Boiler Efficiency Evaluation & Optimization

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

(ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ: ΠΕΜΠΤΗ 17/12, 10:00)

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

1

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

Περιεχόμενα 1. Σκοπός της Άσκησης……………………………………………………………….3 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο 2.1. Καύση………………………………………………………………………….3 2.2. Λέβητας………………………………………………………………………..6 2.3. Βαθμος απόδοσης λέβητα……………...………………………………………..8 2.4. Περιγραφή της μεθοδολογίας προσέγγισης …………………………………….10 2.5. Αναμενόμενες αποκλίσεις μεταξύ των δύο μεθόδων και αιτιολόγηση……...............11 3. Πρωτόκολλο Μετρήσεων 3.1. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Λέβητα: Thermolev DG030..……………………..…..13 3.2. Μετρούμενα μεγέθη και περιγραφή των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν (αρχή λειτουργίας, ακρίβεια κλπ)……………………………..………….…..….14 3.3. Σκαρίφημα πειραματικής διάταξης……………………………..……….……....15 3.4. Πίνακας αποτελεσμάτων μετρήσεων (πριν από επεξεργασία)……..…….……..…15 4. Αποτελέσματα 4.1. Υπολογισμός περίσσειας αέρα και ΚΘΔ καυσίμου…….………….…………….17 4.2. Βαθμος απόδοσης λέβητα με άμεση μέθοδο……………………..……………..19 4.3. Βαθμος απόδοσης λέβητα με έμμεση μέθοδο………………….…………….…19 4.4. Βελτίωση Βαθμού Απόδοσης…………………………………………………..20 5. Παράρτημα & βιβλιογραφία………………………………………………………..21

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

2

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

1.Σκοπός της Άσκησης Σκοπός της τεχνικής εκθέσεως που παρουσιάζεται ακολούθως, είναι ο προσδιορισμός, ανάλυση, μελέτη του ενεργειακού βαθμού απόδοσης λέβητα φυσικού αερίου και παραγωγής θερμού νερού. Στο πρώτο μέρος (θεωρητικό υπόβαθρο) γίνεται γενική ανάφορα πληροφοριών σχετικά με την λειτουργία λεβητων ζεστού νερού. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται τεχνικά χαρακτηριστικά του λέβητα που μελετάται καθώς και μετρήσεις που γίνανε(πρωτόκολλο μετρήσεων) και στο τρίτο υπολογισμοί και συμπεράσματα σχετικά με την απόδοση του συγκεκριμένου λέβητα.

2.Θεωρητικό Υπόβαθρο 2.1.ΚΑΥΣΗ Σαν καύση ορίζουµε την εξώθερµη χηµική αντίδραση κατά την οποία το οξυγόνο αντιδρά µε κάποιο είδος καυσίµου και παράγει καυσαέρια κ (θερμική) ενέργεια. ΚΑΥΣΙΜΟ + ΑΕΡΑΣ→ ΚΑΥΣΑΕΡΙΟ+ενέργεια Βασικές αντιδράσεις που περιγράφουν τα παραπάνο φαινόµενο είναι:

2.1.1.Καύσιμο Τα καύσιμα αποτελούνται κυρίως από αλυσίδες υδρογονανθράκων. Ωστόσο πάντα υπάρχουν και κάποιες προσμίξεις ανόργανων συστατικών οι κυριότερες των οποίων είναι το θείο [S] (κυρίως στο πετρέλαιο), το οξυγόνο [O] (κυρίως στη βενζίνη) και το άζωτο [N] αλλά σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Η ανάλυση των στερών καυσίµων µπορεί να είναι: προσεγγιστική ή στοιχειακή. Αµφότερες δίνουν την επί τοις εκατό σύσταση κατά βάρος. Η προσεγγιστική δίνει τα ποσοστά µάζας του άνθρακα, των πτητικών, της υγρασίας και της τέφρας. Το θείο καθορίζεται ξεχωριστά. Η στοιχειακή ανάλυση, η οποία είναι και αναλυτικότερη της προσεγγιστικής καθορίζει τα ποσοστά µάζας των χηµικών στοιχείων του καυσίµου. Αυτά είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο, το άζωτο, το οξυγόνο και το θείο. Η τέφρα καθορίζεται συνολικά, ενίοτε µε ξεχωριστή ανάλυση. Για κάθε υπολογισµό καύσης πρέπει να είναι γνωστή η στοιχειακή ανάλυση του καυσίµου. Τα ποσοστά µάζας των µεµονωµένων ουσιών στο καύσιµο χαρακτηρίζονται συνήθως µε τα λατινικά σύµβολα των στοιχείων. Έτσι π.χ. το c παριστάνει το ποσοστό του άνθρακα και αντίστοιχα τα h, s, o, n, w, a τα ποσοστά του υδρογόνου, του θείου, του οξυγόνου, του αζώτου, του νερού (υγρασίας) και της τέφρας του καυσίµου. Προφανώς θα ισχύει: c+h+s+o+n+w+a=1

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

3

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Σηµαντική για την καύση είναι η θερµογόνος δύναµη - ΘΔ του καυσίµου, η θερµότητα δηλαδή που ελευθερώνει 1kg καυσίµου όταν καίγεται. H Θ∆ είναι η ενθαλπία της καύσης ανά kg καυσίµου. Οι τιµές της Θ∆ ισχύουν για καύση σε ατµοσφαιρική πίεση 760 Torr = 1,01325 bar και θερµοκρασία Τ = 0°C. Το υδρογόνο και όλα τα καύσιµα που περιέχουν υδρογόνο ή υγρασία έχουν διαφορετικές Θ∆ ανάλογα µε το εάν το παραγόµενο νερό είναι σε µορφή υγρή ή αέρια (ατµός). ∆ιακρίνουµε αντίστοιχα την ανώτερη θερµογόνο δύναµη, ΑΘ∆ (High Heating Value, HLV/Gross Calorific Value, GSV) Ho και την κατώτερη θερµογόνο δύναµη, ΚΘ∆ (Low Heating Value, LHV/Net Heating Value, NHV) Hu. Οι τιµές αυτές διαφέρουν κατά την ενθαλπία εξάτµισης του νερού που υπάρχει στα καυσαέρια. Η ΚΘ∆ είναι η πιο πρακτική από τις δύο επειδή είναι η Θ∆ του καυσίµου µειωµένη κατά την λανθάνουσα θερµότητα ατµοποίησης των υδρατµών που υπάρχουν στα καυσαέρια. Εφόσον έχουμε στοιχειακή ανάλυση καυσίμου η ΑΘΔ υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: o  H O  32850c  142130  h    9320 s  kJ / kg  8  Όπου c,h,o,s % συγκεντρώσεις ανθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου, θείου στο καύσιμο αντίστοιχα. Η ΚΘΔ μπορεί να υπολογιστεί μέσω των ενθαλπιών σχηματισμού και συγκεντρώσεων αντιδρώντων-ποοϊόντων απευθείας από τον παρακάτω τύπο: HU    n  h f    n  h f   kJ / kmol   .

 .

Όπου n η συγκέντρωση σε kmol αντ./προϊόντος και hf η αντίστοιχη ενθαλπία σχηματισμού του αντ./πρ. στην στοιχειομετρική αντίδραση καύσης. Η ΚΘΔ σε σχέση με την ΑΘΔ μπορέι να υπολογιστεί και από τον τύπο:

HU  H o  h fg W  8.937 H  Όπου hfg ενθαλπία εξάτμισης νερού, W, Η οι τις % περιεκτικότητα καυσίμου σε υγρασία και υδρογόνο αντίστοιχα. Τέλος για θερμοκρασία 25ΟC που συνήθως χρησιμοποιείται hfg(25ΟC)=2440 kJ/kg και τότε με βάση και την παραπάνω εξίσωση υπολογισμού της ΑΘΔ(ΗΟ), η ΚΘΔ μπορεί να υπολογιστεί και από τον τύπο o  HU  32850c  120320  h    9320s  2440w  kJ / kg  8  

Το Φυσικό Αέριο Το Φυσικό Αέριο είναι ένα αέριο μίγμα υδρογονανθράκων. Βασικό συστατικό του φυσικού αερίου είναι το μεθάνιο, συνυπάρχουν όμως σε αυτό και σημαντικές ποσότητες αιθανίου, προπανίου και βουτανίου, καθώς και διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, ήλιο και υδρόθειο. Το φυσικό αέριο που είναι απαλλαγμένο από τους υδρογονάνθρακες πέραν του μεθανίου, δηλαδή το καθαρό μεθάνιο, συχνά αποκαλείται και ξηρό φυσικό αέριο. Αντίστοιχα, το φυσικό αέριο που συμπεριλαμβάνει και άλλους υδρογονάνθρακες εκτός από το μεθάνιο, αποκαλείται και υγρό φυσικό αέριο. Το φυσικό αέριο είναι άχρωμο και άοσμο. Η χαρακτηριστική του οσμή δίνεται τεχνικά ώστε να γίνεται αντιληπτό σε τυχόν διαρροές. Ανήκει στη δεύτερη οικογένεια των αέριων καυσίμων. Η καύση του φυσικού αερίου παράγει λιγότερα ,σε σχέση με τα υπόλοιπα καύσιμα, διοξείδια του άνθρακά και οξείδια του αζώτου, ενώ δεν παράγει οξείδια του θείου, συνεπώς η χρήση του είναι απόλυτα φιλική προς το περιβάλλον και δεν επιβαρύνει σε μεγάλο βαθμό την ποιότητα του αέρα που αναπνέουμε. Άλλη μία διαφορά του Φ.Α. σχετικά με το υγραέριο είναι ότι η σχετική του πυκνότητα είναι μικρότερη της μονάδας. Αυτό σημαίνει ότι σε περίπτωση διαρροής θα οδεύσει προς τα πάνω και θα διαφύγει στην ατμόσφαιρα.

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

4

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Κύριοι προμηθευτές για τη χώρα μας είναι αυτή τη στιγμή, η Ρωσία (80%) και η Αλγερία(20%). Το Ρώσικο φυσικό αέριο έρχεται στην Ελλάδα σε αέρια μορφή μέσω υπόγειου κεντρικού αγωγού, ο οποίος εκτείνεται από τα βόρεια σύνορα, καλύπτοντας τη Μακεδονία και τη Θεσσαλία και φτάνει έως την Στερεά Ελλάδα καλύπτοντας προς το παρόν, την Αττική. Αντιθέτως το Αλγερινό φυσικό αέριο μεταφέρεται με πλοία σε υγρή μορφή (-163 0C) στη Ρεβυθούσα Αττικής όπου μετατρέπεται σε αέριο και διοχετεύεται στο υπόγειο δίκτυο διανομής. Εφαρμογές ΦΑ (ι) Θέρμανση (κεντρική ή αυτόνομη),(ιι) Μαγείρεμα – ψήσιμο, (ιιι) Παραγωγή ζεστού νερού, (ιv) Κλιματισμός (ψύξη / θέρμανση ), (v)Παραγωγή ατμού, (vi)Βιομηχανικές εφαρμογές, (vii)Ξήρανση, (viii) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

2.1.2.Αέρας και τέλεια καύση Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση ο φορέας του οξυγόνου που προσφέρεται για την καύση είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Η παραδοχή σύστασης του αέρα είναι: % κ.β.: Ν2 : 76,8 Ο2 : 23,2 και % κ.ο.: Ν2 : 79,0 Ο2 : 21,0 Στοιχειοµετρική καύση είναι η τέλεια καύση. Κατά την στοιχειοµετρική καύση το σύνολο του Ο2 καίγεται προς CO2. Στην πράξη όµως σπάνια συναντάται τέλεια καύση. Για να εξασφαλισθεί η καύση ολόκληρης της ποσότητας του υπάρχοντος καυσίµου, είναι συνήθως απαραίτητη µία επιπλέον ποσότητα αέρα, η οποία ονοµάζεται περίσσεια αέρα (excess air). Η ποσότητα αυτή είναι απαραίτητη συνήθως λόγω της µη τέλειας µίξης καυσίµου - αέρα, εξαρτάται δε από: • Το είδος του καυσίµου • Την ποιότητα του καυσίµου • Τον βαθµό ανάµιξης καυσίµου – αέρα Η περίσσεια αέρα δίνεται από τον παρακάτω τύπο :



L Lmin

Όπου λ =περίσσεια αέρα, L = πραγµατικά χρησιµοποιούµενος αέρας Lmin=Θεωρητικά αναγκαία ποσότητα αέρα Yπερβολική περίσσεια αέρα µειώνει την απόδοση. Οι απώλειες θερµότητας στα καυσαέρια, οι οποίες είναι και οι πιο βασικές, ελαχιστοποιούνται όταν υπάρχει στην καύση η µικρότερη δυνατή περίσσεια αέρα, σε σχέση πάντοτε µε την στοιχειοµετρική ποσότητα αέρα. Τέλος να σημειώσουμε ότι παρά την περίσσεια που επιδιώκουμε για επίτευξη τέλειας καύσης υπάρχει έστω και σε μικρό βαθμό τοπικά λόγω μη καλής ανάμιξης αέρα-καυσίμου μπορεί να έχουμε ατελή καύση. Στη παρούσα μελέτη μετηρήθηκαν πάρα πολύ μικρές συγκεντρώσεις CO (=δείκτης ατελής καυσης) στα καυσαέρια και γι’αυτό θεωρούμε αμελητέες απώλειες λόγω τοπικής ατελούς καύσης.

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

5

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

( ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟ ΟΔΗΓΟ ΚΑΥΣΗΣ ΛΕΒΗΤΩΝ – ΚΑΠΕ)

2.2.ΛΕΒΗΤΑΣ Λέβητας, ονομάζεται κάθε κλειστή μεταλλική συσκευή (δοχείο) εντός του οποίου νερό ή άλλο υγρό θερμαίνεται με τη βοήθεια θερμότητας ή/και μετατρέπεται σε ατμό. Η δε θερμότητα παράγεται από την καύση του καυσίμου, με το οποίο τροφοδοτείται, στο εργαζόμενο μέσο που ανακυκλοφορεί μέσα σε σωληνώσεις και μεταφέρει τη θερμότητα αυτή στο σημείο που θα καταναλωθεί, είτε για θέρμανση είτε για παραγωγή έργου. Για τους συνήθεις λέβητες, το εργαζόμενο μέσο είναι το νερό. Σαν μέσο μεταφοράς ενέργειας χρησιμοποιείται το νερό, επειδή : • έχει μεγάλη θερμοχωρητικότητα ( 1 Kcal/Kg/ΟC ) • έχει μεγάλη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης. ( 80 Kcal/Kg ).

• έχει πολύ χαμηλό ιξώδες ( 1 cp ). Οι λέβητες χρησιμοποιούνται τόσο στον οικιακό τομέα όσο και στο βιομηχανικό. Η χρήση των διαφόρων ειδών λέβητα περιλαμβάνει κυρίως την κεντρική θέρμανση κατοικιών. Επίσης χρήση τους γίνεται σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας (ΑΗΣ), στα ντιζελοκίνητα πλοία και σε πολλές άλλες βιομηχανικές διεργασίες. Παρακάτω παρατίθονται πληροφορίες για συστήματα κεντρικής θερμανσης μιας και ο λέβητας που μελετούμε είναι σχεδιασμένος για τέτοια χρήση.

Λέγοντας Κεντρική Θέρμανση(ΚΘ), εννοούμε ένα σύνολο οργάνων και συσκευών, κατάλληλα προσαρμοσμένων μεταξύ τους, που σκοπό έχουν την παραγωγή θερμότητας. Η θερμότητα αυτή, χρησιμοποιείται για την θέρμανση των χώρων που κατοικούμε και την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Ένα σύστημα Κεντρικής Θέρμανσης αποτελείται κυρίως από:      

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

τον λέβητα, τον καυστήρα, τον κυκλοφορητή, τις διατάξεις ασφαλείας την δεξαμενή καυσίμων(για πετρέλαιο), την καπνοδόχο.

ΑΕΜ 5250

6

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Ετήσιος Βαθμός Απόδοσης εγκατάστασης Κεντρικής Θερμανσης(ΚΘ) Το σημαντικότερο ίσως στοιχείο σε μια εγκατάσταση κεντρικής θέρμανσης, είναι ο ετήσιος βαθμός απόδοσης. Αυτό, μαζί με την σωστή επιλογή της ισχύος του λέβητα, αποτελεί προϋπόθεση για την οικονομία σε καύσιμα. Ο βαθμός απόδοσης της καύσης ή ο βαθμός απόδοσης του λέβητα, δεν δίνουν μια πλήρη εικόνα για το μέγεθος κατανάλωσης καυσίμων. Για να έχουμε μια πλήρη εικόνα, θα πρέπει να γνωρίζουμε τον ετήσιο βαθμό απόδοσης της εγκατάστασης. Ετήσιος βαθμός απόδοσης, είναι η συνολική ωφέλιμη ενέργεια (θερμότητα) που παράγει ο λέβητας μέσω θερμαντικών σωμάτων(καλοριφερ) σε σχέση με τις απώλειες των καυσαερίων, τις απώλειες ακτινοβολίας-συναγωγής του λέβητα και των σωληνώσεων στο περιβάλλον και τις απώλειες διακοπής λειτουργίας της εγκατάστασης. Οι απώλειες πιο συγκεκριμένα είναι: *Απώλειες καυσαερίων, είναι η θερμότητα που χάνουμε από την καπνοδόχο *Απώλειες ακτινοβολίας-συναγωγής έχουμε στο λέβητα αρχικά που «χάνεται» μέρος θερμότητας από την καύση του καυσίμου προς περιβάλλον(λεβητοστάσιο) και στις σωληνώσεις έπειτα που «χάνεται» θερμότητα του ζεστού νερού προς περιβάλλον κατά την διάρκεια λειτουργίας του λέβητα *Απώλειες διακοπής, είναι η θερμότητα που χάνει ο λέβητας προς το περιβάλλον και την καπνοδόχο, όσο ο καυστήρας βρίσκεται εκτός λειτουργίας Το ιδανικότερο θα ήταν, να είχαμε ετήσιο βαθμό απόδοσης 100%, που σημαίνει ότι όλη η ενέργεια που παρήχθη, μετατράπηκε σε ωφέλιμη ενέργεια. Αυτό βέβαια είναι πρακτικά αδύνατο γιατί ήδη περίπου 10% απώλειες θα έχουμε από τα θερμά καυσαέρια, που βγαίνουν από την καπνοδόχο. Συνοπολογίζοντας απώλειες ακτινοβολίας-συναγωγής από τον λέβητα και τις σωληνώσεις και απώλειες διακοπής λειτουργίας, στην καλύτερη περίπτωση, ο βαθμός απόδοσης της όλης εγκατάστασης, μπορεί να είναι περίπου 86%. Ακόμη και η τιμή αυτή επιτυγχάνεται σπάνια και μόνο όταν η εγκατάσταση είναι καινούργια. Για υψηλό ετήσιο βαθμό απόδοσης εγκατάστασης ΚΘ απαιτείται: * Λέβητας και σωληνώσεις ισχυρά μονωμένες * Ο λέβητας να μην βρίσκεται σε αναμονή, για να αποφύγουμε τις απώλειες διακοπής και λειτουργίας * Υψηλός βαθμός απόδοσης λέβητα (πάνω από 90%) * Μικρός σε διαστάσεις λέβητας, με μικρή περιεκτικότητα νερού και σύμφωνα με τις απαιτήσεις (όχι πολύ μεγαλύτερος από αυτόν που απαιτείται). Αν κανείς ψάξει προσεκτικά τα πιθανά σημεία απωλειών σε μια κεντρική θέρμανση, τότε θα διαπιστώσει πώς δεν είναι καθόλου απίθανο, ότι από μια επίσημη έρευνα προέκυψε ένας μέσος ετήσιος βαθμός απόδοσης, κάτω από 40%. Αυτό σημαίνει ότι το 60% των καυσίμων που αγοράζουμε χάνεται. Στόχος είναι να πλησιάσουμε όσο το δυνατόν πιο κοντά στο 90% και αυτό θα το πετύχουμε, χρησιμοποιώντας ένα σύγχρονο οικονομικό λέβητα και μια σύγχρονη οικονομική εγκατάσταση λεβητοστασίου.

Κύρια στοιχεία λέβητα ΚΘ Κάθε λέβητας αποτελείται από τον θερμαντήρα ή φλογοθάλαμο, τους φλογαυλούς ή αεραυλούς και τον υδροθάλαμο, ή τον ατμοθάλαμο για λέβητες ατμού, ή αεροθάλαμο για αερολέβητες. Φλογοθάλαμος είναι ο χώρος όπου γίνεται η καύση. Υδροθάλαμος είναι ο χώρος που υπάρχει το νερό για την μεταφορά θερμότητας. Φλογαυλοί είναι διαδρομές του λέβητα, μέσα από τις οποίες οδηγούνται τα καυσαέρια προς την καπνοδόχο. Οι φλογαυλοί σε λέβητες χαλύβδινους, είναι συνήθως σωλήνες μεγάλου μήκους και περιβάλλονται από το προς θέρμανση νερό ή αέρα ή ατμό

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

7

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Χαρακτηριστικά Λέβητα και διακρίσεις: 1. Το υλικό κατασκευής του. Έτσι έχουμε Χυτοσιδήρους, Χαλύβδινους και Χάλκινους, ανοξείδωτους, διμεταλλικούς λέβητες.

2. Η ονομαστική ισχύς σε ΚW ή Kcal/h Πρόκειται για την μέγιστη διαρκή ισχύ, δηλαδή την μέγιστη ωριαία ωφέλιμη ποσότητα θερμότητας που μεταδίδεται στον φορέα. Διακρίνονται σε λέβητες μικρής, μεσαίας, μεγάλης θερμικής ισχύος 3. Το είδος του καυσίμου. Οι λέβητες μπορεί να είναι υγρών, αερίων, στερεών καυσίμων, βιομάζας αλλά και μικτής ή εναλλακτικής καύσης.

4.Επί τη βάσει του φορέως θερμότητας διακρίνονται σε: Λέβητες ατμού χαμηλής πίεσης, Λέβητες ατμού υψηλής πίεσης, Λέβητες αέρος (αερολέβητες), Λέβητες νερού, λέβητες υπέρθερμου ατμου.

5. Η διαμόρφωση των θερμαντικών επιφανειών. Οι λέβητες διακρίνονται σε τύπους με φλογοσωλήνα και αεριαυλούς, με υδραυλούς, πολλαπλών διαδρομών 6. Η πίεση στον χώρο της καύσης. Στους παλιότερους λέβητες τη ροή των καυσαερίων εξασφαλίζει ο φυσικός ελκυσμός(ατμοσφαιρικοί λέβητες), ενώ στους σύγχρονους την απαιτούμενη υπερπίεση στο χώρο εξασφαλίζει ο καυστήρας. Έτσι έχουμε πιεστικούς ή υψηλής αντίθλιψης λέβητες και τους χαμηλής αντίθλιψης.

7. Η πίεση λειτουργίας. Οι συνηθισμένοι λέβητες κεντρικής θέρμανσης λειτουργούν σε πίεση μικρότερη των 6 bar.

8. Ο βαθμός απόδοσης είναι η σχέση της ωφέλιμης ποσότητας θερμότητας που μεταδίδεται στον φορέα θερμότητας (νερό) προς την ποσότητα θερμότητας που προσάγεται με το καύσιμο και η οποία αναφέρεται στην κατώτερη θερμογόνο ικανότητα του καυσίμου.

8. Η υδραυλική αντίσταση είναι η πτώση πίεσης κατά τη ροή του νερού μέσα στο λέβητα μεταξύ του σημείου επιστροφής και του σημείου αναχώρησης του ζεστού νερού, στις συνθήκες λειτουργίας με ονομαστική ισχύ.

9.Τέλος οι λέβητες διακρίνονται σε ατομικούς(μονάδες compakt) και διαιρούμενους

Η ταυτότητα του λέβητα Κάθε λέβητας σύμφωνα με τον ΕΛ.Ο.Τ. (Ελληνικός Οργανισμός Τυποποίησης), πρέπει να έχει πινακίδα σε εμφανές σημείο, με τα παρακάτω στοιχεία: 1. Όνομα και σήμα (αν υπάρχει) της κατασκευάστριας εταιρείας 2. Αριθμός κατασκευής του λέβητα 3. Τύπος του λέβητα 4. Ισχύς του λέβητα για το αντίστοιχο καύσιμο 5. Μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση λειτουργίας σε bar 6. Μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας σε βαθμούς Κελσίου 7. Αντίσταση καυσαερίων (αντίθληψη).

Προβλεπόμενες εργασίες για συντήρηση - καθαρισμό Λέβητα (ετήσια) (από σωματείο τεχνητών εγκαταστάσεων και συντήρησης λεβητοστασίων «Ο Ήφαιστος»)

1. Η πόρτα του Λέβητα πρέπει να μονωθεί αν το υπάρχον μονωτικό έχει καταστραφεί 2. Να στεγανοποιηθεί αν χρειάζεται ο Λέβητας 3. Να καθαρίζονται με συρμάτινη βούρτσα οι σωληνώσεις του (φλογαυλοί ,ή τούμπα, ή αυλοί) και αν αυτό είναι αδύνατο να γίνει με βούρτσα να χρησιμοποιείται ειδικό υγρό 4. Να καθαρίζονται οι συλλέκτες του Λέβητα και οι γωνίες της καμινάδας καθώς και ο συλλέκτης του καπνοσυλλέκτη αν υπάρχει 5. Να τοποθετείται φύλλο αμίαντος ή κορδόνι όπου χρειάζεται

2.3. ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΛΕΒΗΤΑ (BOILER EFFICIENCY)

Ο βαθμός απόδοσης λέβητα ορίζεται ως ο λόγος του συνολικού θερμικού έργου που αποδίδει ο λέβητας (Qωφ) προς το αντίστοιχο θερμικό έργο που προσδίδεται σε αυτόν (Qin), δηλαδή είναι ο λόγος της ωφέλιμης ενέργειας προς την καταναλισκόμενη ενέργεια. Ο βαθμός απόδοσης λέβητα υπολογίζεται από τη σχέση: 

nb 

Q 

Qin

Πιο συγκεκριμένα το συνολικό ωφέλιμο έργο ενός λέβητα είναι αυτό που προσδίδεται στο νερό προκειμένου αυτό να θερμανθεί ενώ το θερμικό έργο που προσδίδεται στο λέβητα, δηλαδή καταναλώνεται, είναι η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση του καυσίμου.

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

8

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Ο βαθμός απόδοσης του λέβητα σχετίζεται άμεσα με τις απώλειες που εμφανίζονται. Όσο μικρότερες είναι οι απώλειες, τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης. Κατά τη λειτουργία του λέβητα εμφανίζονται οι ακόλουθες μορφές απωλειών: (ι)Απώλειες καυσαερίων (stack losses) Είναι οι μεγαλύτερες απώλειες στην λειτουργία ενός λέβητα. Ποσοστό της ενέργειας του καυσίμου που προσδίδεται στη εστία καύσης, αυξάνει τη θερμοκρασία και κατά συνέπεια την ενθαλπία των καυσαερίων στην έξοδο αυτών από την εστία και έχουμε τις απώλειες 



QG  m g  C pg  Tgas  Tambient 

Αυτές οι απώλειες μειώνονται αν έχουμε μικρότερη παροχή καυσαερίου(mg-dot) ή/και μικρότερη θερμοκρασιακή διαφορά καυσαερίων – περιβάλλοντος ΔΤ(=μικρότερη θερμοκρασία καυσαερίων). Η παροχή καυσαερίου μειώνεται με μείωση περίσσειας αέρα, ως ένα βαθμό βέβαια, γιατί ενδεχόμενη μεγάλη μείωση περίσσειας αέρα οδηγεί σε αύξηση εκπομπών CO και υδρογονανθράκων που μπορεί να οδηγήσουν μέχρι και σε εκρηκτικές καταστάσεις στο λέβητα. Τα κατώτερα όρια περίσσσειας καθορίζονται από τεχνικά χαρακτηριστικά του καυστήρα για καλή ανάμιξη καυσιμου-αέρα. Η μείωση περίσσειας δεν μεταβάλλει σε μεγάλο βαθμό την παροχή καυσαερίου, αλλά περισσότερο τις συνολικές απώλειες καυσαερίων γιατί μειώνει επιπλέον και την θερμοκρασιακή διαφορά ΔΤ, μειώνοντας την θερμοκρασία καυσαερίων (αφού η μειωμένη «παροχή περίσσειας αέρα» έχει μειωμένη θερμοχωρητικότητα) Η μείωση της θερμοκρασιακής διαφοράς, δηλαδή της θερμοκρασίας καυσαερίων, γίνεται με αύξηση της επιφάνειας συναλλαγής νερού-καυσαερίων, δηλαδή πρακτικά με προσθήκη εναλλάκτων θερμότητας. Αυτό συνήθως γίνεται με προσθήκη οικονομητήρων(economizer) (βλ. παρακάτω σχήματα), με προσοχή πάντα η θερμοκρασία καυσαερίων να μην πέσει κάτω από σημείο δρόσου για αποφυγή συμπύκνωσης (=υγροποίησης) καυσαερίων που οδηγεί το ελάχιστο σε ανεπιθύμητες διαβρωτικές καταστάσεις σε λέβητα και καπνοδόχο. Τέτοιες επεμβάσεις πρoυποθέτουν αντίστοιχες τεχνικο-οικονομικές μελέτες και έχουν ώφελος μονο για λέβητες μεγάλης ισχύος (άνω των 100KW)

economizer schematic

Diagram of Condensing Heat Exchanger Test Apparatus

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

9

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 (ιι)Λοιπές απώλειες: οι παρακάτω απώλειες συνήθως δεν αποτελούν σημαντικό μέρος των συνολικών, γίνεται η παραδοχή ότι είναι μηδενικές και αναφέρονται επιγραμματικά. (α)απώλειες από εξάτμιση υγρασίας(Η2Ο) καυσίμου(στερεά καυσιμα), (β) απώλειες από εξάτμιση υγρασίας(Η2Ο) αέρα καύσης, (γ)απώλειες άκαυστων(για στερεά καύσιμα), (δ)απώλειες ακτινοβολίας και ελεύθερης συναγωγής

2.4.ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ Ο βαθμός απόδοσης ενός λέβητα μπορεί να προσδιοριστεί με δύο τρόπους: την άμεση μέθοδο(direct method/input— output/heat balance method) και την έμμεση μέθοδο(indirect method/heat loss method). Στις δύο μεθόδους η καταναλισκόμενη ενέργεια(Qin), υπολογίζεται με τον ίδιο τρόπο. Συγκεκριμένα η θερμική ενέργεια που παρέχεται στο λέβητα μεσω της χημικής ενέργειας των αντιδρώντων (καυσίμου και αέρα) είναι το γινόμενο της κατώτερης θερμογόνου δύναμης (HU) του καυσίμου επί την παροχή καυσίμου προς το λέβητα (mk). .

.

Qin  m  H u W  Δεδομένα που απαιτούνται για προσδιορισμό Qin (=και για τις δύο μεθόδους υπολογισμού απόδοσης λέβητα) (ι)μέτρηση παροχής καυσίμου- υπολογισμός mk (ιι)Κατώτατη Θερμογόνος Δύναμη (HU) καυσίμου Σημείωση: Ο βαθμός απόδοσης και πιο συγκεκριμένα η καταναλισκόμενη ενέργεια Qin εδώ υπολογίζονται με βαση την ΚΘΔ του καυσίμου. Η σχέση που συνδέει υπολογισμό nb με ΚΘΔ και ΑΘΔ είναι nb(ΚΘΔ)* HU= nb(ΑΘΔ)* HΟ Αυτό που διαφέρει στις δύο μεθόδους είναι ο τρόπος υπολογισμού της ωφέλιμης ενέργειας(Qωφ). Ανάλογα με το αν υπολογίζεται το Qωφ άμεσα ή έμμεσα έχουμε τους ομώνυμους παρακάτω τρόπους υπολογισμού του nb

i.Άμεση μέθοδος(direct/input-output/heat balance method) Στον άμεσο προσδιορισμό έχουμε υπολογισμό του ονομαστικού(ολικού) βαθμού απόδοσης λέβητα (nb). Η ωφέλιμη ενέργεια (Qωφ) είναι αυτή που παραλαμβάνεται από το παραγόμενο θερμό νερό(Qout).Το Qωφ εδώ υπολογίζεται ως το γινόμενο παροχής νερού με την ειδική θερμοχωρητικότητα νερού (στη μέση θερμοκρασία του) και με την διαφορά θερμοκρασίας εισόδου/εξόδου του νερού στον λέβητα. 





Q  Q out  m H 2O  C pH O  W 2

Για προσδιορισμό της Qωφ χρειάζονται (ι)μέτρηση παροχής του νερού – υπολογισμός mνερού-dot , (ιι)μέτρηση θερμοκρασιών εισόδου/εξόδου του νερού στο λέβητα – υπολογισμός ΔΘw και Cνερου(στη μέση θερμοκρασία του)

ii.Έμμεση μέθοδος(indirect/heat loss method) Αγνοώντας απώλειες ακτινοβολίας και ελευθερης συναγωγής(=αδιαβατικός λεβητας) και θεωρώντας ότι αέρας καυσης δεν έχει υγρασία, οι απώλειες θερμότητας σ’ ένα λέβητα παραγωγής θερμού νερού είναι οι απώλειες καυσαερίων και έτσι η ωφέλιμη ενέργεια (Qωφ) μπορεί να εκτιμηθεί σαν η διαφορά απωλειών καυσαερίου(Qg) από την καταναλισκόμενη ενέργεια(Qin) και έχουμε τον παρακάτω βαθμό απόδοσης καύσης του λέβητα(nκb) 





Q  Qin  Q g οπότε nkb  1 

Τενεκετζόγλου Ανδρέας



Qg 

Qin

ΑΕΜ 5250

10

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Έτσι στην έμμεση μέθοδο απαιτείται ο υπολογισμός του Qg. Οι απώλειες καυσαερίου υπολογίζονται ως το γινόμενο ροής καυσαερίων (mG-dot, kg/sec) επί θερμοχωρητικότητα καυσαερίων στην θερμοκρασία τους(CPg, kJ/kgK για Τgas,) επί διαφορά θερμοκρασίας καυσαερίου και περιβάλλοντος (ΔΤ, K). 



Q g  mG  C pg  Tgas  Tambient  Για υπολογισμό Qg χρειάζονται (ι)σύσταση καυσίμου και καυσαερίων, ροή καυσίμου mk-dot–υπολογισμός ισοζύγιου μάζας καύσης-υπολογισμός mG-dot (ιι)μέτρηση θερμοκρασιών καυσαερίων(=Τgas) και περιβάλλοντος (=Τambient) – υπολογισμός CPg , και ΔT

2.5.ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΕΣ ΑΠΟΚΛΙΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΔΥΟ ΜΕΘΟΔΩΝ ΚΑΙ ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΣΗ Η διαφορά στον τρόπο υπολογισμού απόδοσης λέβητα με άμεσo ή έμμεσο τρόπο έχει να κάνει με διαφορετικά τα ενεργειακά ισοζύγια που εξετάζουμε. Στον άμεσο εξετάζεται απευθείας η ωφέλιμη θερμότητα που μεταφέρει το νερό, στον έμμεσο εξετάζεται η ωφέλιμη θερμότητα μέσω των απωλειών θερμότητας και στις δύο σε σχέση με την εισερχόμενη θερμότητα, την ενέργεια από την καύση του καυσίμου (QinQνερου και QinQin-Qg αντίστοιχα). Έτσι οι δύο μεθόδοι χρειάζονται για τον υπολογισμό του nb διαφορετικά δεδομένα, υπολογισμούς και οδηγούν σε διαφορετικά συμπεράσματα με αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Δεδομένα που απαιτούνται για τον άμεσο υπολογισμό (α)παροχή νερού, (β)θερμοκρασίες εισόδου/εξόδου του νερού στο λέβητα (γ) παροχή καυσίμου (γ) ΚΘΔ καυσίμου Πλεονεκτήματα άμεσου υπολογισμού: (ι)γρήγορη εκτίμηση βαθμού απόδοσης λέβητα (ιι)λιγότερα απαιτούμενα δεδομένα & λιγότερα/συνήθη μετρητικά όργανα για υπολογισμούς (ιιι)Easy to compare evaporation ratios with benchmark figures (για λέβητες ατμού) Μεινονεκτήματα άμεσου υπολογισμού: (ι)Δεν δίνει στοιχεία σχετικά με αίτια χαμηλής απόδοσης (ιι)Δεν λαμβάνει υπόψη τη σχέση κάθε επιμέρους απώλειας με τον βαθμού απόδοσης (ιιι)Απαιτείται ο λέβητας να βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση λειτουργίας

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

11

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

Δεδομένα που απαιτούνται για τον έμμεσο υπολογισμό (α)Ανάλυση καυσαερίων (β)θερμοκρασία καυσαερίου (γ)θερμοκρασία περιβάλλοντος και συγκέντρωση υγρασίας στον αέρα καύσης (δ) ΚΘΔ καυσίμου (ε)συγκέντρωση τέφρας(ash) και υγρασίας(moisture) στο καύσιμο (για στερεά καύσιμα) (ζ)Διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τοιχωμάτων λέβητα και περιβάλλοντος. Σχόλιο: Στην παρούσα εργασία την θεωρούμε ότι έχουμε θερμοκρασία τοιχωμάτων ίση με θερμοκρασία περιβάλλοντος λέβητα(=δεν έχουμε απώλειες με ακτινοβολία και ελεύθερη συναγωγή και ότι δεν έχουμε υγρασία στον αέρα καύσης Πλεονεκτήματα έμμεσου υπολογισμού: (ι)έχουμε εποπτεία ισοζύγιων ενέργειας, επιμερους απώλειων (ιι)δυνατότητα εντοπισμού αιτιών χαμηλής απόδοσης και βελτιστοποίησής της Μεινονεκτήματα έμμεσου υπολογισμού: (ι)Χρονοβόρος (ιι)Απαιτεί εξειδικευμένο εργαστηριακό εξοπλισμό Συμπεράσματα: Ο βαθμός απόδοσης με έμμεση μέθοδο αναμένεται πάντα μεγαλύτερος αυτού με άμεση μέθοδο και τον προσεγγίζει όσο περισσότερες κ με καλύτερη ακρίβεια απώλειες λέβητα λαμβάνονται υπ’όψη για την εξαγωγή του. Η παραδοχή ότι έχουμε μόνο τις απώλειες καυσαερίου στον έμμεσο τρόπο υπολογισμού απόδοσης έχει σαν αποτέλεσμα «εντοπισμό» λιγότερων απωλειών και εύρεση (αρκετά) μεγαλύτερου βαθμού απόδοσης από τα αντίστοιχα πραγματικά μεγέθη. Έτσι με τον άμεσο αν και θα βρούμε μικρότερο βαθμό απόδοσης, θα έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια και αυτος θα ανταποκρίνεται περισσότερο στην πραγματικότητα. Συνοψίζοντας τα παραπάνω πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δύο τρόπων υπολογισμού συνίσταται ο άμεσος τρόπος για ενδεικτική εύρεση ολικού βαθμού απόδοσης και η χρήση του έμμεσου για προσδιορισμό αιτιών χαμηλού βαθμου απόδοσης, βελτιστοποίησης του με ανάλογα απαιτούμενες εργασίες συντήρησης λέβητα.

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

12

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

13

3.Πρωτόκολλο Μετρήσεων 3.1. TΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΕΒΗΤΑ (T HERMOLEV DG 030) Λέβητες χαλύβδινοι αερίου-πετρελαίου σειράς DG • Κατασκευάζονται από χάλυβα ST 37-2 κατά DIN 17100 • Φλογοθάλαμος κυκλικής διατομής • Αεριοαυλοί (tubo) από σωλήνα τύπου mannesman (Άνευ ραφής) • Θερμομόνωση από υαλοβάμβακα με επικάλυψη αλουμινίου • Πόρτα ολικού ανοίγματος αριστερά – δεξιά • Σετ επενδύσεων με ηλεκτροστατική βαφή • Συσκευασία κορμού λέβητα με επικάλυψη ειδικού νάϋλον • Χωριστή συσκευασία σετ επενδύσεων ΚΙΤ ΑΕΡΙΟΥ για λειτουργία του λέβητα με αέριο. Το ΚΙΤ ΑΕΡΙΟΥ περιλαμβάνει: - Διακόπτη ασφαλείας - Κάλυμα και μόνωση πόρτας - Περιφερειακή μόνωση πόρτας - Στροβιλιστήρες για όλους τους φλογοαυλούς, διαφορετικού μεγέθους και σπειρώματος Πίνακας οργάνων ελέγχου λειτουργίας που περιλαμβάνει: • Γενικό διακόπτη ON/OFF με ενδεικτική λυχνία • Θερμικό ασφαλείας • Θερμοστάτη καυστήρα • Θερμοστάτη κυκλοφορητή • Θερμόμετρο νερού

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ: 90 OC -ΠΙΕΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ: 3BAR – ΠΙΕΣΗ ΕΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΣΗΣ: 2007

ΕΛΕΓΧΟΥ : 6BAR

–

(Τ. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΥΣΤΗΡΑ-BENTONE STG120, ΠΙΕΣΤΙΚΟΣ(ΜΟΝΟΒΑΘΜΙΟΣ) ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ)

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 3.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΤΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ Αναλυτής καυσαερίων τύπου Horiba PG-250 για μετρηση (αποξηραμένων) καυσαερίων Μετρούμενα καυσαέρια:  Διοξείδιο του άνθρακα (NDIR)  Μονοξείδιο του άνθρακα (NDIR)  Οξείδια του αζώτου (CLD) με δυνατότητα διαχωρισμού μονοξειδίου και διοξειδίου  Διοξείδιο του θείου (NDIR)  Οξυγόνο (παραμαγνητικά) Measurement Ranges Standard measuremnt ranges: NOx - 0-25, 50, 100, 250, 500, 1000, and 2500ppm SO2 - 0-200, 500, 1000, and 3000ppm CO - 0-200, 500, 1000, 2000, and 5000ppm CO2 - 0-5, 10, and 20 vol% O2 - 0-5, 10, and 25 vol% Zero Drift ±1% (full scale) per day (SO2 ±2% F.S./day)

Θερμόμετρα αντίστασης PT100 για μέτρηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων και του νερού, OC

Θερμόμετρο για μέτρηση θερμοκρασίας περιβάλλοντος, OC Ροόμετρο, Μετρητής ΦΑ (ροόμετρο)-μέτρηση όγκων νερού,ΦΑ,m3 Ψηφιακό Χρονόμετρο (χειροκίνητο) για την ευρεση παροχής ΦΑ, νερού, m3/sec

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

14

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 3.3.ΣΚΑΡΙΦΗΜΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ

3.4.ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ (ΠΡΙΝ ΑΠΟ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ) Όγκος Καυσίμου Αρχική Τιμή…………………………………………………447.09 m3 Όγκος Καυσίμου Τελική Τιμή………………………………………………..….447.6 m3 Χρονόμετρο Καυσίμου…………………………………………………….9min 20.09sec Όγκος Η20 Αρχική Τιμή……………………………………………………… 143.94 m3 Όγκος Η20 Τελική Τιμή………………………………………………………..144.12 m3 Χρονόμετρο Η20…………………………………………………………..9min 23.17sec Τνερου εισόδου…………………………………………………………………...........20.65 ΟC Τνερου εξόδου…………………………………………………………………………83.2 ΟC Τκαυσαερίου…………………………………………………………………………248.7 ΟC Τπεριβάλλοντος…………………………………………………………………………...17ΟC Σύσταση καυσαερίου CO2…………….10% O2………………2.69% CO……………...10ppm=0.001% (αμελητέο) NOX…………….41,6ppm=0.00416% (αμελητέο) SO2……………..0% (αμελητέο)

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

15

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

16

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

4.Αποτελέσματα ΚΑΥΣΙΜΟ Ρώσικο ΦΑ



Παραδοχή Σύστασης (η παραδοχή τηρεί προδιαγραφες ΡΑΕ για σύσταση ΦΑ) Θεωρούμε ότι το ΦΑ αποτελείται μονο από μεθάνιο, αιθάνιο, άζωτο με βάση την παρακάτω σύσταση:

CH4 (Μεθάνιο)..…………………………...…………………….………………….. 98% C2H6 (Αιθάνιο)………………………...……………………….…………….……...0.9% Ν2 (Άζωτο) …………….……...…….………………………..…………..……...….1.1%

Συναρτήση της συστασης του ΦΑ και των ΜΒ των συστατικών του μορίων υπολογίζεται η στοιχειομετρική συστασή του:

c  0.98 



12 24  0.009  16 30

h  0.98 

4 6  0.009  16 30

n  0.011

28 28

Στοιχειομετρική σύσταση………………………….….. c=0.2468 h=0.7422 n=0.011

4.1.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΛΟΓΟΥ ΑΕΡΑ & ΚΘΔ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Από τις εξισώσεις (1) προκύπτει το στοιχειομετρικά απαιτούμενο οξυγόνο για να γίνει η καύση. Επειδή η αναλογία όγκων είναι και αναλογία kmol προκύπτει ότι: Στο 1 kmol καυσίμου περιέχονται CH4 (Μεθάνιο)…..………..0,98kmol C2H6 (Eθάνιο)…………...0.009kmol Ν2 (Άζωτο) …………….0.011kmol Συγκεκριμένα οι εξισώσεις καύσης ΦΑ θα είναι CH4 +2 O2 → CO2+2 H2O C2H6+ 3.5 O2 → 2 CO2+ 3 H2O Επομένως : Οmin=2*0,98+3,5*0,009 Οmin=1,9915 [kmol Ο2/ kmol καυσίμου] Στα καυσαέρια το CO2 που παράγεται για στοιχειομετρική καύση είναι: CO2= 1*0,98+2*0,009 CO2=0,998 [kmol CO2/ kmol καυσίμου]

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

17

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 Τα καυσαέρια που παράγονται είναι: CO2+ H2O+[Ν(αέρα) +Ν(καυσίμου)+ ΝΟχ]+Ο(από περίσσεια) Επειδή όμως τα καυσαέρια που μετράει ο αναλυτής είναι αποξηραμένα, δεν θα υπολογίσουμε στα καυσαέρια τους υδρατμούς. Επίσης, επειδή η ποσότητα ΝΟX είναι πολύ μικρή θα την αμελήσουμε. Άρα τα παραπάνω προϊόντα της αντίδρασης είναι: CO2+[Ν(αέρα) +Ν(καυσίμου)]+Ο(από περίσσεια) Όπως αναφέραμε επειδή η αναλογία όγκων είναι και αναλογία kmol από τις μετρήσεις θα ισχύει ότι : Στα 100 kmol καυσαερίων περιέχονται 10 kmol CO2 . Άρα 0,998 kmol CO2 περιέχεται σε 9,98 kmol (αποξηραμένων) καυσαερίων. Από τα δεδομένα ξέρω επίσης ότι περίσσεια του O2=2,69 %. Εφόσον δηλαδή στα 100 kmol καυσαερίων περιέχονται 2,69 kmol O2, στα 9,98 kmol καυσαερίων θα περιέχονται 0,2684 kmol O2. Επομένως έχουμε: 9.98kmol (αποξ.) καυσαερίων = 0.998kmol CO2+ Ν(αέρα) +0.011kmol Ν(ΦΑ)+0.2684kmol Ο(από περίσ.)

 N(αέρα)=8.7026kmol, όμως N(αέρα)=0.79*L=0.79*(λ*Lmin)=0.79*[λ*(Οmin/0.21)]  λ=1.16

Υπολογισμός ΚΘΔ Φυσικού Αερίου Από τη στοιχειομετρία των εξισώσεων καύσης του καυσίμου προκύπτει η παρακάτω εξίσωση: 0,98 CH4+0,009 C2H6+1,9915 O2 = 0,998CO2+1,9825 H2O Επειδή η θερμογόνος δύναμη ισούται με την αρνητική ενθαλπία αντιδράσεως παίρνοντας από πίνακα παραρτήματος τις γραμμομοριακές ενθαλπίες σχηματισμού για κάθε ένωση σε KJ/kmol CH4 = -74850 , C2H6= -84680, O2=0, CO2= -393520, H2O(g)= -241820 Υπολογίζεται η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου που έχω: Hu=0,98*(-74850)+0.009*(-84680)+1.9915*0-0.998(-393520)-1.9825*(-241820)=798025.99[KJ/kmol] Hu=798025.99 [KJ/Κmol]

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

18

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 4.2.ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΛΕΒΗΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΑΜΕΣΗ ΜΕΘΟΔΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ . Η ωφέλιμη ενέργεια που είναι η ενέργεια που μεταφέρεται στο νερό είναι: 







Q  Qout  mH2O  C pH O  W και η παροχή νερού m H O  2

144.12  143.94  m3 

2

9*60  23.17 sec 

 3.19 10 4 m3 / sec



Θεωρούμε ρνερού≈1gr/cm3, άρα m H 2O  3.19 104  (1000kg / m3 )  0.319kg / sec Για T   2

83, 2  20,65  51,9 C και πίεση 3bar(ονομαστική) C pH 2O =4.1795 KJ/KgK ,ΔθW=62,55Κ 2 

Άρα



Qout  mH2O  C pH O  W  0.319  4.1795  62.55  83.39kJ / sec 2

Η ενέργεια που παραλαμβάνεται από το καύσιμο που καίγεται είναι: 



Q in  m k  H u , ΚΘΔ καυσίμου: Hu  798025.99  kJ / kmol  και ροή καυσίμου 

mk 

447.6  447.09  m3  9*60  20.09 sec

 9.1104 m3 / sec  0.0406mol / sec (εφόσον οποιοδήποτε αέριο ισχύει 1m =44,615mol) 3



Άρα



Q in  m k  H u  0.0406 103  798025.99  32.399kJ /sec

Σχόλια Mη αποδεκτό Qout(>>Qin) προφανώς λόγω λάθους στις μετρησεις ροής νερού (λάθος καταγραφής ή ακρίβειας οργάνου). Ο άμεσος βαθμος απόδοσης θα υπολογιστεί παρακάτω προσεγγιστικά μέσω του έμμεσου βαθμού απόδοσης.

4.3.ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΛΕΒΗΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΜΜΕΣΗ ΜΕΘΟΔΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ . Η ενέργεια που παραλαμβάνεται από το καύσιμο που καίγεται υπολογίστηκε παραπάνω: .

.

Q in  m k  H u  32.399kJ /sec Η θερμική ενέργεια που απορρίπτεται στο περιβάλλον με το καυσαέριο υπολογίζεται από τον τύπο: 



Q g  m G  C pGAS  TGAS  Tambient  Βρήκαμε παραπάνω(βλ. 4.1) το ισοζύγιο γραμμομοριακής μάζας (2,9805kmol) για τη στοιχειμετρική καύση 0,98 CH4+0,009 C2H6+1,9915 O2  0,998CO2+1,9825 H2O, υπολογίστηκαν και N2(gas)=[0.011kmol Ν2(ΦΑ) +8.7026kmol N2(αέρα)]=8.7136kmol, O2(περισσειας)=0,2684kmol

Οπότε το ισοζύγιο γραμμομοριακής μάζας μάζας στην καύση στο λέβητα(11.9625kmol) είναι [0,98CH4 +0,009C2H6 +0.011N2]καυσιμο +[2.2599O2 +8,7026N2]αέρας  [0,998CO2 +8,7136N2 +0.2684O2]ξηρό καυσαέριο+1,9825H2O [kmol] Έτσι [1kmol]καυσιμο +[10.9625kmol]αερα[0,998CO2 +8,7136N2 +0.2684O2 +1,9825H2O]καυσαέριο και για τη ροή καυσίμου που έχουμε υπολογίσει (mk=0,0406mol/sec) έχουμε [0,0406]καυσιμο +[0,4451]αερα[0,0405CO2 +0,3537N2 +0,011O2 +0,0805H2O]καυσαέριο [mol/sec] ή mgas-dot=ΣniΜi=(0,0405*44)CO2 +(0,3537*28)N2 +(0,011*32)O2 +(0,0805*18)H2O [g/sec] αφού τα συστατικά του καυσαεριου έχουν μοριακή μάζα MN2=28

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

MO2=32

MCO2=44

MH20=18

[g/mol]

ΑΕΜ 5250

19

Εργασία ΣΠΗΕ 2009



Οπότε έχουμε m G  13.4866 g / sec  0.0135kg / sec Για τον υπολογισμό της θερμοχωρητικότητας του καυσαερίου αρκεί να βρούμε το άθροισμα των ποσοστών των συστατικών του(ξi) επί την αντίστοιχη θερμοχωρητικότητα των συστατικών(Cpi) στη θερμοκρασία των καυσαερίων. Για τα ποσοστά ξi έχουμε [0,998CO2 +8,7136N2 +0.2684O2+1,9825H2O]καυσαέριο=11.9625kmol ή ξCO2=8,34%

ξN2=72.84%

ξO2=2.25%

ξH2O=16.57%

Ενώ από thermolab(βλ.παράρτημα) βρέθηκαν οι θερμοχωρητικότες στη θερμοκρασία καυσαερίων(248,7ΟC) CpCO2=1.0331

CpN2=1.0599

CpO2=0.9790

CpH20gas=1.9902

[kJ/kgK]

Επομένως η θερμοχωρητικότητα των καυσαερίων θα είναι

C pGAS  

 8.34 1.0331   72.84 1.0599    2.25  0.9790   16.57 1.9902   1.21kJ / kgK 100



Άρα Q g  m G  C pGAS  TGAS  Tambient   0.0135 1.21 248.7  17   3.785kJ / sec 

nkb  1 

Qg 

 1

Qin

3.785  0.8832 32.399

Οπότε ο βαθμός απόδοσης καύσης λέβητα(nκb) είναι 88.32% για: 

Απώλειες καυσαερίων 11,68%

Από τις απώλειες που παραλείψαμε έχουμε τυπικό εύρος τιμών:  

Ακτινοβολίας-συναγωγής 1% έως 5% Λοιπές - απροσδιόριστες απώλειες 1% έως 2%

Οπότε με την άμεση μέθοδο εκτιμάται ότι θα είχαμε τον ολικό βαθμό απόδοσης κατά 2% έως 7% μικρότερο από τον απόδοση καύσης του λέβητα[(88.32-7)% έως (88.32-2)%]. Έτσι εκτιμάται με άμεση μέθοδο: ολικός βαθμός απόδοσης nb=81,32% έως 86,32%

4.4.ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΒΑΘΜΟΥ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Από τους υπολογισμούς στην έμμεση μέθοδο παρατηρούμε ότι έχουμε τις απώλειες καυσαερίων να συμβάλλουν κύρια στη μείωση του βαθμού απόδοσης(κατά 11,68%). Μείωση των υψηλών απωλειών καυσαερίου μπορούμε να έχουμε:  Mε μείωση της περίσσειας αέρα(λ=1.16), η οποία είναι αρκετά μεγαλύτερη από ενδεικτικές τιμές(λ=1.05 για ΦΑ). Η μεγαλυτερη της επιθυμητής περίσσεια αέρα αυξάνει παροχή καυσαερίου(mG-dot) άρα και συνολική θερμότητα που χάνεται από τα καυσαέρια. Η δυνατότητα καλής ανάμιξης ΦΑ-αέρα(από καυστήρα) καθορίζει το επιτρεπτό κ ακριβές εύρος επιθυμητής μείωσης περίσσειας. Στη διαδικασία μείωσης λ, γίνεται έλεγχος φλόγας με αντίστοιχες διατάξεις στους πιεστικούς καυστήρες αερίου(βλ.παραρτ). Υπενθυμίζουμε ότι μεγάλη μείωση περίσσειας αέρα είναι ανεπιθύμητη, γιατί επιφέρει πέρα από μείωση απόδοσης και ενδεχόμενη δημιουργία εκρηκτικού μίγματος CO-αέρα.  Με μείωση θερμοκρασίας καυσαερίων, η οποία σε μικρούς λέβητες που δεν συμφέρει προσθήκη οικονομητήρα, επιτυγχάνεται και αντικατάσταση συνηθισμένων σπειροειδών στροβιλιστών καυσαερίων με πτεριγοφόρους επιβραδυντές, με στόχο τη μέγιστη δυνατή καθυστέρηση καυσαερίων ώστε να αυξάνεται ο χρόνος μεταφοράς (άρα και ποσότητα) θερμότητας από καυσαέρια σε νερό Τέλος με μελέτη και αντικατάσταση αν χρειάζεται μονώσεων λέβητα μπορούμε να περιορίσουμε απώλειες ακτινοβολίας, συναγωγής στο 1%, που πιθανό στο πείραμα να ήταν μεγαλύτερες

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

20

Εργασία ΣΠΗΕ 2009

5.Παράρτημα Τεχνικά Χαρακτηριστικά Καυστήρα (ΒΕΝΤΟΝΕ STG 120)

ΠΙΝΑΚΑΣ ΕΝΘΑΛΠΙΩΝ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

21

Εργασία ΣΠΗΕ 2009 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΠΟ THERMOLAB

ΠΗΓΕΣ & ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Προδιαγραφές ΦΑ http://www.rae.gr/K2/ESFA/Appendix_C.pdf ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ http://www.rae.gr/SUB3/3B/3b22.htm#%CE%94%CE%99%CE%9A%CE%A4%CE%A5%CE%9F ΕΠΑ Θεσσαλονίκης http://www.epathessaloniki.gr/ Τεχνικά χαρακτηριστικά αναλυτή καυσαερίων http://www.horiba.com/us/en/process-environmental/products/combustion/details/pg-250-portable-multi-gas-analyzer-264/ Πληροφορίες για λέβητα και συστήματα κεντρικής θέρμανσης http://levitostasia.net/ http://www.teotherm.gr/therm_cent.htm http://www.fantakis.gr/ARTHRA/LEVITES-KENTRIKVN-THERM.pdf http://fantakis.gr/ARTHRA/EXICONOMISI%20ENERGIAS..pdf Σημειώσεις ΣΠΗΕ (κ.Χατζηαθανασίου) http://alexander.ee.auth.gr:8083/eTHMMY/cms.downloadFile.data.do?method=jsplist&PRMID=55 Μετατροπή σε διαδικτυακή εφαρμογή του λογισμικού Θερμοδυναμικής και Μετάδοσης Θερμότητας (Thermolab) & Εικονικό εργαστήριο μέτρησης βαθμού απόδοσης λέβητα (Διπλωματική Εργασία των Βαβίτσα Κωνσταντίνου & Κοντοτάσιου Διονυσίας) http://vivliothmmy.ee.auth.gr/345/1/%CE%94%CE%B9%CF%80%CE%BB%CF%89%CE%BC%CE%B1%CF%84%CE% B9%CE%BA%CE%AE_%CE%9A%CE%B5%CE%AF%CE%BC%CE%B5%CE%BD%CE%BF_%CE%A4%CE%B5%CE %BB%CE%B9%CE%BA%CF%8C.pdf Thermal Energy Equipment: Boilers & Thermic Fluid Heaters (Energy Efficiency Guide for Industry in Asia) http://www.energyefficiencyasia.org/energyequipment/assessment_boiler_efficiency.html http://www.energyefficiencyasia.org/energyequipment/assessment_boiler_indirectmethod.html Stack Losses for boilers using natural gas - Office of Energy Efficiency (OEE) of Canada http://oee.nrcan.gc.ca/industrial/technical-info/tools/boilers/natural-gas.cfm?attr=24 Recovery of Water from Boiler flue Gas using condensing heat exchangers (US DOE, NETL) http://www.netl.doe.gov/publications/factsheets/project/Proj521.pdf Τεχνικά Χαρακτηριστικά Λέβητα Thermolev - DG 030 http://www.thermolev.com/product_detail.jsp?prdId=003&manufactId=&extLang= http://www.thermolev.com/misc/DGBOILER_07.pdf Τεχνικά Χαρακτηριστικά Καυστήρα Bentone - STG 120 http://www.thermolev.com/misc/kausthres_gas.pdf Thermolab http://alexander.ee.auth.gr:8083/thermo/properties.htm Πιεστικοί καυστήρες αερίου http://www.monachos.gr/forum/topic.asp?TOPIC_ID=840 οδηγος καυσης λεβητων/κλιβανων/φουρνων (ΚΑΠΕ) http://www.cres.gr/kape/education/ODHGOS_LEBHTES.pdf

Τενεκετζόγλου Ανδρέας

ΑΕΜ 5250

22