ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОПЛИВНОЙ ПЫЛИ. Учебнометодическое пособие для выполнения лабораторных работ Для студентов, обучающихся по направлениям 13. 03. 01 Теплоэнергетика и теплотехника
 Скачать 2.01 Mb.
|
|
HCV = Gross Calorific Value = GCV); - низшая теплота сгорания(Lower Heating Value LHV = Lower Calorific Value LCV = Net Calorific Value NCV). 25 Высшая теплота сгорания отличается от низшей на величину теплоты конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания: квп r r Q Q Q s i С учѐтом скрытой теплоты конденсации водяных паров (примерно равной 2500 кДж/кг) и расхода водяных паров (W r +9H r ), образовавшихся в результате испарения влаги и горения водорода, входящего в состав высокомолекулярных органических соединений, соотношение (математическая связь) между низшей и высшей теплотой сгорания представляется следующим образом: ), 9H 25(W r r r r s i Q Q , кг кДж , 225H d d d s i Q Q , кг кДж , 225H daf daf daf s i Q Q кг кДж В практических расчѐтах в качестве показателя теплотворной способности топлива, как правило, применяют низшую теплоту сгоранияQ i , поскольку в реальных промышленных установках температура уходящих газов во избежание низкотемпературной коррозии должна превышать температуру конденсации водяного пара (точку росы), а, следовательно, теплота его конденсации не используется. При отсутствии опытных данных теплота сгорания твѐрдого и жидкого топлива при заданном элементном составе топлива может быть приближенно рассчитана по формуле Д. И. Менделеева: , 25W 109O 109S 1030H 339C r r r p o r r r i Q , кг кДж где r r r p o r r W , O , S , H , C — соответственно, содержание углерода, водорода, летучей серы, кислорода и влаги в рабочей массе топлива, %. 26 Теплота сгорания газообразного топлива определяется как сумма произведений объѐмных долей отдельных горючих газов на теплоту их сгорания (МДж/м 3 ): , S H H CO H C 01 , 0 2 S H 2 H CO n m H C d 2 2 n m Q Q Q Q Q i где S H H CO H C 2 2 n m , , , Q Q Q Q — теплота сгорания отдельных газов, МДж/м 3 , С m H n , СO, H 2 , H 2 S — объѐмные доли соответствующих компонентов, %. При подстановке значений теплоты сгорания отдельных компонентов можно получить универсальную формулу для расчѐта теплоты сгорания газообразного топлива (МДж/м 3 ): S H 4 , 23 H C 3 , 91 H C 8 , 63 CH 85 , 35 CO 65 , 12 H 8 , 10 01 , 0 2 8 3 6 2 4 2 d i Q При сжигании смеси двух видов топлива теплота сгорания смеси определяется по формуле: ), 1 ( 1 2 1 1 r cм m Q m Q Q r i r i i , кг кДж где m 1 — массовая доля топлива с теплотворной способностью r i Q 1 Наиболее точно теплота сгорания твѐрдого и жидкого топлива определяется экспериментально в специальном приборе – калориметрической бомбе. Сущность калориметрического метода определения теплотворной способности топлива Q б (по бомбе) заключается в сжигании навески топлива m т в адиабатическом режиме в среде сжатого кислорода и расчѐте теплового эффекта. Теплота, выделяющаяся при горении топлива, поглощается водой. Зная массу воды m в , по изменению еѐ температуры Δt вычисляют теплоту сгорания из уравнения теплового баланса, которое в упрощѐнном виде выглядит следующим образом: t С m m Q p в т б , где С p – изобарная теплоѐмкость воды при средней температуре, кДж/(кг∙°С). 27 Описание экспериментальной установки Калориметр представляет собой сосуд с двумя оболочками: наружной и внутренней, – т.е. оболочка калориметра представляет собой закрытый двухстенный бак с крышкой (рис. 4). Рис. 4. Калориметр, бомба и весы с навеской топлива Внутренняя полость между оболочками заполняется водой, обеспечивая практически нулевой теплообмен с окружающей средой (адиабатический режим). Калориметрическая бомба представляет собой стальной стакан, в крышке которого имеются два отверстия: одно для заполнения бомбы кислородом, другое – для выпуска продуктов сгорания. В центре бомбы расположены два электрода, на которые для воспламенения топлива подаѐтся напряжение 6…12 В (рис. 5). Калориметрическая бомба помещается в калориметрический сосуд, заполненный водой. Для выравнивания температуры внутри сосуда предусматривается вертикальная мешалка, которая приводится в действие от электродвигателя. 28 Для определения изменения температуры воды в калориметре служит лабораторный метастатический термометр Бекмана, рассчитанный на измерение температуры в диапазоне от 0°С до 5 °С и с ценой деления 0,01 °С. Рис. 5. Калориметрическая бомба В состав лабораторной установки также входят: винтовой пресс для приготовления брикета топлива, цифровые весы, баллон со сжатым кислородом и редуктором для подачи кислорода в бомбу (рис. 6). Рис. 6. Пресс для приготовления брикета топлива и баллон со сжатым кислородом 29 Схема калориметрической установки представлена на рис. 7. Рис. 7. Калориметрическая установка: 1 – калориметрическая бомба; 2– калориметр; 3 – наружная оболочка; 4 – термометр; 5 – крышка; 6 – мешалка с приводом В герметически закрытой калориметрической бомбе сжигают навеску аналитической пробы топлива в среде кислорода, подаваемого под давлением 2,5…3 МПа (см. рис. 5, 6). Количество теплоты, выделяемой при сжигании топлива, определяется по повышению температуры воды в калориметре, в который помещена калориметрическая бомба, и частей самого калориметра с учѐтом их водяного эквивалента. Температура воды в калориметре близка к температуре окружающего воздуха (20 °С), поэтому водяной пар, образующийся в бомбе при сжигании топлива, практически полностью конденсируется. Следовательно, тепловой эффект, измеряемый с помощью калориметра, должен соответствовать высшей теплоте сгорания. Однако, определенная таким образом теплота сгорания в бомбе Q б превышает высшую теплоту сгорания Q s , так как при сгорании топлива в бомбе в среде кислорода протекают экзотермические реакции образования серной и 30 азотной кислот, которые в топочных условиях не имеют места. Поэтому при расчѐте теплоты сгорания следует ввести соответствующие поправки. С учѐтом кислотообразования при сжигании навески аналитической пробы топлива: ), S ( a б a t a б a Q Q Q s , кг кДж где β– коэффициент, учитывающий теплоту образования серной кислоты при окислении продуктов сгоревшей в бомбе серы , % , S a t от SO 2 до SO 3 и растворении серного ангидрида в воде. Численно этот коэффициент равен 94 кДж на 1 % серы; α – коэффициент, учитывающий теплоту образования азотной кислоты, и равный: 0,001 для тощих углей, антрацита и жидкого топлива и 0,0015 – для других углей, сланцев и торфа. Порядок выполнения работы 1. На электронных весах взвешивают запальную проволоку длиной 10…12 см. Теплота сгорания запальной проволоки, кДж/кг: никель – 3240, константан – 3140, медь – 2510, железо – 7500, сталь – 6690. 2. На винтовом прессе изготавливают брикет топлива. Среднюю часть запальной проволоки при приготовлении брикета из навески топлива можно впрессовать в брикет. 3. Взвешивают брикет топлива с запальной проволокой на электронных весах. Результаты взвешиваний заносят в табл. 8. Масса навески должна быть 0,8…1,5 г. Навески массой более 1 г рекомендуются при испытании топлива с низкой теплотой сгорания. 4. Полученный брикет, с пропущенной через него запальной проволокой, закрепляют на электродах калориметрической бомбы, плотно присоединяя один конец к кислородоподводящей трубке, а другой – к токоведущему штифту. После этого аккуратно производят сборку бомбы. 31 5. Снимают колпачки со штуцеров бомбы, заполняют еѐ кислородом (давление кислорода после редуктора примерно 2 МПа) и надевают обратно колпачки. 6. Подготовленную к опыту бомбу помещают в калориметрический сосуд с водой и выдерживают 2 мин для проверки отсутствия утечки кислорода из бомбы. 7. Устанавливают термометр, мешалку и присоединяют к клеммам (колпачкам) провода для подачи напряжения 6…12 В. Закрывают сосуд составной крышкой. 8. Перед включением мешалки необходимо проверить, что: - термометр и мешалка (при еѐ движении), а также стакан бомбы и стенки калориметрического сосуда не касаются друг друга; - середина ртутного резервуара термометра находится на уровне половины бомбы; - уровень воды в сосуде чуть выше крышки бомбы, но не доходит до клемм бомбы (объѐм воды 1,9…2,0 л). 9. Включают мешалку. К испытанию приступают через 5…10 мин после начала перемешивания воды в калориметрическом сосуде. В течение этого времени выравнивается температура всех частей калориметрической системы. 10. Измерения температуры разбиваются на три периода: - начальный – предшествует сжиганию навески топлива и служит для учѐта теплообмена калориметрической системы с окружающей средой в условиях начальной температуры опыта; - главный – сгорание навески, передача тепла калориметрической системе и выравнивание температуры всех еѐ частей. Этот период начинается в момент зажигания топлива и продолжается до прекращения интенсивного подъѐма температуры воды; - конечный – служит для учѐта теплообмена калориметра с окружающей средой в условиях конечной температуры опыта. 32 Значения температур во время опыта сводятся в табл. 9. Таблица 8 Наименование величины Обозначение Значение Масса проволоки, кг m пр Масса брикета с проволокой, кг m бр Масса топлива, кг m т = m бр – m пр Масса воды, кг m в Водяной эквивалент, кг W Теплота сгорания проволоки, кДж/кг q пр Таблица 9 Начальный период Главный период Конечный период мин t Δt мин t' Δt мин t'' Δt 0 t o 0 t' o ≈ t 5 Δt' 1 0 t'' o ≈ t' n Δt'' 1 1 t 1 Δt 1 0,5 1 2 t 2 Δt 2 1,0 2 3 t 3 Δt 3 1,5 3 4 t 4 Δt 4 2,0 4 5 t 5 Δt 5 ≈Δt 4 2,5 0 5 t'' 5 Δt'' 5 n t' n Δt' n-1 ≈Δt' n-2 Начальный период Производят пять измерений температуры с минутным интервалом с точность до 0,01 °С. Температура в этом периоде должна расти медленно и равномерно. 33 Главный период В момент последнего отсчѐта температуры в начальном периоде нажимают кнопку зажигания и держат еѐ до тех пор, пока не погаснет сигнальная лампочка. Навеска топлива сгорает, и выделившаяся теплота передаѐтся калориметрической системе. Отсчѐты температуры производят после погасания сигнальной лампочки через каждые 30 с. Во время этого периода температура нарастает быстро и неравномерно. Основной период считается законченным при наступлении равномерного роста (или постоянства) температуры. Конечный период Производят пять измерений температуры с минутным интервалом. 11. По окончании опыта выключают мешалку, вынимают бомбу, открывают выпускной штуцер и сбрасывают давление в бомбе. Затем отвинчивают крышку бомбы и проверяют полноту сгорания топлива. Характер изменения температуры правильно поставленного калориметрического опыта при измерении экзотермического эффекта в калориметрическом сосуде показан на рис. 8. Рис. 8. Изменение температуры в процессе калориметрического опыта 34 Перпендикуляр, восстановленный к оси абсцисс через (·) С (последняя точка отсчѐта с быстрым подъѐмом 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 t 0 погрешность, вследствие влияния этого теплообмена, сводится к минимуму. Обработка результатов 1. Поправка на теплообмен калориметра с окружающей средой, °С м б n V n V V h ' ' 2 ' ' ' , где нач o n t t V ' ' ; кон n n t t V ' ' ' ' – средние скорости изменения температуры (температурный ход) в начальном и конечном периодах, соответственно, °С; n б – число полуминутных промежутков главного периода с быстрым (0,3 °С и более за 30 с) подъѐмом температуры, т. е. от (·) В до (·) С (см. рис. 8); n м = (n – n б ) – число полуминутных интервалов главного периода с медленным (менее 0,3 °С за 30 с) подъѐмом или снижением температуры, т. е. от (·) С до (·) Е (см. рис. 8); t', t" – начальная температура начального периода и конечная температура конечного периода, соответственно, °С; t о , t n – показания термометра, соответствующие температуре зажигания (начальная температура главного периода) и конечной температуре главного периода, соответственно, °С; n нач , n кон – число измерений в начальном и конечном периодах, соответственно. Значение Δh может быть как положительным (калориметр отдаѐт теплоту в окружающую среду), так и отрицательным (теплообмен направлен в противоположную сторону). 35 2. Теплота сгорания в бомбе аналитической пробы топлива с учѐтом поправки на теплообмен калориметра с окружающей средой, кДж/кг т пр пр p o n в а б m q m С h t t W m Q ) )( ( , где m в , m пр , m т – масса воды в калориметре, запальной проволоки и навески топлива, соответственно, кг; W = 0,3272 кг – водяной эквивалент (постоянная) калориметра; q пр – теплота сгорания запальной проволоки, кДж/кг; С p – теплоѐмкость воды, кДж/(кг∙°С). 3. Высшая теплота сгорания аналитической пробы топлива, кДж/кг a t a б a S 94 ) 1 ( Q Q s , где α = 0,001…0,0015 – коэффициент, учитывающий теплоту образования азотной кислоты; a t S – содержание серы, % (по справочным данным или по заданию преподавателя). 4. Высшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг a r a s r s W W Q Q 100 100 , где W r , W a – влажность рабочей и аналитической массы топлива, соответственно, % (по результатам лабораторной работы № 1). 5. Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг ), 9H 25(W r r r r s i Q Q где H r – содержание водорода, % (по справочным данным или по заданию преподавателя). Содержание отчёта 1. Описание лабораторной установки. 2. Краткое описание методики проведения эксперимента по определению теплоты сгорания топлива. 3. Результаты опытов и расчѐтов. 4. Выводы по работе с пояснением влияния теплоты сгорания на процесс горения топлива. 36 Лабораторная работа №5. Определение температуры вспышки жидкого топлива Цель работы: ознакомление с основными теплотехническими характеристиками жидкого топлива и экспериментальное определение температуры вспышки мазута. Основные теоретические положения Температурой вспышки t вс называют температуру, при которой пары нагреваемого жидкого топлива образуют с окружающим воздухом горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней открытого огня. Если же при поднесении к топливу пламени происходит вспышка паров и горение в течение не менее 5 с, то соответствующая температура топлива называется температурой воспламенения. Определение температуры вспышки производится для установления максимально допустимой температуры подогрева топлива по условиям пожарной безопасности в открытых, не изолированных от воздуха ѐмкостях. Температура подогрева топлива в них должна быть на 10 °С ниже температуры вспышки. Суть метода заключается в следующем. В испытательный тигель аппарата Пенски-Мартенса помещают испытуемый образец и подогревают таким образом, чтобы при непрерывном перемешивании происходило постоянное повышение температуры. Источник зажигания опускают через равномерные интервалы времени через отверстие в крышке тигля, одновременно с этим перемешивание прекращают. Самую низкую температуру, при которой источник зажигания вызывает возгорание паров испытуемого образца нефтепродукта, а пламя распространяется по поверхности жидкости, регистрируют как температуру вспышки при фактическом барометрическом давлении. Эту температуру приводят к |