PALIWO STAŁE, PALIWO CIEKŁE SUBSTANCJA PALNA BALAST C S H 2 POPIÓŁ WILGOĆ PALIWO GAZOWE SUBSTANCJA PALNA BALAST C S H 2 CO 2,N 2, H 2 O SUBSTRATY PALIWO POWIETRZE KOMORA SPALANIA PRODUKTY SPALANIA S (romb) + O 2 =SO 2 + H = - 296,9 kj/mol 2H 2 + O 2 = 2H 2 O + H = - 285,9 kj/mol C + O 2 = CO 2 + H = - 393,51 kj/mol C+ 0.5O 2 = CO + H = - 110,5 kj/mol H entalpia reakcji, [ kj / kmol] ]
Spalanie zupełne jeżeli w spalinach nie ma palnych części gazowych (np. CO, C x H y ). Spalanie całkowite jeżeli w produktach spalania nie ma palnych części stałych (np. sadza, koksik lotny i in.). Współczynnik nadmiaru powietrza λ : n λ = a n a min n, n a a min rzeczywista ilość powietrza doprowadzonego do spalania, teoretyczna ilość powietrza niezbędna do spalenia zupełnego i całkowitego paliwa [kmol/j.p]. j.p jednostka ilości paliwa: w przypadku paliw stałych i ciekłych j.p=kg paliwa wilgotnego lub dla paliw gazowych j.p=kmol gazu suchego. Kontrakcja chemiczna V ch różnica objętości substratów i wilgotnych produktów spalania. Kontrakcja fizyczna V f różnica objętości substratów i produktów po uwzględnieniu wykroplenia się pary wodnej. Kontrakcja całkowita V= V f + V ch suma kontrakcji chemicznej i fizycznej. Wartość opałowa Q i jest to ilość ciepła, jaka powstaje w wyniku spalania zupełnego i całkowitego jednostki ilości paliwa przy założeniu, że produkty spalania zostaną ochłodzone do temperatury substratów, a para wodna zawarta w spalinach nie ulega wykropleniu. Ciepło spalania Q s jest to ilość ciepła, jaka powstaje w wyniku spalania zupełnego i całkowitego jednostki ilości paliwa przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach ulegnie całkowitemu wykropleniu. Qi = Qs m r m masa skroplin uzyskana ze spalenia jednostki ilości paliwa: dla paliw stałych i ciekłych [kg/kg], dla paliw gazowych [kg/um 3 ] r entalpia skraplania pary, [kj/kg] Paliwa ciekłe i stałe: Q i [kj/kg], Q s [kj/kg], Paliwa gazowe: Q i [kj/um 3 ], Q s [kj/um 3 ].
1 um³ (umowny metr sześcienny) jest to ilość substancji zawartej w 1 m³ gazu doskonałego lub półdoskonałego o ściśle określonym ciśnieniu pn i temperaturze TN. Parametry pn, TN nazywamy parametrami umownymi. Najczęściej przyjmuje się następujące wartości parametrów umownych: pn = 1 bar, TN = 273,15 K, które nazywa się parametrami umownymi SI. Bilans energetyczny kalorymetru Junkersa E & d = E& w + E& u E & d E & w strumień energii doprowadzonej do układu, strumień energii wyprowadzonej z układu, E & u = E& u2 E& u1, to przyrost strumienia energii układu. Gaz: g, E & kg, E & pg, Q & Spaliny: E & ks, E & ps, s. Woda chłodząca: Woda chłodząca: w1 w2 Powietrze: p, E & kp, E & pp Straty ciepła do otoczenia: Q & str
g strumień entalpii spalanego gazu, p strumień entalpii powietrza doprowadzanego do procesu spalania, w1 strumień entalpii wody chłodzącej, dopływającej do kalorymetru Junkersa, E & kg strumień energii kinetycznej spalanego gazu, E & kp strumień energii kinetycznej powietrza doprowadzanego do procesu spalania, E & pg strumień energii potencjalnej spalanego gazu, E & pp strumień energii potencjalnej powietrza doprowadzanego do procesu spalania, Q & strumień ciepła wydzielonego w wyniku spalania gazu, s strumień entalpii spalin, E & ks strumień energii kinetycznej spalin, E & ps strumień energii potencjalnej spalin, w2 Q & str strumień entalpii wody chłodzącej, wypływającej z kalorymetru Junkersa, strumień strat ciepła do otoczenia. Pomiar powinien być przeprowadzony w stanie ustalonym, wtedy E & u = 0 Warunki, które powinny być spełnione, aby kalorymetr Junkersa znajdował się w stanie ustalonym są następujące: stałe natężenie przepływu: gazu, powietrza, wody chłodzącej oraz spalin, stałe ciśnienie gazu, otoczenia, stały rozkład temperatury. Aby zminimalizować straty ciepła przez konwekcję oraz promieniowanie powinny być dodatkowo spełnione następujące warunki: różnica temperatury t w między temperaturą wody wypływającej t w2 i dopływającej t w1 z /do kalorymetru Junkersa powinna mieścić się w przedziale t w = t w2 t w1 = 6 10K średnia arytmetyczna temperatura wody chłodzącej kalorymetr t w powinna być równa temperaturze otoczenia t = 0,5(t + t ) = t. w w2 w1 ot
Jeżeli kalorymetr Junkersa znajduje się wstanie ustalonym, to przyrost strumienia energii układu E & u = E& u2 E& u1 = 0, czyli strumień energii układu pozostaje niezmienny E & u2 = E& u 1, zatem: E & d = E & w Strumień energii dopływającej do układu E & = & I + E& + E& + Q& + & I + E& + E& + & I d g kg pg p kp pp E & d : w1 Strumień energii wypływającej z układu E & = & I + E& + E& + & I + Q& w s ks ps w2 str E& w : Wobec tego, że w stanie ustalonym spełnione jest równanie E & = E& zatem: & Ig + E& kg + E& pg + Q& + p + E& kp + E& pg + & I & w1 == Is + E& ks + E& & ps + Iw2 + Q& str d w Założenia upraszczające bilans energetyczny kalorymetru Junkersa: ze względu na bardzo małą prędkość przepływu (v 0 ): gazu, powietrza oraz spalin, można pominąć strumienie energii kinetycznej: gazu, powietrza oraz spalin E & kg,e & kp,e & ks 0, ze względu na to, że różnica poziomów h <80-100m, można pominąć strumienie energii potencjalnej: gazu, powietrza oraz spalin E & pg, E& pp, E& ps 0 nie ma kontrakcji chemicznej, czyli różnica między objętością substratów oraz objętością wilgotnych produktów spalania V ch = 0 Vch = Vsubstratów Vwi lgotnych produktów = 0 V substratów = Vg + Vp = Vwi lgotnych produktów = Vs, V g,vp, Vs objętość gazu, powietrza, spalin
- jeżeli założymy dodatkowo, że gęstość gazu ( ρ ), powietrza ( ρ g p ), spalin ( ρ s ) jest taka sama: ρ g ρp ρs to można zapisać, że suma masy gazu ( m g ) i powietrza ( m p ), czyli substratów jest w przybliżeniu równa masie spalin ( m s ) mg + mp ms - jeżeli założymy, z błędem ±0,5%, że ciepło właściwe gazu c pg c ps przy stałym ciśnieniu jest w przybliżeniu takie samo:, powietrza c pp, spalin cpg cpp cps cp - z definicji wartości opałowej wynika, że temperatura gazu (t g ), powietrza (t p ) i spalin(t s ) jest taka sama t g = t p = t s = t wobec tego po obustronnym pomnożeniu równania: mg + mp ms przez iloczyn cp t cpg tg cpp tp cps ts uzyskuje się następujące równanie : mg cpg tg + mp cpp tp ms cps ts które po wykorzystaniu równania definiującego entalpię : I = m c p t
można zapisać w następującej postaci: Ig + Ip Is I g entalpia gazu, I p entalpia powietrza, I s entalpia spalin, Posługując się strumieniem entalpii ( I & ), czyli ilorazem entalpii ( I ) i czasu (τ): = I τ można napisać, że suma strumieni entalpii gazu ( g ) i powietrza ( p ) jest równa strumieniowi entalpii spalin (& I s ) : I & g + p = s strumień strat ciepła do otoczenia: Q& str = Q& k + Q& r = 0 Q & k strumień ciepła, traconego do otocznia przez konwekcję, Q & r strumień ciepła, traconego do otocznia przez promieniowanie. Q& k = 0, Q& r = 0 wynika to z konstrukcji kalorymetru Junkersa oraz warunków przeprowadzania pomiaru, o czym wspomniano wcześniej: t w = t w2 t w1 = 6 10K, t w = 0,5(t w2 + t ) = w1 t ot
Ostatecznie, po wprowadzeniu uproszczeń, bilans energetyczny kalorymetru Junkersa można zapisać w następującej postaci: Q & + & I & w 1 = Iw2 lub po przekształceniu Q& = & Iw2 & Iw1 = m& w c tw2 tw1 ( t t ) w2 w1 Q & strumień ciepła wydzielonego podczas spalenia określonej ilości gazu, & I, I strumień entalpii wody chłodzącej na dopływie oraz wypływie z kalorymetru & w1 w2 Junkersa, tw2 c średnie ciepło właściwe wody w zakresie temperatur t w1 i t w2. Ponieważ zmiana tw1 temperatury wody jest niewielka, wobec tego można nie uwzględniać wpływu temperatury wody na wartość ciepła właściwego wody i przyjmować wartość c w =4,19 kj/kgk. Strumień wydzielanego ciepła: Q & = V & gn Q s gdzie : Q s ciepło spalania paliwa gazowego, V & gn strumień spalanego gazu [um³]. Ciepło spalania gazu Q s : Q s Q& = V& gn m& w c w t = w2 V& gn ( ) ( ) t w1 m = w c w t w2 V gn t w1
Wartość opałowa gazu: Qi mskr r = Qs m r = Qs VgN m masa skroplin uzyskana ze spalenia jednostki ilości paliwa gazowego, [kg/um³] r entalpia skraplania pary, [kj/kg] m = skr kg m, 3 VgN um Ilość spalonego gazu oblicza się ze wzoru: p NVgN TN = pgvg Tg VgN pg Vg TN =, [um³] pn Tg Ciśnienie gazu suchego ( p g ) pg = pg + pb ps p g nadciśnienie gazu w gazomierzu, [Pa] p b p s ciśnienie barometryczne, [Pa] ciśnienie nasycenia pary wodnej dla temperatury gazu t g, [Pa]
MATERIAŁY PRZYDATNE DO ANALIZY WYNIKÓW POMIARÓW 1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 2lipca 2010 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu gazowego (Dz.U.z 2010r. Nr.133, poz.891). 2. Polskie Normy: PN-C-04750: Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczenia i wymagania. PN-C-04753: Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci rozdzielczej. WZGLĘDNA GĘSTOŚĆ GAZU Stosunek gęstości danego gazu do gęstości suchego powietrza w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem. d = = ρg ρp LICZBA WOBBEGO Liczba Wobbego-Wo, [kj/um 3 ]: ciepło spalania gazu podzielone przez pierwiastek kwadratowy ze względnej gęstości gazu odniesionej do powietrza: Q Wo = s d Wartość liczby Wobbego jest podstawą do podziału paliw gazowych na podgrupy.
System Wyszczególnienie Jednostka gazu ziemnego gazu ziemnego gazu ziemnego grupy E grupy Lw grupy Ls ciepło spalania MJ/m 3 34,1 30,1 26,1 wartość opałowa MJ/m 3 31,0 27,0 24,0 górna liczba Wobbego - nominalna MJ/m 3 50,0 41,5 35,0 - zakres zmienności MJ/m 3 45,0-54,0 37,5-45,0 32,5-37,5 zawartość siarkowodoru mg/m 3 7,0 7,0 7,0 zawartość tlenu % mol/mol 0,2 0,2 0,2 zawartość ditlenku węgla % mol/mol 3,0 3,0 3,0 zawartość par rtęci µg/m 3 30,0 30,0 30,0 temperatura punktu rosy wody dla 5,5 MPa od 1 kwietnia do 30 września temperatura punktu rosy wody dla 5,5 MPa od 1 października do 31 marca temperatura punktu rosy węglowodorów zawartość węglowodorów mogących ulec kondensacji w temp. -5ºC przy ciśnieniu panującym w gazociągu zawartość pyłu o średnicy cząstek większej niż 5 µm zawartość siarki merkaptanowej ºC +3,7 +3,7 +3,7 ºC -5,0-5,0-5,0 ºC 0 0 0 mg/m 3 30,0 30,0 30,0 mg/m 3 1,0 1,0 1,0 mg/m 3 16,0 16,0 16,0 zawartość siarki całkowitej mg/m 3 40,0 40,0 40,0