Kalorimetr (plynná paliva)

Stanovení spalného tepla a výhřevnosti plynných paliv
Zadání
Pomocí kalorimetru Junkers určete spalné teplo a výhřevnost zemního plynu
odebíraného z veřejné rozvodné sítě.
Spalné
teplo a
výhřevnost
Stanovení spalného tepla a výhřevnosti všech druhů paliv umožňuje jejich správné
oceňování a slouží pro tepelně - technické výpočty.
Teplo utajené v hořlavině paliva se uvolní z paliva jeho spálením. Jestliže spálení
bylo dokonalé, tj. složky hořlaviny se přeměnily na kysličník uhličitý CO2, kysličník
siřičitý SO2 na kapalnou vodu H2O a dusík N2, pak se uvolněné teplo nazývá
spalným teplem Qs. Výhřevnost Qi je teplo, které se uvolní z paliva za stejných
podmínek, avšak s tím rozdílem, že místo kapalné vody se uvolňuje vodní pára.
3
Obě veličiny se obvykle vyjadřují v J/Nm (v Joulech na normálový krychlový metr
suchého plynu při teplotě O°C a tlaku 101320 Pa).
Podstata
měření
Stanovení spalného tepla a výhřevnosti plynných paliv v Junkersově průtokovém
kalorimetru spočívá v dokonalém spálení odměřeného objemového množství
plynného paliva v průtokovém kalorimetru při stálém tlaku spalovaného plynu.
Teplo vzniklé spalováním plynu se předává vodě protékající kalorimetrem.
Z hmotnostního množství vody proteklé kalorimetrem a z přírůstku její teploty se
určí spalné teplo plynného paliva. Výhřevnost se vypočte ze spalného tepla
odečtením výparného tepla vody, která vzniká spálením vodíku paliva.
Schéma
zapojení
Použité
přístroje
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
těleso kalorimetru
plynový hořák
odtok ohřáté vody
teploměr na měření teploty
přiváděné vody tw1
teploměr na měření teploty ohřáté
vody tw2
teploměr pro měření teploty spalin
tsp
zrcátko pro sledování plamene ve
spalovacím prostoru
výtok kondenzátu
regulační kohout
10. přepadová a rozdělovací nádobka
11. laboratorní plynoměr
12. chladič ke snížení teploty plynu na
vstupní teplotu vody
13. zvonový regulátor tlaku
14. zařízení k temperování spalovacího
vzduchu a jeho sycení vodní parou
15. zjišťování hmotového množství ohřáté
vody mw
16. odměrný válec na kondenzát mk
17. U-tlakoměr měřící h1, p1
18. teploměr měřící teplotu plynu tp
Popis
zařízení
Při stanovení spalného tepla a výhřevnosti ve zkušební laboratoři je nutno
respektovat určité zásady týkající se instalace přístroje i způsobu jeho provozu.
Tato doporučení nejsou v rámci této úlohy plně respektována.
Voda se do kalorimetru přivádí z přepadu 10. Množství vody přitékající do přepadu
musí být dostatečné, aby vždy něco vody přepadalo do odpadu. Tím se zajišťuje
konstatní proud vody proudící do kalorimetru. Množství vody tekoucí do
kalorimetru se nastaví kohoutem 9 a její teplota tw1 se měří teploměrem 4. Teplota
ohřáté vody vytékající z kalorimetru tw2 se měří teploměrem 5. V době měření
spalného tepla se ohřátá voda mw, vytékající z kalorimetru, odvádí přes kohout 3
do nádoby 15. Před měřením a po ukončení měření se tato voda odvádí do
odpadu. Vzorek topného plynu se z potrubí nebo zásobník přivádí do
mokroběžného plynoměru 11. Odtud se plyn vede do regulátoru tlaku 13 a pak do
plynového hořáku 2, ve kterém se spaluje vzduchem, jehož teplota a odpovídající
obsah vodní páry jsou upraveny v koloně 14, kde se vzduch nasává přes vrstvou
keramické hmoty zkrápěné vodou z přepadu 10. Přetlak plynu p1 během měření
se stanoví na skleněném manometru, který je naplněn obarvenou vodou a je
připojen na plynový prostor plynoměru. Do tohoto prostoru je také zasunut
skleněný teploměr, kterým se měří teplota tp procházejícího plynu.
Postup
měření
Výpočtové
vztahy
a) Po otevření přívodu plynu se zapálí plynový hořák 2. Regulátor tlaku 13
a kohout přívodu plynu se seřídí tak, aby přetlak v plynoměru h1 byl 40 mm
vodního sloupce. Otevře se kohout 9 a jakmile kalorimetrem protéká voda,
zasune se hořák do spalovacího prostoru kalorimetru. Kohout 9 se nastaví tak,
aby rozdíl teplot tw2 a tw1 měřených na teploměrech 5 a 4 byl 10 - 12°C.
b) Po orosení stěn uvnitř kalorimetru zkondenzovanou vodou ze spalin, což se
projeví pravidelným odkapáváním kondenzátu z kalorimetru do nádobky a po
ustálení teploty na teploměru 5 se počne měřit spalné teplo plynu.
c) V okamžiku, kdy ručička plynoměru prochází nulovou značkou stupnice, se
přepne kohout 2 tak, aby ohřátá voda stékala do nádoby 15 a součastně se
začne jímat kondenzát do odměrného válce 16.
d) Při spálení prvního litru plynu se zaznamenají teploty na teploměrech 4 a 5, což
se opakuje při spálení každého následujícího litru plynu. Rtuťové teploměry 4
a 5 jsou děleny po 0.1 °C a pomocí lupy se odhaduje teplota na 0.01 °C.
e) Po spálení deseti litrů plynu (V), tj. v okamžiku, kdy ručička plynoměru
prochází opět nulovou značkou stupnice plynoměru, se kohout 3 přepne na
odpad. Pak se zaznamená teplota plynu tp v plynoměru, barometrický tlak pb
v laboratoři a voda mw zachycená v nádobě 15 se odváží s přesností na 1g.
f) Z teplot naměřených na teploměru 4 a 5 (10 hodnot) se vypočítají průměrné
teploty vody. Měření spalného tepla se ještě jednou nebo dvakrát opakuje
a jako výsledek se pak uvádí aritmetický průměr všech měření.
g) Pro výpočet výhřevnosti se měří množství zkondenzované vody mk ze spalin.
Aby výpočet výhřevnosti byl přesnější odměřuje se kondenzát při spálení
šedesáti litrů plynu Vc. Toto množství plynu se zpravidla spálí během tří měření
spalného tepla včetně přestávek mezi jednotlivými měřeními.
Spalné teplo zemního plynu Qs se vypočítá ze vztahu
Qs =
kde
mw [kg]
cw [J/(kg.K)]
tw2 [°C]
tw1 [°C]
mw ⋅ cw ⋅ (t w 2 − t w1 )
,
V
[J/m3]
(16.1)
je množství vody ohřáté při spálení objemového množství
V [m3] plynného paliva,
= 4186.8 J/(kg.K) je měrná teplená kapacita vody,
průměrná teplota ohřáté vody odtékající z ,kalorimetru
průměrná teplota vody přitékající do kalorimetru.
Výhřevnost Qi zemního plynu se vypočítá ze vztahu
Qi = Qs − L ,
3
[J/m ]
(16.2)
kde L je výparné teplo zkondenzované vlhkosti ze spalin při spálení 1 m3 plynu
L=
kde
mk [kg]
lw [J/kg]
3
Vc [m ]
mk ⋅ l w
,
Vc
3
[J/m ]
(16.3)
3
je množství kondenzátu vzniklé spálením Vc [m ] plynu,
= 2.51208 MJ/kg je měrné výparné teplo vody,
celkové objemové množství spáleného plynu.
Normálové spalné teplo a normálová výhřevnost plynných paliv jsou hodnoty
vyjádřené v Joulech na normální krychlový metr (krychlový metr při tlaku
pn = 101 325 Pa a teplotě Tn = 273.15 K). Vypočítají se:
Qsn = Qs ⋅ F
,
Qin = Qi ⋅ F
[J/m3]
(16.4)
[-]
(16.5)
[Pa]
(16.6)
kde F je přepočtový faktor definovaným jako:
F=
pn ⋅ T
,
p ⋅ Tn
kde T [K] je absolutní teplota,
p [Pa] absolutní tlak plynného paliva, který vypočítáme:
p = pb + ∆p1 ,
∆p1 je přetlak na plynoměru, který vypočítáme z odlehlosti hladin vodního
sloupce h1 na U-tlakoměru 17 umístěném na plynoměru
∆p1 = ρH2O ⋅ g ⋅ h1 .
Tabulka
[Pa]
(16.7)
Plynné palivo:
barometrický tlak pb
teplota plynu tp
vodní sloupec plynoměru h1
tlak vodních par pp (tp)
Stav plynoměru na začátku V1
Množství plynu na 1 měření V
Přepočtový faktor F
[Pa]
[°C]
[mm]
[Pa]
3
[m ]
3
[m ]
[-]
Číslo měření
Teploty [°C]
I
tw1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[°C]
teplota vzduchu tv
teplota spalin tsp
přetlak v plynoměru ∆p1
absolutní tlak plynu p
Stav plynoměru na konci V2
Celkové množství plynu Vc
Výparné teplo L
[°C]
[Pa]
[Pa]
3
[m ]
3
[m ]
3
[J/m ]
II
tw2
tw1
III
tw2
tw1
tw2
Číslo měření
Teploty [°C]
I
t w1
průměrné teploty
rozdíl průměrných teplot
II
t w2
t w1
III
t w2
t w1
t w2
t w1 a t w2 [°C]
[°C]
t w2 − t w1
množství ohřáté vody
spalné teplo
průměrné spalné teplo
hmotnost kondenzátu
výhřevnost
mw
Qs
Qs
mk
Qi
[kg]
3
[J/m ]
3
[J/m ]
[kg]
3
[J/m ]
Normálové spalné teplo
Normálová výhřevnost
Qsn
[J/Nm ]
3
[J/Nm ]
3
Qin
Jakou výhřevnost a jaké spalné teplo má zkoumaný plyn?
Závěr
17 Měření otáček
Zadání
Pomocí stroboskopu, mechanického bezdotykového otáčkoměru a bezdotykového
elektronického snímače otáček HA 1237 změřte otáčky motoru typu V001.
Bezdotykové
měření
otáček
Velmi přesnou metodou pro zjištění okamžitých otáček je stroboskopická metoda.
Její podstata spočívá v tom, že otáčející se těleso opatřené vhodnou opticky
kontrastní značkou (např. čárkou), se osvětluje světelnými záblesky ze
stroboskopické lampy, jejíž frekvenci lze plynule měnit. Jestliže frekvence
záblesků odpovídá frekvenci otáčení, jeví se vyznačený bod v klidu. Pokud je
frekvence přerušovaného světla vyšší a je celistvým násobkem frekvence otáčení,
je vidět tento bod zdvojený, popř. vícenásobně.
Mechanický otáčkoměr pracuje na podobném principu, kdy sladíme frekvenci
radiálních výřezů na kotouči procházejících zorným polem s počtem otáček hřídele
motoru.
Bezdotykový elektronický snímač otáček HA 1237 patří mezi optoelektronické
impulsní senzory rychlosti a funguje na principu detekce odraženého světla.
Použité
přístroje
Postup
měření
Výpočtové
vztahy
Tabulka
měření
otáček
motorku
Závěr
1.
2.
3.
4.
zábleskový stroboskop
bezdotykový mechanický otáčkoměr
bezdotykový elektronický snímač otáček HA 1237motor typ V001
motorek
a) Pro změření otáček motoru nastavíme stroboskopickou lampu proti hřídeli
motoru, který je označen černou ryskou. Sladíme frekvence výbojů
stroboskopické lampy s otáčkami motoru (zdánlivě zastavíme rysku na hřídeli).
b) Otáčky porovnáme s tabulkovou hodnotou na elektromotoru a hodnotou na
stupnici mechanického otáčkoměru.
c) Otáčky změříme bezdotykovým elektronickým snímačem.
Odchylka otáček ∆n od štítkové hodnoty je pak
∆n = n přístroje − nmotorku
Štítková hodnota na motorku
Frekvence zábleskového stroboskopu
Otáčky zábleskového stroboskopu
Mechanický otáčkoměr
Bezdotykový snímač
[min-1]
nmot
fstr
nstr
nmech
nbez
[1/min]
[Hz]
[1/min]
[1/min]
[1/min]
Porovnejte změřené otáčky. Znáte jiné způsoby měření otáček?
(17.1)
Odchylka od
štítkové hodnoty
[1/min]
[1/min]
[1/min]