2.2. Определение теплоты сгорания газа

Теплотой сгорания газа называют количе­ство теплоты, которое выделяется в результате полного сгорания 1 м³ горючего газа при нормальных исходных параметрах газовоз­душной смеси — температуре газа, поступающего в горелку t_газ = 0 °С, и барометрическом давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Природный газ состоит в основном из углеводородов (ΣC_mH_n), реакция горения которых имеет вид:

В момент сгорания температура продуктов сгорания близка к теоретической температуре горения и в зависимости от состава и условий сжигания достигает значений от 1000 до 2000 ⁰С, Н₂О в продуктах сгорания находится в состоянии сильно перегретого во­дяного пара.

По мере движения в топке и газоходах продукты сгорания отда­ют свою теплоту и охлаждаются.

Если в результате охлаждения температура продуктов сгорания становится ниже температуры насыщения водяного пара, то он конденсируется и дополнительно выделяется теплота конденса­ции; теплота сгорания газа в этом случае называется высшей ( ).

Если конденсации водяного пара в аппарате не происходит, то выделяется низшая теплота сгорания газа ( ):

(2.2.1)

где М_конд – масса конденсата, образовавшегося при сгорании 1 м³ горючего газа, кг; r – удельная теплота парообразования, Дж/кг; t_s – температура насыщения, °С; t_ух – температура уходящих продуктов сгорания газа, °С; с_р – удельная изобарная теплоемкость конденсата, Дж/кг∙К); r и t_s – точно определяются парциальным давлением водяных паров в продуктах сгорания. Приближенные значения их мож­но найти в справочной литературе по нормальному атмосферному давлению.

Горючий газ представляет собой смесь отдельных моногазов, низшая теплота сгорания этой смеси вычисляется по формуле

(2.2.2)

где – теплота сгорания моногаза; φ_i – объемная доля отдельного моногаза в горючем газе, %.

Определение теплоты сгорания газа

Цель работы: изучить основные характеристики горючих газов, экспериментально определить низшую рабочую теплоту сгорания газа. Принципиальная схема стенда по определе­нию теплоты сгорания газа приведена на рис. 2.2.1. Основной узел стенда – проточный калориметр, состоящий из топочной камеры и кольцевого газохода. Расход воды, протекаю­щей через калориметр, стабилизирован путем использования на­порных (наполнительной и сливной) воронок, сообщающихся с атмосферой и предопределяющих постоянный гидравлический напор, пропорциональный разности уровней воды.

Рис. 2.2.1. Схема стенда для определения теплоты сгорания горючего газа:1 – калориметр; 2 – топочная камера; 3 – кольцевой газоход; 4, 6, 15, 18 – термометры; 5 – патрубок для отвода продуктов сгорания; 7, 20 – напорные воронки; 8 – трехходовой кран; 9 – мерная емкость; 10 – весы; 11 – патрубок для отвода конденсата; 12 – мензурка; 13 – га­зовая горелка; 14 – газовый расходомер («газовые часы»); 16 – манометр; 17 – газовый кран; 19 – водяной вентиль; 21 - окно; 22 – барометр

Для регулиро­вания расхода поступающей воды используют вентиль. Для изме­рения температуры воздуха, а также воды на входе в калориметр служат термометры.

На сливном канале установлен трехходовой кран, который по­зволяет направлять поток воды либо в дренаж, либо в мерный сосуд.

Массу воды, прошедшей через калориметр за время экспери­мента, определяют, взвешивая ее на весах. Температуру продуктов сгорания на выходе из калориметра регистрирует специальный термометр.

Объем сгоревшего газа измеряется газовым счетчиком (газовы­ми часами), температура горючего газа, поступающего в газовую горелку, определяется термометром, смонтированным в корпусе газовых часов, а его давление U-образным манометром и баромет­ром, расположенными в помещении лаборатории. Расход газа в горелке регулируется газовым краном.

Конденсат, образующийся при охлаждении продуктов сгора­ния в топке и газоходе, собирается в нижней части газохода и от­водится через штуцер в мерную емкость (мензурку).

Методика проведения эксперимента. Для определения теплоты сгорания горючего газа рассмотрим уравнение теплового баланса калориметра:

Qзатр= Ql + Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6,

(2.2.3)

где Q₁ — полезно использованная теплота, пошедшая на нагрев воды, Дж;

Q1 = Mвод ∙ Свод∙(tгор – tхол),

(2.2.4)

M_вод – масса нагретой воды; кг; с_вод – теплоемкость воды [с_вод = 4187 Дж/(кг ∙ К)]; t_гор, t_хол – соответственно температура холодной воды на входе в калори­метр и нагретой на выходе из него, °С;

Q₂ – потери теплоты с уходящими продуктами сгорания газа, Дж;

Q2 = Vгаз ∙ (Iух – Iвозд),

(2.2.5)

V_газ – объем сгоревшего газа, м³; I_ух – энтальпия уходящих из калориметра про­дуктов сгорания газа, Дж/м³;

Iух = ΣVi · ci · tух,

(2.2.6)

V_i – объем i-го компонента продуктов сгорания, образовавшегося при сгорании 1 м³ газа, м³; с_i, – соответственно его объемная теплоемкость, Дж/(м3∙К); t_ух – температура продуктов сгорания на выходе из калориметра, °С; I_возд – энтальпия воздуха, Дж/м³;

Iвозд = Vвозд ∙cвозд ∙ tвозд,

(2.2.7)

где V_возд – объем воздуха, инжектируемого в топку 1 м³ горючего газа, м³; t_возд – тем­пература воздуха, °С; c_возд – объемная теплоемкость воздуха, Дж/(м³∙К). Если эк­сперимент вести при условии t_ух= t_возд, то с достаточной степенью точности мож­но принять I_ух= I_возд. Следовательно, Q₂ = 0 и эти потери можно не учитывать;

Q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания горючего газа, Дж. При условии правильной настройки регулятора первичного воздуха газовой горелки, обеспечивающей прозрачный голубой факел, этими потерями можно пре­небречь; Q₃ = 0;

Q₄ – потери теплоты от механического недожога топлива. Они связаны со сжиганием твердого топлива и в газовых аппаратах отсутствуют; Q₄ = 0;

Q₅ – потери теплоты от стенок калориметра в окружающую среду, Дж;

Q5 = α · Fст ·(tст.ср - tвозд) ·τ,

(2.2.8)

где α – коэффициент теплоотдачи от стенок калориметра к воздуху, Вт/(м²·К); F_ст – площадь наружных стенок калориметра, м²; t_ст.ср – средняя температура сте­нок калориметра за время эксперимента с достаточной степенью точности может быть принята равной средней температуре воды, °С;

tст.ср= (tгор + tхол) / 2,

(2.2.9)

где t_гор, t_хол – температуры воды на входе в калориметр и на выходе из него. Если по условиям эксперимента обеспечить разность температур на входе в калориметр и на выходе из него, которая не превысит 15 °С (t_гор - t_хол < 15 °С), то среднее зна­чение стенки калориметра будет близко к температуре окружающего воздуха, т. е. t_ст.ср = t_возд. Потерями теплоты в окружающую среду в этом случае можно пренеб­речь (Q₅ = 0);

Q₆ – потери теплоты на разогрев конструкции, Дж. Данные потери можно не учитывать в том случае, если измерения проводить на стационарном режиме ра­боты калориметра, т. е. в тот период, когда разогрев окончен и температуры воды t_гор и t_хол меняют свое значение.

Так как условие Q₂ = 0 связано с равенством температур про­дуктов сгорания и воздуха t_ух = t_возд и данная температура ниже температуры насыщения, то в калориметре происходит конденса­ция водяных паров и их переохлаждение, т. е. выделяется высшая теплота сгорания горючего газа и общее количество теплоты, под­веденное к калориметру,

(2.2.10)

Таким образом, при выполнении указанных выше условий экс­перимента результирующее уравнение теплового баланса будет иметь вид:

(2.2.11)

или

(2.2.12)

где V_{газ.прив} – объем сгоревшего газа, приведенный к нормальным условиям.

В расчетное уравнение (2.2.12) в соответствии с определением входит значение объема сгоревшего газа, приведенное к нормальным условиям, т. е. к температуре газа 0 ^оС и барометрическо­му давлению 101,3 кПа:

(2.2.13)

где V_газ – измеренное значение объема сгоревшего газа, м³; t_газ – температура газа перед горелкой, °С; p_газ – давление газа перед горелкой, измеряемое U-образным водяным манометром, мм вод. ст.; 13,6 – коэффициент (плотность ртути), кото­рый переводит единицу давления из миллиметров водяного столба в миллиметры ртутного столба; p_бар – барометрическое давление, измеряемое барометром-ане­роидом, мм.рт.ст. (760 мм.рт.ст. – нормальное атмосферное давление).

При выполнении работы соблюдаются следующая последовательность действий:

а) включают подачу воды в калориметр, открыв вентиль;

б) зажигают газовую горелку и регулируют факел таким образом, чтобы значение Q₃ было равно 0, а также соблюдались условия

t_гор - t_хол < 15 °С (Q₅ = 0) и t_yx = t_возд (Q₂ = 0);

в) убедившись, что наступил стационарный режим (t_гор = const и t_хол = const, Q₂ = 0), готовятся к измерениям;

г) измеряют и записывают: температуру воздуха в помещении, ба­рометрическое давление, температуру горючего газа перед горел­кой, температуру воды на входе в калориметр, температуру воды на выходе из калориметра, температуру продуктов сгорания на выходе из калориметра;

д) проверяют выполнение условий, исключающих тепловые поте­ри калориметра. Если данные условия не выполняются, то кор­ректируют расход газа или воды и добиваются выполнения усло­вий.

Далее выполняют следующие операции:

а) начинают отсчет объема сгоревшего газа, записав показания га­зовых часов; при этом желательно как можно быстрее переклю­чить трехходовой кран и направить воду из проточного калори­метра в мерный сосуд, слить воду из мензурки в дренаж и подста­вить под штуцер для сбора конденсата. От одновременности выполнения этих операций зависит точность эксперимента;

б) измеряют с помощью газовых часов объем сгоревшего газа, равный V_raз = 10 дм³ = 0,01 м³, который соответствует двум оборо­там стрелки газовых часов. В заключительный момент регистра­ции этого объема переводят трехходовой кран в исходное положе­ние, исключающее поступление калориметрирующей воды в мер­ный сосуд;

в) измеряют массу конденсата, накопившегося за эксперимент в мензурке (из расчета, что масса 1 см³ воды равна 1 г);

г) взвешиванием заполненного М_полн и порожнего М_пор сосудов определяют массу воды, прошедшей через калориметр, М_вод=М_полн– М_пор;

д) используя соотношение (2.2.13), приводят объем сгоревшего газа к нормальным условиям.

По формуле (2.2.12) вычисляют искомое значение . При этом необходимые значения r, t_s принимают для реального баро­метрического давления (p_бар) по приложению 2.1.

Формулы и результаты расчета записывают в лабораторной тетра­ди. При вычислениях необходимо следить за единицами измере­ния физических величин.