Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Топливо и теория горения. Лабораторный практикум
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Тепловые электрические станции»
А.А. Кудинов
ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ.
Лабораторный практикум
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлениям
подготовки 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника
и 13.03.03 – Энергетическое машиностроение
САМАРА 2020
Рекомендовано
2
Печатается по решению ученого совета СамГТУ
(протокол № 8 от 29.03.2019 г.)
УДК 662.61 (075.8)
ББК 31.31
К 887
Кудинов А.А.
К 887 Топливо и теория горения. Лабораторный практикум / А.А. Ку-
динов. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. – 42 с.
Представлен лабораторный практикум по теории горения органических
топлив. Включены лабораторные работы по следующим разделам дисциплинам
«Топливо и теория горения», «Теория горения. Камеры сгорания»: горение газообразного топлива, газовые приборы и газооборудование агрегатов, теплофизические свойства газа, газорегуляторные пункты и установки. При выполнении лабораторных работ студенты дополнительно знакомятся с вопросами сжигания газа, изучают конструкции газовых горелок.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» и 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», профили подготовки: Тепловые электрические
станции, Технология топливно – энергетических ресурсов на объектах тепловой
и электрической генерации, Энергетическое оборудование объектов тепловой и
электрической генерации.
УДК 662.61 (075.8)
ББК 31.31
К 887
Р е ц е н з е н т: заместитель заведующего кафедрой «Тепловые электрические
станции» ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», канд. техн. наук, доцент Зиганшина С.К.
© А.А. Кудинов, 2020
© Самарский государственный
технический университет, 2020
3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящий лабораторный практикум включены лабораторные
работы по следующим разделам дисциплины «Теория горения органических топлив»: газовые приборы и газооборудование агрегатов,
теплофизические свойства газообразного топлива, газорегуляторные
пункты и установки. При выполнении лабораторных работ студенты
дополнительно знакомятся с вопросами сжигания газа, изучают конструкции газовых горелок.
Цель лабораторных занятий – углубление теоретических знаний
путем решения практических задач, которые будут возникать у студентов в процессе обучения, а также во время своей производственной деятельности.
Для обеспечения самостоятельности в работе студентов кроме
описания лабораторных работ и методических указаний по их выполнению в практикум включены сведения о физических особенностях
исследуемых явлений.
Руководства по выполнению лабораторных работ составлены по
единой схеме и включают содержание работы, описание экспериментальной установки, порядок проведения опыта, последовательность
обработки результатов измерений, и контрольные вопросы.
Отчет по каждой лабораторной работе должен содержать цель
работы, схему экспериментальной установки и схему измерения физических параметров с описанием используемых средств измерения,
оформленный протокол испытаний, результаты обработки экспериментальных данных и выводы в целом по лабораторной работе.
В связи с действием единой Международной системы единиц физических величин (СИ), согласно ГОСТ 8.417-81, физические величины представлены в СИ.
4
Лабораторная работа 1
с
нн
QVN
н
V
с
н
Q
п
Q
Исследование работы газовой плиты
Содержание работы
Испытание бытовой газовой плиты на различных режимах рабо-
ты и при разных размерах нагреваемых тел с целью экспериментального определения ее тепловой мощности, производительности и коэффициента полезного действия.
Общие сведения
К бытовым газовым приборам относят плиты, водонагреватели,
холодильники, кипятильники, пищеварочные котлы и духовые шкафы.
Работа газовых приборов характеризуется следующими показа-
телями:
1) тепловой мощностью (нагрузкой) называют количество хими-
ческой энергии, содержащейся в подаваемом к прибору газе и выделяющейся при полном его сгорании;
2) производительностью называют количество теплоты, пере-
данное при сжигании газа в приборе нагреваемым телам;
3) коэффициентом полезного действия, выражающим отношение
производительности прибора к его тепловой нагрузке.
Различают номинальные и предельные значения величин пере-
численных показателей. Номинальной нагрузкой считают такую, при
которой прибор работает наиболее эффективно, то есть с наименьшим химическим недожогом, наибольшим КПД и развивает номинальную производительность. При этом в конструктивных элементах
прибора не должно возникать опасных тепловых напряжений. Предельная (максимальная) нагрузка бытового прибора превышает номинальную на 20 %.
Бытовые приборы работают на низком давлении р
для природного газа и р
=3000 Па для сжиженного газа.
ном
=1300 Па
ном
Тепловую мощность N, кВт, газогорелочного устройства рассчи-
тывают по формуле:
. (1)
Здесь
условиям, нм3/с;
Производительность
– расход газа, приведенный к нормальным физическим
– низкая теплота сгорания сухого газа, кДж/нм3.
, кВт, газовых плит, емкостных водона-
5
гревателей и других газовых приборов, в которых нагревают находя-
Δτ/)(
нк
1
iii
ttсМQ
p
n
i
iп
i
р
с
i
t
к
i
t
н
)()(
ггр.гдгвврввп
ttсGttсGQ
в
G
дг
G
рв
с
р.г
с
в
t
г
t
в
t
г
t
t
t
NQ /
п
щиеся в покое тела постоянной массы, равна
. (2)
Здесь i=1, 2, …, n; n – количество нагреваемых тел; Мi – масса iго тела, кг;
– теплоемкость i-го тела, кДж/(кг·К);
,
– темпера-
тура i-го тела соответственно в начале и в конце процесса нагрева, ºС;
Δτ – время процесса нагревания, с.
Производительность Qп, кВт, проточных водонагревателей определяют по уравнению теплового баланса:
. (3)
Здесь
,
,
– теплоемкости воды и дымовых газов, кДж/(кг·К);
и
,
,
– температура воды и дымовых газов на входе в прибор
– массовые расходы воды и дымовых газов, кг/с;
и на выходе из него соответственно, ºС.
В уравнения (2) и (3) подставляется среднее значение изобарной
теплоемкости ср в интервале температур от tн до tк или от
до
.
Значения физических параметров воды и дымовых газов приведены в
табл. П2 и П3 Приложения.
Коэффициент полезного действия равен
. (4)
При сжигании газового топлива КПД агрегатов определяют в основном потери теплоты с уходящими газами, которые зависят от их
количества и температуры.
Газовые плиты имеют классификацию: высший и первый класс
«а» и «б». Плиты высшего класса оснащаются автоматическими устройствами для зажигания и отключения горелок и для регулирования
температуры духового шкафа. Плиты изготовляют двух-, трех- и четырехконфорочными с духовыми шкафами и без них, с питанием от
сети или от встроенных газовых баллонов. Плиты бывают стационарные и переносные, с автоматикой и без автоматики.
Обозначения: плита газовая 2-комфорочная первого класса «а» –
ПГ 2 кл. I «а»; плита газовая 4-конфорочная стационарная высшего
класса «а» – ПГ 4 кл. Б «а».
КПД конфорочных горелок должен быть не менее 56 %, а КПД
плит с отводом продуктов сгорания в дымоход – не менее 40 %. Со-
6
держание окиси углерода в продуктах сгорания не должно превышать
0,05 % в пересчете на сухие дымовые газы и избыток воздуха α=1. Разогрев духового шкафа до температуры 285÷300 ºС должен производиться не более чем за 25 минут.
Конфорки бытовых газовых плит, как правило, оборудуют горел-
ками частичного завершенного предварительного смешения, а духовые шкафы – диффузионными горелками в подовом исполнении.
Проточные и емкостные водонагреватели являются теплообмен-
ными аппаратами, служащими для местного горячего водоснабжения.
η≥82 %. Проточные водонагреватели должны нормально работать
при давлении воды от 0,05 до 0,6 МПа; вода нагревается до постоянной температуры за 1–2 минуты. В емкостных водонагревателях вода
нагревается 60–70 минут. Содержание СО в продуктах сгорания не
должно превышать 0,1 %. Температура продуктов сгорания перед тягопрерывателем должна быть в пределах 110÷210 ºС.
Водонагреватели снабжены основной горелкой (частичного за-
вершенного предварительного смешения) и запальником, а также
блокирующими и предохранительными устройствами, которые пропускают газ к основной горелке только при зажженном запальнике.
Дополнительно проточные водонагреватели оборудуют предохранительными устройствами, обеспечивающими выключение основной
горелки при падении давления воды, а емкостные – автоматикой регулирования температуры горячей воды.
Описание экспериментальной установки
Для проведения эксперимента используется бытовая газовая пли-
та ПГ 4 кл. I «а» (модель «WROMET 2000») со следующей технической характеристикой:
1) номинальное давление при работе на природном газе тепло-
творностью 35600 ± 1780 кДж/м3 – 1300 Па; при работе на сжиженном газе теплотворностью 96300 ± 4960 кДж/м3 – 3000 Па;
2) тепловая нагрузка маленькой горелки до 1,05 кВт, нормальной
– 1,7, а горелки духового шкафа – не более 4,7 кВт;
3) коэффициент полезного действия – не менее 56 %.
Сжиженный газ их баллона 1 (рис. 1) через регулятор давления 2
поступает в газовый счетчик 3 типа ГСБ-400 и далее через запорное
устройство К1 подается к горелкам плиты. Давление и температура газа у счетчика измеряются соответственно U-образным жидкостным
7
манометром р1 и лабораторным ртутным термометром Т1. Запорное
Р и с. 1. Схема установки ПГ-1:
1 – баллон с сжиженным газом; 2 – регулятор давления; 3 – газовый счетчик; 4 – мешалка; Т1, Т2, Т3 – лабораторный ртутный термометр; р1,
р2
–
жидкостный манометр
Т1
Т2 4 tв
K1
tг
t1
hг 2 Т3
p2
p1
1
h
ном
3
устройство К1 позволяет устанавливать различные режимы работы горелок плиты. Давление газа на входе в плиту (перед соплом горелки)
измеряется U-образным жидкостным манометром р2. Для нагревания
воды используется цилиндрической формы сосуд с мешалкой 4.
Измерение температуры воды в сосуде и окружающей среды
производится лабораторным ртутным термометром Т2, барометрическое давление измеряется барометром, а масса нагреваемых тел (сосуда, мешалки и воды) – взвешиванием на весах.
До выполнения работы необходимо изучить инструкцию по эксплуатации газового счетчика ГСБ-400 и устройство газовой плиты
«WROMET 2000».
Порядок проведения опыта
1. Измерить массу М1 сосуда и массу М2 мешалки. Налить в со-
суд холодной воды (2÷3 л) и определить массу воды М3.
8
2. Открыть вентиль на баллоне сжатого газа и кран К1, зажечь
gtt
hhhh Δ
0
№
опыта
Δt=t
к
-t
н
, ºС
ΔV=V
2
– V
1
,
дм
3
Δτ,
С
h, м вод. ст.
h
ном
, м вод. ст.
tг,
ºС
рг,
Па
р
ном
,
Па
Vн,
м3/с
N,
кВт
Qп,
кВт
η,
%
нормальную горелку плиты и отрегулировать давление перед горелкой р
=3000 Па.
ном
3. Измерить начальную температуру tн воды в сосуде, поставить
сосуд с водой на плиту, одновременно включить секундомер и снять
начальное показание V1 газового счетчика 3.
4. Измерить показания h1 и h
жидкостных манометров р1 и р2
ном
и термометра Т1. Измерить барометрическое давление ра и температуру окружающей среды tс.
5. Внимательно следить за работой газовой плиты и показаниями
измерительных приборов, производя перемешивание воды в сосуде и
фиксируя изменения показаний манометров р1 и р2.
6. При достижении температуры воды tк=80÷90 ºС одновременно
выключить секундомер и плиту и снять показание V2 газового счетчика 3. Снять показания измерительных приборов Т1 и Т2, измерить
барометрическое давление и температуру окружающей среды.
7. Результаты измерений записать в табл. 1.
8. Проделать аналогичные опыты при давлениях газа перед го-
релками плиты 1500 Па и 2250 Па, а также на маленькой горелке и
при других формах сосуда.
Обработка результатов измерений
1. Привести действительные значения высот столбов рабочих
жидкостей U-образным манометром к нормальным условиям по формуле (11) [1]:
.
Таблица 1
Результаты работы
ра=… Па; tc=… ºС.
9
2. Подсчитать избыточные давления газа рг и р
)ρρ(c0 ghр
c
ρ
c
га
в.овс
15,273
15,273
101325
ρρρ
tрр
г
p
во
ρ
г
в.пгa
н
15,273
15,273
101325
)(
t
рpp
VV
в.п
р
, Па, измеряе-
ном
мые жидкостными манометрами р1 и р2 по формуле
Плотность
среды (воздуха) над рабочей жидкостью в U-образных
манометрах для условий опыта равна
.
Здесь
– давление газа у счетчика 3 (рис. 1);
– плотность
воздуха при нормальных физических условиях, кг/м3 (см. табл. П1
Приложения).
3. Определить расход газа Vн, м3/с, для условий опыта (при tг и рг)
V=(V2 – V1)/(1000·Δτ).
4. Привести действительный расход газа к нормальным условиям
,
где
– парциальное давление водяных паров, содержащихся в га-
.
зе, определяется по температуре tг (см. табл. П4).
5. Определить тепловую мощность нормальной горелки плиты по
формуле (1), производительность – по формуле (2) и КПД – по формуле (4).
6. По результатам экспериментальных исследований построить
график зависимости Qп и η от давления газа перед горелкой.
Контрольные вопросы к лабораторной работе 1
1. Какими показателями характеризуется работа газовых приборов?
2. Каким образом регулируется подача первичного воздуха в конфорочную горелку исследуемой плиты?
3. Назовите признаки нормальной и ненормальной работы горелки?
4. Что такое номинальная тепловая нагрузка?
5. Объясните устройство и принцип действия газовой горелки духового шкафа исследуемой плиты.
6. Назовите основные требования, предъявляемые к бытовым газовым
плитам.
7. Каковы основные причины, вызывающие химическую неполноту
сгорания топлива? Назовите способы их устранения.
8. Назовите источники погрешностей при экспериментальном определении производительности горелки.
9. Выведите расчетное уравнение максимальной относительной погрешности экспериментального определения расхода газовыми часами.
10. Какие измерения называют точными?
10
Лабораторная работа 2
Исследование работы проточного газового водонагревателя
Содержание работы
Испытание проточного газового водонагревателя на различных
режимах работы с целью экспериментального определения его тепловой мощности, коэффициента полезного действия и гидравлического
сопротивления.
Описание экспериментальной установки
Для проведения эксперимента используется проточный газовый
водоподогреватель ВПГ-23-ВI со следующими техническими характеристиками:
1) номинальное давление при работе на природном газе тепло-
творностью 35570±1780 кДж/м3 – 1274 Па; при работе на сжиженном
газе теплотворностью 95250±4812 кДж/м3 – 2940 Па;
2) тепловая мощность основной горелки – 23,26±2,33 кВт;
3) расход природного газа 2,56÷2,12 нм3/ч, сжиженного –
0,96÷0,7 нм3/ч. Расход воды при нагревании до 45 ºС – 6,07 л/мин;
4) коэффициент полезного действия – не менее 82 %;
5) давление воды перед аппаратом: минимальное – 0,05 МПа; но-
минальное – 0,15; максимальное 0,6.
Сжигаемый газ через запорное устройство (кран) КI (рис. 2) по-
ступает в газовый счетчик G2. После запорного устройства К2 газ
проходит через специальный электромагнитный клапан и водогазогорелочный блок с газовым блокировочным краном (на рис. 2 не показаны) и подается к основной горелке водонагревателя. Давление и
температура газа у счетчика измеряется соответственно U-образным
жидкостным манометром р3 и термоэлектрическим термометром Т4
типа ТХК. Давление газа на входе в водонагреватель (перед основной
горелкой) измеряется U-образным жидкостным манометром р4. Газовый блокировочный кран водогазогорелочного блока позволяет устанавливать различные режимы работы основной горелки прибора.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]