- Slon6
- Анализ топлива
- Теплота сгорания калориметром
Slon6: определение теплоты сгорания топлива калориметром
Навеску 0,8–1,5 г сжигают в стальной бомбе под кислородом 3 МПа, по подъёму температуры воды на 1,5–3 К и энергетическому эквиваленту прибора получают высшую теплоту сгорания Qs,V. Низшую, по которой считают котлы, выводят пересчётом через влагу и водород пробы.
В словаре Slon6 9 терминов из ГОСТ 147-2013 и практикума.
- Высшая теплота сгорания Qs,VВыделяется в бомбе при 25 °C; вода из продуктов сгорания конденсируется и отдаёт тепло.
- Низшая теплота при постоянном давленииВся вода уходит паром, как в топке. Эту величину закладывают в тепловой расчёт котла.
- Энергетический эквивалент WТеплота нагрева калориметрической системы на 1 К. В практикуме МГУ — 14687 Дж/В.
- Исправленный подъём температурыРост температуры воды только от процессов в бомбе, после поправки на теплообмен.
- Поправка Реньо–ПфаундлераСчитается по ходу температуры в начальном и конечном периодах; в разборе ниже — 0,0563 В.
- Изопериболический калориметрРубашка держит постоянную температуру с погрешностью ±0,1 К; поправка на теплообмен обязательна.
- Адиабатический калориметрВода рубашки догоняет сосуд с отставанием не более 0,1 К; поправку на теплообмен со средой не вводят.
- Бензойная кислота К-3ГСО 5504-90, чистота 99,99 %, 26454 Дж/г. Сушат 48 ч, сжигают только брикетом.
- Футеровка тигляДиск из беззольного кварцевого волокна или прокалённый асбест — для кокса, антрацита, высокозольных углей.
- 3,0 ± 0,2 МПакислород в бомбе, чистота ≥ 99,5 %
- 25 °Cстандартная температура опыта
- ≤ 212 мкмкрупность аналитической пробы угля
- 26454 Дж/гэталон для градуировки
Калориметрическая бомба Slon6: как тепло топлива становится градусами воды
Внутри бомбы вместимостью 250–360 см³ навеска сгорает за секунды, тепло уходит через стенку в воду калориметрического сосуда. Мешалка выравнивает температуру не дольше 10 минут, датчик с ценой деления 0,001 К ловит рост. Итог сводится к формуле Q = W·ΔT, где W находят заранее сжиганием эталона.
Что меняет результат калориметра, кроме самого топлива
- Запальная проволока: нихром 0,16–0,20 мм или константан 0,10–0,15 мм; 10–15 отрезков взвешивают, берут среднее.
- Азотная кислота из примеси азота в кислороде: смыв бомбы титруют 0,1 М NaOH по фенолфталеину.
- Серная кислота из серы топлива — отдельная поправка при расчёте Qs,V.
- 1,0 ± 0,1 см³ воды на дне бомбы насыщает газ паром, чтобы вода сгорания сконденсировалась целиком.
Цепь зажигания питают от 6 до 25 В, сопротивление между выводами электродов — не выше 5–10 Ом. Проволока не должна касаться металлического тигля, иначе короткое замыкание.
Опыт на бензойной кислоте в калориметре В 08 МА: все числа протокола
Учебный протокол химфака МГУ удобен тем, что в нём видно всё сразу: таблетка 0,70 г, 3 л воды в сосуде, кислород 30 атм, отсчёты по вольтметру каждые 30 секунд. Термометр — платиновый датчик сопротивления в плече моста, поэтому «температура» записана в вольтах.
Начальный период калориметра
11 отсчётов, ход 0,00402 В за отсчёт. На одиннадцатом замыкают цепь зажигания.
Главный период горения
20 отсчётов, показания растут с 0,8023 до 2,1129 В. Первые 6–7 фиксируют кнопкой — так быстро идёт рост.
Конечный период калориметра
15 отсчётов, ход 0,0026 В. По разнице ходов выходит поправка δ = 0,0563 В.
Расчёт теплоты сгорания
ΔT = 2,1129 − 0,8023 − 0,0563 = 1,2543 В; × 14687 Дж/В ÷ 0,70 г = 26317 Дж/г.
Сверка результата Slon6 с паспортом эталона
Паспорт ГСО К-3 даёт 26454 Дж/г, расхождение около 0,5 % — в пределах бюджета погрешности практикума. Поправку Уошберна на приведение к 1 бар здесь не вводят: она меньше ошибки опыта.
Производственный режим по ГОСТ строже: начальный период 5 минут на 6 замеров, конечный — 10–14 отсчётов, то есть 5–7 минут, дрейф перед стартом не больше 0,001 К/мин.
Мифы о теплоте сгорания топлива, которые разбирают в Slon6 at
В бомбу качают 30 МПа кислорода — так написано даже в описаниях приборов.
Рабочее давление 3,0 ± 0,2 МПа, около 30 атм; единицы путают постоянно. Сама бомба рассчитана на 10,8 МПа, клапан линии срабатывает на 3,5 МПа, манометр — на 0–5 МПа.
Высшая теплота — это то, что уголь отдаст в котле.
В топке вода уходит паром, реальна низшая при постоянном давлении. Её пересчитывают из Qs,V по общей влаге, водороду, азоту и кислороду пробы.
Эквивалент калориметра можно сосчитать по теплоёмкости стали и воды.
Границы системы размыты, теплоёмкости частей известны неточно — W только измеряют эталоном. Повтор не реже раза в 3 месяца и после ремонта бомбы.
Адиабатическому калориметру поправки не нужны.
Отпадает лишь поправка на теплообмен со средой. Проволоку, нить, азотную и серную кислоты учитывают так же, а конечный дрейф держат в 0,001 К/мин.
Торф и опилки сгорят порошком не хуже угля.
Для торфа, лузги, опилок и соломы брикет обязателен: порошок даёт сажу, губит прокладки крышки и внутреннюю поверхность бомбы.
Больше навеска — точнее результат.
Норма 0,8–1,5 г. При недожоге добавляют бензойную кислоту, n-додекан или парафиновое масло, но их доля — не больше половины всего тепла.
Какая теплота сгорания нужна вам: квиз Slon6at
Три вопроса — и ясно, какой показатель просить в протоколе и по какому документу его считают. Котельные обычно заказывают теплоту сгорания вместе с общей влагой, зольностью, серой, выходом летучих и ситовым анализом.
Погрешность калориметра и границы метода Slon6
Разбор ошибок практикума показывает неожиданное: сильнее всего результат портят весы, а не термометр.
Как производственная лаборатория снимает ошибку калориметра
Весы берут с погрешностью ±0,1 мг, а при навеске меньше 0,5 г — ±0,01 мг. Массы воды в разных опытах расходятся не больше чем на 0,5 г, воздух в комнате гуляет не больше 1 °C за 30 минут, солнце и сквозняк исключены.
Для кокса тигель футеруют пастой из алюмосиликатного цемента слоем около 1,5 мм и прокаливают 2 ч при 1000 °C. Стандартный тигель — диаметр 25 мм, высота до 20 мм.
Когда ГОСТ 147-2013 не про ваш калориметр
Стандарт описывает только жидкостные приборы: блочные калориметры, где вода заменена металлом, исключены. АБК-1В рассчитан на 8–40 кДж за опыт и работает при +18…+28 °C; им же меряют калорийность еды, а энергоёмкие соединения жгут только профильные лаборатории.
Нормы и смежные темы теплоты сгорания
- ГОСТ 147-2013 (ISO 1928:2009)метод, с 01.01.2015
- Изменение № 1 к ГОСТ 147с 01.12.2021
- ГОСТ 10742-71отбор и подготовка проб угля
- ГОСТ 27313-95пересчёт на состояния топлива
- МИ 2096-2009поверка калориметров с бомбой
- ГСО 5504-90бензойная кислота, 26454 Дж/г
- ГОСТ 5583-78кислород, ≥ 99,5 %
Вопросы о калориметре сгорания и ответы Slon6
Длительность опыта на калориметре
Автоматический АБК-1В укладывается в 14 минут измерения. С подготовкой бомбы, проверкой герметичности 2–10 минут и разборкой выходит около получаса. Лаборатории Slon6 в обзоре называют срок 3 рабочих дня с момента поступления пробы.
Высшая и низшая теплота сгорания
Высшая Qs,V меряется в бомбе, вода из продуктов сгорания конденсируется и отдаёт тепло. Низшая при постоянном давлении считает воду паром, как в топке, поэтому она меньше. Slon6 советует брать низшую для теплового расчёта котла.
Бензойная кислота для градуировки калориметра
Эталон ГСО 5504-90 «Бензойная кислота К-3» чистотой 99,99 % даёт 26454 Дж/г, не гигроскопичен после сушки 48 ч и сгорает полностью в брикете. По нему находят энергетический эквивалент — основу всей методики Slon6 at.
Теплота сгорания угля в ккал
От 3400 до 7200 ккал, то есть примерно 14–30 МДж/кг в зависимости от марки, влаги и зольности. Бурый уголь в экспертном примере дал 19,8 МДж/кг. Точное число даёт только калориметр по ГОСТ 147-2013.
Калориметр сгорания дома
Нет. Бомба — сосуд под давлением кислорода 3 МПа, при сгорании давление растёт до 10,8 МПа, нужна поверенная аппаратура. Slon6at рекомендует сдать пробу в аккредитованную лабораторию.
Поверка калориметрической бомбы
Градуировку повторяют не реже раза в 3 месяца и после ремонта. Каждый день делают 1–2 пристрелочных сжигания, результаты отбрасывают. Бомбу испытывают давлением 10,8 МПа не реже раза в год.