Dampfkessel - fürs labor die pflichtaufgaben PDF

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fürs labor die pflichtaufgaben...

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Inhaltsverzeichnis

1.0

Versuchsaufbau...............................................................................................................2

2.0

Versuchsdurchführung...................................................................................................4

3.0

Messwerte........................................................................................................................5

4.0 Auswertung..........................................................................................................................7 4.1 Kesselwirkungsgrad...........................................................................................................7 4.2 Abgasverlust......................................................................................................................8 4.3 Abstrahlungsverluste.........................................................................................................8 5.0 Fehlerabschätzung..............................................................................................................9 5.1 Kesselwirkungsgrad...........................................................................................................9 5.2 Abgasverluste.....................................................................................................................9 5.3 Abstrahlungsverluste.........................................................................................................9 6.0 Diskussion..........................................................................................................................10 7.0 Anhang...............................................................................................................................11

1

1.0 Versuchsaufbau Das Kernstück der Labor-Dampfanlage ist der in Abb. 1.1 schematisch dargestellte Wasserraum-Kessel der Firma Loos (Offenbach a.M.). Bei dieser Art von Kessel ist der Feuerraum komplett von einem Wasserraum umgeben, um der Gefahr der Überhitzung und des Durchbrennens auf natürliche Weise vorzubeugen. Solange die Feuerraumwände vollständig von Wasser umgeben sind, können dort aus physikalischen Gründen nur Sattdampfblasen entstehen. Ein Überhitzen des Dampf ist unmöglich. Der Sattdampfzustand wird dabei ständig durch Druck- und Temperaturmessungen betrieblich überwacht. Als Brennstoff wird Erdgas H aus dem Stadtnetz verwendet.

Abb. 1.1: schematischer Aufbau des Dampfkessels

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Im folgenden sind nun die wichtigsten Kesseldaten aufgeführt: Zulässiger Betriebsüberdruck Zulässiger Dampfmassenstrom Zulässige Dampftemperatur Wasserinhalt bis N.W. Überhitzerinhalt Überhitzerheizfläche Kesselheizfläche

[bar] [t/h] [°C] [m3] [l] [m2] [m2]

30 1,25 400 2,995 26 3,53 25

Anhand des untenstehenden Flussbildes soll nun die komplette Labor-Dampfanlage im Groben erläutert werden, wobei mit dem Brennstoff angefangen und dann dem Medienfluss des Wassers in all seinen physikalischen Formen gefolgt wird.

Da das Erdgas mit erhöhtem Druck vom Stadtnetz angeliefert wird, muss es zunächst mit einem Druckminderer auf den Betriebsdruck des Brenners von etwa 35 mbar gedrosselt werden. In dieser Leitung befinden sich die Messtellen für die Gastemperatur, den Gasdruck und ein Gaszähler, um den Volumenstrom des Brennstoffes bestimmen zu können. Nach der Verbrennung wird das Rauchgas in den Kamin geleitet. Zuvor wird jedoch mit Hilfe eines Sondenrohres kontinuierlich eine Rauchgasprobe entnommen. Zur Vereinfachung erfolgt eine trockene Analyse in einem tragbaren Rauchgasanalysegerät, da sonst die komplette Leitung beheizt werden müsste, um Kondensation zu verhindern. Mit Thermoelementen kann zusätzlich die Rauchgastemperatur am Kesselaustritt und die Lufttemperatur im Kesselhaus bestimmt werden.

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Da in einem Wasserraum-Kessel nur Sattdampf erzeugt wird, muss der Dampf noch zusätzlich überhitzt werden. Der Dampf wird dazu durch fünf unberippte Rohrschlangen geleitet, die vom Rauchgas am Austritt aus dem Flammrohr beheizt werden. Am Überhitzeraustritt werden Frischdampfdruck und Temperatur gemessen. Der Dampfmassenstrom wird mit Hilfe des Wasserzählers in der Speisewasserzuführung bestimmt und mit der Messblende im Dampf-Labor nochmals kontrolliert. Der überhitzte Dampf gelangt nun in eine doppelt beaufschlagte Gleichdruckturbine, in der er zur Leistungserzeugung entspannt wird. Anschließend wird er in den Keller des Gebäudes geleitet, um im luftgekühlten Kondensatorraum wieder auskondensiert zu werden. Im daran anschließenden Entgaser werden die im Wasser gelösten Gase abgetrennt und in die Umgebung geleitet. Bei diesem Prozess wird das Speisewasser im Gegenstrom zum Entgaserdampf nochmals erwärmt, bevor es zum Speisewasserbehälter fließt. Von hier aus wird es mit der Speisewasserpumpe wieder in den Kessel geführt. Vor der Pumpe befinden sich weitere Stellen zur Messung der Speisewassertemperatur und des Wasservolumens (Wasserzähler). Ziel dieses Versuches ist es, den Wirkungsgrad des Dampfkessels zu ermitteln sowie die Verlustquellen des Kessel ausfindig zu machen.

2.0 Versuchsdurchführung Zur Erfassung der Messwerte wurden in einem Zeitraum von 15 Minuten, 16 Messwerte im Abstand von jeweils einer Minute aufgenommen. Das Ablesen des Frischdampfdruck erfolgte zu Analysezwecken des Kessels alle 30 Sekunden, was jedoch mit unserem eigentlichen Versuch nichts zu tun hatte. Außerdem wurden die Gas- und Wasserzählerstände zu Anfang und Ende des Versuches abgelesen.

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3.0 Messwerte 3.1 Messwerttabelle Temperaturen, Drücke Versuch: Dampfkessel / Messwerte: Temperaturen, Drücke Messwert - Sattdampf Heißdampf SpW = 1 D = 2 [°C] [°C] aufnahme [min] S [°C]

G [°C]

peD [bar]

pH2O [bar]

0 221 360 34,0 24,5 21,7 22,0 1 222 356 34,5 24,4 21,7 22,0 2 222 346 35,0 24,4 21,6 21,9 3 222 344 34,5 24,4 21,7 22,0 4 222 339 34,5 24,5 22,0 22,2 5 223 324 35,0 24,5 22,0 22,2 6 223 333 35,0 24,6 21,6 22,0 7 223 366 35,0 24,6 21,6 21,9 8 222 337 35,0 24,5 21,4 21,8 9 222 373 35,0 24,5 21,3 21,8 10 222 380 35,0 24,3 21,6 22,0 11 222 341 35,5 24,4 21,4 21,8 12 222 385 35,5 24,4 21,4 21,8 13 222 369 35,0 24,3 21,7 22,0 14 223 345 35,0 24,4 21,6 22,0 15 223 336 35,0 24,5 21,6 21,9 Mittelwert 222,25 352,125 34,91 24,45 21,62 21,96 Bemerkung: alle Drücke sind Überdrücke / Umgebungsdruck muss noch addiert werden

3.2 Messwerttabelle Rauchgassonde Messwerte (Rachgassonde) Messung 1 2 CO ppm Un 0 0 VERL % 11,4 11,3 ETA % 88,6 88,7 Taupunkt °C 53 53 T-Luft °C 29,1 28,9  1,42 1,38 NO ppm Un 71 70 NO mg/kWh 49 51 NOX mg/kWh 126 127 2ug hPa 0,09 0,09 CO2 % 8,4 9,1 O2 T-Gas

% °C

6,1 241,7

4,8 244,8

3 0 10,6 89,4 54 29 1,28 66 55 127 0,03 -

4 0 10,6 89,4 54 29,1 1,31 69 53 129 0,01 -

5 0 10,4 89,9 54 29,4 1,34 76 49 170 0,28 -

-

-

-

3.3 Zählerstand Gasvolumen, Gasdruck 5

Messwerte: Gas Zählerstand [m3] Anfang nach 5 min nach 10 min Ende Gasvolumen Vg

350,83 354,92 358,73 362,81

Gasdruck peG [bar] 0,7 0,7 0,7 0,7

11,98 Mittelwert 0,7

4.0 Auswertung

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4.1 Kesselwirkungsgrad   SpW  h2  h1  m Q N   N   0,0095 QBr VG ,n Hu ,n

kJ h 22 ,6 bar / 352  C 3130 kg

h2 h2  p2 , 2 

Hu ,n 36180

kJ kg

p2  p eD  p  22 ,6bar peD 21,62bar p  0,9954bar

(siehe Anhang: Mollier – Diagramm)

h1 c pm  1   1

 1  35 C

kJ 146, 6 kg

c pm  1   4,188

kJ kg

(siehe Anhang: Stoffwerte von Wasser 1bar)

 SpW  m

VSpW t

  1   0,221

kg m3 3  0,200m

    1 994 VSpW

t 900s

(siehe Anhang: Stoffwerte von Wasser 1bar)

VG ,n 

VG , n t

VG, n  VG 

0,0205

mn3 s

Tn pG  18 ,44 mn3 TG p n

VG 11 ,98 m Tn 273 ,15 K TG 297 ,6 K

3

pn 1,01325bar pG  p eG  p  1,6954 peG 0,7bar p  0,9954bar

4.2 Abgasverlust

7

A 0 ,66 B 0 ,009  O 2 tr, 5,45%

  A2 qA  %    RG   L    B 11,06%  20,9   O 2, tr [%] 

 RG  242 ,9 C  L 29 ,0 C

 F 1  q A 88,99% Der Feuerungstechnische Wirkungsgrad f ist der prozentuale Anteil von der zugeführten Energie, welcher an den gesamten Kessel abgegeben wird. tr → Abgasschlauch ist nicht beheizt → H2O kondensiert im Schlauch

4.3 Abstrahlungsverluste  S 222  C    L  29 C

 V    k A   S     18, 36kW Q 

kJ kgK kg W 861,5 3 m kJ c St  0,542 kgK cW   4,510

 k A 

  mW cW mSt cSt  d  W  95,15 dt K  S    

VW  hüNW   3, 285m 3 mW V W W 2830kg W mSr 4875kg St Zeit

peS [bar]

S [°C]

10.00

19

212,4

11.00

17,5

208,3

siehe Anhang:

[°C]

S [K]

t [s]

28

-4,1

3600

  , peS, hüNW  Abkühlversuch 22.10.98

peS , S  Abkühlversuch(I) Dampfdruckkurve VW(hüNW)  Abkühlversuch(II) Wasserstand und Kesselinhalt

5.0 Fehlerabschätzung 5.1 Kesselwirkungsgrad

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Der Kesselwirkungsgrad von 88,95% ist in dieser Größenordnung erwartet worden. Drücke, Temperaturen, Volumen und Zeiten sind gewissenhaft aufgenommen worden. Die Messgeräte waren intakt. Die zur Berechnung benötigten Enthalpien und Wärmekapazitäten sind aus den Diagrammen im Anhang abgelesen worden. Da man Drücke und Temperaturen sehr gut messen und ablesen kann sind die Messabweichungen als sehr gering einzuschätzen. Ein größeres Fehlerpotential haben die Volumenmessungen beim Ablesen, da hier Zahlendreher durch die permanent laufende Anzeige auftreten können. Die zur Berechnung der Volumenströme benötigten Volumina sind jedoch als richtig anzusehen. Der wahrscheinlich größte Fehler entsteht vermutlich durch die stark schwankende Heißdampftemperatur 2 (324°C – 380°C) und dem damit verbunden Druck p2, der somit auch schwankt ( 21,3 bar – 22,0 bar). Aus den Mittelwerten beider Größen wird aus dem h,s – Diagram die Enthalpie h2 abgelesen. 5.2 Abgasverluste Zur Berechnung der Abgasverluste benötigt man die Temperaturen (RG, L), tr (VolumenMol- Anteil des O2 im trockenen Abgas) , A2 und B (Konstanten). Die Temperaturen (RG, L), sind aus folgender Überlegung als richtig anzusehen. Die Temperatur des Rauchgases RG (242.9°C) und die des Sattdampfes S (222°C) weisen die Differenz von ca. 20° auf, die für den Wärmefluss benötigt werden. Es wäre sehr unwahrscheinlich wenn beide Temperaturen falsch gemessen worden wären. L von 29°C bedarf keiner Erklärung. tr ist vorgegeben worden. Ein Abgasverlust von 11.06% ist realistisch. Der Feuertechnische Wirkungsgrad von 88,99% der sich aus den Abgasverlusten ergibt ist somit auch in Ordnung. 5.3 Abstrahlungsverluste Für die aufgenommenen Messwerte zur Berechnung der Abstrahlungsverluste gilt das Gleiche wie für die oben beschriebenen Abgasverluste und den Kesselwirkungsgrad. Die Werte sind Gewissenhaft aufgenommen worden und als richtig anzusehen. Die zur Berechnung benötigte Masse des Stahls vom Kessel ist errechnet worden und somit nicht exakt. Dieser Fehler ist jedoch zu vernachlässigen.

6.0 Diskussion 1. Hauptsatz

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  Q   Q   Q  Q  Q Br N A V Fehler

/ : Q Br

  Q Q Q Q 1   N   A   V  Fehler QBr QBr QBr QBr 1   N  q A  qV q Fehler

QV qV    0,02477 QBr

1  0,8895  0,1106  0,0248 0,0249

Durch Anwendung des 1. HS kann man die Qualität des Versuches bzw. den Fehler q Fehler errechnen. Dies wird durch die direkte Berechnung der Abstrahlungsverluste möglich, welche normalerweise über den 1. HS errechnet werden. Der Fehler beträgt über die Rechnung –2.49 % ; das entspricht 18,45kW. Anhand der Bilanz kann man erkennen, dass der Fehler nicht aus den Abstrahlungsverlusten und auch kaum aus den Abgasverlusten kommen kann. Die Abstrahlungsverluste sind fast genau so groß wie der Fehler selbst und die Abgasverluste nur um den Faktor 4 größer. Es wäre sehr unwahrscheinlich, wenn man sich bei der Berechnung der Abgasverluste um ca. 25% verrechnet hätte. Daraus folgt, dass der Fehler am wahrscheinlichsten aus der Berechnung des Kesselwirkungsgrades kommt. Eine Erklärung dafür wäre, dass man den Kesseldruck als konstant angesetzt hat. Wenn der Druckregler vom Kessel den Druck nicht exakt konstant halten kann, was praktisch auch immer sein wird, hat z.B. eine Druckerhöhung von 1bar über eine Zeit von 15min eine Zuführung einer Mehrleistung von 15kW zur Folge. Dies wäre bereits doppelt so viel wie Q Fehler . Aus den Messwerten geht hervor, das der Kesseldruck um 0.7 bar geschwankt hat. Dies wird dann auch an der Heißdampftemperatur D sichtbar, welche ebenfalls stark schwankt. Vermutung: Liese sich der Kesseldruck besser konstant halten und damit auch die Heißdampftemperatur, könnte man Q Fehler noch weiter verringern, wobei qFehler mit –2.49% schon sehr gut ist.

7.0 Anhang In den Diagrammen und Tabellen sind die benötigten Werte für die Berechnung eingezeichnet.

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- Diagramm Stoffwerte von Wasser bei 1bar - Mollier- h,s Diagramm für Wasserdampf - Kurvenverlauf Abkühlversuch vom 22.10.98 am Dampfkessel - Daten zur Auswertung des Abkühlversuches (I): Dampfdruckkurve - Daten zur Auswertung des Abkühlversuches (II): Wasserstand und Kesselinhalt

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