AKADEMIA TECHNICZNO ROLNICZA

W BYDGOSZCZY

WYDZIAŁ MECHANICZNY

KIERUNEK BUDOWA MASZYN

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Temat ćwiczenia:

Oznaczenie ciepła spalania i wartości opałowej

paliw gazowych i ciekłych lekkich.

Ciągła analiza spalin.

Skład grupy:

Mariusz Stojak

Rafał Sygit 

Grupa    E

Sem    V

Rok 1999/2000

1.     Wstęp teoretyczny.

W zakres analizy technicznej paliw ciekłych wchodzi oznaczenie własności fizykochemicznych :

·     gęstości,

·     lepkości,

·     temperatur zapłonu,

·     mętnienia i krzepnięcia,

·     ciepła spalania,

·     wartości opałowej,

·     zawartości siarki,

·     wody,

·     pozostałości po spopieleniu.

Paliwa gazowe są coraz częściej stosowane w energetyce i przemyśle ze względu na liczne zalety w porównaniu z innymi paliwami technicznymi.

Podstawowe własności paliw gazowych stanowią:

·     gęstość,

·     ciepło spalania,

·     wartość opałowa,

·     liczba Wobbego,

·     prędkość spalania,

·     skład chemiczny 

·     wartość zanieczyszczeń.

Największe znaczenie w technice mają:

·                    gaz ziemny,

·                    gaz świetlny,

·                    gaz koksowniczy 

·                    wielkopiecowy.

Liczbą Wobbego W nazywamy iloraz ciepła spalania gazu i pierwiastka kwadratowego z gęstości względnej tj. stosunku masy  jednakowych objętości gazu i powietrza znajdujących się w tym samym ciśnieniu i temperaturze:

      [kJ/m3] 

  gdzie:

ρ w - gęstość względna gazu,

Q S  - ciepło spalania.

Liczba  Wobbego znajduje zastosowanie w obliczeniach palników gazowych przy zasilaniu ich różnymi gazami. Moc cieplna palnika jest proporcjonalna do liczby Wobbego.  Dla utrzymania stałości mocy cieplnej palnika gazowego przy stałym ciśnieniu gazu przed dyszą, przy zmianie rodzaju gazu powinna być zachowana stałość liczby Wobbego.

2.     Oznaczenie gęstości paliw ciekłych i gazowych.

Oznaczenie gęstości paliw dokonuje się jedną z trzech niżej wymienionych metod:

·        areometrem,

·        wagą hydrostatyczną,

·        piknometrem.

Gęstość paliw ciekłych określana jest także wartością gęstości względnej. Gęstość względna określana jest jako stosunek masy określonej ilości paliwa  do masy takiej samej ilości wody destylowanej w określonej temperaturze.

Gęstość paliw gazowych wyraża masę 1 m3 gazu w warunkach normalnych tj. przy ciśnieniu 1013 hPa i temperaturze 00C (273,15 K). Pomiaru tego dokonuje się dwoma metodami: aparatem Schillinga lub aerometrem ciśnieniowym. Znając udziały objętościowe dla poszczególnych składników w paliwie można wyznaczyć ich gęstość, liczbę Wobbego ze składu, ciepło spalania i wartość opałową.

3.     Równanie stechiometryczne.

Równania stechiometryczne są wykorzystywane do obliczenia zapotrzebowania tlenu i ilości powstałych produktów utlenienia się dla trzech głównych składników paliwa. Mają one postać:

C+O2=CO2                

H2+1/2O2=H2O      

H2+1/2O2=H2O       

S+O2=SO2     

Przyjmując, że w paliwie znajduje się tylko węgiel ,siarka i wodór, to minimalna ilość tlenu potrzebna do całkowitego spalenia 1 kmola takiego paliwa wynosi:

    [kgO2/kg pal.]

gdzie m t0 - teoretyczne zapotrzebowanie tlenu. 

Teoretyczne zapotrzebowanie mtp powietrza do spalania paliwa oblicza się na podstawie teoretycznego zapotrzebowania tlenu i składu powietrza przyjmując, że udział wagowy tlenu w powietrzu jest równy 0,321.

   [kg powietrza/kg paliwa]

Rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza określa się przyjmując współczynnik λ  nadmiaru powietrza:

λ=1,02÷1,05 dla spalania paliw gazowych w warunkach przemysłowych.

Zależności zachodzące między ciepłem spalania, a wartością opałową można zapisać równaniem:

Qs = Q w + r *m’H2O   kJ/kg

Gdzie:

Qs- ciepło spalania,

Qw -wartość opałowa,

r - ciepło parowania wody (r=2500kJ/kg w warunkach normalnych)

m’- masa skroplin paliwa kg/kg paliwa

Na podstawie składu objętościowego paliw i na drodze bezpośredniego spalania można określić wartość opałową i ciepło spalania paliwa. Dla gazu wartość opałową obliczamy jako sumę iloczynów wartości opałowej poszczególnych składników przez ich udział objętościowy w mieszaninie.

Ciepło spalania obliczamy w podobny sposób. Powszechnie stosowaną dla określenia ciepła spalania i wartości opałowej paliwa jest metoda bezpośredniego spalania. Metoda ta polega na spaleniu określonej masy lub objętości paliwa w przeponowym wymienniku ciepła i zmierzeniu ilości ciepła przekazanego wodzie chłodzącej. Aby spełniony został warunek całkowitego przekazania ciepła wodzie kalorymetr powinien znajdować się w stanie równowagi cieplnej. Dopływ paliwa, wody chłodzącej i powietrza do spalania powinien odbywać się ze stałą prędkością i o stałych temperaturach. Pomiar ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych i lekkich ciekłych przeprowadza się w kalorymetrach przepływowych. Do najbardziej znanych należy kalorymetr Junkersa.

4.     Opracowanie wyników.

Ciepło spalania dla paliw ciekłych obliczamy z zależności:

      [kJ/kg]

Gdzie:

m w - masa wody chłodzącej w kg

c w    - ciepło właściwe wody  4,15 kJ/kg * K  

m p - masa spalonego paliwa w kg

T w1 –wartość średnia temperatury na wlocie w K

T w2 –wartość średnia temperatury na wylocie z kalorymetru w K

Wartość opałową obliczamy ze wzoru:

Q w = Q s – r*m’’    [kJ/kg]

Gdzie:

Q w -wartość opałowa,

Q s- ciepło spalania,

r - ciepło parowania wody (r=2500kJ/kg w warunkach normalnych)

m’’ - masa skroplin na jednostkę paliwa kg/kg

      [kg/kg]

m s - masa skroplin w kg

5.     Opracowanie wyników.

Masa palnika z paliwem    m pp = 137g

Masa palnika                    m pl =71g

Masa spalonego paliwa     m p = 66g = 0,066 kg

Masa skroplin                  m s = 70mililitrów = 0,070 kg

Masa wody chłodzącej     m w = 42 kg