УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В КАЛОРИМЕТРЕ ПРИ СТАНДАРТНЫХ УСЛОВИЯХ
DEVICE TO BURN GASEOUS FUEL IN CALORIMETRE UNDER STANDARD CONDITIONS

Предлагаемое изобретение относится к области экспериментального определения высшей рабочей теплотворной способности газообразного топлива (природный газ, генераторный газ, коксовый газ, биогаз и др.) методом калориметрии сжигания при стандартных условиях (298,15 К и 1 атм) в закрытой металлической камере с гофрированной частью, способной при необходимости совершать работу на расширение и сжатие.
Известно устройство [1, 2, 3, 4] - калориметрическая бомба Бертло для сжигания газообразного топлива в калориметре, содержащее нержавеющую металлическую камеру сгорания с опорными ножками, герметично присоединенную ко дну камеры сгорания уплотнительную крышку с электродами, со спиралью накаливания, с токоподводами, с клапаном и трубкой для подвода газообразных топлива и окислителя топлива-кислорода.
Основными недостатками известного устройства [1, 2, 3, 4] являются:
- дороговизна и сложная конструкция калориметрической бомбы Бертло для достижения надежной герметичности при заполнении газообразным топливом и окислителем топлива - кислородом под давлением до 8-10 атм;
- для определения массы сжигаемого газообразного топлива по привесу массивной калориметрической бомбы (1,5÷2 кг) используются дорогостоящие прецизионные весы с точностью взвешивания не менее 0,0001 г;
- определение теплотворной способности топлива производится при «бомбовых условиях», и поэтому применяется поправка Уошберна для пересчета на стандартные условия, ввод которой затруднен при неизвестном химическом составе газообразного топлива;
- в несколько раз длительный по времени процесс анализа газообразных продуктов сгорания из-за большей массы сжигаемого газообразного топлива (0,5÷1 г).
Предлагаемое устройство для сжигания газообразного топлива в калориметре при стандартных условиях дополнительно снабжено нержавеющими металлическими герметично укрепленной сверху к камере сгорания гофрированной камерой сгорания с верхним клапаном для отвода газообразных продуктов сгорания топлива в смеси с остатками окислителя, отходящими вверх от верхней боковой части камеры сгорания и окружающими гофрированную камеру сгорания тремя стойками с кольцом и крестовиной из проволоки, вставленным во внутрь камеры сгорания кольцеобразным электронагревателем, присоединенными к нижнему клапану дна камеры сгорания посредством тройника гофрированными сборниками газообразных топлива и окислителя топлива с клапанами.
Может быть использовано в научно-исследовательских и инженерно-технических работах по экспериментальному определению высшей рабочей теплотворной способности газообразного топлива в прецизионном калориметре сжигания при стандартных условиях.
Технический результат изобретения состоит в упрощении и модернизации конструкции устройства для прецизионного определения высшей рабочей теплотворной способности газообразного топлива в калориметре сжигания.
Для достижения указанного технического результата устройство для сжигания газообразного топлива в калориметре при стандартных условиях, содержащее нержавеющие металлические камеру сгорания с опорными ножками, герметично присоединенную ко дну камеры сгорания уплотнительную крышку с электродами, со спиралью накаливания, с токоподводами, с клапаном и трубкой для подвода газообразных топлива и окислителя топлива-кислорода, дополнительно снабжено нержавеющими металлическими герметично укрепленной сверху к камере сгорания гофрированной камерой сгорания с верхним клапаном для отвода газообразных продуктов сгорания топлива в смеси с остатками окислителя, отходящими вверх от верхней боковой части камеры сгорания и окружающими гофрированную камеру сгорания тремя стойками с кольцом и крестовиной из проволоки, вставленным во внутрь камеры сгорания кольцеобразным электронагревателем, присоединенными к нижнему клапану дна камеры сгорания посредством тройника гофрированными сборниками газообразных топлива и окислителя топлива с клапанами.
На чертеже схематично изображено устройство для сжигания газообразного топлива в калориметре при стандартных условиях.
Устройство для сжигания газообразного топлива в калориметре при стандартных условиях содержит нержавеющие металлические камеру сгорания 7 с опорными ножками 23, герметично присоединенную ко дну камеры сгорания 7 уплотнительную крышку 22 с электродами 10, со спиралью накаливания 8, с токоподводами 21, 24, с клапаном 19 и трубкой 11 для подвода газообразных топлива и окислителя топлива-кислорода, герметично укрепленную сверху к камере сгорания 7 гофрированную камеру сгорания 4 с верхним клапаном 3 для отвода газообразных продуктов сгорания топлива в смеси с остатками окислителя, отходящие вверх от верхней боковой части камеры сгорания 7 и окружающие гофрированную камеру сгорания 4 три стойки 5 с кольцом 2 и крестовиной 1 из проволоки, вставленный во внутрь камеры сгорания 7 кольцеобразный электронагреватель 6, присоединенные к нижнему клапану 19 дна камеры сгорания 7 посредством тройника 12 гофрированные сборники 14, 17 газообразных топлива и окислителя топлива - кислорода с клапанами 13, 15, 16, 18.
Калориметрические опыты проводятся следующим образом.
Предварительно определяется энергетический эквивалент  калориметра сжигания, т.е. количество необходимой тепловой энергии для нагрева калориметрической системы на 1 К с помощью электронагревателя 6 по закону Джоуля-Ленца:
где Q - количество энергии, Дж; I - сила тока, A; U - напряжение на концах нагревателя, В; τ - время пропускания тока, с.
Энергетический эквивалент определяется по формуле:
испр
где ΔT - исправленный скачок температуры калориметрической системы, рассчитанный по формуле Реньо-Пфаундлера.
с.к.
испр
Для экспериментального определения энергетического эквивалента калориметра устройство (см. чертеж) без запала 9 помещается в металлический сосуд калориметра, например, типа В-08МА с дистиллированной водой постоянной массы (например, m=(3100±1) г). Токоподводы 21,24 выводятся из сосуда наружу калориметра. Токоподводы 24 присоединяются к электроблоку с включателем. С помощью электронагревателей температура воды в водяной оболочке и сосуде калориметра выводится на стандартную температуру или близкую к стандартной температуре, например 298,15÷298,65 К. В начальном периоде эксперимента через каждые 30 секунд записывается 20 показаний температуры воды в сосуде с точностью до 0,0001 K, измеряемой, например, платиновым термометром сопротивления и регистрируемой на цифровом вольтметре, например, типа Щ1516. Причем изменения напряжения на вольтметре в вольтах (В) численно равны изменению температуры в Кельвинах или Цельсиях. На 21-м отсчете включается в электросеть электронагреватель 6, к которому присоединены стандартные амперметр, мост сопротивления и вольтметр с тем условием, чтобы рекомендуемый скачок температуры воды в сосуде калориметра достиг ΔT=(1÷3) К, позволяющий получить достоверный расчет исправленного скачка температуры (ΔT) по формуле Реньо-Пфаундлера с учетом поправки на теплообмен калориметра с окружающей средой. После истечения 45-90 секунд по стандартному измерителю времени электронагреватель 6 отключается от электросети. В главном периоде, начиная с 21-го отсчета записывается 8÷12 показаний температуры через каждые 30 секунд до достижения максимальной величины. С момента падения температуры начинается запись температуры конечного периода с 20 показаниями через каждые 30 секунд.
Эксперимент по определению энергетического эквивалента проводится не менее 10 раз, из которых отбираются 5-7 наиболее воспроизводимых величин. Рассчитывается средняя величина энергетического эквивалента по формуле (2) и абсолютная погрешность измерений. Допустимая погрешность измерений энергетического эквивалента калориметра на основе типа В-08МА принимается равной в пределах ±0,1-0,3%.
3
Эксперимент по сжиганию газообразного топлива в устройстве (см. чертеж), расположенного в калориметре, например типа В-08МА, проводится следующим образом. Открываются клапаны 13,15 гофрированного сборника 14 газообразного топлива, расположенного отдельно на лабораторном столе. Клапан 15 сборника 14 при помощи резьбы и тефлоновой прокладки герметично присоединяется к металлическому патрубку емкости с исследуемым газообразным топливом. Из емкости газообразное топливо под некоторым давлением подается через патрубок 15 в сборник 14 и выходит наружу через клапан 13 в течение одной минуты, осуществляя тем самым «промывку» сборника 14 от остатков воздуха или других газов. Затем клапан 13 закрывается. При этом сборник 14 заполняется исследуемым газообразным топливом объемом, например, равным V=50-80 см с последующим расширением его гофры на 50-80% от максимальной величины объема. Сборник 14 с газообразным топливом взвешивается на прецизионных весах, например ВЛР-200, с точностью до 0,0001 г. Для минимизации погрешности измерения веса на весах данного типа вес сборника 14 с заполненным газообразным топливом принимается не более 50 г. На весах ВЛР-200 взвешивается также запал 9 из хлопчатобумажной нити массой 0,0005÷0,001 г.
3
К клапану 19 газоподводящей трубки 11 камеры сгорания 7 присоединяется тройник 12. К тройнику 12 присоединяются при помощи клапана 13 гофрированный сборник 14 газообразного топлива и при помощи клапана 16 гофрированный сборник 17 газообразного окислителя топлива-кислорода. На уплотнительной крышке 22 в нихромовую спираль 8 накаливания электродов 10 вставляется запал 9 из хлопчатобумажной нити. При помощи ручки 20 уплотнительная крышка 22 герметично ввинчивается в нижнее дно камеры сгорания 7 с тефлоновой прокладкой. Открываются клапаны 3, 16, 18, 19. Клапан 18 присоединяется к устройству для подачи очищенного газа кислорода из кислородного баллона. Через клапан 18 газ кислород последовательно поступает в сборник 17, клапан 16, тройник 12, клапан 19, трубку 11, камеры сгорания 7, 4 и по клапану 3 выходит наружу, осуществляя «промывку» камер сгорания 7, 4 от воздуха или других газов в течении 2÷3 минут. Клапан 3 закрывается. Под действием некоторого давления выходящего из баллона газа кислорода гофрированную камеру 4 заполняют газом кислородом на 50-70% от максимального объема заполнения. Закрываются клапаны 16, 19. После заполнения сборника 17 газом кислородом на 50-70% от максимального объема заполнения закрывается клапан 18 и кран кислородного баллона. Гофрированный сборник 14 сжимают вручную или с помощью специального устройства до давления, превышающего давление в камерах сгорания 4,7. Открываются клапаны 13, 19. Путем максимального сжимания сборника 14 производится подача из него исследуемого газообразного топлива в камеры сгорания 7, 4. Клапан 13 закрывается. Гофрированный сборник 17 сжимают до давления превышающего давление в камерах сгорания 4,7. Открывается клапан 16. Путем максимального сжимания сборника 17 производится «промывка» газом кислородом тройника 12 от остатков газообразного топлива и затем подача их смеси, газа кислорода в камеры сгорания 7, 4. Причем клапан 3 гофрированной камеры сгорания 4 после заполнения ее смеси газообразного топлива с кислородом должен быть по высоте ниже крестовины 1 на 20÷30 мм. Объем заполнения камер сгорания 4, 7 исследуемым газообразным топливом и окислителем топлива-кислорода находится в пределах 300-350 см, т.е. практически равный калориметрической бомбе калориметра типа В-08МА.
Сборник 14 отсоединяется от тройника 12 и взвешивается на прецизионных весах ВЛР-200. По привесу сборника 14 определяют навеску сжигаемого газообразного топлива:
1
2
где m, - начальная навеска сборника 14 с исследуемым газообразным топливом, г; m - конечная навеска сборника 14 с остатками исследуемого газообразного топлива, г.
Навеска для сжигания газообразного топлива в устройстве (см. чертеж) почти в 10 раз меньше по сравнению с методом бомбовой калориметрии и составляет m(T)=(0,03÷0,1) г.
От клапана 19 отсоединяется тройник 12 со сборником 17. При помощи металлического крючка, цепляемого за центр крестовины 1, устройство (см. чертеж) без тройника 12, сборников 14, 17 помещается на дно сосуда с дистиллированной водой калориметра, например, типа В-08МА до полного скрытия на глубине не менее 10 мм. Токоподводы 21, 24 присоединяются к электроблоку с включателем. С помощью электронагревателей температура воды в водяной оболочке и сосуде калориметра выводится на стандартную температуру или близкую к стандартной температуре, например 298,15÷298,657 К. В начальном периоде эксперимента через каждые 30 секунд записывается 20 показаний температуры воды в сосуде с точностью до 0,0001 К. На 21-м отсчете в главном периоде с конденсаторного устройства по токоподводам 21, электродам 10 на нихромовую спираль 8 накаливания подается такой разряд, при котором нихромовая спираль 8 нагревается до красна, но не перегорает. Энергия накала нихромовой спирали 8 составляет 2÷3 Дж. От нихромовой спирали 8 загораются запал 9, а от него - исследуемое газообразное топливо в камерах сгорания 7, 4. В процессе сжигания газообразных топлив - водорода, угарного газа, метана, пропана и др. в устройстве (см. чертеж) при стандартных условиях совершается работа на некоторое сжатие вниз гофрированной камеры сгорания 4, величина которой согласно 1-го закона термодинамики очень мала (до 0,01% т общей выделяемой энергии), и ей можно пренебречь в расчетах теплотворной способности топлива. Выделяемая тепловая энергия при сжигании данной навески газообразного топлива позволяет достичь температурного скачка порядка 0,02÷0,2 К, который является малым по величине и недостаточен для прецизионного расчета исправленного скачка температуры по формуле Реньо-Пфаундлера. Для достижения необходимого скачка температуры по сжиганию газообразного топлива при стандартных условиях требуется громоздкая, в несколько раз большая по объему конструкция устройства (см. чертеж) с дополнительными грузами для предотвращения всплытия, которая не вместится в сосуд калориметра типа В-08МА или др. Поэтому достижение необходимого скачка температуры 1÷3 К воды сосуда калориметра осуществляется через 30 секунд после поджига газообразного топлива путем дополнительного нагрева камер сгорания 7,4 изнутри при помощи электронагревателя 6, который включается в электросеть на 60-90 секунд и затем отключается от электросети. В процессе электронагрева устройства (см. чертеж) и находящегося внутри него газа совершается работа на некоторое расширение вверх гофрированной камеры сгорания 4, величина которой согласно 1-го закона термодинамики очень мала и ей также можно пренебречь в расчетах теплотворной способности топлива. В главном периоде производится 10-15 замеров температуры через каждые 30 секунд. Конечный период начинается с падения максимального скачка температуры и производится 20 замеров температуры через каждые 30 секунд. При этом совершается работа на некоторое сжатие вниз гофрированной камеры сгорания 4.
После окончания эксперимента производится демонтаж устройства в обратном порядке монтажа.
Аналогично определению энергетического эквивалента калориметра производится воспроизводимость эксперимента по сжиганию топлива не менее 10 раз, из которых отбираются 5-7 наиболее удачных результатов.
Средняя экспериментальная высшая рабочая теплотворная способность газообразного топлива из 5-7 удачных опытов при стандартных условиях определяется по формуле:
1
где q - выделяемая энергия при нагреве электронагревателя 6, Дж;
2
q - выделяемая энергия при накале нихромовой спирали 8, Дж;
3
q - выделяемая энергия при сжигании запала из хлопчатобумажной нити 9, Дж;
4
q - выделяемая энергия при образовании побочного продукта - водного раствора азотной кислоты, Дж;
5
q - поглощаемая энергия при возможном образовании допускаемого некоторого количества побочного продукта - недогоревшего углерода, Дж;
m(T) - масса образца сжигаемого газообразного топлива, г.
Допустимая абсолютная погрешность измерений теплотворной способности газообразного топлива в калориметре на основе типа В-08МА принимается равной в пределах ±0,1-0,3%.
Получаемые величины энергетического эквивалента и теплотворной способности газообразного топлива в интервале температур 298,15÷303,15 К практически не отличаются от полученных при стандартной температуре 298,15 К.
Технико-экономическими преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом являются упрощение и модернизация конструкции устройства; значительное уменьшение навески сжигаемого газообразного топлива, что в несколько раз сокращает время проведения анализа продуктов на полноту сгорания;
эксперимент проводится при стандартных условиях, что не требует ввод калориметрических поправок Уошберна и Джессупа.
Источники информации
1. Волков В.А., Венский В.Е., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. М.: Изд-во «В.Ш.», 1991. - 656 с.
2. Гаджиев С.Н. Бомбовая калориметрия. М.: Изд-во «Химия», 1988. - 188 с.
3. Леонидов В.Я., Медведев В.А. Фторная калориметрия. Изд-во «Наука», 1978. - С.87-93.
4. Колесов В.П. Основы термохимии. М.: Изд-во МГУ, 1996. - 205 с.