1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania i oznaczania ciepła spalania oraz wartości opałowej za pomocą kalorymetru Junkersa.

Ćwiczenie pozwala na poznanie pojęć związanych z oznaczaniem ciepła spalania i wartości opałowej paliw ciekłych i gazowych.

2. Podstawowe pojęcia, definicje.

Spalanie, zwane także utlenianiem jest to gwałtowny i szybki proces utleniania paliw, którym towarzyszy efekt cieplny oraz wizualny w postaci płomienia. Substratami w reakcji spalania są paliwo i tlen, a produktami są spaliny (tlenki siarki, tlenki węgla, bezwodniki kwasowe połączone z wodą).

Spalanie zupełne - jest to takie spalanie, gdy w spalinach nie występują palne części gazowe (np.CO, CxHy )

Spalanie całkowite - jest to takie spalanie, gdy w produktach spalania nie występują palne części stałe (np.sadza, koksik lotny).

Ciepło spalania Q_s -jest to ilość ciepła, jaka powstaje w wyniku spalania zupełnego i całkowitego jednostki ilości paliwa przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach ulegnie całkowitemu wykropleniu.

Wartość opałowa Q_i - jest to ilość ciepła, jaka powstaje w wyniku spalania zupełnego i całkowitego jednostki ilości paliwa przy założeniu, że produkty spalania zostaną ochłodzone do temperatury substratów, a para wodna zawarta w spalinach nie ulega wykropleniu.

Współczynnik nadmiaru powietrza

λ=n_a/n_amin

n_a,n_amin- rzeczywista ilość powietrza doprowadzonego do spalania, teoretyczna ilość powietrza niezbędna do spalenia zupełnego i całkowitego paliwa .

Kontrakcja chemiczna ΔVch - różnica objętości substratów i wilgotnych produktów spalania.

Kontrakcja fizyczna ΔVf - różnica objętości substratów i produktów po uwzględnieniu wykroplenia się pary wodnej.

Kontrakcja całkowita ΔV=ΔVf+ΔVch - suma kontrakcji chemicznej i fizycznej,

3. Zasada pomiaru

Bilans energetyczny kalorymetru Junkersa

Warunki pomiaru kalorymetr powinien znajdować się w stanie ustalonym, Δ E_u=0

(występuje, jeżeli parametr stanu układu nie zmienia się w czasie lub zmienia się w sposób okresowy i po skończonej licznie okresów wraca do wartości początkowej)

• stałe natężenie przepływu: gazu, wody chłodzącej, spalin i powietrza

• stałe ciśnienie gazu, otoczenia

• stały rozkład temperatury

• różnica temperatury wody : Δt_w= t_w2-t_w1 = 6 - 10K

• średnia temperatura wody chłodzącej t_w= 0,5 (t_w2 - t_w1 ) = t_otoczenia

Z I zasady termodynamiki : E_d = E_w + ΔE_u , gdzie ΔE_u = E_u2 - E_u1

• strumień energii doprowadzonej do układu równa się energia wyprowadzonej i przyrostowi strumienia energii układu

Rozważając kalorymetr Junkersa:

ΔEu ₌ 0, E_u2 = E_u1

E_d = I_g + E_kg + E_pg + Q + I_p + E_kp + E_pp + I_w1

E_w = I_s + E_ks + E_ps + I_w2 + Q_str

E_d = E_w

I_g + E_kg + E_pg + Q + I_p + E_kp + E_pg + I_w1 = I_s + E_ks + E_ps + I_w2 + Q_str

Założenie upraszczające bilans energetyczny kalorymetru Junkersa:

• v≅ 0 , zatem energia kinetyczna = 0 (E_kg , E_kp, E_ks)

• Δh < 80-100 m, zatem energia potencjalna = 0 (E_pp, E_pg, E_pp)

• nie ma kontrakcji chemicznej ΔV_ch = 0,

przyjmujemy, że

- objętość substratów = objętości produktów ( V_g + V_p = V_s)

- gęstość gazu, powietrza i spalin jest taka sama (ρ_g + ρ_p = ρ_s)

- suma masy gazu i powietrza jest w przybliżeniu równa masie spalin, ciepło właściwe tych substancji i temperatury są również w przybliżeniu takie same

zatem, suma strumieni entalpii gazu i powietrza jest równa strumieniowi entalpii spalin

I_g + I_p = I_s

• nie ma strat ciepła przez konwekcję i promieniowanie (Q_str = Q_k + Q_r = 0)

Ostatecznie bilans po wprowadzeniu uproszczeń:

4. Stanowisko pomiarowe

Rys. Schemat kalorymetru Junkersa

1 - komora spalania, 2 - płaszcz wodny, 3 - naczynie przelewowe dopływowe, 4 - naczynie przelewowe odpływowe, 5 - zawór, 6 - kurek trójdrożny, 7 - naczynie do wody chłodzącej, 8 i 9 - termometry laboratoryjne, 10 - rurka wypływu skroplin, 11 - gazomierz, 12- zawór do stabilizacji ciśnienia, 13 - palnik Bunsena, 14 - nawilżacz powietrza, 15 - naczynie odbioru skroplin, 16 - przewód dopływowy wody chłodzącej

5. Sposób przeprowadzenia pomiarów

Przystępując do ćwiczenia należy włączyć przepływ wody przez kalorymetr.

Po włączeniu przepływu wody należy tak wyregulować jej strumień, aby spalanie było całkowite i zupełne.

Przed przystąpieniem do pomiaru, należy z barometru spisać obecnie panujące ciśnienie barometryczne oraz z termometru panującą w danym momencie temperaturę.

Przy stanowisku pomiarowym należy odczytać temperaturę spalin, temperaturę gazu i nadciśnienie gazu w gazomierzu.

Należy dokonać również wytarowania zbiorników służących do zbierania wody chłodzącej i kondensatu.

Rozpoczynając pomiar otwieramy zawór główny i dokonujemy odczytu przy każdym litrze spalonego gazu (w naszym przypadku spalamy łącznie 10 litrów) - temperatury wody chłodzącej na dopływie do kalorymetru oraz temperatury wody chłodzącej na wypływie z kalorymetru.

Po spaleniu 10 litrów zamykamy zawór główny i ważymy naczynia, które posłużyły nam do zbierania wody chłodzącej i kondensatu, dzięki czemu otrzymamy masę wody chłodzącej kalorymetr oraz masę skroplin.

Wyniki zapisujemy w tabeli nr 1 (Wyniki pomiarów i obliczeń ciepła spalania i wartości opałowej gazu 2E-G20).

Polskie Normy:

• PN-C-04750: Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczenia i wymagania dzieli gaz ziemny na 2 podgrupy. Parametrem identyfikującym jest górna granica liczby Wobbego. (2002r.)

1. gaz ziemny wysoko metanowy:

symbol grupy E, liczba Wobbego 45,1MJ/m³≤W_g≤54,1 MJ/m³

37,61MJ/m³≤W_g≤45,2 MJ/m³

Podane wartości odnoszą się do warunków normalnych:

ciśnienie = 101325 [Pa] , temperatura = 273,15 [K]

• PN-C-04753: Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczonego odbiorcom z sieci rozdzielczej.

7. Wnioski

Ciepło spalania powinno wynosić nie mniej niż 34,1 MJ/m³, a wartość opałowa nie mniej niż 31,0 MJ/m³, dla gazu grupy E, ponieważ pomiary stosowaliśmy przy gazie ZEG20.

Wartość liczby Wobbego powinna oscylować w zakresie 45,1MJ/m³ - 54,1 MJ/m³ - według normy.

Analizując wyniki można zauważyć, że warunki te w pewnym stopniu zostały spełnione, a gaz spełnia warunki określone przez PN. Obliczone ciepło spalania i wartość opałowa przekraczają dolne granice określane w normach.

Liczba Wobbego minimalnie jest niższa od dolnego przedziału zakresu.

Każde odchylenie wyniku w nieodpowiednim kierunku, może być spowodowane tym, że nasz wynik jest niemiarodajny. Wykonaliśmy tylko jeden pomiar, dlatego też nie można osiągnąć dużej precyzji obliczeń.

Warto również zauważyć, że waga techniczna, którą stosowaliśmy do pomiarów masy skroplin i wody chłodzącej nie ma odpowiedniej dokładności.

Ponadto w bilansie zastosowano wiele uproszczeń, co mogłoby wpływać na korektę wyników oraz fakt nie zawsze idealnego odczytu temperatury wody przy użyciu soczewki, gdzie należy osiągnąć wysoką dokładność odczytu na termometrze.

W gruncie rzeczy wartości ciepła spalania i wartości opałowej pozwalają stwierdzić, iż ćwiczenie wykonane zostało poprawnie.

---