P O L I T E C H N I K A Ł Ó D Z K A INSTYTUT ELEKTROENERETYKI ZAKŁAD ELEKTROWNI, SIECI I SYSTEMÓW ELEKTROENERETYCZNYCH OZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA WĘLA ZA POMOCĄ KALORYMETRU INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEO Opacowanie: d inż. Tomasz Kolicki ŁODŹ 2007
Spis eści 1. Wpowadzenie...3 1.1. Skład paliw sałych...3 1.2. Podsawowe wielkości chaakeyzujące węgle enegeyczne i sposoby ich wyznaczania...5 1.2.1. Zawaość wilgoci...9 1.2.2. Oznaczanie zawaości popiołu...10 1.2.3. Oznaczanie zawaości części lonych...10 1.2.4. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie waości opałowej...10 1.2.5. Oznaczanie zawaości siaki...11 1.3. Wyznaczanie ciepła spalania za pomocą kaloymeu saycznego...12 1.3.1. Teoeyczne podsawy pomiau kaloymeycznego...12 1.3.2. Pomia empeauy w kaloymeze...13 1.3.3. Rozwiązanie ównania bilansu cieplnego kaloymeu w waunkach zeczywisych....14 1.3.4. Wyznaczenie popawki empeauowej...14 1.3.5. Obliczenie ciepła spalania i waości opałowej węgla na podsawie pomiaów kaloymeycznych...18 1.3.6. Oznaczanie pojemności cieplnej kaloymeu...20 2. Wykonanie ćwiczenia...21 2.1. Cel i zakes ćwiczenia...21 2.2. Budowa kaloymeu...21 2.3. Pzebieg ćwiczenia...25 2.3.1. Ogólne wymagania pomiau kaloymeycznego. Czynności wsępne...25 2.3.2. Pzygoowanie odważki paliwa (bykiecika)...25 2.3.3. Pzygoowanie bomby kaloymeycznej...26 2.3.4. Pzygoowanie kaloymeu do pomiaów...26 2.3.5. Wykonanie pomiaów kaloymeycznych...26 2.3.6. Czynności końcowe...27 2.3.7. Pookół z pomiaów kaloymeycznych ciepła spalania...28 2.4. Wykonanie spawozdania...28 3. Lieaua...30 2 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
1. WPROWADZENIE 1.1. Skład paliw sałych Powsawanie naualnych paliw sałych jes wynikiem złożonego pocesu, podczas kóego pokłady maeiału oślinnego aciły na pzeszeni epok geologicznych len i wodó i wzbogacały się w piewiasek węgiel. Spośód wielu odzajów paliw sałych, największe zasosowanie w enegeyce mają dzisiaj węgiel kamienny i bunany. W enegeyce polskiej sanowią one podsawowe paliwo spalane w elekowniach i elekociepłowniach. Węgiel, podobnie jak inne paliwa sałe, składa się z masy palnej (subsancji palnej) zawieającej, opócz czysego piewiaska węgla (C), szeeg związków chemicznych węgla z wodoem (H 2 ), lenem (O 2 ), azoem (N 2 ), i siaką (S) oaz z balasu. W skład balasu wchodzą popiół i woda. Azo i len, jako niepalne składniki wysępujące w palnej masie oganicznej, wozą zw. naualny balas wewnęzny. Zawaość czysego węgla w paliwie decyduje o ilości ciepła wydzielonego podczas jego spalania (ciepło spalania). Najwięcej pocenowo węgla znajduje się w węglu kamiennym (do 97 % masy palnej), najmniej w węglu bunanym (poniżej 80 % masy palnej), dewnie i ofie (powyżej 50 % masy palnej). Zawaość wodou w paliwie jes niewielka (kilka pocen masy palnej), ale badzo ważna ze względu na wysokie ciepło spalania. Wodó decyduje m.in. o ławości zapłonu danego paliwa. Siaka w paliwach sałych wysępuje w małych ilościach (z eguły poniżej 2 % masy palnej). Siaka palna wozy związki oganiczne oaz zw. piyy FeS 2 podczas ich spalania wydziela się ciepło. Pozosała siaka zawaa w paliwie wysępuje w posaci związków siaczanowych (CaSO 4, FeSO 4, Na 2 SO 4, K 2 SO 4 ). Są o subsancje już ulenione, a więc podczas spalania nie wydzielają ciepła. Zawaość siaki w paliwie jes niepożądana, ponieważ w połączeniu z wodą wozy kwas siakowy i wywołuje koozję powiezchni ogzewalnych koła. Ponado, piyy są związkami o znacznej wadości i pzyspieszają zużycie elemenów insalacji młynowych. Zawaość azou w paliwie sałym jes niewielka (do 2 % masy palnej). Nie bieze on udziału w spalaniu a więc sanowi balas paliwa. Tlenki siaki i lenki azou pzedosające się do amosfey powodują powsawanie zw. kwaśnych deszczy i degadację śodowiska naualnego. Tlen zaway w paliwie sałym bieze udział w spalaniu palnych składników, a jego udział dochodzi nawe do 40 % masy palnej. Popiół jes pojęciem umownym, okeślającym pozosałość składającą się z subsancji minealnych, ozymaną po całkowiym spaleniu i wypażeniu paliwa w okeślonych waunkach. Zawaość niepalnej subsancji minealnej w paliwie (oznaczanej jako popiół) oaz jej skład wpływają na jakość paliwa (ciepło spalania) i jego pzydaność do celów enegeycznych oaz decydują o właściwościach eksploaacyjnych paleniska. Popiół powsały pzy spalaniu paliw sałych składa się pzede wszyskim ze związków kzemu (SiO 2 ), glinu (Al 2 O 3 ) i wapnia (CaO) oaz niedużych ilości związków żelaza. Popiół w zależności od empeauy może wysępować w palenisku w sanie sałym, plasycznym i ciekłym. Najdobniejsze cząski popiołu (popiół lony) unoszone są waz ze spalinami, naomias cięższe, łączą się w większe fakcje i opadają na dno komoy paleniskowej (żużel). Tempeauy mięknięcia, opnienia i płynności popiołu zależą od jego składu chemicznego i decydują o zachowaniu się popiołu pzy jego zeknięciu z powiezchniami wymiany ciepła w kole. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 3
Wilgoć w paliwach sałych zawiea się w dość szeokich ganicach: od 5 30 % dla węgla kamiennego, do 60 % dla węgla bunanego i do 90 % dla ofu (świeżo wydobyego). W węglu enegeycznym ozóżnia się wilgoć zewnęzną (pzemijającą) i higoskopijną. Wilgoć pzemijającą można ławo usunąć susząc węgiel w empeauze pokojowej, naomias wilgoć higoskopijna wypaowuje dopieo w empeauze powyżej 100 C. Duża wilgoność jes wadą paliwa ponieważ uudnia zapłon, obniża waość opałową oaz pzyczynia się do powsawania kwasów w kanałach koła (koozja kwasowa). Badzo ważną cechą paliwa jes zawaość części lonych. Są o gazy powsające podczas ogzewania paliwa (a więc w piewszej fazie spalania w komoze paleniskowej koła) na skuek ozpadu niewałych cieplnie cząsek oganicznych masy palnej. W skład ych gazów wchodzą pzede wszyskim wodó, węglowodoy, lenek węgla i dwulenek węgla. Po odgazowaniu, z masy palnej pozosaje koks. Ilość wydzielonych części lonych zależy od empeauy, czasu i sposobu zgazowania. W pakyce pomiaowej waunki e są ściśle okeślone, ak aby można było poównywać między sobą óżne soymeny paliwa. Im paliwo sasze ym mniej zawiea części lonych. Ich udział decyduje ównocześnie o pzebiegu pocesu spalania danego paliwa, w ym o ławości zapłonu. Paliwa z małą zawaością części lonych udniej się zapalają. Na ysunku 1. pzedsawiono skład paliwa sałego i poduky powsałe w pocesie spalania, naomias na ysunku 2. ypowe składy węgla kamiennego i węgla bunanego. Rys. 1. Skład paliwa sałego i poduky jego spalania. 4 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
1.2. Podsawowe wielkości chaakeyzujące węgle enegeyczne i sposoby ich wyznaczania Podsawowymi paliwami enegeycznymi w Polsce są węgiel bunany i kamienny. Rozóżnia się kilkanaście ypów węgli w zależności od ich naualnych cech decydujących o ich pzydaności echnologicznej (zawaość części lonych, spiekalność, zasolenie, skład popiołu ip.). Typy węgla kamiennego okeśla noma PN-82/-97002, bunanego PN-75/-97051. Tylko niekóe z ypów węgli nadają się do bezpośedniego spalania (węgle enegeyczne). W zależności od wielkości ziaen węgla, ozóżnia się soymeny (np. dla węgla kamiennego: koska, ozech, goszek, miał ip.). Są one ujęe w odpowiednich nomach: PN-82/-97001 dla węgla kamiennego i PN-75/-97051 dla bunanego. Właściwości węgla pzeznaczonego do spalania w elekowniach i elekociepłowniach pzesądzają o konsukcji paleniska, a w pewnej mieze i całego koła. W eksploaacji elekowni, dla zapewnienia właściwego pzebiegu pocesu spalania i należyej pacy koła, paliwo dosaczane do komoy paleniskowej jes sysemaycznie badane. Pomiay laboaoyjne służą akże do bieżącej konoli jakości paliwa dosaczanego do elekowni z kopalni. Celem echnicznej analizy paliwa sałego jes oznaczenie zawaości w nim wilgoci (W), popiołu (A), części lonych (V), siaki (S) oaz jego ciepła spalania (Q s ) i waości opałowej (Q j ). a) paliwo obocze masa palna popiół 20 % masa palna 68 % węgiel C, 79 % wilgoć 12 % wodó H, 5 % len i azo O+N, 15 % siaka palna S, 1 % b) paliwo obocze masa palna popiół 13 % wilgoć 52 % masa palna 35 % węgiel C, 67,7 % wodó H, 5,1 % len i azo O+N 25,7% siaka palna S, 1,4 % Rys. 2. Pzykładowy skład węgli: kamiennego (a) i bunanego (b) wydobywanych w Polsce. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 5
Spalany w enegeyce węgiel najczęściej klasyfikuje się wg waości zech z powyższych właściwości: waości opałowej, zawaości popiołu i zawaości siaki. Poszczególne klasy węgli opisane są w nomach: PN-82/-97003 (w. kamienny), PN -81/-9751/01 (w. bunany). W abeli 1. pzedsawiono pzykładową ofeę węgla enegeycznego z uwzględnieniem podziału na soymeny i klasy. Większość cech (właściwości) węgla oznaczanych w laboaoiach okeśla się w odniesieniu do zw. sanu oboczego paliwa (paliwo obocze, węgiel oboczy). Jes o paliwo w akiej posaci, w jakiej podawane jes do koła. San oboczy węgla kamiennego i bunanego pzedsawiono na ysunku 1. i 2. Skład i paamey paliwa oboczego bezpośednio i najlepiej chaakeyzują spalany w kole węgiel. Jednak z uwagi na o, że zawaości wilgoci i popiołu w óżnych węglach mogą być dość pzypadkowe, wpowadzono pewne, szucznie swozone, pochodne sanu oboczego paliwa w celu lepszego poównania paliw z óżnych źódeł. Pzy okeślaniu ilościowym właściwości paliw powinno się podawać, do jakiego sanu się odnoszą. Na ys. 3. pzedsawiono sany paliwa sosowane pzy analizie paliw sałych. W nawiasach podano, w posaci gónych indeksów, najczęściej sosowane oznaczenia. Tabela 1. Ofea węgla enegeycznego z Kopalni Ziemowi. Soymen wg. PN-82/-97001 Symbol Wymia ziaen Węgiel enegeyczny ypów 31 33 Klasy handlowe Zakes paameów jakościowych Q A S Q A S j j mm kj/kg % % kj/kg % % kj/kg % I 63-nienom 25 9 10 25 000-25 999 7,1-9,0 0,81-1,00 12,5-13,4 31-34 I 63-nienom 23 12 10 23 000-23 999 9,1-12,0 0,81-1,00 12,5-13,4 31-34 Ko 200-63 25 9 10 25 000-25 999 7,1-9,0 0,81-1,00 12,5-13,4 31-34 OI 80-40 25 9 10 25 000-25 999 7,1-9,0 0,81-1,00 12,5-13,4 31-34 O 80-25 25 9 10 25 000-25 999 7,1-9,0 0,81-1,00 12,5-13,4 31-34 O II 50-25 25 9 10 25 000-25 999 7,1-9,0 0,81-1,00 12,5-13,4 31-34 k 31.5-8 24 9 10 24 000-24 999 7,1-9,0 0,81-1,00 13,5-14,4 31-34 D 50,0-0 24 9 10 24 000-24 999 7,1-9,0 0,81-1,00 13,5-14,4 31-34 M IA 31.5-0 22 15 10 22 000-22 999 14,1-15,0 0,81-1,00 12,5-14,4 28-31 M IIA 20-0 21 18 8 21 000-21 999 17,1-18,0 0,61-0,80 12,5-13,4 28-31 M IIA 20-0 21 18 10 21 000-21 999 17,1-18,0 0,81-1,00 12,5-15,4 28-31 M IIA 20-0 20 21 10 20 000-20 999 20,1-21,0 0,81-1,00 12,5-15,4 24-29 M IIA 20-0 20 21 12 20 000-20 999 20,1-21,0 1,01-1,20 12,5-15,4 24-29 M IIA 20-0 19 20 21 12 19 000-19 999 19,1-22,0 1,01-1,20 12,5-15,4 24-29 22 M IIA 20-0 19 23 12 19 000-19 999 22,1-23,0 1,01-1,20 12,5-15,4 24-29 M IIA 20-0 19 23 14 19 000-19 999 22,1-23,0 1,21-1,40 12,5-15,4 24-29 M IIA 20-0 18 23 24 12 18 000-18 999 22,1-24,0 1,01-1,20 12,5-15,4 24-29 M IIA 20-0 18 25 12 18 000-18 999 24,1-25,0 1,01-1,20 12,5-15,4 24-29 M IIA 20-0 18 23 24 14 18 000-18 999 22,1-25,0 1,21-1,40 12,5-15,4 24-29 25 M IIA 20-0 17 26 27 14 17 000-17 999 25,1-27,0 1,21-1,40 12,5-15,4 24-29 W V 6 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
masa palna popiół wilgoć san oboczy ( ) a san analiyczny ( ) (powiezno-suchy) d san suchy ( ) daf san suchy i bezpopiołowy ( ) (masa palna) Rys. 3. Sany paliw sałych sosowane w analizach. Pzy pzeliczaniu waości paameów paliw sałych z danego sanu na inny sosuje się współczynniki pzeliczeniowe okeślone w PN-91/-04510 Paliwa sałe. Symbole i współczynniki pzeliczeniowe. Popawność badań laboaoyjnych paliwa zależy nie ylko od pzyjęych meod pomiaowych i saanności wykonania pomiaów, ale pzede wszyskim od ego, czy analizowana póbka węgla jes epezenaywna dla całej paii paliwa. Isnieje szeeg nom usalających zasady pobieania, pzygoowania oaz spawdzania póbek paliw sałych w zależności od miejsca badania, odzaju paliwa, pzeznaczenia wyników pomiau ip. Od pawidłowości pobania póbki i jej pzygoowania do analizy zależy zgodność wyników oznaczeń z zeczywisymi właściwościami paliwa. Pzygoowanie póbek laboaoyjnych i analiycznych w elekowni polega na ym, że z póbki ogólnej (pobanej w odpowiedni sposób np. ze składu lub z aśmociągu), po jej ozdobnieniu i wymieszaniu, wydziela się śednie póbki laboaoyjne. Wszyskie czynności związane z ich pzygoowaniem powinny być powadzone szybko i w akich waunkach, aby paliwo nie zmieniło zawaości wilgoci. Pzed oznaczeniem zawaości wilgoci pzemijającej póbki powinny być anspoowane i pzechowywane w szczelnych naczyniach. Sposób pobieania i pzygoowania póbek węgla do analizy pzedsawiono na ys. 4. Tabela 2. Chaakeysyka popiołu z węgla kamiennego i bunanego (z wybanych kopalń); skład chemiczny oaz empeauy chaakeysyczne opliwości popiołu. Składniki popiołu Tuów Węgiel bunany z kopalni Pąnów, odkywka: Bełchaów Kazimiez Jóźwin Węgiel kamienny z kopalni Jawozno Miechowice Bzeszcze SiO 2 44,00 8,93 15,25 37,00 32,00 53,00 52,10 Fe 2 O 3 8,40 5,90 21,77 7,00 30,20 7,00 5,10 A1 2 O 3 33,40 10,13 9,38 18,00 23,90 30,00 33,20 CaO 4,40 46,30 14,57 22,00 4,70 3,00 2,20 MgO % 2,30 8,64 5,83 1,50 2,20 2,00 2,20 SO 3 4,70 19,42 28,46 14,00 5,70 5,00 2,80 P 2 O 5 1,30 0,68 0,48 0,15 0,10-0,60 Alkalia i óżne 1,50 0,10 6,26 1,35 1,20-1,80 Razem 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Tempeauy chaakeysyczne popiołu, [ C] mięknienia, 1095 1030 1150 1170 850 1025 920 opnienia j 1400 1290 1270 1280 - - - płynięcia 3 1400 1300 1300 1280 - - - wg meody Leiza Bune-Bauma Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 7
1 2 3 4 5 k Póbki piewone (paliwo w sanie oboczym) Póbka ogólna Rozdabnianie do ziaen 0-10 mm Mieszanie Pomniejszanie Dzielenie 1 2 3 4 5 n Śednie póbki laboaoyjne, każda po 3 kg (A <10 %) lub 5 kg (A>10 %) Oznaczanie zawaości wilgoci pzemijającej Rozdabnianie do ziaen 0-3 mm paliwo w sanie analiycznym (powieznosuchym) Oznaczanie zawaości wilgoci higoskopijnej Oznaczanie zawaości popiołu Oznaczanie zawaości części lonych Pomniejszanie (min. 22 pocje po 100 g) Póbka do oznaczania zawaości wilgoci w węglu powiezno-suchym (ok. 150 g) Póbka 1,4 ok. 500 g ok. 125 g Rozdabnianie do ziaen 0-0,2 mm Rozdabnianie do ziaen 0-1,4 mm Dzielenie na 4 części ok. 500 g Dzielenie na 4 części Póbka ezewowa ok. 1000 g ok. 375 g Rozdabnianie do ziaen 0-0,2 mm Oznaczanie ciepła spalania Póbka 0,2 S ok. 50 g Póbka 0,2 ok. 200 g Dzielenie Póbka ez. 0,2 ok. 175 g Rys. 4. Uposzczony schema pobieania i pzygoowania póbek węgla. 8 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
1.2.1. Zawaość wilgoci Sposoby oznaczania zawaości wilgoci w paliwach sałych szczegółowo opisano w nomie PN-80/-04511 - Paliwa sale. Oznaczanie zawaości wilgoci. W nomie wpowadzono nasępujące okeślenia: wilgoć pzemijająca W ex część wody zawaej w paliwie acona podczas suszenia w powiezu do osiągnięcia sanu pzybliżonej ównowagi z wilgocią powieza ooczenia; wilgoć węgla powiezno-suchego (wilgoć higoskopijna) W h woda pozosała w węglu po osiągnięciu pzybliżonej ównowagi z wilgocią powieza ooczenia; wilgoć całkowia W - łączna zawaość wilgoci pzemijającej i wilgoci higoskopijnej w paliwie oboczym; wilgoć analiyczna W a wilgoć zawaa w póbce analiycznej 0,2 pzygoowanej do powadzenia oznaczeń. Zawaość wilgoci podaje się w pocenach w odniesieniu do masy póbki. Oznaczanie wilgoci w laboaoiach pzepowadza się za pomocą suszaek lub meodą desylacyjną. Wilgoć pzemijającą można eż oznaczać meodą suszenia póbki węgla na powiezu. Zawaość wilgoci całkowiej najczęściej okeśla się dwusopniowo. Najpiew oznacza się wilgoć pzemijającą W a nasępnie higoskopijną Wh. Wilgoć całkowią oblicza się wedy ze wzou: ex 100 Wex W = Wex + Wh, [%]. (1) 100 Wilgoć całkowią można akże oznaczać meodą jednosopniową. Schema oznaczania óżnych odzajów wilgoci pzedsawiono na ys. 5. meoda suszenia na powiezu W ex meoda suszakowa W h meoda suszakowa W h póbki paliwa w sanie oboczym meoda suszakowa meoda suszakowa Wex W W meoda desylacyjna W póbki paliwa w sanie powiezno-suchym meoda suszakowa meoda desylacyjna W h W h póbki analiyczne meoda suszakowa meoda desylacyjna W a W a Rys. 5. Schema oznaczania odzajów wilgoci óżnymi meodami laboaoyjnymi. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 9
1.2.2. Oznaczanie zawaości popiołu Sposób oznaczania zawaości popiołu w paliwach sałych meodą spalania szczegółowo opisano w nomie PN-80/-04512 Paliwa sałe. Oznaczanie zawaości popiołu meodą spalania. Meoda a polega na całkowiym spaleniu 1 2 g odważki póbki analiycznej paliwa w piecu laboaoyjnym (muflowym) w empeauze 815±15 C i wypażeniu pozosałego popiołu w waunkach umownych. Wyóżnia się dwie meody spopielania paliwa: powolnego spopielania, polegającą na sopniowym ogzewaniu pieca do empeauy 815±15 C waz z umieszczonym w nim ygielkami z odważkami badanego paliwa; szybkiego spopielania, polegającą na powolnym wsuwaniu ygielków z odważkami badanego paliwa do wcześnie nagzanego pieca do empeauy 815±15 C i wypażeniu ich w ej empeauze (meody ej nie sosuje się do węgla bunanego). W wyniku pomiaów ozymuje się pocenową zawaość popiołu w póbce analiycznej (w sanie powiezno-suchym) A a. Waość ę pzelicza się na paliwo obocze zgodnie ze wzoem: a W a ex 100 W A = A 1 = A 100 100 a, [%] (2) W Isnieją meody auomaycznego okeślania zawaości popiołu opae głównie na naświelaniu póbki pomieniami adioakywnymi lub engenowskimi. Oznaczanie zawaości popiołu należy do podsawowych analiz powadzonych w elekowni. Do innych ważnych badań należy zaliczyć akże analizę składu chemicznego oaz pomia chaakeysycznych empeau opliwości popiołu. Na ogół nie wykonuje się ych analiz w laboaoiach elekownianych; są one pzepowadzane na eapie oceny pzydaności danego ypu czy gaunku węgla do okeślonych celów echnologicznych. W abeli 2 pzedsawiono chaakeysykę popiołów z węgli wydobywanych w Polsce. 1.2.3. Oznaczanie zawaości części lonych Części lone w paliwie sanowią akie części bezwodnej jego masy, kóe podczas pażenia bez dosępu powieza pzechodzą w san lony. Meodę oznaczania zawaości części lonych w paliwach sałych szczegółowo opisano w PN-81/-04516 Paliwa sałe. Oznaczanie zawaości części lonych. Meoda polega na wypażeniu odważki póbki analiycznej (l±0,01 g) w zamknięym kwacowym lub pocelanowym yglu w empeauze 850±15 C pzez 7 minu bez dosępu powieza i na wagowym usaleniu sa badanej masy paliwa (po upzednim osudzeniu w powiezu i eksykaoze). Całkowia saa masy paliwa składa się z zawaości wilgoci i zawaości części lonych w badanej póbce. Zaem pocenową zawaość części lonych w póbce analiycznej paliwa V a oblicza się uwzględniając znaną zawaość wilgoci w ej póbce W a. Podobnie jak dla popiołu, zawaość części lonych w paliwie oboczym pzelicza się według wzou: a W a ex 100 W V = V 1 = V 100 100 a, [%] (3) W 1.2.4. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie waości opałowej Ciepło spalania paliwa sałego Q s jes o ilość ciepła wydzielona pzy całkowiym i zupełnym spaleniu jednoski masy paliwa i schłodzeniu poduków spalania do empeauy ooczenia pzy założeniu, że paa wodna zawaa w spalinach ulega skopleniu oaz że końcowymi podukami są: len, azo, dwulenek węgla, dwulenek siaki, woda w sanie płynnym i popiół. Jeżeli paliwo sałe zawiea siakę i azo, o powsający dwulenek siaki i lenki azou wozą w połączeniu ze skoploną wodą kwas siakowy i azoowy. Podczas ego pocesu wydziela się ciepło synezy, kóe, w myśl powyższej definicji, musi być odjęe od efeków cieplnych spowodowanych samym spaleniem póbki paliwa. 10 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
Waość opałowa paliwa sałego Q j jes o ciepło spalania, pomniejszone o ciepło paowania wody wydzielonej i powsałej podczas spalania póbki paliwa. Pojęcie waości opałowej związane jes z ym, że empeaua spalin uchodzących z koła jes na yle wysoka, że wilgoć w nich zawaa znajduje się w sanie gazowym. A w cieple spalania zawae jes ównież ciepło wydzielone podczas kondensacji pay wodnej pzy ochładzaniu spalin do empeauy ooczenia. Zaem do obliczeń bilansu cieplnego koła badziej nadaje się waość opałowa dopasowana do zeczywisych paameów pacy koła. Zgodnie z definicją, waość opałową Q j można obliczyć ze wzou: m Q Q m w j = s, [kj/kg], (4) p gdzie: ciepło paowania wody, kj/kg, m w masa wody powsała ze spalenia wodou i odpaowania wilgoci, kg; m p masa póbki paliwa, kg. Ciepło spalania oznacza się za pomocą bomby kaloymeycznej. Zmiezony efek cieplny odnosi się do masy póbki. Meoda pomiau polega na całkowiym i zupełnym spaleniu póbki paliwa w amosfeze lenu pzy okeślonym ciśnieniu w bombie kaloymeycznej i pomiaze pzyosu empeauy wody w naczyniu kaloymeycznym oaz wyznaczeniu popawek na dodakowe efeky cieplne. Pomiay pzepowadza się w układzie kaloymeycznym: saycznym, izoemicznym lub adiabaycznym. Pomia sayczny (najczęściej sosowany) pzebiega w kaloymeze o akiej pojemności cieplnej, aby zmiana empeauy wody w płaszczu (emosacie wodnym) była pomijalnie mała w sosunku do pzyosu empeauy w naczyniu. Pzy pomiaze izoemicznym kaloyme powinien być wyposażony w uządzenie (np. chłodnicę) zapewniające sałą empeauę wody w płaszczu z dokładnością ±0,1 K. Płaszcz kaloymeu adiabaycznego naomias wyposażony jes w gzejnik zapewniający podwyższenie empeauy wody w płaszczu z pędkością óżniącą się nie więcej niż 0,1 K od pędkości pzyosu empeauy w naczyniu po spaleniu póbki. W dalszej części insukcji opisany zosał pomia w układzie saycznym. Sposób pomiau ciepła spalania i obliczenia waości opałowej podany jes w nomie PN-81/- 04513 Paliwa sałe. Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie waości opałowej. 1.2.5. Oznaczanie zawaości siaki Ze względu na wieloakie negaywne oddziaływania zachodzące w układach echnologicznych elekowni, zawaość siaki powinna być jedną z najważniejszych wielkości chaakeyzujących węgle enegeyczne. Meody oznaczania siaki w węglu są podane w kilku nomach kajowych. Doyczą one nasępujących fom siaki: całkowiej, popiołowej lub palnej, oganicznej (siaczanowej i piyowej) lub nieoganicznej (ioeeowej i iofenowej). Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 11
1.3. Wyznaczanie ciepła spalania za pomocą kaloymeu saycznego 1.3.1. Teoeyczne podsawy pomiau kaloymeycznego Schema ideowy kaloymeu pzedsawiony jes na ysunku 6. Rys. 6. Schema ideowy kaloymeu. Enegia Q wydzielona podczas spalenia póbki paliwa w naczyniu kaloymeycznym jes pzekazywana emu naczyniu (U) oaz pzenika częściowo do osłony (Q z ). Zakładając, że jedyny efek cieplny w kaloymeze pochodzi ze spalenia węgla oaz że w układzie nie jes wykonywana żadna paca ( Δ V = 0 ), bilans enegeyczny można zapisać wzoem: Q= U + Q z. (5) Pzyos enegii wewnęznej naczynia kaloymeycznego pzy wzoście empeauy o d wynosi: du = Kd. (6) W ównaniu powyższym K oznacza pojemność cieplną kaloymeu [J/K]. Jes o waość sała dla danego kaloymeu (poocznie: sała kaloymeu). Z kolei enegię pzenikającą do osłony w czasie d można wyazić za pomocą wzou: d z ( ) Q = α d, (7) gdzie: α współczynnik popocjonalności chaakeyzujący ilość ciepła pzenikającą do osłony, W/K, empeaua wody w naczyniu kaloymeycznym, K, z empeaua wody w osłonie, K. Bilans enegeyczny zapisany ównaniem (5), dla elemenanych zmian empeauy w czasie d, pzyjmuje posać: z ( ) dq = Kd+ α z d. (8) Jeżeli znany jes ozkład empeau i z w czasie pomiau oaz sałe K i α, o po scałkowaniu ównania (8) ozymujemy efek cieplny (ciepło spalania) uzyskany w kaloymeze. Zaem pomia kaloymeyczny opiea się na zmiezeniu ozkładu empeau podczas spalenia póbki paliwa. 12 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
1.3.2. Pomia empeauy w kaloymeze W akcie pomiau, na skuek wydzielającego się ciepła ze spalenia póbki paliwa, zmienia się empeaua wody w naczyniu kaloymeycznym. Tempeaua a zmienia się akże na skuek wymiany ciepła i wyównywania empeauy z ooczeniem (osłoną kaloymeu) bez względu na efeky cieplne powsałe pzy spalaniu. Wymiana ciepła zachodzi nawe pzy badzo saannym odizolowaniu emicznym naczynia kaloymeycznego, dlaego dość isonym zagadnieniem jes ilościowe okeślenie ego efeku i uwzględnienie go w posaci odpowiedniej popawki pzy obliczaniu ciepła spalania. Na ys. 7. pokazano ypowy pzebieg zmian empeauy w czasie wykonywania pomiaów w kaloymeze. Właściwy pomia empeauy dzieli się na zy okesy, w kóych dokonuje się egulanych (zwykle co minuę lub co pół minuy) odczyów empeauy wody w kaloymeze: 1) okes począkowy (P), w kóym dokonuje się konoli wymiany ciepła między naczyniem kaloymeycznym a płaszczem wodnym i ooczeniem pzed spaleniem póbki (k+1 odczyów). W okesie ym obsewuje się w pzybliżeniu liniowy wzos lub spadek empeauy (w zależności od ego, czy począkowa empeaua wody w naczyniu jes mniejsza lub większa od empeauy płaszcza wodnego). 2) okes główny (), w kóym nasępuje spalenie póbki, wydzielenie się ciepła i pzekazanie go do układu kaloymeycznego oaz wyównanie empeau (n odczyów). Należy pamięać, że w okesie głównym nie usaje wymiana ciepła z ooczeniem. 3) okes końcowy (K), spełniający en sam cel co począkowy, ale w waunkach zakończenia pomiau (m odczyów). Aby móc wyodębnić okes główny, w okesie końcowym powinno obsewować się w pzybliżeniu liniowy spadek empeauy czyli empeaua wody w płaszczu powinna być mniejsza niż piewsza empeaua w okesie końcowym. Rys. 7. Pzykładowy pzebieg zmian empeauy wody w naczyniu kaloymeycznym podczas wyznaczania ciepła spalania (k = 5, n = 9, m = 5). P,,... kolejne odczyy empeau (dla każdego okesu od począku); 1, P - piewszy i osani odczy empeauy w k K K okesie począkowym;, - piewszy i osani odczy empeauy w okesie głównym; 1 n 1, ; - czas wania m 0 n okesu głównego; Δ - czas między odczyami empeauy. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 13
Okes począkowy i końcowy wają yle samo czasu na ogół po 5 minu. Okes główny zaczyna się z chwilą spalenia póbk i (jes o eakcja gwałowna) i wa do momenu osiągnięcia maksymalnej empeauy w naczyniu kaloymeycznym. Pomiay pzyosów empeauy (d/d) i w okesie głównym są zasadniczymi pomiaami podczas wyznaczania ciepła spalania i należy je pzepowadzać z dużą dokładnością. 1.3.3. Rozwiązanie ównania bilansu cieplnego kaloymeu w waunkach zeczywisych. W ozwiązaniach echnicznych kaloyme wyposażony jes w mieszadło mechaniczne zanuzone w naczyniu i mające za zadanie polepszenie wymiany ciepła wewnąz uządzenia. Mieszadło o wykonuje pacę mechaniczną, kóa częściowo jes zamieniana na ciepło. Jes o zaem dodakowy efek cieplny, kóy należy uwzględnić w obliczeniach. Jeżeli pzez N m d oznaczymy elemenaną pacę mieszania zamienianą na ciepło (N m moc mieszania), o bilans enegeyczny kaloymeu można zapisać w posaci: ( ) dq+ N d = Kd+ α d. (9) m Całkując powyższe ównanie dla czasu wania okesu głównego ( n 0 ), ozymujemy: m m Q= K Δ + z d K ( ) ( n 0 ) K n = Δ + K K n α N α K d N z (10) 0 0 gdzie: Δ = n 0 = n okesie głównym, K. 1.3.4. Wyznaczenie popawki empeauowej P k z - zeczywisy pzyos empeauy wody w naczyniu kaloymeycznym w Równanie (10) można zapisać w posaci ogólnej: Q= K Δc. (11) Wielkość Δ c jes o zw. popawiony pzyos empeauy wody w naczyniu kaloymeycznym. Jes on sumą pzyosu zeczywisego (zmiezonego) empeauy w okesie głównym Δ oaz popawki Δ uwzgl ędniającej wymianę ciepła między układem a ooczeniem i pacę mieszadła: Zaem: Δc Δ Δ = +. (12) ( ) Q = K Δ + Δ Z poównania zależności (10) i (13) wynika wzó na popawkę Δ: n N m z n 0 K 0 Powyższy wzó wygodniej jes pzekszałcić do posaci: α Δ= ( ) d ( ). (14) K n α ( n 0 ) K d α N Δ= z + K K 0 m Obliczenie powyższej popawki wymaga znajomości pzebiegu empeauy w naczyniu kaloymeycznym w okesie głównym () oaz waości sałych: N m /K i α/k. (13) (15) 14 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
Sałe można wyznaczyć z waunków bzegowych dla ównania (9). W ównaniu ym, zapisanym dla okesu począkowego lub końcowego, nie wysępuje ciepło dq (nie ma spalania), zaem ma ono posać: ( ) N d = Kd+ α d. (16) m Po scałkowaniu ego ównania dla okesu począkowego ozymuje się, dogą kolejnych pzekszałceń: P P P k k k P P P 0 0 0 z ( ) Nmd = Kd+ α z d (16a) k P P P P P P m ( k 0 ) = ( k 0 ) + α ( ) α z( k 0 ) P P N K d (16b) 0 N K m P P ( k 0 ) ( k ) P k ( ) d P 0 ( k ) α α = + K K P P P P 0 0 z (16c) W okesie począkowym (i końcowym) pzebieg empeauy () jes zbliżony do liniowego, co pozwala w posy sposób scałkować wyażenie ( ) P k P 0 d. aficznie pzedsawia o poniższy ysunek: P k P 0 1 ( ) d = P = ( )( + 2 P P P P ABCD k 0 0 k ) Zaem wyażenie (16c) spowadza się do posaci: P P ( k 0 ) P P ( k ) P P ( k + ) α α + z. (17) K K K Nm 0 = 2 0 Analogicznie uzyskuje się zależność dla okesu końcowego: ( k 0 ) K K ( k ) K ( k ) + α K K K K K K Nm α 0 = + 2 0 z (18) Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 15
Wpowadzając oznaczenia: - śednia szybkość zmian empeauy w okesie począkowym: ( k 0 ) ( k 0 ) - śednia szybkość zmian empeauy w okesie począkowym: - śednia empeaua w okesie począkowym: - śednia empeaua w okesie końcowym: możemy wyażenia (17) i (18) zapisać w posaci: P P P P P a =, (18a) ( m 0 ) ( m 0 ) K K K K K a =, (18b) ( 0 ) = + k, (18c) P 1 P P s 2 = ( 0 m ) K 1 K K s 2 Nm α α + = + K K K N α α K K K +, (18d) P P z a s m K K + z = a + s, (19) Z analizy ównania (15) wynika, że układ ównań (19) najlepiej ozwiązać względem niewiadomych α/k α Nm oaz z + K K. Mamy wedy: P K α a a = K P K s s. (20) p K K P α Nm a s a s z + = K P K K Pzebieg empeauy w okesie głównym jes znany z pomiaów, zaem całkę wysępującą w ównaniu (15) można w posy sposób wyznaczyć meodą apezów (ys. 8). Ozymuje się wedy wyażenie (po pzekszałceniu): n n 1 0 + n d i i 1 2 = 0 = + Δ s s. (21) P odsawiając (20) i (21) do (15) i wykonując pose pzekszałcenia, ozymujemy: Δ a a a a + n Δ, C, (22) P K n 1 K P P K s s PR = K P s i K P s s i= 1 s s gdzie: s - śednia empeaua w okesie głównym: Powyższe wyażenie nosi nazwę popawki Regnaula-Pfaudlea. s 0 + = n (22a) 2 16 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
Podsawiając (22) do wzou (13) ozymujemy osaeczny wzó do obliczenia ciepła wywozonego podczas spalania póbki paliwa w kaloymeze: 1 K P P K P K n a a s a s a Q= K Δ + K P s i n Δ K P s + s i= 1 s s, J. (23) n 0 d n i= 1 i 1 + i 2 Δ Rys. 8. Zasosowanie meody apezów do obliczenia całki d. n 0 Pzedsawiony sposób wyznaczenia popawki empeauowej nie jes jedyny. W lieauze spoyka się akże inne zależności do obliczania popawki. Wspomniana noma PN-81/-04513 zaleca na pzykład dość posy, empiyczny wzó: 1 P K K Δ PN = ( a + a ) ( n 1) a, [ C]. (24) 2 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 17
1.3.5. Obliczenie ciepła spalania i waości opałowej węgla na podsawie pomiaów kaloymeycznych C iepło spalania W kaloymeze spala się na ogół póbkę analiyczną paliwa, zaem obliczona waość ciepła spalania powinna być pzeliczona na odpowiednią posać paliwa najczęściej oboczą. Po wykonaniu pomiaów kaloymeycznych ciepło spalania pzypadające na jednoskę masy paliwa wyznacza się ze wzou: Q a s ( Δ 1) K k k = m gdzie: K pojemność cieplna kaloymeu, kj/k; m p masa póbki paliwa, kg; Σk i suma popawek na dodakowe efeky cieplne, kj; k 1 popawka empeauowa, K; Δ pzyos empeauy wody w naczyniu kaloymeycznym p i, kj/kg, (25) w okesie głównym, K. Popawka empeauowa k 1 może być obliczona ze wzou (22) lub (24) bądź innego wyażenia podawanego w lieauze albo w nomach. Pzy wykozysaniu wzou (22), należy podsawić: k 1 = -Δ PR, a pzy wykozysaniu wzou (24): k 1 = -Δ PN. Wysępująca we wzoze (25) wielkość Σk i uwzględnia dodakowe efeky cieplne związane z pomiaem kaloymeycznym. W zależności od sposobu pomiau i odzaju paliwa są o: ciepło ze spalenia duu opoowego, niki bawełnianej, woeczka koloidowego (elemeny, kóe mogą być ewenualnie użye do zamocowania póbki paliwa w bombie kaloymeycznej) oaz ciepło synezy kwasu azoowego i siakowego z azou i siaki zawaych w węglu. Sumę popawek Σk i oblicza się: a) w pzypadku, gdy znana jes zawaość siaki w paliwie, ze wzou: gdzie: g dzie: a S ki = Qd ( md1 md 2) + Qnb mnb + Qkol mkol + Q f + QSulf mp, kj, (26) 100 Q d, Q nb, Q kol ciepło spalania duu opoowego, niki bawełnianej i kolodium, kj/kg; m d1, m d2 masa duu opoowego pzed spaleniem i po spaleniu, kg; m nb, m kol, m p masy: niki bawełnianej, woeczka koloidowego, póbki paliwa, kg; f współczynnik, (f=0,0015 dla węgla); Q Sulf ciepło synezy kwasu siakowego, (Q sulf = 9420 kj/kg); S zawaość siaki całkowiej w póbce analiycznej, %, a ( 1) Q efek cieplny powsały w bombie Q = K Δ k, kj. b) w pzypadku, gdy zawaość kwasu siakowego i azoowego oznacza się z pozosałości po spaleniu póbki w bombie kaloymeycznej, ze wzou: Q H2SO, 4 QHNO 3 k i = Q d ( m d1 m d 2) + Q m Q m nb nb + kol Q kol H2SO Q 4 HNO3 + +, kj, (27) - ciepła synezy kwasów siakowego i azoowego wyznaczone z pomiaów, kj. Obliczone według wzou (25) ciepło spalania pzelicza się na inne sany paliwa, w ym na san oboczy. Wzó pzeliczeniowy wynika z poniższego ozumowania. 18 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
Ciepło spalania póbki analiycznej jes o efek spalenia paliwa w sanie powiezno-suchym odniesiony do masy póbki, co można zapisać: Q a s Qs =, kj/kg, (28) a m gdzie: Q s ciepło wydzielone ze spalenia paliwa (masy palnej), kj; m a masa póbki analiycznej paliwa, kg. dyby spaleniu w bombie poddano póbkę paliwa oboczego (zawieającą dodakowo wilgoć pzemijającą W ex ), efek cieplny byłby aki sam, bo ze spalenia wody ( W ex ) nie powsaje ciepło. Zaem ciepło spalania paliwa oboczego: gdzie: m masa póbki paliwa oboczego, kg. Po podzieleniu sonami ównań (29) i (28) ozymuje się: gdzie: m Wex masa wilgoci pzemijającej; sąd: gdzie: W Q s Qs =, kj/kg, (29) m a Qs m m mwex mwex W ex 100 W = = = 1 = 1 a = 100 100 a Qs m m m, (30) W Q 100 W = Q, (31) a 100 W a s s, W a zawaości wilgoci całkowiej w sanie oboczym i analiycznym paliwa, %. Waość opałowa Waość opałową paliwa w sanie analiycznym oblicza się ze wzou, w kóym, zgodnie z ównaniem (4), uwzględnia się wilgoć zawaą w póbce analiycznej oaz wodę powsałą ze spalenia wodou zawaego w ejże póbce: a a a a H W Qj = Qs 8,94 +, kj/kg, (32) 100 100 gdzie: a Q s ciepło spalania póbki analiycznej, kj/kg; ciepło paowania wody w empeauze 25 C ( = 2455 kj/kg); H a zawaość wodou w póbce analiycznej, %; W a zawaość wilgoci w póbce analiycznej, %. Jeżeli zawaość wodou w paliwie nie jes znana, o jej pzybliżoną waość można obliczyć z zależności: a a a 100 A W H =, % (33) b gdzie: A a zawaość popiołu w póbce analiycznej, %; b współczynnik pzeliczeniowy, b=18,5 dla węgla kamiennego i b=18 dla bunanego. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 19
Waość opałową póbki węgla w sanie analiycznym zazwyczaj pzelicza się na san oboczy paliwa. Waość opałową paliwa oboczego oblicza się w sposób analogiczny jak pzy paliwie analiycznym, zaem we wzoze (32) wysaczy uwzględnić udziały wodou i wilgoci całkowiej w póbce oboczej (H i ): W H W Qj = Qs 8,94 +, kj/kg. (34) 100 100 a Po wyznaczeniu ze wzoów (32) i (34) ciepeł spalania Q s i Q s oaz wsawieniu ich do (31) ozymujemy wzó pzeliczeniowy dla waości opałowej paliwa w sanie oboczym: a 100 W a W W Qj = Q a j +, kj/kg. (35) 100 W 100 100 1.3.6. Oznaczanie pojemności cieplnej kaloymeu Oznaczanie pojemności cieplnej kaloymeu pzepowadza się zgodnie z wymogami poducena danego uządzenia. Konieczność spawdzenia sałej kaloymeu najczęściej zachodzi po kilku miesiącach oznaczeń ciepła spalania lub po wymianie kóejkolwiek części układu kaloymeycznego. Oznaczanie należy pzepowadzić w ych samych waunkach, w jakich później będą pzepowadzane pomiay ciepła spalania. Pomiay wykonuje się idenycznie, z ym że w miejsce badanej póbki sosuje się subsancję o ściśle okeślonym cieple spalania. Najczęściej jes o kwas benzoesowy wzocowy. Pojemność cieplną oblicza się z zależności wynikającej ze wzou (25): wz wz Qs mp + k i K =, kj/k, (36) Δ k gdzie: ( 1) wz Q s - ciepło spalania paliwa wzocowego, kj/kg; - masa póbki paliwa wzocowego, kg; wz m p k i - suma popawek na dodakowe efeky cieplne (spalenie duu opoowego, niki bawełnianej i syneza kwasu azoowego). Pozosałe oznaczenia są akie same jak we wzoze (25). 20 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
2. WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1. Cel i zakes ćwiczenia Ćwiczenie laboaoyjne pokazuje w jaki sposób za pomocą kaloymeu saycznego oznacza się ciepło spalania węgla. Pośednim, dodakowym, celem ćwiczenia może być akże opanowanie umiejęności wyznaczania sałej kaloymeu. Wykonujący ćwiczenie mają za zadanie nauczyć się czynności pakycznych polegających na: pawidłowym wykonaniu póbki węgla do spalenia; pzygoowaniu bomby kaloymeycznej oaz kaloymeu do pomiaów; obsłudze kaloymeu podczas pomiaów i po ich zakończeniu; posługiwaniu się pecyzyjnym emomeem cieczowym oaz wagą analiyczną; analizie wyników pomiaów, ich skomenowaniu i popawnym zasosowaniu odpowiednich wzoów do obliczenia ciepła spalania i waości opałowej. 2.2. Budowa kaloymeu W ćwiczeniu wykozysywany jes kaloyme ypu KL-5 podukcji kajowej. Ogólna budowa uządzenia pokazana jes na ysunku 9., a podsawowe dane echniczne zesawione zosały w abeli 4. Rys. 9. Ogólna budowa kaloymeu KL-5. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 21
Tabela 3. Chaakeysyka echniczna kaloymeu KL-5. Ciśnienie póbne bomby kaloymeycznej 20 MPa Pojemność bomby 0,405 dm 3 Pojemność naczynia kaloymeycznego 4,4 dm 3 Pojemność płaszcza wodnego 15,5 dm 3 Masa kaloymeu bez wody 47 kg Napięcie zasilania 220 V Dokładność odczyu empeauy 0,002 K Ciepło spalania duu opoowego 6800 kj/kg Pojemność cieplna kaloymeu 12,77 kj/k Najważniejsza część kaloymeu bomba kaloymeyczna wykonana jes ze sali kwasoodponej (ys. 10). Składa się z cylindycznego kopusu (1 na ys. 10.), głowicy zamykającej kopus (11) oaz pieścieniowej zakęki samouszczelniającej (5). Zakęka posiada specjalnie osadzony pieścień gumowy (6), kóy pozwala na jej dokęcenie bez użycia klucza. Samouszczelnienie bomby nasępuje pod działaniem niewielkiego nawe ciśnienia wewnęznego. W głowicy znajdują się dwa zawoy zwone samoczynne: wloowy (13), służący do napełniania bomby lenem i wyloowy (12) do wypuszczania gazów spalinowych. Zawó wloowy połączony jes z uką (9) sięgającą w głąb bomby i pozwalającą na wpuszczenie lenu do bomby poniżej ygielka (2). Na uce ej znajduje obsada ygielka (8) oaz zacisk duu zapłonowego (3). Ruka a sanowi ównocześnie jedną z elekod, do kóych podłącza się ducik zapłonowy. Zawó wyloowy zwalnia się popzez wkęcenie nakęki (egulaoa); umieszczona jes na niej zayczka elekody (7). Duga elekoda (4) jes izolowana od kopusu i głowicy oaz jes ównież pzedłużona w głąb bomby i posiada zacisk duu zapłonowego (3). W uchwycie obsady ygielka umieszcza się ygielek (2) wykonany ze sali kwasoodponej. Rys. 10. Budowa bomby kaloymeycznej. Jeżeli powadzący ćwiczenie nie poda innej waości. Jeżeli w ćwiczeniu wykonuje się dodakowo pomia pojemności cieplnej kaloymeu, należy pzyjąć waość obliczoną z ego pomiau. 22 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
Naczynie kaloymeyczne o kszałcie walca (11 na ys. 9.) wykonane jes z blachy mosiężnej obusonnie niklowanej i chomowanej. W gónej części wyposażone jes w uchwyy służące do jego pzenoszenia. Naczynie umieszcza się cenalnie w płaszczu kaloymeu (9) na specjalnej podsawce izolującej cieplnie (7). Płaszcz wodny kaloymeu (9 na ys. 9.), spełniający olę emosau, jes o wypełnione wodą cylindyczne naczynie z blachy mosiężnej niklowanej o podwójnych ściankach. W pzeszeni między ściankami płaszcza umieszczona jes wężownica (10) służąca do egulacji empeauy wody w płaszczu pzy pomocy medium chłodzącego lub ogzewającego (najczęściej akże wody). Wężownica zakończona jes kóćcami wypowadzonymi na zewnąz płaszcza, do kóych można podłączyć wąż z wodą. Wewnąz płaszcza znajduje się akże mieszadło ęczne (1)służące do wyównywania empeauy wody. W gónej części płaszcza umieszczony jes owó wlewowy zamknięy kokiem, w kóym znajduje się emome cieczowy pozwalający na pomia empeauy wody w płaszczu. Do gónej części płaszcza pzymocowana jes ponado powadnica mieszadła mechanicznego (2) oaz ua na kóej zamonowana jes uchoma lupa (13), powadnica emomeu z blokadą (14) oaz wibao (12). W czasie pomiau płaszcz zamyka się dwudzielną pokywą wykonaną z winiduu (3) z umieszczonymi w niej owoami do wpowadzenia emomeu, mieszadła mechanicznego i pzewodu zapłonowego (5). Mieszadło mechaniczne (2 na ys. 9.) służące do mieszania wody w naczyniu kaloymeycznym osadzone jes na pęcie sanowiącym pzedłużenie wału napędowego silnika elekycznego sałooboowego. Mieszadło można umieścić na dowolnej wysokości w naczyniu kaloymeycznym; możliwy jes akże jego obó dookoła powadnicy. Winik mieszadła jes izolowany cieplnie od silniczka elekycznego popzez specjalne spzęgło. Temome kaloymeyczny (6 na ys. 9.) posiada zakes pomiaowy od 17 do 25 C o elemenanej podziałce 0,01 C. Pzy użyciu podświelanej lupy (13) empeauę można odczyać z dokładnością do 0,005 C. Temome można pzesuwać ównolegle do uy saywu, blokować jego położenie oaz obacać waz z lupą i wibaoem. Wibao (12) służy do okesowego wywoływania dgań emomeu popzez udezanie weń specjalną dźwignią, w celu zapobieżenia zahamowaniu ęci w kapilaze. Rys. 11. Pulpi seowniczy kaloymeu. Pulpi seowniczy (ys. 11) służy do uuchamiania i obsługi kaloymeu. W ylnej ściance pulpiu znajduje się pzewód z wyczką do podłączenia kaloymeu do sieci (6 na ys. 11.) oaz gniazdka do podłączenia pzewodów dopowadzających pąd do: podświelacza lupy i wibaoa (5), mieszadła (4), Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 23
elekod bomby (3). Ponado znajduje się am gniazdo bezpiecznika (7). Na czołowej ściance pulpiu są zamonowane wyłączniki: główny sieciowy (13), mieszadła (12), podświelacza (11), sygnalizacji dźwiękowej (10), zapłonu (9). Włączenie każdego z ych pzycisków powoduje zapalenie się odpowiedniej lampki konolnej. Wyjąek sanowi lampka konolna wyłącznika zapłonu (8), kóa po pawidłowym spaleniu póbki powinna zgasnąć pzy wciśnięym pzycisku. Z lewej sony pulpiu znajduje się 12 punków świelnych (1) zapalających się kolejno co 5 sekund i odmiezających czas między odczyami empeauy. Osania, góna lampka jes kolou czewonego i sygnalizuje ona momen, w kóym należy odczyać empeauę (co jedną minuę). Dodakowo sygnalizuje o świecenie ekaniku (2) oaz sygnał dźwiękowy (pzy włączonym pzycisku (10). Pulpi seowniczy podłączony jes do seownika znajdującego się pod spodem specjalnego sołu (15 na ys. 9.). Kaloyme wyposażony jes akże w elemeny pomocnicze, służące do pzygoowania póbki paliwa i bomby kaloymeycznej. Są o: pasa do spoządzania pasylek węgla (ys. 12.), sayw oaz podsawka do bomby kaloymeycznej, uządzenia do napełniania bomby lenem. Rys. 12. Paska do pzygoowywania pasylek paliwa. Widok ogólny (a), sposób ufomowania pasylki paliwa (b), bykiecik po spasowaniu (c), denko ulei fomującej (d). 24 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
2.3. Pzebieg ćwiczenia 2.3.1. Ogólne wymagania pomiau kaloymeycznego. Czynności wsępne Pomieszczenie, w kóym mają być wykonywane pomiay powinno mieć sałą empeauę, najlepiej w ganicach 18-21 C, nie większą niż 25 C. Okna powinny wychodzić na północ, w pomieszczeniu nie powinno być pzewiewów, a kaloyme nie powinien znajdować się w pobliżu źódeł ciepła (np. kaloyfeów). W czasie pomiau okna i dzwi pomieszczenia powinny być zamknięe. Pzed pzysąpieniem do wykonywania pomiaów należy spawdzić czy spełnione są akże nasępujące waunki. 1) Płaszcz wodny powinien być napełniony wodą o empeauze zbliżonej do empeauy pomieszczenia (z dokładnością ±0,5 C). W celu wyównania empeau pzed odczyem wskazania emomeu należy kilkakonie pouszyć mieszadłem ęcznym. 2) Naczynie kaloymeyczne powinno być dokładnie umye po popzednich pomiaach. Należy je nasępnie napełnić wodą o niskiej wadości lub wodą desylowaną w ilości 2,7 dm 3. 3) Począkową empeauę wody w naczyniu kaloymeycznym należy ak dobać, aby empeaua wody w płaszczu była ówna w pzybliżeniu śedniej aymeycznej między końcową i począkową empeauą okesu głównego. Pakycznie powinna być o 1 1,5 C niższa od empeauy wody w płaszczu. 2.3.2. Pzygoowanie odważki paliwa (bykiecika) Odważkę paliwa wykonuje się z póbki analiycznej węgla będącej na wyposażeniu sanowiska laboaoyjnego. Należy w ym celu pobać od 0,8 do 1,5 g węgla (płaska łyżeczka od hebay) i ufomować bykiecik (pasylkę) za pomocą paski. Kolejność wykonywanych czynności jes nasępująca. 1) Odciąć około 12 cm ducika chomoniklowego (na wyposażeniu sanowiska) i wykonać w śodkowej jego części 3-4 zwoje o śednicy około 3 mm (pzy pomocy duu salowego, gwoździa ip.). 2) Zważyć pzygoowany ducik na wadze analiycznej z dokładnością do 0,2 mg. 3) Umieścić ducik na denku ulei fomującej ak,aby zwoje znajdowały się na wysokości ok. 1 cm i miały szeokość pozwalającą swobodnie wpowadzić je do wnęza ulei. Po spasowaniu węgla, część ducika ze zwojami powinna znajdować się wewnąz bykiecika. Końce ducika należy ułożyć w owkach znajdujących się w denku, ak aby z obydwu son pozosało jeszcze po kilka cenymeów do podłączenia do elekod wewnąz bomby. Denko z ducikiem należy nasępnie umieścić w ulei fomującej, kóej dolne obzeże akże posiada owki do ułożenia ducika. Należy zwócić szczególną uwagę na o, aby ducik był całkowicie ułożony w owkach. Tak pzygoowaną uleję fomującą należy umieścić na podpoze pasy i na uchomej popzeczce. Całość powinna wyglądać ak, jak o pokazano na ysunku 12.b. 4) Wsypać odmiezoną ilość węgla do ulei fomującej i enegicznym uchem spasować bykiecik za pomocą łoka pouszanego śubą. 5) Zluzować łok, usunąć podpoę spod ulei oaz denko i, wpowadzając ponownie łok do wnęza, delikanie wypchnąć bykiecik do podsawionego ygielka. Pawidłowo ufomowany bykiecik powinien być zway, nie ozsypywać się; na zewnąz powinny wysawać kilkucenymeowe końcówki ducika opoowego (ys. 12.c). 6) Zważyć dokładnie oczyszczony ygielek na wadze analiycznej, włożyć do niego bykiecik i całość ponownie zważyć. Wynikowa masa węgla w bykieciku (po odjęciu masy ducika) nie powinna być większa niż 1,5 g. W pzeciwnym azie należy delikanie usunąć część bykiecika (zeskobać), ak aby zmniejszyć jego wagę. Wszyskie ważenia należy wykonać z dokładnością do 0,2 mg. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 25
Uwaga! Czynności związane z pzygoowaniem bykiecika są dość udne manualnie i należy je wykonywać pecyzyjnie, ak aby czas na nie poświęcony nie był zby długi (w azie nieudanej póby, czynności 1-6 należy powózyć). 2.3.3. Pzygoowanie bomby kaloymeycznej Wszyskie elemeny bomby kaloymeycznej powinny być czyse. Wszelkie pozosałości po popzednich pomiaach, naloy, powinny być dokładnie usunięe, a całość pzemya spiyusem lub benzyną. Pawidłowe pzygoowanie bomby powinno pzebiegać w nasępującej kolejności. 1) Na dno kopusu bomby wlać za pomocą szykawki lub pipey 2 cm 3 wody desylowanej (dosaczonej pzez powadzącego ćwiczenie). 2) łowicę bomby umieścić na specjalnym saywie. Tygielek waz z bykiecikiem umieścić na uchwycie znajdującym się na pzedłużeniu elekody. 3) Końce ducika opoowego dokładnie zamocować pzy pomocy ulejek zaciskowych do elekod. Ducik nie powinien doykać do innych mealowych części bomby, ani do ygielka. 4) łowicę zdjąć osożnie ze saywu i wsawić do kopusu bomby umieszczonego upzednio na specjalnej podsawce. Zamknąć bombę dokęcając ęcznie nakękę samouszczelniającą. 5) Zawó wloowy bomby połączyć z bulą lenową (na wyposażeniu sanowiska) za pomocą gumowego pzewodu ciśnieniowego i edukoa. Zawó wyloowy owozyć popzez wkęcenie nakęki adełkowanej. 6) Odkęcić osożnie zawó buli lenowej i pzepłukać bombę pzez kilkanaście sekund. Nasępnie zamknąć zawó wyloowy pzez odkęcenie nakęki i napełnić bombę lenem do ciśnienia 2,5 MPa dla węgla kamiennego lub 2 MPa dla węgla bunanego. 7) Odłączyć insalację lenową. 2.3.4. Pzygoowanie kaloymeu do pomiaów Po pzygoowaniu bomby należy umieścić naczynie kaloymeyczne cenalnie na dnie płaszcza na specjalnej podsawce izolacyjnej. Końcowe czynności należy wykonywać w nasępującej kolejności. 1) Umieścić osożnie bombę kaloymeyczną na dnie naczynia (pośodku). Bomba powinna być całkowicie zanuzona, wysawać powinny ylko zayczki elekod i końcówka zawou wloowego. Jeżeli z bomby wydzielają się pęchezyki powieza, świadczy o o jej nieszczelności. Należy wówczas wyjąć ją z naczynia, osuszyć, owozyć zawó wyloowy i odkęcić nakękę samouszczelniającą. Usunąć nieszczelność i ponownie pzygoować bombę. 2) Podłączyć do elekod wyczkę dopowadzającą napięcie zapłonowe, umieścić w naczyniu pomiędzy kopusem bomby a ściankami emome kaloymeyczny oaz mieszadło. Zbionik z ęcią emomeu powinien znajdować się w połowie wysokości wody w naczyniu. Ani mieszadło, ani emome nie mogą doykać do ścianki naczynia lub do kopusu bomby. 3) Usawić w jednej linii pę mieszadła, emome oaz końcówkę emomeu w aki sposób, aby pasowały do owoów w dwudzielnej pokywie z winiduu, kóą należy umieścić w gónej części płaszcza. Po zamknięciu pokywy należy dokonać koeky położenia elemenów w naczyniu i spawdzić czy mieszadło nie obija się o ścianki naczynia lub o bombę (popzez chwilowe włączenie silniczka). 2.3.5. Wykonanie pomiaów kaloymeycznych Po pzygoowaniu kaloymeu należy uuchomić mieszadło mechaniczne oaz odnoować empeauę płaszcza wodnego. Nasępnie należy odczekać około 5 minu w celu wyównania empeauy w kaloymeze. Po ym czasie pzysępuje się do właściwych pomiaów. 1. Włączyć pzycisk podświelacza skali w lupie i ozpocząć odczyywanie i noowanie empeau w momenach sygnalizowanych na pulpicie seowniczym zapaleniem się czewonego gónego punku świelnego i ekaniku. Można dodakowo włączyć pzycisk sygnału dźwiękowego. Odczyów dokonuje się w odsępach jednominuowych z dokładnością 0,005 C. 26 Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej
2. Po dokonaniu 6. odczyu empeauy, czyli po zakończeniu okesu począkowego, należy naychmias nacisnąć pzycisk zapłonowy. Pzy pawidłowym spaleniu się póbki paliwa czewona lampka sygnalizacyjna zapali się i zgaśnie po ułamku sekundy. Dopieo wedy należy zwolnić pzycisk zapłonu. Uwaga! W momencie zapłonu i bezpośednio po nim nie należy pochylać się nad kaloymeem. 3. Okes główny zaczyna się po pawidłowym pzebiegu spalania w bombie i chaakeyzuje się dość gwałownym wzosem empeauy w począkowej jego fazie. Należy zaem zwócić szczególną uwagę na popawne odczyywanie empeau. Okes główny kończy się z chwilą, gdy kolejna odczyana empeaua jes niższa lub aka sama jak popzednia. Osanią empeauą ego okesu jes empeaua najwyższa lub piewsza z jednakowych empeau. W zależności od wielkości bykiecika oaz empeauy ooczenia podczas pomiaów, okes główny może wać od kilku do kilkunasu lub kilkudziesięciu minu. 4. Okes końcowy zaczyna się bezpośednio po osanim odczycie empeauy w okesie głównym i wa 5 minu. Dokonuje się wedy 5. odczyów empeauy. Osani odczy kończy właściwy pomia kaloymeyczny. 2.3.6. Czynności końcowe Po zakończeniu pomiaów należy wykonać nasępujące czynności. 1. Wyłączyć mieszadło mechaniczne, wibao, podświelacz i główny wyłącznik sieciowy. 2. Zdjąć pokywy kaloymeu, wysunąć i zabezpieczyć emome, wysunąć mieszadło mechaniczne. Odłączyć wyczkę pzewodu zapłonowego i wyjąć bombę z naczynia kaloymeycznego. 3. Osuszyć bombę ścieeczką, wypuścić gazy spalinowe odkęcając zawó wyloowy i odkęcić nakękę samouszczelniającą. 4. Wyjąć głowicę i spawdzić, czy nasąpiło całkowie spalenie póbki paliwa w ygielku powinny pozosać ylko dobiny popiołu i żużla oaz niespalone części ducika. 5. Zważyć niespalone części ducika a ygielek dokładnie oczyścić. 6. Jeżeli ciepło spalania wyznacza się z uwzględnieniem ciepła synezy kwasu siakowego i azoowego, wnęze bomby i ygla należy spłukać wodą desylowaną do zlewki. W ćwiczeniu nie wykonuje się ych oznaczeń, zaem wnęze bomby po dokładnym wypłukaniu wodą należy wyzeć do sucha. 7. Naczynie kaloymeyczne opóżnić i wysuszyć. Insyu Elekoenegeyki Poliechniki Łódzkiej 27