PALIWO STAA
E , PALIWO CIEKA
E
SUBSTANCJA PALNA BALAST
C S H2 POPIÓA
WILGOĆ
PALIWO GAZOWE
SUBSTANCJA PALNA BALAST
C S H2 CO2,N2, H2O
SUBSTRATY
POWIETRZE
PALIWO
KOMORA SPALANIA
PRODUKTY SPALANIA
"
S(romb) + O2=SO2 + "H = - 296,9 kJ/mol
"
"
"
2H2 + O2 = 2H2O + "H = - 285,9 kJ/mol
"
"
"
C + O2 = CO2 + "H = - 393,51 kJ/mol
"
"
"
C+ 0.5O2 = CO + "H = - 110,5 kJ/mol
"
"
gdzie:
"H - entalpia reakcji,[kJ / kmol]]
Spalanie zupełne  je\
eli w spalinach nie ma palnych części gazowych (np. CO, CxHy).
Spalanie całkowite  je\
eli w produktach spalania nie ma palnych części stałych (np. sadza,
koksik lotny i in.).
Współczynnik nadmiaru powietrza  :
na
 =
namin
na ,na min  rzeczywista ilość powietrza doprowadzonego do spalania, teoretyczna ilość
powietrza niezbędna do spalenia zupełnego i całkowitego paliwa [kmol/j.p].
j.p  jednostka ilości paliwa: w przypadku paliw stałych i ciekłych j.p=kg paliwa wilgotnego
lub dla paliw gazowych j.p=kmol gazu suchego.
Kontrakcja chemiczna "Vch  ró\
nica objętości substratów i wilgotnych produktów
"
"
"
spalania.
Kontrakcja fizyczna "Vf  ró\
nica objętości substratów i produktów po uwzględnieniu
"
"
"
wykroplenia siÄ™ pary wodnej.
Kontrakcja całkowita " "Vf+"
"V=" "Vch  suma kontrakcji chemicznej i fizycznej.
" " "
" " "
Wartość opałowa  Qi jest to ilość ciepła, jaka powstaje w wyniku spalania zupełnego
i całkowitego jednostki ilości paliwa przy zało\
eniu, \
e produkty spalania zostaną ochłodzone
do temperatury substratów, a para wodna zawarta w spalinach nie ulega wykropleniu.
Ciepło spalania  Qs jest to ilość ciepła, jaka powstaje w wyniku spalania zupełnego
i całkowitego jednostki ilości paliwa przy zało\
eniu, \
e para wodna zawarta w spalinach
ulegnie całkowitemu wykropleniu.
2 2
Qi = Qs - m Å" r
2 2
m  masa skroplin uzyskana ze spalenia jednostki ilości paliwa: dla paliw stałych i
ciekłych [kg/kg], dla paliw gazowych [kg/um3]
r  entalpia skraplania pary, [kJ/kg]
Paliwa ciekłe i stałe: Qi [kJ/kg], Qs [kJ/kg],
Paliwa gazowe: Qi [kJ/um3], Qs [kJ/um3].
1 umł (umowny metr sześcienny) jest to ilość substancji zawartej w 1 mł gazu doskonałego
lub półdoskonałego o ściśle określonym ciśnieniu pN i temperaturze TN. Parametry pN, TN
nazywamy parametrami umownymi.
Najczęściej przyjmuje się następujące wartości parametrów umownych: pN = 1 bar,
TN = 273,15 K, które nazywa się parametrami umownymi SI.
Bilans energetyczny kalorymetru Junkersa
& & &
Ed = Ew + "Eu
&
Ed  strumień energii doprowadzonej do układu,
&
Ew  strumień energii wyprowadzonej z układu,
& & &
"Eu = Eu2 - Eu1 , to przyrost strumienia energii układu.
&g & & & & & &s
Gaz: I , E , Epg , Q Spaliny: E , Eps , I
kg ks
.
&w2
&w1 Woda chłodząca: I
Woda chłodząca: I
Powietrze:
Straty ciepła do
&p , Ekp , Epp
& &
I &
otoczenia: Qstr
gdzie:
&g  strumień entalpii spalanego gazu,
I
&p  strumień entalpii powietrza doprowadzanego do procesu spalania,
I
&w1  strumień entalpii wody chłodzącej, dopływającej do kalorymetru Junkersa,
I
&
Ekg  strumień energii kinetycznej spalanego gazu,
&
Ekp  strumień energii kinetycznej powietrza doprowadzanego do procesu spalania,
&
Epg  strumień energii potencjalnej spalanego gazu,
&
Epp  strumień energii potencjalnej powietrza doprowadzanego do procesu spalania,
&
Q  strumień ciepła wydzielonego w wyniku spalania gazu,
&s  strumień entalpii spalin,
I
&
Eks  strumień energii kinetycznej spalin,
&
Eps  strumień energii potencjalnej spalin,
&w2  strumień entalpii wody chłodzącej, wypływającej z kalorymetru Junkersa,
I
&
Qstr  strumień strat ciepła do otoczenia.
&
Pomiar powinien być przeprowadzony w stanie ustalonym, wtedy "Eu = 0
Warunki, które powinny być spełnione, aby kalorymetr Junkersa znajdował się w stanie
ustalonym są następujące:
" stałe natę\
enie przepływu: gazu, powietrza, wody chłodzącej oraz spalin,
" stałe ciśnienie gazu, otoczenia,
" stały rozkład temperatury.
Aby zminimalizować straty ciepła przez konwekcję oraz promieniowanie powinny być
dodatkowo spełnione następujące warunki:
" ró\
nica temperatury "tw między temperaturą wody wypływającej tw2
i dopływającej tw1 z /do kalorymetru Junkersa powinna mieścić się w przedziale
"t = t - t = 6 ÷10K
w w2 w1
" średnia arytmetyczna temperatura wody chłodzącej kalorymetr tw powinna być równa
temperaturze otoczenia tw = 0,5(tw2 + tw1) = tot .
Je\
eli kalorymetr Junkersa znajduje siÄ™ wstanie ustalonym, to przyrost strumienia energii
& & & & &
układu "Eu = Eu2 - Eu1 = 0 , czyli strumień energii układu pozostaje niezmienny Eu2 = Eu1,
& &
zatem: Ed = Ew
&
Strumień energii dopływającej do układu Ed :
& &g & & & &p & & &w1
Ed = I + Ekg + Epg + Q + I + Ekp + Epp + I
&
Strumień energii wypływającej z układu Ew :
& &s & & &w2 &
Ew = I + Eks + Eps + I + Qstr
& &
Wobec tego, \
e w stanie ustalonym spełnione jest równanie Ed = Ew zatem:
&g + Ekg + Epg + Q + &p + Ekp + Epg + &w1 == &s + Eks + Eps + &w2 + Qstr
& & & & & & & &
I I I I I
Zało\
enia upraszczajÄ…ce bilans energetyczny kalorymetru Junkersa:
" ze względu na bardzo małą prędkość przepływu (vH"0 ): gazu, powietrza oraz spalin,
mo\
na pominąć strumienie energii kinetycznej: gazu, powietrza oraz spalin
& & &
Ekg,Ekp,Eks H"0,
" ze względu na to, \
e ró\
nica poziomów "h <80-100m, mo\
na pominąć strumienie
& & &
energii potencjalnej: gazu, powietrza oraz spalin Epg , Epp , Eps H"0
" nie ma kontrakcji chemicznej, czyli ró\
nica między objętością substratów oraz
objętością wilgotnych produktów spalania "Vch= 0
"Vch = Vsubstratów - Vwi lgotnych produktów = 0
gdzie:
Vsubstratów = Vg + Vp = Vwi lgotnych produktów = Vs ,
objętość gazu, powietrza, spalin
Vg ,Vp , Vs -
- je\
eli zało\
ymy dodatkowo, \
e gÄ™stość gazu ( ), powietrza ( Áp ), spalin ( Ás ) jest taka
Ág
sama:
Ág H" Áp H" Ás
to mo\
na zapisać, \
e suma masy gazu ( ) i powietrza ( ), czyli substratów jest
mg mp
w przybli\
eniu równa masie spalin ( ms )
mg + mp H" ms
- je\
eli zało\
ymy, z błędem ą0,5%, \
e ciepło właściwe gazu , powietrza , spalin
cpg cpp
przy stałym ciśnieniu jest w przybli\
eniu takie samo:
cps
cpg H" cpp H" cps H" cp
- z definicji wartości opałowej wynika, \
e temperatura gazu (tg), powietrza (tp) i spalin(ts)
jest taka sama
tg = tp = ts = t
wobec tego po obustronnym pomno\
eniu równania:
mg + mp H" ms
przez iloczyn
cp Å" t H" cpg Å" tg H" cpp Å" tp H" Å"cps Å" ts
uzyskuje się następujące równanie :
mg Å"cpg Å" tg + mp Å"cpp Å" tp H" ms Å"cps Å" ts
które po wykorzystaniu równania definiującego entalpię :
I = m cp t
mo\
na zapisać w następującej postaci:
Ig + Ip H" Is
gdzie:
Ig  entalpia gazu,
Ip  entalpia powietrza,
Is  entalpia spalin,
&
PosÅ‚ugujÄ…c siÄ™ strumieniem entalpii ( I ), czyli ilorazem entalpii ( I ) i czasu (Ä):
I
&
I =
Ä
&g &p
mo\
na napisać, \
e suma strumieni entalpii gazu ( I ) i powietrza ( I ) jest równa
&s
strumieniowi entalpii spalin ( I ) :
&g &p &s
I + I = I
" strumień strat ciepła do otoczenia:
& & &
Qstr = Qk + Qr = 0
gdzie:
&
Qk  strumień ciepła, traconego do otocznia przez konwekcję,
&
Qr  strumień ciepła, traconego do otocznia przez promieniowanie.
& &
Qk = 0 , Qr = 0 wynika to z konstrukcji kalorymetru Junkersa oraz warunków
przeprowadzania pomiaru, o czym wspomniano wcześniej:
"t = t - t = 6 ÷10K , t = 0,5(t + t = tot
w w2 w1
w w2
w1)
Ostatecznie, po wprowadzeniu uproszczeń, bilans energetyczny kalorymetru Junkersa mo\
na
zapisać w następującej postaci:
& &w1 &w2
Q + I = I
lub po przekształceniu
& &w2 &w1 & tw2 w2 w1
Q = I - I = mw Å" c Å"(t - t )
tw1
gdzie:
&
Q  strumień ciepła wydzielonego podczas spalenia określonej ilości gazu,
&w1, &w2  strumień entalpii wody chłodzącej na dopływie oraz wypływie z kalorymetru
I I
Junkersa,
tw2
c  średnie ciepło właściwe wody w zakresie temperatur tw1 i tw2. Poniewa\
zmiana
tw1
temperatury wody jest niewielka, wobec tego mo\
na nie uwzględniać wpływu temperatury
wody na wartość ciepła właściwego wody i przyjmować wartość cw=4,19 kJ/kgK.
Strumień wydzielanego ciepła:
& &
Q = VgN Å" Qs
gdzie :
Qs  ciepło spalania paliwa gazowego,
&
VgN  strumień spalanego gazu [umł].
Ciepło spalania gazu Qs:
&
&
mw Å"cw Å"(tw2 - tw1) mw Å"cw Å"(tw2 - tw1)
Q
Qs = = =
& &
VgN VgN VgN
Wartość opałowa gazu:
mskr Å" r
2 2
Qi = Qs - m Å" r = Qs -
VgN
gdzie:
2 2
m  masa skroplin uzyskana ze spalenia jednostki ilości paliwa gazowego, [kg/umł]
r  entalpia skraplania pary, [kJ/kg]
îÅ‚ Å‚Å‚
mskr Å" kg
2 2
m = ,ïÅ‚ śł
VgN ðÅ‚um3 ûÅ‚
Ilość spalonego gazu oblicza się ze wzoru:
p VgN pgVg pg Å" Vg Å" TN
N
= VgN = , [umł]
TN Tg pN Å" Tg
Ciśnienie gazu suchego ( pg )
pg = "pg + pb - ps
"pg  nadciśnienie gazu w gazomierzu, [Pa]
pb  ciśnienie barometryczne, [Pa]
ps  ciśnienie nasycenia pary wodnej w ts , [Pa]
MATERIAA
Y PRZYDATNE DO ANALIZY WYNIKÓW POMIARÓW
1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 2lipca 2010 w sprawie szczegółowych
warunków funkcjonowania systemu gazowego (Dz.U.z 2010r. Nr.133, poz.891.
2. Polskie Normy :
" PN-C-04750: Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczenia i wymagania.
" PN-C-04753:Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci
rozdzielczej.
WZGL
DNA G
STOŚĆ GAZU
Stosunek gęstości danego gazu do gęstości suchego powietrza w tej samej temperaturze i pod
tym samym ciśnieniem.
Ág
d = " =
Áp
LICZBA WOBBEGO
Liczba Wobbego-Wo, [kJ/um3]: ciepło spalania gazu podzielone przez pierwiastek
kwadratowy ze względnej gęstości gazu odniesionej do powietrza:
Qs
Wo =
d
Wartość liczby Wobbego jest podstawą do podziału paliw gazowych na podgrupy.
System
gazu gazu gazu
Wyszczególnienie Jednostka
ziemnego ziemnego ziemnego
grupy E grupy Lw grupy Ls
ciepło spalania MJ/m3 e" 34,1 e" 30,1 e" 26,1
wartość opałowa MJ/m3 e" 31,0 e" 27,0 e" 24,0
górna liczba Wobbego
- nominalna MJ/m3 50,0 41,5 35,0
- zakres zmienności MJ/m3 45,0-54,0 37,5-45,0 32,5-37,5
zawartość siarkowodoru mg/m3 d" 7,0 d" 7,0 d" 7,0
zawartość tlenu % mol/mol d" 0,2 d" 0,2 d" 0,2
zawartość ditlenku węgla % mol/mol d" 3,0 d" 3,0 d" 3,0
zawartość par rtÄ™ci µg/m3 d" 30,0 d" 30,0 d" 30,0
temperatura punktu rosy wody
dla 5,5 MPa od 1 kwietnia do ºC d" +3,7 d" +3,7 d" +3,7
30 września
temperatura punktu rosy wody
dla 5,5 MPa od 1 paz
dziernika ºC d" -5,0 d" -5,0 d" -5,0
do 31 marca
temperatura punktu rosy
ºC 0 0 0
węglowodorów
zawartość węglowodorów
mogÄ…cych ulec kondensacji
mg/m3 d" 30,0 d" 30,0 d" 30,0
w temp. -5ºC przy ciÅ›nieniu
panujÄ…cym w gazociÄ…gu
zawartość pyłu o średnicy
mg/m3 d" 1,0 d" 1,0 d" 1,0
cząstek większej ni\
5 µm
zawartość siarki
mg/m3 d" 16,0 d" 16,0 d" 16,0
merkaptanowej
zawartość siarki całkowitej mg/m3 d" 40,0 d" 40,0 d" 40,0