Eksperimentel undersøgelse af villakedlers virkningsgrad. Projektrapport August 1994

Transkript

1 Eksperimentel undersøgelse af villakedlers virkningsgrad Prjektrapprt August 1994

2 Eksperimentel undersøgelse af villakedler:s virkningsgrad l)ansk GasteknUk Center als Hørshlm 1994

3 Titel Rapprt kategri Frfatter Dat fr udgivelse Cpyright Eksperimentel undersøgelse af villakedlers virkningsgrad Prjektrapprt Asger Nedergaard Myken August 1994 Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer Sagsnavn ISBN Belastningsindflydelse på virkningsgrad af gasblæseluftbrændere på eksisterende kedler Fr ydelser af enhver art udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder: - at DGC er ansvarlig i henhld til "Almindelige bestemmelser fr teknisk rådgivning & bistand (ABR 89) ", sm i øvrigt anses fr vedtaget fr pgaven. - at erstatningsansvaret fr fejl, frsømmelser eller skader ver fr rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl eller frsømmelse g altid begrænses til 100% af det vederlag, sm DGC har mdtagetfr den pligældende ydelse. Rekvirenten hlder DGC skadesløs fr alle tab, udgifter g erstatningskrav, der mdtte verstige DGC's hæftelse. - at DGC skal - uden begrænsning - ørnlevere egne ydelser i frbindelse med fejl g frsømmelser i DGC's materiale. Juni 1992

4 DG C-rapprt 1 INDHOLDSFORTEGNELSE SIDE l Indledning g baggrund Knklusin Målinger l Kedelvirkningsgradens afhængighed af belastningen Sammenhæng mellem CO-emissin g kedelvirkningsgrad Kedelvirkningsgradens afhængighed af skrstenstrækket Referencer BILAG A Overfladetemperaturer Belastningsindflydelse på virkningsgrad.. AMY\jkt\RAP\EKSPERI.R

5 DG C-rapprt 2 1 Indledning g baggrund Den freliggende rapprt dkumenterer en serie målinger udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) i DGC's labratrium. Arbejdet er udført på franledning af Gasselskabernes Fagudvalg l (FAUl), fagudvalget fr mindre anlæg. Baggrund Baggrunden fr iværksættelsen af eksperimenterne er et ønske m dkumentatin fr hvilke sammenhænge der er mellem visse driftsparametre g kedelvirkningsgraden fr villafyr med gasblæseluftbrændere. Årsagen er, at mdstridende pfattelser til stadighed fremføres i gasbranchen, g hensigten med frsøgene er at klargøre frhldene. De tre behandlede prblemstillinger er beskrevet i separate afsnit: Kedelbelastning Afsnit 3.1 mhandler kedelbelastningens indflydelse på kedelvirkningsgraden. I frbindelse med mntering af en gasblæseluftbrænder på en eksisterende tidligere liefyret kedel er det en udbredt pfattelse, at den indfyrede effekt kan have str betydning fr kedlens nyttevirkning. Ofte er det blevet nævnt, at man ikke må indregulere brænderen til under 80% af kedlens påstemplede maksimale ydelse. CO-generering Afsnit 3.2 beskriver sammenhængen mellem CO-generering g kedelvirkningsgrad. Dette skyldes, at gasselskaberne mener, at CO-udvikling kan knstateres ved, at kunderne har et unrmalt strt gasfrbrug. Skrstenstræk Endelig mhandler afsnit 3. 3, hvilken effekt variatiner i skrstenstrækket kan have på kedelvirkningsgraden. Målingerne er primært udført af labratrietekniker B Tegen Nielsen med assistance fra labratriets øvrige persnale, sm gså har rådgivet i frbindelse med behandlingen af måleresultaterne.

6 DG C-rapprt 3 2 Knklusin Der er i DGC's labratrium gennemført en mfattende måleserie på en gasblæseluftbrænder mnteret på en passende kedel. Brænderen er en Weishaupt WG ln-lf, mens kedlen er en TASSO 20m støbejernskedel Kedelbelastning Frsøg med indfyrede effekter på henhldsvis 55% g 100% af kedlens maksimaleffekt viser, at kedlens verfladetemperatur, g dermed verfladetabet til mgivelserne, er uafuængigt af den indfyrede effekt. Derimd stiger verfladetabet lineært med den tilførte effekt (den indfyrede effekt midlet ver tiden). Røggastabet stiger derimd med den indfyrede effekt, g kedelvirkningsgraden er derfr størst med en lav indfyret effekt. Virkningsgraden var ca. 2% højere ved drift med lav indfyret effekt end med høj indfyret effekt. Disse resultater fandtes fr samtlige standard målinger, sm indgår i prceduren fr bestemmelse af årsnyttevirkningsgraden l l/, g en beregnet årsnyttevirkningsgrad vil derfr gså være højest med en lav indfyret effekt. CO-generering Virkningsgraden falder lineært med CO-udviklingen med ca. 4,9% pr. prcent CO i røggassen. Tabet er større end beregnet ud fra CO-kncentratinen g indhldet af ufrbrændte kulbrinter, hvilket sandsynligvis skyldes et betydeligt indhld af brint i røggassen. Tabet sm følge af indhldet af ufrbrændte kulbrinter i røgen er lille i frhld til kuliltens betydning. Skrstenstræk Kedelvirkningsgraden aftager gså lineært med skrstenstrækket Afhængigheden svarer til, at trækændringer sm følge af vindændringer kan få virkningsgraden til at svinge med 1,4%. Svingninger i udelufttemperaturen fra -10 C til 30 C kan ændre virkningsgraden med ca. 0,5%.

7 DG C-rapprt 4 3 Målinger 3.1 Kedelvirkningsgradens afhængighed af belastningen Sm grundlag fr at vurdere hvilken betydning det har at indregulere brænderen til enten høj eller lav effekt, er der fretaget t måleserier med indfyrede effekter på henhldsvis 11 kw g 20 kw. Disse belastninger er henhldsvis den nedre grænse fr brænderen g den øvre grænse fr den valgte kedel, g svarer altså til den størst mulige variatin i effekten. Fr at få et repræsentativt billede er der benyttet det måleprgram, sm anvendes ved bestemmelse af en kedels årsnyttevirkningsgrad /l/. Dette mfatter målinger ved såvel fuldlast sm intermitterende drift. T af de argumenter, sm har været fremført fr at virkningsgraden skulle være dårlig ved en lav indfyret effekt er: - "Stearinlyseffekten": p.g.a. det mindre flw af premix/frbrændingsprdukter, sm følge af den mindre indfyrede gasmængde, danner flammen g røggasserne en smal "stråle", sm passerer i midten af kedlen uden den stre pblanding med gassen i resten af kedlen. Dermed passerer den varme røggas kedlen uden at være udnyttet i særlig høj grad. Md dette argument taler, at flammen i en gasblæseluftbrænder er kraftigt turbulent selv ved en relativ lav effekt. Stearinlyseffekten Overfladetemperaturer - Større verfladetab: en str del af kedlens verfladetab til mgivelserne kmmer typisk fra frntpladen, hvr brænderen er mnteret, g flammen derfr er tæt på. V ed en lav belastning skulle flammen være trukket tættere på frntpladen end ved den høje effekt, g dermed bliver frntpladen relativt varmere, g tabet relativt større. Y deriigere kører brænderen fr en given tilført effekt i en længere peride, når den indfyrede effekt er lav. Fr at belyse hvilken indflydelse kedelbelastningen har på tabet til mgivelserne, er der ved alle frsøgene gså målt verfladetemperaturer på kedlen.

8 DGC-rapprt 5 Måleprgram Det vennævnte standardprgram indehlder målinger ved frskellige effekter: l kw, 2 kw, 4 kw, 8 kw g t målinger ved fuldlast med retur/frem-temperaturer på henhldsvis 40 C/60 C g 60 C/80 C. Kedelvirkningsgraden er bestemt ved den såkaldt direkte metde, dvs. ud 'l'ludel = p ri/ (l), hvr Pud g Ptil er henhldsvis nyttiggjrt g tilført effekt. De målte virkningsgrader, sm er illustreret i fig. l, viser en klar tendens [%) l kw 2kW 4kW 8kW 40/60 60/80 Figur l. Kedlens virkningsgrad med brænder indreguleret til henhldsvis 11 kw g 20 kw. Målte virknings- grader Virkningsgraden er mindst 2% højere med den laveste indfyrede effekt sammenlignet med den højere indfyrede effekt. Niveauet er ca. 94±2% g 91,5+1,5% med en indfyret effekt på henhldsvis 11 kw g 20 kw. Usikkerheden (relativt) på den målte virkningsgrad varierer

9 DG C-rapprt 6 fra ca. 1,5% fr fuldlastmålingerne til ca. 3,5% på l kw-målingen. Selv m frskellen i virkningsgraden mellem de t indfyrede effekter er i samme størrelsesrden sm usikkerheden, er tendensen den samme fr alle driftssituatiner. De målte verfladetemperaturer er vist i bilag A fr de frskellige belastningssituatiner. Fladerne er isleret med 30 mm glasuld, brtset fra frntpladen g skrstenen. "Skrstenen" betegner det 84 cm lange skrstensrør fra kedlen til røggasprøveudtaget, hvr gså røggastemperaturen måles. Da frntpladen er den varmeste af kedlens flader, er den pdelt i tre zner, sm varierer relativt meget i temperatur. Kedelbundens temperatur er ikke målt, g ved beregningerne er der fr bunden benyttet den målte returvandstemperatur. Overfladetab En ttal varmevergangskefficient, ex [W/m 2 K], fr både strålingstab g tab ved naturlig knvektin fra kedelverfladerne, er bestemt ud fra fladernes temperaturer /2/. De enkelte fladers tab til mgivelserne er dernæst beregnet sm (2) (2), hvr Aflade er fladens areal. Det samlede verfladetab fra hele kedlen er vist i fig. 2 sm funktin af den samhørende tilførte effekt. Tabet stiger lineært med den tilførte effekt, g er uafuængigt af den indfyrede effekt, når målingernes nøjagtighed tages i betragtning. Overfladetemperaturer Røggastemperaturer Når verfladetabet tilsyneladende er uafuængigt af den indfyrede effekt, må den dårligere virkningsgrad ved høj kedelbelastning skyldes den anden tabskilde, nemlig røggastabet I fig. 3 ses røggastemperaturens tidslige frløb ved en nyttiggjrt effekt på 8 kw g indfyrede effekter på henhldsvis 11 kw g 20 kw.

10 DG C-rapprt 7 l j 0.9 Pind=llkW - D Pind=20kW D 0.7 Qtab (kw] l l 0.3 l D e Q] Pm(kW] Figur 2. Kedlens veifladetab sm funktin af tilført effekt. 160 u 2... Cil Tid (sek] Figur 3. Røggastemperaturens frløb ved nyttiggjrt effekt på 8 kw g indfyrede effekter på henhldsvis 11 kw g 20 kw.

11 DG C-rapprt 8 Brænderen kører med en cyklus på 600 sek., svarende til 6 starter pr. time. Det ses, at selvm driftsperiden er krtere ved den høje indfyrede effekt, er røggassens maximum-, minimum- g middeltemperatur højere, end tilfældet er fr den lave indfyrede effekt. At denne tendens gså gælder fr de andre målinger, ses af fig. 4, sm viser røggassens middeltemperatur i alle driftssituatinerne u "CC - e ej) tsl l kw 2kW 4kW 8kW 40/60 60/80 Figur 4. Røggassens middeltemperatur med indfyrede effekter på 11 kw g 20 kw. Knklusin De venfr beskrevne resultater viser med andre rd, at kedelvirkningsgraden er højest ved indregulering af brænderen til en lav effekt, frdi røggastabet er lavere end ved indregulering til en høj effekt. Kedlens verfladetab synes derimd at være uafuængigt af den indfyrede effekt, idet det stiger lineært med den tilførte effekt. 3.2 Sammenhæng mellem CO-emissin g kedelvirkningsgrad Fr at fastlægge sammenhængen mellem CO-indhld i røggassen g kedelvirkningsgraden, er brænderen indreguleret til et nrmalt luft-

12 DG C-rapprt 9 verskudstal med en indfyret effekt på ca. 20 kw. Der er derefter fretaget en serie målinger, idet der gradvist er skruet ned fr den tilførte luftmængde, så de sidste målinger er fretaget i det understøkimetriske mråde. I takt med at iltmængden er nedsat, er COudviklingen steget. Der er gså målt indhld af ufrbrændte kulbrinter i røggassen. Virkningsgrad Den målte kedelvirkningsgrad, 17=Pu/Pind' er vist sm funktin af COkncentratinen krrigeret til O% ilt i fig. 5. '7 varierer fuldstændigt lineært med CO, brtset fra målingen med CO :::= 20 ppm. Frskellen på de t målte virkningsgrader med de laveste CO-værdier er dg meget lille i frhld til måleusikkerheden, g en frklaring på at '7c=20ppm < '7c=SOOppm kan være, at luftverskuddet, g dermed røggastabet, er større fr den førstnævnte måling. 92 ' 90 l - r (%] COkr [ppm] Figur 5. Målt g beregnet virkningsgrad sm funktin af røggassens CO-indhld.

13 DG C-rapprt 10 U frbrændte bestanddele I fig. 5 er gså vist en beregnet virkningsgrad. Ud fra røggassammensætningen g røggastemperaturen, se fig. 6, er røggastabet g tabet sm følge af ufrbrændte bestanddele (CO g CHJ i røggassen bestemt, g ud fra disse størrelser g den indfyrede effekt er en frventet virkningsgrad beregnet. Overfladetabet er sat til 0,5 kw, sm erfaringsmæssigt haves fr kedlen ved den pågældende effekt. Ud af tabet sm følge af ufrbrændte bestanddele udgør CO langt den største del. Ved COkr=30000 ppm er CO-tabet ca. 10 gange større end CHx-tabet, idet kncentratinen af CHx er ca ppm. Ved lavere CO-værdier er frhldet endnu større. Den beregnede virkningsgrad stemmer verens med den målte fr lave CO-værdier, men ved større kulilte-niveauer falder den beregnede virkningsgrad ikke så kraftigt sm den målte. Det faktiske fald i virkningsgraden er ca. dbbelt så strt sm det beregnede ud fra indhldet af CO g ufrbrændte kulbrinter. Brint En frklaring på uverensstemmelsen kan være, at der fruden CO g ufrbrændte kulbrinter gså kan være en vis mængde brint til stede i røggassen ved den dårlige frbrænding. Ifølge beregninger med DGCprgrammet TEF kan H 2 frekmme i kncentratiner, der giver et tab i frm af tabt brændværdi, sm er i samme størrelsesrden sm tabet sm følge af CO-indhldet eller større. DGC har ikke udstyr til måling af H 2 -kncentratiner, men brintmængder i de vennævnte mængder kan frklare frskellen på den beregnede g den målte virkningsgrad. Naturgasfrbrug I frbindelse med tanken m, at man kan knstatere CO-prblemer ved at naturgasfrbruget er unrmalt strt, kan man betragte fig. 5. Af denne ses, at når kedlen udvikler ca ppm CO er virkningsgraden ca. 2% lavere end ved den ptimale drift. Denne frskel er nk ikke tilstrækkelig str til at blive pdaget. Hvis der derimd udvikles fx ppm, vil virkningsgraden være knap 7 % (relativt) mindre, sm nk vil kunne ses på gasfrbruget. Hældningen af den rette kurve gennem de målte virkningsgrader er -0, %/ppm, hvilket

14 DG C-rapprt 11 svarer til, at kedelvirkningsgraden falder ca. 4,9% fr hver prcent CO der er til stede i røgen. u = ""' l--- Trøg l l r COkr [ppm] Figur 6. Røggastemperaturen sm funktin af røggassens CO-indhld. 3.3 Kedelvirkningsgradens afhængighed af skrstenstrækket Skrstenstrækket, dvs. trykdifferensen mellem kedlen g skrstensmundingen, påvirker frhldene i kedlen, g en måleserie med kntrlleret skrstenstræk er udført fr at vurdere effekten på kedelvirkningsgraden. Frsøgsmetde V ed en nrmal måling er en aftrækskanal placeret ver kedlens skrstensrør til psamling af røggasserne uden at påvirke frbrændingsprcessen. Ved denne måling er aftrækskanalen mnteret direkte på skrstensrøret, g undertrykket i kedlen er reguleret v.h.a. blæseren. Skrstenstrækket er bestemt sm undertrykket i skrstensrøret umiddelbart efter kedlen i frhld til labratriet.

15 DG C-rapprt 12 Variatiner Skrstenstrækket er prprtinalt med densitets- g højdefrskellen mellem kedlen g skrstensmundingen, g er desuden påvirket af vinden mkring skrstenen. Ved et anlæg med fx 5 m skrstenshøjde, røggastemperatur på 200 C g en udelufttemperatur mellem -10 C g 30 C haves et skrstenstræk på ca Pa (uden påvirkning fra vinden) /4/. Skrstenstrækket kan variere ca. 30 Pa sm følge af vindændringer /3/, l 4/. Målingerne er udført med spring i undertrykket på ca. 0,1 mbar. Ilt I fig. 7 ses hvrledes røggassens iltindhld varierer med skrstenstrækket, psk 5 Q 4.5 ;R " N 'Il Q 3-2.5,_ Q l p skrsten [m bar] Figur 7. Iltprcent i røggassen sm funktin af skrstenstrækket. Gasflw Stigningen i røgens 0 2 -indhld skyldes øget indtrængning af luft fra utætheder samt at blæseren leverer mere luft sm følge af den større trykfrskel Denne effekt kan til dels mdvirkes af at gasflwet gså

16 DG C-rapprt 13 øges /3/, hvilket fremgår af fig. 8, sm viser gasflw ( nrmalliterltime) g indfyret effekt sm funktin af skrstens trækket. ::= :E "' Ol >bil Q - Gasflw Pind Q_ Q Q Q. Q flpskrsten [mbar] "d s 1:1- Figur 8. Gasflw g indfyret effekt sm funktin af skrstentrækket. Gasflwet er steget ca. l % fra det mindste flw til det største. Da iltindhldet g dermed luftverskuddet stiger på trds af den øgede gasmængde, må den samlede relative frøgelse af luftmængden være større. CO Variatinen af ilt-prcenten fra 1,4% til 4,8% svarer til en stigning på ca. 20% af røggasmængden (tør). Denne frøgelse er ikke tilstrækkelig str til at reduktinen af CO-indhldet fra 50 ppm til 5 ppm, se fig. 9, udelukkende kan frklares med en frtyndingseffekt. Luftverskudstallet er ca. l,06 g l,26 ved målingerne med henhldsvis 50 ppm g 5 ppm CO, g stigningen i CO fr faldende.1.psk skyldes sandsynligvis, at frbrændingen nærmer sig støkimetriske frhld.

17 DG C-rapprt e c. c. u r L\ P skrsten [m bar] Figur 9. Røggassens kulilteindhld sm funktin af skrstens trækket. Røggastemperatur Af fig. 10 ses, at røggastemperaturen stiger lineært med skrstenstrækket. Dette er i verensstemmelse med erfaringen, idet røgens afgangstemperatur sædvanligvis stiger med luftverskudstallet fr en villaked el. Virkningsgrad På baggrund af de venfr beskrevne bservatiner må det frventes, at virkningsgraden bliver mindre fr øget skrstenstræk Røggastabet er den væsentligste tabskilde, g såvel temperaturen sm røggasflwet stiger med P.k, g dermed gså røggastabet Af fig. 11 ses da gså, at virkningsgraden aftager fuldstændigt lineært med skrstentrækket, når der ses brt fra en enkelt måling.

18 DGC-rapprt _._..._..._,_'-'-'-...L.L"-'-''-'-'--'--'-L...L...I--'-'--'-'-... """--'-.I...L..J....J...L......J...L..... """--L...L...L...J'--'-'-' L\Pskrsten [mbar] Figur l O. Røggastemperaturen sm funktin af skrstenstrækket ":!!. 90 r l-.l.-.<...i...l..._,_......_.,_,_...,w.._.l.l..ic...j...l--l...l......i...j...i...l..l.j...j..l--w'--'--'-... -'-'-'--'--'--'-'-L...L..L.J L\Pskrsten [mbar] Figur 11. Kedelvirkningsgradens afhængighed af skrstenstrækket.

19 DGC-rapprt 16 Fr at vurdere effekten af variatinerne i skrstenstrækket på virkningsgraden, aflæses hældningen af den rette kurve gennem punkterne i fig. 11 til a. = -4,73 %/mbar = -0,0473 %/Pa. Sm nævnt venfr, kan skrstenstrækket variere p til ca. 30 Pa p.g.a. variatiner i vinden, g dette giver således anledning til en ændring i virkningsgraden på 0,0473 %/Pa x 30 Pa = 1,4%. En temperaturændring fra -10 C til 30 C nedsætter skrstenstrækket ca. l O Pa, hvilket resulterer i en ændring i virkningsgraden på ca. 0,0473 %/Pa x 10 Pa = 0,5 %.

20 DG C-rapprt 17 4 Referencer /1/: Testing Prcedures fr the Determinatin f Annual Efficiency and Annual Emissins f Drnestic Bilers Prject Reprt, Secnd Revised Editin, 1993 Danish Gas Technlgy Centre a/s /2/: CEN TC 57 /3/: Teknisk nte nr. 2/1991, ktber 1991 Indregulering af gasblæseluftbrændere ved varierende driftsfrhld Dansk Gasteknisk Center ais /4/: Indregulering af gasblæseluftbrændere ved varierende driftsfrhld Prjektrapprt 1992 Dansk Gasteknisk Center a/s

21 BILAG A Overfladetemperaturer

22 DGC-rapprt A Overfladetemperatur YH,-r 'j.-1 Frntplade, tp u kW >?'Vh$--- e... lltlkw 20 1kW 2kW 4kW 4kW+ 10 S kw 40/60 60/80

23 DGC-rapprt A Overfladetemperatur ,..,.. -- Frntplade, midt 80,..., u kW 2kW 4kW 4kW+ 10 8kW 40/60 60/80,..., u Overfladetemperatur Y.r---1 Bagside kW 1--lllllkW t :v kW 2kW 4kW 4kW+10 8kW 40/60 60/80

24 DGC-rapprt A3,..., u Overfladetemperatur Skrsten kW "9'- llllkw kW 2kW 4kW 4kW+ 10 8kW 40/60 60/80 38,..., u Overfladetemperatur Tp ---4{4t kW 2kW 4kW 4kW+ 10 8kW 40/60 60/80

25 DGC-rapprt A t---- Overfladetemperatur ----.ti'----1 V enstre side 32 u r r w/79--'n9'æ %---w '--?WH lkw 2kW 4kW 4kW+lO 8kW 40/60 60/80