P O L I T E C H N I K A S Z C Z E C I Ń S K A K A T E D R A T E C H N I K I C I E P L N E J LABORATORIUM PODSTAW TERMODYNAMIKI S P R A W O Z D A N I E
Ćw. nr 6		Temat: Techniczna analiza spalin
Data wyk. ćw.	Data złoż. spr.		Ocena	Nazwisko i imię studenta
Prowadzący ćwiczenie			Podpis	Rok akad.	Semestr	Grupa lab.

1. Cel ćwiczenia.

Przeprowadzone ćwiczenie ma na celu poznanie podstawowych wiadomości z zakresu procesu spalania oraz metod i sposobów analizy spalin jako produktów tego procesu. Umożliwiło także poznanie podstawowych urządzeń badawczych.

2. Metoda pomiarowa, pojęcia podstawowe.

Spalanie - gwałtowny proces utleniania paliw, objawiający się efektem cieplnym i wizualnym (płomieniem). Rozróżniamy następujące rodzaje spalania:

- spalanie teoretyczne którym nazwano spalanie całkowite i zupełne, w którym stosunki składników wyjściowych i produktów reakcji są zgodne ze znanymi z chemii zależnościami stechiometrycznymi. Głównymi palnymi składnikami paliw są związki węgla i wodoru. Proces spalania może być niecałkowity i niezupełny.

Spalanie niecałkowite występuje w zasadzie tylko przy paliwach stałych i charakteryzuje się zawartością części palnych w odpadach paleniskowych - w żużlu, przesypie i lotnym popiele. Przyczyną spalania niecałkowitego są niepalne substancje mineralne tworzące popiół, którego zawartość utrudnia dopalanie się paliwa.

W przypadku spalania niezupełnego w produktach spalania pojawiają się gazy palne - CO, H₂, CH₄. Przyczyny spalania niezupełnego mogą być bardzo różne - za mała ilość doprowadzonego powietrza, niedostateczne wymieszanie paliwa z utleniaczem, przewlekłe spalanie w wyniku zbyt niskich temperatur w palenisku i inne.

Paliwa w technice to substancje wydzielające w procesie spalania dużą ilość energii cieplnej z jednostki masy, produkty ich spalania stanowią mieszaninę gazów (jako czynnik termodynamiczny), są łatwo dostępne, ich utleniaczem jest przede wszystkim powietrze atmosferyczne (stałe: drewno, torf, węgiel kamienny, itd.; płynne; ropa naftowa, oleje opałowe - mazut, benzyna, nafta, itd.; gazowe: metan, wodór, tlenek węgla, niższe węglowodory, itd.).

Rozróżnia się także pojęcia takie jak ciepło spalania i wartość opałową. Wartość opałowa to ilość wydzielonego ciepła przy całkowitym i zupełnym utlenieniu jednostki masy paliwa, ale różniące się od ciepła spalania uwzględnieniem dodatkowego procesu fizycznego pochłaniającego ciepło na odparowanie wilgoci zawartej w paliwie i uzyskanej H₂O z procesu utleniania wodoru.

Współczynnik nadmiaru powietrza określa ilość powietrza niezbędną do przeprowadzenia całkowitego i zupełnego procesu spalania. Definiuje się go jako stosunek ilości powietrza doprowadzonego rzeczywiście do teoretycznej ilości powietrza.

Metodą badawczą analizy składu spalin i uznawaną za wzorcową jest chemiczna analiza spalin i paliw gazowych za pomocą analizatorów Orsata. Metodę tą opisuje PN-73/C-04759-01-Paliwa gazowe. W ćwiczeniu przeprowadzono pomiar przy pomocy uproszczonego aparatu Orsata jak na rys.1. Metoda polega na izobarycznym i izotermicznym pomiarze zmian objętości analizowanej próbki po zaabsorbowaniu w chłodnicy kolejnego składnika. Miernica wyskalowana jest w cm³, dlatego też ubytek objętości jest równocześnie procentowym udziałem objętościowym zaabsorbowanego składnika. Chłonnica pierwsza służy do absorpcji CO₂, jest wypełniona roztworem ługu potasowego. W chłonnicy drugiej, wypełnionej alkaicznym roztworem pirogalolu jest absorbowany tlen (O₂). W chłonnicy trzeciej absorbującej tlenek węgla znajduje się roztwór amoniakalny chlorku miedziawego.

3. Schemat pomiarowy.

4. Zestawienie wyników bezpośrednich pomiarów.

Tablica 1. Zawartość wybranych składników przy pomiarach analizatorem Ostwalda.

(w nawiasach wartość odczytana z miernicy cm^3)	Pomiar grupy I [%]	Pomiar grupy II [%]	Pomiar grupy III [%]	Wartości średnie [%]
Dwutlenek węgla (CO2)	9,0 (9,0)	8,2 (8,2)	6,0 (6,0)	7,73
Tlen (O2)	4,4 (13,4)	6,0 (14,2)	6,6 (12,6)	5,67
Tlenek węgla (CO)	-0,2 (13,2)	0,2 (14,4)	0,0 (12,6)	0,00

5. Obliczenia analityczne.

Obliczenie nadmiaru powietrza ze wzorów analitycznych. Obliczenia przeprowadzono dla wartości średnich z otrzymanych wartości. Wykorzystuje się wzór uwzględniający wartości udziałów:

[CO₂]_s + [O₂]_s + [N₂]_s = 1

Dla przypadku I wartość dwutlenku węgla (CO₂) określono na 9,0%, dla tlenu (O₂) 4,4%. Uwzględniając, że inne składniki albo zostały pochłonięte z czynnikami mierzonymi albo występują w ilościach śladowych, otrzymujemy zawartość azotu (N₂) równą 86,6%.

Podstawiając do wzoru:

otrzymujemy wartość współczynnika nadmiaru powietrza:

l₁=1,42

Dla przypadku II postępując analogicznie otrzymujemy (CO₂ - 8,2; O₂ - 6,0; N₂ - 85,8) wartość:

l₁=1,30

oraz dla przypadku III (CO₂ - 6,0; O₂ - 6,6; N₂ - 87,4)

l₂=1,13

0.33(1,42 + 1,30 +1,13) = 1,28

6. Porównanie wyniku z wykresem Ostwalda:

Dla wartości średnich udziałów tlenu i dwutlenku węgla odczytano z wykresu współczynnik nadmiaru powietrza o wartości prawie 1,2. (na podstawie wykresu dla benzyny).

7. Analiza wyników i wnioski.

Ćwiczenie wykazało ogromne znaczenie znajomości podstaw analizy spalin. Próba jednak przeprowadzona w warunkach laboratorium Politechniki Szczecińskiej wykazała duże niedokładności. Były one wynikiem takich czynników jak:

- niewyraźne skale na miernicach odczytowych,

- stan techniczny, który z obserwacji optycznych można uznać za przeciętny co również mogło mieć wpływ na szczelność układu oraz dokładność wyników,

- brak wprawy w operowaniu aparatem Orsata, co mogło doprowadzić do nieznacznych ruchów gazów, niewłaściwego oczyszczenia przewodów doprowadzających. Zgodność wyników w trzech zespołach roboczych wysokości około 11% może wskazywać, że ogólnie wyniki są jeszcze wiarygodne. Natomiast wartość tlenku węgla (CO) ujemna, jest wynikiem czynników ww. lecz jednocześnie wskazuje, że zawartość jego w rzeczywistości albo jest śladowa lub on nie występuje. Wartość średnia CO równa zeru, potwierdza słuszność przyjmowania wyżej wymienionych wzorów na współczynnik nadmiaru powietrza, gdyż w spalaniu całkowitym i zupełnym nie występuje CO. Wartości obliczone współczynnika nadmiaru powietrza są różne, lecz ich średnia jest wartością możliwą, którą można uznać za wartość oczekiwaną, ponieważ mieści się w przedziale 1,2~1,3.

Laboratorium z podstaw termodynamiki.

1

2

Str.

---