5. določevanje kurilnosti goriv s...

Goriva in zgorevanje - vaje

Določevanje kurilnosti goriv s kalorimetrom

17 študijsko leto: 2018/2019

5. Določevanje kurilnosti goriv s kalorimetrom

5. 1 Opis vaje

Kalorimetrijska naprava je sestavljena iz kalorimetra - notranje posode napolnjene z vodo, v

kateri je vstavljena kalorimetrijska tlačna posoda (bomba) in zunanjega adiabatnega plašča, ki

je prav tako napolnjen z vodo (slika 2). Temperatura zunanjega adiabatnega plašča je izenačena

s temperaturo notranje posode, ki se pri sežigu goriva v kalorimetrijski tlačni posodi segreje. S

tem se izmenjava toplote med plaščem in kalorimetrom (notranjo posodo) zmanjša na

minimum; približujemo se adiabatnim pogojem.

Slika 1: Adiabatni kalorimeter

Slika 2: Shema kalorimetrijske naprave

Oznaka energije kalorimetra (notranje posode z vodo in tlačno posodo) je E(t), začetno

vrednost energije pa z E0. Energijo kalorimetra po sežigu ob času t zapišemo kot

0( ) N S K PE t E Q Q Q Q (1),

kjer so:

- E0 začetna vrednost energije,

- QP izmenjana toplota z adiabatnim plaščem (če gre dejansko za adiabatno delovanje,

potem je QP = 0 J, v našem primeru predpostavimo, da je te toplote zanemarljivo

malo),

- QS toplota generirana z delovanjem kalorimetra, Joulova toplota elektrike za vžig,

sežigna toplota bombažne nitke in cekas žičke (znano iz umerjanja naprave,

QS = 293 J),

- QK reakcijska toplota žveplene in dušikove kisline, ki lahko nastaneta pri zgorevanju

(njihov nastanek se ugotovi s titracijo nastale vode v tlačni posodi, v našem primeru

zanemarimo, QK = 0 J),

- QG toplota, ki se je sprostila pri sežiganju goriva.

mešalotermostata

zunanjaposoda

grelnik

kalorimetrskavoda

kalorimetrskatlačna posoda kalorimeter

adiabatniplašč

odčitovalnitermometerkontakt

za vžig

hladilnavoda




Ker toplote ne moremo neposredno meriti, moramo energijsko bilanco izraziti s

temperaturami. Definiramo toplotno kapaciteto kalorimetra C kot

(2),

kar je dejansko vsota različnih toplotnih kapacitet posameznih delov sistema (vode v

kalorimetru, jeklene posode, tlačne posode, nastalih dimnih plinov,...). Za naš primer je skupna

toplotna kapaciteta kalorimetra C = 10800 J/K. Določimo jo z umerjanjem kalorimetra z

Joulovo toploto elektrike ali s sežigom benzojeve kisline.

Ker pri zgorevanju nastala vodna para kondezira, dobimo z meritvijo vedno zgornjo kurilno

vrednost Hs, ki jo izračunamo kot

1 0( ) SS

T T C QH

m

(3),

kjer so

- T0 in T1 izmerjeni temperaturi kalorimetra pred in po sežigu,

- C toplotna kapaciteta kalorimetra in

- QS toplota generirana z delovanjem kalorimetra

- m masa zgorelega goriva.

Ker je zgorevanje poteklo izohorno, smo pri preizkusu dobili spremembo notranje energije U

in ne spremembo entalpije H. Razlika med veličinami je volumsko delo, ki ga opravlja okolica.

Dejansko bi morali pisati Hs = U1 – U0 + pok(Vz – Vdv), kjer sta Vz volumen dejansko porabljenega

zraka v procesu zgorevanja in Vdv dejanski volumen nastalih dimnih plinov. Ker je razlike za

manj kot 1 %, lahko to zanemarimo.

Za izračun spodnje kurilne vrednosti moramo odšteti kondenzacijsko toploto nastale vode in

vode iz goriva po enačbi

H H2O2441 9 +wi SH H w (4),

kjer sta wH in wH2O masna deleža vodika in vode v gorivu. Vrednosti dobimo iz elementne

sestave goriva.

5. 2 Izvedba vaje

1) Pred pričetkom dela preveri, ali je v adiabatnem plašču dovolj vode in, če je ni, jo dolij.

2) V kalorimetrijsko posodo natoči toliko vode, da posoda z vodo tehta skupaj 3000 g 1 g

(glej sliko 3). Temperatura vode naj bo 21 do 22 °C. Vstavi posodo z vodo v napravo.

3) Izmeri maso pripravljenega briketa goriva (vzorca) s precizno tehtnico. Gorivo tehtaj v

kovinskem lončku. Najprej na tehtnico položi prazen lonček, nastavi skalo na tehtnici na

0 (s pritiskom na gumb T) in zatem stehtaj vzorec goriva (slika 4). Vzorec naj tehta

1 do 2 g 0.0001 g pri premogih, oziroma toliko, da se pri sežigu ne sprosti več kot 2025

kJ toplote, zaradi prekoračitve merilnega območja na termometru. Maso goriva si zapiši.

1 0

1 0

d

d

E E EC

t T T




Slika 3: Kalorimetrska posoda z vodo

Slika 4: Tehtanje goriva

Slika 5: Shema kalorimetrske tlačne posode

Slika 6: Polnjenje tlačne posode z čistim kisikom

4) Pripravi kalorimetrijsko tlačno posodo. Za sestavo glej shemo (slika 5). Obe elektrodi

poveži z cekas žičko in jo fiksiraj s sponkami. Vstavi lonček z gorivom v podstavek. Poveži

briket goriva in cekas žičko s 6 cm dolgo bombažno nitko (dolžina vpliva na QS). Zapri

tlačno posodo in jo napolni s čistim kisikom do tlaka 30 bar (slika 6).

pokrov

elektrodi

vžigalnacekas žica

zgorevalnaposodica

vzorecgoriva

bombažnanitka

telo tlačneposode

električni kontaktdovod kisika inodvod dimnih plinov

tesnilo




5) Tlačno posodo vstavi v kalorimetrsko posodo, zapri pokrov in vzpostavi vžigalni kontakt.

Vklopi stikalo 'MAINS' (glavno). Če gori rdeča kontrolna lučka 'READY TO FIRE', je kontakt

med tlačno posodo in vžigalno napravo pravilno vzpostavljen.

6) Začni zapisovati odčitke temperature vsake petnajst sekund (priloženi preglednici).

Predvžig je končan, ko se temperatura ne spreminja več (trije zaporedni odčitki so enaki).

Konstantna temperatura je začetna temperatura meritve T0 (slika 7). Stresalo termometra

'THERMOMETER READER' služi za pravilnejši odčitek temperature.

7) Briket vžgi s kratkim pritiskom na kontakt 'FIRE' (vžig).

8) Temperatura začne naraščati in

prične se vkljapljati grelnik, glej

temperaturni diagram (slika 7).

Od trenutka vžiga začni

zapisovati temperature vsake

15 sekund. Z beleženjem

temperatur končaj, ko se

temperatura ponovno ustali. To

je končna temperatura meritve

T1.

9) Izklopi obe stikali, odpri

pokrov, izvleci tlačno posodo.

Izpusti dimne pline in presežek

kisika iz tlačne posode, jo odpri

in preveri, če je vzorec goriva

popolnoma zgorel. Če se to ni

zgodilo, preizkus ponovi.

10) Izračunaj kurilnosti, dobljene rezultate zaokroži na 10 J/g in nariši temperaturni diagram.

11) S suho papirnato brisačo, ki jo predhodno stehtaš, obriši vso vlago, ki se je nabrala na

notranjih stenah tlačne posode (voda, ki je nastala pri zgorevanju, in voda, ki je bila

prisotna v samem gorivu). Glede na količino nastale vode, oceni spodnjo kurilnost goriva.

Slika 7: Temperaturni diagram.




5. 3 Primer meritve

masa briketa: m = 1,83 g

sestava briketa: wH2O = 8,35 %

wH = 2,84 %

začetna temperatura meritve: T0 = 21,7 °C

odčitki temperatur od vžiga dalje (vsakih 15 sekund):

Čas Temperatura ˚C

Temperaturna stabilizacija

T0 = 21,7 °C

00:15 21,8

00:30 22,35

00:45 22,7

01:00 23,15

01:15 23,37

01:30 23,62

01:45 23,75

02:00 23,87

02:15 23,95

02:30 24,03

02:45 24,08

03:00 24,11

03:15 24,14

03:30 24,17

03:45 24,18

04:00 24,196

04:15 24,21

04:30 24,215

04:45 24,22

05:00 24,226

05:15 24,23

05:30 24,235

05:45 24,238

06:00 24,24

06:15 24,241

06:30 24,242

06:45 24,242

07:00 24,242

T1 = 24,242 °C

Izračun zgornje kurilnosti:

1 0( ) 293

24,242 21,7 10800 293

1,83

14841,86 kJ/kg

S

S

S

T T CH

m

H

H

Izračun spodnje kurilnosti:

H H2O2441 9

14841,86 2441 9 0,0284 0,0835

14014,12 kJ/kg

i S

i

i

H H w w

H

H

0 100 200 300 400

24,5

24,0

23,5

23,0

22,5

22,0

21,5

Temperatura

°C

Čas s

500

5. določevanje kurilnosti goriv s...

Documents