Определение температур вспышки и воспламенения жидкого топлива

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Общая энергетика

Методические указания
к выполнению лабораторных работ
для студентов специальности
140211 – Электроснабжение

Белгород

Федеральное агентство по образованию

Белгородский государственный технологический университет
им. В. Г. Шухова

Кафедра энергетики теплотехнологии

Утверждено

научно-методическим советом

университета

Белгород

Общая энергетика

Методические указания
к выполнению лабораторных работ
для студентов специальности
140211 – Электроснабжение

Требования к выполнению лабораторных работ.

Прежде чем приступать к выполнению лабораторной работы, необходимо изучить содержание работы, ознакомиться с установкой. Ответив на вопросы и получив разрешение преподавателя, студенты включают установку и приступают к выполнению работы, т.е. делают необходимые замеры и записывают показания контрольно-измерительных приборов.

Лабораторные работы выполняются бригадами. Бригады в составе трех, четырех человек самостоятельно делают все необходимые измерения.

Перед началом выполнения работ следует:

1. Ознакомиться с безопасными методами эксплуатации установки.

2. Внимательно ознакомиться со схемой действия и правилами эксплуатации установки, используя имеющийся материал и указания преподавателя.

3. Определить цену деления на шкалах приборов.

Все данные, полученные в процессе выполнения работы, записывают в таблицы наблюдений по рекомендуемым формам.

По каждой лабораторной работе составляют отчет. Отчет должен содержать:

1. Вводную теоретическую часть, поясняющую назначение работы.

2. Краткое описание лабораторной установки, условий эксперимента.

3. Таблицы экспериментальных данных.

4. Необходимые расчеты.

5. Таблицы расчетных данных.

6. Графики по результатам измерений и расчетов.

7. Анализ результатов эксперимента и их выводы.

Все расчеты следует выполнять в международной системе единиц измерений (СИ). Экспериментальные данные следует вписывать в таблицу в единицах, указанных по шкале прибора, а затем переводить в единицы СИ. Диаграммы и графики выполняются карандашом под линейку. Подготовка к защите лабораторных работ включает в себя изучение лекционного материала к данной теме по учебникам.

Лабораторная работа №1.

Определение температур вспышки и воспламенения жидкого топлива

Цель работы: практическое ознакомление с конструкцией и работой прибора открытого типа для определения температур вспышки и воспламенения; изучение методики определения температур вспышки и воспламенения; определение температур вспышки и воспламенения жидкого топлива.

Основные понятия.

Температура вспышки, как и температура воспламенения мазута, позволяет судить о составе и качестве жидкого топлива. В условиях электростанции определение температуры вспышки проводится для установления максимально допустимой температуры его подогрева в емкостях, не изолированных от окружающего воздуха. По соображениям пожарной безопасности эта температура должна быть не менее чем на 10° ниже температуры вспышки мазута. Следует отметить, что подобное требование не распространяется на нагрев мазута в надежно сконструированных и правильно эксплуатируемых мазутных подогревателях, где может быть обеспечен подогрев мазута до температуры его воспламенения.

Температура вспышки – температура, при которой пары нагреваемого жидкого топлива образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Горение при этом моментально прекращается.

Температура вспышки не является аддитивной величиной и практически характеризуется температурой вспышки наиболее легкого компонента, так как в определенной мере связана с температурой кипения соответствующих фракций топлива. Жидкие топлива, не содержащие легких фракций, отличаются высокой температурой вспышки.

К повышению температуры вспышки приводит и повышение давления. Зависимость между температурой вспышки при нормальном давлении t₇₆₀ и температурой вспышки при ином барометрическом давлении t_p и барометрическом давлении Р (мм.рт.ст.) выражается эмпирической формулой

Температуру вспышки определяют по стандартным методикам в открытых и закрытых тиглях. Различие между температурой вспышки, определяемой в открытом и закрытых тиглях, составляет 20…60°С. В закрытых тиглях пары, образующиеся при нагревании жидкого топлива, не удаляются в окружающее пространство, концентрация паров топлива в смеси с воздухом, при котором происходит их вспышка, достигается при нагреве более низкой температуры, чем в открытых тиглях. При низкой температуре вспышки жидкого топлива ее определяют обычно в закрытых, а при высокой – в открытых тиглях. Температура вспышки мазута различных марок должна быть не ниже 80…140°С.

Температурой воспламенения называется температура, при которой нагреваемое жидкое топливо загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее 5 секунд. При сжигании жидкого топлива со свободной поверхностью горение протекает в паровой фазе. Факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости с ясно видимой тонкой полоской, определяющей факел от обреза тигля с жидким топливом.

Процесс горения жидких топлив со свободной поверхностью происходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. Восходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии образует горящий факел в виде конуса, отстоящего от зеркала испарения на 0, 5…1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха.

Методика проведения работы

Предварительно промытый бензином и подогретый тигель 1 помещают в песчаную баню 2 так, чтобы уровень песка был на одной высоте с уровнем топлива в тигле. Затем укрепляют лапку 4 штатива с термометром 3 на такой высоте, чтобы ртутный шарик термометра помещался посередине между дном тигля и уровнем жидкости. При испытании жидкого топлива с температурой вспышки до 210°С уровень жидкости должен находиться на расстоянии 12 мм от края тигля. Включают электроподогрев песчаной бани. В начале скорость повышения температуры продукта составляет 10 град/мин, а затем за 40°С до ожидаемой температуры вспышки – 4 град/мин. За 10°С до ожидаемой температуры вспышки начинают через каждые 2 с испытания на вспышку, проводя по краю тигля параллельно поверхности топлива пламенем зажигательного устройства. При этом делают два оборота: один по часовой стрелке, другой – против. Длительность испытания должна быть не более 2 – 3 с. Моментом вспышки считается появление над жидким топливом синего пламени, сопровождаемого обычно легким взрывом, при котором отмечается появление перебегающего и быстро исчезающего синего пламени. За температуру вспышки принимают показание термометра в момент вспышки.

Допускаемое расхождение между двумя параллельными определениями для жидкого топлива с температурой вспышки выше 150°С находится в пределах 6°С.

Температуру воспламенения жидкого топлива определяют после установления температуры вспышки. Для этого продолжают нагревать жидкое топливо со скоростью 4 град/мин. Через каждые 2 градуса повышения температуры пламенем зажигательного устройства проводят горизонтально над поверхностью тигля. Температура, при которой жидкое топливо воспламенилось и продолжает гореть не менее 5 с, является температурой воспламенения. После воспламенения топлива ослабляют лапку 4 штатива и вынимают из тигля 1 термометр 3. Тигель 1 накрывают крышкой для прекращения доступа воздуха.

Допускаемое расхождение между двумя определениями температуры воспламенения равно 6°С. После определения температуры воспламенения прекращают обогрев песчаной бани. При снижении температуры жидкого топлива на 40°С возобновляют нагрев песчаной бани и испытания проводят второй раз. Полученные результаты заносят в табл. 1.1.

Обработка результатов

Температуру вспышки и воспламенения жидкого топлива измеряют при помощи термометра с точностью 1°С. Определяют по барометру давление воздуха в условиях опыта.

Рассчитывают температуру вспышки при нормальном давлении t₇₆₀ по эмпирической формуле

Рассчитанные величины заносят в таблицу (см. табл. 1.1.).

Определяют расхождение между полученными характеристиками жидкого топлива.

Таблица 1.1.

Температура, °С	Опыт	Отклонение характеристики
1-й	2-й
Вспышки
Вспышки при нормальных условиях
Воспламенения

Содержание отчета

Цель работы.
Таблица измеренных и рассчитанных величин.

Контрольные вопросы

Что называется температурой вспышки?
От каких факторов зависит температура вспышки: различных нефтепродуктов?
Почему температура вспышки в закрытых тиглях ниже, чем в открытых?
Что называется температурой воспламенения?
Опишите процесс горения жидких топлив со свободной поверхности.
Для чего проводится определение температуры вспышки и воспламенения?

Лабораторная работа №2.

Основные понятия

Теплообменник типа «труба в трубе» образован коаксиально расположенными трубами. В нем теплоносители движутся, не смешиваясь друг с другом, по внутренней трубе и в кольцевом канале между трубами. Стенка, разделяя оба потока, образует поверхность теплообмена. Тепловой поток Q, Вт, через поверхность теплообмена на стационарном режиме определяют по основному уравнению теплопередачи:

, (2.1)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); - средний температурный напор, К;

F – поверхность теплообмена, м².

Средний температурный напор рассчитывают по логарифмической формуле

, (2.2)

где и - соответственно больший и меньший температурные напоры в теплообменнике при противоточной схеме движения теплоносителей:

;

Здесь и - начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, С; и - начальная и конечная температуры холодного теплоносителя.

Количество теплоты Q₁, Вт, отданное горячим теплоносителем и Q₂, Вт, полученное холодным теплоносителем за единицу времени

; (2.3)

, (2.4)

где и - расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; и - удельные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей соответственно, Дж/(кг·К).

Уравнение теплового баланса теплообменника имеет следующий вид:

, (2.5)

где - потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Методика проведения работы

Наполнить термостат водой, включить электронагреватель и насос, нагреть воду в термостате до заданной температуры.
Установить с помощью вентиля 3 расход холодной воды.
По достижении стационарного режима работы теплообменника, при котором измеряемые температуры теплоносителей не изменяются с течением времени, записать в табл. 2.1. показания ротаметра 4 и термометров 5 – 8.
Увеличить расход холодной воды и по достижении стационарного режима теплообмена снять показания приборов.
Снова увеличить расход холодной воды и вновь измерить температуры теплоносителей при стационарном теплообмене.
Выключить электронагреватель и насос термостат, закрыть вентиль 3.

Рис. 2.1. Схема установки: 1 – теплообменник типа «труба в трубе»; 2 – термостат; 3 – вентиль; 4 – ротаметр; 5 – 8 – термометры

Таблица 2.1

Номер опыта	Показания ротаметра (число делений)	Температура, °С

Обработка результатов

Рассчитывают поперечное сечение кольцевого канала

, (2.6)

где - внутренний диаметр наружной трубы, м; - наружный диаметр внутренней трубы теплообменника, м.

Определяют скорость холодной воды в теплообменнике

, (2.7)

где - объемный расход холодной воды, м³/с.

По (2.3) – (2.5) рассчитывают количество теплоты , отданное горячей водой, и , полученной холодной водой, а также потери теплоты в окружающую среду .

Полагая, что количество теплоты , полученное холодной водой за единицу времени, равно тепловому потоку через поверхность теплообмена, рассчитывают коэффициент теплопередачи по (2.1) по результатам каждого опыта. При этом поверхность теплообмена находят по среднему диаметру внутренней трубы:

, (3.8)

где и - внутренний и наружный диаметры трубы, м; - длина одной секции теплообменника ( м).

Результаты расчетов заносят в таблицу (см. табл. 2.2). Строят графическую зависимость коэффициента теплопередачи k от скорости холодного теплоносителя .

Таблица 2.2.

Параметр	Номер опыта

Массовый расход горячей воды G₁, кг/с
Массовый расход холодной воды G₂, кг/с
Скорость холодной воды , м/с
Тепловые потоки, Вт Q₁ Q₂ Q_n
Средний температурный напор, , К
Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м²·К)

Контрольные вопросы

Устройство теплообменника «труба в трубе».
Физический смысл коэффициента теплопередачи.
Способы интенсификации теплопередачи.
Изменится ли температурный напор при изменении направления движения одного из теплоносителей?
Что называется удельной теплоемкостью теплоносителя?
Основные способы усреднения температурного напора в теплообменнике.

Лабораторная работа №3

Основные понятия

Свободным называется движение жидкости (газа, капельной жидкости), возникающее под воздействием массовых сил. Примером такого движения служит движение жидкости в гравитационном поле вследствие наличия разности ее плотностей в различных точках пространства. Если эта разность плотностей обусловлена разностью температур поверхности тела t_ст и t_ж в рассматриваемом объеме, то возникающий при этом конвективный теплообмен между телом и жидкостью называется теплоотдачей при свободной конвекции.

Характерная особенность рассматриваемого явления – взаимосвязь процессов движения и теплообмена. Так, увеличение указанной выше разности температур (температурного напора) ведет к росту разности плотностей жидкости, что, очевидно, предопределяет рост скорости ее гравитационного движения. Последнее непосредственно вызывает увеличение интенсивности конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи , Вт/м²·К. По определению коэффициент теплоотдачи связан с плотностью теплового потока на поверхности тела (стенки):

(3.1)

И зависит от ряда факторов. В рассматриваемом случае это, прежде всего, температурный напор, физические свойства жидкости, форма, размер и положение теплоотдающей поверхности в пространстве. Анализ процесса теплоотдачи при свободной конвекции методом подобия показывает, что определяющими критериями подобия являются числа Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr), а расчетное уравнение для определения числа Нуссельта (Nu), полученное на основе теоретических и экспериментальных исследований для горизонтальной трубы, имеет следующий вид:

(3.2)

где - поправка, учитывающая переменность физических свойств жидкости (для газов при небольших значениях T_ст/Т_ж, ); индексы ж, ст указывают на выбор физических свойств жидкости по температуре t_ж или t_ст соответственно.

Постоянные с и n зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. Около горизонтальных труб в широком интервале изменения температурного напора и диаметра трубы d сохраняется ламинарное движение жидкости. При этом для расчета средних по периметру коэффициентов теплоотдачи рекомендуется следующая формула:

(3.3)

Методика проведения работы

Включение установки производится преподавателем или лаборантом. Ими же указываются рабочий диапазон измерения напряжения на ЛАТРе.

В течение занятия необходимо провести не менее трех опытов при установившихся (стационарных) значениях теплового потока через материал. Стационарное тепловое состояние характеризуется неизменностью во времени всех температур. Для достижения стационарного режима требуется некоторое время, в течение которого измеряемые значения температуры изменяются.

В каждом стационарном состоянии необходимо провести не менее трех серий измерений температур t₁, t₂ и t₃ по длине экспериментальной трубы, а также напряжения U и силы тока I на ЛАТРе с трехминутным интервалом между сериями, после чего можно изменить напряжение на ЛАТРе и перейти к следующему опыту.

Значения всех измеряемых величин необходимо записывать в таблицу (см. табл.3.1). Об окончании опытов следует известить преподавателя или лаборанта.

Таблица 3.1

Номер опыта	Номер серии измерений	Температура, °С	Напряжение U, В	Сила тока I, А
t₁	t₂	t₃	t_ст



Среднее значение:

Обработка результатов

Обработка результатов предыдущего опыта ведется во время перехода установки на новый режим. По результатам измерений вычисляется средняя температура по длине трубы

(3.4)

и средний температурный напор

. (3.5)

Величина плотности теплового потока q определяется по потребляемой электрической мощности нагревателя:

, (3.6)

где F – поверхность теплоотдачи экспериментальной трубы.

Так как в условиях опытов конвективный теплообмен при свободном движении воздуха сопровождается тепловым излучением поверхности теплообмена, то конвективная составляющая плотности теплового потока на стенке может быть определена как

, (3.7)

где q – плотность теплового потока, обусловленная тепловыделением электрического нагревателя в трубе, Вт/м; q_л – плотность теплового излучения поверхности теплообмена, определяемая расчетным путем, Вт/м².

Плотность потока теплового излучения поверхности трубы:

. (3.8)

где - степень черноты стенки трубы, ; - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м²·К⁴); T_ст – термодинамическая температура стенки трубы, К; ; T_ж – термодинамическая температура воздуха, К; .

Среднее значение коэффициента теплопередачи от горизонтальной трубы к воздуху

. (3.9)

Входящие в безразмерные комплексы ; физические и критерий выбирают по температуре окружающего воздуха (см. табл. 3.3). Результаты вычислений следует поместить в таблицу (см. табл. 3.2).

Таблица 3.2

№ опыта	, К	, °С	, Вт/м²	, Вт/м²	, Вт/м²	, Вт/(м²·К)

По окончании обработки результатов измерений на основе табл. 3.2 необходимо выполнить следующую графическую часть:

1. График функции .

2. График сравнения результатов опыта в безразмерном виде с расчетным уравнением (3.3) в логарифмических координатах. Для построения графика по двум произвольным значениям (Gr·Pr), охватывающим область изменения этого произведения в условиях опытов (см. табл. 3.2), на основе (3.3) вычисляют соответствующие им значения Nu. Далее наносят на логарифмическую бумагу указанные две точки, через которые проводят прямую, отображающую (3.3). Результаты опытов наносятся на этот же график.

Физические свойства сухого воздуха при Па

, °C	, кг/м³	, Вт/(м·К)	, м²/с	, м²/с	Pr
	1, 247	2, 51	20, 05	14, 16	0, 705
	1, 205	2, 59	21, 42	15, 06	0, 703
	1, 165	2, 67	22, 86	16, 00	0, 701
	1, 128	2, 76	24, 30	16, 96	0, 699
	1, 093	2, 83	25, 72	17, 95	0, 698

Контрольные вопросы

Физическая природа процесса теплоотдачи при свободной конвекции.
Что представляет собой коэффициент теплопередачи?
Числа подобия при свободной конвекции.
Определяющая температура и характерный линейный размер в условиях теплоотдачи горизонтальной трубы.
Чем определяется число Грасгофа от числа Архимеда?

Лабораторная работа №4

Основные понятия

Существует два метода расчета горения органического топлива. Первый метод осуществляют по данным состава топлива, задаваясь коэффициентом избытка воздуха. Второй метод осуществляется по данным газового анализа с учетом состава сжигаемого топлива. Первый метод расчета применяется при проектировании топливоиспользующих установок, второй – при теплотехнических испытаниях, наладке оптимального процесса сжигания топлива в печах и топках.

Материальный и тепловой балансы процесса горения проводят на 1 м³ газообразного топлива и на 1 кг твердого или жидкого топлива. Состав газового топлива приводится по компонентам химических соединений в процентах от их объема, а для твердого и жидкого топлива приводится элементарный химический состав а процентах от их массы.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, - рабочей массой. В элементарный химический состав его, выражаемый следующим образом:

входят горючие вещества – углерод С, водород Н, а также кислород О и азот N, находящиеся в сложных высокомолекулярных соединениях. Топливо содержит влагу W и негорючие минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу А.

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения могут быть разными, поэтому в справочной литературе приводится более постоянный состав горючей массы топлива, который используется для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива.

Пользуясь пересчетным коэффициентом , определяют величину составляющих элементов рабочей массы по величине составляющих элементов в горючей массе.

Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения. Количество воздуха для горения топлива подается в топку больше его теоретически необходимого количества.

Отношение количества воздуха, действительно поступившего в топку к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха .

Для вновь проектируемых топливоиспользующих установок величину выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конструкции топки. Для пылеугольных топок по условиям достижения большего значения КПД и интенсификации процесса горения оптимальными являются , при этом нижний предел относится к бурым и каменным углям, а верхний – к тощим углям и антрацитам. При сжигании природных газов и мазута в агрегатах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, может быть снижен до 1, 05.

Расход топлива в топливоиспользующей установке данной производительности зависит от теплоты его сгорания, которая для различных видов топлив изменяется в больших пределах. При отсутствии опытных и справочных данных для приближенного расчета низшей теплоты сгорания твердого и жидкого топлива МДж/кг:

в которой коэффициенты подобраны экспериментально и несколько отличаются от теплоты сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива.

Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная МДж/кг (7000 ккал/кг).

Пересчет расхода данного топлива В в условное производится по соотношению

Понятием условного топлива пользуются также при планировании добычи и потреблении топлива.

Порядок выполнения работы

Расчет расхода окислителя и выход продуктов полного сгорания газообразного топлива.

Объем кислорода, необходимого для сгорания газообразного топлива и образующихся продуктов сгорания, подсчитывают на основе уравнения горения компонентов, входящих в состав газообразного топлива

Окись углерода

Водород

Метан

Этан

Пропан

Бутан

Пентан

В соответствии с приведенными выше уравнениями горения компонентов газового топлива объем кислорода, необходимого для сгорания 1м³ газа, подсчитывают по формуле, м³/м³ газа

Объем воздуха , необходимый для сгорания 1м³ газового топлива в стехиометрических условиях, подсчитывают исходя из содержания в воздухе 21% кислорода по объему, м³/м³ газа

Действительное количество воздуха, подаваемое в топку, м³/м³ газа:

где - коэффициент избытка воздуха.

Суммарный объем продуктов полного сгорания , состоящий из следующих компонентов, м³/м³ газа

Объем продуктов сгорания за вычетом объема водяных паров называется объемом сухих газов:

Выход двуокиси углерода, м³/м³ газа

Выход азота складывается из воздуха, подаваемого в топку, и азота, содержащегося в газовом топливе, м³/м³ газа

Выход водяных паров определяется с учетом содержания водорода и влаги в топливе – d м³/м³ газа и водяных паров, содержащихся в воздухе, используемом в качестве окислителя. Содержание в воздухе водяных паров принимают около 1 мас. % (1, 6 об. %), так как влагосодержание воздуха d_в=10…16 г/м³ сухого воздуха при относительной влажности φ =50…60% и температуре t=20…30°С.

Выход водяных паров при сжигании газового топлива, м³/м³ газа:

Количество кислорода в продуктах сгорания, м³/м³ газа

Расчет расхода окислителя и выхода продуктов полного сгорания твердого и жидкого топлива.

Количество кислорода воздуха О_в, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг/кг

где - соответственно содержание углерода, горючей серы, водорода и кислорода в рабочей массе топлива, масс. %.

Количество сухого воздуха , необходимое для сгорания 1 кг топлива (принимая содержание в воздухе 23 мас. % кислорода), кг/кг

Объем воздуха, теоретически необходимый для сгорания 1 кг топлива, равен , т.е. м³/кг

или округленно, м³/кг

Суммарный объем продуктов сгорания

Объем двуокиси углерода, м³/кг

Объем двуокиси серы, м³/кг

Объем азота, м³/кг

Объем водяного пара в продуктах сгорания с учетом содержания в воздухе около 1 мас. % влаги (1, 6 об. %), м³/кг

Объем кислорода, м³/кг

Для теплотехнических расчетов топок, теплогенераторов и других теплотехнологических установок необходимо знать энтальпию и влагосодержание продуктов сгорания топлива.

Энтальпия влажных топочных газов, отнесенная к массе сухих газов, кДж/кг

где - энтальпия влажного воздуха, определенная по формуле, кДж/кг

Масса сухих газов, кг

где , , - плотности двуокиси углерода, азота и кислорода соответственно, кг/м³.

Влагосодержание топочных газов, отнесенное к массе сухих газов, кг/кг

где , - массы водяных паров и сухих газов соответственно.

Контрольные вопросы

12 3 Следующая ⇒