POLITECHNIKA WARSZAWSKA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ	LABORATORIUM TERMODYNAMIKI Sprawozdanie z ćwiczenia	2 Zespół
Nazwiska i imiona studentów	Andrzejewski Aleksander, Kopiczko Rafał, Kalbarczyk Krzysztof, Kuśmierek Paweł, Milcarz Marek, Szwaja Magdalena, Borowiec Andrzej, Danieluk Filip, Juchniewicz Artur, Sowa Jakub, Zagrajek Emilia, Banasik Krzysztof
2014/2015	MEiL	3
Rok ak.	Wydział	Semestr

Sprawozdanie - Laboratorium nr 4

Pomiar ciepła spalania i wartości opałowej paliwa gazowego kalorymetrem Junkersa

1. Cel oraz opis ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest zilustrowanie pierwszej zasady termodynamiki dla układu otwartego poprzez wyznaczenie ciepła spalania i wartości opałowej paliwa gazowego.

1. Wstęp teoretyczny :

Pierwsza zasada termodynamiki dla układu otwartego w stanie ustalonym (ΔU=0, U - energia wewnętrzna) jest opisana zależnością:

$$Q - L + \sum_{}^{}I = 0$$

gdzie: Q - ciepło [kJ],

L - praca [kJ],

ΣI - suma entalpii wszystkich strumieni mas, dla strumienia dopływającego do układu I>0 [kJ].

Spalanie jest to proces, podczas którego zachodzi gwałtowne utlenianie połączone z efektami cieplnymi oraz ewentualnie zjawiskami świetlnymi. Może się odbywać przy stałym ciśnieniu lub przy stałej objętości.

Ciepło spalania W_o [kJ] jest definiowane jako ilość ciepła, jaka wydziela się przy spaleniu jednostki masy lub objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spaleniu, jeśli wszystkie produkty spalania wracają do temperatury początkowej w takim stanie skupienia, w jakim znajdują się w stanie równowagi trwałej.

. Ostatnia cześć definicji oznacza, że w szczególności para wodna znajdująca się w spalinach musi ulec skropleniu, obecność pary wodnej w spalinach może być spowodowana odparowaniem wilgoci zawartej w paliwie lub wynikiem spalania wodoru.

Wartości W_o są różne dla spalania przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu, lecz z powodu małej różnicy między nimi z pomiarowego punktu widzenia nie są one rozróżniane.

Wartość opałowa W_u [kJ] jest definiowana jako ilość ciepła wydzielona przy całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki masy lub objętości paliwa w przypadku gdy woda zawarta w spalinach się nie skropli.

Wartości W_o oraz W_u są ze sobą związane zależnością:

W_u = W_o − m_wr

gdzie : m_w - masa pary wodnej na 1 kg paliwa znajdująca się w spalinach [kg]

r - ciepło parowania wody w temperaturze 0°C [kJ/kg]

W definicjach W_o oraz W_u użyto sformułowań spalanie całkowite oraz spalanie zupełne. Pierwsze oznacza, że wszystkie składniki palne dostarczone w strumieniu paliwa zostały spalone, drugie zaś, że wszystkie składniki spalin są niepalne. Różnica między tymi dwoma pojęciami jest subtelna, najlepiej zilustrować ją przykładem; jeśli po spaleniu danej masy węgla w spalinach nie występuje nieutleniony pierwiastek C, to mówimy o spalaniu całkowitym, jeśli dodatkowo w spalinach nie występuje palny związek CO, mówimy także o spalaniu zupełnym tj. każdy atom C utlenił się do CO₂.

1. Wartości opałowe oraz ciepła spalania paliw gazowych

Wartości W_o oraz W_u dla paliw gazowych najwygodniej podawać w odniesieniu do ich objętości. Jednakże objętość gazu zmienia się w zależności od jego temperatury oraz ciśnienia pod jakim się znajduje. Problem ten rozwiązano definiując warunki normalne w których określa się wartość opałową oraz ciepło spalania gazów. Ciśnienie w warunkach normalnych wynosi p_n = 101 325 Pa, zaś temperatura T_n = 273.15K (0°C).

Podstawowe składniki palne paliw gazowych to H₂, CO oraz węglowodory (w gazie ziemnym głównie metan CH₄). Poza nimi w paliwach znajdują się także składniki niepalne na przykład O₂, CO₂, N₂.

	Wo	Wu	Wo	Wu
	[MJ/m^3]	[MJ/m^3]	[MJ/kg]	[MJ/kg]
Wodór H2	12.80	10.76	142.55	119.83
Tlenek węgla CO	12.71	12.71	10.17	10.17
Metan CH4	39.92	35.87	55.80	50.15

1. Opis kalorymetru Junkersa, stanowiska pomiarowego oraz sposób zbierania pomiarów

Działanie kalorymetru przepływowego (Junkersa) polega na tym, że ciepło wydzielające się przy spalaniu paliwa w palniku Bunsena ogrzewa wodę przepływającą przez kalorymetr. Dzięki dobrej izolacji eliminuje się do minimum stratę promieniowania na zewnątrz.

Do palnika Bunsena umieszczonego w kalorymetrze doprowadzano paliwo gazowe z butli. Ilość doprowadzonego paliwa odczytywano z gazomierza zainstalowanego na bulli gazowej.

Dopływ powietrza do palnika Bunsena został wyregulowany tak, by strumień paliwa spalany był zupełnie, o czym świadczył niebieski kolor płomienia. Następnie palnik zamontowano do kalorymetru tak, jak pokazano na rysunku.

Kalorymetr zasilano zimną wodą sieciową, której wydatek wyregulowano za pomocą kurka tak, by średnia temperatura wody w kalorymetrze (obliczana jako średnia arytmetyczna temperatury wody wpływającej i wypływającej) równa była temperaturze otoczenia. Jest to wymagane aby zminimalizować straty ciepła do otoczenia. Temperaturę otoczenia, wody wpływającej oraz wypływającej odczytano ze wskazań termometrów zamontowanych odpowiednio: nieopodal stanowiska, tuż za kurkiem oraz tuż przy wylocie wody (miejsce zainstalowania dwóch ostatnich termometrów widać na schemacie kalorymetru).

Temperatura spalin została zmierzona za pomocą termometru umieszczonego przy wylocie spalin.

Celem zbadania masy wody, która przepłynęła przez kalorymetr podczas badań, przy wylocie przewodu zawierającego wodę umieszczono żółte wiadro, które zważono przed badaniami. Do pomiaru masy skroplin zbierano je do zlewki.

1. Otrzymane wyniki oraz obliczenia

1. Bilans energii w badanym układzie określa zależność:

Q + I_w1 − I_w2 + I_g − I_s − I_skr = 0

gdzie : Q - Dostarczone ciepło ze spalania gazu, I_w1 - entalpia wody chłodzącej na wlocie, I_w2 - entalpia wody chłodzącej na wylocie, I_g - entalpia gazu na wlocie do układu, I_s - entalpia spalin na wylocie z układu, I_skr - entalpia skroplin na wylocie z układu.

1. Entalpie gazu na wlocie oraz spalin na wylocie wyrażają się wzorami:

$$\frac{I_{g} = \text{VC}_{\text{pg}}T_{g}}{I_{s} = \text{VC}_{\text{ps}}T_{s}}$$

Różnica między C_pg oraz C_ps jest znikoma, zakładamy ich równość. Po dokonaniu pomiarów dochodzimy do wniosku, że założenie równości temperatur wlotu i wylotu gazu oraz spalin jest również dopuszczalne. Otrzymujemy równość I_g = I_s.

1. Celem obliczenia ciśnienia gazu najpierw obliczamy podciśnienie opisane wzorem

p_s = ρgh

Zmierzone przez nas h wynosi 456mm, g przyjmujemy 9.81 m/s² zaś ρ wynosi 1 000 kg/m³. Obliczamy wartość p_s = 4 473 Pa. Następnie dodajemy obliczoną wartość do ciśnienia atmosferycznego uzyskując p = 105.76 kPa.

1. Wykorzystując równanie Clapeyrona można obliczyć objętość gazu w warunkach normalnych

$$\frac{pV = nBT}{p_{N}V_{N} = nBT_{N}}V_{N} = \frac{p}{p_{N}}\frac{T_{N}}{T}V$$

Odczytana z gazomierza wartość V = 0.476m³_, Wartości ciśnienia i temperatury w warunkach normalnych są znane, wartość temperatury T = 24°C = 297K, p natomiast mamy już obliczone. Z powyższego równania otrzymujemy V_N = 0.456m³.

1. Ciepło spalania W_o można obliczyć z zależności:

$$W_{o} = \frac{m_{w}c_{w}\left( T_{w2} - T_{w1} \right)}{V_{N}}$$

Zmierzona przez nas masa wody wynosi m_w = 9.77 kg, temperatury wody na wlocie i wylocie to odpowiednio 14.2°C i 34°C. Po podstawieniu danych do wzoru otrzymamy W_o = 1 777.5 kJ/m³

1. Celem obliczenia wartości opałowej W_u korzystamy ze wzoru:

$$W_{u} = W_{o} - \frac{m_{\text{skr}}r}{V_{N}}$$

Masa skroplin odmierzona za pomocą zlewki wynosi m_skr = 0.025 kg, więc wartość opałowa wynosi W_u = 1 767.7 kJ/m³.

Komentarz oraz wnioski:

• Wszelkie pomiary obarczone są błędem spowodowanym niedoskonałością podziałki na przyrządach pomiarowych, ludzkim refleksem, niepewnością odczytu pomiaru z przyrządów.

• Temperatura spalin ma inną temperaturę niż temperatura otoczenia, my założyliśmy, że temperatury te są równe.

• W spalinach znajduje się pewna ilość pary wodnej której nie udało nam się skroplić. Dlatego zmierzona przez nas masa skroplin nie jest równa masie wody odparowanej w wyniku spalania co wpływa na obliczoną przez nas wartość ciepła spalania. Warto zauważyć, że ten błąd pomiarowy nie wpływa na wartość opałową.

• W bilansie energetycznym kalorymetru ignorujemy entalpię skroplin ze względu na jej znikomą wartość.