МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Тепловой баланс печи:

\[Q^P_H = Q_1+Q_2+Q_3+Q_4,  \quad \quad \qquad \qquad(1)\]

где Qнр – рабочая низшая теплота сгорания топлива,

Q1 – теплота, переданная от печи отапливаемому помещению,

Q2 – тепловые потери с уходящим газами,

Q3 – тепловые потери из-за химической неполноты сгорания топлива,

Q4 – тепловые потери из-за механической неполноты сгорания топлива

При проведении испытаний определялись теплота сгорания топлива, теплота, отданная от печи помещению и потери с уходящими газами.

Рабочая низшая теплота сгорания топлива:

\[Q^P_H = m · q,  \quad \quad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad(2)\]

где m – масса топлива (дров), кг;

q– удельная теплота сгорания дров, МДж/кг.

Удельная теплота сгорания дров рассчитывается с учетом влажности дров:

\[q = 18,44 - 0,21 · W МДж/кг,  \quad \qquad \qquad (3)\]

где W– влажность дров, %.
Для определения массы дров используются электронные весы. Влажность дров определяется влагомером Testo 606.

При испытаниях вся масса дров помещалась в топку печи полностью (то есть печь топилась одной порцией, дрова не подкладывались).

Теплота, переданная от печи помещению, вычислялась отдельно для каждой стенки печи по формуле:

\[Q_1{_i} = F · \alpha · (t_п - t_в) · \tau, \quad \quad \quad \qquad \qquad (4)\]

где F – площадь стенки печи,

α – коэффициент теплоотдачи,

tп – средняя за период теплоотдачи температура стенки печи, °С;

tв – средняя за период теплоотдачи температура воздуха в помещении, °С

τ – период теплоотдачи.

Средняя за период теплоотдачи температура стенки печи вычислялась как среднее значение среднеинтегральных за период теплоотдачи температур точек стенки.

Полная теплота, переданная от печи помещению, равна сумме значений теплоты, переданных от каждой стенки и потолка печи (так как потолок печи находится в помещении, расчет теплоотдачи от потолка ведется по тем же формулам).

Температура при проведении испытаний измеряется с помощью многоканальной измерительной системы, включающей 48 термопар, 6 устройств аналогового ввода и модуль сбора данных. Измеряется температура воздуха в помещении, температура дымовых газов на входе в трубу, температура в первом колпаке печи и температура поверхности печи (45 термопар, закрепленных на стенках и потолке печи согласно схеме на рисунке 1).

Рисунок 1. Схема установки датчиков

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

\[\large{\alpha = 2,2 · {^4{\sqrt{(t_п - t_в)}}} + 4,5 · \frac{(\frac{t_п + 273}{100})^4-(\frac{t_в + 273}{100})^4}{t_п - t_в}}\]

Результаты расчетов занесены в таблицу 1

Стенка I II III IV Потолок печи
tп, °С 39.47 37.10 42.25 39.32 37.55
α, Вт/(м2К) 9.52 9.29 9.76 9.51 9.34
F, м2 2.34 1.386 2.34 1.386 1.001
Q2, МДж 35.99 17.88 43.01 21.10 13.38
q, Вт/м2 160.22 134.38 191.47 158.57 139.25

Таблица 1. Результаты расчетов теплоотдачи от печи в помещение


Коэффициент полезного действия (КПД) печи по прямому балансу равен:

\[\eta _п{_р} = \frac{Q_1}{Q^p_h}\]

Тепловые потери с уходящими газами вычисляются по формуле:

\[Q_2 = \frac{\nu · S}{22,4} · \mu c _p · (t_д{_г} - t_в) · \tau _г, \quad \quad \quad \qquad (5)\]

где v – скорость воздуха в поддувальном проеме (измеряется анемометром Актаком АТТ-1004),

S – площадь поддувального проема,

μср = 29,3 кДж/(кмоль∙К) – мольная теплоемкость газов,

tдг – средняя за время горения (до закрытия вьюшки) температура уходящих газов,

τг – время горения (от растопки до закрытия вьюшки).

В данном случае считается, что теплоемкость уходящих газов равна теплоемкости воздуха и двухатомного газа, то есть не учитывается состав дымовых газов (повышенное содержание углекислого газа и пониженное содержание кислорода).

Механический недожог:

\[Q_4 = m_у{_г}{_л}{_я} · 8000ккал\]

Химический недожог:

\[Q_3 = \nu · S · \tau _г · n _c{_o} · 12,64МДж\]

где nСО – средняя за время горения объемная концентрация угарного газа (СО),

12,64 МДж/м3 – удельная теплота сгорания СО.

В ходе проведения испытаний дымовые газы исследовались с помощью газоанализатора Testo 330 LL-2. Газоанализатор измерял концентрации угарного газа (СО), углекислого газа (СО2), кислорода (О2), тягу, температуру дымовых газов и рассчитывал коэффициент избытка воздуха и КПД (по методике, запрограммированной производителем).

КПД печи по обратному балансу равен:

\[\eta _о{_б}{_р} = 1 - \frac{Q_2 + Q_3 + Q_4}{Q^p_h}\]

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Масса дров, кг 8,395
Влажность дров, % 8,5
Теплота сгорания дров, МДж 139,8 (33369)
Период испытания (нагрев-остывание), мин (ч) 1600 (26,6)
Теплота, переданная помещению, МДж (ккал) 131,3 (31351)
Масса несгоревшего угля, кг 0,245
Механический недожог, МДж (ккал) 8,21 (1960)
Потери теплоты с уходящими газами, МДж (ккал) 2,19 (533)
Химический недожог (расчет по данным газоанализа), МДж (ккал) 0,57 (136)
Средняя за время горения объемная концентрация СО в уходящих газах, % 0,133
Средняя температура дымовых газов, °С 105
КПД по прямому балансу, % 94 ,0
КПД по обратному балансу, % 92,2
Масса дров, кг 8,71
Влажность дров, % 15,1
Теплота сгорания дров, МДж 133
Период испытания (нагрев-остывание), мин (ч) 1182 (19,7)
Теплота, переданная помещению, МДж 121,8
Масса несгоревшего угля, кг 0,110
Механический недожог, МДж 3,68
Потери теплоты с уходящими газами, МДж 3,44
Химический недожог (расчет по данным газоанализа), МДж (ккал) 0,41
Средняя за время горения объемная концентрация СО в уходящих газах, % 0,097
Средняя температура дымовых газов, °С 161
КПД по прямому балансу, % 91,6
КПД по обратному балансу, % 94,3
Масса дров, кг 6,79
Влажность дров, % 17,5
Теплота сгорания дров, МДж 100,2
Период испытания (нагрев-остывание), мин (ч) 1256 (20,93)
Теплота, переданная помещению, МДж 94,6
Масса несгоревшего угля, кг 0,165
Механический недожог, МДж 5,53
Потери теплоты с уходящими газами, МДж 2,91
Химический недожог (расчет по данным газоанализа), МДж (ккал) 0,47
Средняя за время горения объемная концентрация СО в уходящих газах, % 0,11
Средняя температура дымовых газов, °С 153
КПД по прямому балансу, % 94,4
КПД по обратному балансу, % 91,1
 
 
Масса дров, кг 7,49
Влажность дров, % 13,0
Теплота сгорания дров, МДж 117,7
Период испытания (нагрев-остывание), мин (ч) 4183 (69,7)
Теплота, переданная помещению, МДж 110,3
Масса несгоревшего угля, кг 0,175
Механический недожог, МДж 5,86
Потери теплоты с уходящими газами, МДж 7,51
Химический недожог (расчет по данным газоанализа), МДж (ккал) 1,82
Средняя за время горения объемная концентрация СО в уходящих газах, % 0,175
Средняя температура дымовых газов, °С 80
КПД по прямому балансу, % 93,7
КПД по обратному балансу, % 87,1
 
Масса дров, кг 7,39
Влажность дров, % 11,6
Теплота сгорания дров, МДж 118,3
Период испытания (нагрев-остывание), мин (ч) 3979 (66,3)
Теплота, переданная помещению, МДж 115,7
Масса несгоревшего угля, кг 0,175
Механический недожог, МДж 5,86
Потери теплоты с уходящими газами, МДж 6,74
Химический недожог (расчет по данным газоанализа), МДж (ккал) 2,11
Средняя за время горения объемная концентрация СО в уходящих газах, % 0,23
Средняя температура дымовых газов, °С 82
КПД по прямому балансу, % 97,9
КПД по обратному балансу, % 87,6
 
 
* Для просмотра результатов нажимаем на кнопки

 

АНАЛИЗЫ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Результаты измерений газоанализатором показаны на рисунках 2-11

 

Рисунок 2. Концентрация СО при испытании 13.12.15


Рисунок 3. Концентрация СО при испытании 13.03.16


Рисунок 4. Концентрация О2 и СО2 при испытании 13.12.15


Рисунок 5. Концентрация О2 и СО2 при испытании 13.03.16


Рисунок 6. Коэффициент избытка воздуха при испытании 13.12.15


Рисунок 7. Коэффициент избытка воздуха при испытании 13.03.16


Рисунок 8. Тяга при испытании 13.12.15


Рисунок 9. Тяга при испытании 13.03.16


Рисунок 10. КПД, рассчитываемый газоанализатором, при испытании 13.12.15


Рисунок 11. КПД, рассчитываемый газоанализатором, при испытании 13.03.16


При расчете КПД газоанализатор использует концентрацию О2. Чем меньше концентрация О2, тем меньше расход воздуха, и тем выше КПД (рисунки 4-5 и 10-11). Однако концентрация О2 зависит от интенсивности горения, а расход воздуха зависит от разницы плотностей дымовых газов и окружающего воздуха, которая, в свою очередь, зависит от температуры дымовых газов. Разницу плотностей показывает тяга (рисунки 8-9). Как видно, характер изменения тяги отличается от характера изменения концентрации О2. Поэтому значения КПД, рассчитанные газоанализатором, не являются корректными в каждый момент времени. Исходя из результатов расчетов КПД по обратному балансу, можно принимать в качестве значения КПД печи максимальное значение КПД, рассчитываемое газоанализатором.

На рисунках 12-13 показано изменение температуры воздуха в помещении и средней температуры стенок печи во время испытаний.

Рисунок 12. Изменение средней температуры стенок печи и температуры воздуха в ходе испытания 13.12.15


Рисунок 13. Изменение средней температуры стенок печи и температуры воздуха в ходе испытания 13.03.16


На рисунках 14-15 изображено изменение температуры дымовых газов и температуры в первом колпаке печи во время испытаний.

Рисунок 14. Температура дымовых газов и температура в первом колпаке печи при испытании 13.12.15

Рисунок 15. Температура дымовых газов и температура в первом колпаке печи при испытании 13.03.16


При испытании 13.03.16 осуществлялся дополнительный выпуск газов из верхней части первого колпака во второй колпак. С этим связаны различия в значениях температуры дымовых газов, измеряемой перед их выходом в трубу.

Как видно из рисунка 15, температура в первом колпаке при интенсивном горении достигает 600-650°С. Температура газов в трубе при испытании 13.03.16 не превышает 220°С во время интенсивного горения, средняя температура газов около 160°С. Так как расход газов небольшой (скорость воздуха в поддувале размером 230х130 мм составляет 0,1 м/с, объемный расход равняется 3 л/с), и значения температуры уходящих газов относительно невысокие, то потери с уходящими газами являются незначительными, что обуславливает высокий КПД печи.

Значения КПД, рассчитанные по прямому и по обратному балансу в обоих случаях близки, и составляют 92-94%. Исходя из этого, можно сделать вывод, что методика расчета КПД является правильной и результаты расчетов верны.

 

Результаты измерения газоанализатором концентрации СО в дымовых газах показаны на рисунке 16.

Рисунок 16 – Концентрация СО при испытании 16.04.16

 

Пик концентрации СО в конце испытания связан с тем, что пошевелили угли и кратковременно происходило их интенсивное горение.

На рисунке 17 показано изменение температуры воздуха в помещении и средней температуры стенок печи во время испытания.

Рисунок 17 – Изменение средней температуры стенок печи и температуры воздуха в ходе испытания 16.04.16

 

Колебания температуры воздуха в помещении связаны с изменением времени суток. Соответственно, днем температура воздуха в помещении повышается, а скорость остывания печи снижается; ночью температура в помещении снижается, а скорость остывания печи увеличивается.

На рисунке 18 изображено изменение температуры дымовых газов и температуры в первом колпаке печи во время испытания.

Рисунок 18 – Температура дымовых газов и температура в первом колпаке печи при испытании 16.04.16

 

Результаты измерения газоанализатором концентрации СО в дымовых газах показаны на рисунке 19.

Рисунок 19 – Концентрация СО при испытании 18.09.16

Колебания концентрации связаны с периодической прокачкой газоанализатора.

На рисунке 20 показано изменение температуры воздуха в помещении и средней температуры стенок печи во время испытания. 

Рисунок 20 – Изменение средней температуры стенок печи и температуры воздуха в ходе испытания 18.09.16

Температура стенок печи не достигла начального значения, поэтому КПД по прямому балансу является заниженным.

На рисунке 21 изображено изменение температуры дымовых газов и температуры в первом колпаке печи во время испытания.

Рисунок 21 – Температура дымовых газов и температура в первом колпаке печи при испытании 18.09.16

 

Результаты измерения газоанализатором концентрации СО в дымовых газах показаны на рисунке 22.

Рисунок 22 – Концентрация СО при испытании 01.10.16 

 

Колебания концентрации связаны с периодической прокачкой газоанализатора.

На рисунке 23 показано изменение температуры воздуха в помещении и средней температуры стенок печи во время испытания.

Рисунок 23 – Изменение средней температуры стенок печи и температуры воздуха в ходе испытания 01.10.16 

 

На рисунке 24 изображено изменение температуры дымовых газов и температуры в первом колпаке печи во время испытания.

Рисунок 24 – Температура дымовых газов и температура в первом колпаке печи при испытании 01.10.16

 

* Для просмотра результатов нажимаем на кнопки

 

ПРОЦЕСС ИСПЫТАНИЙ

 

 

 

07.05.2016