Простой метод определения КПД бытовых печей.

[ШевяковВладимир]

Анализ существующих методов измерения КПД печей показал, что все известные методы имеют свои недостатки. Как по точности замеров, так и по применению весьма дорогих приборов. Например - ГА DELTA 65. Стоимость его около 45т.р. Что, конечно, очень дорого и мало кому доступно, да и с точностью его показаний КПД надо еще разбираться. И вряд ли рядовой печник позволит себе такой прибор. Но потребность в измерениях есть у многих печников, занимающихся созданием новых конструкций печей для оценки их эффективности. Поэтому я предлагаю на рассмотрение простой и доступный метод измерения КПД печи, который требует минимум приборов. Всего одного электронного термометра с термопарой. Минимальная цена такого прибора около 500-600р. Предлагаемый способ замера КПД имеет достаточную точность. И основан на принятии некоторых допущений для упрощения расчетов КПД. Что не значительно увеличивает погрешность замеров. Что бы понять, о чем я говорю, необходимо вспомнить, что такое КПД печи и от каких параметров зависит.
КПД - это отношение количества тепла, отданного дровами в печь, к количеству тепла, содержащемуся в топливе. Коэффициент полезного действия печи определяется по формуле:
η= (Q1/ Qтоп)*100 (1) где: Q1-тепло, отданное дровами в печь, Qтоп количество тепла содержащееся в топливе. Тепловой баланс определяется по формуле: Qтоп= Q1+ Q2+Q3+Q4 (2)
Где Q2+Q3+Q4 (3) тепловые потери в печи,
Q2 - потери с уходящими газами,
Q3 –потери от химической неполноты горения,
Q4 –потери от механической неполноты горения,
Зная эти величины, можно определить и КПД печи.Существует два подхода определения КПД :
Первый -это определение КПД по расчету Q1-количества тепла, отданное печью помещению, что пока трудно выполнить.
Второй - это определение КПД по расчету ( Q2+Q3+Q4) -количества тепловых потерь в печи и по этой величине определяют КПД по формуле: η= ((Qтоп – Q2-Q3-Q4) / Qтоп)*100 (4)
Второй подход – замер КПД по потерям, более точный и более реальный. Поэтому именно он и взят за основу.
Если посмотреть выражение 3 в данной статье, то видно из чего состоят потери.
Потери от химической и механической неполноты горения не велики и составляют в сумме 3-5%. А потери с уходящими газами могут составлять до 60% и их и надо обязательно учитывать. Для их расчета воспользуемся таблицами из книги М.Б. Равича «Упрощенная методика теплотехнических расчетов». Стр.218, гл. тринадцатая «Упрощенные теплотехнические расчеты при сжигании дров», где весьма подробно изложен материал по расчету потерь в печи. По таблицам для наглядности построим графики потерь с уходящими газами в зависимости от выходной температуры газов, коэффициента избытка воздуха и влажности дров. На рис.1 представлены эти графики.

Как видно из графиков на величину потерь с уходящими газами самое большое влияние оказывает температура. Это и понятно. Чем больше температура выходных газов в печи, тем больше тепла улетает в трубу. Коэффициент избытка воздуха α также влияет на величину потерь, чем больше воздуха проходит через печь, тем больше потери, но в меньшей степени. Меньше всего влияет на потери влажность дров. Это также понятно. Чем больше влаги в дровах, тем меньше горючего материала. Тем меньше требуется воздуха для его сжигания. Значит и меньше потери с уходящими газами. Но для преобразования лишней влаги в пар необходимо дополнительное тепло, что в итоге и незначительно увеличивает потери.
На практике дрова, которые используются при топке, имеют среднюю влажность около 30%.
Поэтому для упрощения зададимся средней влажностью дров в 30%. Отклонения в +- 5%практически не скажется на точности замеров КПД.

[ШевяковВладимир]

Исходя из результатов таблиц и графиков Рис1 построим график зависимостей КПД от температуры и коэффициента избытка воздуха для влажности 30%. Рис.2. Потери на химический и механический недожог возьмем как 5% и прибавим их к потерям с уходящими газами для значений температуры 300грС. В процентах КПД будет выглядеть следующим образом:
η= 100% - Qп(%) (5),
где Qп(%)-суммарные потери в процентах из графиков рис 1., с учетом потерь на химический и механический недожог.

Получим графики КПД в зависимости от выходной температуры и от коэффициента избытка воздуха α . Рассмотрим, как влияет α на режим горения дров в печи. При 1 горение плохое. При четырех горение интенсивное. Из практики известно, для нормального горение дров, необходима α больше 2. Если истопник, наблюдая за горением, регулирует поддувальную дверку, то он получает среднее значения α в пределах от двух до трех. Конструктивно печь рассчитывается на среднее значение α в пределах 2-3 при горении дров. Т.е. я хочу сказать, что если задать на графиках среднее значение α равное 2,5 , то при определении КПД мы сильно не ошибемся. На рис 2 показан график КПД для этого случая. Например, для температуры 200грС погрешность определения КПД при изменении α = 2-3 составляет +-4%, при температуре 300грС погрешность составит +-6%. Реальная средняя погрешность должна быть меньше, т.к. мы задали среднее значение α и отклонения в ту или другую сторону должно компенсироваться. В аналитическом виде формула для КПД будет представлена как:

η =100 - К∆Т (%) (5) Где К –коэффициент пропорциональности, зависящий от коэффициента избытка воздуха и от влажности дров.(1/грС).

Для α равное 2,5 и влажности дров 30% К =0,12(1/грС)

Тогда:
η=100 - 0,12∆Т (%) (6)

Из выражения 6 видно, что в данном случае КПД печи зависит только от выходной температуры газов.
Получилась очень простая и наглядная формула для определения КПД печи.
Т.к. коэффициент избытка воздуха может сильно изменяться во время всего цикла горения, то необходимо оговорить те рамки, где этот метод будет давать приемлемую точность. Начало отсчета надо выбрать при достижении выходной температуры в 25% от максимальной. А окончание, когда начнется догорание углей и выходная температура уменьшится на 10% от максимальной. В дальнейшем эти величины могут быть скорректированы.
Конечно, необходимо сравнить предлагаемый метод с известными. Например: Если взять график температуры для печи в методе А.Бацулина, то по предложенным допущениям средняя температура получается примерно 163 грС. Тогда среднее значение КПД составит 82%. По расчетам А.Бацулина КПД составил 85%. Но в его методе трудно учесть возможный подсос воздуха, который снизит КПД. Как видно значения достаточно близкие. Конечно, этот метод вряд ли годится для точных расчетов КПД печи и исследования печных процессов. Но для оценочных измерений он подходит. И, учитывая его простоту и доступность, надеюсь, он найдет применение. С другой стороны сейчас отсутствуют гарантированные точные методы определения КПД. Да и вряд ли они появятся в ближайшее время.

[vladgri]

Ну да. Можно поступить еще проще.
Температуру уходящих газов делим на 15(с понижением температуры уходящих газов на 12-15С, потери теплоты уменьшаются на 1%), прибавить 2 (потери с химическим недожогом в слоевой топке 0,5-3%), прибавить 3 (потери с механическим недожогом в слоевой топке 1-5%), прибавить 2 (сумма остальных потерь).
Для 163 С Бацулина получаем η=100-163/15+2+3+2=82%
Точность не хуже чем у Вас. Так можно очень приблизительно оценить КПД любой печи, на любом топливе, имея лишь термометр в газоходе.
Почему Вам не нравится определение КПД по ГОСТ? Не понимаю.

[Катаев Олег]

после завершения топки как измеряется кпд?
Как учитывается объем сгорающего топлива в данный момент, объем газов?

[vladgri]

Калькулятор КПД по ГОСТ 9817-95 для

аппаратов, выполняющих функцию отопления, (класса 2)

[ШевяковВладимир]

Ну да. Можно поступить еще проще...
...Для 163 С Бацулина получаем η=100-163/15+2+3+2=82%
Точность не хуже чем у Вас. Так можно очень приблизительно оценить КПД любой печи, на любом топливе, имея лишь термометр в газоходе.
Почему Вам не нравится определение КПД по ГОСТ? Не понимаю.

Мне кажется проще, чем я предлогаю уже некуда. Не надо ничего делить, складывать, вычитать. Взял точку с температурой на графике и получил КПД. Все подсчитано для дров с определенной влажностью. И все обосновано. И все понятно. Для другого топлива будет другая теплоотдача. И, наверное, другие зависимости от коэффициента избытка воздуха. И вывести универсальную формулу для всех видов топлива вряд ли возможно. А нас в первую очередь интересуют дрова. То, что совпал результат, еще ни о чем не говорит. Если Вы имеете в виду определение КПД по ГОСТ по потерям на выходе. То здесь обязательно необходим ГА. По которому берутся значения О2 и СО. И по ним и по температурам по формулам определяется КПД. Сейчас уже понятно, что ГА весьма инерционный прибор. Газ для анализа подается к датчикам (к измерительным элементам) через дополнительную трубку (зонд) не большого сечения. И поэтому требуется время для прохода нового воздуха к самому измерительному элементу. Сколько не знаю. А в печи состав газов может меняться быстро. В этом я вижу основную погрешность. ГА, наверно, годится для постоянных процессов для усредненных замеров.
И, конечно, можно измерять Вашим способом а можно нашим. Кому как нравится.

[ШевяковВладимир]

после завершения топки как измеряется кпд?
Как учитывается объем сгорающего топлива в данный момент, объем газов?

После топки мерять КПД каким либо способом бесполезно. Дрова сгорели, тепло не выделяется, из трубы могут выходить только потери.
Объем сгорающего топлива и газов не учитывается.

[ШевяковВладимир]

Калькулятор КПД по ГОСТ 9817-95 для

Что то не похоже на калькулятор.

[Катаев Олег]

После топки мерять КПД каким либо способом бесполезно. Дрова сгорели, тепло не выделяется, из трубы могут выходить только потери.
Объем сгорающего топлива и газов не учитывается.

А кому нужен такой кпд? который ничего не учитывает, кроме графика для котла непрерывной топки. Печь работает 22 часа после топки.
Поэтому и кпд у отдельных деятелей в 200% и выше - беру упрощенную методику или пишу сам, а потом результаты подгоняю под заданные начальником цифры - это 10 лет уже делают самые прогрессивные печники.

[vladgri]

Что то не похоже на калькулятор.

Что именно не нравиться?