W ydział Mechaniczny

Politechniki Białostockiej

Zakład Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:

Pomiary cieplne

Ćwiczenie nr: 1

Oznaczanie kaloryczności paliw gazowych

Kod przedmiotu:

MBM2N32006A

Instrukcję opracował: dr inż. M. Łukaszuk

Białystok 2016

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z doświadczalną metodą wyznaczania ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych za pomocą kalorymetru Junkersa.

1. WPROWADZENIE

Zasadniczą cechą paliwa jest jego ciepło spalenia i wartość opałowa. Ciepło spalania Q_s paliwa jest to ilość ciepła wywiązującego się po całkowitym i zupełnym spalaniu jednostki masy lub obję­tości paliwa, przy założeniu, że produkty spalania zostają ochłodzone do temperatury początkowej subatratów, a para wodna zawarta w spalinach ulega skropleniu oddając ciepło parowania.

Wartość opałowa Q_i paliwa jest to ilość ciepła, któro wydziela się po całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki masy lub objętości paliwa oraz po ochłodzeniu produktów spalania do temperatury początkowej substratów, przy założeniu, ze produkty spalania zawieraj wodę w postaci pary.

Z podanych definicji wynika zależność między wartościami ciepła spalania i wartością opałową:

gdzie: Q_s – ciepło spalania [kJ/kg],

Q_i – wartość opałowa [kJ/kg],

r – ciepło parowania wody [kJ/kg],

m^w – masa wody powstała podczas spalenia jednostki masy paliwa [kg/kg].

Spalanie jest całkowite wtedy, gdy w produktach spalania nie występują stałe składniki palne np. niespalony węgial w popiele lub sadza.

Spalanie jest zupełne, gdy w produktach spalania nie występują lotne składniki mogące ulegać dalszej reakcji egzotermicznej np. CO.

Ciepło spalania oraz wartość opałową paliwa gazowego można określać za pomocą składu lub na podstawie bezpośredniego spalania.

2. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO

Do wyznaczania wartości opałowej paliw gazowych używa się kolorymetru o ciągłym spalaniu tzw. kalorymetru Junkersa. Zasada oznaczania za pomocą tego przyrządu polega na spalaniu badanego paliwa w przeponowym wymienniku ciepła i pomiarze ilości ciepła przekazanego do wody chłodzącej kalorymetr. W cylindrycznej komorze (rys 1) spala się dokładnie odmierzona ilości paliwa. Gazy spalinowe przepływają najpierw ku górze, a następnie rurkami ku dołowi. Woda chłodząca przepływa w kierunku przeciwnym. Wymiana ciepła pomiędzy spalinami i wodą chłodzącą następuje w przeciwprądzie. Zadaniem naczyń przelewowych (3) znajdujących się na dopływie wody do wymiennika i (5) na odpływie z kalorymetru jest utrzymanie stałej wysokości słupa wody H = const., a tym samym stałej różnicy ciśnienia, co zapewnia stałe natężenie przepływu wody chłodzącej przez wymiennik niezależnie od wahań ciśnienia w sieci wodociągowej. Do zmiany natężenia przepływu wody służy zawór raguiacyjny (4) umieszczony na rurociągu dopływowym poniżej naczynia przelewowego (3). Termometr T₁ wskazuje temperaturę wody na wlocie do kalorymetru. Termometr T₂ wskazuje temperaturę wody ogrzanej w kalorymetrze.

Rys. 1. Kalorymetr Junkersa: 1 - komora spalania, 2 - koncentrycznie umieszczone rurki do przepływu skrplin, 3 - naczynie przelewowe na dopływie wody, 4 - zawór regulacyjny, 5 - naczynie przelewowe na odpłyniecie wody.

Rys. 2. Schemat układu do oznaczania wartości opałowej paliw gazowych: 1-chłodnica gazu, 2-króciec wlotu gazu, 3-płaszcz chłodniczy, 4-króciec wody, 5-gazomierz mokry, 6-ragulator ciśnienia gazu, 7-palnik gazowy. 8-króciec wypływu wody, 9-przawod, 10-kalorymetr Junkersa, 11-naczynie przelewowe, 12-przawód odpływowy, 13- nawilżacz, 14-zawór regulacyjny.

Zasadniczymi elementami układu pomiarowego do oznaczania wartości opałowej paliw gazowych są:

• kalorymetr przepływowy Junkersa

• palnik do spalania paliw gazowych,

• nawilżacz powietrza,

• stabilizator ciśnienia gazu,

• gazomierz mokry.

• naczynia miernicze wody chłodzącej i skroplin

3. PREBIEG ĆWICZENIA

Spalanie zupełne i całkowite uzyskuje się przez odpowiednią regulację palnika (ustalenie właściwego współczynnika nadmiaru powietrza – odpowiada temu niebieskie zabarwianie płomienia. Opisane poprzednio rozwiązanie układu pomiarowego zapewnia całkowite wykroplenie pary wodnej powstałej ze spalenia wodoru znajdującego się w paliwie, ponieważ zarówno gaz jak i powietrze doprowadzana do palnika jest nasycone parą wodną. W celu zachowania warunku równowagi cieplnej układu pomiarowego należy tak wyregulować ilość wody przepływającej przez kalorymetr, aby średnia arytmetyczna temperatury wody na wlocie l wylocie była równa temperaturze otoczenia.

Pomiar rozpoczyna się po osiągnięciu przez układ stanu ustalonego. W chwili rozpoczęcia pomiaru należy wykonać następujące czynności:

- skierować strumień wypływającej wody do naczynia pomiarowego poprzez obrót kurkę (16),

- podstawić naczynie pod króciec na skropliny,

- dokonać odczytu z gazomierza: nadciśnienie i temperatura gazu oraz pierwszych odczytów temperatury wody.

Następnych odczytów temperatury wody i parametrów gazu wykonywać w stałych odstępach czasu, najlepiej wg wskazań gazomierza. W czasie pomiaru spala się od 20 do 40 l gazu.

W chwili zakończenia pomiaru przerwać dopływ wody chłodzącej do naczynia pomiarowego, odstawić naczynie ze skroplinami oraz dokonać odczytów pozostałych mierzonych parametrów.

4. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Ciepło spalania oblicza się z ogólnego bilansu energetycznego kalorymetru.

gdzie: Q_s – ciepło spalania gazu [kJ/Nm³],

V_N – objętość w warunkach normalnych [Nm³],

m_w – masa wody, która przepłynęła przez kalorymetr podczas pomiaru [kg],

c_w – ciepło właściwe wody [kJ/kgK],

t – średni przyrost temperatury wody podczas pomiaru.

Objętość spalonego gazu w warunkach normalnych należy wyznaczyć z zależności:

Wartość opałową należy wyznaczyć z zależności:

5. PYTANIA KONTROLNE

- Co to jest spalanie całkowite i zupełne?

- Podaj definicje ciepła spalania i wartości opałowej paliwa.

- Budowa i zasada działania kalorymetru Junkersa.

- Omów zasady przygotowania stanowiska do pomiarów.

- Omów przebieg pomiarów na stanowisku.

6. LITERATURA

1. Fodemski T. R.: Pomiary cieplne. Podstawowe pomiary cieplne cz.1. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001.

2. Fodemski T. R.: Pomiary cieplne. Podstawowe pomiary cieplne cz.2. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001.

3. Kortylewski W.: Spalanie i paliwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2008.

4. Szargut J.: Termodynamika techniczna.: Wydaw. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.

5. Słupek S., Nocoń J., Buczek A.: Technika cieplna: ćwiczenia obliczeniowe. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2002.