9. Пересчитать выход летучих и коксового остатка на горючую массу; определить погрешности расчетов.

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 влияния выхода летучих и характера коксового остатка на организацию и процесс горения.

Литература: [3]; [7], с. 19.

Работа 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

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

Qнр = 339Ср +1030Нр −109(Ор −Sлр ) − 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 + QН			2	Н2	+ QН SH 2S + QСН		4	СН4 +
					2
+ QС2Н6 С2 Н6 +…+ QСnHm Cn Hm ),
где QCO ,QH2	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. 5), погруженной в калориметрический сосуд, заполненный дистиллированной водой. Последний устанавливают в калориметре (рис. 6). 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.

Рис. 5	Рис. 6

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

Q = Cmi ∆t ,

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

Рис. 7

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. 7. 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.

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

Ct = t1 +2 t 2 rб + t 2 rм,

где t1- среднее изменение температуры за полуминутный промежуток отсчетов температуры в начальном периоде, в делениях шкалы термометра; t 2- 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. 7); 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. 7).

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 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 ) −(tнm+ hн ) + Сt ] −q1G1 ,

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 кислоту. 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 кислотообразования определяют по формуле, кДж/кг

Qва = Qба −94Sба −(0,001…0,0015)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

Qвр = Qва 100 − W ра ,

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

Qнр = Qвр − 25(9Нр + 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) для испытуемого топлива.

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

∂Q

2

∂Q

2

∂Q

2

2

2

2

∆Q = ±

∆Ci

+

∆∆t +

∆m ,

∂Ci

∂∆t

∂m

где ∆Сi

, ∆∆t , ∆m

- соответственно абсолютные погрешности

измерения эффективной

теплоемкости

(из

паспортных данных

калориметра), температуры калориметра (∆∆с = ±0,01°С), массы навески топлива (см. работу 1).

Так как Q = Ci∆t/m, то

∆Q = ±	∆t 2	∆2C	i +	C2	∆2	C2	∆t 2 ∆2
	m2			i	∆t +	i	m .
				m2			m4

Относительная погрешность, %

δQ = ∆QQ 100.

Низшая теплота сгорания рабочей массы является основным показателем энергетической ценности топлива. Для сравнения энергетической ценности топлив с различной теплотой сгорания введено понятие об условном топливе с теплотой сгорания 29300 кДж/кг. Тепловой эквивалент топлива представляет отношение

Э = Qнр . 29300

Этой характеристикой удобно пользоваться при сравнении работающих установок по экономичности и другим показателям.

Изменение теплоты сгорания QнР топлива, сжигаемого в топочном устройстве, может происходить по двум причинам: при изменении влажности и зольности топлива одной марки и при изменении марки сжигаемого топлива. Влияние изменения QнР на процесс горения для первого случая рассмотрено в работах 1 и 2. При изменении марки твердого топлива теплотворная способность может изменяться вследствие изменения содержания углерода в 1 кг топлива за счет изменения влажности и зольности (см. работы 1 и 2) или (при сохранении тех же значений Ар и WР) за счет изменения содержания в топливе кислорода Ор и азота NP.

Уменьшение количества Ор приведет к увеличению расхода окислителя до значения, необходимого для качественного сжигания топлива; режим горения изменится незначительно, однако несколько возрастет объем продуктов горения за счет увеличения объема азота воздуха, а также тепловыделение в топке.

Увеличение QнP за счет уменьшения содержания в топливе азота также приведет к увеличению тепловыделения в топке и некоторому увеличению объема дымовых газов.

Таким образом, влияние изменения теплотворной способности топлива на процесс горения необходимо рассматривать с учетом комплекса причин, вызвавших это изменение, т. е. индивидуально для конкретных топлив.

III. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 8) 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 за давлением в системе осуществляется манометрами 10.

Рис. 8

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. 8). 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 точностью ±0,001 г.

6.Подготовить к опыту калориметрическую бомбу (см. рис. 5); 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 зажигании 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. 8) 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. 5).

8. Подготовить к опыту калориметр, для этого:

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

б) установить бомбу в калориметрический сосуд (рис. 6).

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. 6);

г) установить сосуд в гнезда калориметра на подставку 11 (рис. 6), 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. 8) 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. 6) 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 калориметра:

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 (см. рис. 5), открыть ключом выходной клапан и постепенно в течение (4...5) мин выпустить газ; разобрать бомбу.

			Форма 4
	Запись отсчетов по
Период	термометру		Данные для расчета
	номера	показания по
	наблюде-	шкале
	ний	термометра
1	2	3	4

Начальный	0		Температура помещения
	1
	2		Сi = 15000 Дж/град
	3		Н = 1,000 град/дел.
	4		tн =
	5		hн		=			х0	− х10
	6				=
				t1
	7
									10
	8
	9
Главный	10	tн=
	(запал)
	11		rб =
	12		rм =
	13		tк =
	14		hк =
	15						х24 − х34
			t 2		=
	16
									10
	17		q1 =
	18		G1 =
	19		m =
	20							Уголь марки
	21
	22
	23
	24
Конечный	25	tк=	Vг =
	26
	27		Wа =
	28		Aa =
	29		Sа =
	30		Sла =
	31		Нг =
	32		Нр =
	33		Wр =
	34

12. Осмотреть бомбу, если внутри бомбы 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.