BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Földgáz égéshőjének és fűtőértékének meghatározása 1. A mérés célja A mérés célja a tüzeléstechnikai célra felhasználható gázok közül a laboratóriumban rendelkezésre álló földgáz égéshőjének és fűtőértékének meghatározása méréssel ill. számítással.
2. A mérés leírása 2.1. Alapfogalmak a., Égéshő (vagy felső fűtőérték) Az a hőmennyiség, amely normál állapotú gáz egységnyi mennyiségének levegő (vagy oxigén) jelenlétében történő tökéletes elégésekor felszabadul, ha az égéstermékek a kiindulási hőmérsékletre hűlnek le, és a keletkezett H2O cseppfolyós állapotban van jelen.
Jelölés: Hs (s: superior-felső) b., Fűtőérték (vagy alsó fűtőérték) Az a hőmennyiség, amely normál állapotú gáz egységnyi mennyiségének levegő (vagy oxigén) jelenlétében történő tökéletes elégésekor felszabadul, ha az égéstermékek a kiindulási hőmérsékletre hűlnek le, és a keletkezett H2O gőzállapotban van jelen.
Jelölés: Hi (i: inferior-alsó) Ennek értelmében a fűtőérték a képződött vízgőz párolgáshőjével kisebb az égéshőnél.
c., Normálköbméter A gyakorlatban használatos anyagmennyiség: 1 normálköbméter az a száraz anyagmennyiség, amely fizikai normálállapotban 1 m3 térfogatú. Régi, de az SI-ben már tilos jelölés: Nm3 A fizikai normálállapot jellemzői: •
száraz állapot
•
hőmérséklet : O °C
•
nyomás : 1 fizikai atmoszféra (at) = 760 Hgmm = 101325 Pa
d., Az égéshő és a fűtőérték mértékegysége A gázok égéshőjét és fűtőértékét kJ/m3 vagy MJ/m3 (normálköbméter) egységben fejezzük ki.
2.2. mérés elve A földgáz égéshőjének és fűtőérték meghatározása folyamatos átáramlású, égéstermék-víz típusú hőcserélőben történik. A hőcserélőben az ismert nyomású, hőmérsékletű és térfogatú gázt folyamatosan égetjük el. Az égés során felszabaduló hőmennyiséget az égési teret körülvevő, csöves szerkezetű vízköpenyben folyamatosan átáramló víz veszi fel. Az égéstermék hőmérséklete megközelíti a környezeti levegő hőmérsékletét, így az jóval a harmatpontja alá hűl. Ezért az égéstermékből a hűtőfelületen víz csapódik le, ami a készülék alján mérőedényben felfogható. A mért mennyiségű gáz elégetése alatt mérjük a készülékbe befolyó ill. az abból kifolyó víz hőmérsékletét, a készüléken átáramló víz tömegét és a keletkezett kondenzvíz tömegét. A mért adatokból számítjuk ki a gáz égéshőjét és fűtőértékét: a., Az égéshő meghatározása a készülék hőegyensúlya alapján történik:
H s ⋅ Vg ⋅ f = mv ⋅ cv⋅ ⋅ (t vki − t vbe )
ahol:
Vg: az elégetett gázmennyiség térfogata (gázmérővel mért adat) [m3] f: a gázmérő kalibrációs tényezője mv: a mérés ideje alatt a készüléken átáramlott viz tömege [kg] cv : a viz fajhője (cv = 4,1868 kJ/kgK) tvbe, tvki : a be- ill. ki-folyó víz hőmérséklete [oC]
Így a gáz égéshője:
2011.10.26.
Hs =
mv ⋅ c v ⋅ (t vki − t vbe ) Vg ⋅ f 1
BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék b., A fűtőérték meghatározásához - a megfogalmazásból eredően - az égéshőből le kell vonnunk a kondenzvíz elpárologtatásához szükséges hőmennyiséget:
H i = H s − qr ahol az 1 m3 gázból keletkező kondenzátumnak a távozó égéstermék hőmérsékletével egyező hőmérsékletű telitett gőzzé való elpárologtatásához szükséges hőmennyiség:
qr =
mkond ⋅ r Vg ⋅ f
ahol:
mkond: a mérés ideje alatt keletkezett kondenzvíz tömege [kg] r: a víz párolgáshője (r = 2500 kJ/kg)
c., Ahhoz, hogy a különböző körülmények között mért értékek között összehasonlítást tehessünk, az égéshőt és a fűtőértéket az általános gáztörvény alkalmazásával át kell számolnunk fizikai normálállapotra. Az átszámítási tényező:
F=
p0 Tg ⋅ p g T0
ahol:
p0 = 101325 Pa T0 = 273,15 K (=0 °C) pg : a gáz nyomása a gázmérőben [Pa] Tg : a gáz hőmérséklete a gázmérőben (K]
A gázmérőben uralkodó össznyomás (pm ) két parciális nyomásból tevődik össze: a gáz nyomása (pg) és a tg gázhőmérséklethez tartozó telített vízgőz nyomása (ps): (Függelék F.2.)
pm = p g + ps Ezen össznyomás értékét egy vízzel töltött U-csöves manométerrel határozzuk meg:
pm = pb + ∆p
ahol: pb: a barometrikus nyomás [Pa]
∆p: az U-csöves manométerrel mért nyomás [Pa] A fenti két egyenletből a pg gáznyomás kifejezhető:
p g = p b + ∆p − p s
A normál állapotra való átszámítás tényezője:
F=
(Függelék F.1.)
Tg p0 ⋅ pb + ∆p − p s T0
Ily módon az égéshő és a fűtőérték normál állapotra vonatkoztatott értéke a mért értékekből számítható:
H s,n = H s ⋅ F
2011.10.26.
H i ,n = H i ⋅ F
2
BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék 2.3. A készülék ismertetése A földgáz égéshőjének és fűtőértékének meghatározása Junkers-féle kaloriméterrel történik.
1 KÜLSŐ KÖPENY 2 NEDVES RENDSZERŰ LABORATÓRIUMI GÁZMÉRŐ 3 NYOMÁSSZABÁLYOZÓ 4 LEVEGŐNEDVESÍTŐ 5 ÉGŐ 6 LEVEGŐ BEVEZETÉS 7 HŰTŐVÍZ 8 HŰTŐVÍZ TÉR 9 HŐMÉRŐ (BELÉPŐ VÍZ HŐMÉRSÉKLETE) 10 HŐMÉRŐ (KILÉPŐ VÍZ HŐMÉRSÉKLETE) 11 ÉGÉSTERMÉK ELVEZETÉS 12 KONDENZÁTUM ELVEZETÉS
A készülék kialakításánál a mérés pontosságát befolyásoló tényezők hatását figyelembe kell venni. Ezért a készülék felé pitésénél a következőkre kell törekedni: a., A készüléken átfolyó víz mennyisége az időegységben mindig azonos legyen (időben állandó tömegáram), melyet állandó víznyomás biztosításával érhetünk el. A vízvezeték-hálózat nyomásingadozásait a két túlfolyóedény segítségével küszöbölhetjük ki. Ezek a “h” szintkülönbségnek megfelelő állandó víznyomást biztosítják. b., A gáz térfogatárama az időben állandó legyen. Az egyenletes gázáramlás a gázégőn Úgy biztosítható, hogy a gáz nyomását - amely a gázmérő működéséből vagy esetleges hálózati nyomásingadozásból eredően változhat - a gázmérő és az égő közé iktatott gáznyomás-szabályozóval tartjuk állandó értéken. c., A gáz és az égéshez szükséges levegő nedvességtartalma ne befolyásolja a mérést. Az égéstermékek mindenkor telitettek, így a változó belépő nedvességtartalom változó mennyiségű kondenzvizet szolgáltatna. Ez a hibaforrás úgy küszöbölhető ki, hogy a beáramló gázt és levegőt vízgőzzel telítjük. A gáz vízgőzzel történő telítését úgy biztosíthatjuk, hogy az elégetett gáz térfogatának meghatározására nedves gázmérőt használunk. A kaloriméterbe áramló levegő vízgőzzel való telítését a levegőnedvesítő biztosítja. A nedvesítésre a kaloriméter bemenő oldali elosztó-tölcséréből túlfolyó tápvíz szolgál, amely az égéshez vezetett levegővel ellenáramban csurog a Raschig—töltetre (a Raschig-gyűrűk porózus anyagú porcelán gyűrűk, amelyek igen nagy elpárologtató felületet biztosítanak). d., A készülék és a környezet közötti hőcseréből származó hiba elhanyagolható legyen. A környezet zavaró hatásának csökkentésére a készüléken átfolyó vízmennyiséget úgy szabályozzuk be, hogy a víz hőmérséklete a belépésnél ugyanannyi fokkal legyen a környezeti hőmérséklet alatt, mint amennyivel a kilépő hőmérséklete a környezeti hőmérséklet felett van. (A környezeti hőmérséklet a belépő ill. kilépő vízhőmérsékletek számtani középértéke legyen.) Ekkor a távozó égéstermék hőmérséklete valamivel alacsonyabb, mint a környezet hőmérsékletén beáramló levegő ill. gáz hőmérséklete. Az így keletkezett hiba még kis fűtőértékű gázok esetén is elhanyagolható. A sugárzásból eredő hiba csökkentésére a kaloriméter külső köpenye nikkelezett és fényesre polírozott.
2011.10.26.
3
BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék 2.4. gázmérő kalibrálása A gázmérőt a kalorimetrálás előtt kalibrálni kell. A kalibrálást ismert térfogatú gázzal a gázmérőn való átáramoltatásával végezzük és megállapítjuk a gázmérő legalább egy fordulatára a ténylegesen átfolyt térfogat és a gázmérő által jelzett térfogat értékeit. A két érték hányadosa a gázmérő kalibrációs tényezője:
f =
Vtényleges V jelzett
A kalibrálást az alábbi ábra alapján levegő átáramoltatásával végezzük.
A gázmérőt egy jól záró dugóval ellátott és szobahőmérsékletű vízzel feltöltött palack légterével kapcsoljuk össze. A palack az aljáig nyúló csővezetéken át szivornyahatással leüríthető. A palack folyadékszintjének csökkenése miatt szívóhatás keletkezik és a gázmérőn a kifolyt víz térfogatával azonos térfogatú levegő áramlik át. A gáz (levegő) térfogatának meghatározása tehát a kifolyt víz tömegének méréséből áll.
Vtényleges =
mvízki
ρ víz
ahol:
ρ víz: a víz sűrűsége ( ρvíz=1 kg/l )
3. mérés végrehajtása A kísérlet megkezdéséhez meg kell várni a hőegyensúly beállását. A mérést 30 l gáz elégetésének időtartamára terjesztjük ki. A mérést a gázmérő 0 helyzetében kezdjük. Ugyanebben a pillanatban elkezdjük a kifolyó hűtővíz és a kondenzátum felfogását is. Ezt követően minden 3 l gáz átfolyása után leolvassuk a befolyó és a kifolyó víz hőmérsékletét. A mérés középső szakaszában feljegyezzük a gáznak, az égés terméknek, a környező levegőnek a hőmérsékletét, a gázmérőben uralkodó túlnyomást és a barométerállást. A 30 l gáz átfolyása után a hűtővíz és a kondenzátum felfogását is meg kell szüntetni. Lemérjük az edényben összegyűlt víz és a kondenzvíz tömegét. A leolvasott hőmérsékletértékek számtani középértéke szolgál a számítás alapjául. A mért adatok ill. a 2. fejezetben foglaltak alapján meghatározzuk a gáz égéshőjét és fűtőértékét. Ezt a mérési eljárást három mérésben ismételjük. A mérések befejezése után kiszámított három fűtőérték-adat közül a legnagyobb és legkisebb érték különbsége 0,20 MJ/m3-nél nem lehet nagyobb. Ha mérési eredményeink a tűrési határon belül vannak, akkor a három égéshő- ill. fűtőérték-adatot átlagoljuk. A végeredmény megadásának módja (MSz 5650) A végeredményt mind az égéshőnél, mind a fűtőértéknél 0,05 MJ/m3-re kerekítve adjuk meg. 0,025 MJ/m3-től felfelé, az alatt pedig lefelé kerekítünk.
2011.10.26.
4
BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék FÜGGELÉK Szabványok: — MSz 10982—62
Éghető gázok égésmelegének és fűtőértékének meghatározása Junkers rendszerű kézi kaloriméterrel
— MSz 5650/3—75
Földgáz vizsgálata. Égéshő és fűtőérték meghatározása kézi kaloriméterrel
F.1. Mértékegységek közötti átszámítások a. [v.o.mm]
[Pa] 1.v.o.mm = 9,80665 Pa
b. [Hgmm]
[Pa] 1 Hgmm = 133,322 Pa
F.2.. Telitett vízgőz nyomása t
ps
t
ps
t
ps
[°C ]
[Pa ]
[°C ]
[Pa ]
[°C ]
[Pa ]
0
611,0
1
656,7
11
1312
21
2486
2
705,6
12
1402
22
2643
3
757,6
13
1497
23
2809
4
813,2
14
1598
24
2983
5
872,1
15
1705
25
3168
6
937,9
16
1818
26
3361
7
1001,6
17
1937
27
3565
8
1072,7
18
2063
28
3780
9
1147,7
19
2196
29
4005
10
1227,5
20
2338
30
4243
Ellenőrző kérdések: 1. Definiálja az égéshőt! 2. Definiálja a fűtőértéket! 3. Mi a normálköbméter? 4. Mi az égéshő és a fűtőérték mértékegysége? 5. Írja fel a készülék hőegyensúlyát! 6. Ismertesse a Junkers-féle kalorimétert! 7. Ismertesse a gázmérő kalibrálását! 8. Ismertesse a mérés lebonyolítását! 9. A mérés végrehajtásakor milyen jellemzőket kell stabilizálni? 10. A mérés végrehajtásakor milyen jellemzőket kell megmérni?
2011.10.26.
5
MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV Földgáz égéshőjének és fűtőértékének meghatározása Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Tanév/félév Tantárgy Képzés
A mérési jegyzőkönyvet javító oktató tölti ki! Beadás dátuma
Mérés dátuma Mérés helye Mérőcsoport száma
Pontszám
Aláírás
Jendrassik labor Megjegyzés:
Jegyzőkönyvkészítő Mérésvezető oktató
Mérés célja:
Mérés elméleti háttere:
Csak kézzel írott jegyzőkönyv fogadható el!
Mérőberendezés felépítése: A földgáz égéshőjének és fűtőértékének meghatározása Junkers-féle kaloriméterrel történik.
1 KÜLSŐ KÖPENY 2 NEDVES RENDSZERŰ LABORATÓRIUMI GÁZMÉRŐ 3 NYOMÁSSZABÁLYOZÓ 4 LEVEGŐNEDVESÍTŐ 5 ÉGŐ 6 LEVEGŐ BEVEZETÉS 7 HŰTŐVÍZ 8 HŰTŐVÍZ TÉR 9 HŐMÉRŐ (BELÉPŐ VÍZ HŐMÉRSÉKLETE) 10 HŐMÉRŐ (KILÉPŐ VÍZ HŐMÉRSÉKLETE) 11 ÉGÉSTERMÉK ELVEZETÉS 12 KONDENZÁTUM ELVEZETÉS
A gázmérő kalibrálását az alábbi ábra alapján levegő átáramoltatásával végezzük.
Felhasznált műszerek, berendezések megnevezése:
Mért és számított adatok: A. Mérési eredmények a. Égéshő és fűtőérték meghatározása Gáz: földgáz Gázmennyiségek és vízhőmérsékletek a mérés során: Vg [l]
tvízbe [°C]
tvízki [°C]
Átlag: Az elégetett gázmennyiség térfogata:
Vg =
Barometrikus nyomás:
pb =
A gáz túlnyomása a gázmérőben:
∆p =
A gáz hőmérséklete a gázmérőben:
tg =
Telített vízgőz nyomása tg hőmérsékleten: p s = Átáramlott víz tömege:
mv =
Víz átlagos hőmérsékletkülönbsége:
∆t átl =
Kondenzvíz tömege:
mkond =
b. A gázmérő kalibrálása A gázmérő által jelzett térfogat:
V jelzett =
A palackból kifolyt víz tömege:
mvízki =
A ténylegesen átfolyt térfogat:
Vtényleges =
A gázmérő kalibrációs tényezője:
f =
mvízki = ρvíz
Vtényleges V jelzett
=
B. Számítási eredmények
Hs [MJ/m3] Hi [MJ/m3] Hs,n [MJ/m3] Hi,n [MJ/m3]
Mérés kiértékelése:
