Ocena efektów energetycznych Stan ustalony kom ory spalaniaStan ustalony kom ory spalania

OJ

■gP LUE

o 'C aE 5 So

Temperatura ścian komory, K Temperatura śdan komory, K

R y s . 5 .6 . W p ły w te m p e r a tu r y ś c ia n k o m o r y n a : a) e m is y jn o ś ć i e m is ję w ł a s n ą p r o m ie n io w a n ia p ło ­ m ie n ia o r a z b ) s tr u m ie n ie c ie p ła ra d ia c y jn e g o w k o m o r z e s p a la n ia , p r z y w y d a jn o ś c i p a ln ik a 3 .8 k g /h

F ig . 5 .6 . I n flu e n c e o f te m p e r a tu re o f w a lls o n : a) f la m e e m is s iv ity a n d f la m e e m is s io n , b ) ra d ia tiv e h e a t f lu x e s in s id e c o m b u s tio n c h a m b e r, f o r o il fu e l ra te o f 3 .8 k g /h

o

•S

Czas nagrzewania komory, min

R y s. 5 .7 . Z m ia n y w a r to ś c i s tr u m ie n i c ie p ła r a d ia c y jn e g o w k o m o r z e s p a la n ia w c z a s ie n a g r z e w a n ia k o m o r y , p r z y w y d a jn o ś c i p a ln ik a 3 .8 k g /h

F ig . 5 .7 . T im e v a r ia tio n o f v a lu e s o f h e a t f lu x e s in s id e c o m b u s tio n c h a m b e r d u r in g p r o c e s s o f c h a m b e r h e a tin g , f o r o il fu e l ra te o f 3 .8 k g /h

Przynosić to m oże korzyści w arte uw agi jed n ak tylko wtedy, jeżeli param etry rozpylania są właściw e, czyli takie, ja k w ynika to z analizy przedstawionej w rozdziale 5.2.3.2. Przy zbyt drobnym rozpyleniu paliw a rola prom ieniow ania płom ienia je st m niejsza od prom ieniow ania spalin i w zrost poziom u tem peratury ścian niewiele w tej proporcji zmienia.

5.3. Ocena efektów energetycznych Stan ustalony kom ory spalania

W analizow anych badaniach, prow adzonych w w arunkach stanu ustalonego komory spalania, obejm ujących trzy serie płom ieni, uzyskano następujące w artości radiacyjnego strum ieni ciepła Q w pobieranego przez ściany komory:

- płom ienie 1-6 Q w = 3 2 .2 2 ; 31.81; 27.47; 26.11; 23.55; 22.02 kW , - płom ienie 7-12 Q w = 2 9 .1 0 ; 27.99; 27.31; 26.84; 26.39; 25.91 kW , - płom ienie 21-26 Q w = 2 8 .1 6 , 26.75, 26.08, 25.61, 25.16, 24.69 kW.

Strum ień ciepła Q w je s t tutaj m ia rą efektyw ności procesu prom ienistej wymiany ciepła w kom orze spalania. Jak w iadom o, w układach w ysokotem peraturow ych, takich jak kom ory spalania, przepływ ciepła zachodzi głównie przez prom ieniow anie, natom iast w znacznie m niejszym stopniu przez konwekcję. M ożna oszacować, że udział konw ekcji w strum ieniu ciepła przejm ow anym przez ściany niniejszej komory spalania nie przekracza 5%.

U pow ażnione je st zatem stw ierdzenie, że efektyw ność prom ienistej w ym iany ciepła decyduje o efektyw ności całego procesu przekazyw ania energii w kom orze spalania.

Jak w idać, różnice pom iędzy w artościam i Q w skrajnym i w danej serii płom ieni są dosyć duże. O znacza to, że zaobserw ow ane zróżnicowanie param etrów płom ieni olejowych, w yw ołane zastosow aniem zróżnicow anych param etrów rozpylania i spalania paliwa, odczuw alnie w pływ a na w ym ianę ciepła w kom orze spalania.

M ożna zdefiniow ać spraw ność r\ radiacyjnego przekazyw ania ciepła w komorze spalania jako

ri = - ^ x l 0 0 % . (5.18)

PWd

W zględny w zrost spraw ności Sr), ja k i uzyskano w obrębie danej serii płomieni, określa stosunek różnicy Ar| skrajnych wartości sprawności r|, w danej serii płom ieni do w artości T)min najniższej w tej serii

5ri = - ^ x l 0 0 % . (5.19)

Z kolei oszczędność m energii chemicznej paliw a uzyskaną w obrębie danej serii płom ieni, w w yniku popraw y intensyw ności prom ienistej w ym iany ciepła, w yznaczyć m ożna dzieląc różnicę Ar) spraw ności przez w artość r |max najw yższą w tej serii

|

P łom ienie 1. serii Płom ienie 2. serii Płom ienie 4. serii uśw iadam iana projektantom i eksploatatorom urządzeń opalanych paliw am i ciekłym i.

S zerszego kom entarza w ym ag ają szczególnie w ysokie w artości tych wskaźników

znacznie niniejsze od przyrostu efektu energetycznego w obrębie kom ory spalania w ynikającego ze w zrostu intensyw ności prom ieniow ania. Poniew aż jednak ekologiczny aspekt strat niecałkow itego i niezupełnego spalania je st ograniczeniem decydującym , przeto te m aksym alne w artości strum ienia ciepła Q w w ystępujące w pierwszej serii płom ieni nie są prom ieniow ania płom ienia były częściowo rekom pensow ane przez podw yższone wówczas prom ieniow anie spalin.

G dyby zatem także pom inąć płom ień 6 jako zbyt skrajny wariant, o dalekim od praktycznych zastosow ań stosunku nadm iaru powietrza, i ograniczyć się do trzech płom ieni 3, 4 i 5, to w artości analizow anych w skaźników byłyby równe: 8x13.5= 16.7% i 0)3.5= 14.3%.

Jeżeli chodzi o dwie pozostałe serie płom ieni, to w idać, że efekty energetyczne 8rj i co uzyskane w obrębie tych serii są do siebie podobne, przy czym dla czwartej serii płomieni 21-26 są nieco w yższe niż dla drugiej serii płom ieni 7-12. W obu seriach zm ienianym param etrem była ilość pow ietrza rozpylającego, w w yniku czego zm ieniała się m ikrostruktura rozpylonej strugi paliw a, a przez to także reprezentująca uzyskany zbiór kropel średnica Sautera. W arto tu zauw ażyć, że nieco w yższe wartości w skaźników 8r) i co dla płomieni 21-26 osiągnięto przy w yższym również, dla tych płom ieni, poziom ie sprawności xj.

Płom ienie 21-26 to płom ienie otrzym ane przy obniżonej w ydajności palnika. M niejszą w ydajność uzyskano przez zm niejszenie ciśnienia oleju, co spow odow ało pewien wzrost rozm iarów kropel oraz w zrost zdolności radiacyjnych płom ieni. W efekcie nastąpiła poprawa skuteczności przekazyw ania ciepła w kom orze spalania.

D la oceny skali tej popraw y m ożna, przykładow o, wziąć pod uw agę płom ienie 7 i 21.

S ą to płom ienie, które otrzym ano bez użycia pow ietrza rozpylającego, przy różnej wydajności palnika, gdzie rozpylanie paliw a zachodziło w yłącznie na skutek ciśnienia oleju. W idać, że z pow odu w yższej spraw ności r|2i=71.7% od ri7=64.4% wartość strum ienia ciepła Qw21=28.16 kW , pobieranego przez ściany kom ory, je st tylko nieznacznie (około 3%) niższa od w artości strum ienia ciepła Q w7=29.10kW , chociaż m oc cieplna płom ienia 21 je s t niższa od m ocy płom ienia 7 o około 13%. O znacza to, że przy różnej w ydajności rozpylacza uzyskano podobny skutek energetyczny, reprezentowany przez strum ień ciepła Q w.

O bniżenie w ydajności zostało niemal całkow icie zrekom pensow ane poprzez w zrost zdolności prom ienistych płom ienia.

R easum ując, m ożna pow iedzieć, że, pom ijając szczególne przypadki z pierwszej serii płom ieni, niezależne od siebie efekty energetyczne, jakie m ożna osiągnąć przez odpowiedni dobór zarów no param etrów rozpylania, ja k i spalania paliw a ciekłego, m ogą być rzędu

kilkunastu %. W yższe spraw ności term iczne uzyskuje się przy niżążych w artościach stosunku nadm iaru p ow ietrza oraz przy w iększych rozm iarach kropel rozpylonego paliwa.

Stan n ieu stalon y kom ory spalania

W celu dokonania oceny w ysokości efektów energetycznych m ożliw ych dó uzyskania w nieustalonym procesie nagrzew ania kom ory spalania przeprow adzono dodatkow o pom iary param etrów w kom orze spalania podczas rozgrzew ania jej za pom ocą dw óch różnych płom ieni o param etrach rozpylania i spalania analogicznych do płom ieni 7 i 12, skrajnych w ariantów z drugiej serii badanych płom ieni. W ykonyw ano pom iary dw óch param etrów dotyczących ścian kom ory: tem peratury w ew nętrznej pow ierzchni oraz gęstości oprom ieniow ania. W arto tu w spom nieć, że om aw iane w cześniej płom ienie 13-20, trzeciej przedstaw iony w rozdziałach 4.2.1, 4.2.3 i 4.3.2.

Zróżnicow ane param etry radiacyjne rozw ażanych płom ieni spow odow ały istotne zróżnicow anie szybkości w zrostu tem peratury ścian. Z trzech analizow anych płomieni uzyskano, zgodnie z oczekiw aniam i, najw iększą szybkość dla płom ienia 7, a najm niejszą dla

M ożliw ość osiągnięcia stanu ustalonego nagrzew anego układu albo uzyskania pożądanego poziom u tem peratury nagrzew anego ciała w krótszym czasie je s t rów noznaczna z m ożliw ością zm niejszenia zużycia spalanego paliwa.

W oparciu o w artości okresów T12 i T7 czasu, potrzebnego do osiągnięcia tego samego poziom u tem peratury ścian kom ory za p o m o cą płom ienia 12 i płom ienia 7, m ożna w yznaczyć oszczędność co paliw a w ynikającą ze skrócenia czasu nagrzew ania

At

W yniki pom iarów w czasie nagrzew ania komory

Tablica 5.4 stanu ustalonego pow oduje istotne zm niejszenie szybkości w zrostu tem peratury i dlatego czas nagrzew ania ścian do poziom u 800°C był, w przypadku płom ienia 12, znacznie dłuższy od

nach kom ory w yznaczono num erycznie za pom ocą m etody bilansów elem entarnych. O blicze­

nia przeprow adzono dla trzech różnych grubości ścian komory: 42 mm, 72 m m i 102 mm (grubość ścian rzeczyw istej kom ory w ynosi 72 mm).

C elem pracy było zbadanie, w jakim stopniu pojem ność cieplna nagrzew anego ciała w pływ a na w ielkość analizowanej różnicy czasu nagrzewania. Potrzebne do obliczeń zależności pom iędzy tem peraturą powierzchni ścian i strum ieniem ciepła pochłanianego przez tę pow ierzchnię, dla trzech analizow anych przypadków płom ieni, otrzym ano poprzez aproksym ację w yników pom iarów om ów ionych wyżej badań odpow iednim i postaciami funkcji w ielom ianow ej.

-innn

o f — ---- — —

0 1 2 0 2 4 0 3 6 0 4 8 0 6 0 0

Czas nagrzewania komory, min

R y s . 5 .8 . Z m ia n y te m p e r a tu r y śc ia n w c z a s ie n a g r z e w a n ia k o m o r y p ło m ie n ia m i 7 , 8 i 12: X p ło m ie ń 7, ♦ p ło m ie ń 8, • p ło m ie ń 12

F ig . 5 .8 . T im e v a r ia tio n o f te m p e r a tu re o f w a lls d u r in g p ro c e s s o f h e a tin g o f c h a m b e r b y m e a n s th e fla m e s : X N o 7 , ♦ N o 8, • N o 12

W artość analizow anego efektu skrócenia czasu nagrzew ania ścian, k tó rą wyznaczono na podstaw ie obliczeniow ych okresów czasu potrzebnych do osiągania kolejnych poziom ów tem peratury, rosła ze w zrostem tem peratury i ze w zrostem grubości ścian. N a w ielkość tego efektu, przy różnych grubościach ścian, w pływ a jednakże nie tylko zm iana pojem ności cieplnej ścian kom ory, ale także dw a dodatkow e czynniki, które ze zm ianą grubości ścian także się zm ieniają. S ą to: strum ień ciepła oddaw anego do otoczenia oraz poziom tem peratury ścian w stanie ustalonym dla danego przypadku nagrzewania.

Strum ień ciepła oddaw anego do otoczenia je st większy w przypadku mniejszej grubości ściany, g d y ż decyduje o tym tem peratura zewnętrznej pow ierzchni, która rośnie szybciej dla ściany cieńszej. Pow oduje to relatyw ne w ydłużenie czasu nagrzew ania ściany cieńszej w stosunku do ściany grubszej.

Podobny skutek relatyw nego w ydłużenia czasu nagrzew ania cieńszej ściany w ynika także z tego, że poziom tem peratury na w ew nętrznej pow ierzchni ściany je s t tutaj, w stanie ustalonym , niższy niż dla ściany o większej grubości. Tem peratura ścian je s t w ięc bliższa jej poziom ow i w stanie ustalonym , co pow oduje, ja k ju ż wcześniej w yjaśniono, zm niejszenie szybkości w zrostu tej tem peratury.

U w zględniając pow yższe uw arunkow ania (pom ijając zatem w artości w yjątkowo w ysokie), w ykazano, że w skaźnik co oszczędności paliwa, w ynikającej ze skrócenie czasu nagrzew ania ścian, dla trzech badanych grubości ścian i różnych poziom ów tem peratury, zaw iera się w przedziale 25% -35% . S ą to w artości podobne do w yników uzyskanych w czasie om ów ionych w yżej pom iarów n a stanow isku badaw czym .

R easum ując, należy stw ierdzić, że efekt energetyczny, ja k i m ożna uzyskać w procesie rozgrzew ania kom ory spalania poprzez odpow iedni dobór param etrów rozpylania paliw a ciekłego, je st w yższy niż w stanie ustalonym kom ory spalania dla tych sam ych płom ieni. Jego średnia w artość w zakresie w ykonanych badań w ynosiła około 30%.

P rzedstaw ioną ocenę efektów energetycznych oraz ich analizę m oże uznać za dobre uzasadnienie poglądu, że przy doborze optym alnych param etrów spalania paliw a ciekłego, poza zapew nieniem podstaw ow ego w arunku, jakim są dobre w ypalenie paliw a i niski poziom em isji głów nych zanieczyszczeń, takich jak: węglowodory, substancje smoliste, CO czy sadza, należy stosow ać dodatkowe kryterium uwzględniające zdolności promieniste płom ienia. Brak św iadom ości znaczenia tego kryterium je st p rzyczyną ponoszenia niepotrzebnych strat energetycznych. Przeprowadzone badania pokazały, że spełnienie obu kryteriów , czyli zapew nienie dobrego spalanie paliw a i w ysokich zdolności radiacyjnych płom ienia, je s t m ożliw e.