MISKOLCI EGYETEM Gázmérnöki Tanszék Web: www.gas.uni-miskolc.hu
Szunyog István PhD hallgató
ÁTFOLYÓ-RENDSZERŰ GÁZVÍZMELEGÍTŐ TELJESÍTMÉNYÉNEK ÉS HATÁSFOKÁNAK MEGHATÁROZÁSA GAZDASÁGOSSÁGI SZÁMÍTÁSOKHOZ
OTKA T-046224 „Egy lépés a fenntartható infrastruktúra felé - napelemekkel kombinált földgázellátó rendszer háztartási fogyasztóknál”
project kutatási anyaga
Miskolc, 2005. március 25.
OTKA T-046224
2.oldal
Tartalomjegyzék BEVEZETÉS......................................................................................................................................................... 3 1. A MÉRÉS ÉS FELTÉTELRENDSZERE ...................................................................................................... 6 1.1. A MÉRÉSHEZ KAPCSOLÓDÓ ELMÉLETI ISMERETEK ......................................................................... 6 1.2. A MÉRŐKÖR FELÉPÍTÉSE, A MÉRÉS MENETE ...................................................................................... 6 1.3. GÁZMENNYISÉG MÉRÉS............................................................................................................................ 8 1.4. NYOMÁSSZABÁLYOZÁSI LEHETŐSÉGEK ............................................................................................. 9 1.5. A MÉRÉSEK IGÉNYELT PONTOSSÁGA ................................................................................................. 10 2. A MÉRÉS MENETE ...................................................................................................................................... 11 2.1. A MÉRÉSI-SZÁMÍTÁSI MÓDSZER LÉPÉSEI: ......................................................................................... 15 3. MÉRÉSI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE, HIBASZÁMÍTÁS ................................................................ 16 3.1. HIBATERJEDÉS........................................................................................................................................... 16 3.2. A MÉRÉS ÉRTÉKELÉSE............................................................................................................................. 17 3.3. A MÉRÉSI HIBA SZÁMÍTÁSA................................................................................................................... 17 4. TOVÁBBI FELADATOK .............................................................................................................................. 18 IRODALOMJEGYZÉK..................................................................................................................................... 19 MELLÉKLETEK ............................................................................................................................................... 20
2005. január
OTKA T-046224
3.oldal
Bevezetés Amikor a Gázmérnöki Tanszék felvállalta, hogy megvizsgálja miként lehet a korszerű, gáz alapú háztartási földgázellátó rendszert, a napenergiával kombinálni akkor már tudni lehetett, hogy ehhez méréseket, és a mérésekre alapuló gazdaságossági számításokat is kell végeznie. A legfrissebb felmérések szerint a lakosság körében a földgázt elsősorban fűtésre használják (66 %-ban), és alternatív energiahordozókkal (mint a napenergia), a háztartásoknak csak kevesebb, mint egy százaléka fűti lakását. Ez az egy százalék is tovább csökken, ha figyelembe vesszük, hogy a fűtéshez felhasználni kívánt napenergiát egyrészt tárolni kell, másrészt pont a leghidegebb napokban áll a legkevésbé rendelkezésre. Önmagában tehát fűtésre csak extrém beruházási költségekkel alkalmazható, ezért általában kombinált megoldásokban (földgáz és napenergia együtt) alkalmazzák. A fűtéstől eltérően sokkal nagyobb megtakarításokat érhetünk el, ha háztartási melegvíz előállítására használjuk fel ezt a természeti energiát. Melegvízre az év minden napján szüksége van a háztartásoknak. A nyári időszakban a megfelelően méretezett, és kialakított kollektoros rendszer kiegészítő energiaforrás nélkül, önmagában is képes fedezni a háztartás melegvíz igényét. A téli időszakban az előzőekben vázolt rendszer már csak részben lesz képes kielégíteni az igényeket, tehát valamilyen egyéb energiahordozóval kell kombinálnunk a melegvíz készítő rendszerünket. Az átmeneti időszakban (tavasz és ősz), ettől kedvezőbb a helyzet, de még mindig szükséges kiegészítő energiaforrás alkalmazása. Amennyiben a háztartásokban melegvíz előállítására felhasznált energiahordozókat számszerűsítjük, azt kapjuk, hogy a lakosság 47 %-a földgázból, 40 %-a elektromos áramból, 8 %-a a távhőből, 4 %-a egyéb forrásokból és csak 1 %-a nyeri napenergiából a szükséges melegvizet. Ha összeadjuk a földgázból és az elektromos energiából melegvizet előállítók arányát, 87 %-ot kapunk. Ez azt jelenti, hogy potenciálisan a lakosság 87 %-a tudná a napenergiát kombináltan felhasználni melegvíz termelés céljára. Itt nem szerepelhetnek a távfűtéses lakásban élők, hiszen a távfűtés napelemekkel kombinált megvalósításához extrém nagyságú kollektor felületekre, és beruházási költségekre lenne szükség. A továbbiakban mi a 47 %-os földgáz részarány csökkentésének lehetőségével és ezzel együtt a napenergia részarányának növelésével kívánunk foglalkozni, a melegvíz előállítás szempontjából vizsgálva a kérdéskört. Ahhoz, hogy össze tudjuk hasonlítani a fosszilis energiahordozók napenergiával történő kiváltásának műszaki és gazdaságossági előnyeit, méréseket kell végeznünk. A mérések eredményeiből lehet majd gazdaságossági számításokat végezni és ezekből következtetéseket levonni. A kutatási project jelen részében egy átfolyó-rendszerű gázvízmelegítő teljesítményét és hatásfokát határozzuk meg a Gázmérnöki Tanszék Gázipari Laboratóriumában felszerelt Vaillant Mag 17/1 XZ C+ típusú készüléken. A készülék egy átlagos háztartás melegvíz igényének kielégítésére elegendő. A mérési eredmények értékelése után, szükségessé válik egy napelemes, egy háztartás ellátásra alkalmas szolár berendezés mérése, és értékelése is. A két eredmény összehasonlításából már gazdaságossági számítások is elvégezhetők lesznek.
2005. január
1. ábra A Gázmérnöki Tanszék Gázipari Laboratórium mérőköreinek kapcsolási vázlata
OTKA T-046224
2005. január
4.oldal
5.oldal
OTKA T-046224
Az 1. ábra mutatja a Gázipari Laboratórium mérőköreinek az elhelyezését. Az 1 mérőállás tartalmazza a nyomásszabályozó és gázmennyiség mérő egységeket. Itt lehetőség van a gáznyomás 0-30 mbar közötti tartományban való szabályozására, és értékének folyamatos kontrollálására. A két beépített gázmérő (egy hagyományos membrános és egy ultrahangos elven működő) többféle kapcsolásban is alkalmazható. Lehetőség van továbbá a gázmérő utáni nyomás és hőmérséklet meghatározására és gáz mintavételezésre is. Az 5 mérőálláson került sor a fali átfolyó-rendszerű gázvízmelegítő teljesítményének, és hatásfokának meghatározására. A készülék vízkörébe egy elektromos jelet adó vízmennyiség mérő, állandó víznyomást biztosító szelep, egy hőmennyiségmérő és egy szabályozó szelep került beépítésre. A készüléknél mérni kellett a gáznyomást (mérő-, csatlakozási, égőnyomás), hőmérsékletet, gázáramot; vízoldali nyomásokat és hőmérsékleteket; az átfolyt víz mennyiségét; a földgáz fűtőértékét, összetételét; a környezeti nyomást és hőmérsékletet. A mérési blokkban egyaránt mérhető a hőterhelés névleges, min. és max. nyomáson (25; 18; 30 mbar). Mérhető továbbá a hatásfok, és az égéstermék összetétel. A mérésekhez szükséges mérleget egy nagy pontosságú (impulzusszámlálós, elektromos jelkimenetű) vízmérővel helyettesítettük. Minden készülékes mérőállásnál megtalálható az égéstermék elvezetés. Az égéstermék elevezetés megoldása biztosítja a készülék függetlenségét a kéménytől, így a szabványnak megfelelő mérési eljárást is. A készülékből kilépő (az áramlásbiztosítóban már a helyiséglevegővel keveredett) égéstermék az elszívóernyőkbe jut, ahonnan mesterséges elszívással távozik a környezetbe. A készülékből kiáramló égéstermék paramétereit (hőmérséklet, összetétel) az áramlásbiztosító előtt kell mérni. Az áramlásbiztosító után mért paraméterek már a hígított égéstermék jellemzőit adják. Az égéstermék mintavételezéshez a szabványokban ismertetett kialakítású mintavételi szonda szükséges, mely egy időben a füstcső több, azonos magasságban lévő pontjából vesz mintát. Az égéstermék hőmérsékletének érzékelése is ebben a mintavevő szondában történik, a 2. ábra szerint.
2. ábra Égéstermék mintavevő szonda szabványos kialakítása
2005. január
OTKA T-046224
6.oldal
1. A mérés és feltételrendszere A hőegyensúly vizsgálatához H jelű földgázzal üzemelő berendezést használtunk. A mérés során elvégeztük a tüzeléstechnikai számításokat, meghatároztuk a készülék teljesítményét, hatásfokát, veszteségeit, valamint kiszámoltuk a mérési hibát.
1.1. A méréshez kapcsolódó elméleti ismeretek A készülék hatásfokán a hőegyensúlyi állapotra vonatkozó hatásfokot értjük. A gázfogyasztó készülék felfűtési ideje –mely alatt a készülék szerkezetei elemei az egyensúlyi állapotra felmelegszenek- az üzemeltetés idejéhez viszonyítva rövid. Így általában a hatásfok ebben az állapotban való meghatározásától eltekintünk. A készülék direkt hatásfokát a hasznos hőleadás (a felmelegített vízmennyiség) és a rendszerbe bevezetett energia (a gázégő hőterhelése) hányadosaként kapjuk. A méréshez tartozó fogalmak: 1. névleges vízmennyiség: az a vízmelegítőn keresztül átfolyó víztérfogat, amely névleges gázterhelésen 25 °C-al melegszik fel. 2. felfűtési idő: az az idő, amely alatt a készülék vízszelepének nyitása után a működésbe lépő készülékből kifolyó víz hőmérséklete eléri a hőegyensúlyi állapothoz tartozó hőemelkedés 95 %-át. 3. hőegyensúlyi állapot: a vízmelegítő olyan üzemi állapota, amelyben változatlan hőterhelés mellett a készülék teljesítménye (illetve az időegység alatt kifolyó víz mennyisége és hőmérséklete) nem változik. 4. égéstermék távozási hőmérséklete: az égéstermék közepes hőmérséklete a hőátadó felületek után, de az áramlásbiztosító előtt.
1.2. A mérőkör felépítése, a mérés menete A szabványos mérési elrendezést a 3. ábra mutatja, a kialakított mérőkört pedig a 4. ábra. A vízmelegítőt a rendeltetésszerű használatnak megfelelően falra kell szerelni. A készülék hideg és meleg víz csatlakozásában 0-4 bar méréshatárú csőrugós manométerek, valamint 0-100 °C méréshatárú higanytöltésű hőmérők kerültek elhelyezésre. Elhelyezésre került továbbá a hidegvíz oldalon egy állandó nyomást biztosító vízszelep (a mérés alatt 1,0 bar-t kell tartani), egy impulzusszámlálós szárnykerekes vízmérő, és egy hőmennyiségmérő készülék. A melegvíz oldalon egy kézi szabályozószelep található az elvételi vízmennyiség finom szabályozásához. A mérés csak a felfűtési idő után kezdhető el (max. 30 sec). Mértük a készüléken átáramló vízáramot és a víz felmelegedését. A hasznos hőleadást a mért felmelegedésből számított közepes hőmérsékletkülönbséggel határoztuk meg. A bevezetett hőmennyiség meghatározásához mérnünk kellett az elégetett gáz térfogatát és fűtőértékét.
2005. január
7.oldal
OTKA T-046224
1 gáznyomás-mérő; 2 gázhőmérő; 3 kísérleti gázmérő; 4 gáznyomás-mérő; 5 hidegvíz hőmérséklet mérés; 6 víz nyomásmérés; 7 gáz-vízmelegítő; 8 melegvíz hőmérséklet mérés; 9 felfogótartály; 10 mérleg
3. ábra Gázvízmelegítő szabványos mérési elrendezése
4. ábra A gázipari laboratórium gázvízmelegítő mérésére szolgáló mérőpadja
2005. január
8.oldal
OTKA T-046224
1.3. Gázmennyiség mérés A gázipari laboratórium 1 db FLOGISTON G4 RF1 típusú (Vmax=4,0 m3/h), impulzus jeladóval ellátott membrános, és 1 db IEM Sonix 6 TC (G4) típusú (Vmax=4,0 m3/h) elektronikus, ultrahangos elven működő gázmennyiség mérővel rendelkezik. A G4-es mérő 1,0 literes pontossággal, míg az ultrahangos elvű mérő 0,1 tized literes pontossággal képes meghatározni az átáramlott gázmennyiséget. A két mérő az 5. ábrán látható módon került beépítésre. Ezzel az elrendezéssel lehetőség van a gázmennyiség bármelyik mérővel történő külön mérésére. A gázmérővel mért gázmennyiséget minden esetben át kell számítani a gáztechnikai normálállapotra a további számításokhoz, azaz korrigálni kell a barometrikus nyomás és a környezeti hőmérséklet ingadozása miatt.
A- KKS-2-25A típusú gáznyomás szabályozó (pbe= 4-100 mbar, pki= 20-28 mbar); B- KKS-2-25A tíusú gáznyomás szabályozó (pbe= 4-100 mbar, pki= 15-23 mbar); 1- hálózati gáznyomás; 2- csatlakozási gáznyomás; 3- szabályozott gáznyomás; 4- gáz hőmérséklet; 5 FLOGISTON G4 RF1 típusú memrános gázmérő; 6- IEM Sonix 6 TC (G4) típusú ultrahangos gázmérő
5. ábra Nyomásszabályozási és gázmérési kör kialakítása
A mérési összeállításban mérhető a nyomásszabályzó előtti, utáni és a gázmérő utáni gáznyomás 0-60 mbar nyomástartományú csőrugós manométerekkel. A hálózati nyomás értéke 30 mbar. Lehetőség van továbbá a gázmérőből kilépő gáz hőmérsékletének
2005. január
OTKA T-046224
9.oldal
meghatározására is egy 0-100 °C méréstartományú higanyos hőmérővel. Itt végezhető el a földgáz mintavétel is a gázelemzéshez (összetétel, fűtőérték, relatív sűrűség). A gázmérő által szolgáltatott eredményeket minden esetben kisebb-nagyobb hiba terheli, melyet korrigálni kell minden mérési eredmény esetén, mely a hitelesítéskor megadott hibából a korrekciós faktor segítségével számítható. A gázmennyiség mérésére az előzőekben már ismertetett nyomásszabályozó és gázmennyiség-mérő kört használtuk. Az átáramlott gázmennyiséget IEM Sonics 6 TC (G4) típusú ultrahangos mérővel határoztuk meg. A gázmérési egységnél (1 mérőkör) van lehetőség a gázhőmérséklet és a gázmérőben lévő nyomás mérésére. A gázhőmérséklet mérésére 0-100 °C méréshatárú higanyos hőmérőt, a gáznyomás mérésére 0-60 mbar nyomástartományú csőrugós manométert használunk. A mért adatok értékelése során a literben (m3-ben) mért gáztérfogatot át kellett számítani gáztechnikai normálállapotra (Nm3). Az átszámításhoz szükséges a légköri nyomás ismerete is, így barométert is alkalmaznunk kellett.
1.4. Nyomásszabályozási lehetőségek A gázmérési körbe beépítésre került 2 db nyomásszabályozó egység is. Az ’A’ jelű KKS-225A típusú 15-23 mbar, míg a ’B’ jelű KKS-2-25A típusú 20-28 mbar nyomástartományban képes szabályozni. Mindkét szabályozó bemenő nyomása 4-100 mbar között változhat. Beépítésre került egy kézi tűszelep is, a szabályozókon kívüli nyomástartományok beállíthatósága érdekében is. A szeleppel való nyomásszabályozás kevésbé alkalmas a beállított nyomásértéket tartására, mint a nyomásszabályozók. A nyomásszabályozó beállítását és helyes működésének ellenőrzését a szabályozók előtt és után beépített manométerek szolgálják. Magyarországon a készülékek csatlakozási gáznyomása 25 mbar, a készülék névleges teljesítményének maghatározásához ezt az értéket kell tartani a készülék előtt. Mivel ez a nyomás a szolgáltatás függvényében változhat (ingadozhat), ezért egy maximális és egy minimális határértéknél is meg kell vizsgálni a készülék üzemét. Ez az érték 18 mbar minimálisan és 33 mbar maximálisan. Ez azt jelenti, hogy a készüléknek e nyomástartományban kifogástalanul kell üzemelnie. Sajnos a gázipari laboratórium feltételei adottak, így nem tudjuk vizsgálni a maximális 33 mbar-os csatlakozási nyomás értékhez tartozó üzemet (a maximális hálózati nyomásunk 30 mbar).
2005. január
10.oldal
OTKA T-046224
1.5. A mérések igényelt pontossága Az egyes mérésekre a szabványok a 1. táblázat szerinti pontossági értékeket írják elő. 1. táblázat A megkövetelt mérési pontosságok Mérés típusa
Igényelt pontossága
1 2 3
Légköri nyomás Gáznyomás Gázáram
4
Idő
± 5 mbar ± 2 % (végkitérésre von.) ±1% ± 0,2 sec 1 h-ig ± 0,1 sec 1 h-n túl
5 6 7 8 9 10 11 12
2005. január
Hőmérséklet környezeti víz égéstermék gáz felületi és O2 CO, CO2 kéményveszteségek számításához Fűtőérték Tömeg
±1K ±2K ±5K ± 0,5 K ±5K a ± 6 % (végkitérésre von.) ±1% ± 0,05 %
11.oldal
OTKA T-046224
2. A mérés menete A mérés a felfűtési idő után legalább 1 perccel kezdhető. (A felfűtési idő legfeljebb 30 másodperc lehet, amely alatt névleges gázterhelésen a készülék a beáramló víz hőmérsékletét 25 °C-al emeli.) A mért értékeket meghatározott időegységek eltelte után (10-60 sec) egyidejűleg kell leolvasni. A mérési sorozatot legalább 5 alkalommal kell megismételni. A készülék teljesítményét a következő képlettel számítjuk: Q=
m víz ⋅ (t 2 − t 1 ) ⋅ c p τ
[W]
ahol Q- a készülék hőteljesítménye [W]; mvíz- az átfolyt víz tömege [kg]; t2- a kiömlő meleg víz átlagos hőmérséklete [°C]; t1- a beömlő hideg víz átlagos hőmérséklete [°C]; cp- a víz hőmérséklettől függő fajhője [J/kg°C]; τ- a mérés időtartama [sec]. A készülék átlagos teljesítménye az öt vizsgálat adataiból kiszámított teljesítmény átlaga lesz. Az átfolyt víz tömegét a mérés alatt átáramlott vízmennyiség és a hőmérséklettől függő sűrűség szorzataként kaphatjuk meg: m víz = Vvíz ⋅ ρ víz (t)
[kg]
A víz sűrűsége 0-50 °C tartományban a következő 3-ad fokú polinommal közelíthető a legkisebb négyzetek módszerét felhasználva:
ρ víz (t) = 3,342 ⋅ 10 −5 ⋅ t 3 − 4,748447 ⋅ 10 −3 ⋅ t 2 + 5,504133 ⋅ 10 −2 ⋅ t + 999,86176923
[kg/m 3 ]
A víz fajhője a 0-50 °C hőmérsékleti és 0-2 bar tartományban jó közelítéssel állandónak tekinthető, mely értéke cp(víz) ≈ 4 183,232 J/kg°C. A készülék direkt hatásfokát a kiszámított teljesítmény és a mérés alatt elfogyasztott gázmennyiség alapján számíthatjuk: η=
Q⋅τ V0(15°C) ⋅ H a(15°C)
[%]
ahol η- a készülék direkt hatásfoka [%]; Q- a készülék hőteljesítménye [W]; τ- a mérés időtartama [sec]; V0- az elfogyasztott gáz térfogata gáztechnikai normálállapotra számítva [m3]; Ha- az eltüzelt gáz fűtőértéke gáztechnikai normálállapotra számítva [J/m3].
2005. január
12.oldal
OTKA T-046224
Az elfogyasztott gázmennyiséget az egyesített gáztörvény alapján számíthatjuk át gáztechnikai normálállapotra: Vo (15°C) = Vmért ⋅
+ p mérő p 288,15 ⋅ barom 273,15 + t gáz p barom,norm
[m 3 ]
ahol Vmért- a gázmérőn leolvasott elfogyasztott gázmennyiség [m3]; tgáz- a gáz hőmérséklete a gázmérőben [°C]; pbarom- a barométeren leolvasott barometrikus nyomás [mbar]; pmérő- a gáz túlnyomása a gázmérőben [mbar]; pbarom,norm- a normális légköri nyomás, értéke 1013,25 mbar. A gáz fűtőértéke a gázösszetétel és a komponensek fűtőértékeinek ismeretében meghatározható: n
H a = ∑ ri ⋅ H ai
[kJ/m 3 ]
i =1
ahol ri- az adott alkotó térfogataránya a keverékben [tf% / 100]; Hai- az adott alkotó alsó fűtőértéke [kJ/m3]. A fűtőérték és az égéshő számításainál a 2. táblázat értékei vehetők figyelembe. Bizonyos eseteken szükséges lehet, hogy ismerjük a gázkeverék relatív sűrűségét és Wobbeszámát. A relatív sűrűség megkapható: ρ rel =
ρ gáz ρ lev
ahol ρgáz és ρlev a gáz és a levegő azonos fizikai állapotban mért sűrűsége. A Wobbe-szám összefüggése megkapható, ha a kémiailag kötött energiaáram összefüggéséből csak a tüzeléstechnikai jellemzőnek tekintett gáztulajdonságokat hagyjuk meg. A fűtőértékből számított Wobbe-szám: Wo a =
Ha ρ rel
[kJ/m 3 ]
ha a statikus csatlakozási gáznyomást is figyelembe vesszük (mivel ez is változhat), akkor: Wo a = H a ⋅
∆p stat ρ rel
ahol ∆pstat- a statikus csatlakozási gáztúlnyomás.
2005. január
[kJ/m 3 ]
13.oldal
OTKA T-046224
2. táblázat A földgáz alkotóinak fűtőértékei
* A táblázat értékei gáztechnikai normálállapotra (1013,25 mbar és 15 °C) vonatkoznak.
A laboratóriumban használt 2/H jelű földgáz összetételét, moláris tömegét, relatív sűrűségét, fűtőétékét és Wobbe-számát az 1. melléklet tartalmazza. A készülékre kapott direkt hatásfokra (η) felírható a következő összefüggés is: η = 100 − (ε ét + ε té + ε sug ) azaz a 100 %-os hatásfok és a mért, direkt hatásfok közötti különbség három részből tevődik össze, az égéstermék veszteségből (εét), a tökéletlen égésből származó veszteségből (εté) és a készülék felületén át a környezetnek átadott hőből (εsug). Az távozó égéstermék hőmennyisége miatt adódó veszteség a következőképen számítható, abban az esetben, ha az égési levegő nincs előmelegítve: ε ét =
Vfstg,nedv ⋅ c fstg,köz H a(15°C)
⋅ (t fstg − t lev )
[%]
ahol Vfstg,nedv- a tényleges fajlagos nedves égéstermék térfogat [m3/m3]; cfstg,köz- az égéstermék közepes fajhője [kJ/m3°C]; Ha- az éghető gáz gáztechnikai állapotban vett fűtőértéke [kJ/m3]; tfstg- az égéstermék hőmérséklete [°C]; tlev- az égési levegő hőmérséklete [°C].
2005. január
14.oldal
OTKA T-046224
A nedves füstgáztérfogat meghatározása égéselméleti számításokkal lehetséges. A földgáz elégetéséhez szükséges elméleti oxigénszükséglet a következőképpen számítható (az éghető alkotók tf%-ban adott értékeit 100-al osztva helyettesítünk be): VO 2elm = 0,5CO + 0,5H 2 + 2CH 4 + 3,5C 2 H 6 + ... + 1,5H 2 S − O 2
[m 3 /m 3 ]
ahol O2- jelenti a tüzelőanyaggal bevitt oxigént. Az elméletileg szükséges levegőmennyiség:
Vlev,elm =
100 ⋅ VO 2elm 21
[m 3 /m 3 ]
A fajlagos gyakorlati levegőmennyiség a légfelesleg tényezővel számítható: Vlev,gyak = λ ⋅ Vlev,elm
[m 3 /m 3 ]
ahol λ a tüzelés légfelesleg tényezője, mely gáztüzelésnél általában 1,05 – 1,40. A fajlagos füstgáztérfogat a földgáz összetételének ismeretében sztöchiometriai számítással határozható meg, sorrendben a széndioxid, a vízgőz, a kéndioxid, az oxigén és a nitrogéntartalom alapján: CO′2 = CO 2 (ta) + CO + 1CH 4 + 2C 2 H 6 + 3C 3 H 8 + ... H 2 O′ = H 2 + 2CH 4 + 3C 2 H 6 + 4C 3 H 8 + ... + H 2 S SO ′2 = H 2 S
[m 3 /m 3 ]
[m 3 /m 3 ]
O ′2 = VO 2elm ⋅ (λ − 1)
N ′2 = N 2 (ta) +
[m 3 /m 3 ]
[m 3 /m 3 ]
79 ⋅ λ ⋅ VO 2elm 21
[m 3 /m 3 ]
ahol (ta) jelenti a tüzelőanyagban lévő összetevőt. A nedves és száraz elméleti fajlagos füstgáztérfogat: Vfstg,nedv = CO ′2 + H 2 O ′ + SO ′2 + O ′2 + N ′2 Vfstg,szár = Vfstg,nedv − H 2 O ′
2005. január
[m 3 /m 3 ]
[m 3 /m 3 ]
15.oldal
OTKA T-046224
A tökéletlen égésből származó veszteséget az elégetlenül maradt: • szén-monoxid (CO) tartalom, • hidrogén (H) tartalom, és az • elégetlen szénhidrogén tartalom adja. ε té = ε CO + ε H 2 + ε C n H 2n
[%]
A készülék burkolatán át a környezetbe átadott hőből származó veszteség (sugárzási, konvektív, vezetési) a kazánfelület összes hőleadásának és a kazán hőterhelésének hányadosaként előállítható:
ε sug =
∑Q
felület
Q hőőter
⋅ 100
[%]
A sugárzással a kazán felületéről átadott hő: Q sug = ε ⋅ σ ⋅ A kazán ⋅ (t 4kazán − t 4körny )
[W]
ahol ε- a felület anyagától függő emissziós tényező; σ- a Stefan-Boltzmann állandó, mely abszolút fekete testekre 5,7 W/m2K4; Akazán- a kazán környezettel érintkező felülete [m2]; thőmérséklet [°C]. A felületről konvektívan átadott hő:
Q konv = α ⋅ A kazán ⋅ (t kazán − t körny )
[W]
ahol α- a konvektív hőátadási tényező [W/m2K]. A direkt hatásfok közvetett mérése tehát visszavezethető a távozó égéstermék összetételének, hőmérsékletének, az égési levegő hőmérsékletének és a kazán felületi hőmérsékletének mérésére.
2.1. A mérési-számítási módszer lépései: 1. a mérési feltételek megteremtése (thely=20-3+7 °C, vhely=max. 0,5 m/s), 2. a készülék bemenő paraméterinek biztosítása (pcsatl=25 mbar, pvíz,be=1,0 bar), 3. a hőegyensúlyi állapot beállítása (felfűtés max. 30 sec., ∆Tvíz=25; 50 °C) 4. a gázösszetétel meghatározása, a fűtőérték és gázjellemzők (ρrel, Wo) számítása, 5. a mérési ciklus (leolvasások) elvégzése legalább 5 alkalommal, 6. a készülék teljesítményének meghatározása, 7. a direkt hatásfok számítása, 8. a veszteségek számítása, 9. a mérési hibák számítása, 10. mérési jegyzőkönyv elkészítése.
2005. január
16.oldal
OTKA T-046224
3. Mérési eredmények értékelése, hibaszámítás A kapott mért érték sohasem egyezik meg a keresett mérőszámmal, csak bizonyos pontossággal közelíti. Tehát minden esetben meg kell adnunk a választ arra, hogy az értékek menyire helyesen közelítik a valódi értéket. Ebből következik, hogy az eredmények mindig két részből állnak, mért értékekből és a hozzájuk tartozó mérési hibákból. Ezek a hibák lehetnek rendszeres jellegűek, melyek a mérőszámot valamely irányba rendszeresen eltolják, illetve véletlen hibák, melyek az adott mérőszámot bizonytalanná teszik (a véletlen hibák azonos körülmények közötti mérések során is eltérő mérési eredményeket produkálhatnak). A mérés és hibaszámítás legfontosabb célja, hogy ezeket a hibákat minimálisra csökkentse, és a mért érték minél jobban közelítse a valódi értéket. A mérési hibákat csoportosíthatjuk típusuk és eredetük szerint. A mérési hibák típusai: • abszolút hiba, mely a mért érték és a mérendő mennyiség különbsége, valamint • relatív hiba, mely a mérendő mennyiségnek a mért értéktől való százalékos eltérése. Legtöbbször azonban nem ismerjük sem a mérés abszolút, sem a relatív hibáját, sőt előjelét sem. Ekkor a mérés hibája helyett a mérés bizonytalanságáról kell beszélnünk.
3.1. Hibaterjedés A véletlen hibákra jellemző szórás tovaterjedésére Bessel határozott meg összefüggést, mely szerint, ha a keresett mennyiség a következőképpen függ a változóktól x = f(y1 , y 2, ...y n ) , akkor az eredő hiba a következőkből határozható meg: ∂f ⋅ ∆y i ∆x = ± ∑ i =1 ∂y i n
2
ahol ∆y jelenti a változó hibáját. Speciális esetben, ha a keresett mennyiség x = y1i ⋅ y 2j ⋅ ... sorozat formájú, akkor az x relatív hibáját a következő összefüggés adja: 2
2
∆y ∆y ∆x = ± i ⋅ 1 + j ⋅ 2 + ... x y1 y2
2005. január
17.oldal
OTKA T-046224
3.2. A mérés értékelése A mért adatok alapján ki lehetett számítani a készülék teljesítményét, hatásfokát és a mérési hibát. A hatásfok számítása a korrigált gáztérfogattal történt. Ki kellett továbbá számítani a gáz fűtőértékét, a gázjellemzőket. Diagramban ábrázoltuk az öt méréssorozat be- és kilépő vízhőmérsékleteit, valamint az időegység alatt átáramlott gázmennyiségeket. A mérések eredményeit, és a szükséges diagramokat a 2. és 3. mellékletek mutatják. A mellékletben szereplő mérési adatgyűjtő lap Excel táblázatban készült. A mért értékekből képzett átlagokat és a mérési hibákat a program automatikusan számítja a beírt adatok alapján. Meghatározásra került a készülék teljesítménye és hatásfoka, csökkentett és névleges terhelésen is, a mért értékekhez tartozó mérési hibákkal együtt. Az égéstermék összetétele nem került meghatározásra, mivel a készülék teljesítménye és hatásfoka e nélkül is számítható. Az égéstermék összetételének és paramétereinek a környezeti terhelés vizsgálatakor lesz szerepe. A mért hőmérséklet és gázmennyiség adatokat diagramon is ábrázoltuk, így egyértelműen követhetővé vált a belépő és kilépő vízhőmérséklete, a változások pontos helye és nagysága, valamint az elfogyasztott gázmennyiségben történt változások. A diagramon jól látható a csökkentett terhelésről a névleges terhelésre való áttérés időpontja és a mért mennyiségekre gyakorolt hatása is.
3.3. A mérési hiba számítása Az ide vonatkozó szabványok úgy rendelkeznek a hatásfokmérés pontosságáról, hogy a mérési bizonytalanságot oly módon kell megválasztani, hogy a hatásfok mérésekor a teljes bizonytalanság ne legyen nagyobb, mint ± 2 %. Egy azonos feltételek mellett végzett mérési sorozat eredményei legyenek x1, x2, …xn. Akkor a várható értéket legjobban a sorozat számtani középértéke közelíti meg, mely an =
1 n ∑ xi n i =1
és ennek ismeretében meghatározhatók az egyes mért értékek hibái is: ∆x i = x i − a n
Ez azonban nem szolgáltat információt a legvalószínűbb érték hibájára, hiszen az egyes értékekre jellemző. Ellenben, ha a hibák négyzetátlagának a gyökét vesszük, akkor az kapcsolatban lesz a szórással (σ), a mérés egyik legfontosabb jellemzőjével. A szórásnégyzet a várható érték és a mért értékek különbségének négyzetátlaga. Tehát a szórás meghatározható:
2005. január
18.oldal
OTKA T-046224
n
∆x i2 ∑ n n ⋅s = ⋅ i =1 σ2 = n −1 n −1 n ahol n- a mérések darabszáma; s- a hibák négyzetátlaga. A legvalószínűbb érték hibája a szórásnégyzetből számítható a következő összefüggéssel: n
∆a n =
2
σ = n
∑ ∆x i =1
2 i
n ⋅ (n − 1)
Tehát a szórással megadható, hogy mi a valószínűsége annak, hogy valamely mért érték az átlag meghatározott környezetébe essen. A becsült szórást legfeljebb 10 mérési eredményt tartalmazó sorozatok esetén a sorozat hosszából határozhatjuk meg az alábbi összefüggés alapján: σ B = A(n) ⋅ R
ahol A(n)- a sorozat elemeinek számától függő tényező, mely értékeit a 3. táblázat tartalmazza; R- a sorozat legnagyobb és legkisebb elemének különbsége. 3. táblázat A sorozat elemeinek számától függő tényező Mért értékek száma (n) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A (n) 0,89 0,59 0,49 0,43 0.40 0,37 0,35 0,34 0,32
A P segítségével megadhatjuk, hogy mi a valószínűsége annak, hogy valamely érték az átlag meghatározott környezetébe essen, meghatározva így bármely érték várható bizonytalanságát. A P=99%-os valószínűséghez k=2,58 tartozik, így 99%-os bizonyossággal állítható, hogy bármely mért érték az átlag ± k ⋅ σ = ±2,58 ⋅ σ környezetében lesz.
4. További feladatok Következő lépésben el kell végeznünk egy családi házra vonatkozó becslést az éves melegvíz igény előállításához szükséges energia mennyiségéről, valamint ki kell alakítani egy szoláros mérőkört, el kell végezni a szükséges méréseket, és az éves napenergia mennyiségek becslését. Így a megtakarítható energia mennyiségére is kézzel fogható eredményt fogunk kapni. A két mérési eredmény alapján lesz levonható a gazdaságosságra vonatkozó legfőbb következtetés.
2005. január
OTKA T-046224
Irodalomjegyzék Erdősi I.:
Épületgépészeti laboratóriumi gyakorlatok, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1999. Károlyi Gy.: A hibaszámítás alapjai, OKGT Gáztechnikai Kutató és Vizsgáló Állomás, Budapest, 1970. Menyhárt J.: Az épületgépészet kézikönyve, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. Meszléri C.: Gáztechnikai példatár, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. Ujhelyi J.: Mérés és szabályozás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1994. Vida M.: Gáztechnikai kézikönyv Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984.
2005. január
19.oldal
20.oldal
OTKA T-046224
Mellékletek
1. melléklet A mérésekhez használt 2/H jelű földgáz összetétele és minőségi jellemzői 2. melléklet Mérési adatgyűjtő lap a mérések eredményeivel és a számított értékekkel 3. melléklet A mérési eredményekből készített diagram
2005. január
MINŐSÉGI JELLEMZŐK Mintavételi hely:
Időtartam: 2004.11.01 -tól 2004.12.30 -ig
Kistokaj-Vargahegy Gáz fajta:
2/H földgáz
Komponensek
mól %
Metán
98,137%
Etán
0,681%
Propán
0,233%
Bután
0,085%
Pentán
0,015%
Heptán
A földgáz jellemző átlagos 0,002% összetétele 0,001%
Oktán
0,001%
Széndioxid
0,045%
Nitrogén
0,800%
Hexán
Összesen: Moláris tömeg:
100,000% 0 16,3596 kg/kmol (15 C)
Abszolut sűrűség:
3 0,7704 kg/m
(15 0C)
Relatív sűrűség:
0,5648
(15 0C)
Égéshő:
3 37,8598 MJ/m
(15 0C)
Fűtőérték:
3 34,1305 MJ/m
(15 0C)
3
(15 0C) (15 0C)
Wobbe szám felső: Wobbe szám alsó:
50,3760 MJ/m 3 45,4139 MJ/m
Miskolci Egyetem Gázmérnöki Tanszék Gázipari laboratórium
Átfolyó rendszerű gázvízmelegítő hőteljesítményének és hatásfokának meghatározása A felhasznált gáz
5 mérőállás Szunyog István
A vizsgálatot végezte:
moláris tömege: relatív sűrűsége: fűtőértéke: Wobbe-száma (alsó):
16,3596 kg/kmol 0,5648 3 34,131 MJ/m 3 45,414 MJ/m
Dátum: Barometrikus nyomás: Környezeti hőmérséklet: A felhasznált gázmérő:
2004.12.09 1 034,00 mbar 0 22,0 C IEM Sonix 6 TC (G4)
Típus:
Vaillant MAG 17/1 XZ C+
II2HS3B/P
Kategória:
MÉRT ÉRTÉKEK
Névleges terhelés
Csökkentett terhelés
Mérés
Sorszám
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
∆Vgáz m3
Idő
∆τ
Vgáz
min:sec
sec
m
0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00
30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
0,2930 0,3030 0,3140 0,3240 0,3340 0,3440 0,3550 0,3650 0,3750 0,3850 0,3960 0,4060 0,4160 0,4260 0,4370 0,4460 0,4580 0,4680 0,4770 0,4880 0,4980
0,0100 0,0110 0,0100 0,0100 0,0100 0,0110 0,0100 0,0100 0,0100 0,0110 0,0100 0,0100 0,0100 0,0110 0,0090 0,0120 0,0100 0,0090 0,0110 0,0100
11:00
60
0,5250
0,0270
12:00
60
0,5550
13:00
60
14:00
Mért adatok pbarom
pmérő
pcsatl
pégő
mbar
mbar
mbar
mbar
22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0
1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00 1 034,00
25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1
25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0
23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1
22,0
1 034,00
25,1
25,0
22,0
1 034,00
25,1
25,0
0,0300
22,0
1 034,00
25,1
0,5840
0,0290
22,0
1 034,00
60
0,6140
0,0300
22,0
15:00
60
0,6440
0,0300
16:00
60
0,6730
17:00
60
18:00
60
19:00 20:08
Átlag szórása csökk terh: Átlag szórása névl terh: Hőteljesítmény csökk: Hőteljesítmény névl: Átlag szórása csökk terh: Átlag szórása névl terh: Hatásfok csökk terh: Hatásfok névl terh: Barometrikus korrekció:
3
tgáz 0 C
150 C-on ∆Vgáz,norm Ha m3 MJ/m3
pvíz,be bar
34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305 34,1305
23,1 23,1
0,0276
25,0
23,1
25,1
25,0
1 034,00
25,1
22,0
1 034,00
0,0290
22,0
0,7030
0,0300
0,7330
0,0300
60
0,7620
68
0,7930
78,80 84,02
Κ Κ
Κ Κ
Mért adatok tvíz,ki ∆Tvíz 0 0 C C
Vvíz m3
∆Vvíz m3
ρvíz kg/m3
0,0018 0,0020 0,0020 0,0022 0,0017 0,0020 0,0009 0,0021 0,0019 0,0020 0,0019 0,0020 0,0020 0,0020 0,0019 0,0020 0,0019 0,0020 0,0019
999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732 999,732
Számított adatok ∆mvíz Qátlag Q kg
W
kW
η
ηátlag
Ο2
CO2
Égéstermék CO
NOx
%
%
tf%
tf%
ppm
ppm
t C
0
0,9929 0,0102 0,0112 0,0102 0,0102 0,0102 0,0112 0,0102 0,0102 0,0102 0,0112 0,0102 0,0102 0,0102 0,0112 0,0092 0,0122 0,0102 0,0092 0,0112 0,0102
9,344 14,308
tvíz,be 0 C 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0
50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0
35,0 35,0 35,0 35,0 35,0
35,0 35,0
0,9947 0,9967 0,9987 1,0009 1,0026 1,0046 1,0055 1,0076 1,0095 1,0115 1,0134 1,0154 1,0174 1,0194 1,0213 1,0233 1,0252 1,0272 1,0291
34,1305
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
15,0
50,0
35,0
1,0312
0,0021
34,1305
1,0
14,0
60,0
46,0
1,0350
0,0038
0,0306
34,1305
1,0
14,0
64,0
50,0
1,0390
23,1
0,0296
34,1305
1,0
14,0
65,0
51,0
25,0
23,1
0,0306
34,1305
1,0
14,0
66,0
25,1
25,0
23,1
0,0306
34,1305
1,0
14,0
1 034,00
25,1
25,0
23,1
0,0296
34,1305
1,0
22,0
1 034,00
25,1
25,0
23,1
0,0306
34,1305
22,0
1 034,00
25,1
25,0
23,1
0,0306
34,1305
0,0290
22,0
1 034,00
25,1
25,0
23,1
0,0296
0,0600
22,0
1 034,00
25,1
25,0
23,1
0,0612
0,366 0,302 0,366 0,302 2,64 1,47 2,64 1,47 1,0453
8 782 9 758 9 758 10 734 8 295 9 758 4 391 10 246 9 270 9 758 9 270 9 758 9 758 9 758 9 270 9 758 9 270 9 758 9 270
999,732
1,7995 1,9995 1,9995 2,1994 1,6995 1,9995 0,8998 2,0994 1,8995 1,9995 1,8995 1,9995 1,9995 1,9995 1,8995 1,9995 1,8995 1,9995 1,8995 2,0994
10 246
75,65% 76,41% 84,05% 92,46% 71,45% 76,41% 37,82% 88,26% 79,85% 76,41% 79,85% 84,05% 84,05% 76,41% 88,72% 70,04% 79,85% 93,39% 72,59% 88,26%
999,793
3,7992
12 185
77,74%
0,0040
999,793
3,9992
13 941
80,06%
1,0432
0,0042
999,793
4,1991
14 931
88,70%
52,0
1,0471
0,0039
999,793
3,8992
14 136
66,0
52,0
1,0512
0,0041
999,793
4,0992
14 861
14,0
66,0
52,0
1,0553
0,0041
999,793
4,0992
14 861
88,28%
1,0
14,0
66,0
52,0
1,0593
0,0040
999,793
3,9992
14 499
83,26%
1,0
14,0
66,0
52,0
1,0632
0,0039
999,793
3,8992
14 136
81,18%
34,1305
1,0
14,0
66,0
52,0
1,0674
0,0042
999,793
4,1991
15 224
34,1305
1,0
14,0
66,0
52,0
1,0729
0,0055
999,793
5,4989
17 591
1,0 0,00
14,7 0,48
55,0 7,32
40,4 7,79
Átlag: Szórás: kW kW
% %
Q=
mvíz ⋅ (t 2 − t1 ) ⋅ cp
η=
τ Q⋅τ V0(15 °C) ⋅ H a(15 ° C)
[W] [%]
35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0
999,752 0,0295
11 108
9,344
78,80%
81,18% 14,308
85,34%
84,02%
90,44% 17,591
57,24%
79,65
Vo (15°C) = Vmért ⋅
57,24%
######## ######## ######## ######## ######## ######## ######## ######## ######## ########
+ p mérő p 288,15 ⋅ barom 273,15 + t gáz p barom, norm
[m 3 ]
ρ víz (t) = 3,342 ⋅ 10 −5 ⋅ t 3 − 4,748447 ⋅ 10 −3 ⋅ t 2 + 5,504133 ⋅ 10 −2 ⋅ t + 999,861769 23
[kg/m 3 ]
HATÁSFOKMÉRÉS Vaillant 17/1 XZ C+ 70,0
0,90 0,80
60,0
0,70
Hőmérséklet [0C]
0,60 40,0
0,50 0,40
30,0
0,30 20,0 0,20 10,0
0,10
0,0
0,00 0,5
2,5
4,5
6,5
8,5
10,5
12,5
Idő [min] Belépő vízhőmérséklet
Kilépő vízhőmérséklet
Delta T
Gázmennyiség
14,5
Gázmennyiség [m3/h]
50,0
