Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

«Національний гірничий університет»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторної роботи ВНВ-5

"Методи вимірювання і розрахунку теплоти згоряння палива"

з дисципліни "Вимірювання неелектричних величин"

для студентів напрямів підготовки

6.050701 Електротехніка та електротехнології,

6.050702 Електромеханічні системи

геотехнічних виробництв

Дніпропетровськ

2014

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

«Національний гірничий університет»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторної роботи ВНВ-5

"Методи вимірювання і розрахунку теплоти згоряння палива"

з дисципліни "Вимірювання неелектричних величин"

для студентів напрямів підготовки

6.050701 Електротехніка та електротехнології,

6.050702 Електромеханічні системи

геотехнічних виробництв

Рекомендовано до видання методичними комісіями спеціальностей 6.05070103 "Електротехнічні системи електроспоживання" та 6.05070205 "Електромеханічні системи геотехнічних виробництв"

Дніпропетровськ

Державний ВНЗ «НГУ»

2014

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи ВНВ-5 "Методи вимірювання і розрахунку теплоти згоряння палива" з дисципліни "Вимірювання неелектричних величин" для студентів напрямів підготовки 6.050701 Електротехніка та електротехнології, 6.050702 Електромеханічні системи геотехнічних виробництв/ Уклад.: Ю.Т. Разумний, О.Р. Ковальов, Ю.В. Хацкевич, Н.Ю. Рухлова. – Дніпропетровськ: Державний ВНЗ "НГУ", 2014. – 12 с.

Упорядники:

Ю.Т. Разумний, проф.,

О.Р. Ковальов, ст. виклад.,

Ю.В. Хацкевич, доц.,

Н.Ю. Рухлова, ас.

Відповідальний за випуск заступник завідувача кафедри СЕП

С.І. Випанасенко, д-р техн. наук, проф.

Мета роботи – ознайомлення з методами вимірювання і розрахунку теплоти згоряння палива.

1. Теоретичні положення

Паливо, вживане в теплосиловому господарстві, досліджують з метою визначення його теплоти згоряння Q (Дж/кг). Цей показник потрібен для визначення коефіцієнтів корисної дії, досліджень економічності і розрахунків за витрачену енергію в різних установках, а також для оптимального управління процесом горіння. Значні коливання у складі горючих компонентів нерідко обумовлюють необхідність безперервного визначення теплоти згоряння.

При згорянні речовини виділяється деяка кількість тепла Q.

Теплота згоряння палива Q – це кількість теплоти, що виділяється під час повного згоряння 1 моля, 1 кг, чи 1 м³ палива. Для газоподібного палива застосовується поняття об'ємної теплоти згоряння. При цьому розрізняють теплоту згоряння 1 м³ газу за нормальних умов (температура газу 0°С і тиск 0,1 МПа) і за стандартних умов (температура газу 20°С і тиск 760 мм рт. ст.). Перерахунок значення теплоти згоряння газу за різних умов виконується за формулою

, (1)

де Q_ст та Q_норм – значення теплоти згоряння газу відповідно до стандартних і нормальних умов.

Вища теплота згоряння Q_в – це кількість теплоти, що виділяється під час повного згоряння одиниці маси палива з утворенням СО₂ і SО₂ у газоподібному, а Н₂О в рідкому станах.

Нижча теплота згоряння Q_н – це кількість теплоти, що виділяється під час повного згоряння одиниці маси палива з утворенням СО₂ і SО₂ у газоподібному і Н₂О у пароподібному станах.

Нижча теплота згоряння Q_н відрізняється від вищої Q_в на величину витрати теплоти в кілоджоулях на кілограм палива на випарювання вологи, що міститься у паливі, а також виділеної під час згоряння водню

, (2)

де 24,42 – питома теплота пароутворення, кДж/кг;

8,94 – коефіцієнт перерахунку вмісту водню у паливі на кількість утвореної води під час його згоряння;

W^α та Н^α – масові частки вологи та водню в аналітичній пробі палива, %.

Розрізняють робочу (умовне позначення – р), аналітичну (а), суху (с), горючу (г) та органічну (о) маси палива і теплоту згоряння цих мас (Q^р, Q^а, Q^с, Q^г, Q^о).

Перерахунок однієї маси палива у другу можна проводити, користуючись множниками табл. 1.

Під час теплотехнічних розрахунків енерготехнологічних процесів, у яких використовується теплота пароутворення продуктів згоряння палива, слід користуватися значенням вищої теплоти згоряння, в інших випадках – значенням нижчої теплоти згоряння.

Таблиця 1

Множники перерахунку маси палива

Вихідна маса палива	Визначувана маса палива
	робоча (р)	аналітична (а)	суха (с)	горюча (г)	органічна (о)
Робоча	1
Аналітична		1
Суха			1
Горюча				1
Органічна					1

Одиницю теплоти згоряння палива слід обирати згідно з ГОСТ 8.417 (Дж/кг, Дж/моль, Дж/м³ або кДж/кг, кДж/моль, кДж/м³). За необхідності дозволено користуватись одиницею, вираженою в ккал/кг, ккал/моль чи ккал/м³ із записом цього значення в дужках.

Приклад.

Нижча теплота згоряння кам'яного вугілля дорівнює 22191,1 кДж/кг (5300 ккал/кг).

У промислових топках температура продуктів згоряння завжди перевищує точку кипіння води. Тому звичайно представляє інтерес тільки низька теплота згоряння, оскільки теплота конденсації води не може бути використана.

Калориметри горіння для твердих і рідких речовин. Для швидко протікаючих процесів горіння розроблена спеціальна форма рідинного калориметра – так звана калориметрична бомба Бертло. Спалювання малої, точно відміряної кількості речовини відбувається при постійному об'ємі в герметичній бомбі в атмосфері можливо більш чистого кисню під тиском близько 30 атм (3 МПа). Заповнена бомба поміщається в рідинну ванну калориметра, яка і сприймає тепло горіння що виділяється.

Тверді речовини звичайно пресують у брикети (таблетки) малих розмірів і дуже точно зважують. Речовини що погано горять доцільно перемішувати з рідинами що добре горять з відомою теплотою згоряння (наприклад, бензойною кислотою). Рідкі речовини поміщають в чашки (лодочки) з платини або кварцу або в малі пластмасові капсули. На кришці, що закріплюється до корпусу бомби болтами, розташовані всі пристрої, необхідні для дослідження: клапани для подачі кисню і відведення продуктів згоряння, утримувачі для проб і електричний запальник. Запалення здійснюють підведенням електрики до тонкого платинового дроту. Тепло, що підводиться для запалення, повинне бути точно заміряно, щоб його можна було врахувати при розшифровці результатів експерименту. У калориметричній бомбі визначають вищу теплоту згоряння.

Калориметр горіння для газоподібних речовин. Для визначення теплоти згоряння газоподібних середовищ існують різні способи. Усі вони на відміну від калориметричної бомби для твердих і рідких речовин ґрунтуються на безперервному вимірюванні. Уживаний принцип вимірювання вельми простий. Досліджуваний газ безперервно спалюють у пальнику при постійному тиску. Все, що виділяється при цьому, тепло що згоряє поглинається або потоком охолоджуючого середовища в теплообміннику, або за допомогою змішування продуктів згоряння з потоком повітря з відомою витратою (сухий або змішуючий калориметр). Звичайно визначають низьку теплоту згоряння. Щоб визначити вищу теплоту згоряння, необхідно сконденсувати водяний пар, що міститься в газах що відходять.

Підготовка газу що вимагається, у всіх газових калориметрах у принципі однакова. Перед спалюванням газ спочатку очищають від твердих механічних домішок (у фільтрі) і зволожують (до насичення вологою, близько 100%), а потім доводять до заданих значень попереднього тиску (за допомогою редукційного клапана) і температури охолоджуючого середовища. Необхідне для горіння повітря теж зволожують і доводять до температури охолоджуючого середовища.

Залежно від точності і допустимих витрат, що вимагаються на вимірювальну апаратуру деякі з цих умов можуть не виконуватися. Калориметри слід перевіряти на еталонному газі (наприклад, на водні), щоб встановити відхилення від рівняння для ідеального стану калориметра. Досяжна точність теплообмінних калориметрів порівняно висока, їх похибка не перевищує ±0,25...±1 %, так що їх можна використовувати також для лабораторних робіт і для перевірок. Сухі калориметри (змішуючі) мають погрішність від ±1 до ±2 % верхньої межі діапазону вимірювань.

Конструктивні виконання калориметрів різних виробників розрізняються перш за все допоміжними і запобіжними пристроями, чутливими елементами і обчислювальними схемами, що забезпечують компенсацію погрішностей. Так, в теплообмінних калориметрах різними способами підтримується постійність відношення витрат газу і охолоджуючого середовища (див. приведене вище рівняння калориметра), завдяки чому вища теплота згоряння безпосередньо залежить тільки від підвищення температури.

У сухих калориметрах підвищення температури виміряють або безпосередньо за допомогою електричних контактних термометрів, або побічно за допомогою ділатометричного датчика – труби, розташованої в потоці газів, що відходять і розширяються.

Вимірювальні прилади. Оскільки теплові величини не можуть бути заміряні безпосередньо, для опису змін теплового стану доводиться привертати інші змінні – температуру, тиск і витрату (кількість). Для вимірювання температури можна використовувати тільки дуже точні прилади, оскільки перетворювана кількість тепла в більшості випадків є малою. Із механічних контактних термометрів можуть бути використані тільки термометри Бекмана, а з електричних контактних – практично всі види; особливо підходять кварцові термометри. У загальному випадку роздільна здатність цих приладів повинна бути не нижчою 10^-3 К. Абсолютне значення температури не потрібно знати з такою високою точністю, оскільки звичайно представляють інтерес тільки різниці температур. Скляні термометри в порівнянні з електричними контактними мають той недолік, що для проглядання свідчень вони повинні виступати з калориметра.

Обумовлюваний цим тепловідвід у навколишнє середовище потрібно ураховувати внесенням поправки в результат вимірювання. Крім того, вимірювальні сигнали скляних термометрів не можуть бути безпосередньо пов'язані з іншими сигналами і не можуть піддаватися подальшій обробці в обчислювальних системах. Навпаки, при використовуванні електричних контактних термометрів вимоги до точності зводяться до точного вимірювання напруг і опорів. Важливою перевагою електричних контактних термометрів є і те, що вони можуть бути виконані з набагато меншою масою і тому можуть мати малу постійну часу (малу інерційність).

Разом з вимірюваннями температури при вимірюванні теплових величин велику роль відіграє визначення кількості або витрат усіх елементів, або середовищ, що приймають участь у процесі теплообміну. Залежно від середовища і його агрегатного стану для цих вимірювань застосовують звичайні стандартні методи.