Politechnika Warszawska WBM i P w Płocku
Laboratorium z techniki cieplnej			Data: 10.1.2000 r.
IS - 31c		Dariusz Wasążnik	Numer ćwiczenia:	5
Temat:	Bilans cieplny kotła wodnego		Ocena:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie sprawności cieplnej kotła wodnego, na podstawie temperatury oraz składu spalin wychodzących z kotła, parametrów czynnika ogrzewanego w kotle oraz parametrów paliwa.

2. Podstawy teoretyczne

Bilans cieplny kotła jest wyznaczany dla ustalonego stanu układu. Przy założeniu, że osłonę bilansową stanowi zewnętrzna powierzchnia kotła oraz przekroje wlotów i wylotów paliwa, spalin i wody, równanie bilansu cieplnego będzie miało postać:

[kW] - ciepło dostarczone w jednostce czasu,

[kW] - ciepło użyteczne, którego miarą jest przyrost entalpii czynnika roboczego od stanu wlotowego, przy którym jest on odprowadzany z układu,

[kW] - strata niezupełnego spalania występująca wówczas, gdy w spalinach występują palne składniki gazowe,

[kW] - strata odlotowa równa ilości ciepła odprowadzanego w jednostce czasu ze spalinami do atmosfery,

[kW] - reszta strat obejmująca ciepło oddane z powierzchni kotła do otoczenia oraz efekty błędu pomiaru.

Ciepło dostarczone -

Jest to ilość ciepła, która może być otrzymana przy całkowitym i zupełnym spalaniu paliwa.

Przy spalaniu paliwa gazowego wynosi:

gdzie:

- ciepło dostarczone

- objętościowe natężenie przepływu paliwa gazowego [m³ wilgotnego paliwa /s]

- udział objętościowy wilgoci w paliwie [%]

W_u - wartość opałowa paliwa [kJ /m³ suchego paliwa]

Ciepło użyteczne -

Wynikiem użytecznym działania kotła wodnego jest wyprodukowanie określonej ilości wody o wymaganych parametrach. Wartość ciepła użytecznego dla kotłów wodnych wynosi:

gdzie:

- ciepło użyteczne

- masowe natężenie przepływu wody przez kocioł [kg /s]

c_w - ciepło właściwe wody

- temperatura wody przed kotłem [^oC]

- temperatura wody za kotłem [^oC]

Strata niezupełnego spalania -

Jest to strata spowodowana niezupełnym spalaniem paliwa. Występuje wówczas, gdy w spalinach występują palne składniki gazowe. W obliczeniach zakłada się, że jedynym składnikiem palnym, który może występować w spalinach jest tlenek węgla CO₂.

Strata odlotowa -

Powodem powstawania tej straty jest ograniczenie temperatury, do której można ochłodzić odprowadzane spaliny ze względu na niebezpieczeństwo wykraplania się wilgoci i intensywnej korozji przewodów spalinowych. Wielkość tej straty oblicza się z zależności:

gdzie:

- strata odlotowa

β - dla paliw gazowych równa zero

V_ss - objętość spalin suchych [m³ /m³ wilgotnego paliwa]

V_w - objętość pary wodnej w spalinach [m³ /m³ wilgotnego paliwa]

- średnie ciepło właściwe pary wodnej w zakresie temperatur od t_o do t_s [kJ /m³ K]

- średnie ciepło właściwe spalin suchych przy stałym ciśnieniu w zakresie temperatur od t_o do t_s [kJ/m³ suchych spalin] obliczane według wzoru:

gdzie:

- średnie ciepło właściwe CO₂ [kJ /m³K]

- średnie ciepło właściwe O₂ [kJ /m³K]

- średnie ciepło właściwe N₂ [kJ /m³K]

Pozostałe straty -

Są to straty ciepła spowodowane wymianą ciepła z otoczeniem, powiększone lub pomniejszone o efekty błędu pomiaru.

Wskaźnik pracy kotła

Wielkością, która pozwala ocenić pracę kotła jest sprawność cieplna. Wyraża się ją zależnością.

3. Stanowisko pomiarowe

Badanym kotłem wodnym jest terma gazowa na gaz propan - butan. W wyniku spalania gazu uzyskujemy ciepło które jest wykorzystane do podgrzania wody przepływającej przez wężownicę zainstalowaną w kotle.

4. Pomiary i opracowanie wyników

Początkowy wydatek gazu: ciśnienie gazu: 0,015 [kg/cm²]

Vo = 27170 [m³] temperatura otoczenia: 17 [^oC]

Różnice wydatku gazu: temperatura gazu: 23,5 [^oC]

V _(n+1) - V _n [m³] temperatura wody: 23 [^oC]

Wydatek wody: czas pomiaru: 60 [s]

1 l/h =
[ m³/s]

Wydatek gazu:

V _(n+1) - V _n / 60 [m³/s]

Lp.	Wydatek gazu	Temperatura wody ciepłej	Temperatura spalin	Wydatek wody cieplej
		m^3	^oC	^oC	l/h
1	27182	32	153	800
2	27193	41	162	750
3	27204	41,5	169	700
4	27215	41,7	170	650
5	27227	42,5	171	600
6	27238	44,5	173,5	550
7	27249	47	176	500
8	27260	50	177,6	450
9	27271	53	177,8	400
10	27281	57	178	350
11	27292	64,5	179	300
12	27303	74	180	250
Lp.	Wydatek wody cieplej	Wydatek wody cieplej	Różnice wydatku gazu	Wydatek gazu
		l/h	m^3/s	m^3	m^3/s
1	800	2,22E-04	0,012	0,00020
2	750	2,08E-04	0,011	0,00018
3	700	1,94E-04	0,011	0,00018
4	650	1,81E-04	0,011	0,00018
5	600	1,67E-04	0,012	0,00020
6	550	1,53E-04	0,011	0,00018
7	500	1,39E-04	0,011	0,00018
8	450	1,25E-04	0,011	0,00018
9	400	1,11E-04	0,011	0,00018
10	350	9,72E-05	0,010	0,00017
11	300	8,33E-05	0,011	0,00018
12	250	6,94E-05	0,011	0,00018

W ćwiczeniu przyjęto, że spalanie gazu jest całkowite, dlatego nie liczono straty niezupełnego spalania Q_nz. Dlatego skład spalin wyznaczono ze stechiometrycznych równań reakcji spalania:

propanu

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O

butanu

C₄H₁₀ +6,5 O₂ = 4CO₂ + 5H₂O

Na podstawie równań stechiometrycznych obliczono:

Teoretyczne zapotrzebowanie tlenu:

T_zT = 5 x C₃H₈ + 6,5 x C₄H₁₀ = 5 x 0,5 + 6,5 x 0,5 = 5,75

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza:

T_zP = (1/0,21) x 5,75 = 27,38

Z tablic cieplnych odczytano rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza do spalenia:

• do spalenia 1m³ propanu potrzeba 31 m³ powietrza

• do spalenia 1m³ butanu potrzeba 23,8 m³ powietrza

Obliczono rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza do spalenia 1m³ propanu - butanu:

R_zP =

Obliczono współczynnik nadmiaru powietrza:

λ = R_zp/T_zp = 27,4/27,38 = 1,0007

Obliczenie ilości azotu w powietrzu rzeczywistym do spalenia gazu:

N₂ =

Obliczenie ilości tlenu w powietrzu rzeczywistym do spalenia gazu:

O₂ = 0,21 x (27,4 - 27,38) = 0,0042 m³

Obliczenie ilości spalin wilgotnych:

CO₂ + H₂O + N₂ + O₂ = 3,5 + 4 + 21,65 + 0.0042 = 29,1542 m³ / m³

Obliczenie ilości spalin suchych:

CO₂ + N₂ + O₂ = 3,5 + 21,65 + 00042 = 25,1542 m³ /m³

Obliczenie ilości pary wodnej w spalinach:

29,1542 -25,1542 = 4 m³ /m³

Obliczenie wartości opałowej gazu:

m C₃H₈ = 3·12+8·1 = 44 kg/kmol

m C₄H₁₀ = 4·12+8·1 = 56 kg/kmol

T = 296,9 K

P = 0,15 Pa + 101325,147 Pa

g_prop = 0,44

g_but = 0,56

B = 8,3141 kJ/kgK

R = B/m_mol

Wu_mas = g_prop · 46360 + g_but · 45300 = 0,44 · 46360 + 0,56 · 45300 = 45757 kJ/kg

R_m = R_prop · g_prop + R_but ·g_but = 0,18897 · 0,44 + 0,14847 · 0,56 = 0,16629 kJ/kgK

Wu_obj = Wu_mas · R·T/p = 22189 kJ/m³

5. Dyskusja błędu

Analiza niepewności pomiarowych:

wydatek średni gazu:

Błąd względny:

Lp.	Wydatek gazu	Wydatek średni	Niepewność obj. (wydatku gazu)	Błąd względny
		m^3/s		m^3/s		m^3/s
1	2,00E-04	0,000182	-1,80E-05	0,099
2	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
3	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
4	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
5	2,00E-04	0,000182	-1,80E-05	0,099
6	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
7	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
8	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
9	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
10	1,67E-04	0,000182	-1,50E-05	0,082
11	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005
12	1,83E-04	0,000182	-1,00E-06	0,005

6. Tabela wyników

Lp.	tw1	tw2	tg	pg	tsp	pb	mw	vg	τ
		^oC	^oC	^oC	Pa	^oC	kPa	kg/s	m^3/s	s
1	23	32	23	0,15	153	101,325	0,22	(2,00±0,18)·10^-4	60
2	23	41	23	0,15	162	101,325	0,208	(1,83±0,01)·10^-4	60
3	23	41,5	23	0,15	169	101,325	0,194	(1,83±0,01)·10^-4	60
4	23	41,7	23	0,15	170	101,325	0,181	(1,83±0,01)·10^-4	60
5	23	42,5	23	0,15	171	101,325	0,167	(2,00±0,01)·10^-4	60
6	23	44,5	23	0,15	173,5	101,325	0,153	(1,83±0,01)·10^-4	60
7	23	47	23	0,15	176	101,325	0,139	(1,83±0,01)·10^-4	60
8	23	50	23	0,15	177,6	101,325	0,125	(1,83±0,01)·10^-4	60
9	23	53	23	0,15	177,8	101,325	0,111	(1,83±0,01)·10^-4	60
10	23	57	23	0,15	178	101,325	0,097	(1,63±0,01)·10^-4	60
11	23	64,5	23	0,15	179	101,325	0,083	(1,83±0,01)·10^-4	60
12	23	74	23	0,15	180	101,325	0,069	(1,83±0,01)·10^-4	60

7. Wykresy

8. Wnioski

Sprawność kotła wodnego zależy w największym stopniu od ilości ciepła dostarczonego oraz ilości ciepła użytecznego. Ciepło użyteczne wzrasta wraz ze wzrostem natężenia przepływu wody, przy zmniejszającej się temperaturze wody gorącej na wylocie z kotła.

1

8

Rotametr

Licznik gazowy

P

Propan

butan

T

T

T

T

---