Ćwiczenie nr 3. Bilans cieplny urządzenia energetycznego. Wyznaczenie sprawności cieplnej urządzenia kotłowego zasilanego gazem ziemnym

Transkrypt

1 Termodyamika ćwiczeia laboratoryje Ćwiczeie r 3 Temat: Bilas cieply urządzeia eergetyczego. Wyzaczeie sprawości cieplej urządzeia kotłowego zasilaego gazem ziemym Miejsce ćwiczeń: Laboratorium Techologii Gazowych Politechiki Pozańskiej, Hala 19/17

2 CEL ĆWICZENIA: Zapozaie się z metodami wyzaczaia sprawości cieplej urządzeń eergetyczych a podstawie urządzeia kotłowego zasilaego paliwem gazowym lub olejowym. ZADANIA DO WYKONANIA: 1) Wyzaczyć sprawość cieplą kotła iskotemperaturowego zasilaego paliwem gazowym metodą bezpośredią i pośredią. 2) Na podstawie wykoaego ćwiczeia przedstawić wioski i spostrzeżeia dotyczące metod wyzaczaia sprawości cieplej urządzeń eergetyczych. WPROWADZENIE Kotły są urządzeiami eergetyczymi w których realizowaa jest wymiaa ciepła pomiędzy spaliami powstającymi ze spalaia paliw w paleiskach staowiących ich istotą część, a wodą wypełiającą kocioł. Źródłem ciepła jest eergia chemicza paliwa, która wywiązuje się w procesie ich utleiaia pod wpływem tleu dostarczoego z powietrzem atmosferyczym. Spaliy przepływające wzdłuż powierzchi ogrzewalej kotła oddają jej ciepło obiżając przy tym swoją temperaturę, atomiast woda przejmuje ciepło od spali i podgrzewa się do temperatury końcowej zadaej przez użytkowika. Proces te jest jedak obciążoy stratami różego pochodzeia, których rodzaj zależy od zastosowaego paliwa oraz prawidłowego procesu spalaia, a także od kostrukcji urządzeia. W kotłach gazowych i olejowych stratami tymi są: - strata wylotowa wyrażająca ilość ciepła uoszoego przez strumień spali o temperaturze wyższej o temperatury otoczeia, - strata iezupełego spalaia związaa z występowaiem w spaliach pewych ilości produktów iezupełego utleiaia, głowie tleku węgla oraz iedopaloych węglowodorów, - strata związaa z oddawaiem do otoczeia pewych ilości ciepła p. przez iedoskoale zaizolowaą obudowę zewętrzą kotła, lub przez promieiowaie płyty palikowej w kieruku podłogi. Strata wylotowa wyraźie ma wśród wszystkich występujących strat udział domiujący i jest wprost proporcjoala do temperatury oraz ilości spali wylotowych. Straty ciepła występujące podczas eksploatacji kotła muszą być pokrywae spalaiem dodatkowych ilości paliwa, co w oczywisty sposób podwyższa koszty ruchowe i ogóle koszty eksploatacji obiektu. PRZEBIEG ĆWICZENIA Przed przystąpieiem do wykoaia badaia kotła ależy zapozać się z budową stoiska pomiarowego oraz zlokalizować wszystkie pukty pomiarowe. Wyzaczeie sprawości może dobywać się tylko w staie ustaloym pracy kotła.

3 W pierwszej kolejości ależy zapisać wartości parametrów początkowych, wytarować wagę, skalibrować zestaw aalizatorów gazu. W momecie rozpoczęcie pomiaru ależy skierować strumień wody opuszczający zewętrzy wymieik ciepła (3) do aczyia pomiarowego (zawór 4) i w tej samej chwili zaotować sta początkowy liczika gazu oraz rozpocząć pomiar czasu trwaia badaia. Czas badaia powiie wyosić więcej iż 600 sekud. W czasie testu ależy dokoać odczytu temperatur wody w obiegu wewętrzym oraz zewętrzym stoiska pomiarowego (5 pomiarów), a także odczytać temperaturę spali opuszczających baday kocioł (5 odczytów). Dodatkowo ależy dokoać pomiaru pozostałych parametrów wpływających a pracę kotła, a więc: ciśieie paliwa gazowego, temperaturę otoczeia oraz ciśieie otoczeia. W celu wyzaczeia straty iezupełego spalaia w czasie testu ależy zmierzyć skład spali (3pomiary). W momecie komedy stop pomiar ależy jedocześie zatrzymać pomiar czasu, spisać sta końcowy liczika gazu oraz skierować strumień wody opuszczającej wymieik zewętrzy do odpływu kaalizacji. Otrzymae wyiki pomiarów posłużą do wyzaczeia sprawości cieplej kotła gazowego metodą bezpośredią (pomiar ciepła przekazaego do wody chłodzącej) oraz metodą pośredią (wyzaczeia strat kotła). Uwaga: Stratę układu pomiarowego a rzecz otoczeia ależy przyjąć a poziomie D p = 1,5 kw. Strata ta została wyzaczoa za pomocą agrzewicy elektryczej dla waruków t ot = 21 o C i ciśieia atmosferyczego p b = 1010 hpa. Rys. 1 Schemat stoiska pomiarowego obieg wody, 1- baday kocioł, 3- zewętrzy wymieik ciepła, 4- zawór przełączający strumień wody.

4 TOK OBLICZEŃ 1) Obliczyć strumień paliwa zużytego podczas pomiarów i przeliczyć go a waruki umowe P = Pa, T =273,15 K: a) strumień gazu spaloego podczas pomiaru: b) przeliczeie a waruki umowe: w V V u w t 2 T Pg V P T 1 g [m 3 /s] [m 3 /s] Gdzie: P g = p b + p g [Pa] Temperaturę gazu przyjąć rówą T g = 288 K 2) Obliczyć moc cieplą dostarczoą do kotła z paliwem gazowym N dop = V u W d Gdzie: W d - wartość opałowa paliwa (a podstawie tabeli r 1) [kw] Nazwa parametru Tabela 1 Właściwości paliw gazowych Gaz zaazotoway Ls (GZ35) Gaz wysokometaowy E (GZ50) Gaz płyy LPG CH 4 [%] 72 95,64 0 C 2 H 6 [%] 1 1,52 0 C 3 H 8 [%] 1 0,2 98 C 4 H 10 [%] 0 0,21 1,2 N 2 [%] 26 2,0 0 Wartość opałowa W d [kj/m 3 ] ) Obliczyć moc cieplą kotła gazowego a) strumień masy wody m w m [kg/s] b) ciepło właściwe wody dla średiej temperatury wody a dopływie i odpływie z zewętrzego wymieika ciepła wyzaczyć a podstawie zależości: 2 m t 1 c w = 3, t 6 4, t 5 + 2, t 4 6, t 3 + 3, t 2 1, t + 4,2056 [kj/kgk] c) moc ciepla kotła N w = m w (c w2 T 2 c w1 T 1 ) [kw]

5 4) Wyzaczyć sprawość cieplą kotła gazowego η b N w D p 100 N [%] dop 5) Na podstawie aalizy składu spali opuszczających kocioł obliczyć współczyik admiaru powietrza 21 λ 21 [O Gdzie: [O 2 ] średi udział procetowy tleu w spaliach 2 ] 6) Na podstawie składu paliwa wyzaczyć skład spali suchych i mokrych ss = CO2 + N2 + O2 sw = ss + H2O Zależości a obliczeie poszczególych składików spali dla różych paliw zestawioo w tabeli 2. Tabela 2 Wartości oraz zależości a obliczeie składików spali Nazwa parametru Gaz Gaz zaazotoway Ls wysokometaowy (GZ35) E (GZ50) Gaz płyy LPG CO2 0,77 1,0 2,99 H2O 1,51 1,98 3,98 N2 0,26+0,79 a mi 0,02+0,79 a mi 0,79 a mi O2 0,21(-1) a mi 0,21(-1) a mi 0,21(-1) a mi Miimala ilość powietrza a mi 7,26 9,49 23,7 7) Obliczyć stratę iezupełego spalaia a podstawie zależości: Gdzie: [CO] średia zawartość tleku węgla w spaliach S ss [CO] W [%] d 8) Obliczyć stratę wylotową a podstawie zależości: S k sm c psp ( T sp t ot W d ) 100 Gdzie: c p sp średie ciepło właściwe spali w przedziale temperatur <T sp, t ot > [%] obliczoe a podstawie wzoru: c psp ri cp i (t sr ) i1

6 Udziały objętościowe poszczególych składików spali w spaliach wilgotych wyzaczamy a podstawie zależości: CO2 O2 rco2 O2 sw sw N2 r rn2 r H2O sw H2O sw Wartości średiego ciepła właściwego spali dobieramy z tabeli r 3 dla temperatury t sr = (T sp +t ot )/2 [ o C] Tabela 3. Średie ciepło właściwe składików spali t sr [ o C] c p CO2 [kj/m 3 K] c p N2 [kj/m 3 K] c p O2 [kj/m 3 K] c p H2O [kj/m 3 K] 0 1,5998 1,2946 1,3059 1, ,6098 1,2947 1,3069 1, ,6198 1,2948 1,3079 1, ,6298 1,2949 1,3089 1, ,6398 1,295 1,3099 1, ,6498 1,2951 1,3109 1, ,6598 1,2952 1,3119 1, ,6698 1,2953 1,3129 1, ,6798 1,2954 1,3139 1, ,6898 1,2955 1,3149 1, ,6998 1,2956 1,3159 1,3001 9) Obliczyć sprawość kotła gazowego metodą pośredia wg zależości p = 100 S S k [%]

7

8