CC BY
13
^Ш I =======^^^Ш 1
_____________■
УДК 621.18
О ВОЗМОЖНОМ ВЕРХНЕМ ПРЕДЕЛЕ К.П.Д. ГАЗОВОЙ ВОДОГРЕЙНОЙ УСТАНОВКИ
Т.А. ЖАКАТАЕВ Карагандинский государственный университет им. Е. А. Букетова
В статье проведена оценка возможного верхнего предела к.п.д. водогрейной установки и котла на основе эксперимента на ламинарном газовом факеле.
Проведен эксперимент, в ходе которого планировалось оценить возможно высокий (лучший) предел к.п.д. газовой водогрейной установки. Для этих целей использовали бытовую газовую плиту, расположенную в комнате с общим объемом воздуха У2 = 14,37 м3. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Масса воздуха в комнате равна т2 = 17,37 кг. Температура воздуха на улице 8 равнялась 190 С. В экспериментах наибольший перегрев температуры воздуха в комнате составил = *2,2 - *2,1 = 20,9 -18,3 = 2,6 0 С . В комнате на
разных уровнях по высоте располагались три термометра и в расчет брались их осредненные значения. Температурный режим внутри помещения и на улице был примерно одинаковым. Для того чтобы теплопередача через стены комнаты отсутствовала и не произошло утечки тепла, все возможные щели были тщательно закрыты. Потолок этой небольшой комнаты был покрыт слоем пенопласта, пол деревянный, покрыт сверху крагисом, стены комнаты покрыты белой известкой и с трех сторон граничили с другими комнатами, так что тепловую изоляцию объема V можно считать достаточно надежной. Масса воды в цилиндрическом металлическом сосуде К1 равнялась 3,380 кг (определялась взвешиванием). Вначале определяли тепловой поток ц2. Он состоит из трех
частей: 1) теплового потока, излучаемого пламенем 4 в объем К2; 2) потока, передаваемого сосудом 5 путем конвективного теплообмена в тот же объем К2; 3) энергии, содержащейся в газовоздушной смеси, поступаемой в объем комнаты из горелки. То есть это есть энтальпия газовоздушной смеси после завершения горения. Последняя включает в себя также внутреннюю энергию продуктов сгорания, так как в комнате 7 отсутствует какой-либо воздухообмен с внешней средой 8. Таким образом мы определили все суммарные тепловые потери газовой горелки в целом. Другими словами это означает, что комната находилась в адиабатных условиях по отношению к внешней среде.
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
© Т. А. Жакатаев
Проблемы энергетики, 2004, № 5-6
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 - газопроводная труба; 2 - счетчик газа типа ОТ-С1,6; 3 - газовая плита с горелкой;
4 - факел-пламя; 5 - сосуд с водой; 6 - ртутный термометр; 7 - комната
На рис.2 показаны экспериментальные законы изменения температуры воды в объеме Кі.
г
о
Н
■О—Ряді ■—Ряд2 Ряд3 —X— Ряд4
Время, мин.
Рис. 2. Экспериментальные законы изменения температуры воды в объеме У\
Линии 1, 2, 3, 4 - экспериментальные, они получены при различных скоростях истечения газа и указаны в порядке убывания скорости объемного расхода горючего газа О = Ус /т, б,5^10-6< О < 1б,3^10-6 м3/с. По визуальным наблюдениям - режим истечения газов ламинарный. По известным значениям массы воды и воздуха в комнате, по начальным и конечным температурам, а также по известным табличным значениям теплоемкостей воды и воздуха
вычислялись количества теплоты Ql = и ^2 = С2Ш2&2 , которые были
затрачены на разогрев воды и воздуха. Значения теплоемкости воды, как известно, зависят от температуры, 4183 < с1 < 4208 Дж/кг*°С. Поэтому для повышения точности расчета при определении 01 производили численное интегрирование, то есть незначительные интервалы изменения температуры Л*1 умножали на соответствующие значения С1(*1), а затем суммировали.
Из результатов следует, что при изменении расхода горючего газа в области б,5^10-6 < О < 1б,3^10-6 м3/с мощность суммарных тепловых потерь изменяется между 6 < ^2 < 30 Вт, то есть с увеличением мощности горелки суммарные тепловые потери возрастают. Соответственно этому коэффициент полезного действия газовой водогрейной установки изменяется в диапазоне 95,8 йп = 01/0С й 98,2 %. 0С = 01 + 02 - суммарное количество тепла, выделяемое горелкой. Получили ожидаемый результат: в газовой горелке при хорошем контакте фронта пламени с обогреваемой поверхностью суммарные тепловые потери будут минимальными.
При возрастании мощности горелки к.п.д. понижается. С увеличением мощности горелки возрастает теплосъем с единицы поверхности нагреваемого сосуда. Для нашего эксперимента диапазон изменения теплосъема составил 18742 й цу1 й 47011 Дж/м -с. Теплосъем промышленного газового котла
qy ,2 = 20 Гкал/час-м2 в переводе на систему СИ равен 23,3*106 Дж/м2*с. Разумеется,
что мы не можем линейно экстраполировать закон уменьшения П1 из области ^уд в область qу,2: получится неоправданно низкое значение П1, что не будет соответствовать истине. Но тем не менее, закон уменьшения к.п.д. горелочных устройств при увеличении мощности и тепловой нагрузки, на наш взгляд, очевиден. Этот результат можно объяснить следующими несколькими причинами. Во-первых, при возрастании теплосъема с горелки тепловая инерция воды не способствует быстротечному теплообмену. Другими словами это означает, что скорость передачи тепла во внутреннем объеме воды ограничена. Закон Фурье имеет ограничение по скорости передачи тепла во времени. Во-вторых, при возрастании мощности (интенсивности) горения возрастает скорость передачи тепла в окружающую горелку среду (в объем У2). А это, в свою очередь, связано с возрастанием интенсивности излучения горелки и с ростом скорости истечения газов из самой горелки. То есть, получается, что вместе с отходящими газами возрастает и уносимая энтальпия. В силу специальных условий эксперимента, о которых было сказано выше, вся энтальпия отходящих газов остается в комнате, то есть в объеме У2. В-третьих, не исключается и тот факт, что при возрастании скорости истечения газов из горелки происходит увеличение доли несгоревших газов. Это также вполне реально, так как в данной горелке пламя ламинарное и чисто диффузионное. Ламинарные факелы в диффузионном режиме при возрастании скорости истечения, как известно, имеют тенденцию к неполному сгоранию. Линии 3 и 4 показывают нелинейный (в незначительной степени) характер изменения температуры воды *1 в случае медленного разогрева. Можем только лишь предположить, что такая нелинейность вызвана зависимостью теплоемкостей от температуры, а также тем, что в случае достаточно медленного нагрева может сыграть роль скорость теплоотдачи от сосуда У1 к объему У2. Если будут какие-либо другие объяснения этого факта, автор примет с благодарностью.
Эффективный к.п.д. промышленных котлов на жидком и твердом топливе может иметь значения % и 71 * 80 % [1, 2, 3].
Выводы
При малых значениях теплосъема, которые соответствуют ламинарному режиму газового факела, к.п.д. водогрейной установки может достигать высоких значений: 96 98 %.
Summary
In this article we estimated the possible upper bound (top limit) of efficiency of a water-heating installation and a boiler.
Литература
1. Парилов В.А., Ушаков С.Г. Испытание и наладка паровых котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 319 с.
2. Тепловые и атомные электрические станции: справочник. - 2-е перераб. изд., кн. 3 / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 603 с.
3. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: справочник. Книга 4 / Под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина.-М.: Энергоатомиздат, 1983. - 551 с.
Поступила 27.12.2003
