![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Методические указания к выполнению лабораторных работ
- •1.3. Аппаратура и материалы
- •1.4. Указания по технике безопасности
- •1.5. Методика и порядок проведения работы
- •1.6. Содержание отчета и его форма
- •1.7. Вопросы для защиты работы
- •1.8 Список рекомендуемой литературы
- •2.3. Аппаратура и материалы
- •2.4. Указания по технике безопасности
- •2.5. Методика и порядок проведения работы
- •2.6. Содержание отчета и его форма
- •2.7. Вопросы для защиты работы
- •2.8 Список рекомендуемой литературы
- •3.3. Аппаратура и материалы
- •3.4. Указания по технике безопасности
- •3.5. Методика и порядок проведения работы
- •3.6. Содержание отчета и его форма
- •3.7. Вопросы для защиты работы
- •3.8 Список рекомендуемой литературы
- •4.3. Аппаратура и материалы
- •4.4. Указания по технике безопасности
- •4.5. Методика и порядок проведения работы
- •4.6. Содержание отчета и его форма
- •4.7. Вопросы для защиты работы
- •1.8 Список рекомендуемой литературы
- •Методические указания к выполнению лабораторных работ
- •Составители: Аборнев д. В., Воронин а. И., Стоянов н. И.
4.3. Аппаратура и материалы
Вода из верхней емкости (1) самотеком поступает через змеевик водонагревателя (3) в нижнюю емкость (4). Снизу под змеевиком установлена керосиновая горелка (7). Дымовые газы, проходя через змеевик нагревают протекающую в нем воду, затем удаляются наружу через дымовую трубу (8) под действием силы естественной тяги. Возникновение естественной тяги обусловлено разностью плотностей сред с разной степенью нагретости. Для анализа состава дымовых газов имеется химический газоанализатор (5). Температура дымовых газов определяется с помощью термопары (12) и потенциометра (11).
2 – кран на водяном контуре,
6 – соединительные шланги водяного контура,
9 – шланг отбора дымовых газов,
10 – соединительные провода.
Рис. 4.1 – Схема лабораторной установки
4.4. Указания по технике безопасности
Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».
4.5. Методика и порядок проведения работы
В данной работе необходимо сравнить значения КПД установки, определенные по прямому и обратному балансу.
I. Определить КПД установки по прямому балансу, это значит найти отношение величин количества тепла полезно воспринятого и тепла выделившегося в камере сгорания.
|
(4.5) |
1. Определяем количество затраченной тепловой энергии, т.е. тепло выделяющееся при сгорании топлива. Эту величину несложно подсчитать, зная удельную теплоту сгорания топлива qт (кДж/кг) и его расход Gт (кг).
|
(4.6) |
Удельная теплота сгорания керосина определяется по справочным данным [5]. Для керосина она составит 43 МДж/кг
Расход топлива можно определить путем взвешивания керосиновой горелки до и после опыта. Таким образом, разница в весе и составит расход керосина затраченного на горение.
2. Определяем количество полезно воспринятой тепловой энергии, т.е. тепло которое было воспринято нагревающейся в змеевике водой. Для расчета этой величины потребуется знать количество нагретой воды Gв (кг), ее теплоемкость Ср (кДж/(кг·ºC)), а также потребуется знать на сколько градусов была нагрета эта вода ∆t (ºC).
|
(4.7) |
Количество воды нагретой в течении опыта можно определить с помощью мерной емкости.
Для определения температурного перепада ∆t, необходимо будет измерить температуру воды на входе в нагреватель tхол (которая как правило остается постоянной в течении всех опытов) и температуру нагретой воды на выходе из нагревателя tгор. Эти температуры могут быть измерены простым спиртовым термометром.
|
(4.8) |
Теплоемкость воды Сp определяется по справочным данным как средняя изобарная теплоемкость при средней температуре tср=(tгор+tхол)/2, ºC.
Для экспериментального определения вышеуказанных величин необходимо выполнить опыт в следующей последовательности.
1. Наполнить верхнюю емкость исходной водой, а нижнюю емкость полностью освободить.
2. Взвесить керосиновую горелку и измерить температуру исходной воды.
3. Поджечь фитиль горелки и установить ее на свое место в топочном шкафу под змеевиком.
4. Открыть кран на водяном контуре, чтобы исходная вода, проходя через змеевик, нагревалась и сбрасывалась в нижнюю емкость.
6. Далее, удостоверившись, что опыт проходит нормально, необходимо выждать некоторое время, для того чтобы выгорела некоторая существенная часть керосина, чтобы потом изменение веса можно было зафиксировать на весах с достаточной степенью точности. Это время назначается преподавателем и рекомендуется не менее 15 мин. В течении этого времени, спустя 5миннут от начала опыта, произвести замер температуры уходящих газов и выполнить анализ продуктов сгорания на газоанализаторе.
5. Когда время опыта подходит к концу, необходимо измерить температуру нагретой сбросной воды. Для этого можно взять спиртовой термометр и опустить его вместе со сбросным шлангом в мерную емкость. Использование данного метода измерения рекомендуется, для того чтобы исключить погрешность, связанную с охлаждением воды в сбросной емкости и недогревом воды в первые минуты опыта, когда идет разогрев установки.
6. По истечении назначенного времени опыта необходимо потушить горелку и перекрыть кран на водяном контуре.
7. С помощью мерной емкости
измерить объем нагретой воды и используя
значение ее плотности ()
рассчитать ее вес.
8. Керосиновую горелку снова вытащить и взвесить.
Таким образом, практическая часть опыта закончена. Для удобства вычислений все измеренные величины нужно записывать в протокол опыта, по форме таблицы 4.1. Температуру уходящих газов и результаты газового анализа записать в таблицу 4.4.
Таблица 4.1
№ оп |
Вес керосинов. горелки, кг |
Температура воды, ºC |
Вес нагретой воды, кг | ||
до опыта |
после опыта |
исходной |
нагретой | ||
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
Таким образом, по выше приведенным рекомендациям необходимо выполнить несколько опытов. Их количество и режим каждого опыта задаются преподавателем.
Затем, чтобы определить значение КПД для каждого опыта, необходимо выполнить соответствующие расчеты, которые рекомендуется сводить в таблицу 4.2. Производимые расчеты для одного любого опыта должны быть подробно представлены с пояснениями.
Таблица 4.2
№ оп |
Gт , кг |
∆t, ºC |
Gв , кг |
Qз , кДж |
Qп , кДж |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
II. Определить КПД установки по обратному балансу, это значит от 100% отнять значения всех потерь тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива.
|
(4.9) |
Принимая во внимание, что q4 = 0 иq5 = 5% упростим формулу
|
(4.10) |
Определяем долю тепла, которая теряется от химической неполноты сгорания топлива
|
(4.11) |
где
– теплотворная способность топлива,
=
43000кДж/кг;
Q3– потеря тепла от неполноты сгорания топлива.
|
(4.12) |
где CPиSP – рабочее содержание углерода и серы в топливе, в % по весу.
Для керосина рабочий состав топлива в % по весу следующий:
CP=86,0; HР=13,7; SP=0; OP+ NР=0,1;
RO2 – трехатомные газы в % по объему, определяемые газовым анализом, причем, при сгорании керосинаSO2=0.
Количество окиси углерода (СО) и азота (N2) определяется на основе полученных данных концентрации кислорода (О2) и углекислого газа (СО2).
|
(4.13) |
|
(4.14) |
где CO,O2иN2– процентное содержание соответствующих газов в продуктах сгорания.
Потеря тепла с уходящими газами q2равна энтальпии газов удаляемых в атмосферу за вычетом количества тепла, вносимого с топливом и с поступающим в топку воздухом, деленной на теплотворную способность топлива, то есть:
|
(4.15) |
где Yyx– энтальпия уходящих газов,кДж/кг;QT– физическое тепло топлива,кДж/кг;QB– энтальпия поступающего в топку воздуха,кДж/кг.
Порядок подсчета величин Yyx,QT,QBприводится ниже.
Энтальпия уходящих газов подсчитывается по уравнению:
|
(4.16) |
где
– средние объемные теплоемкости газов
при постоянном давлении: значения их
приводятся в таблице 4.3 в зависимости
от температуры, вкДж/(нм3
·К);tyx– температура уходящих газов,ºС.
Таблица 4.3. – Значение средних объемных теплоемкостей газов и влажного воздуха при постоянном давлении.
Температура ºС |
|
|
|
|
0 |
1,593 |
1,293 |
1,494 |
1,319 |
100 |
1,713 |
1,296 |
1,506 |
1,324 |
200 |
1,796 |
1,300 |
1,522 |
1,332 |
300 |
1,871 |
1,307 |
1,542 |
1,342 |
400 |
1,929 |
1,317 |
1,566 |
1,354 |
500 |
1,997 |
1,329 |
1,589 |
1,368 |
Объем трехатомных газов подсчитывается по уравнению:
|
(4.17) |
где CP,SP– рабочее содержание углерода и серы в топливе в % по весу.
Объем двухатомных газов определяется по уравнению:
|
(4.18) |
где V0– теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания единицы массы топлива, определяемое по уравнению:
|
(4.19) |
где CP,HP,NP,OP– рабочий состав топлива.
Объем водяных паров определяется:
|
(4.20) |
где WP– влажность топлива, для керосинаWP= 0.
Объем избыточного воздуха определяется из выражения:
|
(4.21) |
где – коэффициент избытка воздуха.
Численное значение коэффициента избытка воздуха определяется для каждого режима на основании полученных результатов газового анализа:
|
(4.22) |
Таким образом, зная все члены, входящие в уравнение (4.16), подсчитывают величину энтальпии уходящих газов. Температура уходящих газов tyxпри испытании котла замеряется термопарой с последующей записью на вторичном приборе. Значения объемных теплоемкостей компонентов составляющих дымовые газы принимаются из таблицы 4.3 в зависимости от температурыtyx.
Затем определяются QTиQB, входящие в состав уравнения (4.15).
|
(4.17) |
|
|
(4.10) |
где СТ– средняя теплоемкость топлива, принимаемая для газа равной 1,675кДж/кгК;tТ– температура топлива, принимаемая равной 100С;– коэффициент избытка воздуха;V0– теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кгтоплива,нм3/кг,СВ , tВ– теплоемкость воздуха и его температура.СВберется из таблицы 4.3 в зависимости от температуры.
Осуществляя процесс горения с различными коэффициентами избытка воздуха, подсчитывают потери q2иq3. По полученным значениямидля различных эксплуатационных режимов строят графическую зависимость:
= f().
Зная КПД котла, подсчитывают часовой расход топлива по уравнению:
|
(4.19) |
где D– нагрузка котла, то есть производительность по горячей воде,кг/ч;iгв , iхв– энтальпия горячей и холодной воды,кДж/кг.
Для температуры до 100 0С значения энтальпии горячей и холодной воды можно принять численно равными произведению удельной теплоемкости воды (СВ= 4,190кДж/кгК) на ее температуру.
Удельный расход топлива на получение 1 кггорячей воды заданных параметров определяется по формуле:
|
(4.20) |
Таблица 4.4.– Экспериментальные значения рабочих параметров и расчетные результаты их обработки.
Измеряемые параметры, расчетные показатели |
Обозначение |
Единицы измерен. |
№ режима | |||
1 |
2 |
3 |
… |
1 |
2 |
3 |
4 | ||||||||
Расход нагреваемой воды |
D |
кг/ч |
|
|
|
| |||||
Температура питательной воды |
tпв |
0С |
|
|
|
| |||||
Температура горячей воды |
tгв |
0С |
|
|
|
| |||||
Температура воздуха помещения |
tв |
0С |
|
|
|
| |||||
Температура топлива (керосина) |
tт |
0С |
|
|
|
| |||||
Температура уходящих газов |
tуг |
0С |
|
|
|
| |||||
Состав продуктов сгорания: | |||||||||||
Кислород |
O2 |
% |
|
|
|
| |||||
Углекислота |
CO2 |
% |
|
|
|
| |||||
Окись углерода |
CO |
% |
|
|
|
| |||||
Азот |
N2 |
% |
|
|
|
| |||||
Коэффициент избытка воздуха |
|
б/м |
|
|
|
| |||||
Химический недожог |
Q3,q3 |
кДж/кг, % |
|
|
|
| |||||
Потери с уходящими газами |
Q2,q2 |
кДж/кг, % |
|
|
|
| |||||
КПД |
|
% |
|
|
|
| |||||
Расход топлива |
B,b |
кг/ч, кг/кг |
|
|
|
|
Рассчитанные значения КПД установки по прямому и обратному балансу необходимо сравнить и сделать соответствующие выводы