В настоящее время в России действует межгосударственный стандарт ГОСТ 147–2013 (ISO 1928:2009) «Топливо твердое минеральное.
Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания», гармонизированный с ISO 1928:2009 с модифицированной степенью соответствия.
При гармонизации в ГОСТ 147–2013 внесены изменения, отражающие потребности экономики и особенности межгосударственной стандартизации, а именно:
• ГОСТ 147 распространяется на жидкостные (водные) калориметры, поэтому из текста международного стандарта исключено описание анероидных калориметров, в которых калориметрический сосуд и вода заменены металлическим блоком; • исключены приложения к ISO 1928, в которых приведены рекомендации, необходимые для проектировщиков, изготовителей и поверителей калориметров. В основной текст ГОСТ 147 перенесены рекомендации по технике безопасной работы операторов; • в новом приложении А изложены методики определения энергетических эквивалентов изопериболического и адиабатического калориметров; • добавлено приложение Б, в котором приведены формулы для расчета высшей теплоты сгорания при постоянном давлении и низшей теплоты сгорания при постоянном объеме и постоянном давлении; • добавлено приложение В, в котором собраны информационно-справочные материалы, необходимые для пользования стандартом.Модифицированный ГОСТ 147 не имеет технических отклонений, но текст ISO 1928:2009 отредактирован, сокращен и изложен в соответствии с требованиями ГОСТ 1.5 и ГОСТ 1.3.
В ГОСТ 147–2013 применены термины по ГОСТ 17070–2014. В разделе 3 ГОСТ 147 дополнительно приведены следующие термины с определениями: высшая теплота сгорания при постоянном объеме (3.1); высшая теплота сгорания при постоянном давлении (3.2); низшая теплота сгорания при постоянном объеме (3.3); низшая теплота сгорания при постоянном давлении (3.4); адиабатический калориметр (3.5); изопериболический калориметр (3.6); стандартная температура (3.7); энергетический эквивалент калориметра (3.8); исправленный подъем температуры (3.9).
Разъяснения этих терминов будут приведены по мере использования их в настоящей главе.
ГОСТ 147–2013 распространяется на все виды твердых топлив* – от торфа до антрацита, а также на продукты переработки, обогащения и термической обработки, включая брикеты и кокс, и устанавливает метод определения высшей теплоты сгорания при постоянном объеме и стандартной температуре** в калориметрической установке с использованием калориметрической бомбы и способ расчета низшей теплоты сгорания при постоянном давлении.
* Кроме биотоплива, так как вступил в действие ГОСТ 33106–2014 (EN 14918:2009) «Биотопливо твердое. Определение теплоты сгорания» (MOD). ** Стандартной температурой в калориметрии называют Международную стандартную термохимическую температуру, равную 25 °C.Для определения теплоты сгорания углей во всем мире применяют единый стандартный метод – метод сожжения навески топлива в калориметрической бомбе. Именно этот метод регламентирован в ГОСТ 147– 2013, ISO 1928:2009, а также в стандартах ASTM D5865–04 (США), BS 1016, часть 5 (Великобритания), JIS M 8814 (Япония).
Сущность метода определения высшей теплоты сгорания при постоянном объеме заключается в полном сожжении навески топлива в атмосфере сжатого кислорода в герметически закрытом металлическом контейнере – калориметрической бомбе, которую помещают в калориметрический сосуд, содержащий определенный объем (или массу) воды. Количество теплоты, выделившейся при сгорании навески топлива, устанавливают по повышению температуры воды в калориметрическом сосуде. Прибор для определения теплоты сгорания называют калориметрической установкой, или калориметром.
Высшую теплоту сгорания при постоянном давлении, низшую теплоту сгорания при постоянном объеме и при постоянном давлении определяют расчетным путем, исходя из полученного экспериментальным путем значения высшей теплоты сгорания при постоянном объеме.
Высшая теплота сгорания при постоянном давлении и низшая теплота сгорания при постоянном объеме являются величинами гипотетическими, условными, так как подразумевают такое сочетание продуктов сгорания, которого в действительности не может быть, и поэтому эти величины нельзя определить экспериментально.
Низшая теплота сгорания при постоянном давлении характеризует реальную энергетическую ценность топлива. Эта величина является расчетной, но не условной, так как имеет физический смысл. Конечными продуктами горения топлива в топке являются водяной пар при давлении 0,1 МПа, а также газообразный диоксид углерода, азот и диоксид серы.
Расчеты высшей и низшей теплоты сгорания приведены в Приложении Б к ГОСТ 147–2013 и в § 12.11 настоящей главы.
ГОСТ 147–2013 допускает использование жидкостных калориметров различного типа, удовлетворяющих функциональным требованиям, а также требованиям к прецизионности результатов определения теплоты сгорания.
В стандарте не приведены рекомендуемые марки калориметров, но описаны принципиальная схема и общие требования к отдельным частям калориметрической установки и к условиям проведения эксперимента (§ 12.3).
Требованиям ГОСТ 147–2013 удовлетворяют классические жидкостные калориметры изотермического (изопериболические) и адиабатического типов, а также современные автоматические жидкостные калориметры с соответствующим программным обеспечением.
Изопериболический калориметр – это калориметр изотермического типа, в котором термостат обеспечивает однородную и постоянную температуру в течение всего испытания, ра вную температуре окружающей среды. В современных изопериболических калориметрах температура воды в термостате поддерживается с точностью ±0,1 К. В термостат помещают калориметрический сосуд, температура воды в котором изменяется при проведении испытания, вследствие чего между калориметрическим сосудом и термостатом происходит теплообмен. Для минимизации неучтенных потерь тепла промежуток между сосудом и термостатом должен быть минимальным. При расчете подъема температуры в калориметрическом сосуде изопериболического калориметра вводят поправку на теплообмен с окружающей средой.
Адиабатический калориметр – калориметр, в котором температура воды в термостате во время испытания быстро изменяется и поддерживается равной температуре воды в калориметрическом сосуде. Допускается отставание температуры воды в термостате от температуры воды в калориметрическом сосуде после поджигания навески топлива в бомбе не более чем на 0,1 К. В адиабатическом калориметре теплообмен между калориметрическим сосудом и окружающей средой практически отсутствует. При расчете подъема температуры в калориметрическом сосуде адиабатического калориметра поправку на теплообмен с окружающей средой не вводят.
Определение теплоты сгорания в калориметрах разного типа проводят в соответствии с инструкцией по эксплуатации, прилагаемой производителем прибора. Составить единую инструкцию для работы с любым калориметром невозможно, поэтому в ГОСТ 147 приведены общие принципы метода определения теплоты сгорания, процедуры проведения градуировки калориметров, особенности испытания разных видов твердого топлива и общие представления об особенностях отдельных типов калориметров.
Тип калориметра, как средства измерения, сертифицируют и регистрируют в Реестре средств измерений Росстандарта, после чего калориметр считается допущенным к применению в стране.
