Varmefag - Studenthjelp

Varmefag
Contents
Energipris på avgitt energi
2
Brennkammereffekt og ytelse
2
Forbrenningskjemi
2
Brenselgass beregninger
2
Brenselsanalyser
3
Øvre og nedre Brennverdi
4
Luftforbruk og røykgass volum
5
Gassformig brensel
6
Tap
7
Virkningsgrad og energibalanse
8
Forenklet formel for varmetap fra røyken
9
Varmeleding
10
Appendix 1 - Brenseldata
11
Appendix 2 - Brenselgass datablad
12
Appendix 3 - Brenselannalyse, gjennomsnitsverdier
13
Appendix 4 - Biobrensel, sammensetting
14
Appendix 5 - Nedre brennverdi, basisdensitet og naturlig askeinnhold for ulike treslag og tredeler 15
1
Energipris på avgitt energi
ore
/
MJ
Brenseles nedre brennverdi
i
p
Pris
[/ore]
η
Fyringsanleggets virkningsgrad
ρ
Brenseles densitet
[−]
h
i
Brensel pris oppgitt i øre pr. kilo
p
Hn ·η
Brensel pris oppgitt i øre pr. liter
p
ρHn ·η
h
ore
/
MJ
Pris i øre pr. M J
p · 3, 6
h
ore
/
KW h
i
Hn
•
•
Q = m f · Hn
Ytelse
Q = mf · Hn · η
•
•
•
Brenseles nedre brennverdi
h
MJ
kg
Brent brenselsmengde
h
kg
s
i
i
[KW ]
mf
[KW ]
Q
Effekt
[KW ]
η
Fyringsanleggets virkningsgrad
[−]
•
Forbrenningskjemi
C + O2 → CO2
Med molvekt for ett kmol får du: 12, 01 kg C + 32, 00 kg O2 → 44, 01 kg CO2
Brenselgass beregninger
Normalkubikk, N m3 = m3n
Volumsammensetningen av brenselgass kan skrives på formen
P
g
H2g + COg + Cn Hm
+ CO2g + O2g + N2g = 1
P g
Hn =
(Y · Hng )
Bruk samme formel for øvre brenverdi, Ho og densiteten ρbr
2
h
m3n
m3n
i
h
J
m3n
i
MJ
kg
kg
liter
Brennkammereffekt og ytelse
Brent effekt
i
Hn
h
i
h
Brenselsanalyser
Brendsel karakteriseres ved brenselsannalysen på formen
c
h
s
n
o
w
a
=
kg karbon
kg rå brensel
kg hydrogen
kg rå brensel
kg svovel
kg rå brensel
kg nitrogen
kg rå brensel
kg oksygen
kg rå brensel
kg vann
kg rå brensel
kg aske
kg rå brensel
kg
1
kg
Kjennes analysen på tør, vannfri basis (t)
1
ct + ht + st + nt + ot + at = 1
2
kan den aktuelle annalyse ved vanninnhold w finnes ved
h i
kg
c = ct (1 − w)
kg
Samme formel benyttes for de andre grunnstoffene
Kjennes annalysen på tør og askefri basis (ta)
3
cta + hta + sta + nta + ota = 1
4
kan den aktuelle analyse finnes ved
h i
kg
c = cta (1 − w − a)
kg
Samme formel benyttes for de andre grunnstoffene
5
For omregning mellom tør (t) og tør og askefri (ta) brukes
h i
kg
ct = cta (1 − at )
kg
Samme formel benyttes for de andre grunnstoffene
3
Øvre og nedre Brennverdi
Sammenhengen mellom øvre brennverdi Ho
og nedre brennverdi Hn er gitt ved
6
h
Hn = Ho − r25 · (8, 94h + w)
J
kg
i
der
h
J
kg
i
Hydrogeninnholdet i brenselet
h
kg
kg
i
Er vanninholdet i brenselet
h
kg
kg
i
r25
Vannets fordampningsvarme ved 25o C
h
w
J
2, 442 · 106 kg
Sammenheng mellom nedre brennverdi på tør og askefri basis (ta)
og rå basis (rå) er gitt ved
7
8
Hn,rå = Hn,ta (1 − w − a) − r25 · w
h
J
kg
i
og ved omregning fra ett vanninnhold w1 til ett annet w2 brukes
h i
Hn,1 + r25 · w1
J
Hn,2 =
(1 − w2 ) − r25 · w2
kg
1 − w1
4
Luftforbruk og røykgass volum
Beregningene baseres på elementæranalysen
9
c+h+s+n+o+w+a=1
Hvis det er karbontap i slagg eller flyveaske, korrigeres karboninnholdet c
10
11
etter følgende formel
a · BG
cred = c −
1 − BG
der
h
cred
Er det reduserte karboninholdet
BG
Er den bortglødelige delen av slagg og flyveaske
a
Er askeinnholdet i det rå brenselet
kg
kg
[−]
h i
kg
kg
kg
kg
i
h
m3n
kg
i
h
m3n
kg
i
h
Minimalt luftforbruk for støkiometrisk forbrenning
cred · 1, 86 + s · 0, 70 + h · 5, 55 − o · 0, 70
Lmin =
0, 21
i
der m3n er normalkubikkmeter luft pr. kg rå brensel
Minnimal tørr røykgassmengde
12
VG,t,min = cred · 1, 85 + s · 0, 68 + n · 0, 80 + Lmin · 0, 79
der Lmin er den spesifikke forbrenningsluftmengde ved støkionomisk
h 3i
m
forbrenning kgn
13
Maksimalt innhold av karbondioksid i tørr røykgass
cred · 1, 85
CO2,max =
VG,t,min
h
m3n
m3n
i
For å gjennomføre beregningene må man kjenne røykgassens innhold
av karbondioksid (CO2,målt ) og karbonoksid (COmålt )
14
Luftoverskudstallet beregnes på basis av deffinisjonen
L
CO2,max
VG,t,min
n=
=1+
−1
Lmin
(CO2 + CO)målt
Lmin
h
m3n
m3n
i
h
m3n
kg
i
h
m3n
kg
i
h
m3n
kg
i
h
m3n
kg
i
og herav forbruket av tørr luft
15
16
L = n · Lmin
Aktuell tørr røykgassvolum
cred · 1, 85
Vg,t =
(CO2 + CO)målt
Aktuell vandampvolum i røykgassen
17
VH2 O = h · 11, 1 + w · 1, 24 + x · 1, 61 · n · Lmin
Det totale røykgassvolumet blir da
18
VG,f = VG,t + VH2 O
5
Gassformig brensel
19
Gass-sammensetningen er gitt på formen
P
g
+ CO2g + N2g + O2g = 1
COg + H2g + Cn Hm
h
m3n
m3n
i
Brenverdien fåes ved å beregne summen av de enkelte volumandelene
med de respektive brenverdier.
20
21
22
Minste forbruk av tørr luft
P
g
1
g
n+
2 (CO + H2 ) +
Lmin =
0, 21
m
4
g
Cn Hm
− O2g
h
Minste tørre røykgassvolum
P
g
VG,t,min = COg + n · Cn Hm
+ CO2g + N2g + 0, 79 · Lmin
Maks innhold av CO2 i tørr røykgass
P
g
COg + n · Cn Hm
+ CO2g
CO2,max =
VG,t,min
m3n
m3n
h
h
i
m3n
m3n
m3n
m3n
i
i
Luftoverskudstallet n og luftforbruk L beregnes som for fast og
flytende brensel (formel 14 og 15)
23
24
Aktuelt tørr røykgassvolum
P
g
+ CO2g
COg + n · Cn Hm
VG,t =
(CO2 + CO)målt
h
m3n
m3n
i
Det aktuelle vanndampvolumet i røykgassen
Pm
g
VH2 O = H2g +
2 Cn Hm + x · 1, 61 · n · Lmin
h
m3n
m3n
i
der x er forbrenningsluftens innhold av vanndamp målt i kg pr. kg
tørr luft.
6
Tap
Ved fyring med fast brensel vil større eller mindre andeler av brenselet
ikke forbrennes fullstendig. Tapet, ΦBG kalles ofte for glødetap
etter annalysemetoden.
25
ΦBG = BG · HBG · qm,sl
[W ]
der
BG
Er den bortglødelige delen av slagg og flyveaske
h
kg
kg
i
HBG
Er brennverdien av det bortglødelige stoffet
h
J
kg
i
h
kg
s
i
J
(som er tilnærmet rent karbon) 33 · 106 kg
qm,sl
Er massastrømmen av slagg og flyveaske
Ved ufullstendig forbrenningn vil man få tap i form av brennbare gasser i
røykgassen. CO utgjør normalt størstedelen av tapet, og gassen er
lett å måle. Derfor taes den normalt med i beregningene.
26
ΦCO = VG,t · COmålt · HCO · qm,br
[W ]
der
VG,t
Er volumet med tørr røykgass
h
m3n
kg
i
COmålt
Er volumandelen CO i tørr røykgass
h
m3n
m3n
i
HCO
Er brennverdien av CO → 12, 633 · 106
h
J
m3n
i
qm,br
Er brent mengde rå brensel pr. tidsenhet
h
kg
s
i
Hvis slaggmengden er stor i forhold til brent brenselmengde, og det har
en relativt høy temperatur, bør tapet med varmt slagg, Φv,sl medregnes.
27
Φv,sl = qm,sl · cp,sl · (tsl − 20◦ C)
[W ]
der
h
qm,sl
Er slaggets massestrøm
C p,sl
J
Er slagget spesifikke varmekappasitet 1000 kg·K
tsl
Er temperaturen til slagget
h
kg
s
i
J
kg·K
i
[◦ C]
Varmetap fra røykgass beregnes hhv. for den tørre røykgassen og for
vanndampen utifra
28
29
Φv,rg = ΦG,t + ΦH2 O
[W ]
Tapet fra tørr røykgass beregnes ved
t
20◦ C
ΦG,t = qm,br · VG,t {cp }0r◦ C · tr − {cp }0◦ C · 20◦ C
[W ]
med middelvarmekappasiteten for tørr røykgass beregnet som
h i
t
J
{cp }0r◦ C = (1293, 9 + tr · 0, 076) + (349 + tr · 0, 7) COmålt
m3
n
7
Tapet fra vanndamp beregnes ved
20◦ C
t
ΦH2 O = qm,br · VH2 O {cp }0r◦ C · tr − {cp }0◦ C · 20◦ C
[W ]
med middelvarmekappasiteten for vanndamp beregnet som
P
Φstr =
h (t) · A · (tovf l − 20◦ C)
[W ]
30
Her skal du foreta beregninger for alle overflater med forskjellige
temperaturer, tovf l .
Varmeovergangstallet h (t) hentes fra figuren under.
Virkningsgrad og energibalanse
Brent effekt beregnes ved
31
Φbrent = qm,br · Hn,br
[W ]
der
qm,br
Hn,br
Er massetsrøm
h
eller volumstrøm for gass
h
Er nedre brennverdi for fast / flytende brensel
h
eller for gass
h
kg
s
i
m3n
s
J
kg
i
i
J
m3n
i
Nyttig varme Φnytt finnes fra energibalansen
32
Φnytt = Φbrent − Φtap
[W ]
og virkningsgraden
Φnytt
ηtot =
· 100%
Φbrent
[%]
8
Forenklet formel for varmetap fra røyken
Tilnærmet varmetap fra røyken kan beregnes etter følgende formel.
33
Tapet beregnes i prosent etter brenselets nedre brennverdi
tr/oyk − 20
A
V armetapr/oyk =
+B
CO2,målt
100
Konstantene A og B tar du fra tabellen under
Brensel
A
B
Bensin
50
0,7
Brenselolje
53
0,7
Naturgass
38
1,0
Propan
44
0,9
Butan
45
0,9
9
[%]
Varmeleding
34
En rett homogen vegg bestående av ett lag
λ
Φ = · A · 4t
s
der
4t
35
[W ]
[K]
Er temperaturdifferansen mellom t1 og t2
W
mK
λ
Er veggens varmekonduktivitet
A
Er veggens areal
2
m
s
Er veggens tykkelse
[m]
Rett vegg med flere homogene lag
A · 4t
Φ = s1
s2
sn
+
+ ··· +
λ1
λ2
λn
[W ]
der
s1 . . . sn
λ1 . . . λn
36
[m]
Er tykkelsen på de respektive lag
Er varmekonduktiviteten til de enkelte lag
Rørvegg med ett lag
2πλL 4 t
Φ=
ln D
d
W
mK
[W ]
der
4t
37
[K]
Er temperaturdifferansen mellom t1 og t2
W
mK
λ
Er rørveggens varmekonduktivitet
L
Er rørets lengde
[m]
D
Er rørets utvendige diameter
[m]
d
Er rørets innvendige diameter
[m]
Kuleskall
2πλ 4 t
Φ= 1
1
d − D
[W ]
der
4t
[K]
Er temperaturdifferansen mellom t1 og t2
W
mK
λ
Er kuleskallets varmekonduktivitet
D
Er kulas utvendige diameter
[m]
d
Er kulas innvendige diameter
[m]
10
Appendix 1 - Brenseldata
Biobrensel
Vann
Brennverdi med angitt
innhold
TAF: tør og askefri
%
GJ
tonn
vanninhold [Ho ]
h M J i M W h h kW h i
kg
tonn
kg
Volumvekt
Askeinnhold
(gns.)
h i
vekt %
kg
m3
av TS
3,6
TS: tør basis
Halm, grå, TAF
0
18,5
5,14
Halm, gul, TAF
0
18,15
5,04
Halm, storballer
14,6
14,4
4,00
139
220
Energikorn, TS
0
18,2-19,0
5,06
Rug, halm\kjerner, piller
8,7
15,3
4,25
Triticale, halm\kjerner, piller
9,0
15,4
4,28
532
3,6
Rapskjerner
7-9
24
6,67
660
4
Rapsolje, kaldpresset
0,1
39,7
11,03
980
Halmpiller
6-8
15,5-16,5
4,31-4,58
Ellefantgress
9,6
15,9
4,42
Ellefantgress, piller
9,0
15,8
4,39
4,3
Rørgress
8,4
15,3
4,25
8
0
18,2
5,06
Erteskall, piller
11,6
13,4
3,73
Solsikkeskall, piller
7-9
18-20
5,00-5,56
Trær, TS, gns. løvtrær
0
19,2
5,28
Trær, TS, gns. bartrær
0
19,2
5,33
Fliset gran, lagret
40
10,5
2,92
235
Fliset gran, friskt
55
7,3
2,03
310
Fliset gran, tør
25
13,8
3,83
Sagverksflis
40
10,5
2,92
Sagspon
20
15,2
4,22
177
Ved, bøk, lagret
20
14,7
4,08
610-680
Ved, bøk, frisk
45
9,5
2,61
Ved, bartrær, lagret
25
13,8
3,83
Ved, bartrær, frisk
55
7,3
2,03
Trepiller
6-8
17,5-17,9
4,86-4,97
Trekull
4
29,7
8,25
3,4
Pileflis
10
16
4,44
1-2
10-45
18-20
5,00-5,56
21-23
5,83-6,39
15-20
4,17-5,56
Hamp
Oliven, rest etter pressing
Biogass,
GJ
1000m3
Deponigass
11
3
2,7
6-8
133
2,7
3,2
400-600
3-8
410-550
585
0,3-1,0
Fosilt brendsel
Vann
Brennverdi med angitt
Volumvekt
innhold
vanninhold [Hn ]
(gns.)
%
GJ
tonn
h M J i
kg
M W h h kW h i
tonn
kg
ved 15◦ C
h i
kg
m3
CO2 -innhold
h
kg
GJ
i
Brenselolje (til fyringsanlegg)
40,7
11,31
980
78,0
Fyringsgassolje
42,7
11,86
840
74,0
Diesel
42,7
11,86
840
74,0
Bensin
43,5
12,08
780
72,0
Spillolje
41,9
11,64
900
78,0
25,0
6,94
720-740
95,0
8,8
2,44
46,0
12,78
65,0
39,9[GJ]
11,08[kW h]
56,9
12,0
3,33
Kull
4
Skifferolje
GJ LPG tonn
Naturgass, pr. 1000m3 [N ]
Torv
40
Appendix 2 - Brenselgass datablad
Gasstype
Øvre brenverdi
h
Ho
i
kJ
m3n
Nedre brenverdi
h
Hn
i
kJ
m3n
Densitet
h
kg
m3n
ρ
i
H2
12800
10800
0,0899
CH4
39900
35900
0,717
CO
12600
12600
1,250
C2 H4
63470
59540
1,261
C2 H6
70430
64480
1,356
C3 H6
93790
87800
1,915
C3 H8
101000
93000
2,019
C4 H8
124814
116566
2,500
C4 H10
134000
124100
2,703
CO2
-
-
1,977
O2
-
-
1,429
N2
-
-
1,252
12
Appendix 3 - Brenselannalyse, gjennomsnitsverdier
Måle-
Fast brensel
Flytende
enhet
brensel
Koks
Antrasitt
Stein
Brun
Torv
Tre
Flis/
Halm
Bensin
Brensel
kull
kull
kull
tør
bark
C
[V ekt %]
84
85,4
78,3
52
36,3
42,4
26,3
40,2
86,6
86
H2
[V ekt %]
0,6
3,8
5,0
4,2
3,5
5,1
3,3
4,5
12,9
11,1
O2
[V ekt %]
0,4
3,6
6,1
11,6
22,3
37,2
19,0
32,0
0,2
1,0
N2
[V ekt %]
0,9
1,1
1,0
1,4
2,2
0,1
-
0,4
-
0,2
S
[V ekt %]
0,6
1,0
0,6
1,0
0,7
-
-
-
0,1
1,0
H2 O
[V ekt %]
5
1
4
24
25
15
50
18
-
-
Aske
[V ekt %]
8,5
3,9
5
5,8
10
0,2
1,5
4,9
-
-
Flyktig
%
bestanddel
Ho
h
Hn
h
Luftvolum
Røykgass
Vanndamp
volum, våt
CO2,max
8,5
35
53
60
>70
>70
>70
-
-
MJ
kg
29,3
33,96
32,57
21,40
15,12
17,12
9,46
14,85
44,72
44,38
MJ
i
29,0
33,29
31,36
19,93
13,65
15,62
7,53
13,42
41,83
40,49
7,67
8,56
8,14
5,41
3,45
3,90
2,56
3,70
11,10
10,38
7,64
8,38
7,91
5,26
3,43
3,87
2,51
3,67
10,38
10,05
0,12
0,43
0,61
0,77
0,70
0,75
1,01
0,77
1,43
1,25
7,77
8,81
8,52
6,03
4,13
4,63
3,52
4,44
11,81
11,30
20,51
19,02
18,47
18,43
19,76
20,43
19,40
20,30
15,52
16,00
mn
kg
h
m3n
kg
i
h
m3n
kg
i
h
m3n
kg
i
volum
Røykgass
1
i
h kg3 i
volum, tør
olje
[vol %]
13
Appendix 4 - Biobrensel, sammensetting
Tabellen under viser sammensettingen til noen biobrensel typer, nedre brennverdi på vann- og askefri basis og typisk
vann- og askeinnhold.
Måle-
Fast brensel
enhet
Tre
Tre
Flis
Bark
Halm
piller
Halm
Korn
piller
Frø
avfall
C
[V ekt %]
51
50
54
50-56
51
50
47
47
H
[V ekt %]
6,2
6,7
6,5
6-7
6
6,5
8
6,5
S
[V ekt %]
h
i
<0,2
0,1
<0,1
0,5
0,1
MJ
kg
18-19
18-19
20
18-22
18
19
17
18-19
Vanninnhold
w [%]
12-25
6-8
45-55
10-60
10-15
8-12
12-16
10
Askeinnhold
a [%]
0,2-0,8
0,4
1-2
3-5
3-5
4-5
2
8
Hn
14
Appendix 5 - Nedre brennverdi, basisdensitet og naturlig askeinnhold for
ulike treslag og tredeler
Treslag
Tredeler
Nedre brennverdi
Basisdensitet
Askeinnhold
H
i eller askefri basis)
h n (tørr
ρ
hd
a
kW h
kg
Cellulose
4,8–5,1
Lignin
7,1
Harpiks,
ekstraktiver
Bartre
Lauvtre
Furu
Gran
Bjørk
kg
f m3
i
[vekt % av tørrstoff]
9,9–10,6
Ved
5,19-5,47
0,2-0,4
Bark
5,27-5,83
2-6
Ved
5,10-5,44
0,2-0,4
Bark
5,27-5,83
2-6
Ved
5,36
380-480
0,2-0,4
Bark
5,42
300
2-6
Hele stammen
5,36
Greiner
5,66
Nåler
5,83
Hele treet
5,42
385
Stubbe
5,84
450
Ved
5,28
340-440
0,2-0,4
Bark
5,47
340
2-6
Hele stammen
5,28
Greiner
5,49
Nåler
5,33
Hele treet
5,36
400
Stubbe
5,36
410
Ved
5,17
485-525
0,2-0,4
Bark
6,31
550
2-6
Hele stammen
5,33
Greiner
5,69
Lauv
5,5
Hele treet
5,36
475
Stubbe
5,19
510
450
610
530
Foredlet brensel
Briketter
>1000
<0,7
(beste kvalitetsklasse)
Trepellets
>1100
<0,7
15