2103-390 MECHANICAL ENGINEERING EXPERIMENTAL AND LABOLATORY I Heating Value 2103-390 MECHANICAL ENGINEERING EXPERIMENTAL AND LABOLATORY I 5030110721 โชครัตน์ สิริศศิธร 5030184121 ทรงพล ทรงวศิน 5030241221 ธิดา ฉานแสงทอง 5030390021 พุทธิพงศ์ คงรอด 5030397521 ไพโรจน์ เพียรกิจรุ่งเรือง

Abstract การทดลองนี้ เป็นการทดลองเพื่อหาค่าความร้อนจากเชื้อเพลิง เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ และตัดสินใจเลือกใช้เชื้อเพลิงแต่ละชนิด โดยเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างสมบูรณ์ในระบบปิดที่ปริมาตรคงที่ และศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับเวลา ซึ่งค่าความร้อนแบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ Higher Heating Value (HHV) และ Lower Heating Value (LHV) ซึ่งจากการทดลองจะสามารถบอกได้ว่า ค่าความร้อนในกรณีที่ศึกษาเป็นค่าความร้อนชนิดใด

Objective 1. เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและเวลาของบอมบ์แคลอริมิเตอร์ 2. เพื่อหาค่าความร้อนของเชื้อเพลิง

Theorem Energy balance Ein – Eout + Eg = Est ไม่มี Ein Eout = Eloss ปรับอุณหภูมิของระบบก่อนการจุดระเบิดให้ต่ำกว่าสิ่งแวดล้อมประมาณ 3 ํF เพื่อให้มีความร้อนถ่ายเทเข้าระบบมาหักล้างกับ Eloss System : Bomb Calorimeter

Theorem Ein – Eout + Eg = Est Est = (Mc + Cb)∆T ของน้ำ Cb = ความจุความร้อนเทียบเท่า ของบอมบ์ และถังน้ำ ∆T = อุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ให้ W = Mc + Cb ดังนั้น Est = W∆T System : Bomb Calorimeter

Theorem Ein – Eout + Eg = W∆T Eg = Ecombustion - C1 - C2 - C3 + C4 เชื้อเพลิง C1 = ความร้อนที่ได้จาก fuse wire C2 = ความร้อนที่เกิดจากการเกิด กรดไนตริก C3 = ความร้อนที่เกิดจากการเกิด กรดซัลฟิวริก C4 = ความร้อนที่ถูกดูดจาก ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น ในการทดลองนี้จะไม่คิด C2, C3, C4 System : Bomb Calorimeter

Theorem Ein – Eout + Eg = W∆T HV = (W∆T - C1)/g ดังนั้น Eg = Ecombustion - C1 Ecombustion - C1 = W∆T ค่าความร้อน = ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ ต่อมวลของเชื้อเพลิงที่ใช้ไป HV = Ecombustion/g HV = (W∆T - C1)/g โดยที g = มวลของเชื้อเพลิงที่ใช้ไป System : Bomb Calorimeter

△T = Tc – Ta – r1(b-a) – r2 (c-b) Tb(Ta, Tc)=Ta+0.6(Tc-Ta) Tb(Ta, Tc)=Ta+0.6(Tc-Ta) Theorem Tb = Ta+0.6(Tc-Ta) △T = Tc – Ta – r1(b-a) – r2 (c-b) a = time of ignition, seconds. b = time when the temperature rise reaches 60% of total, seconds. c = time when the temperature is maximum, seconds. Ta = temperature at time of ignition, °C. Tc = temperature at time c, °C. r1 = rate of temperature change before ignition. r2 = rate of temperature change after ignition

Theorem ในเชื้อเพลิงมี Hydrogen เป็นส่วนประกอบอยู่มาก เมื่อเกิดการเผาไหม้ H จะทำปฏิกิริยากับ O2 ในบอมบ์ เกิด H2O ในสถานะไอขึ้น ถ้าน้ำนี้กลั่นตัวทั้งหมดจะให้ความร้อนออกมา ทำให้ได้ค่าความร้อนมากขึ้น ทำให้ค่าความร้อนที่ได้ เป็นค่าความร้อนขั้นสูง (HHV) แต่ถ้าไอน้ำนี้ไม่กลั่นตัว จะไม่มีความร้อนเพิ่ม ทำให้ได้ค่าความร้อนขั้นต่ำ (LHV)

DRD W(M, Cb , c) = Mcw+Cb g {Balance : Griffin&George Ltd. London} c {reference : 2103-390 Mechanical Engineering Experimentation and Laboratory I Laboratory Instructions 2008} C1(Li,Lf, Cfuse) = (Li – Lf)Cfuse Cfuse {reference : 2103-390 Mechanical Engineering Experimentation and Laboratory I Laboratory Instructions 2008} Cb {reference : 2103-390 Mechanical Engineering Experimentation and Laboratory I Laboratory Instructions 2008} Lf { Ruler} M {Balance : Cenco Instrument Catalog No. 3562} Li { Ruler} ΔT(a, b, c, Ta, Tc, r1, r2)= Tc - Ta – r1(b – a) – r2(c – b) r2{graph result} r1{graph result} b(Tb) {graph result} Tc {Thermometer : ASTM 56F PARR INSTRUMENT.CO USA 60856 5} Tb(Ta, Tc)=Ta+0.6(Tc-Ta) Ta {Thermometer : ASTM 56F PARR INSTRUMENT.CO USA 60856 5} Tc {Thermometer : ASTM 56F PARR INSTRUMENT.CO USA 60856 5} c {watch} Ta {Thermometer : ASTM 56F PARR INSTRUMENT.CO USA 60856 5} a {watch}

Equipment Bomb

ไม้บรรทัด กระบอกตวง แว่นขยาย Fuse wire

Watch น้ำมันเตา ชนิด C Thermometer (°F)

Ignition Button Stirrer ถังออกซิเจน

อุปกรณ์สำหรับชั่งน้ำหนักของน้ำมันเตา

Jacket Bomb Bucket Water

Equipment ข้อมูลของเครื่องมือที่ใช้ในการวัด เครื่องมือวัด Range Resolution Bias Uncertainty 1. ตราชั่งน้ำกับ bucket (grams) 0-3000 g 0.1 g 0.05 g 2. ตราชั่งน้ำมันเตา (grams) 0-500 g 0.01 g 0.005 g 3. ไม้บรรทัด (mm) 0-300 mm 1 mm 0.5 mm 4. เทอร์โมมิเตอร์ (°F) 66-99 °F 0.05 °F 0.025 °F 5. นาฬิกา (sec) 0-356400 sec 0.01 sec

ประกอบ บอมบ์ และ บอมบ์แคลอริมิเตอร์ Procedure ประกอบ บอมบ์ และ บอมบ์แคลอริมิเตอร์ *ใส่น้ำ 1 cc ลงในบอมบ์ เพื่อทดลองว่าค่าความร้อนเป็นแบบขั้นสูงหรือขั้นต่ำ

Procedure

Tb = 89.41 ˚F (red line) b = 413.56 sec (green line) Result Tc Tb Ta r1 a b c r2 Tb = 89.41 ˚F (red line) b = 413.56 sec (green line)

Result = Tc - Ta – r1(b – a) – r2(c – b) ∆T In Fahrenheit degree = 92.45 – 84.85 – 3.75*10-4*(413.56 – 300) – (-6.16*10-5)*(624 – 413.56) = 7.57 ˚F In Celsius degree = 33.58 – 29.36 – 2.07*10-4*(413.56 – 300) – (-4.74*10-5)*(624 – 413.56) = 4.22 ˚C ∆T

Result = [ W∆T – C1 ] / g HV = [ ( Mcw + Cb ) * ∆T - LCw ] / g = [ ( 2000*1 + 429 ) * 4.22 – 8.6*2.3 ] / 1 = [ 2429 * 4.22 – 19.78 ] / 1 = 10230.6 cal/g = 10.231 kcal/g HV Volume of water fill in bomb before test = 1.0 cc. Volume of water remain in bomb after test = 1.3 cc.

Result - Uncertainty การทดลองนี้ เป็นแบบ ‘single test single sample’ ดังนั้น uncertainty จึงมีแค่ Bias Uncertainty เนื่องจาก r1 และ r2 ถูกคำนวณโดย Microsoft Excel เราจะให้ว่า B△T = 0.0354

Result - Uncertainty BC1 = 0.163 cal Bw = 0.05 cal/ ˚C

Result - Uncertainty BHV = 69.99 cal/ g HV = 10.23+/- 0.07 kcal/ g

Discussion 1. จากการทดลองได้ค่าความร้อนของน้ำมันเตาชนิด C คือ 102.306 kcal/g เมื่อเปรียบเทียบกับค่าความร้อนที่อ้างอิงจากข้อมูลของบริษัท ปตท. จำกัด (มหาชน) [http://www.pttplc.com/Files/Document/Pdf/energy/nc_en_ee-01_01.pdf] คือ 105.05 kcal/g จะพบว่า มีความคลาดเคลื่อน -2.612% 2. ความคลาดเคลื่อนในการทดลอง อาจเกิดได้จากสาเหตุดังนี้ - แคลอริมิเตอร์มีการสูญเสียความร้อน แม้จะมีการปรับอุณหภูมิก่อนการจุดระเบิดให้ต่ำกว่าสิ่งแวดล้อมเพื่อให้มีการถ่ายเทความร้อนมาหักล้างแล้ว แต่การปรับอุณภูมิให้ต่ำกว่าสิ่งแวดล้อม 3 ํF นี้ก็เป็นเพียงการประมาณจากประสบการณ์ ไม่ได้เป็นค่าแม่นยำ อีกทั้งตัวผู้ทดลองเอง ก็ไม่สามารถทำให้อุณภูมิลดลงได้ตามที่ต้องการได้ 100% เมื่อมีความร้อนสูญเสียแก่สิ่งแวดล้อม ความร้อนสะสมในระบบจะลดลง ∆T ลดลง ทำให้ค่า HV ต่ำกว่าความเป็นจริง

Discussion - เมื่อพิจารณากราฟผลการทดลอง ที่ t = 0 s อุณหภูมิที่อ่านได้ต่ำกว่าแนวโน้มของกราฟในช่วงแรก ซึ่งเกิดจากผู้ทดลองไมได้ทิ้งระบบให้เข้าสู่สมดุลก่อนเริ่มจับเวลา ดังน้น ผู้ทดลองจึงไม่ได้นำค่านี้มาคิดแนวโน้มของกราฟในช่วงแรก ซึ่งอาจทำให้ความชันของกราฟคลาดเคลื่อนได้ 3. หลังการทดลอง จะพบว่าน้ำในบอมบ์มีปริมาตรเพิ่มขึ้น แสดงว่าเกิดการควบแน่นของไอน้ำที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้สมบูรณ์ เกิดความร้อนเพิ่ม ดังนั้น ค่าความร้อนที่ได้จากการทดลองนี้ จึงเป็นค่าความร้อนขั้นสูง (HHV) 4. ในการทดลอง ผู้ทดลองได้ใช้น้ำมันเตา ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงแบบระเหยยาก เพราะหากใช้เชื้อเพลิงแบบระเหยง่ายแล้ว จะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของมวลเชื้อเพลิง ซึ่งอาจระเหยไประหว่างเตรียมการทดลอง

Conclusion ค่าความร้อนของน้ำมันเตาชนิด C คือ 10.23 + 0.07 kcal/g ค่าความร้อนนี้เป็นค่าความร้อนขั้นสูง เนื่องจากเกิดการควบแน่นของไอน้ำจากการเผาไหม้สมบูรณ์