background image

 

1

WYZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA PALIW ZA POMOCĄ BOMBY 

KALORYMETRYCZNEJ 

 

 

1.  WSTĘP. 

 

Jedną  z  najważniejszych  cech  charakteryzujących  paliwa  stałe  takie  jak  węgiel 

kamienny i brunatny, koks, trociny jest wartość opałowa paliwa. Wartość opałową paliwa 

oblicza się na podstawie znajomości ciepła spalania paliwa oraz zawartości w nim wody i 

wodoru. Tak ciepło spalania jak i wartość opałową mierzy się w kJ/kg. 

Według  definicji  ciepłem  spalania  Q

c

  nazywa  się  ilość  ciepła  odniesioną  do  jednego 

kilograma paliwa, uzyskaną po całkowitym i zupełnym spaleniu próbki paliwa w bombie 

kalorymetrycznej  i  po  schłodzeniu  produktów  spalania  do  temperatury  początkowej 

substratów.  Wartość  opałowa  Q

w

  jest  to  ilość  ciepła  odniesiona  do  jednego  kilograma 

paliwa,  uzyskana  po  całkowitym  i  zupełnym  spaleniu  próbki  paliwa  w  bombie 

kalorymetrycznej  i  po  schłodzeniu  produktów  spalania  do  temperatury  początkowej 

substratów, zakładając, że woda znajdująca się w spalinach pozostaje w stanie pary. 

 

2.  BOMBA KALORYMETRYCZNA. 

 

 

Bezpośrednia metoda pomiaru wartości opałowej paliw stałych polega na spaleniu w 

atmosferze  tlenu  odpowiednio  przygotowanej  próbki,  umieszczonej  w  szczelnie 

zamkniętym  naczyniu  zwanym  bombą  kalorymetryczną.  Bomba  ta  zanurzona  jest  w 

wodzie i ciepło wynikające ze spalenia próbki paliwa zostaje przekazane wodzie poprzez 

ś

cianki bomby. Powoduje to wzrost temperatury wody. 

Najbardziej znany jest kalorymetr Bertholta – Krokera – Mahlera. Bomba ta składa się z 

naczynia  cylindrycznego  o  średnicy  ok.  6  cm  i  wysokości  12  cm,  wykonanego  ze  stali 

kwaso-    i  ognioodpornej,  zamykanego  od  góry  nakręcaną  pokrywą.  W  pokrywie  są  dwa 

otwory  zamykane  zaworami  iglicowymi.  Otwór  wlotowy  służy  do  napełniania  bomby 

tlenem,  drugi  zaś  do  opróżniania  bomby.  Rurka  wstawiona  w  otwór  wlotowy  sięga 

poniżej  tygla,  w  którym  umieszczamy  próbkę  paliwa  i  ma  za  zadanie  tak  skierować 

strumień  tlenu  aby  nie  nastąpiło  rozpylenie  paliwa.  W  pokrywie  bomby  umieszczone  są 

dwa zaciski do przyłączenia źródła prądu stałego o napięciu 4..6 V. Jeden z nich (+) jest 

izolowany  od  pokrywy,  drugi  zaś  (-)  połączony  z  korpusem  bomby.  Do  zapłonu  paliwa 

background image

 

2

służy cienki drucik ( o średnicy 0,1 .. 0,2 mm ) najczęściej stalowy ( Q

c

 = 1600 kcal/kg ) 

zanurzony w próbce paliwa i dołączony do źródła prądu. 

 

Widok stanowiska do pomiarów kalorymetrycznych. 

 

 

3.  PRZYGOTOWANIE PRÓBKI PALIWA. 

 

Próbkę  analityczną  paliwa  o  bardzo  małej  ziarnistości  (  zmielona  )  należy  dokładnie 

wymieszać, po czym z różnych miejsc próbki pobrać co najmniej 3 porcje o takiej łącznej 

masie  aby  po  spaleniu  temperatura  wody  w  naczyniu  kalorymetrycznym  podniosła  się  o 

1,8  ..  3,0 

o

C  (  warunek  ten  spełnia  próbka  paliwa  o  masie  ok.  1  g  ).  Następnie  próbkę 

należy zważyć i umieścić w tyglu. Próbka może być umieszczona w tyglu: 

• 

luzem 

• 

w postaci uformowanej pastylki 

background image

 

3

Najdogodniejszym  i  najprostszym  sposobem  jest  umieszczenie  próbki  paliwa  luzem  w 

tyglu.  W  tym  przypadku  łatwiej  jest  ważyć  paliwo  już  umieszczone  w  tyglu.  Założenie 

drutu oporowego o długości ok. 10 cm dokonuje się po zawieszeniu tygla w bombie. 

Z paliwa, które daje się prasować, po sproszkowaniu tworzy się pastylki o średnicy ok. 8 

mm  i  o  wysokości  6  ..  10  mm.  Drut  zapłonowy  uprzednio  zważony  musi  zostać 

wprasowany  w pastylkę.  

 

Jeśli  w  prasie  formowano  uprzednio  pastylki  innych  próbek  paliwa,  należy  odrzucić 

dwie  pierwsze  pastylki  aktualnie  prasowanego  paliwa  aby  uniknąć  zanieczyszczeń 

pastylki resztkami poprzedniego paliwa. 

 

 

 

 

W  przypadku  paliw  o  dużej  zawartości  popiołów  lub  nie  nadających  się  do 

brykietowania  zachodzi  obawa  niecałkowitego  spalenia  próbki.  W  takich  przypadkach 

pastylki tworzy się z mieszaniny paliwa i kwasu benzoesowego w stosunku 4:1, a wynik 

pomiaru  odpowiednio  koryguje  w  oparciu  o  dokładnie  znane  ciepło  spalania  kwasu 

benzoesowego ( Q

c

 = 6323 kcal/kg ). 

 

4.  PRZYGOTOWANIE BOMBY DO POMIARU. 

 

Na  dno  bomby  należy  wpuścić  pipetą  kilka  mililitrów  wody  destylowanej,  aby 

umożliwić  rozpuszczanie  się  w  niej  kwasów  azotowego  i  siarkowego,  powstających 

podczas spalania. Ilość wody powinna być stale jednakowa, równa ilości wody użytej do 

oznaczenia wartości cieplnej kalorymetru. Odważoną próbkę badanego paliwa umieszcza 

background image

 

4

się  w  bombie,  zakręca  szczelnie  pokrywę  i  napełnia  wnętrze  bomby  tlenem  do  ciśnienia 

2,0 

±

  0,2  MPa  przy  badaniu  węgla  brunatnego,  2,5 

±

  0,2  MPa  przy  badaniu  węgla 

kamiennego.  Bombę,  podłączoną  do  źródła  prądu  umieszczamy  w  naczyniu 

kalorymetrycznym  wypełnionym  wodą  tak  by  cała  bomba  znajdowała  się  poniżej  lustra 

wody.  Do  naczynia  kalorymetrycznego  wkładamy  termometr  oraz  mieszadło,  które 

zapewnia  lepszą  wymianę  ciepła  pomiędzy  wodą  i  bombą  kalorymetryczną.  Należy 

zwrócić  uwagę  aby  termometr  nie  stykał  się  z  bombą  kalorymetryczną.  Naczynie 

kalorymetryczne  zakrywamy  pokrywą  z  winiduru  aby  wyeliminować  wymianę  ciepła  z 

otoczeniem. 

 

 

 

background image

 

5

5.  POMIAR KALORYMETRYCZNY. 

 

Po  uruchomieniu  mieszadła  należy  odczekać  ok.  5  min    w  celu  wyrównania 

temperatury  w  kalorymetrze.  Następnie  przystępujemy  do  właściwego  pomiaru 

kalorymetrycznego. Składa się on z trzech okresów: 

• 

Okres  początkowy-  trwa  5  min  i  służy  do  określenia  stopnia  wymiany  ciepła  z 

otoczeniem. Dokonuje się w nim pomiarów temperatury w 1-minutowych odstępach. 

Bezpośrednio po szóstym  pomiarze naciska się przycisk zapłonowy, obserwując czy 

czerwona lampka kontrolna zapaliła się. Jeżeli czerwona lampka nie zapali się lub nie 

zgaśnie po chwili od zapalenia pomiar należy przerwać. 

• 

Okres  główny  –  rozpoczyna  się  z  chwilą  włączenia  źródła  napięcia,  odczytów 

dokonuje  się  w  odstępach  30  sekundowych.  Okres  główny  kończy  się  z  chwilą  gdy 

dwie  kolejne  odczytane  po  sobie  temperatury  są  jednakowe  lub  druga  jest  niższa  

( okres ten trwa ok. 10 min ). 

• 

Okres końcowy – zaczyna się od ostatniego odczytu okresu początkowego. W okresie 

tym dokonujemy 5 pomiarów w odstępach 1-minutowych. 

 

6.  OBLICZENIA 

 

Obliczanie ciepła spalania dokonuje się według wzoru: 

 

 

(

)

m

e

p

t

t

K

Q

c

Σ

=

1

*

 

 

gdzie: 

Q

c

 – ciepło spalania paliwa ( kJ/kg) 

K – wartość cieplna kalorymetru ( stała K ) ( J/1

o

C ) 

p  –  poprawka  temperatury  wynikająca  z  wymiany    ciepła  układu  kalorymetrycznego    z 

otoczeniem 

t

1

 – najwyższa temperatura okresu głównego ( 

o

C ) 

t – ostatnia temperatura okresu początkowego ( bezpośrednio przed zapaleniem próbki ) ( 

o

C ) 

Σ

e  –  suma  ciepła  uzyskana  z  efektów  cieplnych  nie  związanych  bezpośrednio  z  ciepłem 

spalanego paliwa ( ciepło spalania drutu oporowego ) ( kJ/kg ) 

m – masa próbki paliwa ( kg ) 

background image

 

6

 

wyznaczenie poprawki temperaturowej 

 

p = 0,5 ( a

1

 + a

2

 ) + ( n – 1 ) a

2

 

 

gdzie: 

 

 

a

1

, a

2

 – średnie przyrosty temperatury w okresie początkowym i końcowym 

 

 

n – liczba pomiarów w okresie głównym 

 

 

 

a

1

 = ( t

pk

 - t

p0

 ) / 5 

 

 

a

2

 = ( t

kk

 – t

k0

 ) / 5 

 

 

 

t

pk

 – końcowa temperatura okresu początkowego 

 

 

t

p0

 – pierwsza temperatura okresu początkowego 

 

 

t

kk

 – ostatnia temperatura okresu końcowego 

 

 

t

k0

 – pierwsza temperatura okresu końcowego 

 

7.  PRZEBIEG ĆWICZENIA - SPRAWOZDANIE. 

 

• 

Wyznaczenie wartości cieplnej kalorymetru. 

• 

Wyznaczenie ciepła spalania paliwa. 

• 

Obliczenie ciepła spalania paliwa. 

• 

Wykres t = f(T) ( temperatura w funkcji czasu ) dla kwasu benzoesowego oraz węgla. 

• 

Wykres 

t  =  f(T)  (  przyrosty  temperatury  w  funkcji  czasu  –  dynamika  wzrostu 

temperatury ). 

• 

Wnioski. 

 

8.  LITERATURA. 

 

1.  „Pomiary w elektrowniach cieplnych”, Jerzy Wojciechowski, PWT 1958. 

2.  „Pomiary cieplne i energetyczne”, pod red. M. Mieszkowskiego, WNT 1981. 

3.  „Pomiary cieplne”, pod red. J. Kuleszy,  tom 1 i 2, WNT 1993. 

4.  „Miernictwo energetyczne”, pod red. M. Sąsiadka, skrypt Politechniki Wrocławskiej.