Kazánok hatásfoka Kazánok és Tüzelőberendezések
Tartalom • • • • •
Kazánok hőmérlege Hatásfok meghatározása Veszteségek kategóriái és típusai Füstgáz veszteség Idényhatásfok
Kazánok hőmérlege Kazánok hőmérlegén az oda bevezetett és elvezetett hőmennyiségek egyensúlyát értjük állandósult állapotban.
Σ Qbe = Σ Qki Instacioner üzemállapotok esetén, pld. induláskor, vagy leálláskor a kazánszerkezetek hőtároló képességét is figyelembe kell venni. A kazán köré egy képzeletbeli ellenőrző felületet kell vonni. Pontos számításhoz minden az ellenőrző felületen áthaladó energiaáramot figyelembe kell venni. Az ellenőrző felületen belüli dolgokkal azonban nem kell foglalkozni.
Kazánok hatásfokának meghatározási módszerei Σ Qbe = Σ Qhaszn + Σ Qveszt A kazán hatásfokán a hasznosított és a bevezetett hőmennyiség arányát értjük. A hasznos hőmennyiség helyébe a Qhaszn = Qbe - Qveszt értéket helyettesítve, a kazánhatásfok veszteségek oldaláról történő megközelítését kapjuk.
ηkazán =
Qhaszn Q = 1 − veszt Qbe Qbe
A hasznos hőmennyiségből kiinduló meghatározási módszert direkt kazánhatásfok meghatározási módszernek nevezik, míg a veszteségekből kiinduló számítást indirekt kazánhatásfok meghatározási módszernek nevezik.
Direkt hatásfok A hasznos teljesítmény a belépő és kilépő entalpiaáramokból számítható:
• Qhasznos = m ⋅ (hki (p,t) – hbe (p,t))
A direkt kazánhatásfok méréssel történő meghatározásához minimálisan a következő mennyiségek mérésére van szükség. • - Az átáramló hőhordozó közegmennyiség mérésére • (Esetenként szükség lehet mind a belépőoldali, mind a kilépőoldali mérésre) • - A hőhordozó közeg be- és kilépőoldali nyomásának és hőmérsékletének mérésére • - A bevezetett tüzelőanyagáram mérésére A direkt hatásfok nem ad információt a hatásfok alakulásának miértjére, nem ad információt a hatásfoknövelés esetleges lehetőségeire!!!
Indirekt hatásfok Az indirekt hatásfok a veszteségek számbavételén alapul: • Tüzelési veszteségek csoportja A tüzelőanyag nem teljes vagy nem tökéletes elégése folytán alakul ki • Fűtőfelületi veszteségek csoportja A tüzeléssel felszabadított hőenergia nem hasznos célra fordítódik
A kazánba bevezetett energia összetevői fűtőérték alapon
Qbe = Qtü + Qlev + Qtüfiz + Qegyéb Qbe = B ⋅ ( H i + λ ⋅ µ Lo ' ⋅ c plev ⋅ ( tlevbe − tkörny ) + c tüza ⋅ ( t tüzabe − t körny )) + Qegyéb
Gőzfejlesztők anyag és energia áramai
Hőhasznosító rész anyag és energia áramai
Tüzelőberendezés anyag és energia áramai
Tüzelési veszteségek A tüzelési veszteségek a következők lehetnek: ξgáz - elégetlen gázok (CO,C xHy,H 2) ξkorom- korom ξkoksz - szállókoksz ξpernye - pernyeéghető ξsalak - salakéghető Ezek figyelembe vételével számítható a tüzelés hatásfoka:
ηT = 1 - ( ξgáz+ ξkorom+ ξkoks z+ ξpernye+ ξsalak)
Tüzelési veszteség számítási példa
Fűtőfelületi veszteségek • A tüzeléssel felszabadított hőenergia nem hasznos célra, nem a hőhordozó közeg entalpia növelésére fordítódik. • A veszteség fajták: • ξfg – füstgáz veszteség • •
ξkörny
– környezeti (sugárzási) veszteség
ξsalakfiz
– salak fizikai hőveszteség
Füstgáz veszteség • A füstgáz által a környezetbe szállított hő, mivel a füstgáz a környezetinél magasabb hőmérsékleten távozik • Ez a legnagyobb veszteség tétel, ami leginkább meghatározza a kazánok hatásfokát • Korszerű (nem kondenzációs) kazánoknák ξfg = 5 - 10 % • Régebbi kazánoknál ξfg = 10 - 15 % • Ha a füstgáz a harmatponti hőmérséklete alá hűl, többlet, hőteljesítmény kinyerésére van lehetőség, amelyet fűtőérték alapon történő számításnál a bemenő energiáknál figyelmen kívül hagytunk. Így akár 100% feletti kazánhatásfok is elérhető!
Füstgázveszteség számítása kondenzáció nélkül ξfg = Qfg / Qin Qfg = mfg ⋅ (hfgout - hfgamb) = B ⋅ (µVo’+(λ-1) ⋅ µLo’) ⋅ cpfg ⋅ (tfgout – tamb)
ξ
fg
=
B ⋅ ( µVo' + ( λ − 1 ) ⋅ µ Lo' ) ⋅ c pfg ⋅ ( t fgout − tamb ) B ⋅ ( H i + λ ⋅ µ Lo' ⋅ c pair ⋅ ( tairin − t amb ) + c fuel ⋅ ( t fuel − tamb ))
=
( µVo' + ( λ − 1 ) ⋅ µ Lo' ) ⋅ c pfg ⋅ ( t fgout − t amb ) H i + λ ⋅ µ Lo' ⋅ c pair ⋅ ( t airin − t amb ) + c fuel ⋅ ( t fuel − t amb )
=
Füstgáz-veszteség alakulása nehézolaj tüzelés esetén
A füstgáz vízgőz tartalmának kondenzációja • A füstgáz a komponensek iseális gázkeverékének tekinthető • Dalton törvénye szerint a gáz nyomása ilyenkor az összetevők parciális nyomásának összegeként számítható:
• A kondenzáció akkor indul meg, ha a füstgáz hőmérséklete eléri a vízgőz parciális nyomásához tartozó telítési hőmérsékletet, ezt nevezzük a füstgáz harmatponti hőmérsékletének • A vízgőz parciális nyomásának számítása:
p H 2O
VH 2O 11.12 ⋅ H + water = pabs = pabs V' V0 ' +( λ − 1 ) ⋅ L0 '
A vízgőz telítési görbéje 65
65 60 55
Saturation temperature [°C]
50 45 40 35 Tsat ( Psat ) 30 25 20 15 10 5 0
0
0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
Psat Saturation pressure [bar]
0.16
0.18
0.2
0.22 0.22
A füstgáz harmatpontjának változása
Egéshő / Fűtőérték arány különböző tüzelőanyagok esetén Mértékegység
Fűtőérték
Égéshő
Arány
Földgáz
kWh/m3
10,4
11,5
1,11
Cseppfolyós földgáz
kWh/m3
8,9
9,8
1,11
PB gáz
kWh/m3
30,4
32,8
1,08
Tüzelőolaj
kWh/l
10,0
10,6
1,06
Fapellet
kWh/kg
4,9
5,5
1,12
Füstgázveszteség számítása kondenzáció esetén ξfg = Q fg / Qin Q fg = (mfg – mcond) ⋅ cpfg ⋅ (tfgout - tfgamb) - mcond ⋅ (h’’w – h’w) m fg = B ⋅ (µVo’+(λ-1) ⋅ µLo’), m cond = B ⋅ µH2O ⋅ (ρH2Ostart - (ρH2Oend)/ ρH2Ostart
[kW] [kg/s] [kg/s]
(m fg − mc ond ) ⋅ c pfg ⋅ ( t fgout − t amb ) − mc ond ⋅ ( h ''w − h 'w ) ξfg = B ⋅ (H + λ ⋅ µ ⋅ c ⋅ (t − t ) + c ⋅ (t − t )) = i Lo ' pair airin am b fuel fuel amb ρ H 2 Os tart − ρ H 2 Oend ρ − ρ H 2 Oend ( µ + ( λ − 1 ) ⋅ µ ) − µ ⋅ ⋅ c pfg ⋅ (t fgo ut − t amb ) − µ H 2 O ⋅ H 2 Ostart V o' Lo ' H2O ρ H 2 Os tart ρ H 2 Os tart = H i + λ ⋅ µ Lo ' ⋅ cpair ⋅ ( t airin − t amb ) + cfuel ⋅ ( t fuel − t amb )
'' ⋅ ( h w − h 'w )
Minőségi – időjárásfüggő szabályozás jellemző hőmérséklet görbéi
Fajlagos kondenzátum képződés földgáztüzelés esetén
Füstgázveszteség fűtőérték alapon földgáztüzelés esetén [%]
Füstgázveszteség fűtőérték alapon PB gáztüzelés esetén [%]
O2fg
10
5% 3% 0%
5
20
40
60
80
100
120
5
10 tfg
140
160
180
200 [oC]
Füstgázveszteség fűtőérték alapon tüzelőolaj tüzelés esetén [%]
O2fg 6%
10
3,5 % 0%
5
20
40
60
80
100
120
5 tfg
140
160
180
200 [oC]
Füstgázveszteség fűtőérték alapon fatüzelés esetén [%]
Kénsavharmatpont alakulása
Környezeti (sugárzási) veszteség • A környezeti veszteség a kazán környezetének átadott hő • A veszteség teljesítmény a kazán szigetelési körülményei alapján számítható • A veszteségtényező ξkörny = 0.5 - 1.0 % a kazán névleges terhelése esetén De ez a veszteségtényező a terhelés függvénye mivel: Qkörny = állandó • A veszteségtényező a terheléssel fordítottan arányos.
Salak fizikai hőveszteség
• Szilárd tüzelés esetén a tüzelőberendezésből eltávolított forró salak szállítja ki
Direkt és indirekt kazánhatásfok összehasonlítása • Mindkét módszer ugyanazt az eredményt kell adja. • Az indirekt módszer általában egyszerűbben kivitelezhető • Továbbá az indirekt módszer információt ad a veszteségek csökkentésére is. • A direkt módszert ritkábban, pld a szezonális hatásfok meghatározására használják
Kazánhatásfok alakulása a terhelés függvényében háztartási kazánoknál 110
Kondenzációs kazán (40/30)
Kazánhatásfok %
100
Kondenzációs kazán (70/50) 90 80 70
Alacsony hömérsékletü kazán 60 50
Hagyományos kazán
40 30 0
25
50
Terhelés %
75
100
Kazánhatásfok alakulása a terhelés függvényében erőművi kazánoknál
Fűtési és légkondicionálási igény változása az év során
Fűtési tartamdiagram
Minőségi – időjárásfüggő szabályozás jellemző hőmérséklet görbéi
Kazán működési ciklus instacioner energia áramai
Standardized fuel input qF
Terheléstől függő és független veszteségek
1/ Effective energy
Load dependent losses
q B/
Load independent losses
K
0
Workload
1
K
Összefoglaló • • • • •
Kazánok hőmérlege Hatásfok meghatározása Veszteségek kategóriái és típusai Füstgáz veszteség Idényhatásfok
Köszönöm a figyelmet!
