Badanie własności energetycznych

Transkrypt

1 KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW INSTRUKCJA DO LABORATORIUM INŻYNIERIA PROCESOWA Badanie własności energetycznych KOSZALIN 2014

2 OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESU Ważnymi parametrami, które mówią nam o tym czy dany odpad nadaje się do termicznej utylizacji są ciepło spalania oraz wartość opałowa. Ciepło spalania to ilość energii, która ulega wyzwoleniu podczas całkowitego (spali się całe paliwo) i zupełnego (w spalinach nie ma palnych substancji) spalenia danej substancji. Jeżeli produktem spalania jest para wodna, do ciepła spalania wchodzi również ciepło kondensacji pary wodnej (para wodna zawarta w spalinach skrapla się zupełnie). Jednostką ciepła spalania jest J/kg. Gdy rozpatrywana jest wartość opałowa, mamy do czynienia z tą samą ilością energii, ale już skraplania pary wodnej nie uwzględniamy. Pozostałe warunki są bez zmian. Ponieważ są to wielkości podobne pod względem definicji, ale dość różne liczbowo, ważne jest zwracanie uwagę przy wszelkich tabelkach czy zestawieniach na to, która wielkość jest podawana. Jeżeli dane są obie wielkości, a nie wiadomo, z której należy skorzystać, trzeba dowiedzieć się, jaką temperaturę będą mieć spaliny po opuszczeniu urządzenia. Jeżeli poniżej 100 C, wtedy można zakładać, że w urządzeniu para wodna ze spalin się skropli (jak jest to np. w kotłach) i obowiązującą wielkością będzie ciepło spalania. Jeżeli ta temperatura jest wyższa (np. w silnikach spalinowych), należy skorzystać z wartości opałowej. Poniższa tabela przedstawia wartości opałowe najpopularniejszych paliw. Paliwo Jednostka Wartość MJ/l 29,0 Benzyna MJ/kg 45,0 MJ/m 3 22,16 LPG (propan - butan) MJ/kg 34,39 MJ/l 19,59 Etanol MJ/kg 30,4 MJ/l 36,0 Olej napędowy MJ/kg 42,5 Węgiel kamienny MJ/kg 23,8 Węgiel brunatny MJ/kg 7,7 Ropa naftowa MJ/kg 42,3 Gaz ziemny w Polsce MJ/m 3 24,0 W systemach energetycznych, gdy spaliny przed opuszczeniem komina są chłodzone (np. elektrownie), przy obliczaniu sprawności cieplnej właściwszym jest posługiwanie się parametrem ciepła spalania, natomiast gdy w systemie nie jest wykorzystana praca użyteczna gorących spalin lub nie jest odzyskiwane ciepło pochodzące ze skroplenia zawartej w spalinach wilgoci, bardziej odpowiednie jest posługiwanie się pojęciem wartości opałowej. Sprawności urządzeń i procesów najczęściej odnoszone są do wartości opałowej paliwa. Stąd w przypadku urządzeń wykorzystujących ciepło kondensacji pary wodnej ze spalin, można spotkać się ze sprawnością przekraczającą 100%. Nie jest to żadne oszustwo, a jedynie...efekt przyjętej kiedyś konwencji. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 2

3 ĆWICZENIA LABORATORYJNE Cel i zakres ćwiczeń Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła spalania danego materiału. Szczegółowe metody wyznaczania odpowiednich poprawek i sposoby obliczania ciepła spalania przedstawione są w obowiązujących obecnie normach: - PN/G Paliwa stałe. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej - PN-ISO 1928 Paliwa stałe Oznaczanie ciepła spalania w bombie kalorymetrycznej i obliczanie wartości opałowej Opis urządzenia badawczego Ciepło spalania danego materiału wykonuje się z wykorzystaniem kalorymetru. W ćwiczeniu wykorzystywany jest kalorymetr KL-11 Mikado. Pomiar kalorymetryczny w tym urządzeniu polega na całkowitym spaleniu próbki paliwa w atmosferze tlenu pod ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej zanurzonej w wodzie i na pomiarze przyrostu temperatury tej wody. Ciepło spalania paliwa wyliczane jest w sposób automatyczny i przedstawione na cyfrowym wyświetlaczu kalorymetru. Kalorymetr działa na zasadzie pomiaru charakterystycznych temperatur bilansu cieplnego. Wartości te są przetwarzane na postać cyfrową, analizowane i przeliczane przez mikroprocesor oraz zapamiętywane. Cały proces pomiarowy przebiega wg wykresu jak na rys. 1. Rys. 1. Proces pomiarowy Praca kalorymetru podzielona jest na 5 cykli pokazanych na rys.1 i wyświetlaczu. Poszczególne cykle informują o stanie kalorymetru. 0 - Włączenie kalorymetru i ustabilizowanie temperatury wewnątrz kalorymetru (czas trwania: 1 minuta). 1 - Rejestracja temperatury T-1 i odmierzenie odcinka czasu równego 5 minut. 2 - Rejestracja temperatury T2 i zapłon próbki paliwa w bombie kalorymetrycznej. Cykl ten trwa n-minut tj. aż do osiągnięcia temperatury maksymalnej. 3 - Rejestracja temperatury T3 (maksymalnej) i odmierzenie kolejnego odcinka czasu równego 5 minut. 4 - Rejestracja temperatury T4 i zakończenie pracy. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 3

4 Główne zespoły i elementy użytkowe wchodzące w skład kalorymetru zaznaczono w sposób schematyczny na rys. 2. Na rys. 3 pokazano najistotniejsze elementy na płycie czołowej, a na rys. 4 pulpit sterujący. Rys bomba kalorymetryczna, 2 - pokrywa kalorymetru, 3 - czujnik temperatury, 4 - uchwyt pokrywy z umieszczonym w nim napędem mieszadła mechanicznego, 5 - mieszadło mechaniczne, 6 - naczynie kalorymetryczne, 7 - płaszcz kalorymetru składający się z: 7a - ścianki wewnętrznej 7b - ścianki zewnętrznej 7c - wężownicy 7d - mieszadła ręcznego, 8 - pulpit sterujący, 9 - stół kalorymetru z płytą czołową zawierającą gniazda przyłączeniowe i wyjście czujnika temperatury Rys płyta czołowa z wpisaną nazwą przyrządu itp., 2 - pulpit sterujący (podnoszony), 3 - wyprowadzenie przewodu czujnika temperatury, 4 - gniazdo przyłączeniowe przewodu do sterowania pracą mieszadła mechanicznego, 5 - gniazdo przyłączeniowe przewodu do inicjacji zapłonu (spalenia próbki) 6 - dioda sygnalizująca świeceniem włączenie zasilania kalorymetru Rys włącznik zasilania POWER, 2 - przycisk START rozpoczynający automatyczny cykl pracy kalorymetru, 3 - dwa przyciski przełączające wyświetlaną informację na wyświetlaczu cyfrowym, 4 - wyświetlacz cyfrowy pozwalający m.in. odczytać parametry pracy i obliczoną wartość ciepła spalania, 5 - rząd ośmiu diod odpowiadający aktualnie wyświetlanej informacji na wyświetlaczu, 6 - rząd pięciu diod informujących o aktualnie realizowanym cyklu KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 4

5 Sposób przeprowadzenia ćwiczenia 1. Odważyć na wadze analitycznej próbkę badanego paliwa o masie 1,0 g, określając wartość g C (dokładność ważenia 0,0001 g). 2. Odważoną naważkę umieścić w tygielku kwarcowym. 3. Umieścić tygielek w specjalnej obsadzie na rurce wlotowej w głowicy bomby kalorymetrycznej. 4. Przygotować drut oporowy o dług cm i zważyć na wadze analitycznej. 5. Odczytać temperaturę w płaszczu wodnym. Przed odczytem temperatury w płaszczu należy kilkakrotnie poruszać mieszadłem ręcznym (rys. 2 poz. 7d). 6. W naczyniu kalorymetrycznym przygotować wodę o temp. o 1 1,5 C niższej niż temperatura wody w płaszczu kalorymetru. Ilość wody w naczyniu kalorymetrycznym powinna być tak dobrana, aby zawory wystające z głowicy bomby były zanurzone do około 2/3 wysokości zaworu wylotowego. 7. Do bomby należy wlać za pomocą pipety 2,8 ml wody destylowanej. 8. Głowicę bomby wraz z próbką połączyć z korpusem i zamknąć szczelnie bombę przez dokręcenie zakrętki samouszczelniającej. 9. Napełnić bombę tlenem do ciśnienia 2,5 MPa ± 0,2 MPa (wykona prowadzący). 10. Wprowadzić bombę kalorymetryczną do naczynia kalorymetrycznego, a następnie nałożyć na elektrody końcówki przewodów od zapłonu. 11. Zamknąć kalorymetr pokrywą, którą należy przesunąć na wysięgniku, a następnie opuścić w dół. 12. Włączyć zasilanie kalorymetru przyciskiem POWER umieszczonym w pulpicie. 13. Odczekać 5 minut przed załączeniem cyklu pomiarowego. 14. Uruchomić automatyczny pomiar przyciskiem START (rys. 4 poz. 2). Kalorymetr wykonuje sam kolejne operacje: 1) włącza mieszadło mechaniczne; 2) dioda przy cyklu oznaczonym numerem 0 zaświeci się; 3) po ok. 1 minucie następuje przejście do cyklu nr 1 (sygnalizacja odpowiadającą cyklowi diodą); 4) po 5 minutach zaświeci się dioda oznaczająca rozpoczęcie cyklu nr 2. Nastąpi zapłon próbki paliwa i zostanie osiągnięta temperatura maksymalna T3; 5) po rejestracji temperatury maksymalnej T3 i czasu n-minut zaświeci się dioda rozpoczęcia cyklu nr 3 6) po 5 minutach zaświeci się dioda zakończenia pracy. Nastąpi rejestracja temperatury T4 i samoczynne wyłączenie mieszadła mechanicznego. 15. Odczytać z wyświetlacza wartość ciepła spalania Q. 16. Wyłączyć zasilanie kalorymetru przyciskiem POWER. 17. Wyjąć bombę z naczynia, osuszyć ściereczką i wypuścić gazy spalinowe pod dygestorium, odkręcić zakrętkę, wyciągnąć głowicę bomby, wyjąć i umyć tygielek, wnętrze korpusu bomby i części głowicy. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 5

6 18. Zdjąć z tulejek zaciskowych resztki niespalonego drutu oporowego i zważyć. 19. Obliczyć rzeczywistą Q S wartość ciepła spalania zgodnie ze wzorem: gdzie: Q Q s - ciepło spalania, J/g, S Q - c = 10 g C -3 [MJ/kg] Q - wartość ciepła spalania odczytana z wyświetlacza kalorymetru, J/g, c - ciepło wydzielone podczas spalania drutu oporowego, c = (m 1 m 2 ) q; (m 1 masa drutu oporowego przed spaleniem, m 2 masa spalonego drutu oporowego, q ciepło spalania drutu oporowego = 6700 J/g), g c - masa odważki badanego paliwa, g. LITERATURA [1] Piecuch T.: Termiczna utylizacji odpadów. Wydawnictwo PK, Koszalin [2] Piecuch T., Dąbek L., Juraszka B.: Spalanie i piroliza odpadów. Wydawnictwo PK, Koszalin [3] Piecuch T.: Zarys metod termicznej utylizacji odpadów. Wydawnictwo PK, Koszalin [4] Instrukcja obsługi kalorymetru KL-11 Mikado. F-ma Precyzja Bit Bydgoszcz KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 6