MĚŘENÍ EMISÍ A VÝPOČET TEPELNÉHO VÝMĚNÍKU

Transkript

1 MĚŘENÍ EMISÍ A VÝPOČET TEPELNÉHO VÝMĚNÍKU. Cíl práce: Roštový kotel o jmenovitém výkonu 00 kw, vybavený automatickým podáváním paliva, je určen pro spalování dřevní štěpky. Teplo z topného okruhu je předáváno do chladícího okruhu pomocí připojeného deskového výměníku. Pro tuto konfiguraci stanovte: Součinitel přebytku spalovacího vzduchu z měřené koncentrace CO2 Emise CO2, CO a NOx Součinitel prostupu tepla deskového výměníku, porovnejte hodnoty na základě topného a chladícího okruhu Porovnejte zjištěné emise se zákonnými limity platnými pro emisní třídu 3 2. Definice pojmů: Výhřevnost paliva Qi r [kj/kg] je množství tepla, které se získá při dokonalém spálení kg paliva s následným ochlazením produktů spalování na 20 C, přičemž vodní pára nekondenzuje a zůstává v plynném stavu. Výhřevnost použitých dřevních pelet je kj/kg. Palivo je charakterizováno podílem hořlaviny (C, H, S, N, O), popelovin (A) a vody (W). V původním stavu (tedy včetně popelovin a vody) jsou jednotlivé složky označovány horním indexem r. Složení použitého paliva je následující: C r = 32,3 %; H r = 4,28 %; N r = 0,9 %; S r = 0,089 %; A r = 2 %; W r t = 35 % Součinitel přebytku spalovacího vzduchu α je poměr skutečného množství vzduchu přivedeného pro spálení kg paliva a minimálního (stechiometrického) množství spalovacího vzduchu pro dokonalé spálení kg paliva. Hodnotu α lez určit měřením z koncentrace O2 nebo CO2. cco2max Stanovte α z měřené koncentrace CO2 dle vztahu: CO2 [-] cco2 kde cco2 [obj. %] je změřená koncentrace CO2 ve spalinách a cco2max je teoretická (maximální) koncentrace CO2 ve spalinách při α =. Předpoklad je dokonalé spalování. Určení cco2max je na základě stechiometrických výpočtů ze složení paliva: VCO2 cco2max [-] VSS min kde VCO2 je množství CO2 vzniklého spálením kg paliva a VSSmin minimální (stechiometrický) objem spalin vzniklých spálením kg paliva. Pro jejich výpočet je nejdříve nezbytné určit minimální (stechiometrické) množství spalovacího vzduchu na spálení kg paliva: V,865. C 5,553. H 0,698. S 0,699. O [m 3 N/kg] 0,2 Další vztahy jsou následující: V,855. C 0,003. V 0,683. S 0,799. N 0,7805. V 0,0092V [m 3 N/kg] SS min.

2 VCO2,855. C 0,003. VVS min [m 3 N/kg] Z plynných emisí se stanovuje koncentrace CO2, CO a NOx, přičemž naměřené koncentrace CO a NOx v [ppm] se přepočítávají na hmotnostní koncentraci v [mg.m -3 N] při referenčním obsahu kyslíku ve spalinách % (platí pro kotle na biomasu do výkonu 50 MW). Oxidy dusíku NOx se počítají jako NO2. Přepočet koncentrace se provádí podle vztahu: pn. M. R. T 2 c. 2 c O2ref kde jednotlivé symboly značí: φ = měřená koncentrace [ppm obj.] Mm = molekulová hmotnost [g/mol] pn = normální tlak, tj. 0,325 kpa TN = normální teplota, tj. 273,5 K co2ref (co2) = referenční (měřená) koncentrace kyslíku [obj. %] R = 8,34 J/(K.mol) univerzální plynová konstanta ρ = přepočtená hmotnostní koncentrace [mg/m 3 N] N Součinitel prostupu tepla k (někdy značeno U) představuje, množství předaného tepla teplosměnnou plochou o velikosti m 2 při rozdílu teplot K. Pro výpočet deskového výměníku se použije následujících rovnic: Q = m w c pw (t wo t wi ) [kw] Kde Q je tepelný výkon, mw hmotnostní tok vody, cpw měrná tepelná kapacita vody při její střední teplotě, two teplota vody na výstupu a twi teplota vody na vstupu. m O2 Q = ks t ln [kw] Kde Q je tepelný výkon, k součinitel prostupu tepla, S teplosměnná plocha, Δtln střední logaritmický teplotní spád. t ln = t v t m ln t v t m [kw] Kde Δtv je větší a Δtm menší teplotní rozdíl obou médií na konci výhřevné plochy. Velikost teplosměnné plochy uvažujte,22 m 2. Výpočet pro součinitele prostupu tepla proveďte na základě stanovení výkonu topného okruhu a následně chladícího okruhu. Experimentálně zjištěnou hodnotu součinitele prostupu tepla porovnejte s teoretickým výpočtem. Nezbytné je tedy vypočítat součinitele přestupu tepla h (někdy značeno α) na obou stranách. Na základě experimentálního měření byl získán vztah v podobě: Nu = hd h λ w = C i Re 0,78 Pr 0,4 Kde Nu je Nusseltovo číslo, h součinitel prostupu tepla, Dh hydraulický průměr, Ci konstanta, λw součinitel tepelné vodivosti vody.

3 Součinitel prostupu tepla rovinou deskou se následně získá z k = + d s + h λ s h 2 Kde ds je tloušťka stěny, λs součinitel tepelné vodivosti materiálu výměníku. Ve výpočtu uvažujte: Pro topný okruh C = 0,80 Pro chladící okruh C = 0,25 Dh = 4,6 mm Ds = 0,8 mm λs =7 W/m 2.K Průtočný průřez A = 0,0035 m 2 3. Postup měření: Měření účinnosti je zkouška statická, tzn. že během měření se nesmějí provádět žádné regulační zásahy, které by vedly ke změně provozního režimu kotle. Kotel se uvede do ustáleného stavu a v pětiminutových intervalech se provádějí odečty měřených veličin. Měření trvá celkem 60 minut, tj. 2 odečtů + počáteční stav. Měřené veličiny: 3 x koncentrace (O2,CO2, CO a NOx) 4 x teplota na výměníku 2 x průtok vody (studená a teplá strana výměníku) Úkoly: Do přehledné tabulky vyhodnoťte naměřená data, respektive stanovte střední hodnoty měřených veličin. Dále uveďte jejich minimální, maximální hodnoty a směrodatnou odchylku. Vypočítané střední hodnoty se následně použijí pro vyhodnocení požadovaných veličin dle postupu uvedeného výše. Přístroje a zařízení: - kotel na dřevní štěpku - deskový výměník - analyzátor spalin - průtokoměry - termočlánky

4 Tabulka fyzikálních vlastností pro výpočet bezrozměrných čísel Vztahy pro výpočet Nusseltova čísla Nu, Reynoldsova čísla Re a Prandtlova čísla Pr: Nu = Re = D λ ρ w D μ Pr = c p μ λ Závislost fyzikálních vlastností vody na její teplotě: Teplota vody Hustota Měrná tepelná kapacita Dynamická viskozita Tepelná vodivost T [ C] ρ [kg/m 3 ] cp [kj/kgk] μ [Pas] λ [W/mK] ,2 4,85 0,0000 0, ,0 4,82 0, , ,6 4,80 0, , ,0 4,79 0, , ,2 4,79 0, , ,2 4,79 0, , ,0 4,80 0, , ,7 4,8 0, , ,2 4,83 0, , ,5 4,85 0, , ,7 4,88 0, , ,8 4,92 0, , ,8 4,96 0, , ,6 4,200 0, ,670

5 O 2 CO 2 CO NO x t wi t wo t wi2 t wo2 Q w Q w2 [%] [%] [ppm] [ppm] [ C] [ C] [ C] [ C] [m 3 /h] [m 3 /h]