Bilantul termic al unui cazan de abur

BILANTUL TERMIC AL UNUI CAZAN DE ABUR

1 Notiuni generale

Ecuatia de bilant termic pentru un cazan de abur este:

[ kW ] , (1)

in care:

reprezinta fluxul de caldura dezvoltat prin arderea combustibilului, in kW ;

- fluxul caldurii sensibile a combustibilului, in kW ;

- fluxul de caldura sensibila a aerului care participa in procesul de ardere, in kW ;

- fluxul de caldura sensibila a apei la intrarea in cazan, in kW ;

- fluxul de caldura continut in aburul livrat, in kW ;

- fluxul de caldura pierdut prin gazele arse evacuate, in kW ;

- fluxul de caldura pierdut prin arderea chimica incompleta, in kW ;

- fluxul de caldura pierdut in mediul ambiant prin convectie si radiatie de la peretii exteriori si armaturile cazanului, kW ;

- restul bilantului termic, in kW .

Termenii din stanga ecuatiei sunt fluxurile de caldura intrate, iar cei din dreapta reprezinta fluxurile de caldura iesite din conturul de bilant. In cele ce urmeaza fluxurile de caldura se vor numi simplu calduri.

In figura 1 se prezinta fluxurile de calduri intrate si iesite din conturul de bilant termic.

In cele ce urmeaza se vor prezenta explicit si detaliat fiecare termen.

Fig.1. Fluxurile de caldura intrate si iesite dintr-un cazan de abur.

2. Elementele bilantului termic pentru un cazan de abur

utilizand pentru ardere gazul metan

1. Caldura dezvoltata prin arderea combustibilului,

Se determina cu relatia:

_ac = B ^. Q_ic , [kW] (2)

unde: B este debitul de combustibil, m³_N/s sau in kg/s; Q_ic - caldura de ardere inferioara a combustibilului (pentru gazul metan Q _ic = 35.583 kJ/m³_N

Consumul de gaz se determina prin metoda strangularii cu diagrama, cu relatia:

[kg/s] (3)

[kg/m³], (4)

iar [m³_N s]. (5)

In relatiile (3)  si  sunt date (vezi lucrarea 3); d_g- diametrul orificiului diafragmei, in ms  p_g se introduce in N/m² si reprezinta caderea de presiune pe diafragma; p_b si p_m sunt presiunea barometrica si manometrica, in bar; p_o= 1,01325 bar; T_o si T_g - temperatura la starea normala si respectiv a gazului din conducta, in K; iar  _o= 0,715 kg/m³_N este densitatea la starea normala fizica a gazului metan; iar B_m reprezinta debitul masic de gaz metan, in kg/s.

2. Caldura fizica a combustibilului,

Se determina cu relatia:

[kW] , (6)

unde: = 1,57 kJ/(m³_N.K) este caldura specifica medie la presiune constanta a gazului metan intre 0 - 25^oC; t_g - temperatura gazului din conducta, in ^oC .

3. Caldura fizica a aerului care participa in procesul de ardere, Aerul care participa in procesul de ardere provine din aerul insuflat de catre ventilator si aerul fals (intrat prin neetanseitati in incinta de ardere).

Din analiza compozitiei gazelor arse se va determina continutul efectiv de bioxid de carbon CO_2ef , iar coeficientul excesului de aer  pentru gazul metan se va determina cu relatia [20]:

. (7)

Cunoscand consumul de gaz metan consumat si  se poate determina cantitatea totala de aer cu relatia :

D_aer = B^{. .} L_o [m³_N/s], (8)

unde: L_o = 9,393 m³_N aer/m³_N gaz - este aerul teoretic (minim) necesar arderii a 1 m³_N de gaz metan.

In consecinta:

[kW] , (9)

in care: si t_aeri - temperatura aerului la intrarea in focarul cazanului, in ^oC.

4. Caldura sensibila a apei la intrarea in cazan,

Se determina cu relatia:

[kW] , (10)

unde: temperatura apei la intrarea in cazan, in ^oC ; D_apa - debitul mediu de apa intrat in cazan, in kg/s.

Se considera pe durata unei ore ca debitul de apa intrat in cazan este egal cu debitul de abur livrat de cazan (se neglijeaza pierderile de abur si scaparile de apa eventuale prin neetanseitati si in acest interval de timp, nu se face purjarea cazanului). In consecinta, in functie de aparatura de masura folosita pentru masurarea debitelor, fie pe conducta de alimentare cu apa, fie pe conducta de livrare a aburului, se va determina, fie debitul de apa, fie debitul de abur.

a) Cazul masurarii debitului de apa.

Alimentarea cu apa a cazanului nu este continua. Din aceasta cauza se vor citi datele de la apometru la inceput si dupa o ora, daca este montat apometru. Daca este montata diafragma, se va citi caderea de presiune pe diafragma si timpul de functionare a pompei de alimentare (acest lucru se va repeta de cate ori va fi pornita pompa de alimentare in intervalul de o ora).

In primul caz:

D_apa = ( z₁ - z₂ ) . _a / 3600 [kg/s] , (11)

unde: z - numarul diviziunilor la citirea intaia; z₂ - numarul diviziunilor la citirea a doua ( dupa o ora ), diviziunile reprezentand m³ de apa scursa;

_a - densitatea apei la temperatura de intrare in cazan, in kg/m³, (se citeste din anexa V).

In al doilea caz:

[kg/h] (12)

in care:  este coeficientul de debit al diafragmei ( = 0,634); d_a =0,02775 m, diametrul orificiului diafragmei;  _i - timpul in secunde pentru fiecare perioada de functionare a pompei in decurs de o ora;  _ai - densitatea apei la temperatura de intrare in cazan, in kg/m³, (vezi anexa V);  p_apai - caderea de presiune pe diafragma, in N/m² ( in aparat fiind pus mercur, se va lua  p_apai = 133,33^.  p_i in N/m²).

b) Cazul masurarii debitului de abur

Masurarea se face tot cu ajutorul diafragmei:

[kg/s] (13)

unde:  _ab - coeficientul de debit al diafragmei de abur ( _{ab ab} - coeficientul de expansiune al aburului (vezi lucrarea nr.3, se considera aburul ca avand proprietatile aerului k = 1,3); d_ab = 0,02875 m, este diametrul orificiului diafragmei de aburs  _i - timpul in secunde pentru fiecare perioada de functionare a consumatorului de abur ( daca functionarea nu este continua pe un interval de o ora );  _ab - densitatea aburului la conditiile de lucru (abur saturat uscat, conform anexei V), in kg/m³;  p_abi - caderea de presiune pe diafragma, in N/m² ( in aparat fiind mercur se ia  p_abi = 133,33^. p_i in N/m² ).

5. Caldura continuta in aburul livrat,

Se determina cu relatia:

[kW] , (14)

in care: h_ab este entalpia aburului saturat uscat, in kJ/kg, se determina in functie de presiune din anexa V.

6. Caldura pierduta prin gazele arse evacuate,

Se determina cu relatia:

[kW] , (15)

unde: reprezinta entalpia gazelor arse rezultate din arderea a unui m³_N de gaz metan la un coeficient al excesului de aer  determinat cu relatia (7) si la temperatura de evacuare t_gev masurata la baza cosului, in ^oC (valoarea lui H_g, in functie de  si t, este data in anexa XII).

7. Caldura pierduta prin arderea chimica incompleta ,

Se determina cu relatia:

[kW], (16)

in care: V_g este volumul total de gaze arse rezultate din arderea completa a unui m³_N de gaz metan, m³_N gaze/ m³_N gaz; B - consumul de gaz metan, in m³_N/s; r_CO, r_H2 - participatia volumica a CO si H in gazele arse, in % ; Q_iCO = 12.642 kJ/m³_N si Q_iH2 = 10.760 kJ/m³_N reprezinta puterea calorica inferioara a CO si respectiv H _f - continutul de funingine din gazele arse in g/m³_N gaze arse; Q_iC = 34.332 kJ/kg, reprezinta caldura de ardere inferioara a carbonului.

PROIECT: Efectele campului electric asupra organismului - actioneaza asupra celulelor si organelor si organismului PROIECT: Proiectarea regulatorului de turatie

Volumul total de gaze arse rezultate din arderea a 1 m³_N gaz metan in functie de coeficientul excesului de aer  este dat in tabelul 1.

Tabelul 1 Volumul total de gaze arse rezultate din ardere.

Nota: pentru valori intermediare ale lui  se poate face interpolare. Continutul de funingine se determina prin masuratori ale cifrei de fum (cu aparatul Bacharach cu tester de fum si hartia de filtru cu trusa etalon pentru innegrire), iar  _f se citeste din diagrama din figura 2.

Nota: Daca din analiza compozitiei gazelor arse rezulta un anumit procent de monoxid de carbon, practic se poate lua r_H2 r_CO

8. Caldura pierduta in mediul ambiant,

Se determina cu expresia:

[kW] , (17)

unde _i reprezinta coeficientul de transfer termic de suprafata, in W/(m².K); S_i - aria suprafetei care are o temperatura medie t_Si, in m²s t_Si, t_amb - temperatura suprafetei S_i (valoare medie) si respectiv a mediului ambiant, in ^oC.

Pentru cazanul de abur de 0,2 t/h (care face obiectul lucrarii) se considera trei suprafete de temperaturi medii diferite: suprafata de langa arzator S_i = 0,8 m²; suprafata cilindrica verticala S = 8,156 m² si suprafata boltei S = 0,9 m², iar  _i se calculeaza cu:

[W/(m².K)] . (18)

Temperatura suprafetelor t_Si se masoara cu un termometru de suprafata de contact sau cu termoculori.

9. Restul bilantului termic,

se determina din ecuatia (1) prin diferenta. Se recomanda ca valoarea acestui termen sa fie  3 % din suma caldurilor intrate in conturul de bilant termic.

Nota: In functie de clasa de precizie a aparatelor de masura si de control, restul bilantului termic poate sa aiba valori si mai mici.

Fig.2. Valoarea cifrei de fum  _f in functie de cifra Bacharach

3. Mersul lucrarii, masuratori si interpretarea rezultatelor

Se verifica starea si functionarea aparatelor de masura si a cazanului. Cazanul trebuie sa fie pus in functiune cu cel putin 1/2 ore inainte de inceperea masuratorilor, pentru a se intra intr-un regim termic stationar.

Citirile tuturor indicatiilor aparatelor de masura se vor face simultan. In timpul masuratorilor se va evita purjarea cazanului. Daca purjarea nu se poate evita, se va masura cantitatea apei purjate si temperatura ei.

Rezultatele masuratorilor se vor trece in tabelul 2 (se va trece media aritmetica a doua sau trei citiri). Din datele din tabelul 2 se determina randamentul termic al cazanului cu relatia:

[% ] . (19)

Se va observa influenta coeficientului excesului de aer  , asupra randamentului termic.

Tabelul 2 Tabel cu rezultatele masuratorilor de bilant termic