VJEŽBA 5: ODREĐIVANJE OGRJEVNE MOĆI KRUTIH GORIVA

Transcript

1 VJEŽBA 5: ODREĐIVANJE OGRJEVNE MOĆI KRUTIH GORIVA 14. VRSTE GORIVA I IZGARANJE 14.1 Definicija i podjela goriva Gorivo je materija koja ima mogućnost oslobađanja energije kao posljedice promjene kemijske ili fizikalne strukture. Gorivo oslobađa energiju kemijskom reakcijom kao što je izgaranje (oksidacija) ili nuklearnom reakcijom kao što su nuklearna fisija ili nuklearna fuzija. Jedno od najvažnijih svojstava goriva je da energija posredstvom goriva može biti uskladištena i da se po potrebi može osloboditi. U sklopu ovih laboratorijskih vježbi razmatranja će se odnositi isključivo na organska goriva. Sastav organskih goriva je složen i ovisi o porijeklu goriva i načinu postanka. Goriva se mogu definirati kao smjesa raznolančanih spojeva u kojem u većini slučajeva dominiraju ugljikovodici ali mogu biti prisutni i ostali elementi. U najvećem broju slučajeva točan kemijski sastav goriva je nepoznat (iako se može odrediti kromatografijom). Podjela prema porijeklu: - organska, - nuklearna Podjela prema agregatnom stanju: - kruta - tekuća - plinovita Prema postanku: - prirodna - umjetna goriva Osnovni zahtjevi koje gorivo mora zadovoljavati sa stanovišta praktične primjene su: - dovoljna raspoloživost goriva - omogućena eksploatacija - prihvatljiva, odnosno što niža cijena 14. Izgaranje Izgaranje je kemijski proces kod kojeg dolazi do brze reakcije (oksidacije) molekula gorivih elemenata s kisikom iz atmosfere u kojoj se izgaranje odvija, uz oslobađanje energije. Kao produkt izgaranja nastaju čađa, pepeo i dimni plinovi. Sastav dimnih plinova ovisi o sastavu goriva, pretičku uzduha i načinu izgaranja. Pod načinom izgaranja podrazumijeva se potpuno ili nepotpuno izgaranje, o čemu ovisi da li će sve molekule iz goriva u procesu izgaranja uspjeti oksidirati pa se kao produkti uzgaranja 110

2 javljaju CO, H O i SO ili će u dimne plinove ulaziti i neoksidirane molekule iz goriva pa se pojavljuju CO, SO i CH4. Pepeo kao ostatak nakon izgaranja sastoji se od anorganskih spojeva kao što je Ca, ali nam njegov sastav s toplinskog gledišta nije bitan jer ne sudjeluje u samom procesu izgaranja. Sl Shematski prikaz tokova tvari kod izgaranja u ložištu 14.3 Izgaranje krutih i tekućih goriva Sastav goriva, stehiometrijske jednadžbe reakcije za pojedine elememente kod izgaranja, određivanje minimalne količine kisika potrebnog za izgaranje i stvarno potrebna količina zraka za izgaranje opisane su sljedećim izrazima: Elementarni sastav krutog i tekućeg goriva: gdje su: c + h + s + o + a + n + w =1 (14.1) c, h, s, o i n - maseni udjeli elemenata (ugljika, vodika, sumpora, kisika i dušika), a - maseni udio pepela, w - maseni udio vode. Stehiometrijske jednadžbe reakcije izgaranja: Ugljika: C + O = CO (14.) Vodika: 1 + O H O (14.3) H = 111

3 sumpora: S + O = SO (14.4) Minimalna količina kisika potrebna za izgaranje: O min =,666c + 8h + s o [kg/kg goriva ] (14.5) Minimalna potrebna količina zraka za izgaranje: Omin Lmin = [kg/kg goriva ] (14.6) 0,33 Stvarna količina zraka izražava se preko faktora pretička zraka λ: L stv 14.4 Ogrjevna moć goriva Omin = λ Lmin = λ [kg/kg goriva ] (14.7) 0,33 Ogrjevna moć goriva je količina topline koja se oslobađa pri potpunom izgaranju jedinice količine nekog goriva, kada se dimni plinovi ohlade na temperaturu s kojom se zrak i gorivo dovode u ložište. Razlika između gornje i donje ogrijevne moći je u količini topline koja je sadržana u vodenoj pari dimnih plinova, tj. količini topline koja se oslobodi kondenzacijom vodene pare iz dimnih plionova izgaranja. Gornja ogrjevna moć goriva veća je od donje upravo za količinu topline kondenzacije vodene pare sadržane u plinovima izgaranja. Ogrjevnu moć (gornju i donju) moguće je izračunati analitički iz izraza (14.8) i (14.9), za goriva s poznatim kemijskim sastavom pojedinih elemenata. U slučajevima kada je kemijski sastav goriva nepoznat tada se odrijevna moć određuje mjerenjem (kalorimetriranjem). U praksi je načešće poznat sastav plinovitih goriva i lakših frakcija naftnih derivate kao npr. laka lož ulja. Analitički izraz za određivanje donje ogrjevne moći: o H d = 33900c h s - 500w [kj/kg] (14.8) 8 gdje su: c, h, o, s i w maseni udjeli ugljika, vodika, kisika, sumpora i vode dobiveni elementarnom analizom goriva. Veza između gornje i donje ogrjevne moći: ( h w) H g = Hd + r0 mh O = H d [kj/kg] (14.9) 11

4 Određivanje ogrjevne moći kalorimetriranjem Kalorimetriranje je postupak određivanja ogrjevne moći goriva eksperimentalnim putem. Postupak kalorimetriranja sastoji se u tome, da toplinska energija koja se oslobađa pri izgaranju ugljenog briketa unutar kalorimetrijske bombe (sl i 15.) utroši na povećanje temperature kalorimetrijske vode i kalorimetrijske bombe. Kako je poznat toplinski kapacitet vode, količina vode i vodena vrijednost kalorimetrijske bombe mjerenjem povećanja temperature vode i bombe izračunava se gornja ogrjevna vrijednost ispitanog uzorka goriva. Izgaranjem uzorka goriva izgara i jedan dio žice od nikelina kojom je uzorak povezan na elektrode za paljenje, tako da toplinsku energiju predanu kalorimetrijskoj vodi dobivenu izgaranjem djela žice moramo oduzeti od ukupno predane topline dobivene izgaranjem. Bilanca topline kalorimetrijske bombe: M g H g ( Ww + Wb ) Δ Qh = ϑ [kj] (14.10) iz čega slijedi: H g = ( W + W ) w b Δϑ Q M g h [kj/kg] (14.11) U izrazima i varijable su sljedeće: H g - gornja ogrjevna moć goriva, [kj/kg] M g - masa uzorka goriva dobivena mjerenjem, [kg] W w - vodena vrijednost vode (toplinski kapacitet), [kj/k] W b - vodena vrijednost bombe (toplinski kapacitet), [kj/k] Δ ϑ - razlika ustaljenih temperatura vode izmjerenih u prvoj i trećoj fazi kalorimetriranja [K] Q h - toplina koja se oslobađa izgaranjem otporne žice od nikelina, koja služi za paljenje uzorka, [kj] Vodena vrijednost vode: gdje je: W = M c (14.1) w w w M w c w Masa vode: - masa vode, [kg] - specifična toplina vode, c w = 4,187 kj/kgk. M w = M M (14.13) uk p M uk - ukupna masa vode i posude, izmjerena vagom, [kg] 113

5 M p - masa prazne posude, m p = 0,74 kg Vodena vrijednost kalorimetrijske bombe (uključuje toplinski kapacitet bombe i posude) W b =,198 kj/k Toplina koja se oslobađa izgaranjem dijela žice Q h : gdje je: Q h = M z q z (14.14) M z - masa izgorenog dijela žice, [kg] q z = 6698 [kj/kg] - toplina koju oslobodi žica po kg mase Masa izgorenog dijela žice: gdje je: M = M (14.15) z ol izg M o l izg - specifična linearna masa žice, [kg/m] - duljina izgorenog dijela žice, [m] m o = 0,8 mg/cm = kg/m Duljina izgorenog dijela žice: gdje je: l i zg = l l (14.16) z ost l z l ost - duljina žice prije izgaranja [m] - duljina ostatka žice nakon izgaranja, [m]. 114

6 15. LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ ODREĐIVANJA OGRJEVNE MOĆI KRUTIH GORIVA 15.1 Mjerni instrumenti i oprema Na sl prikazan je poprečni presjek kalorimetra. Kalorimetrijska bomba je uronjena u kalorimetrijsku vodu unutar limene posude. Kako je iz slike vidljivo posuda u kojoj se provodi mjerenje opremljena je mješalicom za ujednačavanje temperature kalorimetrijske vode, kao i termometrima za očitanje temperature vode tijekom mjerenja (kalorimetriranja). Sl Kalorimetar s kalorimetrijskom bombom i potrebnom mjernom opremom 115

7 Sl Kalorimetrijska Sl Kalorimetrijska bomba - presjek bomba Na sl. 15. prikazan je poprečni presjek same kalorimetrijske bombe s pozicijama glavnih elemenata i uzorkom goriva čija se ogrjevna moć treba odrediti. Prikaz kalorimetra s kalorimetrijskom bombom i uređajem za paljenje prikazan je na slici Mješalica Termometar Posuda s vodom Uređaj za paljenje Kalorimetrijska bomba Kalorimetar Sl Kalorimetar 116

8 15. Postupak mjerenja Pripremne radnje koje moraju biti obavljenje prije početka postupka mjerenja: priprema uzorka goriva, mjerenje mase goriva (M g ) i mase posude s vodom (M uk ) za svako pojedino mjerenje (kalorimetriranje). Priprema kalorimetrijske bombe pričvršćivanje uzorka na glavu bombe (sl. 15.4) zatvaranje bombe propuhavanje i tlačenje bombe čistim kisikom na 30 bara stavljanje bombe u posudu s vodom spajanje bombe na izvor napona uključivanje mješalice za vodu radi ujednačavanja temperature vode u posudi Sl Pričvršćivanje uzorka na glavu bombe Nakon paljenja uzorka u tako pripremljenoj kalorimetrijskoj bombi provodi se mjerenje temperature vode u tri faze: Mjerenje temperature vode u posudi, tri faze mjerenja (svakih 5 min.): Faza prije paljenja (očitanje temperature kalorimetrijske vode nakon svake minute) Paljenje i izgaranje (očitanje temperature kalorimetrijske vode nakon svakih 15 sekundi) Ustaljivanje (očitanje temperature kalorimetrijske vode nakon svake minute) Rastavljanje bombe i mjerenje duljine ostatka žice. 117

9 Određivanje srednje vrijednosti gornje ogrjevne moći dobivene tijekom dva kalorimetriranja Kod određivanja ogrijevne moći krutih goriva tijekom laboratorijske vježbe provode se dva kalorimetriranja, a nakon toga se izračunava srednja vrijednost ogrjevne moći prema izrazu Hg1 + Hg Hg = (15.1) gdje je: H g1 - ogrjevna moć goriva određena prvim kalorimetriranjem H g - ogrjevna moć goriva određena drugim kalorimetriranjem 15.3 Primjer rezultata mjerenja Ulazni podaci u mjerenju: - vodena vrijednost bombe W b =,198 kj/k - masa prazne posude M p = 0,74 kg - masa vode i posude M uk =,885 kg - specifična ogrjevna moć žice q z = 6698 kj/kg - početna duljina žice l z =15 cm - specifični toplinski kapacitet vode c w = 4,187 kj/kgk - masa jedinice dužine žice M o = 0,8 mg/cm - masa goriva M g =,03 g - masa vode M = M M =,885 0,74, 143 kg w uk p = Podaci izmjereni pri pojedinom kalorimetriranju (pri pojedinom kalorimetriranju temperature koje se očitavaju u svakoj pojedinoj fazi tijekom kalorimetriranja zapisuju se u tablicu Tab Rezultati mjerenja - primjer 1.faza.Faza 3.faza τ (min) ϑ ( C) τ (min s ) ϑ ( C) τ (min) ϑ ( C) 0 0, , ,31 1 3, ,45 1 9,31 3, , ,31 3 3, , ,31 4 3, ,7 15 9,31 5 3, , , , , , , , ,8 118

10 8 30 9, , , , , , ,31 Iz podataka prikazanih u gornjoj tablici se može se iscrtati dijagram koji pokazuje promjenu temperature kalorimetrijske vode u ovisnosti o vremenu, sl Temperatura ( o C) Srednja razlika temperatura Δϑ = 9,31 3,51 = 5, 8 - Duljina ostatka žice: l o =7,7 cm - Masa ostatka žice: 5 6 = ,7 10 = 6,16 10 kg M o 6 Toplina koja se oslobađa izgaranjem dijela žice Q h = M z q z = 6, = 0, 0415 kj W b =,198 kj/k Vrijeme (min) Sl Dijagram promjene temperature vode (sve tri faze mjerenja) tijekom kalorimetriranja W = M c =,143 4,187 8,97741 kj/k w w w = o C H g ( W + W ) Δϑ Q ( 8,97741+,198) 5,8 0,0415 3,03 10 w b h = = = mg kj/kg 119