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 0 000 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.
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.
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
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] 20 998,2 4,85 0,0000 0,599 25 997,0 4,82 0,00089 0,607 30 995,6 4,80 0,00080 0,65 35 994,0 4,79 0,00072 0,622 40 992,2 4,79 0,00065 0,629 45 990,2 4,79 0,00060 0,635 50 988,0 4,80 0,00055 0,640 55 985,7 4,8 0,00050 0,646 60 983,2 4,83 0,00047 0,65 65 980,5 4,85 0,00043 0,655 70 977,7 4,88 0,00040 0,660 75 974,8 4,92 0,00038 0,663 80 97,8 4,96 0,00035 0,667 85 968,6 4,200 0,00033 0,670
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] 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3