Ćwiczenie nr 3 Bilans cieplny urządzenia energetycznego

Termodynamika – ćwiczenia laboratoryjne
Ćwiczenie nr 3
Temat:
Bilans cieplny urządzenia energetycznego.
Wyznaczenie sprawności cieplnej urządzenia
kotłowego zasilanego gazem ziemnym
Miejsce ćwiczeń:
Laboratorium Technologii Gazowych
Politechniki Poznańskiej, Hala 19/17
CEL ĆWICZENIA:
Zapoznanie się z metodami wyznaczania sprawności cieplnej urządzeń energetycznych
na podstawie urządzenia kotłowego zasilanego paliwem gazowym lub olejowym.
ZADANIA DO WYKONANIA:
1) Wyznaczyć sprawność cieplną kotła niskotemperaturowego zasilanego paliwem
gazowym metodą bezpośrednią i pośrednią.
2) Na podstawie wykonanego ćwiczenia przedstawić wnioski i spostrzeżenia dotyczące
metod wyznaczania sprawności cieplnej urządzeń energetycznych.
WPROWADZENIE
Kotły są urządzeniami energetycznymi w których realizowana jest wymiana ciepła
pomiędzy spalinami powstającymi ze spalania paliw w paleniskach stanowiących ich
istotną część, a wodą wypełniającą kocioł. Źródłem ciepła jest energia chemiczna paliwa,
która wywiązuje się w procesie ich utleniania pod wpływem tlenu dostarczonego
z powietrzem atmosferycznym. Spaliny przepływające wzdłuż powierzchni ogrzewalnej
kotła oddają jej ciepło obniżając przy tym swoją temperaturę, natomiast woda przejmuje
ciepło od spalin i podgrzewa się do temperatury końcowej zadanej przez użytkownika.
Proces ten jest jednak obciążony stratami różnego pochodzenia, których rodzaj zależy
od zastosowanego paliwa oraz prawidłowego procesu spalania, a także od konstrukcji
urządzenia. W kotłach gazowych i olejowych stratami tymi są:
- strata wylotowa – wyrażająca ilość ciepła unoszonego przez strumień spalin
o temperaturze wyższej o temperatury otoczenia,
- strata niezupełnego spalania – związana z występowaniem w spalinach pewnych ilości
produktów niezupełnego utleniania, głownie tlenku węgla oraz niedopalonych
węglowodorów,
- strata związana z oddawaniem do otoczenia pewnych ilości ciepła np. przez
niedoskonale zaizolowaną obudowę zewnętrzną kotła, lub przez promieniowanie płyty
palnikowej w kierunku podłogi.
Strata wylotowa wyraźnie ma wśród wszystkich występujących strat udział
dominujący i jest wprost proporcjonalna do temperatury oraz ilości spalin wylotowych.
Straty ciepła występujące podczas eksploatacji kotła muszą być pokrywane spalaniem
dodatkowych ilości paliwa, co w oczywisty sposób podwyższa koszty ruchowe i ogólne
koszty eksploatacji obiektu.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
Przed przystąpieniem do wykonania badania kotła należy zapoznać się z budową
stoiska pomiarowego oraz zlokalizować wszystkie punkty pomiarowe. Wyznaczenie
sprawności może dobywać się tylko w stanie ustalonym pracy kotła.
W pierwszej kolejności należy zapisać wartości parametrów początkowych,
wytarować wagę, skalibrować zestaw analizatorów gazu. W momencie rozpoczęcie
pomiaru należy skierować strumień wody opuszczający zewnętrzny wymiennik ciepła (3)
do naczynia pomiarowego (zawór 4) i w tej samej chwili zanotować stan początkowy
licznika gazu oraz rozpocząć pomiar czasu trwania badania. Czas badania powinien
wynosić więcej niż 600 sekund. W czasie testu należy dokonać odczytu temperatur wody
w obiegu wewnętrznym oraz zewnętrznym stoiska pomiarowego (5 pomiarów), a także
odczytać temperaturę spalin opuszczających badany kocioł (5 odczytów). Dodatkowo
należy dokonać pomiaru pozostałych parametrów wpływających na pracę kotła, a więc:
ciśnienie paliwa gazowego, temperaturę otoczenia oraz ciśnienie otoczenia. W celu
wyznaczenia straty niezupełnego spalania w czasie testu należy zmierzyć skład spalin
(3pomiary). W momencie komendy „stop pomiar” należy jednocześnie zatrzymać pomiar
czasu, spisać stan końcowy licznika gazu oraz skierować strumień wody opuszczającej
wymiennik zewnętrzny do odpływu kanalizacji.
Otrzymane wyniki pomiarów posłużą do wyznaczenia sprawności cieplnej kotła
gazowego metodą bezpośrednią (pomiar ciepła przekazanego do wody chłodzącej) oraz
metodą pośrednią (wyznaczenia strat kotła).
Uwaga: Stratę układu pomiarowego na rzecz otoczenia należy przyjąć na poziomie
Dp= 1,5 kW. Strata ta została wyznaczona za pomocą nagrzewnicy elektrycznej dla
warunków tot = 21oC i ciśnienia atmosferycznego pb = 1010 hPa.
Rys. 1 Schemat stoiska pomiarowego – obieg wodny, 1- badany kocioł, 3- zewnętrzny
wymiennik ciepła, 4- zawór przełączający strumień wody.
TOK OBLICZEŃ
1) Obliczyć strumień paliwa zużytego podczas pomiarów i przeliczyć go na warunki
umowne Pn = 101325 Pa, Tn =273,15 K:
a) strumień gazu spalonego podczas pomiaru:
V
w 2  w1
t
[m3/s]
b) przeliczenie na warunki umowne:
Vu 
Gdzie:
Temperaturę gazu przyjąć równą
T n  Pg  V
[m3/s]
Pn  Tg
Pg = pb + pg
Tg = 288 K
[Pa]
2) Obliczyć moc cieplną dostarczoną do kotła z paliwem gazowym
Ndop = Vu  Wd
Gdzie: Wd - wartość opałowa paliwa (na podstawie tabeli nr 1)
Tabela 1 Właściwości paliw gazowych
Gaz
Gaz zaazotowany
Nazwa parametru
wysokometanowy
Ls (GZ35)
E (GZ50)
CH4 [%]
72
95,64
C2H6 [%]
1
1,52
C3H8 [%]
1
0,2
C4H10 [%]
0
0,21
N2
[%]
26
2,0
Wartość opałowa
26300
35800
Wd [kJ/m3]
[kW]
Gaz płynny LPG
0
0
98
1,2
0
93200
3) Obliczyć moc cieplną kotła gazowego
a) strumień masy wody
mw 
m 2  m1
t
[kg/s]
b) ciepło właściwe wody dla średniej temperatury wody na dopływie i odpływie z
zewnętrznego wymiennika ciepła wyznaczyć na podstawie zależności:
cw = 3,169910-12 t6 – 4,616810-10 t5 + 2,573810-8 t4 – 6,826410-7 t3 + 3,514910-5 t2 –
1,815610-3 t + 4,2056
[kJ/kgK]
c) moc cieplna kotła
Nw = mw(cw2T2 – cw1T1)
[kW]
4) Wyznaczyć sprawność cieplną kotła gazowego
ηb 
Nw  Dp
N dop
 100
[%]
5) Na podstawie analizy składu spalin opuszczających kocioł obliczyć współczynnik
nadmiaru powietrza
λ 
21
21  [O 2 ]
Gdzie: [O2] – średni udział procentowy tlenu w spalinach
6) Na podstawie składu paliwa wyznaczyć skład spalin suchych i mokrych
n’’ss = n’’CO2 + n”N2 + n”O2
n”sw = n”ss + n”H2O
Zależności na obliczenie poszczególnych składników spalin dla różnych paliw
zestawiono w tabeli 2.
Tabela 2 Wartości oraz zależności na obliczenie składników spalin
Nazwa parametru
n”CO2
n”H2O
n”N2
n” O2
Minimalna ilość
powietrza na min
0,77
1,51
0,26+0,79na min
0,21(-1)na min
Gaz
wysokometanowy
E (GZ50)
1,0
1,98
0,02+0,79na min
0,21(-1)na min
7,26
9,49
Gaz zaazotowany Ls
(GZ35)
Gaz płynny LPG
2,99
3,98
0,79na min
0,21(-1)na min
23,7
7) Obliczyć stratę niezupełnego spalania na podstawie zależności:
Sn 
n ss''  [CO]  12642
 100
Wd
[%]
Gdzie: [CO] – średnia zawartość tlenku węgla w spalinach
8) Obliczyć stratę wylotową na podstawie zależności:
Sk 
Gdzie: cp
sp
''
n sm
 c psp  ( T sp  t ot )
Wd
 100
[%]
– średnie ciepło właściwe spalin w przedziale temperatur <Tsp, tot>
obliczone na podstawie wzoru:
c psp 
n
r
i 1
i
 cp i (t sr )
Udziały objętościowe poszczególnych składników spalin w spalinach wilgotnych
wyznaczamy na podstawie zależności:
rCO2 
'
n 'CO2
''
n sw
rO2 
'
n 'O2
''
n sw
rN2 
'
n 'N2
''
n sw
rH2O 
'
n 'H2O
''
n sw
Wartości średniego ciepła właściwego spalin dobieramy z tabeli nr 3 dla temperatury
tsr = (Tsp+tot)/2
Tabela 3. Średnie ciepło właściwe składników spalin
tsr [ C]
cp CO2 [kJ/m3K] cp N2 [kJ/m3K] cp O2 [kJ/m3K]
0
1,5998
1,2946
1,3059
10
1,6098
1,2947
1,3069
20
1,6198
1,2948
1,3079
30
1,6298
1,2949
1,3089
40
1,6398
1,295
1,3099
50
1,6498
1,2951
1,3109
60
1,6598
1,2952
1,3119
70
1,6698
1,2953
1,3129
80
1,6798
1,2954
1,3139
90
1,6898
1,2955
1,3149
100
1,6998
1,2956
1,3159
o
9) Obliczyć sprawność kotła gazowego metodą pośrednia wg zależności
p = 100 – Sn – Sk
[oC]
cp H2O [kJ/m3K]
1,2971
1,2974
1,2977
1,298
1,2983
1,2986
1,2989
1,2992
1,2995
1,2998
1,3001
[%]