Kalorymetria paliw gazowych

Instrukcja do ćwiczenia nr 6

Miernictwo energetyczne - laboratorium

Opracowała: dr inż. Elżbieta 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, 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 ustalenia,

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 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 natężenie przepływu gazu. Zalecane jest takie dobranie natężenia 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.

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. Woda chłodząca dopływa z pewnym nadmiarem do naczynia przelewowego, 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

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 też na wypływie z kalorymetru temperatura

wody wylotowej t

2

jest wyższa od temperatury wody dolotowej t

1

. Na odpływie umieszczone

jest drugie naczynie przelewowe, 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]

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 też 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 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< jak 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 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 ważne dla gazu suchego i warunków normalnych należy 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

– prężność 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