ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΛΕΒΗΤΑ

10/3/12 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΛΕΒΗΤΑ

1/10mecheng.8m.com/levitas.htm

Free Web Hosting Provider - Web Hosting - E-commerce - High Speed Internet - Free Web Page

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΛΕΒΗΤΑ

1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Αντικείμενο της παρακάτω τεχνικής έκθεσης είναι η μελέτη του ισοζυγίου ενέργειας ενός λέβητα .

Ο λέβητας είναι μία διαδεδομένη συσκευή που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ζεστού ή υπέρθερμου ατμούπου κυκλοφορεί σε σωλήνες γύρω από το φλογοθάλαμο με σκοπό τόσο τη θέρμανση κατοικιών όσο και τηνπαραγωγή ενέργειας ή τη χρήση του σε βιομηχανικές διεργασίες.

Κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών ασκήσεων στο εργαστήριο εφαρμοσμένης θερμοδυναμικής έγινανμετρήσεις στο λέβητα του κτιρίου της πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης

στις 24-3-1999.Σκοπός των μετρήσεων ήταν ο υπολογισμός της μεταβολής της θερμοκρασίας και τηςπεριεκτικότητας των καυσαερίων σε διάφορες ενώσεις και ουσίες μεταβάλλοντας παράλληλα την ποσότητατου αέρα στο μίγμα καυσίμου-αέρα. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν ενώ η θερμοκρασία στον περιβάλλοντα

χώρο ανερχόταν στους 19ºC.

2.ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ

Ο υποεξέταση λέβητας χρησιμοποιείται για τη θέρμανση νερού που αποσκοπεί στην κεντρική θέρμανσηκτιρίου . Πιο αναλυτικά η λειτουργία του είναι η εξής: Αρχικά στον καυστήρα πραγματοποιείται η τροφοδοσία

και η ανάμειξη του καύσιμου μίγματος .Στην συνέχεια προκαλείται έναυση και η ενέργεια που εκλύεται κατάτην καύση θερμαίνει το ψυχρό νερό που διαρρέει τους σωλήνες περιμετρικά του φλογοθαλάμου .

Η κίνηση του θερμού νερού υποβοηθάται από την ύπαρξη του κυκλοφορητή. Στόχος του είναι η προώθηση του

θερμού νερού σε όλο το μήκος των σωληνώσεων του λέβητα και σε μεγάλα ύψη.

Σχηματικά ο λέβητας είναι κυλινδρικός και η επιφάνεια του είναι εξωτερικά μονωμένη .Στην καπνοδόχο απόόπου και διαφεύγουν τα καυσαέρια υπάρχει μία κατάλληλη οπή όπου τοποθετούνται τα μετρητικά όργανα για τα

καυσαέρια .Τέλος μία πεταλούδα ρυθμίζει την αναλογία αέρα –πετρελαίου στο καύσιμο μίγμα.

Οι προδιαγραφές του υποεξέταση λέβητα είναι οι εξής :

Χαλύβδινος λέβηταςΟνομαστική ισχύς : 600.000 kcal/hΕλάχιστη ισχύς : 593 kw

Μέγιστη ισχύς : 830 kwΔιάμετρος : 1,60 mΜήκος μη μονωμένης επιφάνειας : 0,70 m

Μήκος μονωμένης επιφάνειας λέβητα : 3,00 mΚατανάλωση καυστήρα : 45 kg πετρελαίου / h

Συντελεστής μετάδοσης θερμότητας στις μη μονωμένες επιφάνειες : 11,0 kj/(m2Kh)

Συντελεστής μετάδοσης θερμότητας στις μονωμένες επιφάνειες : 6,5 kj/(m2Kh)

Το καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε για το πείραμα είναι DIESEL θέρμανσης και έχει τα παρακάτωχαρακτηριστικά :

Στοιχειομετρική σύσταση : c = 0,86 h = 0,138 s = 0,002

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη : hu = 42.700 kj/ kg

Πυκνότητα : ρ = 0,830 kg/l

3.ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ

Η διάταξη μέτρησης αποτελείται από ένα αναλυτή καυσαερίων αυτοκινήτου τύπου SUN με τη βοήθεια του

οποίου μετρούμε την περιεκτικότητα του CO και CO2 στα καυσαέρια .

Search the Web



Επίσης χρησιμοποιούμε ένα διμεταλλικό θερμόμετρο περιοχής 100-700ºC για τη μέτρηση της θερμοκρασίαςτων καυσαερίων καθώς και ένα υδραργυρικό θερμόμετρο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των επιφανειώντου λέβητα και του περιβάλλοντος.

Ακόμα η διάταξη περιλαμβάνει μία συσκευή για τη μέτρηση της αιθάλης στα καυσαέρια .Με μία αντλία αέρος

αναρροφάται καυσαέριο δέκα φορές .Το καυσαέριο κατά τις αναρροφήσεις περνάει από ειδικό διηθητικό χαρτίτο οποίο συγκρατεί την αιθάλη και χρωματίζεται .Από τη σύγκριση του χρώματος του χαρτιού με μίαβαθμονομημένη κάρτα όπου κάθε απόχρωση του γκρι αντιστοιχεί σε κάποια περιεκτικότητα αιθάλης βρίσκουμετελικά την αιθάλη που περιέχεται στα καυσαέρια .Τέλος χρησιμοποιούμε μανόμετρο για τη μέτρηση του

ελκυσμού στην καμινάδα.

Παρακάτω δίνεται το πρωτόκολλο του ενεργειακού ισοζυγίου του λέβητα.

α/α μέτρησης Θερμ/σίακαυσαερίων tv

[oC]

Περιεκτικότητα σεCO2[% vol]

Περιεκτικότητα σεCO [% vol]

Περιεκτικότητα σε

αιθάλη [ΟBacharach]

λ1 ρυθμισμένο 138 8,5 0,01 0

λ1 < λ2 140 7,5 0,01 0

λ1 > λ3 106 10,5 1,8 10

Θερμοκρασία περιβάλλοντος χώρου : 19οC

Θερμοκρασία εμπρόσθιας επιφάνειας λέβητα : 60 0C

Θερμοκρασία μονωμένης επιφάνειας λέβητα : 30 οC

Θερμοκρασία πίσω επιφάνειας λέβητα : 90 οC

Πίεση εισόδου καυσαερίων στην καμινάδα : 7mm H2O

4.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΖΗΤΟΥΜΕΝΩΝ

1. Να υπολογιστεί και να σχεδιαστεί η σχέση μεταξύ λ και περιεκτικότητας των καυσαερίων σε CO2.

Από τη θεωρία της καύσης προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις :

Για το λόγο αέρα :

λ = 0,21* [1]

για το συντελεστή μετατροπής :

ntr = [2]

Από τις αντιδράσεις καύσης και τη στοιχειομετρική σύσταση του καυσίμου προκύπτει η ελάχιστηποσότητα οξυγόνου που χρειάζεται για να καεί 1 kg καυσίμου. Η σχέση που προκύπτει είναι : Omin =

2,664c + 7,937h + 0,998s [3]

Από τις σχέσεις [1],[2],[3] προκύπτει ο παρακάτω πίνακας :

Από τον παραπάνω πίνακα τελικά προκύπτει η γραφική παράσταση μεταξύ λ και περιεκτικότητας τωνκαυσαερίων σε CO2.



2. Να διερευνηθεί η επίδραση του CO και του SO2 στην παραπάνω σχέση για τα σημεία που μετρήθηκαν.

Για να διερευνηθεί η επίδραση του CO και του SO2 στην τιμή του λ μηδενίζω την ποσότητα πρώτα του

CO και μετά του SO2 στην και υπολογίζω τα νέα λ σε κάθε περίπτωση

οπότε προκύπτει για ΨCO=0 και για s = 0

Όπως φαίνεται και από τους πίνακες η επίδραση του CO και του SO2 στο λόγο του αέρα λ, είναι

αμελητέα αφού η απόκλιση στην τιμή του είναι πολύ μικρή. Μόνο στην 3η περίπτωση του CO το σφάλμαείναι μεγάλο και αυτό γιατί έχουμε υπολογίσιμη ποσότητα CO στα καυσαέρια εξαιτίας της ατελούςκαύσης.

3.Να υπολογιστούν οι επιμέρους απώλειες στον λέβητα και να διερευνηθεί η σχετική συμμετοχή καθεμιάς

κατηγορίας απωλειών για τα σημεία που μετρήθηκαν. Να δικαιολογηθούν οι απώλειες που θεωρήθηκαναμελητέες. Επίσης να υπολογιστεί ο βαθμός απόδοσης για το καθένα από τα μετρημένα σημεία και να

σχολιαστούν οι διαφορές.

Σύμφωνα με το1ο θερμοδυναμικό αξίωμα η θερμότητα που προσδίδεται στο λέβητα είναι ίση με τηθερμότητα που θα καταναλωθεί κατά τη λειτουργία του λέβητα και το ποσό που θα χαθεί από διάφορες

αιτίες.

Δηλαδή : ‘Qπροσδ. = ‘Qωφ. + ‘Qαπ. [4]

Όμως ‘Qαπ. = ‘Qv + ‘Qu + ‘Qs ή qαπ = qv + qu + qs όπου

qv = οι απώλειες θερμότητας λόγω ενθαλπικού περιεχομένου του καυσίμου.

qu = οι απώλειες θερμότητας λόγω ατελούς καύσης.

qs = οι απώλειες θερμότητας λόγω ακτινοβολίας και λόγω μεταφοράς.

Οι υπολογισμοί για τις απώλειες των καυσαερίων έχουν ως εξής:

qv = [h(θg) - h(θπ)]m* v [5]

όπου : θg = η θερμοκρασία καυσαερίων σε οC

θπ = η θερμοκρασία περιβάλλοντος σε οC



Όμως ισχύει h(θg) - h(θπ) = [h(θg) - h(θ0)] - [h(θπ) - h(θ0)] = θg - θπ

Για περισσότερους από δύο παράγοντες η παράσταση γίνεται

= Σξi όπου ξi είναι το κλάσμα μάζας

δηλαδή : = + ξCO + + + +

Ομοίως και για το

Για τον υπολογισμό των ξi όπου i = CO2, CO, O2, N2, SO2, H2O έχω τις σχέσεις :

Þ

Þ

Þ Þ

=

Omin = 2,664c + 7,937h + 0,998s - o = 3,388

Το mv* υπολογίζεται από τη σχέση

Kg καυσίμου + Kg αέρα = Kg καυσαερίου Þ mb + L mb = mv [6]

Ο λόγος αέρα μας δίνει λ = Þ L = λ Lmin

με Lmin=

[6]/mb Þ 1 + L = mv*

Þ mv* = 1 + λLmin = 1 + λ Þ

mv* = 1 + λ14,603

Και από τα παραπάνω προκύπτει ο πίνακας

Η ειδική θερμοχωρητικότητα των ενώσεων δίνεται στον πίνακα 10.7 της σελίδας 463 του βιβλίου

θερμοδυναμικής. Οι τιμές που δεν δίνονται στον πίνακα προσδιορίζονται με τη μέθοδο της γραμμικής

παρεμβολής.



Στους παρακάτω πίνακες δίνονται οι τιμές των ξiCpi καθώς και τα αθροίσματά τους και η ενθαλπία για

της διάφορες θερμοκρασίες που μετρήθηκαν

Ο υπολογισμός των απωλειών λόγω ατελούς καύσης γίνεται σύμφωνα με τη σχέση

[6]/mb Þ 1 + L = mv*

Þ mv* = 1 + λLmin = 1 + λ Þ

mv* = 1 + λ14,603

Και από τα παραπάνω προκύπτει ο πίνακας

Η ειδική θερμοχωρητικότητα των ενώσεων δίνεται στον πίνακα 10.7 της σελίδας 463 του βιβλίουθερμοδυναμικής. Οι τιμές που δεν δίνονται στον πίνακα προσδιορίζονται με τη μέθοδο της γραμμικής

παρεμβολής.

Στους παρακάτω πίνακες δίνονται οι τιμές των ξiCpi καθώς και τα αθροίσματά τους και η ενθαλπία για

της διάφορες θερμοκρασίες που μετρήθηκαν

Ο υπολογισμός των απωλειών λόγω ατελούς καύσης γίνεται σύμφωνα με τη σχέση:

qu = 1000Ψcontrhuco [Kj/Kg]

Η ανώτερη θερμογόνος δύναμη huco είναι ίση με 283 Kj/mol

Επομένως προκύπτουν οι παρακάτω τιμές για τις αντίστοιχες μετρήσεις.

Ο υπολογισμός των απωλειών λόγω μετάδοσης θερμότητας από τα τοιχώματα του λέβητα γίνεται



σύμφωνα με τη σχέση:

qs = με Qs = Σi[α1Α1(θi - θπ)] [Kj/h]

όπου i οι πλευρές του λέβητααi : ο συντελεστής θερμοπερατότητας των επιφανειών

Αi : το εμβαδόν των επιφανειών

1 : η μπροστινή μη μονωμένη πλευρά του λέβητα2 : το κυρίως τμήμα του λέβητα (μονωμένο)

3 : το πίσω μη μονωμένο τμήμα του λέβητα

Άρα Q· s1 = α1Α1(θ1-θπ) = 11* 3,77* (60-19) = 1700 Kj/h

Q· s2 = α2Α2(θ2-θπ) = 6,5* 15,08* (30-19) = 1078,22 Kj/h

Q· s3 = α3Α3(θ3-θπ) = 11* 3,77* (90-19) = 2944,37 Kj/h

Q· s = Q· s1 + Q· s2 + Q· s3 = 5722,59 Kj/h

Επομένως qs = = 5722,59/45=127,17Κj/Kg

Ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση :

nth = και hu = 42700 Kj/Kg

Έτσι προκύπτει ο παρακάτω πίνακας :

Οι διαφορές που παρουσιάζονται στους βαθμούς απόδοσης οφείλονται στη διαφορά του λόγου λ. Στηνπρώτη περίπτωση έχουμε ρυθμισμένο λ και έτσι γίνεται καλή καύση του καυσίμου. Το ίδιο συμβαίνει καιστην δεύτερη περίπτωση όπου υπάρχει περίσσεια αέρα. Στην τρίτη όμως περίπτωση ο αέρας είναιλιγότερος από τον απαιτούμενο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ύπαρξη μεγάλου ποσού CO στα

καυσαέρια, το οποίο έχει μεγάλη θερμογόνο δύναμη. Έτσι μειώνεται και ο βαθμός απόδοσης του λέβητα.

4. Να προσδιοριστούν και να παρασταθούν γραφικά οι συνολικές απώλειες στον λέβητα ως συνάρτηση τηςθερμοκρασίας των καυσαερίων για λ = 1,0 , 2,0 , 3,0.

Θεωρώ ΨCO=0 ,δηλαδή θεωρώ ότι έχουμε τέλεια καύση κάτι που δεν επηρεάζει σημαντικά τα

αποτελέσματα.

Για τις τιμές λ = 1,2,3 υπολογίζουμε το ntr από τη σχέση

λ= Þ ntr = 0,505λ-0,0345625

Παρακάτω υπολογίζονται τα Ψi, ξi, m*

v, ntr για τις νέες τιμές του λ.



Από τον πίνακα 10.7 της θερμοδυναμικής βρίσκουμε τη μέση ειδική θερμοχωρητικότητα Cp των

ενώσεων για τις θερμοκρασίες 100, 150, 200, 250 οC

Στους παρακάτω πίνακες δίνονται τα ΣξiCpi καθώς και η ενθαλπία h για τις διάφορες θερμοκρασίες και

τιμές του λ.

h[θπ] = 16,5649 και mv* = 15,603

h[θπ] = 15,7344 και mv* = 30,206

h[θπ] = 6,97288 και m*v = 44,81

Οι συνολικές απώλειες δίνονται από τη σχέση : qαπ = qu + qv + qs

Όμως qu = 0 αφού έχουμε τέλεια καύση

και qs =127,17 Kj/Kg εφόσον παραμένει σταθερό.

Οι συνολικές απώλειες δίνονται στον παρακάτω πίνακα.



5.Να προσδιοριστεί και να παρασταθεί γραφικά ο βαθμός απόδοσης του λέβητα ως συνάρτηση τηςθερμοκρασίας των καυσαερίων για περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO2 5%, 10%, 14%.

Και στην περίπτωση αυτή θεωρούμε ότι η καύση είναι τέλεια αρα ΨCO=0

Από τις σχέσεις λ = και ntr =

υπολογίζουμε το λ για τις διάφορες τιμές του ΨCO2

Οι ειδικές θερμοχωρητικότητες των ενώσεων είναι οι ίδιες με αυτές του πίνακα του προηγούμενου

ερωτήματος. Επομένως προκύπτουν οι παρακάτω πίνακες.

h[θπ] = 16,36389 και mv* = 43,494

h[θπ] =16,6361και mv* = 22,758



h[θπ] = 21,128 και mv* = 16,771

Ισχύει qαπ = qv + qs qu = 0

και nth =

Επομένως προκύπτει ο πίνακας με τους βαθμούς απόδοσης του λέβητα ανάλογα με τις περιεκτικότητεςσε CO2 στα καυσαέρια.

6.Να υπολογιστεί το σημείο δρόσου των καυσαερίων για ατμοσφαιρική πίεση 1013 mbar.

Από τις παρακάτω σχέσεις :

PH2O = ΨH2O Pεισ

όπου PH2O : πίεση νερού και ατμού σε κατάσταση κορεσμού

και ΨΗ2Ο = όπως και από τον πίνακα του πρώτου ζητήματος υπολογίζουμε τη μερική πίεση

PH2O , το ΨH2O και το ntr για κάθε περίπτωση .

Ακόμα ισχύει ότι η Pεισ είναι ίση με την ατμοσφαιρική δηλαδή Pεισ » 1,013 bar

Από τον πίνακα 10.14 της σελίδας 472 του βιβλίου με γραμμική παρεμβολή βρίσκουμε το σημείο δρόσου στοοποίο αντιστοιχεί πίεση PH2O .Σύμφωνα με αυτά προκύπτει ο παρακάτω πίνακας

λ ntr ΨH2O PH2O t [C]

1,73935 0,8421 0,0757 76,6841 39,43

1,96183 0,9543 0,0674 68,2762 37,89

1,21419 0,5827 0,1058 107,175 46,79

5.ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ



Σύμφωνα με την παραπάνω μελέτη που έχει βασικό σκοπό τον υπολογισμό και την αύξηση του βαθμούαπόδοσης του λέβητα μπορούμε να παράτηρήσουμε τα εξής:

Αύξηση της παροχής του αέρα δηλαδή του λ οδηγεί σε μείωση της περιεκτικότητας του CO2 στα καυσαέριακαθώς και σε ελαχιστοποίηση των απωλειών λόγω ατελούς καύσης (για σταθερή θερμοκρασία ) όμως αντίθετα

αυξάνουν απότομα οι απώλειες λόγω ενθαλπικού περιεχομένου του καυσίμου κάτι που έχει ως αποτέλεσμα τημείωση του βαθμού απόδοσης .Αντίθετα αύξηση της περιεκτικότητας του CO2 για σταθερή θερμοκρασίακαυσαερίων έχουμε μείωση των απωλειών λόγω ενθαλπικού περιεχομένου του καυσίμου οι οποίες αποτελούντο μεγαλύτερο ποσοστό των απωλειών άρα έχουμε και αύξηση του βαθμού απόδοσης.Ακόμα για σταθερό λ

αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αύξηση των απωλειών λόγω ενθαλπικού περιεχομένου του καυσίμου.Τέλος η επίδραση του CO και του SO2 μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα εφόσον δεν επηρεάζουν σημαντικά τα

αποτελέσματα .

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΛΕΒΗΤΑ

Documents

Transcript of ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΛΕΒΗΤΑ