PL249774B1 - Kalorymetr - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest kalorymetr, który stanowi króciec zasilający wody obiegowej (1) połączony z wężownicą wody obiegowej (2), okalanej wokół korpusu kalorymetru (3) zakończonej króćcem powrotnym wody obiegowej (4), z zasilacza elektrycznego (6) odchodzi grzałka elektryczna (7) i aparat zapłonowy (5), tygiel (9) w dolnej części posiada króciec spustowy (8), rejestrator temperatury (10) łączy termometr spalin świeżych (11) i termometr spalin przechłodzonych (12), w dolnej części korpusu kalorymetru (3) znajdują się kanały napowietrzające (13), na króćcach: zasilającym (1) i powrotnym (4) zamontowane są termometr wody zasilającej (14) i termometr wody powrotnej (15).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kalorymetr, który dokonuje pomiaru ciepła spalania paliw w szczególności paliw ciekłych.

Pomiar ciepła spalania Q_s odbywa się poprzez pomiar przyrostu temperatury w obiegu wodnym kalorymetru oraz temperatury spalin w odniesieniu do jednostki spalonego całkowicie i zupełnie paliwa. Badania kolorymetrem oparte są o bilans energii, której strumień doprowadzony jednostkowo do układu grzewczego kalorymetru określany jest poprzez przyrost ciepłoty właściwej układu czynnika obiegowego kalorymetru.

Pomiar kaloryczności paliwa odbywa się na zasadzie bilansu energii doprowadzonej do obiegu termodynamicznego kalorymetru.

Ciepło spalania przy wykorzystaniu kalorymetru wylicza się z równania:

Q_s = —, ^xi m gdzie:

ΔΤ jest przyrostem temperatury czynnika termodynamicznego kalorymetru (np. wody), m jest masą spalonego całkowicie i zupełnie paliwa ciekłego.

W przypadku wykonania gotowego rozwiązania kalorymetru poddanego uprzednio badaniom i analizom, równanie na ciepło spalania przyjmuje postać uwzględniającą poprawki:

A T_fc-(ńT-T₀)-c m

gdzie:

Tk jest stałą kalorymetru,

To jest poprawką na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem, c jest poprawką na dodatkowe efekty cieplne.

W celu zwiększenia precyzji pomiaru wykonuje się bilans energii obiegu cieplnego kalorymetru:

Qs = m_w · c_p · ΔΤ, gdzie m_w jest strumieniem czynnika termodynamicznego przepływającego przez kalorymetr, c_p jest ciepłem właściwym czynnika termodynamicznego w danej temperaturze które stanowi element poprawki stałej kalorymetru Tk.

W stanie techniki z opisu wynalazku JPS5855742A znane jest rozwiązanie kalorymetru z wykorzystaniem środków do wykrywania promieniowania cieplnego, zbudowanego z elementów takich jak miernik prądu cieplnego i czujnik temperatury współpracujący z przepływomierzem oraz czujnik wilgotności współpracujący z przepływomierzem. Naczynie kalorymetru do przechowywania ciała przeznaczonego do kontroli, znajduje się w środowisku o określonej temperaturze i środkach do wykrywania promieniowania cieplnego służące do wykrywania wartości ciepła promieniowania wypromieniowanego w naczyniu ze wspomnianego ciała, a następnie trasa systemu zasilania powietrzem do sukcesywnego dostarczania powietrza do zbiornika, a ponadto wyposażona jest w układ spalinowy do sukcesywnego odprowadzania powietrza ze zbiornika na zewnątrz. Ponadto układ wyposażony jest w przepływomierz wykrywający ilość dostarczanego powietrza do naczynia, pierwszy czujnik temperatury, pierwszy czujnik wilgotności wykrywający temperaturę i wilgotność dostarczanego powietrza, a także drugi czujnik temperatury i drugi czujnik wilgotności wykrywające temperaturę i wilgotność gazów odlotowych.

W stanie techniki z opisu wynalazku WO2017084189A1 znany jest system kalorymetru z mikrowirującą bombą, składający się z korpusu bomby i komory próżniowej, jednostki pomiaru i kontroli temperatury korpusu bomby, jednostki stałej temperatury komory próżniowej, jednostki próżniowej i jednostki obrotowej. Wspomniany system kalorymetryczny jest nowatorskim kalorymetrem z bombą tlenową, przełamującym ideę projektową polegającą na zmniejszeniu wycieku ciepła tradycyjnego kalorymetru z bombą, redefiniującym system testowania bomby tlenowej i środowisko oraz dążącym do uzyskania warunków do zrównoważenia małej ilości próbki i dokładnego pomiaru danych termodynamicznych. Jeśli chodzi o system kalorymetryczny, ilość próbki wynosi 10-30 mg, dokładność pomiaru 0,6-1,2%, a precyzja 0,09%. System kalorymetryczny nadaje się do pomiaru związków zawierających pierwiastki C, H, O, N, S i Cl, będąc szeroko przystosowanym do badania materiałów zawierających wysoką energię.

W stanie techniki z opisu wynalazku GB 1103361A znany jest kalorymetr mierzący wartość opałową gazu palnego podawanego rurą do palnika i jest mierzona poprzez automatyczne sterowanie przepływem w punkcie za pomocą zaworu w celu utrzymania stałej różnicy temperatur między termoparami które mierzą odpowiednio temperatury produktów spalania i dopływu powietrza, przy czym moc cieplna doprowadzana do palnika jest w ten sposób utrzymywana na stałym poziomie oraz przez pomiar zmian natężenia przepływu gazu za pomocą przepływomierza, który jest odwrotnie proporcjonalny do wartości opałowej gazu. Większą dokładność pomiaru uzyskuje się kontrolując dopływ powietrza do palnika za pomocą układu, który pozwala na zmiany bezwzględnej temperatury i ciśnienia.

W stanie techniki z opisu wynalazku US2006251145A1 znane jest zautomatyzowane urządzenie do określania wartości opałowej substancji palnych wykorzystujące zintegrowany, izotermiczny zbiornik wody w celu zmniejszenia złożoności urządzenia i ułatwia automatyzacji kalorymetru, zapewniając dogodne źródło wody izotermicznej. Ruchoma przegroda służy do rekonfiguracji izotermicznego zbiornika wody w celu zapewnienia wyrównania temperatury przed analizą próbki lub określenia stałej objętości wody podczas analizy, w której można rejestrować bardzo precyzyjne pomiary temperatury. Urządzenie zawiera mechanizmy do sterowania ruchomym rozdzielaczem, pojemnikiem do spalania zawierającym próbkę oraz ładowaniem, czyszczeniem i rozładowywaniem naczynia do spalania. Eliminuje to kluczowe etapy analizy, które wcześniej wymagały ręcznej interwencji operatora.

Opis wynalazku CN109765266A ujawnia urządzenie pomiarowe do pomiaru wartości kalorycznej paliwa ciekłego składające się z wężownicy wody obiegowej z króćcami na wejściu i wyjściu, gdzie zamontowane są termometry wody zasilającej i powrotnej, z jednostki spalania paliwa (odpowiednik „tygla”) z umieszczonym nad nią końcem kanału natleniającego (odpowiednik kanałów napowietrzających). Urządzenie według CN109765266A pozwala przeprowadzić badanie kaloryczności ciekłego paliwa w jednostce spalania przy użyciu palnika metanolowego. Rozwiązanie według wynalazku odmiennie natomiast proponuje wykorzystanie podgrzewanego elektrycznie tygla z aparatem zapłonowym, który powoduje odparowanie paliwa ciekłego i spalanie go nad tyglem przy jednoczesnym doprowadzeniu niezbędnej ilości powietrza do spalania stechiometrycznego przez kanały napowietrzające, którego proces zapłonu realizowany jest przez aparat zapłonowy.

Podobne różnice charakteryzują inne znane w stanie techniki rozwiązania np. CN208902640 U oraz CN204832082 U, przedstawiające urządzenia z komorami gromadzącymi produkty spalania badanego paliwa, okalane wężownicą wody obiegowej do odbierania ciepła spalin, wyposażone w środki do pomiaru temperatury wody.

Celem wynalazku jest umożliwienie bezpośredniego zbadania kalorycznoś ci paliw ciekłych w szerokim zakresie ich ciepła spalania. Kalorymetr pozwala określić ciepło spalania paliwa ciekłego z dużą dokładnością poprzez bilans energii wprowadzonej i uzyskanej z kalorymetru. Poprzez odpowiednie równania kalkulacyjne pozwala wyliczyć wartość opałową paliwa dla danego stanu na podstawie otrzymanej kaloryczności. Dotychczas znane rozwiązania techniczne do badania kaloryczności paliw ciekłych w głównej mierze dedykowane były do badania kaloryczności paliw stałych bądź gazowych z dołożoną opcją zbadania kaloryczności paliw ciekłych, niemniej precyzja i jakość wykonania badania jednak jest niewielka ze względu na niepewne spalenie paliwa ciekłego w sposób całkowity i zupełny.

Konstrukcja kalorymetru opiera się na: korpusie kalorymetru wewnątrz którego znajduje się wężownica wypełniona czynnikiem termodynamicznym z której wychodzą króćce zasilający i powrotny z zamieszczonymi czujnikami temperatur. W korpusie znajdują się otwory napowietrzające przestrzeń spalania. Pod korpusem kalorymetru znajduje się tygiel na paliwo ciekłe z umieszczoną na dole grzałką elektryczną oraz układem zapłonowym ponad tyglem. Poniżej tygla umieszczony jest zawór spustowy paliwa. Nad tyglem i korpusem kalorymetru zamontowane są czujniki temperatur mierzące spadek temperatury spalin.

Zastosowane w przedstawionym rozwiązaniu według wynalazku kanały napowietrzające o znaczącym przekroju pozwalają doprowadzić do procesu spalania znanej objętości paliwa ciekłego wystarczającą ilość utleniacza z otoczenia, pozwalając na spalenie całkowite i zupełne badanej próbki paliwa. Poprzez spalanie z udziałem powietrza otaczającego kalorymetr z założeniem niezmienności jego entalpii właściwej przez cały okres badania, oraz ochłodzeniu spalin do temperatury otoczenia można pominąć poprawkę na ilość ciepła doprowadzoną do procesu spalania paliwa ciekłego z powietrza wykorzystywanego do spalania, co upraszcza bilans energii i egzergii kalorymetru i pozwala w sposób łatwy wyznaczyć kaloryczność paliwa przy założeniu dużej precyzji pomiaru.

Istotą wynalazku jest kalorymetr w szczególności do badania paliw ciekłych. Stanowi go króciec zasilający wody obiegowej połączony z wężownicą wody obiegowej, okalanej wokół korpusu kalorymetru zakończonej króćcem powrotnym wody obiegowej. Z zasilacza elektrycznego odchodzi grzałka elektryczna i aparat zapłonowy. Tygiel w dolnej części posiada króciec spustowy. Rejestrator temperatury łączy termometr spalin świeżych i termometr spalin przechłodzonych. W dolnej części korpusu kalorymetru znajdują się kanały napowietrzające. Na króćcach: zasilającym i powrotnym zamontowane są termometr wody zasilającej i termometr wody powrotnej. Cechą istotną jest to, że w dolnej części korpusu kalorymetru znajduje się tygiel, wewnątrz którego umieszczona jest grzałka elektryczna powodująca odparowanie paliwa ciekłego i spalania go nad tyglem przy jednoczesnym doprowadzeniu niezbędnej ilości powietrza do spalania stechiometrycznego przez kanały napowietrzające, którego proces zapłonu realizowany jest przez aparat zapłonowy.

Optymalnie korpus kalorymetru ma kształt cylindryczny, zwężający się w kierunku wypływu spalin.

Korzystnym jest kiedy wokół korpusu kalorymetru nawinięta jest wężownicą wody obiegowej.

Określenie kaloryczności paliwa ciekłego realizowane jest przez bilans energii układu kalorymetru poprzez pomiar strumienia masy wody przepływającej przez wężownicę obiegową, która łączy trwale króciec zasilający z króćcem powrotnym oraz pomiar temperatur spalin termometrem spalin świeżych i termometrem spalin przechłodzonych. Temperatura wody obiegowej mierzona jest na wejściu do kalorymetru w króćcu powrotnym oraz a wody podgrzanej opuszczając kalorymetr przez króciec zasilający.

Zaletą rozwiązania jest możliwość pomiaru ciepła spalania paliw ciekłych w szerokim zakresie kaloryczności. Zakres pomiarowy regulowany jest poprzez wielkość kalorymetru oraz ilość paliwa ciekłego w nim spalanego. Poprzez zastosowanie tygla o znanej objętości w sposób dokładny wiadomo jaka objętość lub masa paliwa ciekłego zostaje spalona co podnosi precyzję wyliczenia kaloryczności badanego paliwa. Zaletą rozwiązania jest jednolita konstrukcja posadowiona na stabilnych nogach pozwalająca na pomiar kaloryczności paliwa ciekłego w dowolnym miejscu. Zaletą rozwiązania jest możliwość budowania kalorymetru w bardzo szerokim lub wąskim zakresie pomiarowym w zależności od przewidywanej kaloryczności paliwa ciekłego z jakiego ciepło właściwe ma zostać odebrane w kalorymetrze, bazując na informacjach o składzie chemicznym paliwa.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest pokazany na jednym rysunku, na którym fig. 1 pokazuje schemat kalorymetru do badania paliw ciekłych.

Kalorymetr do badania paliw ciekłych według przykładu składa się z: króćca zasilającego wody obiegowej 1 o średnicy przyłącza minimum 1/2”, wężownicy wody obiegowej 2 wykonanej z cienk ościennej giętej rurki miedzianej o średnicy zewnętrznej minimum 6 mm, korpusu kalorymetru 3 o wysokości minimum 450 mm średnicy u dołu minimum 280 mm, a średnicy u góry minimum 210 mm, króćca powrotnego wody obiegowej 4 o średnicy przyłącza minimum 1/2”, aparatu zapłonowego 5 dwuelektrodowego, zasilacza elektrycznego 6, grzałki elektrycznej 7 o minimalnej mocy grzewczej równej 800 W, króćca spustowego 8 o średnicy przyłącza minimum 1/8”, tygla 9 wykonanego z miedzi i posiadającego minimalną objętość 250 ml, rejestratora temperatur 10, termometru spalin świeżych 11 wykonanego z termoelementu o błędzie pomiaru minimum 0,01°C, termometru spalin przechłodzonych 12 wykonanego z termoelementu o błędzie pomiaru minimum 0,01°C, dwunastu kanałów napowietrzających 13 o średnicy wewnętrznej minimum 35 mm, termometru wody zasilającej 14 wykonanego z termoelementu o błędzie pomiaru minimum 0,01°C i termometru wody powrotnej 15 wykonanego z termoelementu o błędzie pomiaru minimum 0,01°C. Wskazany według przykładu kalorymetr pozwala badać ciepło spalania i wartość opałową paliw ciekłych w zakresie od 8 do 34 MJ/kg spalonego paliwa ciekłego z wykorzystaniem pomocniczego wymiennika ciepła o mocy nie mniejszej niż 15 kW.

W dolnej części korpusu kalorymetru 3 znajduje się tygiel 9, wewnątrz którego umieszczona jest grzałka elektryczna 7 powodująca odparowanie paliwa ciekłego i spalania go nad tyglem 9 przy jednoczesnym doprowadzeniu niezbędnej ilości powietrza do spalania stechiometrycznego przez kanały napowietrzające 13, którego proces zapłonu realizowany jest przez aparat zapłonowy 5.

Optymalnie korpus kalorymetru 3 ma kształt cylindryczny, zwężający się w kierunku wypływu spalin. Wokół korpusu kalorymetru 3 nawinięta jest wężownica wody obiegowej 2.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kalorymetr posiadający króciec zasilający wody obiegowej (1) połączony z wężownicą wody obiegowej (2), okalanej wokół korpusu kalorymetru (3) zakończonej króćcem powrotnym wody obiegowej (4), tygiel (9) w dolnej części posiada króciec spustowy (8), rejestrator temperatury (10) łączy termometr spalin świeżych (11) i termometr spalin przechłodzonych (12), w dolnej części korpusu kalorymetru (3) znajdują się kanały napowietrzające (13), na króćcach: zasilającym (1) i powrotnym (4) zamontowane są termometr wody zasilającej (14) i termometr wody powrotnej (15), znamienny tym, że umieszczony w dolnej części korpusu kalorymetru (3) tygiel (9), posiada umieszczoną wewnątrz grzałkę elektryczną (7), odchodząca od zasilacza elektrycznego (6), powodująca odparowanie paliwa ciekłego i spalania go nad tyglem (9) przy jednoczesnym doprowadzeniu niezbędnej ilości powietrza do spalania stechiometrycznego przez kanały napowietrzające (13), którego proces zapłonu realizowany jest przez aparat zapłonowy (5).
2. 2. Kalorymetr według zastrz. 1 znamienny tym, że korpus kalorymetru (3) ma kształt cylindryczny, zwężający się w kierunku wypływu spalin.
3. 3. Kalorymetr według zastrz. 1 znamienny tym, że wokół korpusu kalorymetru (3) nawinięta jest wężownicą wody obiegowej (2).