MĚŘENÍ EMISÍ A VÝPOČET TEPELNÉHO VÝMĚNÍKU
1. Cíl práce: Roštový kotel o jmenovitém výkonu 100 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 Qir [kJ/kg] je množství tepla, které se získá při dokonalém spálení 1 kg paliva s následným ochlazením produktů spalování na 20 °C, přičemž vodní pára nekondenzuje a zůstává v plynném stavu. Výhřevnost použitých dřevních pelet je 10 000 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: Cr = 32,13 %; Hr = 4,28 %; Nr = 0,19 %; Sr = 0,0189 %; Ar = 2 %; Wrt = 35 % Součinitel přebytku spalovacího vzduchu α je poměr skutečného množství vzduchu přivedeného pro spálení 1 kg paliva a minimálního (stechiometrického) množství spalovacího vzduchu pro dokonalé spálení 1 kg paliva. Hodnotu α lez určit měřením z koncentrace O2 nebo CO2. c Stanovte α z měřené koncentrace CO2 dle vztahu: CO2 CO2 max [-] cCO2 kde cCO2 [obj. %] je změřená koncentrace CO2 ve spalinách a cCO2max je teoretická (maximální) koncentrace CO2 ve spalinách při α = 1. Předpoklad je dokonalé spalování. Určení cCO2max je na základě stechiometrických výpočtů ze složení paliva: V [-] cCO 2 max CO 2 VSS min kde VCO2 je množství CO2 vzniklého spálením 1 kg paliva a VSSmin minimální (stechiometrický) objem spalin vzniklých spálením 1 kg paliva. Pro jejich výpočet je nejdříve nezbytné určit minimální (stechiometrické) množství spalovacího vzduchu na spálení 1 kg paliva:
VVS min
1,865.C 5,553.H 0,698.S 0,699.O 0,21
[m3N/kg]
Další vztahy jsou následující: VSS min 1,855.C 0,003.VVS min 0,683.S 0,799.N 0,7805.VVS min 0,0092.VVS min [m3N/kg]
[m3N/kg] VCO2 1,855.C 0,003.VVS min 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-3N] při referenčním obsahu kyslíku ve spalinách 11 % (platí pro kotle na biomasu do výkonu 50 MW). Oxidy dusíku NOx se počítají jako NO2. Přepočet koncentrace se provádí podle vztahu:
.
pN .M m 21 cO 2 ref . R.TN 21 cO 2
kde jednotlivé symboly značí: φ = měřená koncentrace [ppm obj.] Mm = molekulová hmotnost [g/mol] pN = normální tlak, tj. 101,325 kPa TN = normální teplota, tj. 273,15 K cO2ref (cO2) = referenční (měřená) koncentrace kyslíku [obj. %] R = 8,314 J/(K.mol) univerzální plynová konstanta ρ = přepočtená hmotnostní koncentrace [mg/m3N] Součinitel prostupu tepla k (někdy značeno U) představuje, množství předaného tepla teplosměnnou plochou o velikosti 1 m2 při rozdílu teplot 1 K. Pro výpočet deskového výměníku se použije následujících rovnic: 𝑄 = 𝑚𝑤 𝑐𝑝𝑤 (𝑡𝑤𝑜 − 𝑡𝑤𝑖 ) [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. 𝑄 = 𝑘𝑆∆𝑡𝑙𝑛 [𝑘𝑊] Kde Q je tepelný výkon, k součinitel prostupu tepla, S teplosměnná plocha, Δtln střední logaritmický teplotní spád. ∆𝑡𝑙𝑛 =
∆𝑡𝑣 − ∆𝑡𝑚 [𝑘𝑊] ∆𝑡𝑣 𝑙𝑛 ∆𝑡 𝑚
Kde Δtv je větší a Δtm menší teplotní rozdíl obou médií na konci výhřevné plochy. Velikost teplosměnné plochy uvažujte 1,22 m2. 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: ℎ𝐷ℎ = 𝐶𝑖 ∙ 𝑅𝑒 0,78 ∙ 𝑃𝑟 0,4 𝜆𝑤 Kde Nu je Nusseltovo číslo, h součinitel prostupu tepla, Dh hydraulický průměr, Ci konstanta, λw součinitel tepelné vodivosti vody. 𝑁𝑢 =
Součinitel prostupu tepla rovinou deskou se následně získá z 1 1 𝑑𝑠 1 + + ℎ1 𝜆𝑠 ℎ2 Kde ds je tloušťka stěny, λs součinitel tepelné vodivosti materiálu výměníku. 𝑘=
Ve výpočtu uvažujte: Pro topný okruh C = 0,180 Pro chladící okruh C = 0,125 Dh = 4,6 mm Ds = 0,8 mm λs =17 W/m2.K Průtočný průřez A = 0,0035 m2
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. 12 odečtů + 1 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 =
𝑐𝑝 ∙ 𝜇 𝜆
Závislost fyzikálních vlastností vody na její teplotě: Teplota vody Hustota Měrná tepelná kapacita Dynamická viskozita Tepelná vodivost T [°C] 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
ρ [kg/m3] 998,2 997,0 995,6 994,0 992,2 990,2 988,0 985,7 983,2 980,5 977,7 974,8 971,8 968,6
cp [kJ/kgK] 4,185 4,182 4,180 4,179 4,179 4,179 4,180 4,181 4,183 4,185 4,188 4,192 4,196 4,200
μ [Pas] 0,00100 0,00089 0,00080 0,00072 0,00065 0,00060 0,00055 0,00050 0,00047 0,00043 0,00040 0,00038 0,00035 0,00033
λ [W/mK] 0,599 0,607 0,615 0,622 0,629 0,635 0,640 0,646 0,651 0,655 0,660 0,663 0,667 0,670
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
O2
CO2
CO
NOx
twi1
two1
twi2
two2
Qw1
Qw2
[%]
[%]
[ppm]
[ppm]
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
[m3/h]
[m3/h]
