Cel ćwiczenia: Wyznaczanie podstawowych parametrów spalania na przykładzie spalania oleju opałowego w kotle, pomiar składu spalin.

1. Zakres materiału:

1. typy kotłów,

2. parametry pracy kotłów,

3. wartość opałowa paliw, metody jej wyznaczania,

4. ciepło spalania,

5. wielkości charakteryzujące proces spalania, kontrola procesu spalania,

6. cel analizy spalin, metody pomiaru,

7. rodzaje analizatorów spalin,

8. straty cieplne w procesie spalania,

9. metody wyznaczania sprawności kotłów.

2. Dane

1. Rodzaj paliwa - olej opałowy: analiza elementarna

Udział [%wag]
C	87.4
H	11.2
S	0.5
N	0.0
O	0.9
kmax	19.5
ν	0.185
σ	1.097

Właściwości paliwa:

Q_paliwa -wartość opałowa paliwa- Q_paliwa =42700 [kJ/kg],

ρ_paliwa - gęstość paliwa - ρ_paliwa = 850 [kg/m³],

2. Rodzaj płynu - woda

ρ_wody -gęstość wody - ρ_wody = 980 [kg/m³],

Cp - ciepło właściwe wody- Cp=4,18 [kJ/kgK].

3. Pomiary

3.1. Dokonać pomiaru temperatury. (Do pomiarów użyć termopary typu K, wyniki odczytać przy pomocą miernika Omega HH82):

a) na wejściu i wyjściu z kotła. Pomiar powtórzyć 10-krotnie w odstępach 2 minutowych, (każdorazowo odczytać objętościowe natężenie przepływu wody).

b) na wejściu i wyjściu z grzejnika. Pomiar powtórzyć 2-krotnie w odstępach 10 minutowych (przy jednoczesnym wykonaniu pomiarów na wejściu i wyjściu z kotła).

c) temperatury na wejściu i wyjściu ze zbiornika CWU. Pomiar powtórzyć 2-krotnie w odstępach 10 minutowych(przy jednoczesnym wykonaniu pomiarów na wejściu i wyjściu z kotła).

3.1.1. Wyniki pomiarów temperatury.

Lp	T1[ºC]	T2[ºC]	∆T	T3[ºC]	T4[ºC]	T5[ºC]	T6[ºC]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

.

T₁- temperatura na wejściu do kotła; T₂ - temperatura na wyjściu z kotła; ∆T= (T₂-T₁);

T₃ - temperatura na wejściu do grzejnika; T₄- temperatura na wyjściu z grzejnika,

T₅ - temperatura na wejściu do zbiornika CWU; T₆ - temperatura na wyjściu ze zbiornika CWU.

1. Skład spalin. Do pomiarów użyć analizator spalin firmy BOSCH;

Skład spalin[%]obj.
λ
CO
CO2
O2
HC [ppm]

3. 1.3. Objętość paliwa zużytego w czasie wykonywania ćwiczenia.

Vpaliwa = …………………[l]; τ =………….[s] - czas pomiaru;

V_obj =……………………….[m³/s],

3.1.4. - zmierzyć temperaturę spalin

ts = ……………………………….[ºC]

IV. Obliczenia

4.1. Obliczyć masę paliwa zużytego w czasie pomiaru.

m _paliwa = V_paliwa ∙ ρ_paliwa; [kg];

m _paliwa =……………………………………[kg],

m _paliwa =……………………………………[kg/s],

4.2. Obliczyć teoretyczne zapotrzebowanie na tlen:

Ot= C/12+H/4+S/32-O/32;

Gdzie: C, H, S, O - masy: węgla, wodoru, siarki i tlenu.

Ot=………………………………………………………[kmol],

4.3. Określić stosunek nadmiaru powietrza w oparciu o:

a) wzór przybliżony:

λ=k_max/[CO₂]; gdzie: [CO₂]- zmierzona zawartość ditlenku węgla w spalinach.

λ=……………………………………………………..

b) wzór oparty na bilansie substancji procesu spalania:

λ=(21/79)*(100-{[CO₂]+[CO]+[O₂]}- ν{[CO₂]+[CO]})/(σ{[CO₂]+[CO]})

gdzie: ν, σ - parametry charakterystyczne paliwa, [CO][CO₂][O₂] - udział składników w spalinach [%].

λ=………………………………………………..

4.4. Znając λ obliczyć ilość powietrza użytego w procesie spalania.

O_rz=Ot∙λ

O_rz=……………………..[kmol];

n_powietrza = (100/21)∙O_rz

n_powietrza =…………………………………………………….……………..[kmol],

4.4.Obliczyć masę powietrza użytego do spalania,

m_powietrza=M_powietrza ∙n_powietrza;

Średnia masa molowa suchego powietrza: M_powietrza= 28.84[kg/kmol],

m_powietrza=…………………………………………[kg],

4.5. Obliczyć masę spalin

m_spalin = m_paliwa + m_powietrza

m_spalin =…………………………………………………………………….[kg],

m_spalin =…………………………………………………………………….[kg/s],

4.6. Obliczyć objętość spalin

4.6.1.Obliczyć średnią masę molową spalin:

M _s = [CO₂]· M_CO2 + [CO] · M_CO + [O₂] · M_O2 + [N₂] · M_N2 + [H₂O] · M_H2O+M _SO2 · [SO₂]

M _s = ……………………………………………………………………..[kg/kmol]

4.6.2. Obliczyć gęstość spalin:

ρ_spalin = M_S · p/R· T ; R=8.314 [J/mol·K]; p= 10⁵ [Pa]

ρ_spalin = ……………………………

4.6.3. Objętość spalin

V_spalin = m _spalin/ ρ_spalin

V _spalin = ………………………………………………[m³_/s]

V_CO2 = ……………………….….[m³_/s]

V_CO = …………..…………….….[m³_/s]

V_O2 = ……………………...…….[m³_/s]

V_N2 = ……………………...…….[m³_/s]

V_H2O = ………………………….[m³_/s]

V _SO2 = ……………………..…….[m³_/s]

V_ss = …………………………….[m³_/s]

V_sw = ………………………...….[m³_/s]

4.6.4. Obliczyć teoretyczną temperaturę spalania.

t_t=(i_λ + i_r - q_d)/c_s|₀^t2

gdzie:

i_{r -} entalpia fizyczna (rekuperacji)[kJ/m³],

i_λ - entalpia spalin rzeczywistych [kJ/m³],

c_s|₀^t2 średnie ciepło właściwe spalin [kJ/m³K] lub [kJ/kgK]

q_d = 10749 [H2O] α_H2O +12629 [CO₂] α_CO2

[H₂O], [CO₂] - udział pary wodnej i ditlenku węgla w spalinach rzeczywistych[m³/m³spalin]

α_H2O, α_{CO2 -} stopnie dysocjacji pary wodnej i ditlenku węgla, zależne od temperatury i ciśnienia parcjalnego tych składników w spalinach.

4.6.4.1. Obliczyć entalpię właściwą spalin rzeczywistych:

i_rz' =i_λ =Q_i/V_s; Vs - objętość spalin[m³/ m³paliwa];

i_rz' - entalpia właściwa spalin rzeczywistych(bez uwzględnienia dysocjacji)

i_{r =}0,

i_λ =……………………[kJ/m³],

4.6.4.2. W oparciu o znaną wartość i_{λ o}kreślić przybliżoną temperaturę spalin, przy założeniu, że składają się z azotu^.

i_N2=Qi/(V_s +V_CO2)

i_N2=…………………………….[kJ/m³]

i_N2=…………………………….[kJ/m³]

Odczytać (z tablic), w jakim zakresie temperatur znajduje się obliczona entalpia azotu (tabela 3.8) str. 69[3].

t=………………………….[ºC]

4.6.4.3. Obliczyć temperaturę spalin rzeczywistych dla odczytanego zakresu temperatur:

t₁ = ………………………..[ºC]

[CO₂]i_CO2|₀^t1=……………………………………………….[kJ/m³]

[H₂O]i_H2O|₀^t1=……………………………………………….[kJ/m³]

[O₂]i_O2|₀^t1=…………………………………………………..[kJ/m³]

[N₂]i_N2|₀^t1=……………………………………………..…….[kJ/m³]

Ʃ=i_s|₀^t1=……………………………………………..……….[kJ/m³]

t₂ = ………………………..[ºC]

[CO₂]i_CO2|₀^t2=……………………………………………….[kJ/m³]

[H₂O]i_H2O|₀^t2=……………………………………………….[kJ/m³]

[O₂]i_O2|₀^t2=……………………………………………….[kJ/m³]

[N₂]i_N2|₀^t2=……………………… ……………………….[kJ/m³],

Ʃ=i_s|₀^t2=…………………… ………………………….[kJ/m³]

[CO₂], [H₂O], [O₂], [N₂] - ułamki objętościowe.

Jeśli: Ʃi_s|₀^T1 <i_rz'< Ʃi_s|₀^T2

Odczytać stopnie dysocjacji CO₂ i H₂O dla t₁ z tabeli (3.13 str. 73)[3]:

(jeśli i_rz'~ i_s|₀^t2 _, stopnie dysocjacji CO₂ i H₂O odczytać dla t₂).

α_H2O =………………….

α_CO2=………………………

4.6.4.4. Obliczyć ciepło dysocjacji:

q_d=………………………………………………………………………………..[kJ/m³]

4.6.4.5. Obliczyć entalpię właściwą spalin rzeczywistych:

i_rz=i_λ - q_d

i_rz= ……………………………………………………………………………[kJ/m³]

4.6.4.6. Zakłądając liniową zmianę entalpii wraz z temperaturą obliczyć temperaturę teoretyczną spalin:

t_t=t_n +((i_rz-i₁)/(i₂-i₁))*100[ºC]

t_n- temperatura niższa z uzgodnionego przedziału

i₁- entalpia właściwa w temperaturze niższej przedziału

i₂- entalpia właściwa w temperaturze wyższej przedziału

t_t=………………………………………………………………………………..[ºC],

4.6.5. Przyjmując µ=0.74 (µ - współczynnik pirometryczny)obliczyć temperaturę rzeczywistą spalania.

t_rz=t_t∙µ

t_rz=………………………………………………………………………..[ºC]

4.7. Bilans cieplny kotła i wyznaczanie sprawności kotła

7.1. Obliczyć masowe natężenia przepływu na poszczególnych elementach instalacji, oraz podział energii wyprodukowanej przez kocioł na grzejnik, zbiornik CWU oraz straty instalacji, przy założeniu, że strumień wody ogrzewanej w kotle jest dzielony na zbiornik CWU i grzejnik w stosunku objętościowym 60:40.

m_grzejnik = …………………………….[kg/s],

m_CWU = …………………………….[kg/s],

7.2. Obliczyć straty ciepła na instalacji

Q_cał = Q_w+Q_s

Q_cał - strumień ciepła doprowadzonego do kotła, kW

Q_w - strumień ciepła przekazany czynnikowi w kotle, kW

Q_s - strumień ciepła strat, kW.

Q_{Średnie straty} = Qw - Q_g-Q_CWU [kW];

Q_w= m_wody ∙Cp∙∆T [kW]; Q_w= ……………………………………..

Q_g= m_grzejnik ∙Cp∙∆T [kW]; Q_g= ……………………………………..

Q_CWU= m_CWU∙Cp∙ ∆T [kW]; Q_CWU= ……………………………………..

Q_{Średnie straty} = …………………………………..

1. Obliczyć sprawność cieplną kotła

Qi = m_paliwa∙Q_d [kW]; Qi = …………………………………………..[kW]

Q_wody= m_wody ∙Cp∙∆T [kW]; Q_wody= ……………………………………..[kW]

η = Q_wody/ Qi; η =…………………………………..

η_k(1) =…………………………………

η_k(2) =…………………………………

η_k(3) =…………………………………

η_k(4) =…………………………………

η_k(5) =…………………………………

η_k(6) =…………………………………

η_k(7) =…………………………………

η_k(8) =…………………………………

η_k(9) =…………………………………

η_k(10) =……………………………….

η_średnie =………………………….

2. Obliczyć sprawność cieplną kotła (metoda pośrednia)




∑S - suma strat kotła




S_O - strata odlotowa (kominowa), S_NC - strata niecałkowitego spalania, S_CO - strata niezupełnego spalania, S_PR - strata postojowa, S_M - strata odmulania, S_E - strata promieniowania,.

7.4.1.(a). Strata kominowa

t _s = ………………………………..[^OC]

S_o = (t_s-t_o) · m_s· C_ps |_t0 ^ts

m_s - masa spalin [kg/s],

C_ps: średnie ciepło właściwe spalin przy stałym ciśnienie w zakresie temperatur (t_s-t_o),

t_o - temperatura powietrza doprowadzanego do spalania, t_s - temperatura spalin.

C_p poszczególnych związków odczytać z tablic cieplnych [kJ/m³K]

C_pCO2 = ……………………………………………….…..[kJ/m³K]

C_pCO = ……………………………………………..……..[kJ/m³K]

C_pO2 = …………………………………………………….[kJ/m³K]

C_pN2 = ……………………………………………..……..[kJ/m³K]

C_pH2O = …………………………………………..………[kJ/m³K]

C_pSO2 = …………………………………………….…….[kJ/m³K]

C_ps = [CO₂] · C_pCO2 + [CO] · C_pCO + [O₂] · C_pO2 + [N₂] · C_pN2 + [H₂O] · C_pH2O + [SO₂] · C_pSO2

Gdzie [X] - ułamki objętościowe poszczególnych związków.

C_ps =…………………………………………………..[kJ/m³K]

7.4.1(b).Stratę kominową można również obliczyć z zależności:




Współczynniki specyficzne dla oleju opałowego:

A1 = 0.5% (obj. CO₂), B = 0.007% (obj. CO₂),

r_CO2- procentowa zawartość dwutlenku węgla w spalinach (zmierzona);

7.4.2. S_CO - strata niezupełnego spalania,

S_CO = V_ss · Q_CO · [CO]

Q_CO - wartość opałowa CO; …….. [kJ/m³],

[CO] - ułamek objętościowy tlenku węgla.

S_CO = ……………………………………………………………….

η_k = ……………………………………………………………….

Literatura:

1. T.R.Fodemski i inni — Pomiary Cieplne, Warszawa, 2001, WNT.

2. F. Kotlewski: Pomiary w technice cieplnej. WNT,1972, Warszawa.

3. S. Słupek, J. Nocoń, A. Buczek - Technika cieplna, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, 2005, Kraków.

Imię, Nazwisko:

PWSZ-IT

Bilans cieplny kotła - określenie sprawności cieplnej kotła, na

podstawie: temperatury oraz składu spalin wychodzących z kotła,

parametrów paliwa oraz czynnika ogrzewanego w kotle.

Kierunek:

Rok










---