Rafał Langer

Tomasz Kamiński

Łukasz Niedźwiecki

Laboratorium Termodynamiki Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów – Wydział Mechaniczno-Energetyczny Politechniki Wrocławskiej

Ćwiczenie 30a : Wyznaczenie ciepła spalania i wartości opałowej gazu ziemnego GZ-50 metodą kalorymetryczną oraz obliczeniową dla znanego składu gazu.

1. Krótka charakterystyka wielkości wyznaczanych.

Ciepłem spalania nazywana jest ilość ciepła powstała przy spalaniu całkowitym i zupełnym jednostki masy paliwa, przy założeniu, że produkty spalania zostają ochłodzone do temperatury początkowej składników biorących udział w spalaniu, a woda ulega wykropleniu.

Wartość opałowa W_d jest liczbowo równa różnicy między wartością W_g a ilością ciepła potrzebnego do odparowania wody zawartej w paliwie oraz powstałej ze spalania wodoru z tego paliwa. Ciepło parowania wody przy 0° C przyjmuje się w technice za 2500 kJ/kg.

2. Schemat i opis stanowiska.

Pomiar wartości opałowej paliw gazowych oraz paliw ciekłych lekkich o niskiej temperaturze wrzenia przeprowadza się najdogodniej za pomocą kalorymetru Junkersa.

Zasadniczymi elementami kalorymetru są:

o specjalny palnik do spalania gazu,

o komora spalania otoczona dwuściennym cylindrycznym płaszczem wodnym

o systemem rur kierujących spaliny przez płaszcz wodny do wylotu

o cylindryczna obudowa poniklowana z zewnątrz w celu zmniejszenia wymiany ciepła przez promieniowanie

Legenda do rysunku:

1 – przelew wody dopływającej do kalorymetru

2 - przelew wody dopływającej z kalorymetru

3 – dopływ wody do kalorymetru

4 – odpływ wody z kalorymetru

5 – wylot spalin

6 – rurka do skroplin wody ze spalin

7 i 8 – czujniki termometrów

3. Sposób przeprowadzenia pomiarów

Metoda opiera się na pomiarze przyrostu temperatury znanego strumienia objętości wody chłodzącej przepływającej przez płaszcz kalorymetru strumieniem o słabym natężeniu. Woda ogrzewana jest gazami spalinowymi wytworzonymi przy spalaniu znanej ilości paliwa, spalanego w sposób ciągły.

Woda chłodząca z sieci wodociągowej dopływa do płaszcza poprzez naczynie przelewowe 1, zawór regulacyjny A i cylindryczną komorę w której umieszczony jest czujnik temperatury 7.

Termometr wskazuje temperaturę wody na wlocie do kalorymetru. Przepływająca przez płaszcz woda chłodząca odbiera ciepło wydzielone przy spalaniu znanej ilości paliwa. Woda chłodząca opuszcza płaszcz wody płynąc poprzez urządzenie mieszające i drugą komorą, w której umieszczony jest czujnik termometru 8 do naczynia przelewowego 2. Termometr 8 wskazuje temperaturę wody ogrzanej na wylocie z kalorymetru. Ilość wody, jaka przepłynęła przez płaszcz od chwili rozpoczęcia pomiaru do jego zakończenia jest kierowana przez obrót kurka znajdującego się poniżej przelewu 2 do naczynia 7 , gdzie można zmierzyć jej objętość.

Zadaniem naczyń przelewowych 1 i 2 jest zapewnienie stałego ciśnienia, a zatem i stałego strumienia wody chłodzącej przez płaszcz wodny, niezależnie od zmian ciśnienia wody pobieranej z sieci wodociągowej. Strumień przepływającej wody reguluje się zaworkiem na wlocie tak, aby średnia arytmetyczna z temperatur wody dopływającej i odpływającej była równa temperaturze otoczenia. Optymalna dokładność pomiaru uzyskuje się przy różnicy temperatury 10-12 °C. Termometry 7 i 8 w przypadku naszego układu pomiarowego, to termometry cyfrowe mierzące temperaturę z dokładnością do 0,1°C. Badany gaz doprowadza się do palnika z sieci poprzez gazomierz mokry.

Gaz za gazomierzem oraz powietrze przed spalaniem są nawilżane, gaz w gazomierzu mokrym, a powietrze w nawilżaczu. Gazomierz także wyposażony jest w termometr, który mierzy temperaturę gazu. Spaliny unoszą się początkowo w komorze spalania ku górze, po czym opadają w dół przez rurki przechodzące przez płaszcz wodny do komory dolnej i dalej uchodzą wylotem 5. Woda wykraplająca się w komorze dolnej z gazów spalinowych wypływa króćcem 6. Wodę tę zbiera się do zlewki i mierzy się jej objętość.

4. Zestawienie wyników pomiarów.

Wielkość fizyczna
jednostka	K		K	K	s	s
Wartość pomiaru	289,15	100	288,25	298,75	269	71

Wielkość fizyczna
jednostka				Pa	s
Wartość pomiaru				100 200	1800

5. Obliczenia dla metody kalorymetrycznej

Ciepło spalania obliczamy ze wzoru:

Gdzie:

- ciepło spalania

- objętość wody przepływającej przez kalorymetr

- ciepło właściwe wody,

– przyrost temperatury wody chłodzącej,

- czas spalania gazu ziemnego

- czas przepływu wody przez kalorymetr

- objętość spalonego w czasie pomiaru gazu ziemnego wysokometanowego E (GZ 50)

- gęstość wody w temperaturze ,

Wartość opałową obliczamy ze wzoru:

Gdzie:

- objętość skroplin

- czas skraplania się skroplin

– ciepło parowania wody,

Otrzymane wartości ciepła spalania i wartości opałowej należy przeliczyć na warunki normalne:

Na podstawie równań Clapeyrona dla warunków normalnych i warunków pomiaru:

Objętość:

Ciśnienie bezwzględne gazu:

Gdzie:

- nadciśnienie gazu przepływającego przez gazomierz

- ciśnienie barometryczne

Przeliczenie wartości spalania i wartości opałowej na warunki normalne:

6. Obliczenia stechiometryczne

Skład gazu ziemnego wysokometanowego E (GZ 50) wg. izby gospodarczej gazownictwa (www.igg.pl):

- metan (CH4) - 98,14%,

- etan, propan, butan - 0,91%,

- azot (N2) - 0,84%,

- dwutlenek węgla (CO2) - 0,11%.

Reakcja spalania metanu:

Efekt cieplny reakcji:

Gdzie:

- entalpia tworzenia dla wody (ciecz)

- entalpia tworzenia dla dwutlenku węgla

- entalpia tworzenia dla tlenu cząsteczkowego (2 atomowego)

- entalpia tworzenia dla metanu

Ciepło spalania metanu:

Gdzie:

- masa molowa cząsteczki metanu

Gęstość metanu w warunkach normalnych:

Gdzie:

- objętość 1-go kilomola gazu w warunkach normalnych

Ciepło spalania GZ 50:

Przyjmuję, że udział etanu, propanu i butanu łącznie ma ciepło spalania propanu (Ciepło spalania propanu wg. normy ISO-6776). Ciepło spalania niepalnych składników równe 0.

Wartość opałowa:

Efekt cieplny reakcji:

Gdzie:

- entalpia tworzenia dla wody (gaz)

Wartość opałowa metanu:

Obliczenia stechiometryczne prawdziwe w warunkach normalnych.

7. Wnioski

Obliczone przez nas stechiometrycznie ciepło spalania wynosi:

Ciepło spalania wyznaczone doświadczalnie wynosi:

Wg. Wyciągu z taryfy w zakresie dostarczonego przez PGNiG paliwa gazowego Nr 2/2009, pkt. 4.1 ceny paliw gazowych ustalone w taryfie odpowiadają następującemu ciepłu spalania:

Gaz ziemny wysokometanowy (grupy E)

Zaś w pkt. 4.2 jest wyraźnie określone:

„Wartość ciepła spalania paliw gazowych dostarczanych do Odbiorców uważa się za dotrzymaną, jeżeli jego wartość jest nie mniejsza niż dla gazu ziemnego wysokometanowego (grupy E).”

Pkt. 4.5 wskazuje:

„W przypadku, gdy odbiorca uzgodni z właściwym operatorem systemu zainstalowanie urządzenia umożliwiającego określenie ciepła spalania dostarczonego paliwa gazowego w okresie rozliczeniowym, oraz uzgodni w umowie ze sprzedawcą warunki sprawdzania urządzenia, wówczas ciepło spalania paliwa gazowego określane będzie na podstawie wskazań tego urządzenia.”

Gdyby PWR posiadała stosowny aneks do umowy, mogłaby oczekiwać bonifikaty z tytułu niedotrzymania parametrów jakościowych paliwa gazowego określonej wzorem (pkt. 7.1).

Gdzie:

- wysokość bonifikaty, PLN

– średnie ciepło spalania dostarczonego paliwa gazowego,

– nominalne ciepło spalania określone w pkt. 4.1 ,

I – ilość pobranego paliwa gazowego o obniżonym cieple spalania,

C – cena paliwa gazowego dla grupy taryfowej do której Odbiorca jest zakwalifikowany,

Różnica pomiędzy wartością ciepła spalania wyznaczoną doświadczalnie, a wartością podawaną przez PGNiG może być spowodowana większym zaazotowaniem gazu.

Gaz spalany przez nas mieści się jeszcze w granicach grupy E, gdyż wg. Polskiej PN-C-04753:2002 Ciepło spalania dla grupy E :

Na mierzone przez nas wielkości miały także wpływ niepewności pomiarowe. Pewna niedokładność może wynikać z założenia, że spalanie było całkowite i zupełne (co w rzeczywistości nie jest możliwe).