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

Q

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,

!

= 4,19 ∙ 10

+

,

-%∙.

∆#

– przyrost temperatury wody chłodzącej,

∆#

=

t

w1

− t

w2

$

%

- czas spalania gazu ziemnego

$

- czas przepływu wody przez kalorymetr

%

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

- gęstość wody w temperaturze

t

34

,

= 999,1 56/8

+

=

2 ∙ 10

−3

∙ 999,1 ∙ 4,19 ∙ 10

+

∙ (

298,75 − 288,25

) ∙ 269

10 ∙ 10

−3

∙ 71

= 33 307

5@

8

+

Wartość opałową obliczamy ze wzoru:

A

B

=

−

-C

∙

∙ D ∙ $

%

%

∙ $

-C

Gdzie:

-C

- objętość skroplin

$

-C

- czas skraplania się skroplin

D – ciepło parowania wody, D ≅ 2300

-,

-%

A

B

= 33 307 000 −

94 ∙ 10

−6

∙ 999,1 ∙ 2300 ∙

269

10 ∙ 10

−3

∙

1800

≅ 30 079

5@

8

+

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

p

G

= 101325 Pa

T

G

= 273,15 K

Na podstawie równań Clapeyrona dla warunków normalnych i warunków pomiaru:

Objętość:

V

G

= V

M

∙

T

G

T

M

∙

p

M

p

G

Ciśnienie bezwzględne gazu:

p

M

=

h

g

∙

∙ 6 + Q

R

Gdzie:

h

M

- nadciśnienie gazu przepływającego przez gazomierz

Q

R

- ciśnienie barometryczne

p

M

=

100 ∙ 10

−3

∙

999,1 ∙ 9,8 + 100 200 ≅ 101 179 ST

V

G

= V

M

∙

T

G

T

M

∙

p

M

p

G

=

10 ∙ 10

−3

∙

273,15

289,15 ∙

101 179

101 325 ≅

9,44 ∙ 10

−3

8

3

Przeliczenie wartości spalania i wartości opałowej na warunki normalne:

Q

U,G

=

∙

V

M

V

G

= 33 307 ∙

10 ∙ 10

−3

9,44 ∙ 10

−3

≅ 35 283

5@

8

+

W

U,G

= A

∙

V

M

V

G

= 30 079 ∙

10 ∙ 10

−3

9,44 ∙ 10

−3

≅ 31 863

5@

8

+

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:

1 ∙ WX

Y

+ 2 ∙ Z

[

−> 1 ∙ WZ

[

+ 2 ∙ X

[

Z

Efekt cieplny reakcji:

∆X = ]2 ∙ ∆X

^[_(`)

a

+ 1 ∙ ∆X

b_[(%)

a

c − ]1 ∙ ∆X

b^Y(%)

a

+ 2 ∙ ∆X

_[(%)

a

c

= ]2 ∙ (−285,84) + 1 ∙ (−393,52)c − (1 ∙ (−74,87) + 2 ∙ 0) = −965,2

5@

8de

Gdzie:
∆X

^[_(`)

a

= −285,84

-,

fgh

- entalpia tworzenia dla wody (ciecz)

∆X

b_[(%)

a

= −393,52

-,

fgh

- entalpia tworzenia dla dwutlenku węgla

∆X

_[(%)

a

= 0

-,

fgh

- entalpia tworzenia dla tlenu cząsteczkowego (2 atomowego)

∆X

b^Y(%)

a

= −74,87

-,

fgh

- entalpia tworzenia dla metanu

Ciepło spalania metanu:

=

|∆X|

1 ∙ j

b^Y

=

|−965,2|

1 ∙ (12 + 4) ≅ 60,325

5@

6 = 60 325

5@

56

Gdzie:

j

b^Y

- masa molowa cząsteczki metanu

Gęstość metanu w warunkach normalnych:

k b^Y

=

j

b^Y

l =

16

22,41 = 0,71

56

8

+

Gdzie:

l - objętość 1-go kilomola gazu w warunkach normalnych

1

k b^Y

≅ 1,4

8

+

56

= 60 325 ∙

1

1,4 = 43 089

5@

8

+

Ciepło spalania GZ 50:

Q

mnopqGrn

= s Q

rłquGnrq

∙ udział składnika

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.

}~€

= 98,14% ∙ 43 089 + 0,91% ∙ 101 150 + 0,84% ∙ 0 + 0,11% ∙ 0 = 43 127

5@

8

+

Wartość opałowa:

Efekt cieplny reakcji:

∆X = ]2 ∙ ∆X

^[_(%)

a

+ 1 ∙ ∆X

b_[(%)

a

c − ]1 ∙ ∆X

b^Y(%)

a

+ 2 ∙ ∆X

_[(%)

a

c

= ]2 ∙ (−241,83) + 1 ∙ (−393,52)c − (1 ∙ (−74,87) + 2 ∙ 0) = −802,31

5@

8de

Gdzie:
∆X

^[_(%)

a

= −241,83

-,

fgh

- entalpia tworzenia dla wody (gaz)

Wartość opałowa metanu:

A

B

=

|∆X|

1 ∙ j

b^Y

=

|−802,31|

1 ∙ (12 + 4) ≅ 50,144

5@

6 = 50 144

5@

56

A

B

= 50 144 ∙

1

1,4 = 35 817

5@

8

+

Obliczenia stechiometryczne prawdziwe w warunkach normalnych.

7.

Wnioski

Obliczone przez nas stechiometrycznie ciepło spalania wynosi:

= 43 089

5@

8

+

Ciepło spalania wyznaczone doświadczalnie wynosi:

Q

U,G

= 35 283

5@

8

+

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)

= 39,5

j@

8

+

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

38

‚,

f

ƒ

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).

„ = …1 −

X

† śC

X

† k

ˆ ∙ ‰ ∙ W

Gdzie:

„ - wysokość bonifikaty, PLN
X

† śC

– średnie ciepło spalania dostarczonego paliwa gazowego,

‚,

f

ƒ

X

† k

– nominalne ciepło spalania określone w pkt. 4.1 ,

‚,

f

ƒ

I – ilość pobranego paliwa gazowego o obniżonym cieple spalania,

8

+

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

Š‹Œ

f

ƒ

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 :



≥ 34,1

j@

8

+

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).