14. BILANTUL TERMIC AL UNUI CAZAN

DE ABUR

14.1 Notiuni generale

Ecuatia de bilant termic pentru un cazan de abur este:

[ kW ] , (14.1)

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 14.1 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.14.1. Fluxurile de caldura intrate si iesite dintr-un cazan de abur.

14.2. 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 . Qic , [kW] (14.2)

unde: B este debitul de combustibil, m3N/s sau in kg/s; Qic - caldura de ardere inferioara a combustibilului (pentru gazul metan Q ic = 35.583 kJ/m3N).

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

[kg/s] (14.3)

[kg/m3], (14.4)

iar [m3N/s]. (14.5)

In relatiile (14.3) a si e sunt date (vezi lucrarea 3); dg- diametrul orificiului diafragmei, in ms D pg se introduce in N/m2 si reprezinta caderea de presiune pe diafragma; pb si pm sunt presiunea barometrica si manometrica, in bar; po= 1,01325 bar; To si Tg - temperatura la starea normala si respectiv a gazului din conducta, in K; iar r o= 0,715 kg/m3N este densitatea la starea normala fizica a gazului metan; iar Bm reprezinta debitul masic de gaz metan, in kg/s.

2. Caldura fizica a combustibilului,

Se determina cu relatia:

[kW] , (14.6)

unde: = 1,57 kJ/(m3N.K) este caldura specifica medie la presiune constanta a gazului metan intre 0 - 25oC; tg - 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 CO2ef , iar coeficientul excesului de aer l pentru gazul metan se va determina cu relatia [20]:

. (14.7)

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

Daer = B.l . Lo [m3N/s], (14.8)

unde: Lo = 9,393 m3N aer/m3N gaz - este aerul teoretic (minim) necesar arderii a 1 m3N de gaz metan.

In consecinta:

[kW] , (14.9)

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

4. Caldura sensibila a apei la intrarea in cazan,

Se determina cu relatia:

[kW] , (14.10)

unde: temperatura apei la intrarea in cazan, in oC ; Dapa - 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:

Dapa = ( z1 - z2 ) .r a / 3600 [kg/s] , (14.11)

unde: z1 - numarul diviziunilor la citirea intaia; z2 - numarul diviziunilor la citirea a doua ( dupa o ora ), diviziunile reprezentand m3 de apa scursa;

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

In al doilea caz:

[kg/h] (14.12)

in care: a este coeficientul de debit al diafragmei (a = 0,634); da =0,02775 m, diametrul orificiului diafragmei; p i - timpul in secunde pentru fiecare perioada de functionare a pompei in decurs de o ora; r ai - densitatea apei la temperatura de intrare in cazan, in kg/m3, (vezi anexa V); D papai - caderea de presiune pe diafragma, in N/m2 ( in aparat fiind pus mercur, se va lua D papai = 133,33. D pi in N/m2).

b) Cazul masurarii debitului de abur

Masurarea se face tot cu ajutorul diafragmei:

[kg/s] (14.13)

unde: a ab - coeficientul de debit al diafragmei de abur (a ab = 0,642); e ab - coeficientul de expansiune al aburului (vezi lucrarea nr.3, se considera aburul ca avand proprietatile aerului k = 1,3); dab = 0,02875 m, este diametrul orificiului diafragmei de aburs p i - timpul in secunde pentru fiecare perioada de functionare a consumatorului de abur ( daca functionarea nu este continua pe un interval de o ora ); r ab - densitatea aburului la conditiile de lucru (abur saturat uscat, conform anexei V), in kg/m3; D pabi - caderea de presiune pe diafragma, in N/m2 ( in aparat fiind mercur se ia D pabi = 133,33.D pi in N/m2 ).

5. Caldura continuta in aburul livrat,

Se determina cu relatia:

[kW] , (14.14)

in care: hab 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] , (14.15)

unde: reprezinta entalpia gazelor arse rezultate din arderea a unui m3N de gaz metan la un coeficient al excesului de aer l determinat cu relatia (14.7) si la temperatura de evacuare tgev , masurata la baza cosului, in oC (valoarea lui Hg, in functie de l si t, este data in anexa XII).

7. Caldura pierduta prin arderea chimica incompleta ,

Se determina cu relatia:

[kW], (14.16)

in care: Vg este volumul total de gaze arse rezultate din arderea completa a unui m3N de gaz metan, m3N gaze/ m3N gaz; B - consumul de gaz metan, in m3N/s; rCO, rH2 - participatia volumica a CO si H2 in gazele arse, in % ; QiCO = 12.642 kJ/m3N si QiH2 = 10.760 kJ/m3N reprezinta puterea calorica inferioara a CO si respectiv H2; m f - continutul de funingine din gazele arse in g/m3N gaze arse; QiC = 34.332 kJ/kg, reprezinta caldura de ardere inferioara a carbonului.

Volumul total de gaze arse rezultate din arderea a 1 m3N gaz metan in functie de coeficientul excesului de aer l este dat in tabelul 14.1.

 

 

 

Tabelul 14.1 Volumul total de gaze arse rezultate din ardere.

l

1,0

1,2

1,3

1,5

1,9

2,3

2,5

Vg[m3N/m3N]

10,392

12,302

13,257

15,168

18,988

22,809

24,719

Nota: pentru valori intermediare ale lui l 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 m f se citeste din diagrama din figura 14.2.

Nota: Daca din analiza compozitiei gazelor arse rezulta un anumit procent de monoxid de carbon, practic se poate lua rH2 @ 0,5 rCO.

8. Caldura pierduta in mediul ambiant,

Se determina cu expresia:

[kW] , (14.17)

unde: a i reprezinta coeficientul de transfer termic de suprafata, in W/(m2.K); Si - aria suprafetei care are o temperatura medie tSi, in m2s tSi, tamb - temperatura suprafetei Si (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 Si = 0,8 m2; suprafata cilindrica verticala S2 = 8,156 m2 si suprafata boltei S3 = 0,9 m2, iar a i se calculeaza cu:

[W/(m2.K)] . (14.18)

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

9. Restul bilantului termic,

se determina din ecuatia (14.1) 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.14.2. Valoarea cifrei de fum m f in functie de cifra Bacharach.

14.3. 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 14.2 (se va trece media aritmetica a doua sau trei citiri). Din datele din tabelul 14.2 se determina randamentul termic al cazanului cu relatia:

[% ] . (14.19)

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

Tabelul 14.2 Tabel cu rezultatele masuratorilor de bilant termic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nr.

crt.

Marimea

U.M.

I

II

III

Obs

Finala

Primara

1

 

D pg

mmH2O

       
     

N/m2

       
   

pm

bar

       
   

Tg

K

       
   

B

m3N/s

       
 

 

kW

       

2

 

tg

oC

       
 

 

kW

       

Calduri

intrate

   

CO2ef

%

       

3

 

l

-

       
   

Daer

m3N/h

       
 

 

kW

       

4

 

 

 

 

 

z1-z2

m3/h

       

D papai

mmHg

       

N/m2

       

D pabi

mmHg

       

N/m2

       

Dapa

kg/h

       
   

kW

       

 

 

Calduri

iesite

5

 

D pab

bar

       

hab

kJ/kg

       
 

kW

       

6

kJ/m3Ng

       
   

kW

       
 

7

 

 

 

Vg

m3N/m3Ng

       
 

rCO

%

       
 

%

       
 

m f

g/m3N

       
   

kW

       

Tabelul 14.2 Continuare,

 

 

 

 

Calduri

iesite

Nr.

crt.

Marimea

U.M.

I

II

III

Obs

Finala

Primara

       

8

 

 

 

a i

W/(m2.K)

       

tSi

oC

       

Si

m2

       
 

kW

       
   

kW

       
 

9

kW

       
 

10

h t

%

       

 

Nota: se dau: a , e si dg pentru diafragma de masurare a debitului de

gaz metan s a si da pentru diafragma de masurare a debitului

de apa s a ab, e ab si dab pentru diafragma de masurare a debitului

de abur.