Исследование тепловой эффективности водогрейных аппаратов, работающих на газовом топливе

При использовании газообразного топлива на бытовые нужды населения применяются различные аппараты и оборудование (отопительные печи, газовые водогрейные котлы, водонагреватели, бытовые газовые плиты и т. д.).

Тепловая эффективность бытовых газовых установок оценивается коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно воспринятого тепла теплоприём-ником к затраченному или к подведенной тепловой мощности.

Максимальная эффективность использования газа обеспечивается при работе аппаратов на номинальном режиме эксплуатации, то есть при номинальной подведенной тепловой мощности 7VH0M, которой соответствует номинальное давление газа перед установкой Рном. В реальных условиях эксплуатации бытовые газовые приборы работают в режимах, отличающихся от номинального, то есть при повышенном или пониженном давлении газа перед прибором.

Предельно допустимые давления газа для бытовых газовых приборов: максимальное Р_тах, минимальное Р_тт, а также номинальное давление Р_ном приводятся в таблице 1.

В диапазоне давлений P_min <Р ^Р^^ газоиспользующие установки обеспечивают устойчивое горение газа без отрыва и проскока пламени, необходимую полноту его сжигания с высоким коэффициентом полезного действия. Однако следует отметить, что эксплуатация газоиспользующих установок в режиме, отличном от номинального

Номинальное давление газа перед бытовыми газовыми приборами

Таблица 1

Газовый прибор	^тах ’ Па	^ном ’ Па		Нормативный документ
Газовая плита	1764 2744	1274 1960	147 196	гост 10798-85
Проточный           • водонагреватель	1764 2744	1274 1930	'        637 980	ГОСТ 19910-74
Отопительный котел	1764 2744	1274 1960	635 980	ГОСТ 20219-74
Газовая горелка для отопительной печи УГОП	1800 2800	1300 2000	600 1000	ГОСТ 16569-86

(при повышенном или пониженном давлении газа), снижает тепловую эффективность использования газа, то есть КПД газоиспользующих установок.

Характерный график эксплуатационных параметров газоиспользующих установок в зависимости от относительного давления газа (относительной подведенной мощности) приводится на рисунке.

Как видно из графика (см. рисунок), максимальное значение КПД обеспечивается при отношении Р/Рном ⁼ 1- При отношении Р/Р_ном^>  1 КПД газоиспользующей установки снижается за счет повышенной температуры уходящих продуктов сгорания. Аналогичная ситуация имеет место при отношении Р/Рном <1- Уменьшение КПД газоиспользующей установки обуславливается тем обстоятельством, что при снижении давления, а значит и количества сжигаемого газа, возрастает коэффициент избытка воздуха, подаваемого в зону горения за счет естественной тяги или вентилятора. Это приводит к снижению КПД, несмотря на уменьшение температуры продуктов сгорания.

Согласно ГОСТ на испытание газовых водогрейных аппаратов [2, 3], экспериментальное определение КПД требует измерения расхода и темпе ратурного диапазона нагрева воды, а также расхода газа и теплоты его сгорания. Относительно небольшие изменения КПД газоиспользующих аппаратов в диапазоне рабочих режимов их эксплуатации (несколько процентов) предъявляют высокие требования к точности экспериментальных исследований, к минимизации погрешности средств измерения и контроля, методике обработки экспериментальных данных.

Указанное обстоятельство обусловливает повышенную трудоёмкость экспериментальных работ, требует применения высокоточной измерительной техники, специальных методов статистической обработки экспериментальных материалов.

Поэтому при проведении сертификационных испытаний газовых водогрейных аппаратов коэффициент полезного действия последних определяется, как правило, только при номинальном режиме эксплуатации, то есть при максимальной тепловой эффективности.

Экспериментальные исследования водогрейных газовых аппаратов существенно упрощаются, если оценивать их тепловую эффективность с помощью относительного КПД. Последний представляет собой отношение КПД газового аппарата

Зависимость КПД, температуры продуктов сгорания и коэффициента избытка воздуха за газоиспользующей установкой от относительного давления газа [1]

Инженерное оборудование зданий и сооружений

при текущем и номинальном режимах эксплуатации:

4™= — ,                 (1)

Л ном тогда используя уравнение:

BQ'

можно записать:

_ 7ИС(^2 ^1) Дюм Sh _ ^(^2 6) Дном (3) ^ ’ ^Хом^ -О " ^ом^ ”0 ’ где т - расход нагреваемой воды, кг/ч; с — удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг °С); tx - температура воды на входе в аппарат, °C; /2 - температура воды на выходе из аппарата, °C; В - расход газа, м3/ч; Q^ - низшая теплота сгорания газа, МДж/м3.

При постоянстве расхода воды в текущем и номинальном режимах эксплуатации, то есть при /и = ^ном уравнение (3) принимает следующий вид:

п = ^Вном ^?2~^1 /₄х

Как показывают многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, расход газа газоиспользующим аппаратом В, м³/ч, связан с давлением газа Р, Па, следующим соотношением [4]:

В = Ь^,                          (5)

где b - проводимость аппарата, м³/(ч-Па^1/2).

Тогда по (4) с учетом (5) имеем: Гр /

• —  _ Ином Ч

1отн р _ном ном ’                        v /

V г где Р, Рдом - текущее и номинальное давление газа перед газовым аппаратом, Па.

Как видно из (6), экспериментальное определение относительного КПД требует только измерения давления газа перед газовым водогрейным аппаратом и температурных параметров нагреваемой воды.

Абсолютное значение КПД определяется пересчетом по формуле (1):

Л ~ ЛотнЛном ’                               (^)

где т|ном - максимальный КПД аппарата, соответствующий номинальному режиму его эксплуатации. Значения т/0ТН, полученные по результатам сертификационных испытаний, приводятся в паспортных данных газовых водогрейных аппаратов.

Определение КПД газовых водогрейных котлов и водонагревателей проводилось на экспериментальной установке. Испытания проводились в соответствии с нормативной методикой [2, 3] в РИЦ ГАО института «Гипрониигаз» и в учебноисследовательской лаборатории кафедры «Тепло-газоснабжение и вентиляция» Саратовского ГТУ.

В качестве объектов испытаний использовались: котлы АОГВ-10, «Хопер», «Proterm», а также газовые водонагреватели «Аврора» и ВПГ-10.

Испытания газовых аппаратов проводились при следующих значениях начальной температуры воды:

• -    котлы газовые водогрейные ti = 40 °C;

• -    газовый проточный водонагреватель Л = 18 °C.

Конечная температура воды на выходе из аппаратов при их работе на номинальном режиме эксплуатации (Рном = 200 даПа) обеспечивалась в следующих пределах:

• -    котлы газовые водогрейные Z₂^H0M = 60 °C;

• -    газовый проточный водонагреватель

Z2HOM = 58 °C.

Как показывает анализ экспериментальных данных, режимы эксплуатации газовых аппаратов оказывают существенное влияние на эффективность использования газового топлива. Так, например, при эксплуатации котла АОГВ-10 на номинальном режиме при давлении 200 даПа относительный КПД составляет единицу, а при снижении давления до 75 даПа, то есть при снижении тепловой мощности до 2/3 от номинальной, относительный КПД снижается до 0,947, то есть более чем на 5 %. Аналогичная ситуация наблюдается и при повышенном давлении газа. В целях оценки погрешности результатов исследований была проведена статистическая обработка экспериментальных материалов.

Как показывают результаты статистического анализа, результирующая погрешность определения относительного КПД котла АОГВ-10 в исследуемом диапазоне изменения давления газа находится в пределах 1,4—2,1 с доверительной вероятностью 0,95, что соответствует требованию ГОСТ к точности экспериментальных исследований.

Аналогичные результаты получены и по другим типам газовых водогрейных аппаратов.

Обработка массива экспериментальных данных методами корреляционного анализа выявила тесную связь между исследуемой функцией q = -Л— и Л ном р управляющим параметром ---

^ном

Результаты экспериментальных исследований аппроксимируются следующей зависимостью с коэффициентом корреляции 0,8877:

Чотн = - о,5136 Рин 6 + 2,3548    5 -

• -    3,0664 Р_ота⁴ - 0,7648 P.™³ +

  + 4,4265 Ро™² - 2,9919 Р_отн + 1,553.        (8)

Наличие указанной зависимости обеспечивает необходимые предпосылки к оптимизации гидравлических режимов эксплуатации распределительных систем газоснабжения с учетом эффективности использования газового топлива у потребителей.