Politechnika Śląska

Metody utylizacji odpadów

Bilansowanie kotła węglowego

Skład sekcji:

Marcin Lampert

Szymon Koziatek

Szymon Rusek

Wojciech Marcinkowski

Mateusz Król

Marek Krysztofiak

Marcin Kempny

Gliwice dnia 10.12.2014 Maciej Kawaler

1. Wstęp teoretyczny.

Przedmiotem badań jest instalacja grzewcza, przeznaczona do celów grzewczych, składająca się z:

- Pieca CO opalanego węglem

- Nagrzewnicy wodnej

- Pompy czynnika

Piece CO to popularny rodzaj pieców, używanych do ogrzewania domów jednorodzinnych. Montowane w instalacjach centralnego ogrzewania, są wystarczającym źródłem ciepła dla niewielkich budynków.

Nagrzewnice wodne są wymiennikami ciepła, montowanymi w większości przypadków w obiektach przemysłowych i dużych budynkach. Używane do ogrzewania pomieszczeń o znacznym metrażu ogrzewają hale przemysłowe, magazyny, duże obiekty handlowe.

Badana instalacja jest urządzeniem cieplnym, które dzięki wykorzystaniu ciepła, pochodzącego ze spalania paliwa, ogrzewa czynnik (w tym wypadku wodę). Następnie czynnik pompowany jest do odbiornika ciepła (nagrzewnicy wodnej). Woda przepływa przez aluminiowy wymiennik ciepła, podgrzewając powietrze, które go otacza. Dzięki wymiennikowi, energia cieplna przekazywana jest przez lamele i powietrze uzyskuje podwyższoną temperaturę.

Bilans energetyczny układu - sporządzenie bilansu energetycznego układu polega na określeniu ilości energii doprowadzonej do układu, odprowadzonej oraz przyrostu energii układu. Bilansowanie energetyczne bazuje na I zasadzie termodynamiki, mającej postać:

E₁ = E_u + E₂

Gdzie: E₁ - suma energii doprowadzonej do układu

E₂ - suma energii odprowadzonej z układu

E_u - przyrost energii układu

W rozważanym przypadku energią doprowadzoną jest ciepło, pochodzące ze spalania węgla, natomiast odprowadzaną - ciepło oddawane przez wymiennik, oraz straty energetyczne układu. Po rozgrzaniu układu kotłowego, badaną instalację można traktować jako urządzenie przepływowe, w którym nie zmienia się energia wewnętrzna.

2. Schemat badanego układu.

3. Bilans energetyczny kotła.

(1)

gdzie:

Strumień doprowadzonego powietrza:

(2)

gdzie:

- masowy strumień doprowadzonego powietrza wyznaczony z równania (4)

- ciepło właściwe dla powietrza obliczone dla średniej temperatury otoczenia metodą aproksymacji wielomianem drugiego stopnia, zależność (3)

(3)

(4)

:

- pole przekroju przez który doprowadza się czynnik wyznaczone doświadczalnie

_p- prędkość strumienia powietrz, wyznaczona na podstawie zależności (5)

- gęstość powietrza, przyjęta dla warunków normalnych

(5)

gdzie,

k- ilość serii pomiarowych

n- ilość pomiarów w poszczególnej serii

w - prędkość czynnika

w_p- prędkość powietrza

Podstawiając do równania (4) wyznaczone wielkości otrzymujemy:

Za temperaturę powietrza doprowadzonego przyjęto:

Ze względu na niską temperaturę, można przyjąć na podstawie zależności (2) wartość ciepła właściwego doprowadzonego powietrza:

Podstawiając wyznaczone wielkości do równania (1) otrzymujemy:

Energię dostarczoną w paliwie obliczono z zależności:

(6)

gdzie,

- Strumień energii dostarczonej przez paliwo,

- Strumień masowy węgla

- Wartość opałowa węgla

Entalpię wody przed kotłem obliczono z zależności:

(7)

gdzie:

-strumień masowy wody wyznaczony z zależności (8)

(8)

-ciepło właściwe dla wody

- temperatura wody przed kotłem- wyznaczona jako średnia z pomiarów

Wszystkie stałe oraz wartości wyznaczone zostały zebrane w tabelach:

Entalpię spalin obliczono z zależności:

(9)

gdzie:

-strumień masowy spalin, przyjęto że jest on równy strumieniowi powietrza doprowadzonego do kotła.

uśrednione ciepło właściwe spalin liczone analogiczną metodą jak w zależności (3)

- uśredniona temperatura spalin

Entalpia wody doprowadzonej do wymiennika (za kotłem) obliczono z zależności:

(10)

Więc strumień ciepła oddany do otoczenia (1) przez ścianki kotła wynosi:

Sprawność kotła obliczono z zależności:

(11)

Sprawność energetyczną układu wyznaczono z zależności:

(12)

4. Bilans wymiennika ciepła:

(13)

- entalpia wody za wymiennikiem ciepła

- entalpia wody przed wymiennikiem ciepła

- strumień ciepła oddawanego z wymiennika

Temperatury wody dla wymiennika:

	T [°C]		V[dm^3/h]	V[m^3/s]	m[kg/s]
Lp.	Przed	Za
1	37,5	54	1400	0,000389	0,388889
2	36,5	52	1410	0,000392	0,391667
3	36	51	1410	0,000392	0,391667
4	36	50	1410	0,000392	0,391667
5	36	50	1420	0,000394	0,394444
6	35,5	50	1420	0,000394	0,394444
7	35,5	49,5	1420	0,000394	0,394444
8	34	49,5	1420	0,000394	0,394444
9	35,5	49	1420	0,000394	0,394444
10	34	49	1420	0,000394	0,394444
11	34,5	49,5	1420	0,000394	0,394444
12	36,5	49,5	1420	0,000394	0,394444
13	36,5	49,5	1420	0,000394	0,394444
14	36,5	49,5	1420	0,000394	0,394444
15	36,5	49,5	1430	0,000397	0,397222
16	36,5	49,5	1430	0,000397	0,397222
Średnia	35,84375	50,0625	1418,125	0,000394	0,393924

Uśredniona temperatura wody przed wymiennikiem (za kotłem):

°C

Średni strumień wody w układzie obliczono z zależności:

(14)

=1418,75 dm³/h

Strumień wody przepływającej przez wymiennik obliczono korzystając z zależności (8)

Entalpia wody doprowadzonej do wymiennika obliczono korzystając z zależności:

(14)

Uśredniona temperatura wody za wymiennikiem:

36,2°C

Entalpia wody opuszczającej wymiennik:

(15)

Strumień ciepła oddany przez wymiennik:

(16)

(17)

n= 0,37

5. Wnioski.

-Z analizy spalin wynika, że węgiel kamienny nie jest czystym węglem, ale zawiera także inne związki np. związki siarki.

- Jeśli porównamy sprawność energetyczną kotła i całego układu okaże się że podczas przepływu przez układ czynnik traci około 2% energii

- Sprawność układu będzie tym większa im mniejsza będzie różnica temperatur między temperaturą otoczenia, a temperaturą czynnika opuszczającego kocioł.

---