SashBatsHomeLabs и печник Бацулин представляют

Определение  потерь тепла с отходящими газами и КПД печи

с помощью анемометра и термопары

Москва 2009

• Стр.1 • Стр.2 • Стр.3 • В Библиотеку  • На главную

Предложен простой способ определения эффективности бытовых печей и описан минимальный набор оборудования, позволяющий это сделать. Оценены погрешности измерений. Оценено количество теплоты, уносимое из печи при незакрытой задвижке. Выведены основные формулы, используемые при анализе эффективности работы печей, сделан акцент на физический смысл выражений и коэффициентов. Показана некорректность усреднения данных, полученных газоанализатором, для расчета эффективности бытовых печей периодического действия. Для широкого круга заинтересованных читателей.

СОДЕРЖАНИЕ

2. Экспериментальная часть

2.1 Печь

2.2 Термометр

2.3 Анемометр

2.4 Весы

2.5 Проведение эксперимента

3. Обработка экспериментальных данных

3.1 Коррекция данных скорости входящего воздуха

3.2 Расчет потока входящего воздуха и его приведение к нормальным условиям

3.3 Выделение периода горения топлива и периода остывания печи

3.4 Определение среднего значения коэффициента избытка воздуха α_средн

      и  нахождение  вида зависимости α от времени

3.5 Расчет величины потерь тепла при горении и вычисление КПД печи

3.6 Оценка погрешностей измерений

3.7 Расчет величины потерь тепла после окончания процесса горения

4. Выводы

5. Литература

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Целью эксперимента было определить, какое количество тепла, запасенного печью за время протопки, будет вынесено в трубу при  незакрытой задвижке.  Вторая цель эксперимента -  оценить КПД печи за время протопки. Всего было проведено три эксперимента, но в данной статье, поскольку она касается больше методологии, приведены результаты обработки  только одного.

2.1 ПЕЧЬ

Рис.10. Печь в процессе эксперимента, вид спереди.	Рис. 11. Печь, вид сзади.	Рис. 12. Варсик принимал активное участие в научных экспериментах.

Печь типа «Теплушка» рис. 10 – 12 с дополнительным колпаком поверх свода была построена нами летом 2005 года. В последние два года используется постоянно и является основным источником тепла в доме, наряду с другой печью. Дом постоянного проживания, пища приготовляется исключительно в печи, электрических и газовых плит в доме нет. Размеры печи - 5½  на 5½ кирпичей, высота 33 ряда. Печь стоит в простенке, на втором этаже на ней стоит еще одна печь. Основные параметры печи – ширина топливника – 25 см, размер колосника – 25*38 см, сечение дымохода – с перекрыши печи до середины чердака 25*13 см, с середины чердака до оголовка трубы – 38*13 см (на чердаке трубы от двух печей объединены). Высота трубы от пола – около 14 метров. Ширина подверток: в переточный канал из нижней камеры – 2 ряда на 13 см + 3 ряда на 13 см, в дымовую трубу из верхнего колпака – 2 ряда на 25 см.  Более детально рассматривать устройство печи в рамках этой статьи мы не будем, поскольку это не имеет большого значения. Статья носит больше методологический характер, мы не ставим целью точно определить параметры конкретно этой печи.

2.2 ТЕРМОМЕТР

Рис. 13. Мультиметр цифровой М838

и термопара К – типа

(хромель – алюмель).

Температуру отходящих газов измеряли термопарой К –типа (хромель – алюмель), подключенной к цифровому мультиметру М838 с функцией определения температуры, производства кампании MASTECH http://www.p-mastech.com/, рис. 13. Точность измерения температуры по паспорту составляет при

–20...+ 150    ⁰С           ± (3% + 2D)

+150…1370 ⁰С ± 3%

2D означает две единицы младшего разряда. Так как разрешение прибора – 1 ⁰С, то 2D = 2 ⁰С. Так, например, если показываемое значение 100 ⁰С то фирма гарантирует, что истинное значение температуры находиться в пределах 100 ± (100*0,03+2) = 95…105 ⁰С.  Если на табло 200 ⁰С, то истинное значение находиться  в пределах 194…204 ⁰С. Для того чтобы точно измерить температуру термопарой необходимо ее холодный спай держать при строго определенной температуре (часто используют смесь  вода – лед), замерить ее ЭДС, которая составляет несколько милливольт и перевести ЭДС в температуру по калибровочной таблице. Большинство простых мультиметров реализуют упрощенный алгоритм, что и обуславливает большие погрешности измерений. Проверку прибора производили, замеряя температуру кипящей воды и температуру плавления льда – показания  составили + 98 ⁰С и + 2 ⁰С соответственно, прибор находился при комнатной температуре. Никаких поправок к показаниям прибора при расчетах не делалось.  Термопара, прилагаемая в комплекте к прибору, хоть и рассчитана на использование при высоких температурах, но имеет внутреннюю изоляцию из пластика, которая начинает плавиться при температурах более 150 ⁰С.  Поэтому она была заменена другой, тоже К – типа, но в стекловолокнистой изоляции (имеет желтую вилочку и входит в комплект более дорогих мультиметров, доступна отдельно). Прибор с термопарой может быть приобретен в магазинах радиоэлектроники, например Чип и Дип www.chip-dip.ru/, ориентировочная стоимость в ноябре 2009 года составила 500 RUR.

2.3 АНЕМОМЕТР

Рис. 14. Анемометр Skywatch Xplorer 2. На задней металлической крышке прибора видно приклеенное темосопротивление.

Измерение скорости потока входящего воздуха проводили с помощью термоанемометра импеллерного типа Skywatch Xplorer 2 швейцарской фирмы JDC Electronic SA, http://www.jdc.ch/. Прибор рис. 14 предназначен для измерения скорости ветра при занятиях пара- и дельтапланерным спортом и выполнен в герметичном исполнении. Выдерживает погружение в воду на глубину до 1 м. Вскрытие прибора приятно удивило аккуратностью исполнения и качеством монтажа. К задней металлической крышке прибора теплопроводящей пастой приклеено термосопротивление, измеряющее температуру окружающей среды. При таком расположении датчика следовало бы ожидать большую инерционность, однако прибор весьма быстро реагировал на сквозняки по полу от открытых дверей.  Датчик числа оборотов выполнен с индуктивной связью – в крыльчатку встроен постоянный магнит, а в электронную схему – индуктивность. Такое решение позволило легко выполнить прибор в герметичном исполнении. Однако этому решению присущи следующие недостатки – магнит в крыльчатке оказывает заметное сопротивление вращению (это заметно при малых скоростях ветра, менее чувствительности прибора) – крыльчатка стремится занять определенное положение. В результате этого при скоростях ветра менее 0,6 – 0,7 м/с прибор работает неустойчиво, и эти величины можно посчитать порогом чувствительности. Другой важной особенностью является то, что близость металлических предметов может влиять на показания прибора. Поэтому для измерения скорости входящего в печь потока воздуха прибор необходимо выносить из зоны влияния металлических рамок печных дверок, например с помощью картонного короба (рис. 18), длиной 40 – 50 см. Калибровка прибора не производилась. Заявленная производителем точность составляет ± 3%, диапазон 0 – 42 м/с. Разрешение –  0,1 м/с. Стоимость прибора на сентябрь 2009 года в http://www.kites.ru/ составила 2350 RUR. Skywatch Xplorer 1 (без функции измерения температуры) можно приобрести за 1800 RUR.

2.4 ВЕСЫ

Рис. 15. Весы бытовые циферблатные ВБЦ – 10 БКЖИ. 4044471.001 ТУ		Рис. 16. Комплектация.

Для определения массы топлива использовали весы бытовые циферблатные ВБЦ – 10 БКЖИ. 404471.001 ТУ производства ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод» http://www.cheaz.ru/. Весы рис. 15 предназначены для определения массы грузов в домашних условиях. Мощный стальной крюк с заостренным концом для фиксации грузов сразу вызывает уважение к Производителю. Удобное металлическое кольцо  для удержания прибора на весу позволяет производить измерения одно за другим, достигая высоких скоростей взвешивания. Тарировка весов осуществляется вручную – поворотом защитного стекла с указательной риской.  К особенностям прибора можно отнести искривленный циферблат и отсутствие его фиксации на оси вращения в продольном направлении. Это приводит к задеванию циферблата за защитное стекло и его периодическому заклиниванию, в связи с чем,  показания могут различаться на 0,2 - 0,4 кг, в зависимости от того, с какой стороны циферблат подходит  к указательной риске. За значение массы принималось среднее значение серии из 5 – 7 взвешиваний. Более прогрессивным способом является использование прибора без защитного стекла. Калибровка прибора не производилась.  Прибор доступен в retail комплектации и поставляется в красочной картонной коробке с оригинальным дизайном. Ориентировочная стоимость прибора на московских рынках на сентябрь 2009 года составляла 130 RUR.

2.5. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперимент проводился следующим образом. Вся закладка дров была заложена в топливник сразу и подожжена снизу. Через 30 минут после начала горения дрова были прошурованы кочергой для более плотной укладки углей на колосник. Больше никаких регулировок процесса горения не производили. Задвижка и поддувальная дверка были полностью открыты на протяжении всего опыта. В ходе опыта фиксировалась температура отходящих газов Т_отх, температура  и скорость входящего в поддувало воздуха (Т_возд и v_возд ). Термопара для измерения Т_отх  была установлена в середину сечения дымохода, выше задвижки. Температура входящего воздуха измерялась встроенным в анемометр термометром. Анемометр был установлен на входе в картонный короб, вставляемый в рамку поддувальной дверки, рис. 18. Топочная дверка на время горения закрывалась экраном из  кровельной стали (рис. 12) для предохранения короба от нагрева. Показания записывались вручную через каждые 5 минут,  во время горения и в течении 3 часов после его окончания.  

Условия опыта

Дата и время          4.10. 2009,  10.00 – 13.45

Температура на улице в начале опыта   +6

Температура на улице в конце опыта    +10

Слабый ветер, иногда порывы ветра.

Рис. 17. Чурка березовая, 13 шт. Масса 12,8 кг, влажность неизвестна.	Рис. 18. Картонный короб с анемометром.

В качестве топлива использовались березовые поленья, рис 17. Влажность дров не замерялась ввиду отсутствия соответствующего прибора. Предположительно дрова были заготовлены летом этого года и подсушены под навесом. Непосредственно перед экспериментами дрова выдерживались 2 суток на полке в бане при температуре 60 – 80 ⁰С и затем в течение 2 недель хранились в помещении. При всех расчетах влажность дров принималась 25%.

Масса дров М = 12,8 кг, теплотворная способность q^w = 3476 ккал/кг

Теплосодержание дров  q^wM = 12.8*4.184*3476 = 185980 кДж = (/3600) = 51.7 кВт*час

Потребное стехиометрическое количество воздуха MV⁰_возд/(1+w) = 12.8 * 4.58/(1+0.25)  = 46.9 нм³

Характеристики процесса горения (расчет)

Время горения - с 5 по 35 минуту Δt =  30 мин

Средняя мощность горения – W_{гор ср} = q^wM/Δt  = 103 кВт

Объем воздуха за время активного горения  104 нм³

Средний коэффициент избытка воздуха α_средн = 104/46,9 = 2,21

3. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Обработку экспериментальных данных выполняли при помощи программы

MicroCal ORIGIN 7.5 Pro в следующей последовательности:

1) Коррекция данных скорости входящего воздуха с целью удаления промахов

2) Расчет потока входящего воздуха и его приведение к нормальным условиям

3) Выделение периода горения топлива и периода остывания печи

4) Определение среднего значения коэффициента избытка воздуха α_средн  и нахождение  вида зависимости α от времени

5) Расчет величины потерь тепла при горении численным интегрированием формулы (4.6) и вычисление КПД печи

6) Оценка погрешностей измерения

7) Расчет величины потерь тепла после окончания процесса горения

3.1 Коррекция данных скорости входящего воздуха с целью удаления промахов

Рис. 19. Зависимость скорости входящего воздуха от времени.

На рис. 19 черным цветом показана зависимость измеренной скорости входящего воздуха от времени. На эту величину влияет несколько факторов – температура печи и трубы (сила тяги), газодинамическое сопротивление потоку и скорость ветра. Фаза горения заканчивается примерно на 35 минуте. Во время опыта наблюдался несильный ветер, который перешел в порывистый примерно через полтора часа. Труба находилась с подветренной стороны, поэтому порывы ветра обусловили  скачкообразные увеличения скорости. Понятно, что после протопки, скорость входящего воздуха должна плавно спадать, поэтому выбивающиеся точки были посчитаны промахами и вручную заменены на более подходящие (обозначены красным цветом). Далее за скорость и поток входящего воздуха мы будем считать исправленные данные. В целом ход  кривой достаточно ясен  - резкое возрастание вначале связано с повышением температуры дымовых газов потом плавный спад при остывании печи. Провал с 0 по 5 минуту обусловлен тем, что первая точка была снята с пустым топливником, потом заложены и зажжены дрова. Как видно из графика закладка дров обладает достаточно большим газодинамическим сопротивлением.

3.2 Расчет потока входящего воздуха и его приведение к нормальным условиям

Поток воздуха может быть найден как произведение скорости воздуха на площадь сечения входного короба, при условии, что эта скорость одинакова по сечению короба. В ходе предварительных экспериментов было выяснено, что скорость практически постоянна по сечению и отличается не более чем на 0,1 – 0,2 м/с. Сечение короба – 113 на 218 мм, S = 0,024634 м². Так как поток принято указывать в кубометрах в час, то

F_возд = 3600v_воздS  [м³/ч]           где                                                                                                     (3.1)

v_возд      - скорость входящего воздуха, м/c

S          - сечение входного короба, м².                                                                                                         

Так как расчеты удельных объемов воздуха и отходящих газов проводили для нормальных условий, то поток воздуха тоже надо пересчитать на н.у. Нормальными (NTP – normal temperature and pressure) называются условия с давлением в  1 атмосферу (101325 Па) и температурой 273,15 К  - нуль градусов Цельсия.  При н. у. объем 1 моля идеального газа составляет 22,41 литра. Считая, что давление на срезе короба равно атмосферному, и не меняется во время опыта, и исходя из объединенного газового закона, пересчет можно произвести по формуле:

 [нм³/ч]        где                                                                                         (3.2)

T_возд     - температура входящего воздуха, ⁰С.

В литературе для обозначения приведенных потоков и объемов применяется размерность нм³ – нормальные кубометры. Далее за поток воздуха мы будем принимать приведенную величину.

3.3 Выделение периода горения топлива и периода остывания печи

Рис. 20. Зависимости разности температур отходящих газов и входящего воздуха, потока входящего воздуха и тепловой мощности потока отходящих газов от времени.

На рис. 20 показаны зависимости разности температур отходящих газов и входящего воздуха, потока входящего воздуха и тепловой мощности потока отходящих газов от времени. Мощность потока здесь рассчитана по упрощенной формуле W = с_возд(T_отх – Т_возд)F_возд, т.е. считая, что через печь проходит поток воздуха а его теплоемкость не зависит от температуры. Интересно отметить, что максимум потока сдвинут относительно максимума температуры. Это происходит потому, что по мере прогорания дров уменьшается  газодинамическое сопротивление слоя топлива, а температура отходящих газов растет или остается постоянной. Таким образом, максимум тепловой мощности потока отходящих газов находиться между ними. Точке максимума мощности соответствует запись в лабораторном журнале – «практически все сгорело».  Сразу после максимума мощность резко спадает, так как  тепловыделение от горения дров прекратилось. Точку максимума мощности будем считать временем окончания процесса горения. За время начала горения посчитаем точку 5 мин, когда дрова чуть занялись. Нулевая отметка соответствует пустой топке. Дрова заложены и подожжены в интервале 0 - 2 мин. Таким образом, за период горения у нас есть 7 экспериментальных точек, что, конечно, немного. Дело в том, что при проведении опытов не планировалось определять КПД – только потери при остывании. В ходе обработки данных выявилась возможность расчета КПД.    

3.4 Определение среднего значения коэффициента избытка воздуха α_средн  и нахождение  вида зависимости α от времени.

Зная зависимость потока входящего воздуха от времени, найдем общий объем воздуха, вошедшего в печь за время горения численным интегрированием:

 =   104 нм³                                                                                                          (3.3)

Объем воздуха – это интеграл потока по времени, фактически площадь под синей кривой на рисунке 20 с  5 по 35 минуту с учетом переводного коэффициента минут в часы, = 104 нм³. Стехиометрическое количество воздуха, потребное для сгорания закладки топлива массой М  найдем по формуле:

 = 46,9 нм³                                                                                 (3.4)

Делением (3.3) на (3.4) получаем средний коэффициент избытка воздуха α_средн = 2,21. Это «истинная» средняя величина – истинная, насколько мы точно измерили поток. При усреднении показаний α полученных газоанализатором, мы бы получили  другое значение.

Расчет КПД будем проводить численным интегрированием выражения (1.14). Для того чтобы это сделать, необходимо знать зависимость α от времени. Прямых данных для определения этой зависимости у нас нет, поэтому подберем ее эмпирически. Для этого нам понадобиться ввести величину потока воздуха, расходуемого на горение  – по определению этот поток в α раз меньше потока входящего воздуха. Очевидно, что этот поток во все моменты времени меньше (или равен) потока входящего воздуха поскольку . И наконец, интеграл этого потока по времени равен = 46,9 нм³. Математически это записывается выражениями (3.5), (3.6) и (3.7):

                                                                                                                      (3.5)

                                                                                                                              (3.6)

                                                                                                                   (3.7)

Будем подбирать , чтобы он удовлетворил условиям (3.6) и (3.7), а зависимость α(t) получим из выражения (3.5). Эту задачу удобно решать графически.

Рис. 21. Поток входящего воздуха (серая кривая) и возможные зависимости потока воздуха, расходуемого на горение (черная и цветные кривые).	Рис. 22. Возможные зависимости коэффициента избытка воздуха α от времени. Красная цифра – ошибочное значение 1- КПД, полученное усреднением моментальных значений. Черные цифры – потери в кВтч и 1- КПД.

На рис. 21 показаны зависимости потока входящего воздуха F_возд(t) (серая кривая) и возможных потоков воздуха, расходуемого на горение  - черная и цветные кривые. По оси абсцисс отложено время горения, отметка «0» соответствует 5 минуте опыта.  За базовую линию примем постоянный  = /Δt = 46,9 нм³/0,5 час = 93,8 нм³/час (черная прямая). Все остальные возможные кривые зависимостей потоков будут «виться» вокруг этой линии, но так, чтобы площади под ними были равны  = 46,9 нм³. При этом они не поднимутся выше серой кривой. Возможны различные геометрические и алгебраические способы нахождения этих зависимостей. Остановимся на физическом смысле . Этот поток (фактически это скорость горения воздуха) пропорционален скорости горения топлива:

                                                                                                                    (3.8)    

То есть кривая   показывает также и вид зависимости           скорости горения топлива от времени. Теперь, зная это, можно предположить, какие из кривых построенных нами зависимостей  более реальны, а какие абсолютно не подходят по физическому смыслу.  Так, например, ясно, что синяя кривая на рис. 21 лишена физического смысла, поскольку скорость горения должна все-таки падать, особенно ближе к концу топки, поскольку количество топлива и его поверхность уменьшаются. Т. е. в общем случае кривые скорости горения и  видимо будут иметь следующий вид: резкое возрастание (разгорание топлива) и затем плавный спад – горение и догорание. Поскольку в нашем случае время отсчитывается с 5 минуты опыта (момент разгорания пропущен) то логично предположить, что скорость горения будет спадать. Теперь, имея зависимости можно построить (из 3.5) зависимости коэффициента избытка воздуха α(t) от времени для каждого случая, рис. 22. Из рисунка видно, что наиболее похожа на экспериментальные данные кривая Alfa_1, соответствующая линейному спаду скорости горения. Для сравнения, на рис. 23 показана типичная зависимость α от времени, полученная газоанализатором, (опыт от 08.02.2007, закладка  #2, [7]).

Рис. 23. Типичная зависимость коэффициента избытка воздуха от времени полученная газоанализатором, [7].	Рис. 24. Вычисленная тепловая мощность потока отходящих газов во время топки при разных α.

3.5 Расчет величины потерь тепла при горении и вычисление КПД печи.

Зная (или предполагая) зависимость α от времени можно построить (П2.6) графики зависимостей тепловой мощности потока отходящих газов от времени, рис 24. На рисунке показаны только три, остальные весьма похожи на них – изображение всех кривых на одном графике приводит к неудобочитаемости.  Площадь под этими кривыми (интеграл по времени) соответствует абсолютному количеству потерь теплоты в кВтч, поделив его на теплосодержание закладки дров, получим долю потерь (1.14).  Для сравнения вычислим моментальный КПД печи в каждый момент времени по (1.15) и усредним его значения. В табл. 3 показаны результаты этих расчетов. Расчеты проведены с учетом зависимости теплоемкостей от температуры (П2.11).

Вид зависимости α(t)	Потери, кВт*ч	Потери, доли	Средний (1 - η^t)	Средний α(t)
Alfa_0	7,74	0,150	0,145	2,24
Alfa_1	7,69	0,149	0,206	3,20
Alfa_2	7,79	0,151	0,153	2,68
Alfa_3	7,67	0,148	0,267	3,50
Alfa_4	7,63	0,148	0,171	2,60
Alfa = 2,21	7,76	0,150	0,144	2,21
Табл. 3. Рассчитанные величины потерь, усредненный моментальный КПД и усредненный, ошибочный коэффициент избытка воздуха, зависимость Alfa_1 наиболее близка к экспериментальным данным.

Из табл. 3 видно, что относительная величина потерь, рассчитанных по уравнению (1.14) практически не зависит от вида кривой α(t). Физически это объясняется тем что, во-первых, по удельному объему и теплоемкости отходящие газы при горении древесины весьма близки к потраченному на горение воздуху (β ≈ 0,3), а температура отходящих газов на большем временном отрезке процесса горения изменяется несильно. А во-вторых, общий коэффициент избытка воздуха равен 2,21 и значительная доля потерь определяется избыточным воздухом, проходящим через печь, и никак не связана с режимом горения. Из табл. 3 также наглядно видно, что нельзя усреднять по времени значения моментального КПД, и величины текущего коэффициента избытка воздуха.

Если топка производится в несколько закладок, то для определения КПД можно поступить двумя способами. Задать вид кривой , ориентируясь на массы отдельных закладок (линейно спадающей для каждой закладки), получить зависимость α(t) и вычислить КПД по (1.14). Либо сразу вычислить, полагая  α(t) = α_средн. Более точно потери (и КПД печи) можно вычислить, замеряя как α(t) газоанализатором, так и поток входящего воздуха анемометром.

3.6 Оценка погрешностей измерений

Приводя физические величины необходимо указывать погрешности их измерения и/или вычисления. Погрешности бывают – систематические, случайные и промахи. Для расчета случайных ошибок необходимо несколько экспериментов, а у нас данные только одного (будем считать, что он не является промахом).  Систематические погрешности можно разделить на инструментальные (приборные) и ошибки метода измерения. Оценим влияние приборных погрешностей на величину вычисленного КПД. В общем случае для этого надо найти полный дифференциал величины потерь (1–η), продифференцировав выражение (1.14) по соответствующим переменным.  Не вдаваясь в детали, упрощенно посчитаем, что величина относительных потерь пропорциональна потоку входящего воздуха, разности температур, множителю 1+w и обратно пропорциональна массе дров. Остальные величины посчитаем точно определенными. Тогда относительная погрешность величины потерь будет равна сумме соответствующих относительных погрешностей:

                                                                                                                (3.9)

Поскольку мы не калибровали приборы, примем паспортные погрешности измерений потока (скорости) и температуры   ± 3%. Будем считать абсолютную погрешность измерения массы   ± 0,2 кг, отсюда ε_М = 0,2/12,8 = 1,6%. Примем, что влажность дров могла быть от 0,15 до 0,35 тогда ε_1+W = 0,1/(1 + 0,25) = 8 %. Отсюда, общая относительная погрешность величины потерь составляет      ε_{1- η} = 3 + 3 + 1,6 + 8 = 15,6%, а относительная погрешность КПД ε_η = (1 – η)/η * 15,6 %. = 2,8 %. (Абсолютные погрешности потерь и КПД равны) Теперь результат измерений можно записать так:

КПД = (85,1 ± 2,4) %    (2,4 это 2,8% от 85,1)

Можно сделать следующие выводы: 1) калибровка приборов и точное определение влажности позволит значительно уменьшить величину систематической погрешности. 2) Для сравнения данных лучше пользоваться величиной потерь 1–η, а не КПД η, поскольку она дает более наглядное представление о погрешности измерений.

Погрешности самого метода измерения потерь связаны в основном с тем, что состав топлива не остается постоянным во время горения. Меняется удельный объем отходящих газов и теплота сгорания топлива.  Анализ величины погрешности, вносимой этим фактом, мы проведем в следующей статье. Можно ожидать, что эта ошибка не будет большой, так как β ≈ 0,3, а средний коэффициент избытка воздуха в бытовых печах вероятнее всего всегда α_средн > 2.

3.7 Расчет величины потерь тепла после окончания процесса горения.

Представляет интерес определить насколько быстро (в численном выражении) «выдувается» тепло из печи при незакрытой задвижке и поддувальной дверке. Мощность потока тепла, выносимого из печи воздухом равна:

                                                                                                              (3.10)

Проинтегрировав (3.10) по времени получим зависимость потерь теплоты от времени. Графики на рис. 25 и 26 иллюстрируют выхолаживание печи, время по оси абсцисс отложено с момента окончания горения. Из первого графика видно, что мощность теплового потока воздуха весьма резко спадает в первые полчаса, а затем падает с примерно постоянной скоростью. Кривая на рис. 26 получена интегрированием (3.10) по времени, и дает представление о суммарной величине потерь тепла. На оси ординат слева потери выражены абсолютных (кВтч) единицах, а на оси справа - относительно общего количества тепла, запасенного печью. Общее количество теплоты, запасенное печью можно вычислить, зная количество теплоты, выделившееся при сгорании дров, и КПД печи – 51,7 кВтч и 85,1 %  в нашем случае.

Рис.25. Зависимость тепловой мощности потока воздуха, проходящего через печь, после протопки при незакрытой задвижке от времени.	Рис. 26. Потери тепла протопленной печью при незакрытой задвижке от времени.

Таким образом, не закрыв задвижку в течение часа, печь теряет примерно четверть теплоты, запасенной за время протопки, за два часа – треть, а за три почти половину. Задвижку надо закрывать!

4 ВЫВОДЫ

1) Предложен простой способ определения эффективности бытовых печей и описан минимальный набор оборудования, позволяющий это сделать.

2) Определен КПД конкретной печи и оценены погрешности измерений.

 КПД составил  (85,1 ± 2,4) %.

3) Определена скорость «выдувания» тепла из печи после протопки при полностью открытой задвижке и поддувальной дверке. В первый час печь теряет примерно четверть, во второй – треть и в третий час – около половины теплоты, запасенной за время протопки. 

4) Выведены основные формулы, используемые при анализе эффективности работы печей, сделан акцент на физический смысл выражений и коэффициентов.

5) Показана некорректность усреднения данных, полученных газоанализатором, для расчета эффективности бытовых печей периодического действия.

6) Сопоставлены коэффициенты в формуле Зигерта для древесины, приводимые различными производителями газоанализаторов.

7) Показано, что данные по теплоте сгорания древесины принятые в европейском стандарте EN 15250 и в отечественной литературе сильно различаются (5300 и 4500 ккал/кг).

5 ЛИТЕРАТУРА

1. Хошев Ю. М. «Дачные бани и печи», Книга и бизнес, М, 2008

2. ГОСТ 3000-45 «Печи отопительные теплоемкие, методы испытания»

3. «Краткая Химическая Энциклопедия», Советская энциклопедия, тт. 1 – 5, М., 1964

4. «Физические величины» Справочник, п/р И. С. Григорьева, Энергоатомиздат, М., 1991

5. В. Шинкарев «Максим и Федор», Красный матрос, Спб., 1998

6. Европейский стандарт EN 15250 «Теплоемкие отопительные приборы на твердом топливе.

     Требования к конструкции и методы испытания».

 www.kamicenter.ru/content/news/index.php?ELEMENT_ID=672

7.  ООО «КАМИ», Испытания печей, Петрозаводск, 2007 www. kamicenter.ru

Конец части 2

Печник Бацулин.                                                                                sashbats@mail.ru
• Стр.1 • Стр.2 • Стр.3 • На Главную