Экспериментальная установка для оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования
EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR EVALUATION OF THERMAL EFFICIENCY OF GAS-USING EQUIPMENT

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при экспериментальном исследовании тепловой эффективности работы газоиспользующего оборудования, а именно газоиспользующего оборудования жилых и общественных зданий, работающего на газе низкого и среднего давлений.
Эффективность использования газа газоиспользующим оборудованием, например, газовыми отопительными котлами, газовыми проточными водонагревателями, газовыми плитами, газовыми емкостными водонагревателями, характеризуется таким параметром, как коэффициент полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно воспринятого тепла теплоприемником к затраченному или к подведенной тепловой мощности. При этом максимальная эффективность использования газа обеспечивается при работе оборудования на номинальном режиме эксплуатации, то есть при номинальной подведенной тепловой мощности, которой соответствует номинальное давление газа перед газоиспользующим оборудованием.
min
max
На величину КПД газоиспользующей установки существенное влияние оказывает величина давления газа перед газоиспользующим оборудованием. Чем больше отклонение указанного давления от номинальной величины, тем ниже КПД использования газа. В диапазоне давлений газа P ≤ Р ≤ P газоиспользующее оборудование обеспечивает устойчивое горение газа без отрыва и проскока пламени, необходимую полноту его сжигания с высоким коэффициентом полезного действия.
На Фиг. 1а и Фиг. 1б представлена графическая зависимость КПД газоиспользующего оборудования от величины давления газа перед ним: Фиг. 1а – при максимальном давлении на выходе из регулятора давления газа, Фиг. 1б – при минимальном давлении на выходе из регулятора давления газа.
На Фиг. 1а и 1б использованы следующие обозначения:
- минимальное, номинальное и максимальное давление газа перед газоиспользующим оборудованием, регламентируемые нормативными документами;
- верхний предел срабатывания предохранительного запорного клапана;
- верхний и нижний пределы регулируемого давления;
- потери давления в газовом счетчике;
- минимальный и максимальный располагаемый перепад давлений в сети газораспределения;
ΔР - расчетный перепад давлений;
- давление газа перед газоиспользующим оборудованием при отсутствии сопротивления сети газораспределения;
г
Р - давление газа перед газоиспользующим оборудованием при наличии сопротивления сети газораспределения;
ном
η - КПД газоиспользующего оборудования при номинальном давлении газа перед газоиспользующим оборудованием;
- КПД газоиспользующей установки при давлении газа перед газоиспользующим оборудованием
В общем случае коэффициент полезного действия газоиспользующего оборудования представляет собой отношение его теплопроизводительности к приведенной тепловой мощности.
Известно, что экспериментальное определение коэффициента полезного действия газоиспользующего оборудования требует измерения расхода и температурного диапазона нагрева воды, а также расхода газа и теплоты его сгорания. Относительно небольшие изменения КПД газоиспользующего оборудования в рабочем диапазоне эксплуатации (порядка нескольких процентов) предъявляют высокие требования к точности экспериментальных исследований, к минимизации погрешности средств измерения и контроля, методике обработки экспериментальных данных. Указанное обстоятельство обусловливает повышенную трудоемкость экспериментальных работ, требует применения высокоточной измерительной техники и специальных методов статистической обработки экспериментальных данных. Поэтому при проведении сертификационных испытаний газоиспользующего оборудования коэффициент полезного действия определяется, как правило, только при номинальном режиме эксплуатации, то есть при максимальной тепловой эффективности [Столпнер Е.Б., Панюшева З.Ф. Справочное пособие для персонала газифицированных котельных. - Л.: Недра, 1990. - 397 с.; Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л.: Недра, 1980. - 271 с.; Ионин А.А. Газоснабжение. - М.: Стройиздат, 1989. - 439 с.; Левин A.M. Принципы рационального сжигания газа. - Л.: Недра, 1977. - 247 с.; Эстеркин Р.И. Методы теплотехнических измерений и испытаний при сжигании газа. - Л.: Недра, 1981. - 424 с.].
max
min
ном
В реальных условиях эксплуатации бытовое газоиспользующее оборудование работает в режимах, отличающихся от номинального, то есть при повышенном или пониженном давлении газа перед газоиспользующим оборудованием. Предельно допустимые давления газа для бытового газоиспользующего оборудования (максимальное P, минимальное P, а также номинальное Р давления) принимаются по соответствующим нормативным документам [ГОСТ 33998-2016. Межгосударственный стандарт. Приборы газовые бытовые для приготовления пищи. Общие технические требования, методы испытаний и рациональное использование энергии - М.: Стандартинформ, 2017. - 126 с.; ГОСТ 31856-2012. Межгосударственный стандарт. Водонагреватели газовые мгновенного действия с атмосферными горелками для производства горячей воды коммунально-бытового назначения. Общие технические требования и методы испытаний. - М: Стандартинформ, 2013. - 114 с.; ГОСТ 20219-74*. Аппараты отопительные газовые бытовые с водяным контуром. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 29 с.; ГОСТ 16569-86. Устройства газогорел очные для отопительных бытовых печей. Технические условия. - Издательство стандартов, 1986. - 14 с.; ГОСТ Р 54821-2011. Водонагреватели газовые емкостные для приготовления бытовой горячей воды. - М.: Стандартинформ, 2013. - 87 с.].
Известно достаточное количество устройств того же назначения, которые могут быть использованы в качестве аналогов заявляемого технического решения.
Известен теплоприемник для определения КПД горелок стола газовых плит, содержащий цилиндрический сосуд, заполненный водой, змеевик, через который циркулирует определенный расход воды с фиксированной начальной температурой, крышку, два термометра, закрепленных в центре крышки и термостат, соединенный со змеевиком [Червоненко В.И. Измерение коэффициента полезного действия варочных горелок бытовых газовых плит //Использование газа в народном хозяйствен. - М: ВНИИЭгазпром, 1981. - вып. 2. - с. 21-23.]. Для определения КПД теплоприемник устанавливают над горелкой, замеряют мощность горелки, время нагрева и температуры воды. По результатам опытов рассчитывается величина КПД.
Недостатком указанного теплоприемника для определения КПД газоиспользующего оборудования является необходимость проведения подготовительных операций.
Известен способ определения энергоэффективности газовой горелки [ГОСТ 33998-2016 Приборы газовые бытовые для приготовления пищи. Общие технические требования, методы испытаний и рациональное использование энергии. - М.: Стандартинформ, 2017. - 126 с.], согласно которому независимо от номинальной тепловой мощности на горелку устанавливают сосуд диаметром 220 мм наполненный водой массой 3,7 кг. В настроенном и зафиксированном положении горелка работает в течение 10 мин на номинальной тепловой мощности. Затем сосуд удаляют и на его место немедленно устанавливают сосуд, предназначенный для определения коэффициента полезного действия. Датчик температуры помещают в геометрический центр объема воды и измеряют температуру. Абсолютная погрешность измерения не должна превышать 0,1°С. Начальная температура воды в испытательном сосуде должна составлять 20±1°С. Измерение потребления газа начинают с момента установки сосуда, предназначенного для определения коэффициента полезного действия, при этом температуру воды в использованном сосуде доводят до 90±1°С, после чего прекращают подачу газа к горелке и, соответственно, измерение расхода газа. Сосуд оставляют на горелке и измеряют максимальную конечную температуру.
Недостатком известного способа является необходимость предварительного нагрева горелки.
Известен теплоприемник (Патент №2029261 (RU). Теплоприемник, G01K 17/02), снабженный вторым сосудом меньшего размера, размещенным в первом таким образом, что их боковые стенки и днища образуют замкнутую, заполненную жидкостью полость, которая сообщена через штуцер со стеклянной трубкой с измерительной шкалой.
Недостатком данного способа является то, что для его реализации необходимо применение сложного оборудования. Еще одним недостатком известного изобретения является использование для заполнения полости сосуда 50%-ного водного раствора нитрата аммония или карбамида.
1
2
3
1
2
Известен испытательный стенд для определения КПД [ГОСТ Р 51733-2001. Котлы газовые центрального отопления, оснащенные атмосферными грелками, номинальной тепловой мощностью до 70 кВт.- М.: Госстандарт России, 2001. - с. 55], согласно которому горячую воду подают в мерный калиброванный сосуд, а расход газа измеряют газовым счетчиком. При этом каждые 10 минут измеряют массу воды в мерном сосуде m и температуру воды в прямой и обратной трубах, затем выдерживают 10 минут для оценки испарения и замеряют массу воды в мерном сосуде m, после чего определяют массу испарившейся воды: m = m - m, далее определяют КПД установки по формуле:
u
г(10)
p
3
3
где η - КПД, %; m - скорректированная массы воды, кг; V - объемный расход газа, измеренный за 10 минут испытаний и скорректированный для стандартных условий испытаний, м/ч; D - тепловые потери в испытательном стенде, кДж;  - низшая теплота сгорания газа, МДж/м (при 15°С и 101,3 кПа).
Недостатком известного экспериментального определения коэффициента полезного действия газовых водогрейных аппаратов является необходимость измерения расхода и температурного диапазона нагрева воды, а также расхода газа и теплоты его сгорания.
Наиболее близким по техническим решениям является испытательный стенд для определения КПД [ГОСТ 33009.1-2014. Котлы газовые центрального отопления. Часть 1. Технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2015. - 114 с.], согласно которому котел устанавливают и запускают на эталонном газе. Во время испытания расход воды поддерживают постоянным при непрерывной работе насоса, а температуру воды в обратном трубопроводе котла поддерживают на уровне (47±1)°С, при этом температуру измеряют непрерывно в подающем и обратном трубопроводах. При нахождении котла в состоянии теплового равновесия измерение КПД проводят в трех идущих один за другим циклах, из которых произвольно отбирают два из трех результатов, отличающихся не больше, чем не 0,5%. В этом случае результатом является среднее значение последних трех идущих подряд циклов измерений. Измеряют соответствующий расход газа и воды в течение всех циклов измерений. КПД определяют: а) при номинальной подводимой тепловой мощности для котлов с устройством настройки; либо б) максимальной подводимой тепловой мощности или среднего арифметического максимальной и минимальной подводимой тепловой мощности для котлов с устройством настройки. После измерений определяют КПД установки по формуле (1).
Недостатком известного способа является трудоемкость проведения экспериментальных работ и повышенные требования к точности измерения и обработки полученных экспериментальных исследований.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке экспериментальной установки для оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования (экспериментального определения коэффициента полезного действия газоиспользующего оборудования), установлении эмпирической зависимости между КПД газоиспользующего оборудования и давлением газа перед оборудованием.
Технической задачей заявляемого технического решения является упрощение оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования при повышении точности этой оценки.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в конструктивном изменении экспериментальной установки для определения КПД газоиспользующего оборудования при одновременном повышении точности измерений, отвечающим современным нормативным документам.
Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются за счет способа оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования, заключающегося в том, что для преобразования тепловой энергии окружающей среды в механическую энергию с использованием рабочей среды в виде сетевого природного газа, для анализа эффективности работы газоиспользующего оборудования используют экспериментальную установку в виде последовательно установленных контрольно-измерительных приборов и оборудования, а результаты экспериментальных исследований оценивают с помощью относительного КПД, представляющего собой отношение КПД газоиспользующего оборудования при текущем и номинальном режимах эксплуатации.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в экспериментальной установке для оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования, включающей последовательно соединенные бак постоянного уровня, первичный подогреватель воды, например, малолитражный водонагреватель, и газовый отопительный котел, для локального водяного отопления помещений с традиционными пламенными горелками [Равич М.Б. Газ и эффективность его использования в народном хозяйстве. - М: Недра, 1987. - 238 с] и/или газовый водонагреватель с принудительной циркуляцией для горячего водоснабжения, со встроенной системой поддержки заданной температуры воздуха в помещении и электрическим блоком автоматики, обеспечивающим безопасность работы и управления котлом и/или водонагревателем, при этом бак постоянного уровня выполнен с возможностью подключения к водопроводу и системе отопления, и имеет патрубок для вывода в канализацию, а газовый водогрейный котел соединен с мерным сосудом, к его первичному подогревателю воды подвод сетевого природного газа осуществлен через последовательно соединенные кран шаровой, регулятор давления газа, расходомер, при этом параллельно последним двум элементам подсоединен дополнительный расходомер, заключенный между двумя запорными клапанами, и газовому отопительному котлу - через последовательно соединенные запорный клапан, регулятор давления газа, расходомер, при этом параллельно последним двум элементам подсоединен дополнительный расходомер, заключенный между двумя запорными клапанами.
Заявляется также экспериментальная установка, в которой, наряду с вышеописанными признаками, после бака постоянного уровня, первичного подогревателя воды и газового отопительного котла установлены термометры.
Кроме того, заявляется экспериментальная установка, в которой между мерным сосудом и термометром, подключенным после газового отопительного котла, размещен запорный клапан.
При этом при подаче газа к первичному подогревателю воды и отопительному котлу через соответствующие регуляторы давления газа и расходомеры с закрытыми запорными клапанами по показаниям манометров определяют номинальные значения давления газа.
Таким образом, описанный способ оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования путем определения относительного КПД реализован с помощью экспериментальной установки. При этом применение расходомеров газа для первичного подогревателя воды и газового отопительного котла позволяет определить количество топлива (сетевого природного газа), которое необходимо для установления номинального режима работы указанного газоиспользующего оборудования. Кроме того, регуляторы давления газа, последовательно соединенные с расходомерами, предназначены для осуществления сравнительного анализа работы с определением относительного КПД при номинальном давлении газа и при давлении газа с допустимыми отклонениями.
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг. 2, на которой представлена схема процесса оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования. Позициями обозначены:
1 - бак постоянного уровня,
2 - первичный подогреватель воды,
3 - газовый отопительный котел,
4 - кран шаровой,
5 - регулятор давления газа для подогревателя 2,
6 - расходомер для подогревателя 2,
7 - дополнительный расходомер для подогревателя 2,
8, 9, 10 - запорный клапан,
11 - регулятор давления газа для котла 3,
12 - расходомер для котла 3,
13 - дополнительный расходомер для котла 3,
14, 15 - запорный клапан,
16 - термометр,
17, 18, 19 - запорный клапан,
20 - мерный сосуд,
21 - манометр.
Экспериментальная установка для оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования состоит из последовательно соединенных бака постоянного уровня 1, первичного подогревателя воды 2 и газового отопительного котла 3. К первичному подогревателю воды 2 подвод газа осуществлен через последовательно соединенные кран шаровой 4, регулятор давления газа 5 и расходомер 6. При этом параллельно регулятору 5 и расходомеру 6 подсоединен дополнительный расходомер 7, заключенный между двумя запорными клапанами 8 и 9. Подача сетевого природного газа к газовому отопительному котлу 3 реализована через последовательно соединенные запорный клапан 10, регулятор давления газа 11 и расходомер 12. Параллельно последним двум элементам подсоединен дополнительный расходомер 13. Запорные клапаны 14 и 15 установлены соответственно до и после дополнительного расходомера 13. После бака постоянного уровня 1, первичного подогревателя воды 2 и газового отопительного котла 3 установлены термометры 16 для осуществления контроля. Бак постоянного уровня 1 выполнен с возможностью подключения к водопроводу через запорный клапан 18 и системе отопления через запорный клапан 19, и имеет патрубок для вывода в канализацию. Газовый отопительный котел 3 соединен с мерным сосудом 20. Между мерным сосудом 20 и термометром 16, подключенным после газового отопительного котла 3, размещен запорный клапан 17. Давление сетевого природного газа при подаче его к первичному подогревателю воды 2 и газовому отопительному котлу 3 определяется с помощью манометров 21.
Оценку тепловой эффективности газоиспользующего оборудования с помощью предлагаемой экспериментальной установки осуществляют следующим образом.
Бак постоянного уровня 1 позволяет определить расходуемый объем жидкости и выполняет функцию накопителя. Изначально осуществляют подачу в него воды для наполнения из системы отопления и/или водопровода в зависимости от диапазона исследуемых температур первичного подогревателя воды 2 и газового отопительного котла 3. Перед поступлением воды в первичный подогреватель воды 2 и газовый отопительный котел 3 осуществляют контроль ее температуры соответствующими термометрами 16. Затем для функционирования экспериментальной установки осуществляют подачу сетевого природного газа путем открытия шарового крана 4. Сетевой природный газ через дополнительный расходомер 7, заключенный между запорными клапанами 8 и 9 с определением давления соответствующим манометром 21 поступает для нагревания первичного подогревателя воды 2. Подачу газа к первичному подогревателю воды 2 можно осуществлять и с определением номинального значения давления, то есть с максимальным КПД. В этом случае запорные клапаны 8 и 9 закрыты, и сетевой природный газ проходит непосредственно через регулятор давления газа 5 и расходомер 6. При открытии запорного клапана 10 сетевой природный газ поступает через дополнительный расходомер 13, заключенный между запорными клапанами 14 и 15, либо непосредственно с определением номинального значения давления через регулятор давления газа 11 и расходомер. 12 при закрытых запорных клапанах 14 и 15 к газовому отопительному котлу 3 с определением давления газа соответствующим манометром 21. После окончания работы экспериментальной установки открывают запорный клапан 17 и остатки воды сливают в мерный сосуд 20.
Оценка тепловой эффективности газоиспользующего оборудования (экспериментальное определение относительного КПД) посредством информации, полученной с помощью экспериментальной установки, требует только измерения давления газа перед газоиспользующим оборудованием и температурных параметров нагреваемой воды и определяется в соответствии с формулой:
отн
где η - КПД газоиспользующего оборудования,
ном
Р - номинальное давление газоиспользующего оборудования,
Р - фактическое давление газоиспользующего оборудования,
1
t - начальная температура воды,
2
t - конечная температура воды,
1
ном
t - начальная температура воды при номинальном режиме эксплуатации,
2
ном
t - конечная температура воды при номинальном режиме эксплуатации.
Абсолютное значение КПД определяется пересчетом по формуле:
ном
где η - максимальный КПД газоиспользующего оборудования, соответствующий номинальному режиму его эксплуатации. Значения По™, полученные по результатам сертификационных испытаний, приводятся в паспортных данных газоиспользующего оборудования.
Пример реализации работы установки. Заявляемая экспериментальная установка для оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования прошла апробацию путем технологических испытаний в промышленных условиях эксплуатации.
Испытания проводились на сетевом природном газе следующего среднего состава (% объемные), определяемого газовым хроматографом:
4
- метан (СН) - 89,0%;
2
6
- этан (СН) - 4,9%;
3
8
- пропан (СН) - 2,4%;
4
10
- н-бутан (СН) - 1,0%;
2
- азот (N) - 2,7%.
В целях уменьшения погрешности экспериментальных результатов испытания проводились при номинальном давлении газа
Снабжение экспериментальной установки водой осуществляют в двух вариантах. При испытаниях газовых отопительных котлов воду, подаваемую на экспериментальную установку, отбирают из обратной магистрали системы отопления здания с температурой 37÷38°С. При испытании газового водонагревателя используют водопроводную воду с температурой 13÷15°С. При этом испытания газоиспользующего оборудования проводят при следующих значениях начальной температуры воды:
1
- котлы газовые отопительные t=40°С;
1
- газовый проточный водонагреватель t=18°С.
1
ном
Постоянство температуры t обеспечивают путем регулирования подачи сетевого природного газа на горелку первичного подогревателя воды с помощью запорно-регулирующей арматуры и контролируют непрерывно с помощью термометра. Конечную температуру воды на выходе из газоиспользующего оборудования при работе на номинальном режиме эксплуатации (Р=2000 Па) обеспечивают в следующих пределах:
2
ном
- котлы газовые отопительные t=60°С;
2
ном
- газовый проточный водонагреватель t=58°С.
Для каждого режима эксплуатации были проведены замеры экспериментальных параметров, дублирующиеся не менее 6 раз с интервалом в 5 минут.
2
ном
Номинальный расход воды на экспериментальной установке устанавливают с помощью запорно-регулирующей арматуры из условия поддержания заданных значений температуры воды на выходе из газоиспользующего оборудования t=const. Указанный расход воды поддерживают постоянным как при номинальном, так и при других режимах эксплуатации газоиспользующего оборудования (при других давлениях газа). Постоянство расхода воды обеспечивают с помощью бака постоянного уровня и контролируют непрерывно с использованием предварительно откалиброванного мерного сосуда. Испытания газоиспользующего оборудования проводят при переменной тепловой мощности. Регулирование подведенной тепловой мощности осуществляют изменением давления газа на входе с помощью крана шарового и контролируют манометром.
Замеры параметров проводят после выхода экспериментальной установки на стационарный тепловой режим, когда в течение 10 минут температура воды на входе и на выходе из газоиспользующего оборудования остается практически постоянной.
Как показали результаты исследований, режимы эксплуатации газоиспользующего оборудования оказывают существенное влияние на эффективность использования газового топлива.
ном
отн
Так, например, при эксплуатации котла Proterm на номинальном режиме при Р=2000 Па относительный КПД составляет η=1,0. В то же время при работе котла на газе с давлением Р=813 Па, то есть при относительной тепловой мощности:
]
относительный КПД снижается до 0,948. Таким образом, при работе котла в режиме 2/3 от его номинальной тепловой мощности относительный КПД снижается более чем на 5%.
По результатам экспериментальных исследований можно построить обобщенную графическую зависимость относительного КПД от относительного давления газа перед газоиспользующим оборудованием
Особенностью предлагаемой оценки тепловой эффективности газоиспользующего оборудования посредством экспериментальной установки является обеспечение системной взаимосвязи между гидравлическими режимами эксплуатации сети газораспределения и газопотребления и тепловой эффективностью газоиспользующего оборудования, что позволяет достичь значительного экономического эффекта за счет повышения коэффициента полезного действия оборудования, сокращения затрат на производство тепловой энергии, простоты конструкции устройства (экспериментальной установки) при повышении надежности его работы.