VJEŽBA 6: ODREĐIVANJE OGRJEVNE MOĆI PLINOVITIH GORIVA

Transcript

1 VJEŽBA 6: ODREĐIVANJE OGRJEVNE MOĆI PLINOVITI GORIVA 16. PLINOVITA GORIVA Najčešća plinovita goriva koja se danas koriste su: ukapljeni naftni plin (LPG, kratica od Liquefied Petroleum Gas) je naftni plin, smjesa plinovitih parafinskih (propan, butan, izobutan) i olefinskih ugljikovodika (propilen, butilen, izobutilen). Ovi plinovi su kod atmosferskog tlaka i temperature okoline od ºC plinoviti, ali kod okolišnje temperature i srazmjerno niskih tlakova ( - 8 bar) mogu se ukapljiti. Za ukapljeni naftni plin u primjeni se najčešće koriste smjese propana i butana. Tekućim plinovima smatraju se ugljikovodici kojima je kritična temperatura niža od 5 C ili im je pri 5 C tlak para viši od bara ( kpa). Kritična točka (LPG) je na +96,8 C pri tlaku od 4, bara. Tekuće stanje LPG postiže se tlačenjem plina na temperaturi okoline u granicama 1,7 bara za butan i 7,5 bara za propan, odnosno do tlaka ovisnog omjeru tih plinova u smjesi. Ukapljivanje se može postići i hlađenjem plina ispod temperature ukapljivanja na atmosferskom tlaku, a u pojedinim slučajevima mogu se upotrebljavati i kombinacije obiju metoda. Pri normnom je stanju LPG plinovit i teži je od zraka. Proizvodi se tijekom prerade sirovoga prirodnog plina i prerade nafte. Bez boje je i mirisa pa mu se zbog toga dodaje miris kako bi se lakše otkrio u slučaju propuštanja. Budući da je gušći od zraka, pri propuštanju se skuplja na dnu prostorija. Područje eksplozivnosti u smjesi sa zrakom je od % do 1% koncentracije u zraku. Ukapljeni prirodni plin (LNG, kratica od Liquefied Natural Gas): je prirodni plin vrlo različitog sastava ovisno o porijeklu i području iz kojeg se nalazi, čiji je osnovni sastojak najčešće metan i homolozi. Uobičajeno se transportira u prirodnom, tj. plinovitom agregatnome stanju sustavom plinovoda, ili u ukapljenom stanju LNG specijalnim brodovima. Ukapljuje se hlađenjem na oko -16 C, čime se njegov obujam smanjuje za približno 58 puta, što omogućuje ekonomičan prijevoz brodovima, ali istodobno nameće visoke zahtjeve u pogledu vrste materijala od kojega se izrađuju spremnici za plin na brodu i obalni uređaji. Kritična točka je na temperaturi -8 C i pri tlaku od 47, bara. Područje eksplozivnosti je 5% do 15% koncentracije u zraku. Miješani plin, dobiva se miješanjem UNP-a i zraka u volumnom omjeru 45 : 55 % Područje eksplozivnosti je 5% do 5% koncentracije u zraku. Ima Wobbeov indeks kao i prirodni plin, pa se koristi u instalacijama kod kojih je planiran budući prelazak na prirodni plin. Gradski plin satoji se od sljedećih plinova: ( 5%, CO 16%, C n m+ 1%, C n m %, O 1%, CO + N 19% (označeni su volumni udjeli). Osnovne tehničke karakteristike plinovitih goriva, pored ogrjevne moći, su sljedeće: 1

2 - mala gustoća u odnosu na ostala goriva, - u smjesi sa zrakom u određenim koncintracijama su eksplozivna, - toksičnost, - lagano izgaraju uz mali pretičak uzduha, λ 1,1-1,5, nije potrebna posebna priprema goriva, nemaju krutog balasta (pepela i čađe), ne postoji opasnost od visoko ili nisko temperaturne korozije materijala ložišta u kojem izgaraju. U tablici 16.1 dan je detaljan prikaz podjele plinovitih goriva. 11

3 VRSTA Plinovi iz krutih goriva NAČIN PROIZVODNJE Isplinjavanjem Rasplinavanje NAZIV PODVRSTA d [MJ/m ] SIROVINA Destilacijski plinovi Plinovi od tinjanja Mršavi plinovi Vodeni plinovi PROSJEČNI KEMIJSKI SASTAV % NAPOMENA (način dobivanja plina) C 4 C n m CO CO N Koksni plin Kameni ugljen ,8-5, Rasvjetni plin Kameni ugljen Destilacijski plin Briketi mrkog ugljena 16 mrkog ugljena 16,-5, Destilacijski plin Treset treseta Od kamenog ugljena Kameni ugljen ,-,5 Od mrkog ugljena Mrki ugljen Od drveta Drvo ,-,8 Od treseta Treset Plinovi koji nastaju grijanjem goriva na 8-1º C Plinovi koji se nazivaju primarni plinovi Grotleni plin,-,8 Koks dobiva se iz visokih peći Generatorski plin,5-7,5 Koks Antracit Drvo (bukva) Mrki ugljen Drveni ugljen Treset Mondov plin,5-7,5 Kameni ugljen Vodeni plin 1,5-1, Koks Karburirani Vodeni plin, Antracit+benzen ili benzin Dvoplin 1,5-14,5 Bituminoizni ugljen Nastaje rasplinjavanjem goriva sa zrakom ili sa zrakom i vodenom parom Nastaje u u generatorskom pogonu kod dodavanja viška vodene pare Nastaje iz vodene pare i visoko ugrijanog goriva Nastaje obogaćivanjem vodenog plina s parama Proizvodi se kao vodeni plin uz istodobno dobivanje destilacijskih plinova Plinovi iz tekućih sirovina Isparivanje Termičko rastvaranje ladno zasićeni plinovi Plinovi od krekiranja Benzinski plin Benzenski plin Uljni plin, rafinerijski plin 8,-1,5 5,-5,5 Benzin + zrak Benzen + zrak Nafta i naftni derivati, katrani Vrlo različitog sastava, uglavnom ugljikovodici i vodik Dobiva se zasićenjem zraka s parama benzola ili benzina Ovi plinovi nastaju termičkim razgrađivanjem tekućih goriva Prirodni plinovi Plinovi iz negorivih sirovina Dobivanjem iz unutrašnjosti zemlje Zemni/Prirodni plin,močvarni i barski plin 9,-7,5 - Vrlo različitog sasatava, uglavnom metan i homolozi Rastvaranjem karbida Karb. plin 54,4 Kalcijev karbid Nezasićeni ugljikovodik... Vodik Vodik 1, Voda

4 16.1 Izgaranje plinovitih goriva Sastav plinovitog goriva prije procesa izgaranja: CO + + C 4 + Cx y + O + N + CO 1 (16.1) Minimalna potrebna količina kisika za izgaranje: 1 y Omin ( CO + ) + C 4 + C 4 + x + Cx y O 4 (16.) Minimalna potrebna količina zraka za izgaranje: Stvarna potrebna količina zraka za izgaranje: 16. Ogrjevna moć plinovitih goriva Omin L min (16.),1 L λl min (16.4) Ogrjevna moć goriva je količina topline koja se oslobađa pri potpunom izgaranju jedinice količine goriva kada se dimni plinovi ohlade na temperaturu s kojom su gorivo i zrak dovedeni u ložište. Određivanje ogrjevne moći može se provesti: - analitički za goriva s točno poznatim kemijskim sastavom prema izrazima (16.5) ili - laboratorijski (kalorimetrijskom bombom, kalorimetrom) - za goriva s nepoznatim kemijskim sastavom. Analitički izraz za određivanje gornje ogrjevne moći plinovitih goriva s poznatim sastavom smjese i poznatim ogrjevnim moćima sudionika u smjesi: r + r + r ( r ) (16.5) g 1 g1 g g i gi gdje je: r i - molni udjeli pojedinih plinova sudionika, gi - gornje ogrijevne moći pojedinih plinova sudionika u kj/m n Analitički izraz za određivanje donje ogrjevne moći goriva poznatog kemijskog sastava: o d 9c h + 15s - 5 [kj/kg] (16.6) 8 gdje su: c, h, o, s i maseni udjeli ugljika, vodika, kisika, sumpora i vode dobiveni elementarnom analizom goriva. 1

5 17. LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ ODREĐIVANJA OGRJEVNE MOĆI PLINOVITI GORIVA Cilj laboratorijske vježbe je određivanje ogrjevne moći plinovitog goriva nepoznatog kemijskog sastava Tok laboratorijske vježbe i mjerni instrumenti Pri izvođenju laboratorijske vježbe koristi se Junkersov kalorimetar opremljen termometrima za očitanja ulazne i izlazne temperature rashladne vode i temperature dimnih plinova, regulatorom protoka rashladne vode, plinskim plamenikom kako je prikazano na slici (17.1), koristi se barometar za utvrđivanje tlaka okolnog zraka, manometar za mjerenje pretlaka plina, volumetrijsko mjerilo protoka plina kojim se mjeri količina izgorenog plina i menzure kojima se mjeri ukupna masa rashladne vode koja tijekom mjerenja proteče kroz kalorimetar, koristi se i mala menzura za određivanje količine kondenzata iz plinova izgaranja. Sl Junkersov kalorimetar - shematski prikaz 14

6 Sva toplina koja nastaje izgaranjem plina prenosi se u Junkersovom kalorimetru na rashladnu vodu, a voda u plinovima izgaranja kondenzira. Toplina predana rashladnoj vodi određuje se tako da se mjere ulazne i izlazne temperature rashladne vode za svakih l plina koji izgori na plameniku. Izračunava se srednja razlika temperatura rashladne vode na ulazu i izlazu iz kalorimetra, a zatim se množi sa specifičnim toplinskim kapacitetom vode i masom vode. 17. Proračun ogrjevne moći Proračun donje i gornje ogrjevne moći na osnovu izmjerenih veličina izvodi se prema izrazima (17.1) do (17.5) kako je prikazano u nastavku. Bilanca topline je: odakle slijedi gornja ogrjevna moć plinovitog goriva: V WΔϑ, (17.1) g g WΔϑ (17.) V gdje je: W G c V ρ c (17.) V - količina vode koja u mjernom periodu proteče kroz kalorimetar [m ] ρ - gustoća vode za srednju temperaturu vode [kg/m ] - iz tablica c - specifični toplinski kapacitet vode [kj/kgk] Δϑ - razlika temperatura rashladne vode izmjerenih na izlazu i ulazu u kalorimetar V - volumen plina koji izgara sveden na normno stanje [m n ] Dijeljenjem jednadžbe stanja za normno stanje (17.4) s jednadžbom stanja za stanje plina kod mjerenja (17.5) dobiva se izraz (17.6) za određivanje V : p (17.4) V GRT pv GRT (17.5) gdje je: T p V V (17.6) Tp V- izmjereni volumen plina koji izgara [m ] p - tlak normnog stanja [Pa] (p 11 Pa) T - temperatura normnog stanja [K] (T 7,15 K) T- temperatura plina [K] 15

7 p- tlak plina [Pa] p p b + Δp Δs (17.7) p b - barometarski tlak [Pa] Δp- pretlak plina izmjen manometrom [Pa] Δs- tlak zasićenja vodene pare za temperaturu plina T [Pa] -očitan iz parnih tablica Donja ogrjevna moć plinovitog goriva: gdje je: d M k g r (17.8) V M k - masa kondenzirane vodene pare nakon ohlađivanja plinova izgaranja [kg] k k m V ρ (17.9) k V k - volumen kondenzirane vode [m ] izmjeren menzurom ρ k - gustoća kondenzirane vode za srednju temperaturu vode [kg/m ] - iz tablica r- toplina isparivanja vode [kj/kg] (r 5 kj/kg) Srednja temperatura rashladne vode na ulazu u kalorimetar: Srednja temperatura rashladne vode na izlazu iz kalorimetra: Razlika temperatura vode na izlazu i ulazu u kalorimetar: Srednja temperatura vode: Srednja vrijednost gornje ogrjevne moći (iz tri mjerenja): ϑul ϑ ul (17.1) 1 ϑizl ϑ izl (17.11) 1 Δ ϑ ϑ izl ϑ ul (17.1) ϑ ul + ϑ ϑ izl sr (17.1) g1 + g + g g (17.14) 16

8 Srednja vrijednost donje ogrjevne moći (tri mjerenja): d1 + d + d d (17.15) 17. Primjer rezultata mjerenja Provode se tri mjerenja. U svakom mjerenju izgara l propan-butan plina iz boce. Protok plina koji izgara mjeri se mjerilom protoka plina. U svakom mjerenju provodi se 1 očitanja za svakih, l izgorenog plina. Mjeri se ulazna i izlazna temperatura rashladne vode. Količina rashladne vode koja proteče mjeri se menzurom. Količina nastalog kondenzata mjeri se tijekom sva tri mjerenja malom menzurom, pa se na kraju svakom mjerenju pripisuje jedna trećina ukupne mase kondenzata vode iz plinova izgaranja. Mjerilo protoka plina Termometri Kalorimetar Plinska boca Menzure za kondenzat Sl. 17. Junkersov kalorimetar 17

9 Za svako mjerenje izračunava se gornja i donja ogrjevna moć. Prosječna gornja i donja ogrijevna moć plinovitog goriva određuje se kao aritmetička sredine gornje i donje ogrjevne moći izračunate za pojedina mjerenja. Zajednički podaci za sve tri faze mjerenja: - temperatura normnog stanja T 7,15 K - tlak normnog stanja p 115 Pa - volumen izgorenog plina V, m - barometarski tlak p b 756 mm g - pretlak plina izmjeren U-cijevnim manometrom Δp 5 mm O Tab Rezultati i obrada 1. mjerenja: V [l] t ul [ o C] t izl [ o C] 1 14, 5, 14, 5, 14, 5, 4 14, 5, 5 14, 5, 6 14, 5, 7 14, 5, 8 14, 5, 9 14, 5,1 1 14, 5,1 ϑ izl ϑ ul ϑ ul 14 ϑ izl 5, Temperatura plina ϑ, C Volumen rashladne vode koja je protekla kroz kalorimetar V 4 ml Δϑ ϑ izl ϑ ϑ ϑ ul + ϑ ul 5,19 14, 11,19 14, + 5,19 izl sr o C 19,595 o C Za srednju temperaturu vode 19,595 o C i tlak 1 bar pomoću softvera REFPROP određuje se gustoća vode ρ 998, 9 kg/m i c 4, 184kJ/kgK. 4, 998,9 4,184 W G c Vρc 17,544 kj/k 1 p pb + Δp Δs 756 1,6 9,81+ 5,9989 9,81 81, 186, ,1 68, ,1 18

10 T p 7, ,1 V V,,194 m n Tp 9,5 115 WΔϑ 17,544 11,19 V,194 g kj/m n Tab Rezultati. mjerenja: V [l] t ul [ o C] t izl [ o C] 1 14, 5,1 14, 5, 14, 5,1 4 14, 5,1 5 14, 5, 6 14, 5,1 7 14, 5, 8 14, 5,1 9 14, 5,1 1 14, 5,1 ϑ izl ϑ ul ϑ ul 14 ϑ izl 5,1 1 1 Temperatura plina ϑ, C Volumen rashladne vode koja je protekla kroz kalorimetar V 8 ml Δϑ ϑ izl ϑ ul 5,1 14, 11,1 o C ϑ ϑ ul + ϑ 14, + 5,1 izl sr 19,565 o C Za srednju temperaturu vode 19,565 o C i tlak 1 bar pomoću softvera REFPROP određuje se gustoća vode ρ 998, kg/m i c 4, 1844 kj/kgk.,8 998, 4,1844 W G c Vρc 15,957 kj/k 1 p pb + Δp Δs 756 1,6 9,81+ 5,9989 9,81 81, 186, ,1 68, ,1 T p 7, ,1 V V,,194 m n Tp 9,5 115 WΔϑ 15,957 11,1 V,194 g 9149 kj/m n 19

11 Tab Rezultati. mjerenja: V [l] t ul [ o C] t izl [ o C] 1 14, 5, 14, 5, 14, 5,1 4 14, 5,1 5 14, 5,1 6 14, 5,1 7 14, 5, 8 14, 5,1 9 14, 5,1 1 14, 5, ϑ izl ϑ ul ϑ ul 14 ϑ izl 5, Temperatura plina ϑ, C Volumen rashladne vode koja je protekla kroz kalorimetar V 4 ml Δϑ ϑ izl ϑ ul 5,14 14, 11,14 o C ϑ ϑ ul + ϑ 14, + 5,14 izl sr 19,57 o C Za srednju temperaturu vode 19,57 o C i tlak 1 bar pomoću softvera REFPROP određuje se gustoća vode ρ 998, 9 kg/m i c 4, 1844 kj/kgk. 4, 998,9 4,1844 W G c Vρc 17,6697 kj/k 1 p pb + Δp Δs 756 1,6 9,81+ 5,9989 9,81 81, 186, ,1 68, ,1 T p 7, ,1 V V,,194 m n Tp 9,5 115 WΔϑ 17, ,14 V,194 g 1144 kj/m n Na kraju sva tri mjerenja Volumen kondenzirane vode iz plinova izgaranja Vkuk 14, ml kuk 14 Vk V 4,667 ml 1

12 ' 6 mk Vk ρk 4, , Donje ogrjevne moći,4659 kg M k,4659 d1 g1 r kj/m n V,194 M k,4659 d g r kj/m n V,194 M k,4659 d g r kj/m n V,194 Odstupanje drugog mjerenja je veliko i trebalo bi ga ponoviti. 11