книги из ГПНТБ / Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие

Общий вид калориметрической установки показан на рисунке 15. Заправленную кислородом бомбу осторожно опускают в ведро с водой, находящееся внутри калоримет­ ра 1. Затем в воду опускают мешалку 6, к электродам при­ соединяют провода, закрывают калориметр крышками и устанавливают термометр 4. Термометр специальный, с помощью которого измеряется относительное повышение температуры воды за период опыта. Вся шкала разбита на 5° с ценой деления 0,01°; с помощью лупы 3 отсчет темпе­ ратуры ведут до 0,001°.

Собрав прибор, включают моторчик мешалки, в тече­ ние пяти минут перемешивают воду, устанавливая реоста­ том скорость подъема мешалки 40—45 в минуту. После подготовительных работ приступают к проведению опыта, который делится на три периода: начальный, главный и конечный. Начальный и конечный периоды служат для определения поправки на радиацию (теплообмен между водой и окружающей средой), а в главном происходит сжигание топлива.

В начальный период через каждую минуту (5 раз) за­ писывают температуру с точностью до 0,001° (с помощью короткофокусной лупы 3, перемещаемой по штати­ ву 2).

С пятым отсчетом сжигают запальную проволочку, для этого на щите 8 включают кнопку. От искры загорается топливо, а тепло через стенки бомбы передается воде. Часть тепла расходуется на нагревание бомбы, оно учи­ тывается водяным (тепловым) эквивалентом В (определяет­ ся заранее). Отсчеты температур ведут через 0,5 мин. Вначале (2—3 отсчета) происходит быстрый подъем темпе­ ратуры (отсчет ведут без лупы), затем он замедляется, и температуру отсчитывают с помощью лупы. Главный пе­ риод продолжают до тех пор, пока 2—3 отсчета не будут одинаковыми, или до первого падения температуры. Затем записывают пять значений температур через 1 мин (ко­ нечный период) и опыт заканчивают.

Проделав опыт, выключают мешалку, снимают термо­ метр, отсоединяют провода. Ведро, бомбу, мешалку и другие металлические части калориметра тщательно выти­ рают. На электроде 2 открывают вентиль, выпускают про­ дукты сгорания топлива и избыточный кислород. Отвин­ чивают кольцо и снимают крышку бомбы. Если опыт про­ веден правильно, то топливо сгорает полностью, в тигле нет налетов. Внутренняя сторона крышки бомбы после

51

b — масса железной проволочки, г;

а— масса сожженого топлива, г.

Вформуле не учитываются потери тепла на образова­ ние кислот. Если известно содержание водорода и влаги в топливе, то Qm3, кал/г, или ккал/кг, подсчитывают по

формуле:

Полученные величины (<?выс, <?низ) пересчитывают на кДж/кг.

§ 5. Определение количества воздуха, необходимого для горения

Горение — быстро протекающая реакция, которая со­ провождается выделением тепла и излучением света; наи­ более часто это окислительный процесс соединения топли­ ва с кислородом воздуха. Для возникновения реакции горения нужно, чтобы топливо и кислород (или воздух) были нагреты до температуры самовоспламенения топли­ ва, которая зависит от его химического состава и физиче­ ских свойств, концентрации кислорода, способов смесе­ образования, температуры окружающей среды и многого другого.

Процесс горения очень сложен и, несмотря на широкое распространение, еще недостаточно изучен. Большую роль в организации процесса горения играет количество пода­ ваемого воздуха. Если воздуха подается меньше, чем тре­ буется по расчету для данного состава топлива, то будут образовываться продукты неполного горения, снижаться температура и скорость горения, образовываться копоть и сажа, заметно уменьшаться количество тепла. Значитель­ ное увеличение количества подаваемого воздуха также не­ выгодно: основную массу воздуха по объему (79%) зани­ мает азот, оставшиеся свободными кислород и большое количество инертного азота забирают часть тепла, выде­ ляемого топливом (иногда значительную), что также сни­ жает скорость и температуру горения, вызывает перерас­ ход топлива. Организовывать процесс горения нужно так, чтобы обеспечить полное горение с возможно меньшим избытком воздуха.

53

Расчетное, теоретически необходимое количество воз­ духа для сгорания зависит от состава топлива. Чем больше в топливе горючих элементов, и особенно водорода, тем больше требуется воздуха для сжигания единицы массы топлива. Для вывода формулы примем, что имеем 1 кг сухого топлива, состоящего из С г углерода, Н г водорода, S г серы, N г азота, О г кислорода и А г золы. Горючими элементами, требующими для своего сгорания кислород, являются С, II и S. Напишем реакции горения и из соотно­ шения атомных масс определим количество кислорода, необходимого для полного сгорания того или иного эле­ мента :

иначе, для сгорания 12 частей углерода требуется 32 части

32

кислорода, а на одну часть ^ = 2,67 части кислорода.

Аналогично для полного сгорания одной части водорода требуется 8 частей кислорода, а для одной части серы — одна часть кислорода.

Кислород, содержащийся в топливе, при сгорании вступит в реакцию в первую очередь, поэтому извне кис­ лорода потребуется меньше. Общее количество кислорода,

Отеор = 2,670+ 8H + S—О.

Если состав топлива взят в процентах, то найденное выражение примет вид, кг/кг:

n + 6 7 C + 8 H + S—О

Обычно при сгорании используют не чистый кислород, а воздух. В воздухе по весу содержится 23,2 части кисло­ рода, остальное азот. Тогда количество воздуха (Атеор), кг, теоретически необходимого для сжигания 1 кг топлива, будет равно:

По формуле (19) можно подсчитать расчетное количе­ ство воздуха в кг, необходимого для полного сгорания

54

1 кг жидкого или твердого топлива. Если расход воздуха определять-не в кг, а в м3, то в формуле (19) знаменатель нужно умножить на 1,293 (масса 1 м3 воздуха), т. е.

Достичь полного сгорания топлива с теоретически не­ обходимым количеством воздуха можно только при идеаль­ ном смесеобразовании, когда каждая молекула подавае­ мого кислорода воздуха будет вступать в реакцию с каж­ дой молекулой сжигаемого топлива. В реальных условиях воздуха подается несколько больше, это будет действи­ тельно израсходованное количество (Ьдейств).

Отношение действительно израсходованного количе­ ства воздуха к теоретически необходимому носит название коэффициента избытка воздуха (а), т. е.

В производственных условиях обычно не измеряют £ действ (хотя это можно сделать с помощью различных счетчи­ ков, диафрагм, сопл), а отбирают пробу продуктов сгора­ ния, исследуют ее и определяют а.

§ 6. Исследование продуктов сгорания

Качество горения контролируется по анализу продук­ тов сгорания. Для этой цели существуют различные газо­ анализаторы: химические, электрические, магнитные, меха­ нические. Более точны химические, более удобны автомати­ ческие, электрические. Наиболее широко распространены простейшие химические газоанализаторы, которые поз­ воляют в исследуемой пробе определить содержание угле­ кислого газа, кислорода и окиси углерода. Схема такого газоанализатора дана на рисунке 16. Градуированная бю­ ретка 9 емкостью 100 мл соединяется с тремя поглотитель­ ными сосудами 4, 5 ж6 при помощи гребенки 7. На гре­ бенке имеются три трехходовых крана 3, а также треххо­ довой кран 1, с помощью которого бюретка сообщается с воздухом и исследуемым газом. Трехходовые краны 3 соеди­ няют бюретку с сосудами, в которых находятся растворы, поглощающие отдельные компоненты исследуемого газа. Поставив трехходовые краны в положение, показанное на рисунке 16, бюретку соединяют с окружающим воздухом.

55

Рис. 1G. Схема газоанализатора:

1 , 3 — трехходовые краны; 2 , 8 — метки; 4 , 6 , 6 — поглотительные сосуды;

Уровень газа и жидкости в бюретке 9 изменяют с по­ мощью уравнительного сосуда 11, наполненного подкра­ шенной водой. Бюретка помещена в стеклянный кожух 10 с водой. Каждый из поглотительных сосудов состоит из двух сообщающихся емкостей. Первая заканчивается капиллярной трубкой, на которой имеется метка. Стек­ лянные трубки 12 внутри емкости служат для увеличения поверхности поглощения. Перед началом опыта растворы в поглотительных сосудах поднимают до меток 2, а бюретку заполняют водой до метки 8.

В первом от бюретки поглотительном сосуде 6 находит­ ся раствор едкого калия (КОН), который поглощает угле­ кислый газ (С02) — продукт полного сгорания углерода топлива. Второй сосуд 5 заполнен щелочным раствором пирогаллола С6Н3 (ОН)3 для растворения кислорода. Этот раствор поглощает и углекислый газ, поэтому при иссле­ довании необходимо, чтобы произошло полное удаление СО2 в первом сосуде, и только затем проводят поглощение кислорода. В сосуде 4 находится аммиачный раствор одно­ хлористой меди (CuCl) для поглощения окиси углерода (СО) — продукта неполного сгорания топлива. Этот ра­ створ также задерживает С02 и 0 2, поэтому поглощение осуществляют последовательно.

56

Подготовка прибора к исследованию. Чтобы довести растворы в поглотительных сосудах до меток, нужно за­ полнить бюретку водой и проверить герметичность (т. е. устойчивость всех уровней). Для доведения растворов до меток краны 1 и 3 ставят так, как указано на рисунке 16, т. е. бюретку сообщают с атмосферой. Затем, медленно поднимая уравнительный сосуд 11, заполняют бюретку водой и, поворачивая край 1 на 180°, закрывают. Повора­ чивают кран 3 к поглотительному сосуду 6 на 90° и сооб­ щают сосуд с бюреткой. Очень медленно опускают склян­ ку 11, при этом в бюретке будет создаваться вакуум, а раствор в поглотителе будет подниматься вверх. Осто­ рожно доводят раствор до метки 2 и поворачивают кран 3 на 90°, т. е. возвращают его в первоначальное положение. Так же доводят растворы до меток в двух других сосудах. Сообщив кран 1 с атмосферой и вытеснив весь газ из бюрет­ ки водой, доводят ее уровень до метки 8 и закрывают кран.

Подготовив прибор и убедившись в его герметичности, приступают к проверке работы прибора. Для этого прово­ дят анализ воздуха. Известно, что в воздухе по объему сумма кислорода и углекислого газа составляет 21%, а остальное азот (причем С02 только сотые, реже десятые доли процента). Если такие результаты будут получены при анализе лабораторного воздуха, то прибор пригоден для дальнейшей работы.

А н а л и з в о з д у х а . Повернув крап 1 на 180°, сообщают прибор с атмосферой, медленно опускают склян­ ку 11 и забирают воздух в бюретку. Устанавливают уровни воды в бюретке и склянке на одной высоте, а нижний ме­ ниск на цифре 0 и быстро закрывают кран 1 (поворачивая на 180°); в таком положении в бюретке будет 100 мл воз­ духа.

Взятую пробу воздуха медленно переводят в поглоти­ тельный сосуд 6 с щелочью и обратно в бюретку, делают та­ кие перекачивания 5—6 раз, доводят раствор щелочи до метки, закрывают кран 3 и смотрят, изменился ли объем в бюретке (максимально уровень воды может измениться на 0,1—0,2%). Проверив содержание С02, приступают к поглощению кислорода. Открывают кран 3 па втором со­ суде 5 и перекачивают воздух в этот поглотитель и обрат­ но. Кислорода в воздухе много, поэтому на полное погло­ щение потребуется 4—5 мин. После поглощения раствор пирогаллола доводят до метки, закрывают кран и обяза­ тельно устанавливают уровни воды в бюретке и склянке.

57

Количество поглощенного кислорода отсчитывают по делениям на бюретке. Записав показания, делают кон­ трольное перекачивание. При правильной работе прибора и хорошем растворе уровень воды в бюретке должен под­ няться на 21 деление, что соответствует 21%.

Если кислород поглощается очень медленно или его поглотилось меньше 21 %, то раствор пирогаллола нужно заменить, а если больше 21%, то исследуемый воздух где-то сообщается с атмосферой; нужно найти неисправ­ ность и устранить ее.

Окиси углерода в воздухе нет, поэтому достаточно сде­ лать 2—3 перекачки воздуха через сосуд 4, уровень воды в бюретке изменяться не должен. Проверив правильность работы прибора, приступают к исследованию продуктов сгорания топлива.

А н а л и з п р о д у к т о в с г о р а н и я . Незави­ симо от вида топлива и типа установки, где оно сжигается, продуктами полного сгорания будут углекислый газ, пары воды и окислы серы, а при неполном сгорании — угарный газ и др.

Для сжигания целесообразно использовать небольшие одноцилиндровые бензиновые или дизельные двигатели, так как в этом случае продукты сгорания можно отбирать при различных режимах работы двигателя и следить за изменением коэффициента избытка воздуха а. Если нет двигателя, можно использовать примус от калориметриче­ ской установки. Продукты сгорания вначале собирают в газометры, газовые бюретки, аспираторы или другие емко­ сти, и уже из них газ поступает на анализ. Установка для исследования продуктов сгорания показана на рисун­ ке 17.

Заведя двигатель 4 и установив заданный режим, при­ ступают к отбору пробы газа. Из выхлопной трубы двига­ теля газ по шлангу 3 поступает в аспиратор 1, заполнен­ ный насыщенным раствором поваренной соли. Первая бу­ тыль аспиратора заполняется продуктами сгорания топли­ ва, а раствор соли вытесняется ими во вторую бутыль. Аспи­ ратор с помощью трехходового крана и толстостенных ка­ учуковых трубок соединяется с газоанализатором. Прежде чем приступить к анализу, нужно промыть установку, т. е. все вредные пространства — каучуковые и стеклянные трубки — заполнить исследуемым газом. Для этого не­ сколько раз забирают в бюретку газ из аспиратора и через кран 2 выпускают его в окружающую атмосферу. Подго-

58