Способ определения удельной объемной теплоты сгорания горючего газа
METHOD FOR DETERMINING SPECIFIC VOLUMETRIC COMBUSTION HEAT OF COMBUSTIBLE GAS

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в бомбовых калориметрах переменной температуры для определения теплоты сгорания горючих газов.
к
к
Определение удельной теплоты сгорания топлива, осуществляют в калориметрах. Обязательной частью бомбовых калориметров является калориметрическая бомба для сжигания анализируемого вещества, в частности газа. Количество теплоты (энергии) (Q), выделившееся в результате сгорания топлива в калориметрической бомбе, вычисляют по методу теплового эквивалента, выраженному формулой Q=С⋅Т, где С - тепловой (энергетический) эквивалент калориметра, называемый иногда теплоемкостью калориметрической системы, определяется калибровкой калориметра; Т - величина известной функции выходного сигнала калориметра, например, температуры калориметрического сосуда. Таким образом, в калориметре проводится сравнение известного (калибровочного) и неизвестного (измеряемого) тепловых процессов (Колесов В.П. Основы термохимии. М., Изд-во МГУ, 1996, 205 с.).
Калибровку калориметров для определения энергетического эквивалента осуществляют сжиганием в бомбе в металлическом тигле навески эталонного твердого вещества - бензойной кислоты, которая обязательно имеется в каждой калориметрической лаборатории, эксплуатирующей бомбовые калориметры.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения удельной ОТС горючего газа в бомбовом калориметре переменной температуры, описанный в ГОСТ 10062-75 (прототип).
Способ определения удельной ОТС горючего газа по решению-прототипу включает следующие операции: предварительную калибровку калориметра по сжиганию бензойной кислоты (в тигле) для определения энергетического эквивалента, предварительное измерение объема калориметрической бомбы (без тигля) заполнением ее водой, заполнение калориметрической бомбы анализируемым горючим газом, насыщаемым парами воды, объем которого обусловлен его температурой и давлением и объемом бомбы, затем заполнение бомбы сжатым кислородом (10 атм), установку заполненной калориметрической бомбы в калориметр, сжигание газа в калориметрической бомбе и измерение количества теплоты, выделившейся при сгорании газа, с последующим расчетом высшей удельной ОТС газа на сухое состояние газа с учетом теплот поджига газа, образования и растворения в воде азотной и серной кислот.
Недостатками способа-прототипа является следующее.
Во-первых, заниженный результат измерения удельной ОТС газа, поэтому в описании способа в ГОСТ 10062-75 нормируется только сходимость результатов, то есть их повторяемость при последовательных измерениях на одном приборе. Воспроизводимость результатов в двух разных лабораториях в способе-прототипе по ГОСТ 10062-75 не нормируется. Практически установлено, что результат измерения ОТС газа возрастает с увеличением длительности главного периода опыта (калориметрический опыт делится на 3 периода: начальный период - это часть опыта до инициирования процесса сгорания, главный и конечный), приближаясь к более точному значению. Однако, при увеличении длительности главного периода опыта растет, как известно (Олейник Б.Н. Точная калориметрия. М., Изд-во стандартов, 1973, с. 139), случайная составляющая погрешности калориметрического опыта, поэтому длительность главного периода опыта выбирают минимально возможной.
Во-вторых, в способе-прототипе используется калориметрическая бомба, оснащенная двумя массивными электродами, к которым присоединена поджигающая проволока, и тиглем. Один из электродов служит держателем тигля (чашечки) для размещения и сжигания таблетки бензойной кислоты при калибровке калориметра. При сжигании бензойной кислоты в калибровочном опыте горение таблетки происходит в тигле, и факел пламени нагревает главным образом верх бомбы и слабо нагревает электроды. В опытах по измерению теплоты сгорания газа горение газа и тепловыделение происходят по всему объему бомбы, что приводит к значительно большему разогреву электродов, чем в калибровочном опыте, но при этом за время главного периода опыта, которое выбирают минимально возможным, температура внутренних деталей бомбы не успевает сравняться с температурой стенок бомбы. Таким образом, во внутренней арматуре бомбы остается неучтенное тепло, которое выступает как ошибка измерения величиной обычно 0,5-1%.
Задачей заявляемого изобретения является создание такого способа определения удельной ОТС горючего газа, который обеспечит повышение точности измерений.
б.к
б
г
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом определения удельной ОТС горючего газа в бомбовом калориметре, включающим предварительное определение энергетического эквивалента калориметра по сжиганию бензойной кислоты в калориметрической бомбе, оснащенной двумя электродами и тиглем, удаление тигля из бомбы и предварительное измерение объема калориметрической бомбы, заполнение калориметрической бомбы анализируемым газом, последующее заполнение бомбы сжатым кислородом, установку заполненной бомбы в калориметр, сжигание газа в бомбе, калориметрическое измерение количества теплоты, выделившейся при сгорании газа, и расчет удельной ОТС анализируемого газа, в котором, согласно изобретению, после предварительного определения энергетического эквивалента калориметра по сжиганию бензойной кислоты С из калориметрической бомбы удаляют электроды с тиглем и заменяют их винтами, под головки которых крепят проволоку для поджигания газа, измеряют объем калориметрической бомбы без электродов V, вычисляют энергетический эквивалент калориметра с бомбой без электродов С по формуле:
г
б.к
С=С-М⋅С, где
б.к
С - энергетический эквивалент калориметра по сжиганию бензойной кислоты, Дж/град;
М - разность масс удаленных из бомбы электродов с тиглем и установленных винтов, г;
С - удельная теплоемкость материала электродов, Дж/г⋅град,
б
г
далее заправляют бомбу горючим газом, затем сжатым кислородом, устанавливают бомбу в калориметр, сжигают газ, калориметрически измеряют теплоту его сгорания и производят расчет удельной ОТС с использованием полученных величин V и С.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
б.к
б
г
Определяют энергетический эквивалент калориметра по бензойной кислоте С. в калориметрической бомбе, оснащенной двумя электродами и тиглем. Затем из бомбы удаляют электроды с тиглем и на их место вкручивают винты, под головки которых крепят поджигающую проволоку. Проводят измерение объема получившейся бомбы V с максимально возможной точностью, поскольку погрешность измерения объема бомбы представляет собой неисключенную систематическую погрешность измерения ОТС газа. Далее взвешивают удаленные из бомбы детали за вычетом винтов, установленных для крепления поджигающей проволоки, для определения их теплоемкости. Вычисляют энергетический эквивалент калориметра для этой бомбы С с удаленными внутренними деталями по формуле:
г
б.к
С=С-М⋅С, где
б.к
С - энергетический эквивалент калориметра по сжиганию бензойной кислоты, Дж/град;
М - разность масс удаленных из бомбы электродов с тиглем и установленных винтов, г;
С - удельная теплоемкость материала электродов, Дж/г⋅град.
б
г
Далее заправляют бомбу горючим газом по одной из существующих методик, затем сжатым кислородом, устанавливают бомбу в калориметр и проводят калориметрический опыт по сжиганию газа. Затем производят расчет удельной ОТС с использованием полученных величин V и С (по формулам, приведенным в ГОСТ 10062-75).
Предлагаемый способ обеспечивает существенное повышение точности измерений так как, во-первых, благодаря отсутствию в используемой калориметрической бомбе массивных электродов и тигля устраняется ошибка измерения, характерная для способа-прототипа, вызванная различным режимом нагревания и остывания внутренних деталей бомбы при сжигании твердого вещества в тигле и при сгорании газа, и во-вторых, появляется возможность сокращения длительности главного периода опыта, что уменьшает случайную погрешность измерения.