BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK Stacioner kazán mérés SEGÉDLET Készítette: Matejcsik Alexisz 1
Tartalom 1. A mérés célja... 3 2. A hatásfok meghatározása... 3 3. Veszteségek... 3 4. Kondenzáció... 3 5. A kondenzációs kazán működése... 4 6. A mérőrendszer felépítése... 4 7. A mérés menete... 5 2
1. A mérés célja A mérés célja a háztartási kondenzációs kazán megismerése, veszteségei feltárása és hatásfok számítás. 2. A hatásfok meghatározása A hatásfok a hasznos és a bemenő energia hányadosa. Azt a módszert, amikor azokat a paramétereket mérjük, amikből közvetlenül határozzuk meg a hasznos energiát, direkt hatásfok meghatározásnak nevezzük. A másik megközelítés az, amikor számba vesszük a veszteségeket, mérjük a meghatározásukhoz szükséges paramétereket és a hasznos energiát a bevitt energia és a veszteségek különbségeként számoljuk. Ez az indirekt módszer. Elméletben a két módszerrel kapott hatásfok érték nem különbözik. Az indirekt módszer használatának az az előnye, hogy megismerjük a veszteségeket, nagyságukat. Tudjuk hol érdemes beavatkozni a rendszer javítása érdekében. A veszteségek kisebb nagyságrendű mennyiségek, mint a bevitt és a hasznos energiák. Így a paraméterek mérésénél a mérési hibák kisebbek és a hatásfok értéke pontosabb, mint direkt meghatározás esetén. 3. Veszteségek A kazánoknál jelentkező veszteségeket két nagy csoportra oszthatjuk. Az egyik csoport a tüzelési veszteségek. Ide tartoznak a nem teljes égésből származó veszteségek. A mérés során ezeket elhanyagoljuk, mert a kazán CO és elégetlen szénhidrogén kibocsátása nagyon alacsony. A másik nagy veszteségcsoport a felületi veszteségek csoportja. Ezek azok a veszteségek, amik a nem tökéletes hőcsere miatt alakulnak ki. Ide tartozik a füstgázveszteség. Ez abból adódik, hogy a füstgázt nem tudjuk a környezeti hőmérsékletig lehűteni, így energia távozik vele. Ennek értéke a legnagyobb a veszteségek között. A mérés során még figyelembe vesszük a falveszteséget. Ez az a veszteség, ami azért alakul ki, mert a felszabaduló hő egy része az égéstér falán keresztül a kazán környezetébe távozik a fűtési rendszerben keringő víz helyett. 4. Kondenzáció Ha tüzelőanyagnak tartalmaz hidrogént, a füstgázban lévő vízgőzt kondenzáltatva további energiát nyerhetünk vissza. Ennek nagysága függ az égéshő és a fűtőérték aranyától. A földgáz égéshő/fűtőérték aránya 1,15. Mivel hagyományosan a bevitt hőt a tüzelőanyag fűtőértékével számoljuk, kondenzáció esetén a hasznos hő nagyobb értékű lehet, mint a bevitt. Így a hatásfok 100% felettire adódhat. Az elméleti maximum hatásfok 115% az égéshő/fűtőérték arány miatt. Ez a számolási módszer hibája, az égéshővel számolva kapnánk a valódi, 100% alatti hatásfokot. 3
Ahhoz, hogy a kondenzáció megvalósuljon, a fűtési rendszer vízhőmérsékletének alacsonyabbnak kell lennie a füstgázban lévő vízgőz parciális nyomásához tartozó harmatponti hőmérsékletnél. 5. A kondenzációs kazán működése A laborban található kondenzációs kazán egy Remeha Avanta Plus típusú készülék. A levegő útját követve a következő fő elemekből épül fel: A levegő a kettős cső kémény külső járatán, a belső és külső cső között lép be a kazánba. A levegő beszívását a zárt kazán térbe ventilátor biztosítja. A levegő érintkezik a belső cső falával - amin a füstgáz lép ki - és előmelegszik, ezáltal hűti a kilépő füstgázt. Így javítva a hatásfokot. Majd a levegő körüláramolja az égésteret, ezáltal szintén előmelegszik és csökkenti a kazán falveszteségét. Ezután a levegő belép a kazántér alján elhelyezkedő ventilátorba. Mivel a ventilátor fordulatszáma szabályozott, a beszívott levegő mennyisége is szabályozott, így részterhelésen is tartható a megfelelő légfelesleg tényező. A légfelesleg értéke 1,4 körülire van beállítva a kibocsátási értékek alacsonyan tartása miatt. Az adagoló szelepen keresztül szintén a ventilátorba érkezik a földgáz. A ventilátorban a két közeg elkeveredik, közel homogén keveréket hozva létre. Innen az égébe kerül a földgáz-levegő keverék. Az égő a zárt égéstéren belül található, egy perforált csőhöz hasonló szerkezet. A perforációkon keresztül kiáramló keverék meggyullad és a cső felületén ég el. A cső hőt von el a lángtól, így csökkentve a lánghőmérsékletet, ami a keletkező NO x mennyiséget csökkenti. A cső által felvett energia hősugárzás formájában adódik át az égésteret körülvevő hőcserélőnek. A fűtőkörből érkező víz hőmérsékletétől függően a füstgázban lévő vízgőz egy része kondenzálódik a hőcserélőn. A hőcserélő kialakítása miatt a keletkező kondenz nem csöpög rá az égőre, hanem elvezetődik egy csövön keresztül a csatornába. A hőcserélő után a füstgáz kiáramlik a kettős csövű kémény belső csövén. 6. A mérőrendszer felépítése A kondenzációs kazánhoz egy kis radiátor kapcsolódik. Ahhoz, hogy a kazán ne kapcsoljon le, tartozik még hozzá egy víz-víz hőcserélő, ami a kazánba visszatérő vizet hűti. A kazánt a mellette lévő termosztáttal lehet bekapcsolni. A kazán mögötti falon található a gázóra, amivel a földgáz térfogatárama mérhető. A radiátor mellett be van építve egy vízóra amivel a rendszerben keringő víz térfogatárama mérhető. 4
1. ábra A mérőrendszer elvi felépítése A kéménybe be van építve egy mintavevő gumicső, amin keresztül a füstgáz elemzőhöz juttatunk mintát. Ez a füstgáz oxigéntartalmának mérésére és abból a légfelesleg meghatározásához szükséges. A számítógépen futó labview program gyűjti a kazánon elhelyezett termoelemek adatait és leolvashatjuk a képernyőn. A következő hőmérsékleteket láthatók: fűtési előremenő, fűtési visszatérő hőmérséklet és füstgáz hőmérséklet. A környezeti hőmérséklet a termosztátról olvasható le. 7. A mérés menete A mérés feladata a kazán hatásfokának meghatározása direkt és indirekt módszerrel. Mérni kell a bevezetett, a hasznos energiát, és a veszteségeket. A bevezetett teljesítményt a gázóra segítségével mérjük. Mérjük, hogy mennyi idő alatt fogy el 20 liter gáz, ebből kiszámoljuk a térfogatáramát [m 3 /s]-ban. A földgáz fűtőértéke F=50 [MJ/kg], sűrűsége ρ=0,67 [kg/m 3 ]. Így a bevezetett teljesítmény: = á á A hasznos teljesítményhez a radiátor mellett lévő vízóra segítségével megmérjük, hogy mennyi idő alatt áramlik 20 [l] víz a fűtőkörben, ebből térfogatáramot számolunk [m 3 /s]-ban. A hasznos teljesítmény: = í í í ahol T fe és T fv a fűtési előremenő és visszatérő hőmérséklet. A víz sűrűsége 1000 [kg/m 3 ], fajhője 4,2 [kj/(kgk)]. Ezekből a hőáramokból számoljuk a direkt hatásfokot: = 5
Az indirekt hatásfokot a következőképpen számoljuk: = 1 ahol ζ w a falveszteség, nagyságát ζ w =0,005-nek vehetjük. A légfelesleg tényezőt a füstgázelemző adataiból számoljuk: ahol O 2,mért a füstgáz oxigéntartalma. 21 = 21,!é#$ A kondenzvíz elvezető gumicsöve a kazán alatt egy mérőpohárba van vezetve. Itt mérjük, hogy mennyi idő alatt gyűlik össze 100 [ml] víz. Ebből számoljuk a víz tömegáramát: % = &'( ) í A kondenzátum mennyiségét fajlagosítjuk a tüzelőanyag tömegével: % % = á á A füstgázveszteséget az alábbi összefüggéssel határozzuk meg: = *+,- + / 10 + 1- %2 % 3 + 1- & & ahol az elméleti fajlagos füstgáz mennyiség µ V0 =18,2 [kg/kg], az elméleti fajlagos levegőszükséglet µ L0 =17,2 [kg/kg], a füstgáz fajhője c fg =1,01 [kj/(kgk)], hőmérséklete T fg [K]-ben, a környezeti levegő fajhője c k =1,08 [kj/(kgk)], hőmérséklete T k [K]-ben, kondenzvíz párolgáshője r=2510 [kj/kg]. A méréseket 3 üzemállapotban kell elvégezni. A kazán alatt található víz-víz hőcserélőben szelep segítségével változtatjuk a hűtővíz térfogatáramát, így a kazánba visszatérő víz hőmérsékletét. Az első mérési állapothoz a szelepet addig nyitjuk, amikor már hallani lehet a víz áramlásából fakadó "sziszegést". Miután beállt a stacioner üzem - ezt onnan látjuk, hogy a füstgáz hőmérséklete megegyezik az előremenő víz hőmérséklettel - megmérjük a térfogatáramokat és a hőmérsékleteket. Majd nyitunk egy kicsit a szelepen és elvégezzük a következő mérést. A harmadik ponthoz kb. 45 -os állásig nyitjuk a szelepet. E fölötti szelepállásnál már maximális teljesítményen üzemel a kazán. Hasonlítsuk össze a két, különböző módon meghatározott hatások értékét! Melyik eredményét fogadjuk el? 6