio po szóstym pomiarze naciska się przycisk zapłonowy, obserwując czy

czerwona lampka kontrolna zapaliła się. Jeżeli czerwona lampka nie zapali się lub nie

zgaśnie po chwili od zapalenia pomiar należy przerwać.

•

Okres główny – rozpoczyna się z chwilą włączenia źródła napięcia, odczytów

dokonuje się w odstępach 30 sekundowych. Okres główny kończy się z chwilą gdy

dwie kolejne odczytane po sobie temperatury są jednakowe lub druga jest niższa

( okres ten trwa ok. 10 min ).

•

Okres końcowy – zaczyna się od ostatniego odczytu okresu początkowego. W okresie

tym dokonujemy 5 pomiarów w odstępach 1-minutowych.

6. OBLICZENIA

Obliczanie ciepła spalania dokonuje się według wzoru:

(

)

m

e

p

t

t

K

Q

c

Σ

−

−

−

=

1

*

gdzie:

Q

c

– ciepło spalania paliwa ( kJ/kg)

K – wartość cieplna kalorymetru ( stała K ) ( J/1

o

C )

p – poprawka temperatury wynikająca z wymiany ciepła układu kalorymetrycznego z

otoczeniem

t

1

– najwyższa temperatura okresu głównego (

o

C )

t – ostatnia temperatura okresu początkowego ( bezpośrednio przed zapaleniem próbki ) (

o

C )

Σ

e – suma ciepła uzyskana z efektów cieplnych nie związanych bezpośrednio z ciepłem

spalanego paliwa ( ciepło spalania drutu oporowego ) ( kJ/kg )

m – masa próbki paliwa ( kg )

6

-

wyznaczenie poprawki temperaturowej

p = 0,5 ( a

1

+ a

2

) + ( n – 1 ) a

2

gdzie:

a

1

, a

2

– średnie przyrosty temperatury w okresie początkowym i końcowym

n – liczba pomiarów w okresie głównym

a

1

= ( t

pk

- t

p0

) / 5

a

2

= ( t

kk

– t

k0

) / 5

t

pk

– końcowa temperatura okresu początkowego

t

p0

– pierwsza temperatura okresu początkowego

t

kk

– ostatnia temperatura okresu końcowego

t

k0

– pierwsza temperatura okresu końcowego

7. PRZEBIEG ĆWICZENIA - SPRAWOZDANIE.

•

Wyznaczenie wartości cieplnej kalorymetru.

•

Wyznaczenie ciepła spalania paliwa.

•

Obliczenie ciepła spalania paliwa.

•

Wykres t = f(T) ( temperatura w funkcji czasu ) dla kwasu benzoesowego oraz węgla.

•

Wykres

∆

t = f(T) ( przyrosty temperatury w funkcji czasu – dynamika wzrostu

temperatury ).

•

Wnioski.

8. LITERATURA.

1. „Pomiary w elektrowniach cieplnych”, Jerzy Wojciechowski, PWT 1958.

2. „Pomiary cieplne i energetyczne”, pod red. M. Mieszkowskiego, WNT 1981.

3. „Pomiary cieplne”, pod red. J. Kuleszy, tom 1 i 2, WNT 1993.

4. „Miernictwo energetyczne”, pod red. M. Sąsiadka, skrypt Politechniki Wrocławskiej.