Определение удельной теплоты сгорания топлива

Общие положения и цель работы.

Одной из основных технических характеристик топлива является его удельная теплота сгорания Q_i –количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы в случае твердого или жидкого топлива или единицы объема в случае газообразного топлива. Различают высшую и низшую удель­ную теплоту сгорания: в первой не учитывается тепло, затрачиваемое на по­догрев и испарение влаги топлива и влаги, образующейся в результате сгора­ния водорода топлива; во второй — эти затраты тепла учитываются.

Знание теплоты сгорания требуется на всех стадиях проектирования, экс­плуатации и исследования основного и вспомогательного оборудования тепло­вых электрических станций и других огневых устройств различного назначе­ния, работающих на органическом топливе.

Паровые и водогрейные котлы современных ТЭС оснащены системами автоматического регулирования, контрольно-измерительными приборами и компьютерными системами для непрерывной регистрации и регулирования ос­новных эксплуатационных параметров оборудования, включая расход топлива, количественные и качественные параметры рабочего тела. Вместе с тем, до сих пор отсутствуют приборы непрерывного действия, позволяющие в условиях текущей эксплуатации получать надежные данные по удельной теплоте сгора­ния топлива, что затрудняет оперативную оценку тепловой экономичности ра­боты котла, блока котел-турбина и ТЭС в целом.

Удельную теплоту сгорания топлива определяют опытным путем в кало­риметрических установках топливных лабораторий ТЭС.

Калориметрический метод определения теплоты сгорания основан на полном сжигании массы исследуемого топлива в калориметрической бомбе в изотермическом или адиабатическом режимах при постоянном объеме в атмо­сфере сжатого кислорода 30 кг/см² и измерении подъема температуры калориметриче­ского сосуда, обусловленного теплотой, выделившейся при сгорании топлива и вспомогательных веществ, а также образованием водных растворов азотной и серной кислот в условиях опыта.

Простой в теории метод на практике осложняется необходимостью учета теплообмена калориметрической установки с окружающей средой (при изотермическом режиме) в условиях непрерывного изменения температуры в ка­лориметре и трудностями по учету полного количества тепла от сгорания на­вески, которое воспринимается не только водой, заполняющей калориметриче­ский сосуд, но и отдельными элементами калориметрической установки.

Для вычисления теплоты сгорания топлива по результатам испытаний требуется знать энергетический эквивалент (теплоемкость) калориметра С – количество теплоты, необходимое для подъема температуры калориметра на 1 °С при стандартной температуре 25 С. Энергетический эквивалент определя­ется опытным путем при сжигании аттестованного образца вещества с извест­ной теплотой сгорания в тех же условиях, на той же аппаратуре и с теми же ре­активами и материалами, что и при определении теплоты сгорания испытуемо­го топлива. Обычно для этих целей используется бензойная кислота С₆Н₅СООН со стандартной теплотой сгорания 26454 кДж/кг.

Цель работы – освоение методики определения удельной теплоты сгора­ния топлива.

Описание лабораторной установки.

К алориметр представляет собой прибор настольного типа прямоугольной формы с закругленными углами (рисунок 12). На крышке калориметра расположена вертикальная стойка с двумя держателями метастатического термометра. На этой же стойке расположен кронштейн, свободно передвигающийся по стойке. На кронштейне расположены оптическая система и механический вибратор. Конструкцией предусмотрена возможность вращения стойки вокруг оси и фиксация ее винтом.

На крышке калориметра в специальной резиновой втулке установлен термометр ТЛ-19 для измерения температуры воды в оболочке.

На передней панели калориметра расположены элементы управления и сигнализации:

Рисунок 12 – Калориметрическая установка

- кнопка "сеть" для подачи электрического питания на калориметр, при нажатии которой загорается сигнальная лампа;

- кнопка "мешалки", нажатием которой приводятся во вращение мешалки оболочки и калориметрического сосуда;

- при включении кнопок "нагреватели сосуда и оболочки" загораются соответствующие сигнальные лампы, свидетельствующие о подаче электрического питания на указанные нагреватели;

- нажатием кнопок "вибратор", "зуммер" и "осветитель термометра" включается цепь управления электромеханическим вибратором и электрическим звонком, подающим сигналы для измерения температуры, и коммутируется цепь питания лампы для подсветки шкалы термометра;

- в нижней части лицевой панели расположены розетка "контактный термометр" для подключения электроконтактного термометра и розетка "зажигание" для подключения шнура дистанционного запала.

За лицевой панелью размещены элементы оборудования, обеспечивающие работу всех узлов калориметра.

Рисунок 13 – Калориметрическая установка

Оболочка калориметра (рисунок 13) служит для теплоизоляции установки и представ­ляет собой двухстенный латунный бак прямоугольного сечения, на внутренней поверхности которого расположен змеевик из медной трубки для прокачивания воды при необходимости охлаждения оболочки.

При проведении опытов внутренний объем оболочки полностью заполня­ется дистиллированной водой. В калориметрический сосуд, после размещения в нем бомбы, также вливают дистиллированную воду в количестве от 3000 до 3100 г. Конкретно выбранная масса воды из этого диапазона (определяется за­ранее опытным путем) должна обеспечить значение эффективной теплоемко­сти (энергетического эквивалента) калориметра в пределах 14850...15150 Дж/°С.

Регулирование температуры воды в сосуде и в оболочке осуществляется с помощью встроенных электронагревателей.

Внутри сосуда и оболочки установлены мешалки для поддержания изотермичности калориметрической системы.

Снаружи, на верхней части оболочки, расположена вертикальная стойка с держателями метастатического термометра и с кронштейном, на котором закре­плена оптическая система и электромеханический вибратор.

Метастатический термометр переменного заполнения с диапазоном изме­рения 0...5 °С и ценой деления 0,01 °С служит для измерения изменения темпе­ратуры воды в сосуде. С помощью оптической системы можно определять температуру с точностью до 0,001 °С. Вибратор обеспечивает постукивание по термометру для устранения влияния капиллярных сил при перемещении ртути.

Электроконтактный термометр предназначен для поддержания температу­ры воды в оболочке на требуемом уровне.

Электрическая схема установки управляет электродвигателями мешалок и датчиком времени, который в свою очередь управляет сигнализацией и вибра­тором.

В калориметрах В-08МА используются бомбы двух типов:

I – с клапанами в верхней части бомбы (для испытаний газообразного то­плива);

II – с клапанами в нижней части бомбы (для твердого и жидкого топлива).

Калориметрическая бомба служит для сжигания навески топлива. Она устанавливается на специальную опору в калориметрическом сосуде. Сверху горловина сосуда закрывается крышкой с токопроводами цепи зажигания. Калориметрический сосуд изготовлен из латунного листа, толщиной 1 мм. Вместимость сосуда – (3800+35) см³. С наружной стороны поверхность сосуда полированная. На дне калориметрического сосуда имеется подпятник для оси мешалки. На оси закреплены две крыльчатки. Между крыльчатками находится нагреватель сосуда. Электропитание нагревателя осуществляется через штырьковую клемму. На верхней крышке сосуда расположены два ушка для извлечения его из гнезда и переноски посредством ручки.

На задней стенке калориметра расположены штуцеры змеевика для подвода и слива охлаждающей воды из водопроводной сети, штуцер с резьбовой заглушкой для слива и контроля уровня воды в оболочке при ее заполнении.

Накидная гайка завинчивается рукой, а окончательное уплотнение осуществляется за счет давления кислорода внутри бомбы, после чего подтягивают до упора контргайку. Через входной клапан "1" бомба заполняется кислородом, через выходной клапан "2" выпускаются газы после сжигания. Уплотнение клапанов осуществляется гайкой, которая поджимает прокладки шайбой. Оба клапана находятся снизу.

В тигель, изготовленный из нержавеющей стали, помещают навески топ­лива.

Твердые топлива сжигаются в бомбе, как правило, в виде брикета. Для брикетирования навески служит специальный пресс, в котором таблетки топ­лива получаются из порошка, насыпанного в матрицу, путем сжатия порошка пуансоном, толкаемым винтом.

Кроме описанной калориметрической установки, для проведения опыта необходимо иметь аналитические весы для взвешивания навески топлива, тех­нические весы для отвешивания необходимого количества воды в сосуде, спе­циальную подставку для крышки бомбы при заправке запальной проволоки, баллон с кислородом, источник напряжения 220 В.

Устройство регистратора.

Регистратор состоит из измерительного блока и мультиметра.

а) Измерительный блок представляет собой прибор настольного типа. В нижней части передней панели блока расположен тумблер "сеть". С помощью переключателя "работа-калибровка" устанавливается необходимый режим. Потенциометром "регулировка чувствительности" устанавливается в процессе калибровки необходимая чувствительность регистратора. Посредством ручки "установка нуля" производится установка нуля фотогальванометрического усилителя.

Клеммы К, С, Б предназначены для подключения соответственно красного, синего и белого проводов шланга мультиметра. В правой части передней панели в специальных держателях размещены термометры сопротивления.

На задней панели измерительного блока расположены гнезда:

1) В-08МА 220В-для подключения шнура питания калориметра;

2) Agilent 34411A 6½ Digit Multimeter 220В-для подключения сетевого провода мультиметра;

3) 220В-для подключения осветительного прибора.

Для подключения к электромагнитному стабилизатору напряжения служит жгут. Шнур "сеть 220В 50Гц" предназначен для подачи напряжения от сети на измерительный блок. На задней панели расположена клемма, предназначенная для заземления блока.

б) Мультиметр Agilent 34411A 6½ Digit Multimeter предназначен для измерения напряжения (преобразованной температуры).

Рисунок 14 – Схема калориметрической установки

Аппаратура, материалы, реактивы и растворы:

• калориметр В-08МА;

• измерительный блок;

• мультиметр Agilent 34411A 6½ Digit Multimeter;

• термометр метастатический ТЛ-19;

• термометр электроконтактный ТПК-2П-163

• термометр ртутный лабораторный с пределом измерений 0-50С;

• весы аналитические ВЛР-200, SAHM 0,2 или AVIV S|3-3;

• весы лабораторные технические ВЛКТ-500М или OWA LABOR;

• пресс для брикетирования;

• проволока медная для запала диаметром 0,1-0,2 мм;

• стакан стеклянный лабораторный химический вместимостью 200 см³;

• пипетки вместимостью 10 см³;

• сосуд толстостенный стеклянный лабораторный вместимостью 1-2 дм³;

• баллон кислородный с редуктором;

• стойка с манометром и игольчатым клапаном;

• миллиомметр;

• вода дистиллированная;

• спирт этиловый.

Методика определения теплоты сгорания топлива на калориметре с регистратором.

В данной работе определяется теплота сгорания твердого топлива методом сжигания навески топлива в калориметрической бомбе при изотермическом режиме проведения испытания.

Для измерения изменения температуры в процессе калориметрического опыта используют регистратор.

Датчиками регистратора являются термометры сопротивления, устанавливаемые в калориметрический сосуд. С увеличением температуры сопротивление датчиков изменяется, появляется сигнал разбаланса, который поступает на измерительный блок, усиливается и регистрируется цифровым вольтметром. Датчики образуют одно из плеч моста постоянного тока измерительного блока. Остальные плечи моста состоят из резисторов, которые для исключения ошибок в измерении вследствие изменения температуры окружающей среды помещены в капсулу, погруженную в оболочку калориметра с водой, термостатируемой с высокой точностью.

В предварительно взвешенный тигель из аналитической пробы отбирается навеска топлива массой 0,8... 1,5 г. Навески массой 1 г и более используются при испытании топлива с низкой теплотой сгорания (менее 10 МДж/кг). Твер­дое топливо с зольностью до 35 % сжигают в виде брикета, а с зольностью бо­лее 35 % — в виде порошка.

Затем, установив крышку бомбы на специальную подставку, укрепляют запальную проволоку к электродам и вытягивают среднюю часть отрезка про­волоки, не свертывая ее в петлю. Тигель с навеской топлива помещают в коль­цо токоведущего штифта. Вытянутая средняя часть укрепленного отрезка про­волоки должна плотно прилегать к брикету топлива, находящемуся в тигле, а при испытании топлива в виде порошка проволока должна быть несколько уг­лублена в порошок. В любом случае проволока не должна касаться тигля.

В канавку крышки бомбы наливают пипеткой 1 см³ дистиллиро­ванной воды. На крышку с гайкой и контргайкой надевают корпус бомбы и ввинчивают в накидную гайку, затем затягивают контргайку.

Проверяют сопротивление цепи зажигания в бомбе, значение которого не должно превышать 1 Ом, после чего бомбу медленно наполняют кислородом до давления 2,5...2,9 МПа, не вытесняя из нее воздух, а при сжигании топлива с низкой теплотой сгорания — до 3,4 МПа. По достижении требуемого давления закрывают впускной клапан бомбы и вентиль баллона и отсоединяют кислородоподводящую трубку от бомбы. На клапаны бомбы навинчивают резьбовые колпачки с прокладками.

Для проверки отсутствия утечки кислорода из бомбы, последнюю опуска­ют в сосуд с дистиллированной водой и выдерживают 2 мин. При отсутствии выделяющихся пузырьков кислорода протирают клапаны, к тоководам бомбы присоединяют проводники, вторые концы которых присоединяют к соответст­вующим контактам крышки сосуда калориметра.

Устанавливают бомбу в калориметрический сосуд и проверяют, чтобы ни­что не препятствовало вращению мешалки сосуда. Заполняют сосуд дистилли­рованной водой так, чтобы верхние части бомбы были полностью погружены в воду. Взвешивают сосуд с водой и бомбой (без дужки) с погрешностью не бо­лее 1 г. Масса воды в калориметрическом сосуде должна быть такой же, как при определении энергетического эквивалента калориметра. Масса сосуда с водой должна быть постоянной при всех определениях с данной бомбой, и зна­чение ее записывается в исходные данные для расчета.

Сосуд устанавливают в гнездо калориметра, подсоединяют контакты цепи зажигания, соединители нагревателя, двигателя, и закрывают гнездо крышкой.

Метастатический термометр устанавливают в сосуде таким образом (операцию производит лаборант), чтобы ртутный резервуар находился на уровне середины бомбы. Выбранное положение термометра должно быть по­стоянным при всех определениях теплоты сгорания топлива и определении энергетического эквивалента калориметра. Необходимо проверить положение ударника вибратора, который должен быть расположен с зазором 1...2 мм от термометра.

Включают последовательно переключатели: "Сеть 220 В", "Осветитель", "Двигатель мешалки оболочки", "Двигатель мешалки сосуда", "Вибратор", "Зуммер". Мешалки должны работать с постоянной скоростью в течение всего опыта.

Перед началом измерений нагревают воду в сосуде при помощи нагрева­телей до (25±0,2) °С (до отметки 1,2 по шкале термометра), а в оболочке до (28±0,2) °С. Температура оболочки в калориметре поддерживается автоматиче­ски с погрешностью до ±0,1 °С, а устанавливается по шкале электроконтактно­го термометра.

Измерения температуры разбиваются на три периода

1. начальный, предшествующий сжиганию навески и служащий для учета теплообмена калориметрической установки с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта;

2. главный, в течении которого происходит сгорание навески, передача выделившейся теплоты калориметрической установке и выравнивание температуры всех ее частей;

3. конечный, служащий для учета теплообмена калориметрической установки с окружающей средой в условиях конечной температуры опыта.

Начальный период. Измеряют температуру помещения вблизи калоримет­ра. При перемешивании воды мешалкой температура всех частей калориметра выравнивается и через некоторое время (минут через 10 после включения ме­шалки) будет изменяться равномерно. С этого момента начинают считывать показания температуры в течение 5 мин с интервалом 30 с. Все показания снимают по третьему звуковому сигналу.

Главный период. С последним отсчетом начального периода нажимают кнопку в цепи зажигания для запала навески. Первый отсчет температуры в главном периоде проводят непосредственно че­рез 30 с после последнего отсчета в начальном периоде. Продолжают считывать показания температуры через каждые 30 с. Главный период считают за­конченным с наступлением равномерного изменения температуры. При затруднениях с определением конца главного периода полуминутные промежутки с результатами, вызывающими сомнение в равномерности изменения температуры, относятся к главному периоду, увеличивая, таким образом, его продолжительность.

Конечный период. Последний отсчет главного периода n₂ считают начальным отсчетом конечного периода, в котором снимают 10 показаний с интервалом 30 с.

Рисунок 15 – К определению периодов калориметрического испытания топлива.

По окончании опыта выключают переключатели и сетевой выключатель, вынимают термометр, снимают крышку калориметра, отключают провода от зажимов бомбы, вынимают ее из сосуда. Снимают колпачки с клапанов бомбы, открывают выходной клапан, медленно выпускают газ и разбирают бомбу. Со­бирают остатки запальной проволоки и взвешивают их с погрешностью ±0,0002 г. Тщательно осматривают внутреннюю поверхность корпуса и крышки бомбы. При отсутствии внутри бомбы вкраплений сажи или несгорев­шего образца топлива смывают содержимое корпуса, крышки и тигля горячей дистиллированной водой в стакан. Все промывные воды (250...350 см³) соби­рают в один стакан для последующего определения массы серы, пе­решедшей при сжигании топлива в бомбе в серную кислоту.

Внутреннюю поверхность бомбы и ее детали насухо протирают.

Порядок работы с калориметром

1. Включить калориметрическую установку.

2. Включить мультиметр нажатием кнопки Power на лицевой панели прибора. При включении мультиметра, автоматически выставляются настройки для работы с калориметром.

3. Включить прибор зажигания (выключатель на задней панели прибора). Если горят цифры, то нажать кнопку «Пуск-Сброс». Для сжигания угля, включить режим «11», а для бензойной кислоты «21». Загорается соответствующий светодиод.

4. Включить нагреватель оболочки.

5. Открыть вентиль охлаждающей воды (расход примерно 30-40 единиц). После достижения температуры оболочки 27.5 , выдержать при этой температуре один час для прогрева измерительных резисторов в капсуле.

6. Переключатель «Работа-Калибровка» поставить в положение «Откл.» и ручкой «Уст. 0» выставить показания мультиметра В, вернуться в положение «Работа».

7. Приготовить навеску угля 1г, для бурых углей 0,85-0,9 г. и сделать на прессе таблетку. Взвесить пустой тигель, а затем тигель с таблеткой и данные записать в первичный протокол. Отрезать медную проволоку длиной около 70 см, зачистить от изоляции и взвесить. Данные записать в протокол.

8. Собрать калориметрическую установку.

9. Для работы с мультиметром на компьютере необходимо запустить браузер и в строке ввести адрес мультиметра 169.254.4.10. (Адрес может быть измененным). Если страница мультиметра в браузере установлена как домашняя страница, то адрес вводить не требуется, так как страница загрузится автоматически. В появившейся странице выбрать вкладку Browser Web Control.

10. Установить заправленный сосуд и сделать подключения для запала.

11. Включить нагреватель сосуда. При достижении температуры воды в сосуде 24,2 (показания 0,000 В по мультиметру) выключить нагреватель сосуда. Выждать 30 мин и вновь включить нагреватель сосуда. Окончательное выключение производится при достижении показания 0,650 В.

12. Сразу после второго подогрева воды в калориметрическом сосуде производится настройка мультиметра для регистрации температуры. Нажать кнопку Data Log, выбрать Setup. Переходы в пункты меню осуществляются кнопкой Enter. Клавишами вверх, вниз, влево, право выставить задержку 600-660 секунд и интервал 30 секунд. Установить количество измерений как способ регистрации показаний, выбрать Count. Задать количество измерений 42 (11, 21, 10). Для запуска работы нажать Trig и кнопку Пуск на приборе зажигания. Запал произойдет автоматически. После окончания измерений сохранить данные на компьютере. Для этого в окне Control DMM нажать кнопку View Data. В окне View Data выбрать Non-volatile Memory Readings. Наличие галочек на Index и Units по желанию. Нажать кнопку Get Data. Появившийся столбец данных выделить мышкой и скопировать в буфер клавишами Ctrl+Insert. Открыть Microsoft Office Excel и вставить данные из буфера клавишами Shift+Insert. Рядом с колонкой данных создать колонку разностей температуры между каждым измерением. Из анализа разностей температур определить конец главного периода. Скопировать из колонки данных три периода измерений в Считалку в соответствующие столбцы. Закрыть окно View Data в браузере.

13. Вернуть настройки мультиметра. Для этого нажать кнопку Utility, выбрать Store/Recall, Recall, Kalorimetr.

Обработка результатов опыта

1) Определение критерия а

где n_а - показания вольтметра по истечении двух минут главного периода, В; n₁ и n₂ - начальное и конечное показания вольтметра в главном периоде, В.

2) Определение числа отсчетов главного периода с быстрым и медленным подъемом температуры.

Z₁ - число полуминутных промежутков главного периода с быстрым изменением показаний вольтметра. К числу z₁ всегда относят первый промежуток главного периода независимо от величины изменения показаний.

Z₂- число полуминутных промежутков главного периода, не отнесенных к числу z₁.

Если общее число полуминутных промежутков главного периода составляет z, то z₂= z- z₁.

Значение z₁ можно установить по таблице

A	z1
до 0,50	9
0,50-0,64	8
0,64-0,73	7
0,73-0,82	6
0,82-0,91	5
0,91-0,95	4
св.0,95	3

3) Вычисление средних скоростей изменения показаний вольтметра V₁ и V₂:

где n_н - показание вольтметра, соответствующее нулевому отсчету начального периода, В;

n₁ - показание вольтметра, соответствующее первому отсчету главного периода в момент запала, В;

n₂ - показание вольтметра, соответствующее последнему отсчету главного периода, В;

n_к - показание вольтметра, соответствующее последнему отсчету конечного периода, В.

4) Вычисление поправки на теплообмен калориметра с окружающей средой n:

5) Теплоту сгорания в бомбе испытуемой аналитической пробы топлива в Дж/г или кДж/кг вычисляется по формуле:

где С - теплоемкость калориметрической системы, Дж/С;

m - масса навески испытуемого топлива, г;

m₁ - масса проволоки для запала ( m₁=m_пр-m_ост), г;

q₁ - теплота сгорания медной проволоки , равная 2510 Дж/г.

6) Высшая теплота сгорания аналитической пробы топлива в кДж/кг вычисляется по формуле:

где  - коэффициент, учитывающий теплоту образования серной кислоты из двуокиси серы и теплоту растворения этой кислоты в воде, численно равный 94 кДж на 1% серы, перешедшей при сжигании топлива в калориметрической бомбе в серную кислоту;

-содержание серы ,перешедшей при сжигании в серную кислоту, %;

 - коэффициент, учитывающий теплоту образования и растворения в воде азотной кислоты, равный:

0,001 - при испытании тощих углей и антрацитов;

0,0015 - при испытании других углей, горючих сланцев, торфа и древесины.

Высшую теплоту сгорания аналитической пробы топлива вычисляют по двум параллельным испытаниям. Допустимое расхождение между этими результатами не должно превышать 85 кДж/кг.

7) Высшая теплота сгорания топлива в рабочем состоянии в кДж/кг вычисляется по формуле:

где - массовая доля влаги в топливе в рабочем состоянии, %

W^а -массовая доля влаги в аналитической пробе, %

8) Низшая теплота сгорания рабочего топлива в кДж/кг вычисляется по формуле:

где  - коэффициент для расчета теплоты конденсации паров и охлаждения воды, выделившейся при сгорании топлива в калориметрической бомбе, численно равный 24,42 кДж на 1% выделившейся воды.

8,94 - коэффициент пересчета массовой доли водорода на воду;

H^r - массовая доля водорода в рабочем топливе, %.

Указания по технике безопасности.

При работе на данной установке необходимо соблюдать следующие пра­вила безопасности:

1. Операцию зарядки бомбы кислородом выполняет лаборант; при зарядке давление в бомбе не должно превышать 3,9 МПа.

2. Во избежание взрыва при зарядке бомбы руки, одежда, гаечные ключи не должны иметь следов масла. Следует помнить, что кислород вступает в ак­тивную реакцию с маслом.

3. В момент нажатия кнопки "Зажигание" и в течение последующих 20 с находиться от установки на расстоянии вытянутого шнура.

4. При регулировании скорости мешалки нельзя касаться токоведущих частей реостата.

5. Перед снятием крышки бомбы плавно выпустить газы через выходной клапан.

6. Пользоваться ключом нужного размера, исправным, без заусениц.

Студенту запрещается производить любые действия, не предусмотренные методикой выполнения опыта.

Работа №6