Определение потерь тепла с отходящими газами и КПД печи с помощью анемометра и термопары
Предложен простой способ определения эффективности бытовых печей и описан минимальный набор оборудования, позволяющий это сделать. Оценены погрешности измерений. Оценено количество теплоты, уносимое из печи после протопки при открытой задвижке и поддувальной дверке. 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.
Предыстория
Хошев Юрий Михайлович
Родился в 1945 г., окончил МИФИ. Доктор физико-математических наук, специалист в области высокотемпературных процессов и технологий. Выйдя на пенсию, в порядке хобби занялся изучением физических процессов в русских паровых банях и газодинамики бытовых печей. Опубликовал ряд книг и более двух десятков статей в специализированных периодических изданиях по этим темам. Является почетным членом Московской Гильдии Печников. e-mail: kho45 (а) mail.ru
Содержание
1. Теоретическая часть
1.1 Влажность древесины
1.2 Теплота сгорания древесины
1.3 Удельный объем воздуха и отходящих газов
1.4 Теплоемкость воздуха и отходящих газов
1.5 КПД печи
1.5.1 Анализ выражений для КПД
1.5.2 Сравнение с формулой Зигерта, европейский стандарт
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 αсредн
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
6. Приложение
6.1 Вывод формул для расчета удельных объемов воздуха и отходящих газов
6.2 Вывод формул для расчета КПД печи
6.3 Переводные коэффициенты основных физических величин
7. Некоторые уточнения, обнаруженные после написания статьи
7.1 Теплота сгорания древесины по европейскому стандарту EN 15250
7.2 Максимальная концентрация СО2в отходящих газах и точность определения
коэффициента избытка воздуха
7.3 К выводу формулы зависимости теплоты сгорания от влажности
Читать дальше
PDF версия полной статьи 1,3 Мб
Выводы
Результатом проделанной работы явилось несколько выводов. Остановимся здесь только на самом важном с точки зрения пользователя печи - на том, сколько же тепла выдувается, если не вовремя закрыть задвижку - собственно, с чего все и начиналось. Всего по определению выдувания тепла было проделано три опыта (в полном тексте статьи описан только первый, т. к. она носит методический характер). Условия опытов представлены в таблице (температура улицы - в начале и в конце опыта).
| No. | Дата | Время начала опыта | Температура улицы | Ветер |
| 1 | 04.10.09 | 9.50 | +6…+10 | Слабый, иногда порывы |
| 2 | 18.10.09 | 9.15 | +10…+8 | Нет |
| 3 | 20.10.09 | 8.25 | -4…+7 | Нет |
В следующей таблице представлены измеренные и расчитанные величины опытов. Потери в процессе топки (графы J и K) определяли описанным в статье способом (см. полный текст). Средняя мощность горения (F) является отношением теплосодержания дров к общему времени горения и дает представление об интенсивности процесса горения.
| No. | Масса дров | Закла-док | Дрова | Тепло-содержание дров | Время горения | Средняя мощность горения | Стехиометр. объем воздуха | Вошедший объем воздуха | Средний избыток воздуха | Потери | |
| A | B | С | D | E | F | G | H | I | J | K | |
| кг | шт | кВтч | мин | кВт | нм3 | кВтч | % | ||||
| 1 | 12,8 | 1 | 13 | 51,7 | 30 | 103,0 | 46,9 | 116,0 | 2,47 | 7,66 | 14,8 |
| 2 | 12,2 | 1 | 11 | 49,3 | 30 | 98,6 | 44,7 | 81,1 | 1,81 | 6,23 | 12,6 |
| 3 | 21,7 | 3 | 20 | 87,6 | 66 | 79,6 | 79,5 | 225,1 | 2,83 | 16,65 | 18,7 |
Определение потерь после окончания топки проводили следующем образом - после прогорания задвижку и поддувальную дверку не закрывали в течении трех часов. При этом измеряли температуру входящего в печь воздуха (в поддувальной дверке), температуру выходящего воздуха на уровне печной задвижки и скорость потока воздуха в коробе в поддувальной дверке. Далее расчетным путем (как произведение потока на разность температур и на теплоемкость воздуха) определяли зависимость тепловой мощности потока воздуха по времени. Численным интегрированием этой кривой получали количество тепла, которое "вылетало в трубу". Результаты представлены на графиках.
Количество тепла, выносимое из печи в зависимости от времени относительно запасеного в печи тепла (теплосодержание дров - потери).
Завышенные значения в первом опыте связаны видимо с тем, что опыт проводился в ветренную погоду, что завышало скорость газов в дымовой трубе.
Количество тепла, выносимое из печи в зависимости от времени. Интервал 0 - 30 мин. На оси слева - абсолютные значения в кВтч, на оси справа - относительно запасенного в печи тепла.
Из графиков видно, что, не закрыв задвижку, например, в течении получаса после окончания процесса горения в трубу "вылетает" порядка 10% тепла, запасенного печью. Или в абсолютных единицах для третьего опыта - 6 кВтч энергии. А можно сказать и так - при тарифе 3,8 руб/кВтч (Москва, февраль 2011 г.) в трубу вылетает 23 рубля за 30 минут. Вывод очевиден - не надо медлить с закрытием задвижки.
Маркус Флинн
Родился в Англии в 1961, живет в Монреале, Канада. Член Асоциации Печников Северной Америки. Занимается печным делом более 20 лет и специализируется в основном на строительстве финских противоточных печей в различных вариантах. Область интересов: нестандртные облицовки из старинного кирпича, дизайн в стиле Арт-Деко, история печного дела. В наполнении своего сайта www.pyromasse.ca придерживается политики "open sourse".
Литература
- Хошев Ю. М. Дачные бани и печи. - Книга и бизнес, М, 2008
- ГОСТ 3000-45 «Печи отопительные теплоемкие, методы испытания»
- Краткая Химическая Энциклопедия. - Советская энциклопедия, тт. 1 – 5, М., 1964
- В. Шинкарев Максим и Федор. - Красный матрос, СПб., 1998
- Европейский стандарт EN 15250 - Теплоемкие отопительные приборы на твердом топливе. Требования к конструкции и методы испытания, 2007
- ООО «КАМИ», Испытания печей, Петрозаводск, 2007
Читайте также статью о кладке печи-камина.
Александр Бацулин
Родился в Москве 07.09.1976. Закончил Химический факультет МГУ по специальноси Химическая кинетика. Печным делом занимается с 2000 года. Интересы: строительство и проектирование печей для отпления индивидуальных домов. Традиционное деревянное строительство. Тел. 8 (915) 169 1733 8 (950) 259-6401 e-mail: sashbats (а) mail.ru