Как найти теплоту при сгорании топлива

Полезные подарки для родителей

В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!

V.Содержание отчета

1.Краткое описание лабораторной установки, основные теоретические положения, порядок проведения работы.

2.Технические характеристики оборудования и метрологические характеристики средств измерений.

3.Результаты опытов, таблицы, рисунки, необходимые расчеты, сравнение результатов работы с табличными значениями (приложение 1).

4.Выводы по работе с пояснением о влиянии выхода летучих и характере коксового остатка на организацию и процесс горения.

I. Цель работы

Экспериментальное определение теплоты сгорания топлива по бомбе для аналитической пробы топлива, пересчет ее на низшую теплоту сгорания для рабочей массы; приобретение навыков анализа влияния теплоты сгорания на процесс горения.

II. Основные теоретические положения

Теплота сгорания − одна из основных тепловых характеристик органического топлива. Теплотой сгорания называют теплоту, которая выделяется при полном сгорании единицы массы [кг] или объема [м3] топлива. Определяется теплота сгорания двумя способами:

1) аналитически из полуэмпирического выражения, полученного Д.И. Менделеевым для твердого и жидкого топлива, кДж/кг

Qн р = 339Ср +1030Н р −109( Ор − Sл р ) − 25W р ,

где QP, НР, ОР, SЛР, Wр − процентное содержание водорода, углерода, кислорода, серы летучей и влаги в рабочей массе топлива; первые три коэффициента, умноженные на 100, − теплота сгорания углерода, водорода и серы; четвертый коэффициент, умноженный на 100, − теплота испарения воды; для газообразного топлива, МДж/м3

Qнс = 0,01( QСОСО +QН2 Н2 +QН2 S H2S +QСН4 СН4 + +QС2 Н6 С2 Н6 +K+QСn H m Cn Hm ),

где QCO ,QH 2 и т. д. − теплота сгорания каждого газа, входящего в состав

топлива; СО, Н2 и т. д. − процентное содержание соответствующего газа в 1 м3 топлива;

2) экспериментально путем сжигания навески топлива в калориметре. Этот способ дает наиболее достоверные результаты.

Сущность калориметрического метода определения теплоты сгорания состоит в том, что навеска испытуемого топлива сжигается в среде кислорода под давлением 29,4·105 Па (30 кгс/см2) в специальной камере − калориметрической бомбе (рис. 29), погруженной в калориметрический сосуд, заполненный дистиллированной водой. Последний устанавливают в калориметре (рис. 30). Бомба состоит из корпуса 6, крышки 5, между крышкой и корпусом вложены уплотнительные кольца: резиновое 4 и металлическое 2, поджимаемые к корпусу накидной гайкой 3 и контргайкой 1.

Калориметр представляет собой сосуд с двумя оболочками: наружной 14 и внутренней 12; внутренняя полость между оболочками заполняется водой, температура которой поддерживается постоянной при помощи нагревателя (на рис. не показан), охлаждающего змеевики 2 и мешалки 4; сверху внутренняя полость 1 изолирована текстолитовой плитой 3, с отверстиями 8 для установки термометров; калориметр помещен в декоративный кожух 13. В центре калориметра имеется гнездо, образованное внутренней оболочкой 12, куда на ножки 11 устанавливается калориметрический сосуд 7; сосуд сверху закрывается металлической крышкой 6, а гнездо − эбонитовой крышкой 5. Калориметрическая бомба 9 устанавливается внутри сосуда на специальные подставки 10.

Теплота, выделяемая при сгорании навески, через стенки бомбы передается воде калориметрического сосуда. Замерив повышение температуры воды за время опыта, из уравнения калориметрии (без учета поправок) определяется удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг

C t Q = mi ,

где Сi − эффективная теплоемкость калориметра (обычно задается); t − изменение температуры сосуда калориметра при сжигании навески топлива; m – масса навески топлива.

Калориметрический опыт разделяется на три периода: начальный, служащий для учета теплообмена калориметра с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта; главный, в течение которого происходит сгорание навески топлива, сопровождающееся быстрым подъемом и выравниванием температуры в калориметрическом сосуде; конечный, служащий для учета теплообмена калориметра с окружающей средой в условиях конечной температуры опыта. Характер изменения температуры в калориметрическом сосуде показан на рис. 31. Перпендикуляр, восстановленный к оси абсцисс через (·) С (последняя точка отсчета с быстрым подъемом температуры), делит площадь ВВ’СДД’ на две равные: ВВ’С и СДД’. Эти площади показывают влияние на опыт нестационарности теплообмена бомбы с водой в калориметрическом сосуде. При правильно выбранной начальной температуре воды в калориметрическом сосуде t0 погрешность, вследствие влияния этого теплообмена, сводится к минимуму.

Рис. 31. Изменение показаний термометра Бэкмона

Поправку на теплообмен калориметра с окружающей средой вычисляют по формуле, °С

Ct = t1 +2 t2 rб + t2rм ,

где t1 − среднее изменение температуры за полуминутный промежуток отсчетов температуры в начальном периоде, в делениях шкалы термометра; t2 − то

же в конечном периоде; rб − число полуминутных промежутков главного периода с быстрым (0,3 °С и более за 30 с) подъемом температуры, т. е. от (·) В до

(·)С (рис. 31); rм − число полуминутных интервалов главного периода с медленным (менее 0,3 °С за 30 с) подъемом или снижением температуры, т. е. от

(·)С до (·) Е (рис. 31).

При вычислении t1 и t2 необходимо вычесть последний отcчет из первого как в начальном, так и в конечном периодах и подставить в формулу с полученным знаком. В связи c этим значение Ct может быть положительным (калориметр отдает теплоту в окружающую среду) и отрицательным (теплообмен направлен в противоположную сторону).

Измерение температуры в калориметрическом сосуде производится метастатическим термометром с ценой деления 0,01 °С; отсчет может производиться с точностью ±0,001 °С при использовании специальной лупы. Поправки к показаниям на калибр hк и hн при температурах tк и tн берутся из паспортных данных термометра (приложение ЛР 2). Цена оцифрованного деления Н = 1 при измерениях в диапазонах температур от 20 до 25 °С.

Взвешивание массы навески топлива и запальной проволоки производится на аналитических весах; погрешность весов ±0,001 г.

Погрешность эффективной теплоемкости калориметра берется из его паспортных данных.

Расчетная формула для определения теплоты сгорания в бомбе аналитической пробы топлива с учетом поправок на показания термометра и теплообмен с окружающей средой имеет вид, кДж/кг

Qба = Сi H [( tк + hк ) −( tн + hн ) + Сt ] − q1G1 , m

где G1 −масса сгоревшей части запальной проволоки, кг;

G1 = G – G2 ,

G − масса запальной проволоки до начала опыта, кг; G2 − масса остатка проволоки после опыта; q1 − теплота сгорания запальной проволоки, кДж/кг (для меди − 2510, константана − 3140, никелина − 3240, железа − 6690).

Сера, содержащаяся в топливе, сгорает в калориметрической бомбе при большем избытке кислорода, чем в топках промышленных установок, с образованием SО3, а не SO2, высший окисел, растворяясь в воде, образует серную ки-

слоту. Поэтому при сгорании 1 кг серы в бомбе выделяется теплоты на 9400 кДж больше, чем в топке.

В бомбе, в отличие от реальных условий сжигания топлива в топке, имеет место также некоторое тепловыделение за счет реакции образования азотной кислоты, пропорциональное теплоте сгорания Qδa; его принимают равным 0,001 Qδa для тощих углей и антрацитов и 0,0015 Qδa для остальных углей, торфа и горючих сланцев.

Высшую теплоту сгорания аналитической пробы топлива с учетом кисло-

тообразования определяют по формуле, кДж/кг

Qва = Qба −94Sба −( 0,001K0,0015 )Qба ,

где Sδa − количество серы, перешедшей при сжигании топлива в бомбе в серную кислоту (определяется в смыве бомбы (см. работу 5)).

При сжигании топлива с теплотой сгорания более 14650 кДж/кг и общим содержанием серы Sла < 4 % вместо Sδa используют Sла. При определении высшей рабочей теплоты сгорания учитывают теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива.

Пересчет на рабочую массу выполняют по следующему выражению, кДж/кг:

Qв р = Qва 100 −W ар ,

100 −W

где Wр, Wa − влажность топлива на рабочую массу аналитической пробы соответственно, %.

При температуре уходящих дымовых газов выше температуры конденсации водяных паров, как это имеет место в реальных условиях, теплота конденсации не учитывается. В таком случае при выполнении тепловых расчетов пользуются низшей теплотой сгорания, кДж/кг

Qн р = Qв р − 25( 9Н р +W р ),

где 25 − скрытая теплота парообразования 0,01 кг водяного пара, кДж; 9 − коэффициент пересчета содержания водорода в топливе на воду. Нр определяют из таблиц (см. приложение ЛР 1) для испытуемого топлива.

Абсолютную погрешность косвенного определения теплоты сгорания топлива можно вычислить по результатам опыта из выражения, кДж/кг

III. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 32) состоит из калориметра 1 с установленными на нем электроконтактным ртутным термометром 2, служащим для регулирования температуры воды в калориметре, ртутным термометром 3 для контроля температуры воды в оболочке калориметра, метастатическим термометром 6, служащим для измерения разности температур в калориметрическом сосуде, и стойкой 7, служащей для крепления термометра 6 и перемещения вдоль вертикальной оси термометра 6 оптического устройства 4 и вибратора 5. Навеска топлива изготавливается при помощи пресса 8, затем помещается в калориметрическую бомбу 9, заполняемую кислородом из баллона 14. Кислород к бомбе подается через понижающий редуктор 13 и контрольный редуктор 11 при помощи трубок 12. Контроль над давлением в системе осуществляется манометрами 10.

Рис. 32. Калориметрическая установка

IV. Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с устройством калориметра, бомбы, пресса и лабораторной установкой в целом.

2.Записать технические характеристики оборудования и метрологические характеристики средств измерений, используемых в работе.

3.Изготовить навеску испытуемого топлива при помощи пресса 8 (рис. 32). Порядок изготовления − по указанию преподавателя.

4.Взвесить полученный брикет топлива на аналитических весах. Масса брикета должна быть равна [(0,800…1,500) ±0,001) г].

5.Взвесить запальную проволоку из заранее известного материала с точно-

стью ±0,001 г.

6. Подготовить к опыту калориметрическую бомбу (см. рис. 29); для этого: а) установить тигелек и кольцо держателя на крышке бомбы; б) навесить брикет на проволоку, концы которой закрепить на электродах

крышки так, чтобы брикет свободно висел над тигельком, проволока не должна касаться его стенок;

в) налить с помощью пипетки 1 мл дистиллированной воды в канавку крышки бомбы;

г) проверить сопротивление цепи зажигания в бомбе; сопротивление цепи зажигания должно быть равно (1,0±0,1 Ом);

д) надеть на крышку бомбы последовательно резиновую прокладку и косым срезом к ней металлическое кольцо, вставить крышку в корпус бомбы и завинтить рукой накидную гайку, установить бомбу в переносную подставку.

7. Заполнить бомбу кислородом, для этого:

а) открыть входной клапан «1» и выходной клапан «2» на внешней стороне крышки бомбы на половину оборота, снять резьбовые колпачки с клапанов;

б) подсоединить к клапану «1» кислородопроводящую трубку 12 (рис. 32) от контрольного редуктора 11. При завинчивании накидной гайки трубки 12 следует удерживать клапан «1» ключом, чтобы он не закрывался;

в) открыть вентиль на баллоне 14 до установления на выходе редуктора 13 давления 3,1 МПа, плавно открыть клапан контрольного редуктора 11 до установления на его манометре давления 0,49 МПа, продуть бомбу при этом давлении в течение (2,0±0,1 мин).

г) закрыть ключом выходной клапан «2» и медленно за (1,5±0,5 мин) наполнить бомбу кислородом до давления 2,84 МПа. Закрыть клапан контрольного редуктора 11, завернуть ключом до упора входной клапан «1» бомбы;

д) отсоединить от входного клапана «1» кислородопроводящую трубку 12, завинтить рукой до упора контргайку 1 (рис. 29).

8. Подготовить к опыту калориметр, для этого:

а) присоединить к токовым выводам бомбы проводники, другие концы которых подсоединить к клеммам крышки 6 (рис. 30) калориметрического сосуда; навинтить на клапаны «1» и «2» бомбы резьбовые колпачки;

б) установить бомбу в калориметрический сосуд (рис. 30).

в) заполнить калориметрический сосуд дистиллированной водой так, чтобы она полностью покрывала бомбу, температура воды не должна быть более 24,5 °С, закрыть сосуд крышкой 6 (рис. 30);

г) установить сосуд в гнезда калориметра на подставку 11 (рис. 30), закрыть крышкой 6, подсоединить контакты цепи зажигания и разъем нагревателя к гнездам на крышке 6, проверить исправность цепи зажигания, подсоединив омметр к гнезду «Зажигание» на передней панели калориметра;

д) установить метастатический термометр 6 (рис. 32) в специальное гнездо, плавно опуская его таким образом, чтобы его нижний ртутный резервуар находился на уровне середины бомбы;

е) проверить положение ударника вибратора – (1…2 мм) от корпуса метастатического термометра;

ж) вставить вилку шнура с кнопкой зажигания в гнезда «Зажигание», подать питание 220 В, 50 Гц на калориметр, включить последовательно кнопки «Сеть», «Мешалка», «Осветитель термометра», «Вибратор», «Зуммер»; зуммер должен быть хорошо слышен, а вибратор слегка ударять по термометру;

з) включить кнопки «Нагреватели сосуда, оболочки», установить температуру воды: внутренней полости 1 (рис. 30) 27,5 °С, в калориметрическом сосуде 24,9 °С; при установлении показаний 1,1 деления по шкале метастатического термометра (достигается предварительной его настройкой) отключить кнопку «Нагреватель сосуда».

9.Провести эксперимент по определению удельной теплоты сгорания топлива, для этого:

а) выждать 10 мин для выравнивания температуры всех частей калоримет-

ра:

б) провести начальный период эксперимента, для этого следует отсчитать 10 показаний по шкале метастатического термометра, каждое показание считывать по третьему сигналу зуммера (или по третьему загоранию сигнальной лампы «Отсчет»); результаты данного и последующих периодов опыта занести в таблицу по форме 4;

в) провести главный период эксперимента, для этого на одиннадцатом отсчете (считая его первым отсчетом главного периода) нажать кнопку цепи зажигания; отсчитать 15 показаний по шкале метастатического термометра в том же темпе, как в п. б);

г) провести конечный период эксперимента, для этого, считая последний отсчет главного периода первым отсчетом конечного периода, отсчитать в нем 11 показаний в том же темпе, что и в п. б).

Примечание. Погрешность считывания по шкале метастатического термометра в начальном, главном (с четвертого отсчета) и в конечном периодах не должна превышать 0,1 наименьшего деления шкалы, в главном периоде погрешность первых трех отсчетов после зажигания не должна превышать двух наименьших делений шкалы.

10.Отключить питание калориметра, выключить все кнопки, извлечь и отвести в сторону метастатический термометр, снять крышку калориметра, отсоединить все провода от крышки калориметрического сосуда, извлечь сосуд из гнезда, а бомбу − из сосуда.

11.Снять колпачки с клапанов бомбы, установить бомбу на подставку, отвинтить контргайку 1 (рис. 29), открыть ключом выходной клапан и постепенно

втечение 4…5 мин выпустить газ; разобрать бомбу.

12.Осмотреть бомбу и если внутри имеются сажистые вкрапления или недогоревшее топливо, эксперимент повторить с самого начала. При отсутствии их тщательно отмыть горячей дистиллированной водой все внутренние части бомбы, включая тигелек, крышку и ее каналы, особенно выпускной. Всю промывную воду (300…350 мл) собирают вместе с содержанем тигелька в стакан. Смыв бомбы подвергают анализу в соответствии с указаниями к работе 5.

13.Собрать остатки запальной проволоки и взвесить их с погрешностью

±0,001 г.

14. Рассчитать значения Qба; Qвa; QвP; QнР и погрешности расчета; сравнить полученные значения со справочными данными (приложение ЛР 1).

Примечание. Работу с регистратором смотри в приложении ЛР 4.

V.Содержание отчета

1.Описание лабораторной установки, технические характеристики оборудования и метрологические характеристики средств измерений.

2.Основные теоретические положения.

3.Краткое описание методики проведения эксперимента по определению теплоты сгорания топлива.

4.Необходимые рисунки, расчеты.

5.Выводы по работе с указанием факторов, влияющих на изменение теплоты сгорания топлива и процесс горения.

Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ В ТОПЛИВЕ (МЕТОД «СМЫВА БОМБЫ»)

I. Цель работы

Изучение методики определения содержания серы в твердых и жидких топливах; анализа влияния содержания серы в топливе на коррозионную агрессивность продуктов сгорания.

II. Основные теоретические положения

При сжигании сернистых топлив температура точки росы продуктов сгорания может быть намного выше точки росы, определяемой парциальным давлением водяных паров в дымовых газах. Это превышение обусловлено наличием в газах окислов серы, содержащейся в топливе, в частности сернистого SO2

исерного SO3 ангидрида. Соединяясь с парами воды, они образуют смесь кислот, которая, конденсируясь на низкотемпературных поверхностях нагрева, вызывает коррозионное разрушение металла.

Увеличение содержания серы в топливе приводит к росту содержания SO2

иSO3 в дымовых газах, повышению температуры точки росы продуктов сгорания и снижению экономичности оборудования вследствие необходимости увеличения температуры уходящих газов.

Вобласти высоких температур при соприкосновении газов с горячими по-

верхностями нагрева SO2 окисляется до SO3. Катализаторами этой реакции являются пленка окалины Fe2O3 и слой нагара. Образующиеся при этом сульфидные окислы железа разрушают защитную пленку окалины, что приводит к повреждению металла поверхностей нагрева. Особенно подвержены высокотемпературной газовой коррозии трубки пакетов пароперегревателя.

При сжигании топлива в бомбе сера, содержащаяся в нем, сгорает с обра-

зованием SO3 и, соединяясь с водой, образует H2SO4. Серная кислота в растворе диссоциирует, образуя ионы водорода и сульфат-ионы. При соединении с рас-

твором хлористого бария ВаС12 образуется сульфат бария в виде осадка по реакции

H2SO4 + ВаСl2 = 2НСl + BaSO4.

Содержание общей серы в аналитической пробе может быть найдено из выражения, %

Sa = q 0,1374 100, m

где q − масса сернокислого бария; 0,1374 − коэффициент пересчета сернокислого бария на содержание в нем серы; m − масса навески топлива.

Для оценки точности определения содержания Sa необходимо провести несколько опытов, вычислить среднее арифметическое

Sа = 1 ∑n Siа ,

n i=1

найти отклонения

Siа = Sа −Siа

и вычислить среднеквадратическое отклонение результатов измерения

Вычислить доверительные границы εр, за пределы которых с заданной доверительной вероятностью P = 0,95 не выйдет за истинное значение содержания серы в аналитической пробе. Запись результата

Sа ± εр ,

где εр = σS а t р.

Коэффициент tP определяется по таблице Лапласа, исходя из условия, что распределение погрешностей подчиняется нормальному закону.

III. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 33) состоит из электрической муфельной печи 2 с задатчиком температуры 1; термоэлектрического термометра, состоящего из термоэлектрического преобразователя 4 и милливольтметра 5, отградуированного в градусах Цельсия, эксикатора 6, нагревательного устройства 8, тигля 3, стакана 7, аналитических весов и набора реактивов: соляной кислоты, метилоранжа, 10 %-го раствора хлористого бария (на рис. не показаны).

Удельная теплота сгорания топлива — это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании (1) кг твёрдого или жидкого топлива или (1) м³ газообразного топлива.

Водород — один из высокоэнергетических видов топлива. Кроме того, продуктом сгорания водорода является обычная вода, в отличие от других видов топлива, где продуктами сгорания являются углекислый и угарный газы, зола и топочные шлаки. Это делает водород экологически наиболее чистым топливом.

Однако газообразный водород взрывоопасен. К тому же он имеет самую малую плотность в сравнении с другими газами при равной температуре и давлении, что создаёт сложности со сжижением водорода и его транспортировкой.

Общее количество теплоты (Q), выделяемое при полном сгорании (m) кг твёрдого или жидкого топлива, вычисляется по формуле:

Общее количество теплоты (Q), выделяемое при полном сгорании (V) м³ газообразного топлива, вычисляется по формуле: