BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

1

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
w KRAKOWIE
WYDZIAŁ:

INŻYNIERII METALI
I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ

SPECJALIZACJA:

OGRZEWNICTWO
I KLIMATYZACJA

PRZEDMIOT:

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ
CIEPLNYCH

ROK STUDIÓW:

IV
STUDIA ZAOCZNE

DATA:

14 czerwiec 2011

Imię i nazwisko:

PAWEŁ SOBCZAK

Temat:

BILANS KOTŁA.

Prowadzący:

dr inż. Adam Ciężak

OCENA:

I. Wprowadzenie.

1. Wprowadzenie.

Spalanie jest szybko przebiegającym procesem utleniania. Pierwiastkami palnymi

w paliwach są węgiel, wodór oraz występująca w niewielkich ilościach siarka. Paliwo składa
się z substancji palnej i balastu. Podział na te składniki jest umowny. Do balastu zalicza się
w paliwach stałych i ciekłych popiół i wilgoć, w paliwach gazowych zaś azot, dwutlenek
węgla i parę wodną.

Substancje doprowadzane do komory paleniskowej (powietrze i paliwo) stanowią

substraty procesu spalania, produktami zaś są substancje wyprowadzane z komory
paleniskowej (spaliny gazowe, produkty stałe i ciekłe).

Za produkty ostatecznego utleniania pierwiastków palnych uważa się CO

2

, SO

2

i H

2

O

(przy utlenianiu siarki tworzy się również SO

2

, ale jego ilość jest niewielka). Jeżeli

w produktach spalania występują gazy palne (CO, H

2

, CH

4

), spalanie nazywa się

niezupełnym. Jeżeli produkty zawierają stałe składniki palne, spalanie nazywamy
niecałkowitym. W projekcie, na podstawie danych i wyników pomiarów można stwierdzić,
iż mamy do czynienia ze spalaniem niezupełnym całkowitym. Na rysunku poniżej
przedstawiony jest schemat kotła.

2. Cel bilansu.

Podstawowym celem bilansu energetycznego kotła jest obliczenie jego wydajności

cieplnej kotła, a co za tym idzie, ustalenie stopnia wykorzystania paliwa użytego w procesie.
Określenie wydajności kotła zostanie dokonana na podstawie parametrów i składu spalin,
parametrów czynnika ogrzewanego w kotle (wody) oraz parametrów i składu paliwa.

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

2

II. Dane projektowe i wyniki pomiarów.

• Zużycie paliwa: V

700

Ilość paliwa dostarczonego do komory spalania:

n

,

31,25

• Temperatura paliwa: t

31°C

• Skład paliwa:

− CO

0,2%

0,002

− CO

0,1%

0,001

− CH

97%

0,97

− C H

0,2%

0,002

− H

0,6%

0,006

− N

1,7%

0,017

− O

0,2%

0,002

• Temperatura powietrza dostarczonego do komory spalania: t

a

=10

°C

• Ciśnienia powietrza dostarczonego do komory spalania:
p

761mmHg

761 · 133,322

101458,04 Pa

• Wilgotność powietrza dostarczonego do komory spalania: ϕ=28%
• Temperatura hali – otoczenia: t

a,h

=20,5

°C

• Temperatura spalin: t

s

=206

°C

• Skład spalin:

− CO

9,8%

0,098

− O

2,5%

0,025

− CO

0,845%

0,0085

− N

100%

9,8%

2,5%

0,845%

86,855%

0,8686

• Temperatura wody: t

w

=57

°C;

• Temperatura pary wodnej: t

p

=257

°C;

• Ciśnienie pary wodnej: p

14,5 bar

1450000 Pa.

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

3

III.

Bilans materiałowy dla komory spalania.

Bilans węgla:

n

CO

CO

CH

C H

0,002

0,001

0,97

2 · 0,002

0,977

Bilans wodoru:

n

H

2CH

2C H

0,006

2 · 0,97

2 · 0,002

1,95

Bilans tlenu:

n

CO

· CO

O

0,001

· 0,002

0,002

0,004

Bilans azotu:

n

N

0,017

Na podstawie bilansu materiałowego węgla określamy ilość spalin suchych

odpływających z komory grzejnej pieca:

n

n

· CO

CO

stąd

n

,

,

,

9,178

Ilość spalin suchych wydzielających się w czasie (1h) badania pieca oblicza się

mnożąc ilość spalin suchych przez zużycie paliwa:

n

9,178 · 31,25

286,8131

.

Bilans tlenu i azotu wykorzystuje się do obliczenia ilości powietrza

doprowadzonego do komory grzejnej oraz do skorygowania składu spalin. Korektę
składu spalin przeprowadza się przez dodanie poprawki Δ do udziału O

2 I

i odjęcie

takiej samej poprawki od udziału N

2 I

. Bilans tzw. wolnego tlenu ma więc postać:

0,21n

n

n

n

· CO

O

∆

· CO

Bilans azotu prowadzi do równania:

n

0,79 · n

n

· N

∆

Podstawiając dane do obu równań otrzymujemy następujący układ równań:

0,21n

0,004

· 1,95

9,18 · 0,098

0,025

∆

· 0,0085

0,017

0,79 · n

9,18 · 0,8686

∆

0,21n

0,004

0,975

0,8996

0,2295

9,18 · ∆

0,039

0,017

0,79 · n

7,9737

9,18 · ∆

0,21n

9,18 · ∆

1,3295

0,79 · n

7,9567

9,18 · ∆

n

43,7143 · ∆

6,331

0,79 · n

7,9567

9,18 · ∆

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

4

0,79 · 43,7143 · ∆

6,331

7,9567

9,18 · ∆

34,5343 · ∆

5,0015

7,9567

9,18 · ∆

43,7143 · ∆ 2,9952
∆ 0,0685
n

43,7143 · 0,0685

6,331

n

9,3254

Z obliczeń układu równań wynika , że poprawka Δ 0,0685 oraz ilość powietrza

doprowadzona do komory grzejnej pieca wynosi 9,3254

,

Skorygowany skład spalin jest następujący;

CO

9,8%

0,098

O

2,5%

0,025

∆ 0,025

0,0685

0,0935

CO

0,845%

0,0085

N

0,8686

∆ 0,8686

0,0685

0,8001

Zawartość wilgoci w paliwie pomijamy x

g

, ilość wilgoci w powietrzu

odczytujemy z wykresu Molier’a i−x dla powietrza wilgotnego o parametrach: t 10°C,
p

b

≅1015 hPa, ϕ 28%,

x

0,002

x ·

0,0032

z bilansu wodoru wynika zawartość wilgoci w spalinach:

n

n

1,95

ilość wilgoci przypadająca na 1 kilo mol spalin suchych stopień zwilżenia spalin

wynosi:

n

x

x

x · n

x

0,2128

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

5

IV.

Bilans energii.

Energia doprowadzona:

• Strumień entalpii chemicznej gazu:

I

,

n · Q

Wartość opałowa gazu wynosi:

Q

CO · Q

CH · Q

C H · Q

H · Q

Przyjmujemy paliwo jako gaz doskonały:

Q

282889,6

Q

802144

Q

1410617,6

Q

240777,6

Q

0,002 · 282889,6

0,97 · 802144

0,002 · 1410617,6

0,006 · 240777,6

Q

782911,36

więc strumień entalpii chemicznej gazu wynosi:

I

,

n · Q

I

,

31,25 · 782911,36

24465980

24,466

• Strumień entalpii fizycznej gazu:

I

,

n · i

,

n · C

,

· t

t

t

31

t

t

10

CO CO

2

CH

4

C

2

H

4

H

2

N

2

O

2

a

(powietrze)

C

p0

29,12

35,86

34,74

40,95 28,62 29,12 29,27

29,07

C

p100

29,26

40,21

39,28

46,22 29,13 29,20 29,88

29,27

C

C

C

C

29,12

0,31 29,26

29,12

C

·

·

C

29,16

·

C

37,21

·

C

|

36,15

·

C

|

42,58

·

C

|

28,78

·

C

|

29,14

·

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

6

C

|

29,46

·

C

29,11

·

C

35,43

·

C

|

34,29

·

C

|

40,42

·

C

|

28,57

·

C

|

29,11

·

C

|

29,21

·

C

29,19

·

C

38,06

·

C

|

37,03

·

C

|

43,61

·

C

|

28,88

·

C

|

29,16

·

C

|

29,58

·

i

C

· t · t

· n

, ł

i

1,23

i

0,8

i

754,38

i

|

1,83

i |

3,64

i |

10,41

i |

1,24

i |

i |

i

|

i

|

i

|

i

i

i |

i

773,53

I

n · i

31,25 · 773,53

24172,69

• Całkowity strumień entalpii gazu:

I

I

I

24465980

24172,69

24490152,69

24,49

• Strumień entalpii fizycznej powietrza

I

n · C

t

,

t

,

C |

,

C

,

· C

C

29,07

0,205 · 29,27

29,07

29,111

·

C |

C

· C

C

29,07

0,1 · 29,27

29,07

29,09

·

C |

,

· ,

,

·

,

29,13

·

I

n · C

t

,

t

,

9,3254 · 29,13 · 20,5

10

2852,3135 kJ

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

7

Ponieważ

n

9,3254

, a w ciągu jednej godziny doprowadzono

n

31,25

paliwa, więc strumień entalpii fizycznej powietrza wynosi:

I

I

· n

2852,3135 · 31,25

89134,7969

• Entalpia fizyczna wilgoci z powietrza.

W ciągu jednej godziny dostarczono

n

31,25

paliwa do komory grzejnej

pieca, a ilość powietrza doprowadzona do komory grzejnej pieca wynosi:
n

9,3254

, to wynika z tego, że również w ciągu jednej godziny dostarczono

291,42 kilo moli powietrza:

n

n · n

9,3254 · 31,25

291,42

Powietrze dostarczone do komory spalania o parametrach:

t

10 , p

761mmHg, φ

28% zawierało 0,002

, wię wilgoć wydzielająca się w ciągu

jednej godziny wynosi:

m

291,42 · 0,002

0,583

.

Entalpia wody o w/w parametrach wynosi

41,99941 , więc, strumień entalpii

fizycznej wody wynosi:

I

41,99941 · 0,583

24,48566

Energia wyprowadzona:

• Entalpia fizyczna spalin. (w obliczeniach korzystamy ze składu spalin po

korekcie):

I

n

· C

t

t

n

· i

i

i

· i

i

|

i

i

· i

i

i

i

|

i

|

i

i

· i

i |

i

i

· i

i

i

i |

i |

i

i

· i

i |

i

i

· i

i

i

i |

i |

i

i

· i |

i |

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

8

i

i

· i

i

i |

i |

i |

Dane entalpii dla temperatur (0

°C, 100°C, 200°C i 300°C) oraz wyniki zestawiono w

tabeli poniżej:

i

0

i

100

i

200

i

300

i

⏐

206

0

i

⏐

10

0

i

⏐

206

10

CO

2

0,000 3811,244 8013,535 12526,906 8284,337 381,12

7903,21

O

2

0,000 2953,787

5987,124 9118,850 6175,028 295,38 5879,65

N

2

0,000 2914,431

5844,773 8813,214 6022,879 291,44 5731,44

CO 0,000 2917,781 5861,520 8855,082 6041,134 291,78 5749,36

I

n

· i

0,098 · 7903,21

744,515

I

n

· i

0,0935 · 5879,65

549,747

I

n

· i |

0,8001 · 5731,44

4585,722

I

n

· i

0,0085 · 5749,36

48,87

więc strumień entalpii fizycznej spalin wynosi:

I

I

I

I

I

· n

744,515

549,747

4585,722

48,87 · 286,8131

1709077,326

• Strumień entalpii chemicznej spalin suchych na wyjściu z kotła.

(w obliczeniach korzystamy tylko z danych – skorygowanych, dotyczących
tlenku węgla, ponieważ jest on jedynym palnym składnikiem spalin):

I

n

· CO · Q

286,8131 · 0,0085 · 282889,6

689659,7666

• Strumień całkowitej entalpii spalin na wyjściu z kotła wynosi:

I

I

I

1709077,326

689659,7666

2398737,0926

• Strumień entalpii fizycznej wilgoci w spalinach.

Traktując spaliny jako gaz doskonały, ich ciepło właściwe (entalpia właściwa) zależy

tylko od temperatury. Dla temperatury spalin t

s

=206

°C, entalpia właściwa pary wodnej

wynosi:

i

|

2887,87

i

|

41,999

i

|

2887,87

41,999

2839,871

x

0,2128

0,0118

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

9

x

x · n

0,0118 · 286,8131

3,38

I

,

x · i

|

3,38 · 2839,871

9598,764

V. Bilansowe zestawienie materiałów, zestawienie entalpii.

ZESTAWIENIE MARERIAŁÓW

PRZYCHÓD ROZCHÓD

SKŁADNIK STĘŻENIE

NETĘŻENIE

PRZEPŁYWU

SKŁADNIK STĘŻENIE

NETĘŻENIE

PRZEPŁYWU

GAZ (paliwo)

−

31,2500

SPALINY

−

286,8131

CO 0,0020

0,0625

[CO]''

k

0,0980

28,1077

CO

2

0,0010

0,0313

[CO

2

]''

k

0,0250

7,1703

CH

4

0,9700

30,3125

[O

2

]''

k

0,0085

2,4379

C

2

H

4

0,0020

0,0625

[N

2

]''

k

0,8686

249,1259

H

2

0,0060

0,1875

WILGOĆ SP. (x''

SS

) 0,2128

61,0338

O

2

0,0170

0,5313

N

2

0,0020

0,0625

POWIETRZE (n'

a

) 9,3245

.

291,4200

.

WILGOĆ POW. (x

a

) 0,0032

0,1000

ZESTAWIENIE ENTALPII

PRZYCHÓD ROZCHÓD

I

24172,69

I

1709077,326

I

24465980

I

689659,7666

I

24490152,69

I

2398737,093

I

89134,7969

I

,

9598,764

I

24,48566

BILANSOWANIE URZĄDZEŃ CIEPLNYCH

WYDZIAŁ INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ str.

10

VI.

Sprawność i wydajność kotła.

W naszym przypadku sprawność kotła wynosi:

ż

0,55

55%;

gdzie:

−

ż

− strumień ciepła użytecznego – wydajność cieplna kotła, kW,

−

− strumień energii napędowej, czyli strumień całkowitej energii

doprowadzonej do kotła, kW

Q

ż

I

I ;

I

I

I

24172,69

24465980

89134,7969

24579287,49

kJ

h

E

6827,58 kW

Wobec powyższego, wydajność kotła wynosi:

Q

ż

η · E

0,55 · 6827,58

3755,169 kW

Stopień wydajności paliwa wyrażamy procentowo i ma postać:

η

Q

ż

I

· 100%

3755,169 kW

24465980 kJ

h

· 100%

13518608,4

24465980

· 100%

55,25%

VII.

Wnioski

Stopień wykorzystania energii zawartej w paliwie zależy od doskonałości palnika

i wymiennika ciepła spaliny-woda. Współczesne kotły gazowe są w stanie wykorzystać
ją prawie w całości – ich sprawność często przekracza 90%. Wynika z tego, że badany kocioł
w eksploatacji nie jest opłacalny, zarówno pod względem stopnia wykorzystania paliw jaki i
samej jego sprawności. Jeżeli paliwo i gaz nie są podgrzewane przed kotłem, stopień
wykorzystania paliwa jest zarazem sprawnością kotła.

VIII.

Literatura.

• J. Szargut – „Termodynamika”

• J. Szargut, J. Wilk – „Gospodarka cieplna w hutmoctwie”

• J. Nocoń, J. Poznański, S. Słupek, M. Rywotycki – „Technika Cieplna”

(Skrypt uczelniany AGH)

Strony internetowe:

•

http://www.fizyka.edu.pl

•

http://www.softdis.pl/index.php

•

http://wentylacja.com.pl