Топливо и теория горения: Лабораторные работы

Топливо и теория горения: Лабораторные работы

Лабораторная работа 1. Исследование работы газовой плиты

Лабораторная работа 2. Исследование работы проточного газового водонагревателя

Лабораторная работа 1. Исследование работы газовой плиты

Содержание работы

Испытание бытовой газовой плиты на различных режимах работы 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. Бытовые приборы работают на низком давлении р_ном=1300 Па для природного газа и р_ном=3000 Па для сжиженного газа.

Тепловую мощность N, кВт, газогорелочного устройства рассчитывают по формуле:

N = (V_н · Q_н^с) (1)

Здесь V_н – расход газа, приведенный к нормальным физическим условиям, нм³/с; Q_н^с – низкая теплота сгорания сухого газа, кДж/нм³.

Производительность газовых приборов

Производительность Q_п, кВт, газовых плит, емкостных водонагревателей и других газовых приборов, в которых нагревают находящиеся в покое тела постоянной массы, равна:

Q_п = Σ [M_i · c_i^р · (t_кⁱ — t_нⁱ)] / Δτ (2)

Здесь i=1, 2, …, n; n – количество нагреваемых тел; M_i – масса i-го тела, кг; c_i^р – теплоемкость i-го тела, кДж/(кг·К); t_кⁱ, t_нⁱ – температура i-го тела соответственно в начале и в конце процесса нагрева, ºС; Δτ – время процесса нагревания, с.

Производительность проточных водонагревателей

Производительность Q_п, кВт, проточных водонагревателей определяют по уравнению теплового баланса:

Q_п = G_в · c_рв · (t_в» — t_в‘) = G_дг · c_р.г · (t_г‘ — t_г») (3)

Здесь G_в, G_дг – массовые расходы воды и дымовых газов, кг/с; c_рв, c_р.г – теплоемкости воды и дымовых газов, кДж/(кг·К); t_в‘, t_г‘ и t_в», t_г» – температура воды и дымовых газов на входе в прибор и на выходе из него соответственно, ºС.

В уравнения (2) и (3) подставляется среднее значение изобарной теплоемкости c_р в интервале температур от t_н до t_к или от t’ до t». Значения физических параметров воды и дымовых газов приведены в табл. П2 и П3 Приложения.

КПД и классификация плит

Коэффициент полезного действия равен:

η = Q_п / N (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 и технические требования

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 %. Содержание 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 горелками частичного завершенного предварительного смешения, а духовые шкафы – диффузионными горелками в подовом исполнении.

Водонагреватели

Проточные и емкостные водонагреватели являются теплообменными 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 завершенного предварительного смешения) и запальником, а также блокирующими и предохранительными устройствами.

Описание экспериментальной установки

Для проведения эксперимента используется бытовая газовая плита ПГ 4 кл. I «а» (модель «WROMET 2000») со следующей технической характеристикой:

• номинальное давление при работе на природном газе теплотворностью 35600 ± 1780 кДж/м³ – 1300 Па; при работе на сжиженном газе теплотворностью 96300 ± 4960 кДж/м³ – 3000 Па;
• тепловая нагрузка маленькой горелки до 1,05 кВт, нормальной – 1,7, а горелки духового шкафа – не более 4,7 кВт;
• коэффициент полезного действия – не менее 56 %.

Схема установки

Сжиженный газ из баллона 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 манометром р1 и лабораторным ртутным термометром Т1. 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.

Порядок проведения опыта

1. Измерить массу М1 сосуда и массу М2 мешалки. Налить в сосуд холодной воды (2÷3 л) и определить массу воды М3.
2. Открыть вентиль на баллоне сжатого газа и кран К1, зажечь нормальную горелку плиты и отрегулировать давление перед горелкой р_ном=3000 Па.
3. Измерить начальную температуру t_н 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_ном жидкостных манометров р1 и р2 и термометра Т1. Измерить барометрическое давление р_а и температуру окружающей среды t_с.
5. Внимательно следить за работой газовой плиты и показаниями измерительных приборов.
6. При достижении температуры воды t_к=80÷90 ºС одновременно выключить секундомер и плиту и снять показание V2 газового счетчика 3.
7. Результаты измерений записать в табл. 1.
8. Проделать аналогичные опыты при давлениях газа перед горелками плиты 1500 Па и 2250 Па.

Таблица 1. Результаты работы

№ опыта	Δt=tк-tн, ºС	ΔV=V2 – V1, дм³	Δτ, с	h, м вод. ст.	hном, м вод. ст.	tг, ºС	рг, Па	рном, Па	Vн, м³/с	N, кВт	Qп, кВт	η, %

р_а=… Па; t_с=… ºС.

Обработка результатов измерений

1. Привести действительные значения высот столбов рабочих жидкостей U-образным манометром к нормальным условиям.
2. Подсчитать избыточные давления газа р_г и р_ном, Па.
3. Определить расход газа V_н, м³/с, для условий опыта.
4. Привести действительный расход газа к нормальным условиям.
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 Q_п 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?
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?

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:

• номинальное давление при работе на природном газе теплотворностью 35570±1780 кДж/м³ – 1274 Па; при работе на сжиженном газе теплотворностью 95250±4812 кДж/м³ – 2940 Па;
• тепловая мощность основной горелки – 23,26±2,33 кВт;
• 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;
• коэффициент полезного действия – не менее 82 %;
• давление воды перед аппаратом: минимальное – 0,05 МПа; номинальное – 0,15; максимальное 0,6.

Схема установки и приборы

Сжигаемый газ через запорное устройство КI поступает в газовый счетчик G2. После запорного устройства К2 газ проходит через электромагнитный клапан и водогазогорелочный блок к основной горелке. Давление и температура газа у счетчика измеряются манометром р3 и термометром Т4. Давление газа на входе в водонагреватель измеряется манометром р4.

Холодная вода через вентиль В1 поступает в водомер G1 и далее в теплообменник. Давление и температура холодной воды измеряются манометром р1 и термометром Т1, горячей воды – р5 и Т5. Температура дымовых газов измеряется термометрами Т2 и Т3. Разрежение в дымоходе измеряется микроманометром р2, расход дымовых газов – трубкой Пито-Прандтля с микроманометром р6.