T 02 Paliwa stale




POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa















LABORATORIUM

Z TERMODYNAMIKI

I FIZYKI II













Ćwiczenie nr T-02





Temat: Oznaczanie ciepła spalania i wartości
opałowej paliw stałych.



























Opracował: dr inż. Władysław Kasieczka









Łódź - 2007



Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

90-924 Łódź; ul. Stefanowskiego 1/15

tel. 042 631 23 12; 042 631 23 11; fax 042 636 74 81; e-mail: k15@p.lodz.pl






1 . CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie ciepła spalania paliwa stałego - węgla przy pomocy kalorymetru zwykłego z bombą
kalorymetryczną oraz obliczenie wartości opałowej badanego paliwa.

2. PODSTAWY TEORETYCZNE ANALIZY TECHNICZNEJ PALIW
STAŁYCH

W termodynamice zaś spalanie jest jedną z przemian cieplnych, dla których analizy stworzono szereg modeli
pomocnych przy ocenie energetycznych skutków określonego procesu spalania. Podstawy teoretyczne spalania
przedstawione są w pracach [2, 7, 10].

Spalaniem teoretycznym nazwano spalanie całkowite i zupełne, w którym stosunki składników wyjściowych
i produktów reakcji są zgodne ze znanymi z chemii zależnościami stechiometrycznymi. 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, przewlekle spalanie w wyniku zbyt niskich temperatur w palenisku i inne.

Najczęściej produktem spalania niezupełnego jest tlenek węgla CO, który jest gazem trudnym do dopalenia. Jego
obecność w spalinach wynika z własności węgla, który jest nie tylko pierwiastkiem palnym, ale silnym środkiem
redukującym. Dlatego spalanie węgla przebiega zawsze przez zgazowanie. W wyniku tego, w warstwie paliwa tworzy się
CO2 wraz z CO. Tlenek węgla CO może nie znaleźć w przestrzeni paleniska warunków do spalenia. W rzeczywistym
procesie spalania zachodzą bardzo złożone przemiany chemiczne.

Głównymi palnymi składnikami paliw są związki węgla i wodoru.

Paliwami nazywa się w technice materiały charakteryzujące się tym, że:

1) w procesie spalania wywiązują stosunkowo dużą ilość energii cieplnej z jednostki masy;

2) produkty ich spalania stanowią mieszaninę gazów, która może być wykorzystana jako czynnik termodynamiczny;

3) mają własności, przy których proces jest sprawny, ekonomiczny i łatwy w eksploatacji;

4) są łatwo dostępne ze względu na duże zapasy w naturze i możliwość ich łatwego wydobycia i przetwórstwa;

5) ich utleniaczem jest przede wszystkim powietrze atmosferyczne.

Z technicznego punktu widzenia paliwami nazywa się substancje celowo wykorzystywane do otrzymywania dużych
ilości ciepła.

Paliwa stosowane w energetyce można podzielić na naturalne i sztuczne, a ze względu na stan skupienia - na paliwa
stałe, ciekłe i gazowe.

2.1. Ciepło spalania i wartość opałowa paliw.

Najważniejszymi cechami paliwa z punktu widzenia jego praktycznego wykorzystania jest wartość opałowa i ciepło
spalania

Ciepło spalania (Qs) jest to ilość ciepła, jaka się wydziela przy spalaniu całkowitym i zupełnym jednostki masy lub
objętości paliwa, jeśli wszystkie produkty spalania wracają do temperatury początkowej składników, biorących udział w
spaleniu, a para wodna powstała po spalaniu paliwa ulegnie skropleniu.

Dla uściślenia definicji podaje się jeszcze, że temperatura początkowa i końcowa procesu spalania ma być równa
0C z uwagi na zależność ciepła spalania od temperatury. Zależność ta w zakresie temperatur otoczenia jest bardzo słaba.

Wartością opałową paliwa (Qj) nazywa się ilość ciepła, jaka wydziela się przy spaleniu całkowitym i zupełnym
jednostki masy lub objętości paliwa i ochłodzeniu produktów spalania do temperatury początkowej, którą jest 0C (lecz w
tym przypadku para wodna powstała przy spalaniu nie ulegnie wykropleniu).

Przypadek ten jest niemożliwy do realizacji para wodna po ochłodzeniu spalin do 0C ulegnie zawsze wykropleniu,
jednak w praktyce bardziej użyteczną wielkością jest wartość opałowa. Decyduje o tym fakt, że spaliny uchodząca ze
wszystkich urządzeń cieplnych mają temperaturę wyższą od 100C, zawierają więc nieskroploną parę wodną.

Wartość opałowa Qj jest więc liczbowo równa różnicy między ciepłem spalania Qs, a ilością ciepła potrzebną do
odparowania wody zawartej w paliwie oraz powstałej ze spalania wodoru z tego paliwa.

Można ją określić wzorem:

Qj = Qs
r mw (1)

gdzie: Qs
ciepło spalania paliwa [kJ/kg pal.]; Qj
wartość opałowa paliwa [kJ/kg pal.]; r - ciepło parowania wody
w temperaturze pomiaru (dla t = 0C, r = 2500 kJ/kg wody); mw - całkowita masa wody powstałej przy spaleniu
jednostki masy paliwa [kg wody/kg paliwa].


Ciepła spalania i wartości opałowe poszczególnych składników paliwa podano w tablicy 2.1.

Tablica 2.1. Ciepło spalania i wartość opałowa poszczególnych składników paliwa

Równania stechiometryczne

Jednostka
objętościowa1

Ciepło
spalania

Qs

Wartość
opałowa

Qj

Jednostka
masowa

Ciepło
spalania

Qs

Wartość
opałowa

Qj

H2 + 102 = H2O

kJ/m3

12770

10760

kJ/kg

141974

119169

C + 1O2 = CO

kJ/m3

-

-

kJ/kg

10216

10216

C + O2 = CO2

kJ/m3

-

-

kJ/kg

33913

33913

CO + 1O2 = CO2

kJ/m3

12644

12644

kJ/kg

10132

10132

S + O2 = SO2

kJ/m3

-

-

kJ/kg

906412351

906412351

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

kJ/m3

39858

35672

kJ/kg

55601

49949

C2H4 + 3O2 = 2C02 + 2H2O

kJ/m3

64016

59955

kJ/kg

50786

47562

C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O

kJ/m3

70422

64351

kJ/kg

-

-

1) Objętość paliw gazowych wyraża się w m3mierzonych w warunkach normalnych, tzn. przy ciśnieniu 101,3 kPa,
w temperaturze 0C (273,15 K).



2.2. Paliwa stałe

Do najważniejszych naturalnych paliw stałych według wzrastającego stopnia uwęglenia zalicza się: drewno, torf,
węgiel brunatny, węgiel kamienny, antracyt. Najstarszym geologicznie węglem o największej zawartości pierwiastka C jest
antracyt (>94% C), najmłodszym torf (~30% C) [5]. Pośrednie miejsca zajmują węgiel kamienny (7088% C) oraz młodszy,
mniej uwęglony węgiel brunatny (<70%C). Węgiel naturalny jest mieszaniną węgla bezpostaciowego oraz różnych
organicznych związków chemicznych powstałych w wyniku uwęglania, czyli rozkładu materiału organicznego bez dostępu
powietrza.

Orientacyjna charakterystykę podstawowych paliw stałych przedstawiono w tablicy 2.2.

Tablica 2.2. Orientacyjna charakterystyka podstawowych paliw stałych

Stan

paliwa

Paliwo

Drewno

Torf

Węgiel
brunatny2)

Węgiel
kamienny2)

Antracyt

Roboczy

Wartość opałowa Qjr

MJ/kg

7,915,5

8,412,5

6,321

1329,3

20,929,3

Zawartość wilgoci całkowitej Wtr

%

1550

30501)

1560

527

530

Zawartość popiołu Ar

%

0,51

210

720

540

535

Suchy i bezpopiołowy

Zawartość części lotnych Vdaf

%

85

6775

4060

1048

310

Zawartość pierwiastka węgla Cdaf

%

50

5362

6678

7690

9397

Zawartość wodoru Hdaf

%

6

56

47

46

13

Zawartość tlenu Odaf

%

43,9

2939

1427

315

13

Zawartość azotu Ndaf

%

0,1

2,33,3

0,73,5

1,31,8

0,51,5

Zawartość siarki palnej Scdaf

%

0

0,20,3

0,52

0,52

0,51

Wartość opałowa Qjdaf

MJ/kg

18,8

20,423,3

25,528,8

30,335,2

33,434,2

1) Świeżo wydobyty torf ma ok. 90% wilgoci. 2) Dotyczy węgli wydobywanych w kraju.



2.2.1. Węgiel kamienny.

Podstawowym paliwem energetycznym w naszym kraju jest węgiel kamienny [5]. Podstawą podziału węgla
kamiennego na typy (wg PN-82/G-97002 - Węgiel kamienny. Typy) są naturalne cechy, charakteryzujące jego przydatność
technologiczną, określane wg następujących wskaźników:

- zawartości części lotnych w węglu w przeliczeniu na stan suchy i bezpopiołowy
Vdaf (wg PN-81/G-04516);


- zdolności spiekania, oznaczona metodą Rogi
RI (wg PN-81/G-04518);;


- dylatacji - b (wg PN-81/G-04517);


- wskaźnika wolnego wydymania - SI (wg PN-81/G-04515);


- ciepła spalania w przeliczeniu na stan suchy i bezpopiołowy - Qdaf (wg PN- 81/G-04513).





Rozróżnia się następujące typy węgla kamiennego: węgiel płomienny, gazowo - płomienny, gazowy, gazowo-koksowy,
ortokoksowy, metakoksowy, semikoksowy, chudy, antracyt, metaantracyt. Do węgli typowo energetycznych przeznaczonych
do bezpośredniego spalania zalicza się trzy pierwsze typy. Podział na klasy węgli energetycznych w zależności od wartości
opałowej w stanie roboczym Qjr i zawartości popiołu w węglu w stanie roboczym Ar jest przedstawiony w PN-82/G-97003 -
Węgiel kamienny do celów energetycznych. Charakterystykę polskich energetycznych węgli kamiennych podano w tablicy
2.3 [18].




Tablica 2.3. Charakterystyka polskich energetycznych węgli kamiennych [1]

Wskaźniki

Rejon
Południowo-wschodni

Rejon
Wschodni

Rejon
Centralny

Rejon
Południowy

Części lotne, %

42,540,5

41,037,0

38,537,0

40,039,5

Koks, %

57,559,5

59,063,0

61,563,0

60,060,5

Ciepło spalania, kJ/kg

33 00031000

32 80032 600

32 60033 400

31 80032800

Zawartość C, %

80,5 76,5

78,079,5

80,581,5

77,579,5

Zawartość H2, %

5,95,2

5,25,0

5,65,3

5,85,3

Zawartość (02+ N2), %

12,416,7

16,014,2

13,212,4

16,014,1

Zawartość siarki całkowitej, %

1,32,0

0,91,3

0,8

1,3

Zawartość siarki palnej, %

1,22,0

0,81,3

0,70,8

1,21,1

Zawartość prasmoły, %

12,08,0

8,010,0

13,0

12,513,0

Wilgoć całkowita (po urobieniu), %

7,020,0

13,08,0

8,07,0

9,08,0

Wilgoć higroskopijna, %

10,04,0

8,04,5

6,02,0

6,03,0

Uwaga: Sortymenty płukane zawierają 26% wilgoci więcej. Części lotne, koks i inne składniki podano dla suchej masy
palnej.



2.2.2. Inne paliwa stałe

Palne łupki charakteryzują się dużą zawartością popiołu (do 50%) i małą wilgotnością. Wartość opałowa łupków
waha się w granicach 1400021000 kJ/kg. W kraju łupki spalane są po zmieszaniu z węglem o małej zawartości popiołu.

Koks i półkoks. Jednym z procesów przeróbki chemicznej węgla jest proces odgazowywania, który polega na
rozkładzie termicznym paliwa ogrzewanego bez dostępu powietrza. Paliwa stałe jak drewno, torf oraz węgiel brunatny
odgazowuje się prawie wyłącznie w niskich temperaturach i w tym wypadku proces ten nazywa się wytlewaniem. Ze względu
na zastosowanie koksu i związane z tym wymagania techniczne rozróżnia się następujące gatunki koksu:
wielkopiecowy, odlewniczy, generatorowy, opałowy, karbidowy, koksik.

Wymagania dotyczące koksu z węgla kamiennego (gatunków, sortymentów) przedstawione są w PN-86/C-
02050.0107, a półkoksu w normie PN-88/C-97957 - Półkoks z węgla kamiennego. Norma PN-86/C-02050.06 - Koks z węgla
kamiennego. Koks przemysłowo-opałowy przedstawia wymagania dotyczące koksów dla celów opałowych.

Węgiel brunatny. Produkcja energii elektrycznej w krajowej energetyce zawodowej w dużym stopniu opiera się na
węglu brunatnym. Podstawowe własności węgla brunatnego podano w tabl. 10.2. W węglach brunatnych spotyka się duże
zawartości siarki. Zwykle wzrost ilości siarki towarzyszy wzrostowi zasolenia węgla brunatnego. Technika racjonalnego
spalania węgli zasolonych w energetyce nie jest jeszcze opanowana.

Polska klasyfikacja węgli brunatnych wprowadza podział na typy w zależności od zawartości wilgoci całkowitej
przeliczonej na stan bezpopiołowy oraz wydajności smoły wytlewnej przeliczonej na stan bezpopiołowy i suchy (PN-75/G-
97051.00. Węgiel brunatny. Typy).

Podział węgla brunatnego na klasy dla celów energetycznych przedstawia PN-91/G- 97051.01 - Węgiel brunatny.
Klasy węgla dla celów energetycznych, podział zaś na sortymenty PN-75/G-97051.05 - Węgiel brunatny. Sortymenty.

Torf jest produktem rozkładu roślin, podobnie jak węgiel i jest geologicznie tworem najmłodszym wśród paliw
kopalnych. Zależnie od sposobu wydobycia otrzymuje się torf w kawałkach (kształt cegieł), frezowany (drobne kawałki),
hydrotorf (wypłukany woda - błoto wysuszone i pokruszone). Świeżo wydobyty torf ma do 90% wilgoci i jest suszony na
powietrzu do 4050% zawartości wilgoci. Podstawowe własności torfu podano w tabl. 10.2.

Paliwa roślinne. Do najczęściej stosowanych paliw roślinnych zalicza się drewno i jego odpady z obróbki (trociny,
wióry,...). Wyjątkowo stosowane są jako paliwa: słoma zbożowa (Qjr . 15.9 MJ/kg), paździerze z lnu (Qjr . 16.3 MJ/kg) i
konopi. Podstawowe własności drewna jako paliwa podano w tabl. 10.2.

Paliwa odpadowe. Odpady palne otrzymuje się z różnych procesów technologicznych. Maja one różną wartość
opałową (np. odpady starej gumy - Qjr ~13400 kJ/kg, ścinki skóry - Qjr ~18400 kJ/kg). W przemyśle papierniczym spala się
ługi posulfitowe o zawartości wilgoci 1550%, zawartości popiołu 1025%, wartości opałowej 410014700 kJ/kg.
Gospodarka komunalna, zwłaszcza w Europie Zachodniej, spala śmieci w specjalnych paleniskach. Wartość opałowa śmieci
miejskich wynosi około Qjr = 340012500 kJ/kg.


3. ANALIZA TECHNICZNA PALIW STAŁYCH

Najważniejszymi wielkościami technicznymi charakteryzującymi paliwo stałe są: zawartość wilgoci i popiołu,
zawartość części lotnych, ciepło spalania i wartość opałowa. Jednym ze składników paliwa decydującym o efektywności
spalania jest wilgoć (rys. 3.1) [1].



Rys. 3.1. Schemat składu węgla i przebiegu procesu spalania [1]



Wilgoć zawartą w paliwie można podzielić na następujące rodzaje: wilgoć konstytucjonalną (chemicznie związaną z
substancją), wilgoć higroskopijną (znajdującą się w powierzchniowych warstwach substancji i utrzymującą się w wyniku sił
adsorpcji) oraz wilgoć zewnętrzną. Wilgoć zewnętrzna dzieli się na powierzchniową (utrzymującą się na powierzchni cząstek)
i grawitacyjną (ściekającą pod działaniem siły ciążenia).

Wilgoć można podzielić wg energii wiązania z paliwem tj. na chemiczną, fizykochemiczną i fizykomechaniczną.

Wilgoć równoważną, którą ma paliwo przy względnej zawartości wilgoci powietrza 60% i temperaturze 20C
nazywa się wilgocią higroskopijną lub wilgocią paliwa powietrzno-suchego. Charakteryzuje ona higroskopijne własności
paliwa.

Popiół powstaje z niepalnej, mineralnej substancji paliwa. Zmniejsza on udział masy palnej, co obniża wartość
opałowa paliwa, utrudnia proces spalania i zanieczyszcza powierzchnię wymiany ciepła. W zależności od ilości i postaci
poszczególnych substancji, przemiany chemiczne podczas spalania wpływają na skład i właściwości powstającego popiołu.
Dlatego zawartość popiołu w paliwie jest wielkością umowną i temperatura jego oznaczania nie może być dowolna (zgodnie z
Polską Normą - 815ą15C). Popiół w stanie sypkim nazywamy popiołem lotnym, a w stanie stopionym i zlanym - żużlem.

Zawartość części lotnych jest jedną z najbardziej charakterystycznych cech węgla (rys. 10.3) [9]. Z każdego węgla
pod wpływem ogrzewania wydziela się pewna ilość par, gazów i smół, a pozostaje pewna ilość substancji nielotnej, nazywana
koksem lub pozostałością po odgazowaniu.

Wartość opałowa paliwa zależy głownie od zawartości części palnych oraz balastu, tj. głownie wilgoci i popiołu.

W celu jednoznacznego zdefiniowania stanu odniesienia paliwa wprowadzono sztucznie stworzone pochodne
podstawowego składu roboczego: stan roboczy, analityczny, suchy, suchy - bezpopiołowy, organiczny.

Stan roboczy jest to stan węgla o takiej zawartości wilgoci i popiołu, jaką ma węgiel, z którego pobrano próbkę
ogólną.

W stanie analitycznym zawartość wilgoci i popiołu jest taka sama, jaką posiada próbka analityczna doprowadzona
do stanu równowagi z wilgocią atmosferyczną (stan powietrzno-suchy).

W stanie suchym węgiel nie zawiera wilgoci całkowitej. W stanie suchym i bezpopiołowym węgiel nie zawiera
wilgoci całkowitej i popiołu a w stanie organicznym - wilgoci całkowitej i substancji mineralnej.

Przy przeliczaniu wartości parametrów paliw stałych z danego stanu na inny stosuje się współczynniki
przeliczeniowe określone w PN-91/G-04510 - Paliwa stałe. Symbole i współczynniki przeliczeniowe. Nie maja one
zastosowania przy przeliczaniu wartości opałowej, którą należy przeliczać zgodnie z PN-81/G- 04513 - Paliwa stałe.
Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej.


3.1. Pobieranie próbek paliwa stałego do badań

Pobieranie próbek ma na celu uzyskanie niewielkiej ilości paliwa, które reprezentowałaby wszystkie cechy
jakościowe badanej partii. Pobieranie, przygotowanie i sprawdzanie próbek paliw stałych omówione są w odpowiednich
normach.

Wymienione normy stanowią zbiór praktycznych przepisów podających metody pobierania, pomniejszania
i przygotowania próbek paliw. Od prawidłowości pobrania próbki i jej przygotowania do analizy zależy zgodność wyników
oznaczeń z rzeczywistymi własnościami paliwa. Podział próbek produkcyjnych zestawiono w tablicy 3.1.

Tablica 3.1. Podział próbek produkcyjnych węgla do analizy chemicznej wg PN-90/G-04502

Próbki pierwotne

Próbki ogólne

zwykłe

specjalne

Średnie próbki laboratoryjne

zwykłe

specjalne

Próbki analityczne

zwykłe

specjalne

do oznaczania zawartości wilgoci
przemijającej Wex

do oznaczania zawartości wilgoci
w węglu powietrznosuchym (wilgoci
higroskopijnej) Wh

do oznaczania zawartości wilgoci
całkowitej Wt

11,4

0,2 S

0,2

do oznaczania zawartości wilgoci
przzemijającej Wex

do oznaczania zawartości wilgoci
w węglu powietrznosuchym (wilgoci
higroskopijnej) Wh

do oznaczania zawartości wilgoci
całkowitej Wt



3.2. Przygotowanie próbek laboratoryjnych i analitycznych.

Z próbki ogólnej, po jej odpowiednim rozdrobnieniu i wymieszaniu, wydziela się średnie próbki laboratoryjne.
Wszystkie czynności związane z ich przygotowaniem powinno być prowadzone szybko w takich warunkach, aby paliwo nie
zmieniło za wartości wilgoci. Przed oznaczeniem zawartości wilgoci przemijającej próbki powinny być transportowane i
przechowywane w szczelnych naczyniach. Sposób pobierania i przygotowania próbek węgla do analizy przedstawiono
przykładowo na rys. 3.2.

3.3. Oznaczanie zawartości wilgoci

Sposoby oznaczania zawartości wilgoci w paliwach stałych szczegółowo opisano w normie PN-80/G-04511 -
Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości wilgoci.

Wprowadza ona następujące określenia:

- wilgoć przemijająca (Wex) - jest to cześć wody zawartej w paliwie tracona podczas suszenia w powietrzu do
osiągnięcia stanu przybliżonej równowagi z wilgocią powietrza otoczenia;

- wilgoć węgla powietrzno-suchego (wilgoć higroskopijna) (Wh) - jest to woda pozostała w węglu po osiągnięciu
przybliżonej równowagi z wilgocią powietrza otoczenia;

- wilgoć całkowita (Wtr) - jest łączna zawartość wilgoci przemijającej i wilgoci higroskopijnej w paliwie roboczym;

- wilgoć analityczna (Wa) - jest to wilgoć zawarta w próbce analitycznej 0,2 przygotowanej do prowadzenia oznaczeń.

Rodzaje wilgoci w paliwie stałym i metody ich oznaczania wg PN-80/G-04511 przedstawiono na rys. 3.3.




Rys. 3.2. Uproszczony schemat pobierania i przygotowania próbek węgla wg PN-80/G
04502







Rys. 3.3. Rodzaje wilgoci w paliwie stałym i metody ich oznaczania wg PN-80/G - 04511




3.3.1. Oznaczanie zawartości wilgoci przemijającej.

Zgodnie z PN-80/G- 04511 zawartość wilgoci przemijającej w paliwie można wyznaczyć dwoma sposobami:

- metodą suszenia na powietrzu - polegająca na suszeniu próbek paliwa o granulacji poniżej 10 mm w atmosferze
powietrza w temperaturze pokojowej i na oznaczeniu wagowym ubytku masy próbki podczas suszenia;


- metodą suszarkową - jest to metoda przyspieszona, polega na wysuszeniu próbki paliwa w suszarce o temperaturze
50 ą 5C przy zapewnionej ciągłej wymianie powietrza.

Suszenie należy zakończyć, jeżeli w ciągu 2 godzin zmiana masy jest mniejsza niż 0,1% początkowej masy paliwa.
Zawartość wilgoci przemijającej Wexr , w %, oblicza się wg wzoru:


m -mm -mWrex1003121=% (10.8)




gdzie: m1 - masa tacy z odważką paliwa przed suszeniem, g; m2 - masa tacy z odważką paliwa po suszeniu, g; m3 - masa
tacy, g.

Dane pomiarowe podano w tablicy pomiarowej 3.2. Oznaczenie zawartości wilgoci przemijającej Wexr [%]

3.3.2. Oznaczanie zawartości wilgoci w próbce analitycznej paliwa powietrzno-suchego
(higroskopijnego)

Celem oznaczenia zawartości wilgoci higroskopijnej w paliwie stosuje się dwie metody: suszarkową i destylacyjną.

Metoda suszarkowa polega na suszeniu, przez co najmniej 60 min, próbki paliwa powietrzno-suchego
(o granulacji poniżej 3 mm) w suszarce w atmosferze powietrza lub azotu (paliwa utleniające się w powietrzu w temperaturze
suszenia) w temperaturze 105110C i na oznaczeniu wagowym ubytku masy próbki podczas suszenia. Zawartość wilgoci w
paliwie powietrzno-suchym (higroskopijnej) Wh w %, oblicza się wg wzoru:


mmmmWh1006454
-
-
=% (10.9)

gdzie: m4 - masa naczynia z odważką paliwa przed suszeniem, g; m5 - masa naczynia z odważką paliwa po suszeniu, g; m6 -
masa naczynia, g.

Metoda destylacyjna polega na oddestylowaniu z toluenem wody zawartej w odważce paliwa (około
50 g), pomiarze objętości oddestylowanej wody po skropleniu par i obliczeniu zawartości wilgoci na podstawie masy odważki
oraz objętości oddestylowanej wody wg normy PN-80/G-04511.

Dane pomiarowe podano w tablicy pomiarowej 3.3. Oznaczenie zawartości wilgoci higroskopijnej metodą
suszarkową w próbce analitycznej paliwa Wh [%]



3.3.3. Oznaczenie zawartości wilgoci całkowitej.

Celem określenia zawartości wilgoci całkowitej oddzielnie oznacza się zawartość wilgoci przemijającej Wexr, po
czym zawartość wilgoci w stanie powietrzno-suchym Wh a następnie zawartość wilgoci całkowitej Wtr, w %, oblicza się ze
wzoru:


100W 100 -WWWrexhrexrt+= % (10.10)

Metodę ciągłego pomiaru zawartości wilgoci mikrofalowym miernikiem wilgotności węgla
przedstawiono w normie PN-87/G-04542 - Węgiel kamienny. Ciągły pomiar zawartości wilgoci mikrofalowym miernikiem
wilgotności węgla, a metodę impedancyjną - w normie PN-87/G-04547 - Węgiel kamienny. Ciągły pomiar
zawartości wilgoci impedancyjnym miernikiem wilgotności węgla.

3.4. Oznaczanie zawartości popiołu i jego analiza

Popiół jest pojęciem umownym, określającym pozostałość składającą się z substancji mineralnych, otrzymaną po
całkowitym spaleniu i wyprażeniu paliwa w określonych warunkach. Zawartość niepalnej substancji mineralnej w paliwie i
jej skład, oznaczanej jako popiół (nazwa ogólna niepalnej substancji mineralnej w paliwie) wpływa na jego jakość i
przydatność paliwa oraz własności eksploatacyjne palenisk.


Sposób oznaczania zawartości popiołu w paliwach stałych metoda spalania szczegółowo opisano w normie
PN-80/G-04512 - Paliwa

ach umownych.

Wyróżnia się dwie metody spopielania paliwa:


powolnego spopielania, polegająca na stopniowym ogrzewaniu pieca do temperatury 815ą15C wraz z umieszczonym
w nim tygielkami z odważkami badanego paliwa;
szybkiego spo

rzanego pieca do temperatury 815ą15C i wyprażeniu ich w tej temperaturze (metody tej nie stosuje się do węgla
brunatnego).

dzie szybkiego spopielania).






m -m12

z popiołem, g.

Dane pomiarowe podano w tablicy pomiarowej 3.4.

nie zawartości popiołu w próbce analitycznej paliwa stałego Aa[%]


w PN-91/G-04510 - Paliwa stałe. Symbole i współczynniki przeliczeniowe.

EKTÓW CIEPLNYCH.

Ogromna większość kalorymetrów daje się przedstawić uproszczonym mo


Zakłada się, że kalorymetr składa się z dwóch części (rys.1):

części wewnętrznej, którą stanowi napełnione naczy






Teoretyczny mo



temperaturze tz

ość miedzy jego wielkością a temperatura. Zakłada się jednorodność termiczną naczynia kalorymetru i osłony.
Ciepło wydzielone w kalory

go energii cieplnej (niekoniecznie wewnętrznej) oraz części ciepła


Przyrost energii cieplnej dU naczynia kalorymetrycznego wraz z całą jego zawartością przy wzroście temperatury o dt
wynosi:

dU = K dt (4.2)

gdzie: K [J/K] - współczynnik proporcjonalności nazywany pojemnością cieplną kalorymetru, będący stosunkiem ciepła
zakumulowanego w kalorymetrze do przyrostu jego temperatury. Pojemność cieplna K określana jest podczas
cechowania kalorymetru przy spalaniu próbki paliwa wzorcowego.

Ilość ciepła dQz przenikająca do osłony w czasie d. można wyznaczyć z zależności:

dQz = . A (t
tz)d. (4.3)

gdzie: . - współczynnik proporcjonalności charakteryzujący ilość ciepła przenikająca do osłony; t, tz - temperatura wody
w naczyniu kalorymetrycznym i osłonie.

Równanie bilansu cieplnego kalorymetru będzie miało postać:

dQ = K dt + . A (t
tz)d. (4.4)

stad:

)(
ddddzttAtKQ-+=...
(4.5)

Efekt cieplny uzyskany w kalorymetrze można wyznaczyć poprzez scałkowanie równania (4.5), przy znajomości
zmian temperatur t i tz w czasie pomiaru oraz stałych K i ..

5. KALORYMETRY DO OZNACZANIA CIEPŁA SPALANIA

5.1. Podział

Spośród kalorymetrów do oznaczania ciepła spalania można wyróżnić:

a) kalorymetry zwykłe, których temperatura osłony jest stała podczas pomiaru (tz = const) - przy ich pomocy pomiar
przeprowadzony jest zgodnie z Polskimi Normami (PN-67/G-04513 "Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania i wartości
opałowej").

b) kalorymetry adiabatyczne, których temperatura osłony jest w każdej chwili pomiaru równa zmieniającej się
temperaturze naczynia kalorymetrycznego

c) mikrokalorymetry rożnych typów pozwalające określić ciepło spalania z bardzo dużą dokładnością.

5.2. Układ kalorymetryczny. Bomba kalorymetryczna

Zasadniczą częścią każdego kalorymetru do oznaczania ciepła spalania paliw stałych jest bomba kalorymetryczna,
w której spala się odważkę badanego paliwa.

Bomba kalorymetryczna (rys. 5.1b) stanowi cylindryczne grubościenne naczynie ciśnieniowe wykonane
z nierdzewnej stali. Odważkę paliwa w postaci sprasowanej pastylki lub pyłu w woreczku koloidalnym umieszcza się
w tyglu. Zapłon paliwa jest inicjowany spaleniem drutu stalowego zawieszonego miedzy elektrodami bomby 2, do których
doprowadza się w tym celu prąd elektryczny przewodami dołączonymi do bomby. W przekazywaniu płomienia
uczestniczy nitka bawełniana łącząca drut stalowy z pastylką paliwa.

Spalenie paliwa następuje w atmosferze tlenu, którym napełnia się przed pomiarem bombę pod ciśnieniem
22,5 MPa (20
25 atn), przewodem 4 z zaworem zwrotnym.






Rys. 5.1. Układ kalorymetryczny do oznaczania ciepła
spalania:

(a) Zestaw kalorymetryczny: 1 - naczynie
kalorymetryczne, 2 - płaszcz wodny, 3 - bomba
kalorymetryczna, 4 - mieszadło,


(b) Bomba kalorymetryczna: 1 - tygiel, 2 - elektrody,
3 - zawór wylotowy, 4 - zawór do napełniania
tlenem






5.3. Kalorymetr zwykły

Kalorymetr zwykły (rys.5.1) składa się z dwóch zasadniczych części naczynia kalorymetrycznego (1) z umieszczoną
wewnątrz bombą kalorymetryczną (3) i wypełnionego wodą w ilości około 2,5 kg oraz płaszcza wodnego (2) otaczającego
naczynie kalorymetryczne.

Na skutek spalenia odważki paliwa w bombie następuje wzrost temperatury wody wypełniającej naczynie
kalorymetryczne . Temperaturę tą mierzy się termometrem (5) z działką elementarną 0,01C zanurzonym w naczyniu.

Mieszadło (4) służy do zintensyfikowania wymiany ciepła z bombą oraz - do wyrównania temperatur wody
w naczyniu kalorymetrycznym.

Płaszcz wodny stanowi naczynie o podwójnych ścianach dużej pojemności (co najmniej 15 dcm3), co zapewnić ma
stałą jego temperaturę podczas pomiaru.

Szczegółowe warunki, jakie musi spełnić kalorymetr do pomiaru ciepła spalania określa norma PN-67/G-04513.

6. POMIAR ILOŚCI CIEPŁA WYDZIELONEGO W KALORYMETRZE

6.1. Pomiar temperatury płynu kalorymetrycznego.

Właściwy pomiar temperatury dzieli się na trzy okresy, w czasie których dokonuje się odczytów temperatury
(rys.6.1):

a) okresu początkowego
charakteryzującego się wymianą ciepła między naczyniem kalorymetrycznym
a płaszczem wodnym na skutek różnicy temperatur pomiędzy nimi;


b) okresu głównego - rozpoczyna się on z chwilą zapłonu paliwa w bombie i kończy gdy temperatura
kalorymetru przestanie rosnąć (zakończy się wydzielanie ciepła spalania);


c) okresu końcowego - następuje po okresie głównym i temperatura zmienia się w nim tylko na skutek wymiany
ciepła osłony




Dla określenia ilości ciepła wydzielonego w kalorymetrze zwykłym stosuje się metodę poprawionego przyrostu
temperatury.






Rys.6.1. Zależność temperatury wody w naczyniu kalorymetru od czasu podczas wyznaczania ciepła spalania



Temperaturę początkową naczynia kalorymetrycznego dobiera się tak aby temperatura osłony tz zawierała się
między nią a przewidywaną temperaturą końcową kalorymetru w celu zmniejszenia do minimum wymiany ciepła z osłoną
podczas okresu głównego.

6.2. Bilans cieplny kalorymetru zwykłego.

Dla wyznaczenia ciepła wydzielonego Q oblicza się całkowity (poprawiony) przyrost temperatury kalorymetru .tc .
Przyrost ten miałby miejsce podczas wydzielania się tego efektu cieplnego, lecz wtedy, gdy naczynie kalorymetryczne
byłoby izolowane adiabatycznie od otoczenia.

To ciepło wydzielone obliczamy:

Q = K .tc (6.1)

gdzie : K - pojemność cieplna kalorymetru; .tc - poprawiony przyrost temperatury:

.tc = .t + . (6.2)

gdzie: .t = tkk
tk0- rzeczywisty przyrost temperatury w okresie głównym; . - poprawka na wymianę ciepła naczynia
kalorymetrycznego z otoczeniem.

W dokładnych pomiarach:

.tc = (tkk +.k )
(tk0 + .0
)+ . + bt (6.3)

gdzie: .k, .0

poprawki na kalibrację termometru przy temperaturze tkk i tk0 podane w świadectwie termometru;
bt - poprawka na wystający słupek rtęci obliczona z zależności:

bt = ߷[tgk (tgk - tot)
tg0 (tg0
tot)] (6.4)

gdzie: = 0,00016
współczynnik rozszerzalności względnej rtęci w szkle, tot
temperatura otoczenia w okresie pomiaru.


Równanie bilansu cieplnego naczynia kalorymetrycznego w dowolnym okresie w czasie d. przybiera postać:

dQ + Wd. = Kdt + .(t
tz) d. (6.5)

gdzie: dQ - ciepło wydzielone w kalorymetrze; Wd. - praca mieszania (W - moc mieszania); . (t
tz)d. - ciepło oddane do
osłony; . - współczynnik proporcjonalności.

Całkując równanie (6.5) w czasie trwania okresu głównego otrzymujemy:

()(
...
.
...
.
---+.=.
nnzKWdttKtQ......00 (6.6)

Przez porównanie (6.1), (6.2) i (6.6) otrzymujemy

()(00......---=..nzKWdttKn
(6.7)

gdzie: (.n - .0) - czas trwania okresu głównego.

Oznaczając zztKKWtK'=+
..
, uzyskujemy

()....dttKnz.'-=.0
(6.8)

gdzie: tz' - jest poprawioną temperaturą osłony o wartość odpowiadającą zrównoważeniu pracy mieszania ciepłem
wymienionym dodatkowo z osłoną, tak by bilans cieplny kalorymetru nie uległ zmianie.



W okresie początkowym i końcowym dQ = O i równanie bilansu cieplnego (8) przyjmuje postać:

WttddtKz=-+)(..
(6.9)

Okresy początkowy i końcowy są dużo krótsze od stałej czasowej kalorymetru K/., można więc przyjąć, że zmiany
temperatury w tych okresach są liniowe.

Otrzymujemy więc równanie bilansu cieplnego dla tych okresów

()
()...
='-+
='-+
WttKaWttKazz..21 (6.10)

gdzie: a1 - średni przyrost temperatury w jednostce czasu w okresie początkowym; a2 - średni przyrost temperatury
w jednostce czasu w okresie końcowym; tp - średnia temperatura okresu początkowego; tk - średnia temperatura
okresu końcowego.

Pomiar wyżej wymienionych wielkości a1, a2, tp, tk umożliwia wyznaczenie z równań (6.10) stałych ./K i tz',
można bowiem równania te zapisać w postaci:

...
...
.
'=+
'=+
zkzptKtKatKtKa....21
(13)

stąd
pkttaaK-
-
=21. i
2121aaatattpkz-
-
=' (6.11)


6.3 . Oznaczenie poprawki temperaturowej metodą wykreślną

Poprawkę temperaturową można wyznaczyć ze wzorów (6.8) i (6.11) jeśli mamy jest przebieg temperatury w czasie
w okresach początkowym, głównym i końcowym.

Całkę we wzorze (6.6, 6.7, 6.8) znajdujemy wyznaczając pola powierzchni zawartej między linią przebiegu zmian
temperatury w okresie głównym a prostą poziomą t = t'z i sumując je z odpowiednim znakiem (rys. 6.2).



Rys.6.2. Zależność temperatury wody w naczyniu kalorymetru od czasu podczas wyznaczania ciepła spalania

wyznaczanie poprawki temperatury metodą wykreślną



6.4. Oznaczenie poprawki temperaturowej metodą rachunkową

Poprawkę temperaturową można też obliczyć w sposób czysto rachunkowy podstawiając zależność (6.11) do (6.8)
otrzymujemy

(021210.....-
-
-
-
-
-
=..nkkpkpknttatattdttaa (6.12)

Należy jeszcze obliczyć całkę z przebiegu temperatury naczynia kalorymetrycznego w okresie głównym.

Dla jego wyznaczenia oraz dla określenia wielkości a1, a2, tp, tk. dokonuje się pomiarów temperatury kalorymetru,
we wszystkich okresach pomiarowych co pewien z góry ustalony i jednakowy odstęp czasu. Odstęp ten jest uznany za
jednostkę czasu (również do obliczenia a1 i a2).

Przyjęcie tej w zasadzie dowolnej jednostki czasu nie wpływa na wynik obliczeń, to jest na wartość Q. Jeśli kolejne
temperatury pomierzone w okresie głównym są: to, t1, t2 ..... tn w odstępach czasu .. = 1 to korzystając z metody trapezów
mamy:

..
-=
=
+
+
=
11020niiinttttdn... gdzie .0 - .1
= n (6.13)

podstawiając powyższe do równania (6.12) otrzymujemy:

2110122antntttttaakniigigkgpkRP+...
.
...
.
-+
+
-
-
=..-
=
=
(6.14)

gdzie: n
liczba jednostek minutowych okresu głównego; a1
średni przyrost temperatury okresu początkowego
przypadający na jedną minutę; a2
średni przyrost temperatury okresu końcowego przypadający na jedną minutę; tp
i tk - średnie temperatury okresu początkowego i końcowego; t0 = tg0
temperatura początkowa okresu głównego
(ostatni odczyt okresu początkowego); tn = tgk
ostatni odczyt okresu głównego (początkowa temperatura okresu
końcowego); tgi
kolejne temperatury okresu głównego odczytywane w okresach jednominutowych.

Poprawka temperaturowa .RP obliczona z zależności (6.14) nosi nazwę poprawki Regnaulta - Pfaundlera.

()...dttnz.-
0'

Wielkość a1 i a2 oblicza się jako średnią arytmetyczną z przyrostów temperatury w jednostkach pomiarowych
odstępach czasu .. okresu początkowego i końcowego, tp i tk jako średnie arytmetyczne temperatur pomierzonych
w odpowiednich okresach.

Najczęściej .. = 0,5 min, czas okresu początkowego i końcowego to - tp = tk - tn = 10.. = 5 min.

Na podstawie przeprowadzonej analizy wymiany ciepła w kalorymetrze zalecane jest wyznaczanie poprawki
temperaturowej dla bardzo dokładnych pomiarów ciepła spalania przy pomocy bomby kalorymetrycznej z zależności

()...
.
...
.+
--
-
.-...
.
...
.+
++--
-
.=...-
=
-
+=
110111222mimgizpsznmigkgmizzkstttmtttattttmntta..
(6.15)

gdzie: a1, a2 - oblicza się jako średnie z przyrostów temperatury w okresie początkowym i końcowym w jednakowych
odstępach czasu .. = 30 s; m - liczba pół minut okresu głównego do momentu, kiedy temperatura wody w kalorymetrze
zrówna się z temperaturą wody w osłonie, tj. tm = tz.



Całkę we wzorze (6.12) można obliczyć w sposób znacznie uproszczony przyjmując, że pierwsza temperatura
okresu głównego to = tp, oraz, że do n - tego odczytu przebieg temperatury ma charakter liniowy a następnie temperatura
naczynia kalorymetrycznego jest stała i równa temperaturze okresu końcowego.

Ten założony przebieg temperatury kalorymetru przedstawiony jest na rys. 8.



Rys. 6.3. Założony przebieg temperatury
kalorymetru



Przy powyższych założeniach:

(mntmtttdkkpn-+
+
=.
...02
(6.16)

Podstawiając powyższe do wzoru (15) otrzymujemy poprawkę temperaturową wyznaczoną wg Buntego .B

(mnamaaB--
+
-=.2212
(6.17)

Zgodnie z Polskimi Normami dla oznaczania ciepła spalania węgla przyjmuje się m = 1 i otrzymuje się zależność
dla wyznaczenia poprawki temperaturowej wg PN - .PN

(12221--
+
-=.naaaPN (6.18)

Jedną z głównych trudności oznaczenia wydzielonego efektu cieplnego w kalorymetrze zwykłym wyżej
przedstawioną metodą jest trudność w określeniu końca okresu głównego pomiaru. Przyjmuje się więc, że zakończenie
okresu głównego pomiaru następuje po pięciu kolejnych odczytach jednakowych temperatur kalorymetru.


7. OKREŚLENIE CIEPŁA SPALANIA.

Efekt cieplny wydzielony w kalorymetrze jest sumą efektu cieplnego spalania odważki paliwa w ubocznych efektów
cieplnych, które pojawiają się w bombie kalorymetrycznej. Ich źródłem jest synteza kwasów azotowego i siarkowego oraz
spalenie drutu i nitki bawełnianej doprowadzającej płomień do paliwa

Aby dokładnie ustalić ciepło spalania paliwa należy określić ilość odpowiednich kwasów powstałych w bombie
kalorymetrycznej. Można togo zaniechać stosując odpowiedni współczynnik korygujący oraz znając zawartość siarki
w badanym paliwie.

Ciepło spalania można obliczyć ze wzoru:

SkmmQmQmfQQdsdbsbas-
--..
.
..
.-
=
1
(7.1)

gdzie: Qsa - ciepło spalania paliwa w stanie analitycznym (stanie, w jakim znajduje się próbka, z której pobrano odważkę
do spalenia); Q - wyznaczona wielkość efektu cieplnego w kalorymetrze; Qsb - ciepło spalania bawełny; Qsd - ciepło
spalania drutu stalowego; m - masa odważki paliwa; mb -w masa nitki bawełnianej; md - masa spalonego drutu;
f -współczynnik korygujący dla węgla f = 0,0015 g; dla koksu f = 0,001 g; S -procentowa zawartość siarki
w paliwie; k - umowne ciepło syntezy i rozpuszczania kwasu siarkowego odniesiona do 1% zawartości siarki
w paliwa; k = 95 J/g.

7.1. Oznaczenie pojemności cieplnej kalorymetru.

Oznaczanie efektu cieplnego wydzielonego w kalorymetrze wymaga znajomości jego pojemności cieplnej.

Dla jej wyznaczenia w kalorymetrach do oznaczania ciepła spalania spala się w bombie odważkę pewnego wzorca
termochemicznego o znanym cieple spalania. Wzorcem tym jest najczęściej kwas benzoesowy o cieple spalania:
Qswz = 26 456 kJ/kg.

Przyrost temperatury kalorymetru jest mierzony i obliczany tak samo jak podczas pomiaru ciepła spalania.

Dla określenia ilości kwasu azotowego powstałego w bombie kalorymetrycznej przemywa się ją wodą destylowaną
którą po wlaniu do naczynia i ogrzaniu do wrzenia miareczkuje się 0,1 n KOH w obecności fenoloftaleiny do uzyskania
trwałego różowego zabarwienia.

Pojemność cieplną kalorymetru wyznaczamy ze wzoru:

cdsdbsbwzswztVcmQmQmQK.+++
= (7.2)

gdzie: mwz- masa spalonego wzorca termochenicznego; mb - masa nitki bawełnianej; md - masa spalonego drutu;
Qswz- ciepło spalania wzorca termochemicznego; Qsb - ciepło spalania bawełny; Qsd - ciepło spalania drutu stalowego;
c - ciepło syntezy 0, 1 n kwasu azotowego; c = 6 J/ml; V [ml] - ilość zużytego do miareczkowania 0,1 n KOH;
.tc- przyrost temperatury kalorymetru (dla kalorymetru zwykłego poprawiony przyrost temperatury).

Wyznaczona pojemność cieplna kalorymetru K jest sumą pojemności cieplnej wody Kw wypełniającej naczynie
kalorymetryczne i tzw. wartości wodnej kalorymetru X, którą stanowi pojemność cieplna naczyń kalorymetrycznych

K = Kw + X (7.3)

gdzie: Kw = cpw . mw; - pojemność cieplna wody; cpw - średnie ciepło właściwe wody w okresie mierzonych temperatur;
mw- masa wody w naczyniu kalorymetrycznym.

8. OBLICZANIE WARTOŚCI OPAŁOWEJ.

Wartość opałowa paliwa Qja , w kJ/kg, w stanie analitycznym oblicza się ze wzoru:

Qja = Qsa
2455(8,94 Ha
Wa)0,01 (8.1)

gdzie: Qsa - ciepło spalania próbki analitycznej, w kJ/kg; Ha - zawartość wodoru w próbce analitycznej, w %;
Wa- zawartość wilgoci w próbce analitycznej, %; 2455 kJ/kg - ciepło parowania wody, przyjęto zgodnie
z PN- 81/G- 04513; 8.94 - współczynnik liczbowy, wynika z dokładnej wartości masy atomowej wodoru, równej
1,008.


Jeżeli zawartość wodoru Ha, w %, w paliwie nie jest znana, przybliżona jej wartość można obliczyć z zależności:

- dla węgla kamiennego:

5,18100aaaWAH--
= (8.2)


- dla węgla brunatnego:

18100aaaWAH--
= (8.3)




gdzie: Aa, Wa - zawartość popiołu i wilgoci w próbce analitycznej, %.

Przeliczanie wartości opałowej ze stanu analitycznego na inny stan przelicza się wg zależności podanych w PN-
81/G-04513 - Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej - i tak:

- na stan roboczy:

10024551002455100100rtaajartrjWWQWWQ-...
.
...
.
+
-
-
= (8.4)






gdzie: Wtr - zawartość wilgoci całkowitej w paliwie, %.

- na stan bezpopiołowy - suchy:

...
.
...
.
+
--
=
1002455100100aajaadafjWQAWQ (8.5)






9. PRZEBIEG ĆWICZENIA.

9.1. Oznaczenie pojemności cieplnej kalorymetru.

Napełnić naczynie kalorymetryczne wodą o temperaturze około 1C niższą od temperatury płaszcza wodnego w ilości
m = 2400 g.


Przygotować około 10 cm nitki bawełnianej i zważyć ją na wadze analitycznej.


Przygotować pastylkę z wzorca termochemicznego przez sprasowanie razem z jednym końcem nitki i zważyć na
wadze analitycznej. (masa pastylki powinna być 1,3 1,5 g).


Zważyć około 5 cm drutu stalowego na wadze analitycznej.


Załadować bombę przez ułożenie pastylki w tyglu, złożenie drutu między elektrodami i przewieszenie na nim nitki
bawełnianej oraz napełnienie bomby tlenem do ciśnienia 20 25 atn.


Unieść bombę z podłączonymi przewodami zapłonowymi w naczyniu kalorymetrycznym umieścić w nim mieszadło
i termometr, zamknąć kalorymetr i włączyć mieszadło.


Po okresie wyrównania się temperatur (około 5 min.) rozpocząć okres pomiarowy Wszystkich odczytów temperatur
kalorymetru dokonywać w odstępach 0,5 min.

Okres początkowy składa się z 11-tu pomiarów temperatury. Ostatnia temperatura okresu początkowego jest pierwszą
temperaturą okresu głównego i w chwili jej odczytu należy włączyć zapłon paliwa.

Okres główny kończy się po odczycie pięciu jednakowych temperatur z dokładnością do 0,005C

Ostatnia temperatura okresu głównego jest pierwszą temperaturą okresu końcowego. Okres końcowy składa się z 11-
tu pomiarów temperatury.


Po zakończeniu pomiaru rozładować kalorymetr i bombę oraz oczyścić bombę. Zważyć pozostały po spaleniu
w bombie drut stalowy i wyznaczyć ilość drutu spalonego.





9.2. Oznaczenie ciepła spalania węgla.

Pomiar wykonać zgodnie z punktem 9.1. zastępując pastylkę wzorca termochemicznego pastylką wykonaną ze
sproszkowanego paliwa. Wyniki pomiarów przedstawić w tablicy 9.1.

10. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARU.

Wykorzystując wyniki pomiarów (tablica 9.1)., wykonać wykresy przebiegu temperatury kalorymetru w czasie
pomiarów pojemności cieplnej kalorymetru i ciepła spalania paliwa.


Wyznaczyć pojemność cieplną kalorymetru wg wzoru (7.2) metodą poprawionego przyrostu temperatury, obliczając
poprawkę temperatury metodą obliczeniową.


Wyznaczyć poprawki temperaturowe i poprawione przyrosty temperatury dla pomiaru ciepła spalania paliwa
metodami: wykreślną, Regnaulta-Pfaundlera, Buntego, ze wzoru (6.15) (przyjmując pewną aproksymację liniową
ze wzrostu temperatury w okresie głównym) oraz poprawkę wg Polskiej Normy.


Wyznaczyć efekt cieplny wydzielony w kalorymetrze oraz ciepło spalania paliwa Qsa zgodnie z wzorem (7.1)
z uwzględnieniem uprzednio określonych poprawek temperaturowych różnymi metodami. Porównać wyniki.


Obliczyć zawartość wilgoci i popiołu w badanym węglu.


Obliczyć wartość opałową badanego paliwa z zależności (8.1), (8.4) i (8.5).


Obliczyć błąd wykonanego oznaczenia ciepła spalania (przykład patrz [1], rozdz.1)


Przedstawić własne wnioski i uwagi.




LITERATURA:

1. Praca zbiorowa: Pomiary cieplne. Cz. I. Podstawowe pomiary cieplne. WNT, Warszawa 1995; 2001.


2. Wiśniewski S.: Termodynamika techniczna. WNT, Warszawa 1987.


3. Odpowiednie Polskie Normy.


4. Czapliński A. (red.).: Węgiel kamienny. Wydawnictwa AGH, Kraków 1994


5. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. Kalorymetr KL-10. Spółdzielnia Pracy "Precyzja" w Bydgoszczy.


6. Hnatkow R.: Doskonalenie techniki oznaczania ciepła spalania na przykładzie kwasu benzoesowego. PAK, 1983,
nr 10, s. 331-333.


7. Karolczuk H.: Racjonalna gospodarka węglem energetycznym. WNT, Warszawa 1978.


8. Kordylewski W. (red.): Spalanie i paliwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej; Wrocław 1999.


9. Mielecki T.: Wiadomości o badaniu i własnościach węgla. Śląsk. Katowice 1972.


10. Rudnicki R.: Określenie poprawki różnicy temperatur uwzględniającej przepływ ciepła miedzy układem
a otoczeniem przy pomiarach kalorymetrycznych. PAK, 1976, nr 8, s.272-274.





TABLICE POMIAROWE

OZNACZANIA ZAWARTOŚCI WILGOCI I POPIOŁU W WĘGLU














Tablica pomiarowa 3.2.

Oznaczenie zawartości wilgoci przemijającej Wexr [%]



Próbka 1

Próbka 2

Próbka 3

masa tacy

m3 [g]







masa tacy z odważką paliwa przed suszeniem

m1 [g]







masa tacy z odważką paliwa po suszeniu

m2 [g]







zawartość wilgoci przemijającej w próbce

Wexr [%]







Średnia zawartość wilgoci przemijającej

Wexr [%]















Tablica pomiarowa 3.3.

Oznaczenie zawartości wilgoci higroskopijnej metodą suszarkową

w próbce analitycznej paliwa Wa [%]



Próbka 1

Próbka 2

Próbka 3

masa naczynia

m6 [g]







masa naczynia z odważką paliwa przed suszeniem

m4 [g]







masa naczynia z odważką paliwa po suszeniu

m5 [g]







zawartość wilgoci higroskopijnej w próbce

Wa [%]







Średnia zawartość wilgoci higroskopijnej

Wa [%]











Tablica pomiarowa 3.4.

Oznaczenie zawartości popiołu w próbce analitycznej paliwa stałego Aa [%]



Próbka 1

Próbka 2

Próbka 3

masa tygielka

m1 [g]







masa tygielka z odważką paliwa przed spopieleniem

m2 [g]







masa tygielka z popiołem

m3 [g]







zawartość popiołu w próbce analitycznej

Aa [%]







Średnia zawartość popiołu w próbce

Aa [%]










9.1. Tabela pomiarów dla oznaczenia ciepła spalania węgla

Masa wody w naczyniu
kalorymetrycznym

mw[kg]



Masa drutu założonego do elektrod

md1 [g]



Masa nici bawełnianej

mb [g]



Masa drutu pozostałego po spaleniu

md2 [g]



Masa pastylki paliwa z nicią

m + mb [g]



Masa drutu spalonego

md [g]



Masa pastylki paliwa

m [g]



Wartość wodna kalorymetru

X







Ciepło właściwe wody dla temperatury tz
(z tablic)

cw [kJ/kgK]



Stała kalorymetru
K

K = X + cwmw







Ciepło spalania kwasu
benzoesowego Qswz

26456 kJ/kg

Ciepło spalania
bawełny Qsb

17460 kJ/kg

Ciepło spalania drutu
chromonikielinowego Qsd

6700 kJ/kg



Pomiar temperatury wody w naczyniu kalorymetrycznym

Lp

Okres początkowy

Lp.

Okres główny

Lp.

Okres końcowy

Temperatura osłony

tp [C]

a1 [C/1min]

tg [C]

tk [C]

a2
[C/1min]

Lp.

tz [C]

0





0



0





0



1





1



1





1



2





2



2





2



3





3



3





3



4





4



4





4



5





5



5





5



6





6



6





6



7





7



7





7



8





8



8





8



9





9



9





9



10





10



10





10



a1i = tpi
tp(i-1)

11



a2i = tki
tk(i-1)

11



12



12



13



13



14



14



15



15



16



16



17



17



18



18



19



19



20



20



21



21



22



22



23



23



24



24



25



25



26



26



27



27



28



28



29



29



30



30



31



31



32



32



33



33



34



34



35



35



36



36



37



37



38



38



39



39



40



40



Średnia





Średnia



Średnia





Średnia













Wyszukiwarka