Работа № 2 определение теплоты сгорания твердого топлива.
I. Цель и задачи работы
Цель работы - познакомить студентов со стандартным методом определения теплоты сгорания твердого топлива, с оборудованием и приборами, применяемыми при этом, с основными приемами и принципами организации экспериментальной работы и обработки опытных данных. Задача работы - опытным путем определить высшую теплоту сгорания QвР исследуемого топлива и, используя данные предыдущих анализов, рассчитать низшую теплоту сгорания QНР; сопоставить полученные опытные данные с имеющимся в литературе и сделать заключение о качестве и рациональном методе использования исследованного топлива.
2. Основные теоретические предпосылки.
Удельной теплотой сгорания твердого топлива называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива. Различают высшую Qв и низшую Qh теплоты сгорания, отличающиеся численно на величину теплоты парообразования влаги, содержащейся в топливе и теплоты образования кислот из газообразных продуктов сгорания и влаги топлива. Действительно, если газообразные продукты сгорания охладить настолько, что водяные пары, образовавшиеся во время сгорания из влаги топлива, вновь сконденсируются и растворят образовавшиеся в результате сгорания топлива сернистый и азотный ангидриды, то получим высшую теплоту сгорания Qв. Именно в таких условиях проводится сжигание топлива в калориметрических установках.
При сжигании топлива в реальных топочных устройствах газообразные продукты сгорания никогда не охлаждаются ниже температуры конденсации водяных паров и, следовательно, теплота сгорания не включает в себя дополнительных слагаемых, отражающих теплоты парообразования и образования и растворения кислот. Такую теплоту сгорания называют низшей Qh. Низшая теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, определяющей его энергетические возможности.
Определение величины Qhр может быть проведено или по формулам Д.И. Менделеева на базе данных об элементарном составе топлива, или (более точно) опытным путем, заключающимся в измерении количества тепла, которое выделяется при сжигании средней пробы топлива в калориметрической бомбе. Методика опытного исследования хорошо отработана и четко регламентирована [1]
3. Калориметрическая установка.
Экспериментальное определение высшей теплоты сгорания топлива производится на калориметрической установке, общая схема которой приведена на рис. 1. Установка состоит из калориметрической бомбы 1, калориметрического сосуда 2, двухстенного цилиндрического кожуха - термостата 10, ряда вспомогательных устройств и измерительных приборов.
Калориметрический сосуд 2 устанавливается внутри кожуха - термостата 10 на теплоизолирующей подставке 11 и накрывается теплоизолирующей крышкой 5, имеющей вырезы для стержня мешалки 8, термометра 3 и токоведущих проводов. Кожух и крышка защищают калориметрический сосуд от воздушных потоков и колебаний температур окружающей среды. Температура воды в кожухе - термостате определяется по термометру 7. Мешалка 8, приводимая во вращение электродвигателем 6, должна обеспечивать хорошее перемешивание воды в калориметрическом сосуде без образования брызг и капель (скорость вращения мешалки около 500 об/мин). Термометр 3 служит для измерения температуры воды в калориметрическом сосуде и должен иметь цену наименьшего деления 0,01 град. Для обеспечения отсчета температур с точностью до 0,001 град. применяется зрительная труба 4 с увеличением около 8 крат.
Пульт управления 9 включает в себя специализированный источник электрического тока, оборудованный регулятором напряжения, подводимого к электродвигателю 6, что обеспечивает возможность плавного изменения скорости вращения мешалки 8. Здесь же предусмотрен источник постоянного тока (20 вольт), служащий для электрического поджигания навески топлива в калориметрической бомбе. Для коммутации источника с внешней сетью служит кнопка "Запал"'. Наличие тока во внешней сети сигнализируется индикаторной лампой.
Калориметрическая бомба (рис. 2) представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд - стакан 1 вместимостью 280 см3, изготовленный из нержавеющей кислотоупорной стали. Стенки бомбы полированы. Стакан при помощи гайки 3 герметически закрывается крышкой 4, в которую вставлены штуцеры 5 и 6,служащие для наполнения бомбы сжатым кислородом и выпуска газообразных продуктов сгорания. Здесь же установлен электрически изолированный металлический стержень 7, служащий одним из электродов для подвода напряжения зажигания к специальной запальной проволочке 8. Другим электродом является стержень 2, соединенный электрически с крышкой 4. Для запала навески применяется мягкая проволока толщиной до 0,2 мм, которую нарезают на куски длиной около 100 мм, свивают в спираль и центр спирали помещают внутрь брикета или насыпной навески, укладываемых в чашечку 9.
Для приготовления брикетов используется специальный пресс, устройство и принцип действия которого показаны на рис. 3
