Способы измерений и оценки эффективности

Часто возникают ситуации, когда требуются знания и навыки для выполнения измерений и оценки эффективности разного рода процессов и характеристик оборудования.
Интересно, как можно оценить эффективность горения и эффективность сжигания топлива, эффективность работы горелок, печей, нагревателей, котлов, если под рукой нет специального инструментального набора? Как определить температуры, расходы, КПД или иные коэффициенты, гидравлические и электрические параметры и т.д.
Каждый наверно находит выход из положения по своему, кто-то по внешним признакам, кто-то использует минимум бытовых приборов, и т.д. А при изготовлении техники своими руками, эти процедуры становятся одними из сложных, но необходимых.
Здесь предлагается описывать способы таких измерений и оценки эффективности процессов (сжигания, теплопередачи, теплообмена и прочих) и определения характеристик оборудования, сделанного своими руками.
Сторонний или заимствованный опыт не возбраняется, т.к. большинство процедур (а точнее, наверно, все) прописаны литературой, но не всегда легко запоминаются. Может, заглянув в эту тему, каждый найдёт в ней что-то своё, ответ или подсказку, задаст вопрос или поделится опытом.

 

На мой взгляд это слишком сложная задача, при кустарном изготовлении и эксплуатации..

Например, я знаю сколько отработки сгорело за время измерения, знаю на сколько изменилась температура теплоносителя в жидкостной системе, на сколько изменилась температура в помещении, его объем и наружную температуру воздуха.

А как определить сколько тепла улетело в трубу (чтобы определить КПД)?

А насколько полным было сгорание топлива (чтобы определить сколько выделилось при этом всего тепла)?

А сколько тепла ушло на нагревание стен, потолка, оборудования (трудно сосчитать количество видов материалов находящихся в помещении, а у них разная масса и теплоемкость)?

Нужна герметичная полностью теплоизолированная измерительная камера, газоанализаторы на ее входе и выходе (мы ведь хотим узнать, сколько туда попало кислорода, азота и пр., с какой температурой), необходимы счетчики объема поступающих в камеру газов и выходящих из нее других газов и твердых веществ и т.д. и т.п.

Не знаю, как все это меряют проектировщики и производители теплового оборудования, наверное у них все это есть.

Посему главный вопрос: Какая точность нас бы всех устроила? И какие параметры нам для этого необходимы?

 

Remix59, давайте пока о точности не будем говорить, а попробуем рассматривать каждые задачи раздельно.
Если будем определять КПД, то одновременно надо сводить задачи с определением тепловой мощности - способы есть разные, но важно по сути определиться, что если Вы хотите выяснить параметры единицы оборудования, то и логику надо выстраивать на единицу оборудования; если на систему (котёл+дымоход+подогрев топлива или воздуха, например) - то логику надо выстраивать на систему и здесь потребуется определять коэффициенты полезного использования топлива (КИТ или Кпит).
По мере возможности отпишу свои предложения, а пока может и ещё кто добавит мнения или примеры.

 

Коль сегодня пришлось затронуть вопрос о температуре поверхности http://www.termoportal.ru/forum35/thread97-24.html, то подскажу: прикасаясь открытой ладонью к поверхности нагрева, человек с нормальной физикой (здоровый) может спокойно держать её до 45 гр.С, а выше 50 гр.С - уже будет испытывать "обжигающее" состояние.

 

Добрый день.
Прочитал:
.....Если будем определять КПД, то одновременно надо сводить задачи с определением тепловой мощности - способы есть разные, но важно по сути определиться, что если Вы хотите выяснить параметры единицы оборудования, то и логику надо выстраивать на единицу оборудования; если на систему (котёл+дымоход+подогрев топлива или воздуха, например) - то логику надо выстраивать на систему и здесь потребуется определять коэффициенты полезного использования топлива (КИТ или Кпит)......
Что то мне светлей не стало, а хотелось бы.

 

Remix59, Вы торопитесь… Дайте время подумать себе и другим! У JEMPа тоже «не 7 пядей во лбу», а… 8, и как всегда, эта 8-ая извилина мешает сосредоточиться 7-ми другим! (шутка )

Вопрос действительно интересный и сложный (сложно-интересный, но и увлекательный), т.к. хотелось бы его грамотно изложить, а не урывками и с ошибками. Хотя конечно и так можно, тогда будет больше возникать взаимных вопросов у других пользователей и появляться новых соображений – ведь на то и существует форум, чтобы их обсуждать.

В изложенном посту, я имел ввиду разделение в понятиях и определениях КПД (как частая и распространённая ошибка в представлениях о технике и о системе теплоснабжения единичного объекта в целом).
Об этом можно долго говорить, но чтобы довести свою мысль как можно короче, приведу коротенькую статью КПД: мифы и реальность ... - РосТепло.RU.
Конечно, сами цифры в этой статье и частные суждения могут подвергаться сомнению (по крайней мере, я не со всеми доводами согласен и легко их опровергну), но давайте мы не будем обсуждать статью, а вникнем в суть – попытаемся представить себе, что под КПД, или под другими коэффициентами определения мощности или использования топлива, можно понимать, чтобы говорить, так сказать, на одном языке теплотехники.
В моём представлении: КПД определяется исключительно на единице оборудования (будь то печь, котёл, нагреватель); а если эта единица оборудования включена в тепловую схему с другими устройствами, то правильнее употреблять определение Коэффициента полезного использования топлива (обозначается он, как КИТ или Кпит).

Итак, наша задача состоит в определении тепловой мощности единичной установки – источника тепловой энергии (печь, котёл, нагреватель - теплогенератор).
Чем глубже эту тему сам разбираю, тем больше интересных вопросов и моментов возникает. Но попробую развести задачу на подзадачи, ведь с чего-то надо начать.

Для того, чтобы оценить величину тепловой мощности теплогенератора без специального приборного парка и специальных испытательных стендов, полагаю надо двигаться одновременно в 3 направлениях:
1. Необходимо вывести оборудование на максимальную мощность «Х» (пока мы её не знаем), но при этом наблюдать, чтобы характеристики её были стабильны и не противоречили нормам безопасности по внешним признакам (каким – будем уточнять потом);
2. Необходимо вести контроль за расходованием топлива (о качестве и количестве тоже будем говорить потом), для того, чтобы определить сколько потенциально может отдать теплоты сожжённое топливо в единицу времени (тоже будем обсуждать как просчитать) с одного некоторого или условного теплогенератора;
3. Необходимо обеспечить максимальный теплосъём с теплогенератора (отпуск теплоты на потребление) и вести контроль показателей использования этой отпущенной тепловой энергии (количественных и качественных) – тоже будем обсуждать.
По логике, разница между (2) и (3) пунктами покажет нам потери, а их сопоставление – даст показатели тепловой мощности теплогенератора.
"Способы измерений и оценки эффективности" будут рассматриваться в процессе обсуждения.

Какие будут соображения о такой постановке задачи?

 

Пока плохо представляю реализацию п.3., нужно подумать.

 

Признаюсь, у меня не очень гладким и любезным будет изложение и по первым двум пунктам. :mdaaa:
Пока делаю наброски письма, но своё мнение может изложить здесь каждый пользователь.

 

Думаю, мне удалось найти некоторые простые подходы к проблеме.
1. 1квт/ч-тепловой энергии, это 860ккал/ч.
2. Теплотворная способность близких по составу топлив(к используемому нами) таков:
керосин -10400ккал/кг.
дизельное топливо-10300ккал/кг.
мазут -9700ккал/кг.
Следовательно сжигая 1кг. топлива за 1час. получаем тепловую мощность:
керосин -12квт/ч
дизельное топливо-12квт/ч
мазут -11,3квт/ч
Думаю это и будет мощностью нашего котла, печи и т.д.(колличество топлива определенного вида сжигаемого в единицу времени).
Кстати теплотворная способность древесины оказывается 2960ккал/ч, поэтому самолеты и летают на керосине.
Значит определить мощность(не полезную) отопительного прибора можно определить, просто замером кол-ва сожженного топлива, скажем за час.
Тем же способом можем определить его мин., макс., и среднюю мощность.
Это по мощности(назовем ее полной), а вот, что касается полезной мощности думаем дальше.

 

По поводу определения полезной мощности котла мне кажется есть следующий подход:
Необходимо вывести котел на стабильный режим при котором скажем за 1час. сжигается постоянное кол-во топлива, к примеру 1кг., температура теплоносителя в одной из точек замера постоянна и температура в помещении тоже постоянна.
В таком состоянии "теплового равновесия" количество тепла рассеянного будет равно количеству получаемому от котла.
Зная, теплоемкость теплоносителя (к примеру воды 4,2кДж) и его количество в системе, а так же измерив его температуру на входе и выходе котла получаем мощность полезную умножением (теплоемкость*количество*на разницу температуры*1час).
Жду опровержений.
С горелкой(поскольку она только часть отопительного прибора)просто, сколько кг. топлива сожгла за 1час., без копоти и дыма) столько тепловой энергии и получилось, такова и ее мощность.
А вот с конвекторной печкой в практическом плане измерения ее полезной мощности есть сложности, как(или чем) измерять мощность излучения, и как измерять мощность переданную омывающему ее воздуху.

 

Об определении тепловой мощности самого агрегата.
Remix59, почти так. Теплотворная способность - она же низшая теплота сгорания топлива.
Чтобы оперировать с отработанным маслом, в частности автомобильными марками, но и другие близки к ним, используется соотношение через плотность:
42000 кДж/кг есть 34000 кДж/литр при плотности 0,81 кг/литр.

Если получить максимальную мощность (как Вы назвали - полную), то надо бы придерживаться условий, которые отписал в п.1 поста 6. Тогда, сравнивая расходы жидких топлив на примере разных его видов, мы сможем выяснить - на каком виде топлива с наименьшим расходом можно получить максимальную мощность - это и будет "тепловой мощностью теплогенератора", в частности котла.
(Вообще, полная мощность - это понятие больше соответствует извлечению полной теплоты сгорания, что выше низшей. Давайте оперировать "максимальной")

Единственная загвоздка у меня произошла в определении, а точнее в выявлении фактической калорийности топлив: как удостовериться, что используемое топливо имеет те или иные величины низшей теплоты сгорания? Ведь, на разных плотностях они будут изменяться, плотность то выяснить в домашних (бытовых) условиях легко, а теплоту сгорания - нет. Отсюда, может произойти ошибка в перерасчётах мощности в зависимости от расхода...

Как один из вариантов выхода из этой ситуации, в первом приближении: наверно, расчёты можно выполнить одновременно и в литрах, и в кг (если принять за плотности справочные величины). Тогда, для действующей печи (котла, и пр.) можно, предполагаю, сверить: сколько при расчётах выдаёт она тепловой мощности, зная расход в литрах, и сколько при расчётах выдаёт она тепловой мощности, зная расход в кг. Такое можно проверить у Вас? - предполагаю, что эти цифры будут разные для одного и того же топлива.

Простите, что прерываюсь. Так вот, средняя арифметическая величина расчётной тепловой мощности на выбранном виде топлива (расчитанной на литрах и на килограммах) и укажет на "номинал" печки, округлив его в большую сторону по правилам округления. В этом случае, некоторая ошибка конечно будет, но будет незначительная.

Какие будут мнения?

 

Значит измерения необходимо производить на извесном в плане теплоты сгорания топливе, например дизельном(она в сертификате на него) и мощность указывать для этого топлива (производители так и делают).
А измерять только в килограммах.
Мы ведь начали с определения характеристик кустарных изделий в кустарных условиях не так ли?

 

Если есть возможность, то эксперимент желательно проводит несколько часов (6-12), а потом результаты поделить на количество часов эксперимента по факту - будет осреднение, но будут и вернее результаты.

Конечно, сами подходы к определению параметров эффективности котла, печки, воздухонагревателя или иной установки (теплогенератора) будут отличаться.

 

Думаю большинство посетителей посчитает достаточной методику:
1кг. в час -примерно 10-12квт.
2кг. в час -примерно 20-25квт.

 

Сертификаты, или топливные паспорта, не всегда честные: те что мне попадались, имели расхождения с данными лабораторных анализов до 15%.

Почему смущают кг и литры? Можно мензуркой точно выверить объём ведра и взвесить его. Залив в него топливо - опять взвесить. Отсюда можно довольно точно определить плотность и в кг, и в литрах. А потом, пересчитать калорийность на кг и на литры.

 

А разве измерение установившегося в течении 6-12часов режима "равновесия" и многочисленные измерения в течении 6 -12часов, с целью нахождения среднего значения- не одно и то же.

 

Могут посчитать и так. На то и эта тема, чтоб считать не так!

 

В одном случае Вы делаете разовое измерение, его называют "мгновенным" иногда, а в другом - Вы получаете осреднённые показатели измерений. У них будут отличия, иногда они бывают существенные. Поэтому, чтобы ошибку минимизировать, желательно иметь длинные во времени эксперименты.

 

А как же температурные изменения обьема(таблици, плотность-температура), это же гсм.
Предлагаю идти по пути упрощения, а не усложнения.

 

Насколько я помню, от температуры изменения объёма и плотности гсм невелики.
Но вот от добавок, чистоты отработки, наличия примесей (которые сложно будет отделить и выявить, иногда, без специального на то оборудования) плотность может изменяться гораздо сильнее, нежели от температуры. Потом, температуру в помещении и в топливе, конечно легче измерить, но по ней и легче ошибиться при определении плотности, а значит и при определении калорийности. Здесь, интересно было бы сравнить!
Согласитесь, если эти процедуры выполнить для одного варианта печки или котла, ведь не потребуется повторять их каждый раз для этой же модели - они одинаковые, полагаю.