Калориметр горения для газообразных веществ

Для определения теплоты сгорания газообразных сред существуют различные способы. Все они в отличие от калориметрической бомбы для твердых и жидких веществ основаны на непрерывном изме­рении. Применяемый принцип измерения весьма прост. Исследу­емый газ непрерывно сжигают в горелке при постоянном давле­нии. Все выделяемое при сгорании тепло поглощается либо пото­ком охлаждающей среды в теплообменнике (влажный или тепло-обменный калориметр) изготовители: например, фирмы Junkers и Reinecke, ФРГ; рис. 4, а), либо посредством смешивания продуктов сгорания с потоком воздуха с известным расходом (су­хой или смешивающий калориметр; изгшовитель

: Reinecke, ADOS, Union, все из ФРГ, см. рис. 4, б). Обычно определяют низшую теплоту сгорания Н_u. Чтобы определить высшую теплоту сгорания Н₀, необходимо сконденсировать водяной пар (индекс КО), содержащийся в отходящих газах. Зная массовые расходы потоков и разность температур на входе (индекс е) и выходе (ин­декс а) калориметра, можно по уравнению теплового баланса вычислить соответствующую теплоту сгорания.

Требуемая подготовка газа во всех газовых калориметрах в принципе одинакова. Перед сжиганием газ (индекс G) сначала очищают от твердых механических примесей (в фильтре) и ув­лажняют (до насыщения влагой, 100 %), а затем доводят до заданных значений предварительного давления (при помощи редук­ционного клапана) и температуры охлаждающей среды (индекс К). Необходимый для горения воздух (индекс L) тоже увлажняют и доводят до температуры охлаждающей среды.

В зависимости от требуемой точности и допустимых затрат на измерительную аппаратуру некоторые из этих условий мо­гут не выполняться. Калориметры следует поверять на эталон­ном газе (например, на водороде), чтобы установить отклонение от уравнения для идеального состояния калориметра. Для теплооб-менного (влажного) калориметра упомянутое уравнение имеет вид

где и — массовые расходы охлаждающей среды и топлива, кг/с; с_к — удельная теплоемкость охлаждающей среды, Дж/(кг*К); — прирост температуры охлаждающей среды, К.

Повышение температуры обычно составляет 5—15 К. Ввиду большой термической массы теплообменные калориметры имеют очень большую постоянную времени, которая может до­ходить до нескольких минут. Поэтому они менее удобны для ис­пользования в замкнутой цепи регулирования в качестве датчика, чем сухие (смешивающие) калориметры, постоянная времени которых составляет всего несколько секунд. Зато достижимая точность теплообменных калориметров сравнительно вы­сока. Их погрешность не превышает ±0,25—1%, так что их можно использовать также для лабораторных работ и для по­верок. Сухие калориметры (смешивающие) имеют погрешность от ±1 до ±2 % верхнего предела диапазона измерений.

Конструктивные исполнения калориметров различных изго­товителей различаются прежде всего вспомогательными и предо­хранительными устройствами, чувствительными элементами и вы­числительными схемами, обеспечивающими компенсацию погреш­ностей. Так, в теплообменных калориметрах различными спосо­бами поддерживается постоянство отношения расходов газа и охлаждающей среды (см. приведенное выше уравнение калори­метра), благодаря чему высшая теплота сгорания Н₀ , непосред­ственно зависит только от повышения температуры .

В сухих калориметрах повышение температуры измеряют либо непосредственно при помощи электрических контактных термометров (фирма Union), либо косвенно с помощью дилатомет­рического датчика — расширяющейся трубы, расположенной в потоке отходящих газов. В калориметре фирмы ADOS термическое удлинение дилатометрической трубы непосредственно соответст­вует теплоте сгорания и может быть преобразовано в любой сиг­нал с помощью рычажной передачи и измерителя длины. В кало­риметре фирмы Reinecke удлинение стержня используется как измерительный сигнал в цепи регулирования, которая управляет расходом охлаждающего воздуха с таким расчетом, чтобы повы­шение его температуры оставалось практически постоянным. Контур регулирования при этом получается чисто пропорцио­нальным, однако в нем неизбежно некоторое остаточное отклоне­ние. При этом расход охлаждающего воздуха или удлинение дила­тометрической трубы (стержня) являются мерой определяемой теплоты сгорания. Необходимой предпосылкой для получения достаточной точности во всех сухих калориметрах является хо­рошее перемешивание охлаждающего воздуха и продуктов сгора­ния.

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

Тепло как вид энергии передается тремя способами: через твердое тело (теплопроводностью), жидкими ила газообразными средами (конвекцией) и без участия материи (излучением). В технике почти всегда в передаче тепла участвуют все три составляющие; тем не менее во многих случаях можно получить результаты приемле­мой точности, измеряя только одну составляющую.