Kalorymetria paliw gazowych
Instrukcja do ćwiczenia nr 6
Miernictwo energetyczne - laboratorium
Opracowała: dr inŜ. ElŜbieta Wróblewska
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2008 r.
Kalorymetria paliw gazowych
Instrukcja do ćwiczenia nr 6
Miernictwo energetyczne - laboratorium
Opracowała: dr inŜ. ElŜbieta Wróblewska
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2008 r.
2
I.
WSTĘP TEORETYCZNY
Ciepłem spalania Q
s
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 Q
i
nazywamy ilość ciepła uzyskaną przy zupełnym spaleniu jednostki
masy paliwa po ostudzeniu spalin do temperatury początkowej substratów, przy cym woda
powstała w czasie spalania pozostaje w stanie pary.
Kalorymetr Junkersa jest urządzeniem przepływowym, słuŜącym 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 ustalenia,
tzn. przy występującym stałym natęŜeniu przepływu spalanego gazu i stałym natęŜeniu
przepływu wody chłodzącej. W warunkach ustalonych temperatury w poszczególnych
punktach kalorymetru są stałe, a jego energia wewnętrzna równieŜ jest stała.
II.
STANOWISKO POMIAROWE
Badany gaz dopływa do gazomierza mokrego wypełnionego wodą (gaz, wskutek przejścia
przez gazomierz mokry nasycony jest parą wodną, spalany gaz jest więc gazem wilgotnym).
Gazomierz wskazuje objętość spalonego gazu V
g
, jego ciśnienie bezwzględne p
ag
i
temperaturę t
g
. Parametry te mierzone są na wylocie z gazomierza.
Po wyjściu z gazomierza badany gaz kierowany jest do dzwonowego regulatora ciśnienia.
Jego zadaniem jest utrzymanie stałego nadciśnienia gazu dopływającego do palnika, co
zapewnia stałe natęŜenie przepływu gazu. Zalecane jest takie dobranie natęŜenia przepływu
gazu, aby ilość ciepła wywiązanego w kalorymetrze w ciągu godziny nie przekroczyła 3700-
4200 kJ. Płomień palnika powinien być spokojny, nieświeccy i niebieski. Gdy płomień jest
ś
wiecący mamy do czynienia ze spalaniem niezupełnym.
Zapalony palnik sprowadza się do wnętrza komory spalanie i mocuje się tak, by był stabilny.
NaleŜy pamiętać, aby przed wprowadzeniem palnika do komory spalania otworzyć przepływ
wody chłodzącej. Palnik powinien być umieszczony jak najwyŜej i moŜliwie w osi komory
spalania. Woda chłodząca dopływa z pewnym nadmiarem do naczynia przelewowego, w
którym utrzymuje się stały poziom a-a. Przepływ wody naleŜy wyregulować za pomocą
zaworu regulującego tak, aby przyrost temperatury wody po przejściu przez kalorymetr nie
przekracza 10-12º. Po przepłynięciu przez naczynie przelewowe woda omywa termometr
wskazujący temperaturę dolotową t
1
. Woda przepływając przez labirynt odbiera ciepło od
3
spalin przez ściankę komory spalania. Dlatego teŜ na wypływie z kalorymetru temperatura
wody wylotowej t
2
jest wyŜsza od temperatury wody dolotowej t
1
. Na odpływie umieszczone
jest drugie naczynie przelewowe, które zapewnia stałość poziomu b-b. Dzięki stałej róŜnicy
poziomów H, w czasie przeprowadzania pomiaru występuje stałe natęŜenie przepływu wody.
Rys. 1. Schemat kalorymetru Junkersa [3]
III. WYKONANIE POMIARÓW I OBLICZEŃ
W czasie pomiaru do ciepła spalania opałowej spala się 10 dm
3
gazu i jednocześnie zbiera
się do odpowiedniego naczynia wodę podgrzaną w kalorymetrze Junkersa i wyznacza jej
masę m
w
. Odczytuje się teŜ wartość temperatury t
g
i nadciśnienia gazu p
ag
na wskaźnikach na
gazomierzu mokrym oraz temperaturę wody dolotowej do kalorymetru t
1
i wylotowej z
urządzenia t
2
. Następnie wyznacza się ciepło spalania gazu ze wzoru:
(
)
g
ś
r
ś
r
w
w
s
V
t
t
c
m
Q
1
2
-
=
4
gdzie:
m
w
– masa wody chłodzącej, kg
c
w
– ciepło właściwe wody, c
w
= 4,19
kgK
kJ
t
2śr
– średnia temperatura wody wylotowej, ºC,
t
1śr
– średnia temperatura wody dolotowej, ºC,
V
g
– spalona objętość gazu wilgotnego, V
g
=10dm
3
, m
3
W celu wyznaczenia wartości opałowej badanego gazu, spala się 50dm
3
gazu i jednocześnie
zbiera się skropliny spływające z komory spalania. Wartość opałowa:
gk
k
O
H
s
i
V
m
r
Q
Q
2
-
=
gdzie:
O
H
r
2
- ciepło parowania wody,
kg
kJ
r
O
H
104
,
2257
=
2
m
k
– masa skroplin zebrana w czasie spalania objętości gazu V
gk
, kg
V
gk
– spalona objętość gazu wilgotnego, V
gk
=50dm
3
, m
3
Spaliny opuszczające kalorymetr nasycone są parą wodną, powietrze uŜyte w procesie
spalania ma nieznaną wilgotność względną oraz występuje zjawisko zmniejszenia objętości
podczas spalania (kontrakcja). Wskutek powyŜszego nie mamy pewności czy w kalorymetrze
wykropliła się cała masa pary wodnej< jak powstała wskutek spalania wodoru zawartego w
paliwie. Dlatego teŜ, otrzymane ciepło spalania moŜe być obarczone błędem, który znosi się
przy obliczaniu wartości opałowej, gdyŜ masa skroplin m
k
jest masą rzeczywiście
wykroplonej pary wodnej.
Uzyskane wartości ciepła spalania Q
s
i wartości opałowej Q
i
odnoszą się do jednostki
objętości gazu wilgotnego w warunkach panujących na wylocie z gazomierza. Aby obliczyć
wartości waŜne dla gazu suchego i warunków normalnych naleŜy uwzględnić współczynnik
redukcji a:
n
O
H
ag
g
n
p
p
p
T
T
a
2
-
=
gdzie:
p
ag
– bezwzględne ciśnienie spalonego gazu, hPa
O
H
p
2
– pręŜność nasyconej pary wodnej w temperaturze T
g
gazu wilgotnego, hPa
T
n
– temperatura normalna, K
5
T
g
– temperatura gazu wilgotnego, K
Ciepło spalania Q
sn
i wartość opałowa Q
in
w warunkach normalnych:
a
Q
Q
s
sn
=
a
Q
Q
i
in
=
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