SUROWCE ENERGETYCZNE STAŁE i ICH PRZETWARZANIE

Ćw. nr 3: Ciepło spalania i wartość opałowa paliw stałych

1. Sposób wykonania:

Oznaczenia ciepła spalania z użyciem kalorymetru KL-11 „Mikado” i obliczenia wartości opałowej wykonano zgodnie z Polską Normą PN/G-04513.

Przebieg pomiaru:

Po włączeniu kalorymetru odczekano ok. 15 minut do rozgrzania się urządzenia. W tym czasie napełniono naczynie kalorymetryczne wodą destylowaną o temperaturze otoczenia w ilości ok. 2700 cm³ do kreślonej masy i wstawiono je do termostatu. Przygotowano do pomiaru bombę kalorymetryczną – w tym celu do czystej i suchej komory spalań wlano 10 cm³ wody destylowanej, do tygla pobrano próbkę analityczną 0,2 o masie 0,8 ÷ 1,0 g odważoną z dokładnością do 0,0001 g i zanotowano jej masę oraz zważono przygotowany wcześniej drucik oporowy, po czym również zanotowano jego masę; tygiel z próbką umieszczono w uchwycie pokrywy bomby kalorymetrycznej, a pomiędzy jej elektrodami zamocowano drut oporowy w ten sposób, aby jego środek był zanurzony w próbce paliwa; tak przygotowaną pokrywą zamknięto bombę i dokręcono pierścień; wstępnie napełniono bombę tlenem do ciśnienia 1,0 MPa, a po jego wypuszczeniu, ponownie napełniono ją do ciśnienia ok. 2,5 MPa. Bombę umieszczono w naczyniu kalorymetrycznym, a następnie podłączono do elektrod przewody zapłonowe. Całość zamknięto pokrywą, w której umieszczone były termometr i mieszadło, po czym podłączono końcówki przewodów zapłonowych i mieszadła do płyty czołowej. Na pulpicie sterującym naciśnięto przycisk START i od tego momentu pomiar ciepła spalania wykonywany był automatycznie, natomiast rozpoczęto odręczne notowanie czasu i temperatury w odstępach jednominutowych. Po zakończeniu pomiaru odczytano kolejne graniczne wartości temperatur z poszczególnych zakresów, czas trwania okresu głównego, wartość ciepła spalania oraz wartość stałej kalorymetrycznej (pojemności cieplnej kalorymetru), która zapisana jest w pamięci kalorymetru. Po odłączeniu przewodów zapłonowych i mieszadła od płyty czołowej, podniesiono pokrywę, wyciągnięto bombę kalorymetryczną na podstawkę i ją osuszono. Wypuszczono spaliny i otworzono bombę, po czym pokrywę wraz z tyglem przeniesiono na podstawkę i sprawdzono, czy w tyglu, lub komorze spalań nie ma śladów po niecałkowitym spaleniu. Odłączono od elektrod resztki drutu oporowego i zważono je na wadze analitycznej. Nie miareczkowano roztworu znajdującego się w bombie kalorymetrycznej. Został on wylany, a bombę przepłukano i wysuszono.

1. Wyniki pomiarów:

masa próbki (m) – 0,9865 [g]

masa drutu oporowego przed spaleniem (m₁) – 0,0065 [g]

masa drutu oporowego pozostałego po spaleniu (m₂) – 0,0026 [g]

stała kalorymetru (K) – 12458 [J/K]

początek okresu wstępnego (T₁) – 20,936 [°C]

koniec okresu wstępnego i początek okresu głównego (T₂) – 20,948 [°C]

koniec okresu głównego i początek okresu końcowego (T₃) – 23,432 [°C]

koniec okresu końcowego (T₄) – 23,428 [°C]

czas trwania okresu głównego (N) – 10 [min]

odczytane ciepło spalania (Q_odczytane) – 31020 [kJ/kg]

1. Wyniki obliczeń:

Dane do obliczeń:

ciepło spalania drutu oporowego żelaznego (q₁) – 5858 [J/g]

zawartość wilgoci w próbce analitycznej (W^a) – 1 %

zawartość popiołu w próbce analitycznej (A^a) – 7 %

Ciepło spalania próbki w stanie analitycznym obliczono ze wzoru:

$$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{C}\left( \mathbf{D}_{\mathbf{t}}\mathbf{-}\mathbf{k} \right)\mathbf{-}\mathbf{\ }\mathbf{c}}{\mathbf{m}}$$

C – pojemność cieplna kalorymetru (stała kalorymetru – K) [J/K]

D_t - ogólny przyrost temperatury okresu głównego [^oC]

k – poprawka na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem [^oC]

c – suma poprawek na dodatkowe efekty cieplne [J]

m – masa próbki [g]

1. Ogólny przyrost temperatury okresu głównego

D_t = T₃ – T₂

D_t = 23,432 – 20,948

D_t = 2,484 [°C]

1. Poprawka na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem

$$k = 0,5\left( \frac{T_{2} - \ T_{1}}{5} + \ \frac{T_{4} - \ T_{3}}{5} \right)\ + \ \left( N - 1 \right)\frac{T_{4} - T_{3}}{5}\ $$

$$k = 0,5\left( \frac{20,948 - 20,936}{5} + \ \frac{23,428 - 23,432}{5} \right) + \ \left( 10 - 1 \right)\frac{23,428 - 23,432}{5}$$

k = -6,4*10^-3 [°C]

1. Poprawka na ciepło wydzielone podczas spalania drutu oporowego

c =  (m₁− m₂)*q₁

c =  (0,0065−0,0026) * 5858

c = 22,8462 [J]

Ciepło spalania próbki w stanie analitycznym obliczone w oparciu o własne dane pomiarowe:

$$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}\mathbf{\ }}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{12458*}\left( \mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{484}\mathbf{+ \ }{\mathbf{6}\mathbf{,}\mathbf{4}\mathbf{*}\mathbf{10}}^{\mathbf{-}\mathbf{3}} \right)\mathbf{-}\mathbf{\ }\mathbf{2}\mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{8462}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{9865}}$$

$$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{=}\mathbf{31}\mathbf{4}\mathbf{26,82}\mathbf{\text{\ \ }}\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kJ}}}{\mathbf{\text{kg}}} \right\rbrack$$

Ciepło spalania próbki w stanie analitycznym uzyskane automatycznie:

$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}\mathbf{\ }}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{Q}_{\mathbf{\text{odczytane}}}}{\mathbf{m}}$

$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{31020}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{9865}}$

$\mathbf{Q}_{\mathbf{s}}^{\mathbf{a}}\mathbf{=}\mathbf{31}\mathbf{444,50}\mathbf{\ }\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kJ}}}{\mathbf{\text{kg}}} \right\rbrack$

Przeliczanie ciepła spalania uzyskanego automatycznie na wartość opałową:

Q_i^a= Q_s^a− 24,43(W^a+ 8,94H^a)

$\mathbf{H}^{\mathbf{a}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{100\ - \ }\mathbf{W}^{\mathbf{a}}\mathbf{- \ }\mathbf{A}^{\mathbf{a}}\mathbf{\ }}{\mathbf{18,5}}$

$\mathbf{H}^{\mathbf{a}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{100\ }\mathbf{}\mathbf{\ }\mathbf{1\ }\mathbf{- \ }\mathbf{7}\mathbf{\ }}{\mathbf{18,5}}$

H^a=5 %

Q_i^a=31444, 50−24,43(1+8,94*5)

$\mathbf{Q}_{\mathbf{i}}^{\mathbf{a}}\mathbf{=}\mathbf{30}\mathbf{333}\mathbf{,}\mathbf{95}\mathbf{\ }\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kJ}}}{\mathbf{\text{kg}}} \right\rbrack\mathbf{\ }$

1. Wnioski:

Porównując ciepło spalania próbki analitycznej uzyskane w sposób automatyczny z ciepłem wyliczonym z danych pomiarowych zauważono niewielką różnicę. Wskazuje to na różnice, jakie wynikają z dokładności metody obliczeniowej i empirycznej. Najczęściej metoda obliczeniowa jest mniej dokładna i obarczona większym błędem ze względu na konieczność przeprowadzenia niekiedy wielu analiz. Otrzymana wartość ciepła spalania, porównana z wykresem zależności ciepła spalania od zawartości części lotnych wskazuje na to, że próbka zawierała węgiel energetyczny (ok. 45 % zawartości części lotnych). Dzięki zawartości części lotnych możliwe jest określenie zawartości pierwiastka C w badanym przez nas węglu, która wynosi ok. 77 %. Obliczona wartość opałowa różni się od ciepła spalania ilością energii potrzebnej do odparowania w temp. 25°C wody pochodzącej z wilgoci zawartej w paliwie.