Biobränsleanvändning och Flameless oxidation i degelugnar för glassmältning

Insttutonen för bovetenskaper och processteknk, IBP Comment [BB]: Denna logo bld + text bör v anvsa som låst datafl tll studenterna. Behörgheter? mssbruk? Comment [BB]: Denna text är formaterad tll typsntt o placerg och går logon. Jag tror att avdelngarna te behöver anges här. Arbetets ttel samt Ingenjörsexamen om ämnet...-teknk bör vara tllräcklgt. Comment [BB3]: Utskrftsfor mat, Margaler standardutformng dvs,5 cm runt om. Bobränsleanvändng och Flameless oxdaton degelugnar för glassmältng Use of bofuel and Flameless oxdaton furnaces for glassmeltg Växjö jun 003 Pernlla Olsson Avdelngen för Boenergteknk

G:\PUB\UPPSATS\DOKBLAD.DOC Organsaton/ Organzaton Författare/Author(s) Växjö unverstet Pernlla Olsson Insttutonen för bovetenskaper och processteknk Växjö Unversty School of Boscences and Process Technology Dokumenttyp/Type of document Examensarbete/ Dplomawork Ttel och underttel/ttle and subttle Bobränsleanvändng och Flameless oxdaton degelugnar för glassmältng/ Use of bofuel and Flameless oxdaton for furnaces for glassmeltg Sammanfattng (på svenska) Idag värms glasugnar upp med antgen gasol eller olja, detta projekt vll vsa på möjlgheten att stället använda gas från bobränsleförgasng som förbränns utan synlga flammor. Detta skulle mljömässgt ge fördelarna att bobränslen te bdrar tll växthuseffekten och ge förutsättngar för att mska kväveoxdutsläppen genom bättre teknk än dagens. För att vsa att det är möjlgt att både behålla produktonen och reducera kväveoxderna med förgasngsgas konstruerades en modell av ugnen och strömngsblden studerades vattenmodell. För att undersöka värmeöverförgen ugnen behöver en eller flera kalormetrar konstrueras för att kunna användas vd varma försök. Dmensonsberäkngar gjordes som vsade att detta är möjlgt med vssa typer av kalormetrar. Nyckelord Glasugnar, flamlös förbränng, vattenförsök, värmeöverförg Abstract ( Englsh) Today glassfurnaces are heated wth LPG or ol ths project wll show the possblty to use gas from bofuel gasfcaton combusted wthout vsble flames. Ths would gve the envronmental benefts that bofuels don t contrbute to the greenhouse effect and reduce ntrogenoxde emssons by better technque than today. To prove the possblty to reta todays producton and reduce ntrogenoxde emssons a model of the furnace was constructed and the flow feld was studed usg water model technque. To exame the heat transfer the furnace one or more calormeters need to be constructed to be used hot experments. Dmensong calculatons were made that showed that ths s possble provded certa specfc desgns. Key Words Glass furnaces, flameless oxdaton, water model, heat transfer Utgvngsår/Year of ssue Språk/Language Antal sdor/number of pages 003-06-5 svenska 56 Internet/WWW http://www.bp.vxu.se

Innehållsförteckng Sammanfattng... 3 Växthuseffekten... 4 Förgasng... 5 Projektbeskrvng... 7 Degelugnens prcpkonstrukton... 7 Möjlga modfkatoner degelugnen - Projektets bärande tanke... 8 Avgränsng... 0 Modelldmensonerg... Glassmältngsprocessen... Modelluppställng... 3 Modellförsök... 6 Värmeövergångstalen ugnsrummet... 9 Värmeövergångstal... 0 Teor... 0 Mätnoggrannhet vd kalormetermätngar... Kalormeter typ... 5 Beräkngar på vattenkyld kalormeter... 5 Beräkngar för luftkyld kalormeter... 7 Kalormeter typ... 3 Beräkng för vattenkyld kalormeter... 3 Beräkng för luftkyld kalormeter... 3 Tryckfall kalormetrarna... 34 Teor... 34 Beräkng för vattenkyld kalormeter... 35

Beräkng för luftkyld kalormeter... 35 Kalormeter typ 3... 37 Teor... 37 Beräkngar... 39 Utvärderg... 4 Slutsats kalormetrar... 43 Mätosäkerheter för ugnen... 44 Värmebalans över ugnen... 44 Felanalys... 45 Vd praktsk mätng... 5 Ekvatonslsta... 54 Referenser... 56

3 Sammanfattng Detta magsterarbete om 0 poäng är en del ett projekt mellan Växjö Unverstet, GLAFO och Kosta glasbruk. Idag värms glasugnar upp med antgen gasol eller olja, detta projekt vll vsa på möjlgheten att stället använda gas från bobränsleförgasng som förbränns med FLOX-brännare. Detta skulle mljömässgt ge fördelarna att bobränslen te bdrar tll växthuseffekten och kunna mska kväveoxdutsläppen genom bättre teknk än dagens. För att vsa att det är möjlgt att både behålla produktonen och reducera NO x med förgasngsgas ugnen behövde en modell av ugnen konstrueras och vattenförsök utfördes för en rad olka möjlga placergar av luftsläpp och uttag av luft tll recrkulatorn. Försöken vsade att v kan få önskad strömng ugnen genom att placera och utlopp på rätt ställe och genom att byta ut dagens degel mot en mdre. För att undersöka värmeöverförgen ugnen behöver en eller flera kalormetrar konstrureras för att kunna användas vd varma försök. Beräkngar gjordes på tre olka typer av kalormetrar:. En kalormeter bestående av en låda ansluten tll två rör som förs genom luckan ugnen. Vatten eller tryckluft ansluts tll ena röret och termoelement ansluts på och utgång från lådan och mäter temperaturskllnaden som sedan används för att beräkna värmeflödet.. Ett rör på 4-5 cm med ett mdre rör ut som förs drekt väggen. Kylande medum bestående av antgen luft eller vatten strömmar genom det mdre röret och ut det större. Termoelement mäter temperaturer på ställen och skllnaden används för att beräkna värmeflödet. 3. En lten kropp av koppar eller rostfrtt stål med ett termoelement ut förs ugnen och skulle kunna mäta värmeflödet. Beräkngarna vsade att den enda av de tre metoderna är den första kalormetern. Den andre ger för låg temperaturskllnad för att kunna mätas på ett korrekt sätt och den tredje ger samma värde på värmeövergångstalet för både gasol och koppar.

4 Växthuseffekten Vssa gaser jordens atmosfär, tex koldoxd och vatten, fungerar som naturlga växthusgaser genom att de fångar upp solens värmestrålng och hdrar att den sänds tllbaka ut rymden. Utan dessa skulle temperaturen på jorden vara nästan 35 grader kallare än vad den är dag. Tll följd av mänsklg påverkan har andelen av dessa gaser ökat och förstärkt växthuseffekten vlket kan ge en globalt stgande medeltemperatur. Som en följd av stgande temperatur kommer v att få en höjng av havsnvån, främst tll följd av att världshaven expanderar. Detta kommer att leda tll att stora dela av dagens landmassor kommer att täckas med vatten. En uträkng som IPCC (Intergovernmental Panel on Clmate Change) gjort vsar att värsta fall kommer Egypten att förlora % av s yta, Nederländerna 6% och Bangladesh 7%. Många befolkade atoller Stlla Havet skulle helt hamna under vatten.en annan följd av den ökade temperaturen är att v får en förändrad hydrologsk cykel med ökad nederbörd vssa områden och mskad vattentllgång andra områden. Som en drekt följd av detta hotas den bologska mångfalden och männskors hälsa. Ökngen av växthusgaser beror främst på ökad halt koldoxd atmosfären, ett ämne som har ökat med 30% jämfört med halten för 00 år sedan. Den främsta utsläppskälla är för CO är förbränng av fossla bränslen. Vd förbränng av bobränslen ökas te den totala andelen koldoxd atmosfären pga kolets naturlga kretslopp, där det koldoxd som frgörs vd förbränng tas upp gen fotosyntesen. Det är därmed av stor vkt att kunna byta ut fossla bränslen mot bobränslen.

5 Förgasng Fram tll 50-talet använde glasbruken ved sa ugnar. Prcpen var en dålg fastbäddsförgasng med följande gasförbränng, som frångcks tll förmån för olja och gasol. Från tdgare vet man alltså att det är möjlgt att smälta glas med bobränsle, specellt med dagens förgasngsteknker som är bättre än vad de var fram tll 50-talet. Kemskt nebär förgasng att man en reducerande atmosfär termskt bryter ner kolväten från bomassa tll en brännbar gas med väte och koloxd som främsta produkter. Förgasngen sker 3 steg;. Torkng av bränslet, där vatten avgår men där bränslet te bryts ner. Pyrolys som är en termsk nedbrytng av bränslet utan syre närvarande 3. Förgasng där luft tllförs och CO och H bldas För att upprätthålla tllräcklgt hög temperatur krävs en vss förbränng, varför luft tllförs under processen. Förgasngen kan alltså lknas vd en understökometrsk förbränng. De metoder som fns för förgasng av bobränsle är fludbäddsförgasng och fastbäddsförgasng, där det fns olka teknker av varje. Fludbäddsförgasng kan delas bubblande fludbädd och crkulerande fludbädd. Båda metoderna är lämplgast för storlekar över 0 MW eftersom det är dyra metoder som kräver mycket underhåll, och är därför te aktuella för nedsmältng av glas små ugnar. Fastbäddsförgasng kan delas medströms- och motströmsförgasng. I motströmsförgasng tllsätts bränslet uppfrån och åker sakta nedåt genom torkngs-, pyrolys-, förgasngs- och förbrännszoner. Askan tas ut nedfrån där luften också tllförs. Produktgasen som tas ut på ovansdan av förgasaren har en temperatur på 00-300 C och kommer att nehålla relatvt hög andel av tjära. I en medströmsförgasare tllsätts bränslet uppfrån som motströmsförgasaren och askan tas ut botten, men skllnaden är att även luften tllsätts uppfrån och att gasen plockas ut nedtll. Produktgasen är varmare än motströmsförgasaren, 600-800 C men har mycket lägre halt av tjära. För användng en ugn för nedsmältng av glas som är känslgt för förorengar är därför medströmsförgasng fastbädd den bästa metoden. Förbränngen av gasen från förgasaren kommer att ge upphov tll kväveoxder, något som sker vd all förbränng luft eftersom luften nehåller kväve. Med rätt teknk kan andelen bldade kväveoxder reduceras. I konventonella förbränngssystem bldas en flamma en ström av brännbar blandng mellan bränsle och luft. Den lokala gastemperaturen kan här bl mycket hög. Detta hjälper tll att stablsera själva flamman men leder också tll bldande av kväveoxder genom den termska NOx mekansmen och ger cke önskvärda ojämnheter värmeövergångshastgheten. Den här sk. flamförbränngen är den vanlgaste typen av förbränng, men det går att skapa en kontrollerad förbränng en högtemperaturugn, sk flamlös förbränng. I den flamlösa förbränngen sker reaktonerna över blandngens självantändngstemperatur en större volym stället för en tunn flamfront. Ingen flamfront bldas och det fns heller gen synlg flamma och CO och NOx kan reduceras tll väldgt små mängder.

Vd konventonell förbränng kommer bränsle och luft tllsammans ett prmärt utrymme för att få så tdg blandng som möjlgt. Om stället förbränngsluften jceras vd hög hastghet drekt ugnen och blandas med förbränngsprodukter samtdgt som bränngas kommer och blandas långsamt med förbränngsprodukterna fås en temperatur som lgger nära förbränngsprodukternas temperatur. Om denna temperatur lgger över självantändngstemperaturen fås flamlös förbränng och temperaturen ugnen hålls jämnare samtdgt som man te får de temperaturtoppar som flamförbränng ger. Förvärmd luft, som kan erhållas antgen med rekuperator eller keramsk regenerator, är att föredra men är ej nödvändg. Det fns olka benämngar på flamlös förbränng ltteraturen, där flamlös oxdaton och FLOX, vlket är ett regstrerat varumärke av WS, är de vanlgaste. 6

7 Projektbeskrvng Glassmältng sker dag två olka typer av ugnar. Vd större och kontuerlg produkton används så kallade glasvannor. I mdre skala och termttent produkton används så kallade degelugnar. Dessa värms huvudsaklgen med gasol eller olja va en eller två brännare monterade ugnen. Det här magsterarbetet är en del utav ett pågående projekt mellan Växjö Unverstet, GLAFO och Kosta glasbruk där syftet med projektet är att vsa på möjlgheten att ersätta dagens gasoleller oljeeldade degelugnar med ny, fördelaktgare teknk. Denna teknk bygger på att man värmer ugnarna med gas från bobränsleförgasng som förbränns flamlöst. Projektets mål är att -vsa på de teknska möjlgheterna att ersätta fossla bränslen med bobränslen degelugnar för glassmältng. -undersöka om bobränsleanvändng degelugnar har någon negatv verkan på det producerade glasets kvaltet -mäta den specfka energförbrukngen per kg glas vd användng av bobränsle degelugnar -mäta mljöbelastngen form av kväveoxder vd användng av bobränsle degelugnar samt att jämföra denna med typska värden vd fossl bränsleeldng I Sverge framställs crka 500 ton konst- och hushållsglas oljeeldade degelugnar per år. Den nya teknken skulle nebära besparg om 7,5 GWh/år om den fördes detta sammanhang. Degelugnens prcpkonstrukton Degelugnen består prcp av ett eldstadsutrymme vlket en degel är placerad. I eldstadens väggar fns en eller flera brännare monterade så att strålng från väggarna tllsammans med konvektvt överförd värme från de heta rökgaserna värmer degeln och materalet degeln. Rökgaserna tas ut nedåt (ej på skssen) och värmen från de heta rökgaserna tas (ofta, men te alltd) tllvara en regenerator under ugnen. Ugnskonstruktonen nebär att rökgastemperaturen ur eldstaden aldrg kan understga glasets temperatur, vlket nebär att energåtervng näst tll är ett måste för en rmlg produktonsekonom. Brännare Fgur : Prcpskss med öppen degel

8 Materal läggs och tas ut ur degeln genom en lucka eldstadsväggen. Degeln kan vara täckt eller öppen (som på skssen). I fallet med en täckt degel sker alltså gen drektstrålng tll glassmältans överyta såsom det gör fallet med en öppen degel. Inte heller kommer rökgaserna drekt kontakt med det smälta glaset. Degellocket - fall av täckt degel - är te helt tätt utan har ett hål genom vlket ntrösa gaser från glassmältan kan komma ut eldstadsrummet, men hålet är så ltet att get väsentlgt flöde av rökgaser från eldstaden skall kunna komma kontakt med glaset, se nedanstående prcpskss. I fall när bränslet nehåller aska kan endast täckta deglar komma fråga, eftersom askan annat fall kan förstöra glaset. Brännare I olycklga fall kan brännarna ge upphov tll utpräglade sk hot-spots degelugnen vlket både kan ge kvaltetsproblem och kan öka sltaget på den keramska fodrgen. Den tradtonella och robusta degelugnen är alltså måttlgt energeffektv och den är känslg för flammornas form och längd. Fgur : Prcpskss med täckt degel Möjlga modfkatoner degelugnen - Projektets bärande tanke Modern, sk flamlös förbränng, har vd försök flera olka högtemperaturprocesser vsat sg kunna ge reducerade NO x -utsläpp samtdgt som produkten och processen te på msta vs påverkats negatvt eller tll och med påverkats postvt. Den flamlösa oxdatonen bygger på att man tllsätter bränslegas (eller luft) tll en het ugnsatmosfär som nehåller ett överskott av luft (eller bränslegas) och att det tllsatta gasflödet blandas långsamt med ugnsatmosfären under gasens strömng nedåt förbränngsutrymmet. På detta vs undvker man de lokalserade och mycket heta reaktonszoner som daglgt tal kallas flammor och får stället den kemska energfrgörelsen att ske Fgur 3: Huvudströmngsbld

9 en mycket stor gasvolym. Detta nebär flera fördelar: + Bättre temperaturjämnhet gasen + Inga heta punkter gasen + Förbättrad värmeöverförg Nackdelen är främst att man har mdre god kontroll över huvudströmngen än man har en tradtonell stallaton med brännare. Om man betraktar huvudgasströmngen en degelugn (fg. 4) - där brännarna är borttagna för enkelhets skull - sker den alltså uppfrån och nedåt. Eftersom brännarna te fns med skssen är det förstås oklart varfrån gasen kommer. I en ugn med täckt degel kommer en del ntrösa gaser att - åtmstone under en del av smältforloppet - att komma ut genom hålet degellocket. Reducerande Oxderande Reducerande Oxderande Bränslega Luft Tanken med projektet är att dels åstadkomma zoner med omväxlande oxderande och reducerande atmosfär krg degeln och att samtdgt undvka sk hot-spots, dvs extremt varma punkter som både kan ha en negatv verkan på glaskvalteten och kan utgöra källor för kväveoxder genom den termska mekansmen. Genom att växelvs tllföra bränslegas från en bobränsleförgasare och förbränngsluft är det tänkt att växelvs åstadkomma reducerande och oxderande betgelser gasen och att därgenom skapa förutsättngar dels för en redukton av kväveoxdutsläppen och dels för en god temperaturjämnhet. Fgur 4: Projektets huvudtanke

0 Avgränsng Detta arbetet är ett magsterarbete på 0 poäng vd avdelngen för Boenergteknk vd Växjö Unverstet. Då hela projektet är planerat tll en perod om,5 år måste avgränsngar för magsterarbetet göras. V har valt att låta magsterarbetet omfatta dels hur strömngsblden ugnen ser ut med hjälp av modellexperment och dels att gälla kravspecfkatonen för de varma mätngarna där konstrukton av kalormetrar för att utröna värmeövergången går.

Modelldmensonerg En modell är en anläggng, ofta förmskad, som ett eller flera avseenden smulerar en exsterande process. Om lkformghetsvllkoren som krävs det aktuella fallet är uppfyllda kommer de tressanta parametrerna att varera på samma sätt modell och prototyp, och efter omräkng av resultaten från modellen får man fram vad som skulle erhållts prototypen. De lkformgheter som kan beaktas är -Geometrsk lkformghet prototypen skalas ner med hjälp av en skalfaktor -Mekansk lkformghet statsk, kräver att modell och prototyp undergår lknande elastska eller plastska deformatoner när motsvarande spänngssystem applceras kematsk, Hastgheten mellan två punkter modell och motsvarande punkter prototyp skall ha ett konstant förhållande dynamsk, förhållandet mellan de krafer som ger upphov tll acceleraton av olka meder de korresponderande systemen skall hållas konstant. -Termsk lkformghet nebär att temperaturfälten två system är lkformga -Blandng nebär att samma koncentraton råder lkbelägna punkter de båda systemen De vllkor som måste vara uppfyllda för att smulera strömngen glasugnen är att -modellen är geometrskt lkformg med prototypen -strömngen domeras av samma krafter båda fallen vlket nebär att kraftbalansen skall vara lkformg. Denna brukar förenklat uttrycks som Reynolds tal. Reynolds tal måste vara samma modell och prototyp om denna är lägre än 5000, däröver kommer huvudströmngen att vara lkadan oavsett om Reynolds tal ökas. För undersökng av strömng kan man antgen använda luft eller vatten som strömmande medum. Den kematska vskosteten för luft är ungefär 0 gånger högre för luft än för vatten, vlket för samma Re nebär att strömngshastgheten blr en tondel för vatten mot luft. Om man vll aktta eller fotografera strömngen är därför vatten lämplgast. För att reproducera dagens drftstuaton med en gasolbrännare placerad över degeln och undersöka strömngen ugnen med förbränngsgas konstruerades en vattenmodell plexglas över ugnen. Reynolds tal ugnen är vd normal drft lågt, under 4000, vlket nebär att modellen behövde dmensoneras för samma Re som prototypen. För beskrvng av modellkonstruktonen se blaga. Försök utfördes både för att smulera varmhållngsfasen och smältfasen processen. Glassmältngsprocessen Glassmältngsprocessens kraktärstka bestäms av glasets egenskaper och av den kvaltet som önskas hos det färdga glaset.

Råsmältng under vlken flera lägg görs och temperaturen höjs successvt Blanksmältng vd crka 40 o C Avsvalng tll arbetstemperaturen Arbetstemperat ur 6-7 h 4-5 h 3-5 h Rel. effekt:.. 3 Fgur 5: Prcpellt smältförlopp kl. relatva effekter Grovt talat kan man säga att processen nehåller tre faser från att en dags arbete avslutats tlls nästa dags arbete påbörjas. Faserna är råsmältngsfasen med upprepade glaslägg och en successvt stgande glastemperatur, blanksmältngsfasen då glaset hålls vd en konstant temperatur och gasneslutngar/-bubblor ges td att stga upp tll ytan samt avsvalngsperoden då glastemperaturen successvt sjunker från den höga blanksmältngstemperaturen och återgår tll arbetstemperaturen. Under processen ändras effektpådraget från (relatvt) under arbetstden upp tll närmare tre gånger detta pådrag slutet av råsmältngen för att sedan successvt sänkas ner tll ett mmum av kanske bara to procent av varmhållngseffekten slutet av avsvalngen och slutlgen åter höjas tll den normala effektnvån för varmhållng under produkton. Sammantaget fås alltså att närmare 30 % av dygnets energförbrukng sker under råsmältngen och lka mycket under avsvalngsfasen medan blanksmältngen kräver omkrg 5 % av dygnsförbrukngen av energ. Endast crka 5 % av den totala energsatsen per dygn förbrukas under de 9 tmmarnas effektv produktonstd. Typska totala dygnsenergförbrukngar för oljeeldade degelugnar varerar mellan knappt 5 tll drygt kwh/kg uttaget glas varav alltså allt bränsle förbrukas en högtemperaturprocess och dessutom knappt hälften av bränslet förbrukas v en mycket hög temperatur. Utöver CO - utsläppen från fosslt kol kan man alltså dessutom förvänta sg höga utsläpp av kväveoxder från förbränngen.

3 Modelluppställng En degelugn för glassmältng ser prcp ut på vdstående vs. I en mer eller mdre kubsk neslutng befner sg en degel, fylld med glassmälta. Degeln står te mtt ugnen utan står närmare framväggen än bakväggen. Ovanför degeln brner en gasolflamma. I ugnens framvägg den som vetter mot betraktaren detta fall fns en lucka strax över degeln, genom vlken glas tas ut för blåsng. Degeln står på stöd som håller upp den från ugnsgolvet. Rökgaserna från förbränngen tas ut genom hål golvet. I det här fallet, där en reburngeffekt med omväxlande luft- och bränslerka zoner önskas, räcker det te att tllsätta bränslegasen ett lopp. Modellen utrustades därför med ett gaslopp taket, rktat nedåt mot glassmältans yta. Luftförvärmngen är tänkt att åstadkommas med hjälp av dubbla rekuperatorer. För varje gaslopp krävs därför två luftportar som växelvs tjänstgör som luftlopp och som rökgasavdrag. Det andra gasloppet placerades en ugnsvägg, strax under degelns överkant. En modell för vatten gjordes skala :8 av ovanstående ugn med ett antal utbytbara gavlar för att smulera både dagens fall med gasolbrännare och för att smulera olka fall med förgasngsgas. Modellen byggdes 0 mm plexglas med utbytbara gavlar för att kunna testa olka möjlga fall med och utlopp för luften och förbränngsgasen. olka deglar gjordes också för att undersöka om det blr någon skllnad med en mdre degel ugnen. Den mdre degeln kallas försöken för degel A och modellen av dagens degel kallas för degel B. De utbytbara gavlarna har följande utseende: Gavel, gasolbrännare 75 35 5 70 Med denna ugnsgavel smulerades dagens drftstuaton som en referens. I detta fallet blandades färglösngarna brännarens tlloppsslang - dvs utanför ugnsrummet. 50

4 Gavel. Det stora hålet är för förgasngsgas, de övrga för luft och ut tll rekuperatorerna. Uppfrån och medsols kallas lufthålen försöken för L-L4. Luftloppen L och L4 stter över degeln och betjänar huvudsak det gaslopp som stter ugnstaket. Luftloppen L och L3 stter under respektve över det nedre gasloppet och är tänkta att huvudsak betjäna detta. 30 30 5 L4 L L3 L3 70 75 L 35 55 50 30 30 L4 L Gavel 3.Det stora hålet är för förgasngsgas, de övrga för luft och ut tll rekuperatorerna. Uppfrån och medsols kallas lufthålen försöken för L-L4. 5 70 60 80 L3 L 50

5 Gavel 4. Det stora hålet är för förgasngsgas, de övrga för luft och ut tll rekuperatorerna. Uppfrån och medsols kallas lufthålen försöken för L-L5. 30 30 50 50 L5 L4 L 70 5 L 75 L3 35 55 50 30 30 50 50 L4 L 5 70 Gavel 5. Det stora hålet är för förgasngsgas, de övrga för luft och ut tll rekuperatorerna. Uppfrån och medsols kallas lufthålen försöken för L-L4. L3 60 80 L 50

6 Modellförsök Försöken utfördes på ett vattenbord där vatten och dkatorer för blandngen pumpades vattenmodellen med hjälp av pumpar. För att reglera flödet på och utgångarna användes rotametrar kopplade tll pumparna, som var frekvensstyrda. För att smulera gasen den övre delen av ugnen användes järn och cyandjonlösngar som ger en kraftgt röd järncyand enlgt Fe 3+ + 3 SCN - Fe(SCN) 3 Där järnjonerna tllsattes det övre gasloppet och cyanden något av de övre luftloppen. L, L4 eller L5. För att smulera gasen den nedre delen av ugnen användes det som brukar kallas för berlerblått, dvs Fe 3+ + Fe(CN) 6 4- Fe (CN) - Även här tllsattes järnjonerna det övre gasloppet medan cyanoferraten tllsattes något av de nedre luftloppen, L, L3 eller L4. Försöken vdeoflmades för att kunna gå tllbaka och jämföra resultaten mellan de olka gavlarna och deglarna vd olka drftfall. För att reducera kväveoxder är det önskvärt att gasen från den nedre delen av ugnen håller sg den nedre zonen och te blandar sg med gas och luft den övre delen. För att få så bra värmeöverförg och temperaturjämnhet som möjlgt är det vktgt att få en god omblandng ugnen, gärna med en spraleffekt där gasen från övre delen av ugnen vandrar neråt och te går upp gen. Nedan följer en sammanfattng av vlka försök som utfördes och en kort beskrvng av resultatet för vart försök. Kursv text vsar vad som är skllnaden mot föregående experment. Försök Drftfall Gavel Luftsläpp Degel Beskrvng Produkton L-L3 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, god sprdng Smältng L-L3 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, god sprdng 3 Smältng 3 L-L A Inblandng av nedre zonens gas, ev spraleffekt, god sprdng 4 Produkton 3 L-L A Inblandng av nedre zonens gas, ev spraleffekt, god sprdng 5 Produkton 3 L-L3 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, lte sämre sprdng runt degeln 6 Smältng 3 L-L3 A Inblandng av nedre zonens

7 gas, vrvlar, lte sämre sprdng runt degeln 7 Smältng 3 L-L4 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng 8 Produkton 3 L-L4 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng 9 Smältng 5 L-L3 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, lte sämre sprdng runt degeln 0 Produkton 5 L-L3 A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, lte sämre sprdng runt degeln Produkton 5 L-L A Inblandng av nedre zonens gas, spraleffekt, mdre gas ena hörnet runt degeln Smältng 5 L-L A Inblandng av nedre zonens gas, spraleffekt, mdre gas ena hörnet runt degeln 3 Smältng 4 L-L4 L5-L ut 4 Produkton 4 L-L4 L5-L ut 5 Produkton 4 L-L4 L5-L3 ut 6 Smältng 4 L-L4 L5-L3 ut 7 Smältng 4 L-L3 L5-L ut 8 Smältng 4 L-L3 L5-L4 9 Smältng 4 L-L L5-L4 ut 0 Smältng 4 L5-L4 L-L3 ut A A A A A A A A Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, lte sämre sprdng runt degeln Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, lte sämre sprdng runt degeln Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, mycket av övre gasen går ut pannans övre del Inblandng av nedre zonens gas, vrvlar, relatvt god sprdng Smältng 4 L-L L5-L3 ut A Nedre gasen relatvt ok, spraleffekt Produkton 4 L-L L5-L3 ut A Nedre gasen relatvt ok, spraleffekt 3 Produkton 4 L3-L5 A Nedre gasen relatvt ok,

8 L-L ut 4 Smältng 4 L3-L5 L-L ut 5 Produkton 4 L-L L3-L5 A B spraleffekt Nedre gasen relatvt ok, spraleffekt Nedre gas relatvt ok, spraleffekt, men gen gas alls där degeln står nära väggen Spraleffekt och relatvt god sprdng Spraleffekt, dålgt med gas runt hela degeln 6 Produkton 4 L3-L5 L-L ut B 7 Smältng 4 L3-L5 B L-L ut 8 Produkton Gasol - B Gasen sänker sg tungt ugnen, gen som helst spral Slutsatserna från modellförsöken är: * In- och utlopp för förgasngsgas och luft bör placeras så som de är gavel 4 * En mdre degel än dagens bör användas.

9 Värmeövergångstalen ugnsrummet Som tdgare sagts är ett av målen med projektet att, trots frånvaron av flammor, upprätthålla produktonen, dvs värmeöverförgen. Efter ombyggnad av ugnen skall detta undersökas genom kalormetrska mätngar. Kalormetr betyder läran att mäta värme och baseras på temperaturmätngar när en kropp absorberar eller avger värme. För att expermentellt bestämma värmen assocerad med en kemsk reakton använder man en kalormeter. En eller flera enkla kalormetrar behöver dmensoneras och stalleras glasugnen Kosta för att undersöka hur stor värmeöverförgen är ugnen vd gasoleldng och med förgasngsgas. Grunddén är att föra en enkel kalormeter genom ugnsluckan och placera denna på flera ställen ugnen. Kalormetern kan antgen anslutas tll tappvattnet eller kylas med tryckluft. Båda metoderna har både för- och nackdelar. Vattenkyld kalormeter +Lättllgänglgt, kan anslutas drekt tll tappvattnet +Låga temperaturer, tex. 0 grader och 40 grader ut, vlket för att utloppet kan gå ut drekt avloppet och att det är rskfrtt med hänsyn tll brännskador +De låga temperaturerna gör det lätt att välja materal på rör och kalormeterkropp +Lätt att ställa och att mäta flödet -Lätt att få ställen kalormetern där vattnet står stlla. Stllastående vatten ger en sämre bld av värmeflödet. -Stllastående vatten kokar lätt och ger övertryck kalormetern, vlket leder tll försltngar och förlängngen kan det även gå hål på kalormetern Luftkyld kalormeter +Lättllgänglgt att ansluta drekt tll tryckluft +Slpper problem med ev stllastående vatten och vattenånga -Gasen loppet kan ha låg temperatur, men utloppstemperaturen kommer att vara hög. Var gör man av utloppet utan att rskera brännskador? Ur mätosäkerhetssynpunkt räcker det med en temperaturskllnad på 0-40 C för vatten, medan för tryckluften krävs det att skllnaden är ungefär 00 C. För vattnet kan man te räkna med att man kommer upp en högre hastghet än 3 m/s någonstans och begränsngen för tryckluft är 6 bar. Beräkngar på tryckfall kalormetrarna måste göras för att undersöka om detta räcker tll. För att avgöra om temperaturskllnaderna är tllräcklga för att kunna användas vd utvärdergen av värmeöverförgen ugnen görs beräkngar både på vattenkyld och luftkyld kalormeter. Teoretskt sett väntar man sg en skllnad värmeövergångstal från dagens stuaton med crka 5-0% ökng. För att mätngarna skall vara mengsfulla krävs att de kan utvärderas med en noggrannhet som är bättre än så.

0 Värmeövergångstal Teor För att utvärdera värmeövergångstalet ur värmebalansen för kalormetern måste en värmebalans över kalormeterns yta ställas upp. Den överförda effekten från ugnen tll kalormetern kan beskrvas med Q =Arör*q str +A rör *α ( omg, - rör,) Den lagrade effekten kylmedet (här luft) är Q = m& *Cp*( + ) lagrat luften Och den överförda energ tll kylmedet blr Q överfört tll luften=arör*α sda *( rör- luft ) där q str=strålng från väggar (W/m ) A rör =arean på röret (m ) α =värmeövergångstalet (W/m C) omg, =temperatur på omgvande gas ( C) rör, =temperatur på röret ( C) m& =massflöde (kg/s) Cp= specfk värmekapactet (J/kg C) α sda =värmeövergångstal på sdan av röret (W/m C) = utgående temperatur ( C) För kylmedet gäller alltd att den gående effekten är den samma som den magaserade effekten, vlken s tur är densamma som den överförda effekten Q =Q =Q lagrat luften överfört tll luften Med ovanstående resonemang kan en balansekvaton för en kalormeter ugnen ställas upp; A rör [ q α ( )] = A α ( ) str, + omg, rör rör sda rör luft qstr, + αomg, α rör = α sdarör α sdaluft ( α + α sda ) = str + αomg, α sda luft rör q + rör = q ' str omg sda sda str + α q α α α omg + α sda, + +,, luft α + α sda = α + α sda ()

Eftersom Q =Q lagrat luften gäller för luft så kan rör lösas ut A A rör rör ' ( q α α ) = mcp( ) q + & str, omg rör ' ( ) Arörα rör str, Arörαomg mcp = + & rör = α A rör ' [ A ( q + α ) m& Cp( )] () rör str, omg Eftersom = rör rör kommer slutsatsen bl att ekvaton () = ekvaton (), dvs q ' str, + α omg, + α sda + α sda α + α sda rör ' [ A ( q + α ) mcp( )] = & rör str, omg (3) A α och detta är den ekvaton som gäller för beräkngar då medet är luft. Om man studerar vänsterledet då α sda växer mot oändlgheten relatvt det andra värmeövergångstalet, vlket är vad som sker med vattenkylng, ser man att q str, + α α + α sda omg ' ( + ) ( α + α ) sda 0 då α sda α sda ' + växer och att då α sda växer Då dessa samband sätts ekvaton (3) fås en förenklad vllkorsekvaton för vatten som ser ut som ekvaton (4) ' + rör ' [ A ( q + α ) mcp & ( )] = rör str, omg (4) A α Med ekvatonerna (3) och (4) kan man nu lösa den utgående temperaturen,, för vlket medum som helst, för vlken geometr som helst och för vlket flöde som helst. Det v är tresserade av att veta är hur temperaturen kommer att höjas röret på väg kalormetern, vlken höjng v får kalormetern och vlken höjngen blr röret ut. Detta beräknas på både vattenkyld och luftkyld för att utvärdera om någon av metoderna är bättre/sämre än den andra.

Mätnoggrannhet vd kalormetermätngar Hur noggrant en mätng än utförs så kommer den ändå att vara behäftad med osäkerheter. För att utvärdera osäkerheterna en mätng och mmera effekterna av dessa är det vktgt att utföra en felanalys nan man sätter gång med sa experment. När det gäller kalormetrarna mäter man flöde och temperaturökng och utvärderar sedan värmeövergångstalet ur en värmebalans, dvs q magaserad ( ) = q = α A ( ) = m& * Cp * * ut tllförd α kan sedan utvärderas enlgt formel (5) kal ugn kal ~ m& * Cp * α = A kal ( ) ut ( ) ugn kal (5) Osäkerheter kommer då att fnas alla gående parametrar utom Cp, eftersom detta är ett tabellerat värde som v får anta är ett säkert värde. Den relatva mätosäkerheten betecknas ε och för vårt uppmätta α, närmevärdet α ~, så blr formeln med den totala osäkerheter satt ~ m& * Cp* ( ) ut α = * + Akal ( ugn kal ) ( ε ) där ε tot är det totala relatva felet. tot m& om denna te kan mätas drekt utan beräknas genom att mäta hastghet och area på röret så blr den m& = U gas * A rör * ρ gas U gas ( + ε U ) = k flöde ΔP( + ε k + ε ΔP ) Arör ( + ε A ) = Arör ( + ε d ) Pgas Tref ρ gas ( + ε ρ ) = ρ * * ( + ε P + ε T ) P T ref gas Cp är ett tabellerat värde och har därmed gen mätosäkerhet ( + ε ) = ( + ε ) A + ε ) = l * b( + ε + ε ) kal ( A l b

3 För temperaturmätngen kan man te använda det relatva felet eftersom man måste kunna använda vlken termometer som helst, oavsett om den mäter C, Kelv eller Fahrenhet. Därför för v den absoluta osäkerheten δ våra ekvatoner. Om termern ut - kallas för blr den absoluta osäkerheten för denna temp δ temp =δ ut +δ vlket ger den relatva osäkerheten ε δ δ δ temp ut temp = =. ut ut Om termen ugn - yta kallas för temp blr osäkerheten för denna δ temp =δ ugn +δ yta. Om temperaturen på ytan approxmerats med vattentemperaturen kan man grovt sätta att yttemperaturen genomsntt blr ( + ut ) och osäkerheten för temp blr då δ temp = δ ugn + + ( δ δ ) eller den relatva osäkerheten ut ε ugn δ = ugn ugn + ( δ + δ ) ( + ) ut ut. Med ovanstående osäkerheter kommer den totala osäkerheten för uttrycket att bl ~ α ( + ε ) tot + ε k + ε Δ U * A = P ror * ρ A kal gas * Cp * ( ) ugn ( ) kal δ ut + ε d + ε P + ε T + ε l + ε b + ut * ut + δ δ + ugn ugn + ( δ + δ ut ) ( ) + ut. Flödesmätng geometr temperaturmätng

4 De första termerna hör samman med flödesmätngen. Det gäller alltså att välja en flödesmätare som möjlgaste mån mmerar osäkerheten. Om vatten används som medum kan man använda hk och-klocka metoden, varvd de flesta av termerna försvner och flödet kan mätas noga. Använder man luft eller annan gas fungerar te detta. De andra termerna gäller geometr. Det gäller alltså dels att mäta upp kalormetern noggrant men också att te tex överhetta den så att den slår sg eller på annat sätt ändrar form. Den ssta gruppen termer handlar om temperaturmätngen. Denna blr alltmera noggrann ju högre värmeövergångstal man har mellan termoelement eller termometer och kylmedum. För vatten är värmeövergångstalet runt 0 4, för luft runt 0, en skllnad på 000 gånger vattnets favör. Den här analysen vsar alltså att v första hand skall sträva efter att htta en kalormetertyp som gör det möjlgt att använda vatten som medum.

5 Kalormeter typ Den första och enklaste typen av kalormetrar som beräkngar utförs på är en kalormeter som består av en låda ansluten tll två rör. Vatten eller luft strömmar genom det ena röret själva kalormetern där det värms upp, och sedan ut genom det andra röret. Termoelement monteras loppet och utloppet på lådan, för att värmeflödet ska kunna beräknas genom temperaturskllnaden. Prcpskss över hur kalormetern ser ut vsas fgur () nedan. In Ut termoelement termoelement In och utloppsrör Mätkropp Fgur 6 Kalormeter av typ Beräkngar på vattenkyld kalormeter För enkelhetens skull och för att kunna använda samma beteckngar genom hela beräkngen delas kalormetern 3 delar; -röret kalormetern -kalormetern -röret ut ur kalormetern blr då temperaturen den del som beräkngen utförs på och är den efterfrågade temperaturen ut ur delen. Rören tll kalormetern antas vara m långa med dametern cm. Beräkngarna på kalormetern baseras på att denna är * dm* cm. Övrga data som används beräkngen är ρ vatten =998, kg/m 3 α = W/m C q str =, kw/m =,*0 3 W/m omg =400 C Cp=48 J/kg C Den maxmala hastgheten som kan uppnås är 3 m/s vlket ger ett flöde på max,4*0-4 m 3 /s. För hastgheterna 3,,5 och 0,75 m/s blr m& =0,4, 0, och 0,06 kg/s Ekvatonen som används ut ur den aktuella delen är som tdgare sagt ekvaton (4);

6 ' + = A α rör ' [ A ( q + α ) mcp & ( )] rör str, omg Beräkng av temperaturhöjng röret Hur stor temerpaturökng som fås föret är te tressant för själva värmeflödesberäkngen sg, men måste göras för att få reda på den gående temperaturen tll mätkroppen. Den gående temperaturen på vattnet,, sätts tll 0 C Arean på röret beräknas som A rör =π*0.005 =7,8*0-5 m Insatt värden ovan ekvaton (4) ger för massflödet 0,4 kg/s att den utgående temperaturen,, blr 0 C Samma beräkng utförs för kg/s. m& =0, kg/s där blr 0 C, samma resultat fås för m & =0,06 Man kan alltså konstatera att det te blr någon höjng av temperaturen röret kalormetern. Beräkng av temperaturhöjng mätkroppen Den gående temperaturen kalormetern,, fås från ovanstående beräkng och blr 0 C. Arean på mätkroppen beräknas tll A kal =0,*0,*+0,*0,0*4=0,08 m Övrga parametrar beräkngen är samma som föregående beräkng av temperaturskllnaden. Insatta värden enlgt ovan ekvaton (4) ger att den utgående temperaturen för olka flöden blr som tabellen nedan Massflöde kg/s Temp ut,, C 0,4 4,6 0, 9 0,06 38, 0,03 56,4 Beräkngen vd flödet 0,03 kg/s är mest en referens. Så låga flöden rskerar att ge stllastående zoner kalormetern med kokng och ångbldng som följd. Beräkng av temperaturhöjng ut ur röret

7 Lksom för beräkngen av temperaturhöjngen röret är det te heller tressant för beräkng av värmeflöde att beräkna temperaturen ut ur röret. Däremot är detta vktgt att göra för att veta hur det utgående röret ska placeras vd den expermentella uppställngen. Från den tdgare beräkngen av temperaturhöjng kalormetern fås den gående temperaturen,, 0 C. Övrga värden beräkngen är samma som för beräkngen av temperaturökng röret och då fås efter sättng ekvaton (4) den utgående temperaturen vd olka massflöden enlgt nedanstående tabell. Massflöde kg/s Temp,, C Temp ut,, C 0,4 4,6 4,6 0, 9 9 0,06 38, 38, Men kan se att te heller för röret ut ur kalormetern kommer temperaturen att öka. Beräkngar för luftkyld kalormeter Den luftkylda kalormetern är densamma som den vattenkylda, men enlgt tdgare resonemang används ekvaton (3), nedan, för att beräkna temperaturökngen när kalormetern kyls med luft. q ' str, + α omg, + α sda + α sda α + α sda = & rör str, omg A α rör ' [ A ( q + α ) mcp( )] De data v vet är ρ luft =,89 kg/m 3 q str =, kw/m =,*0 3 W/m omg = 400 C Cp = 8 J/kg C V vet att v har ett tryck på max 6 bar ledngen, vlket är detsamma som 6*0 5 Pa. För att beräkna vlken hastghet ett tryck på 6 bar motsvarar använder v formeln för dynamskt tryck som säger att ρv P = Pa Ur denna kan v få hastgheten, dvs v = p * ρ (6) Då värdena ovan sätts ekvaton (6) får v att den maxmala lufthastgheten blr

8 5 6 *0 * v = =004 m/s,89 I verklgheten kan man te räkna med att man kan få en hastghet på mer än 00 m/s utloppet, vlket gör att försörjngstrycket te kommer att vara någon begränsng. För den luftkylda kalormetern är det krtskt att räkna ut α sda eftersom man tll skllnad från för vatten te kan försumma denna när det gäller luft. För att beräkna denna används de dmensonslösa talen Nusselts tal, Reynolds tal och Prandtls tal. Prandtls tal är ett mått på fludens värmeledngsförmåga och Reynolds tal är ett mått på strömngsblden. Nusselts tal beskrver kopplgen mellan dessa. De formler som används för den här beräkngen är d h Nu =,86 Re* Pr* l / 3 d h vlken är gltg då Re* Pr* > 0 (7) l Uρd Re = h μ Pr = μ Cp λ (8) (9) d h Nu = α 0 α sda = Nu λ (0) λ d h där d h= hydraulsk dameter = 4*A/O (m), där O är rörets omkrets U =medelhastghet (m/s) ρ = denstet (kg/m 3 ) μ = vskostet (N*s/m ) Cp = specfk värmekapactet (J/kg C) λ = värmeledengsförmåga (W/m C) α = värmeövergångstalet (W/m C) Vd beräkngarna antas luften ha en temperatur på 0 C, vlket ger oss de gående värdena ρ=,89 kg/m 3-6 μ=8,*0 N*s/m -3 λ=5,7*0 W/m C A rör = 7,8*0-5 m d h=0,0 m När dessa värden används ekvatonerna (7)-(0) ovan ger det resultat enlgt tabellen nedan på α sda för lufthastgheterna 50, 40, 30, 0 och 0 m/s.

9 Temp U Pr Re Nu αsda m& 0 50 0,70 3845,45 9,4 0,0046 0 40 0,70 676 0,63 7,3 0,0037 0 30 0,70 9707 9,66 4,8 0,008 0 0 0,70 338 8,44,7 0,0087 0 0 0,70 6569 6,7 7, -4 9,7*0 Beräkng av temperaturförändrg röret För att beräkna vlken temperaturökng som blr röret kalormetern gäller att den gående temperaturen,, är 0 C. Arean på röret beräknas tll A rör =π*0.005 =7,8*0-5 m Då dessa värden och värden från tabellen ovan sätts ekvaton (3) ' qstr, + αomg, + α sda + α sda ' = Arör qstr + α omg mcp &, α + α A α sda rör [ ( ) ( )] kommer den utgående temperaturen,, vd massflödet 0,0046 kg/s att bl 0,59 C. På samma sätt blr 0,7 C för massflödet 0,0037 kg/s och, C för massflödet 0,008 kg/s. Resultatet blr även för den luftkylda kalormetern att det te blr någon temperaturhögng röret kalormetern. Beräkng av temperaturhöjng mätkroppen; Den hydraulska dametern för kalormetern är te samma som för röret. Detta påverkar Reynolds tal och därmed måste en ny beräkng av α sda göras. Den hydraulska dametern beräknas tll d h =4*a*b/(a+b) = 4*0,*0,0/(0,+0,0)= 0,066 m För beräkng av den krtska parametern α sda användes som tdgare ekvaton (7)-(0) för att beräkna Prandtls, Reynolds och Nusselts tal, resultatet vsas tabellen nedan. Temp U Pr Re Nu α sda m& 0 50 0,70 6779 86,7 33,8 0,0046 0 40 0,70 7343 80,6 3,4 0,0037 0 30 0,70 30067 73, 8,5 0,008 0 0 0,70 867 63,9 4,9 0,0087 0 0 0,70 43356 50,8 9,8-4 9,7*0 Eftersom temperaturen te höjdes röret kalormetern blr den gående temperaturen,, 0 C.

30 Med samma ekvaton som användes för beräkng av temperaturhöjng röret (ekvaton (3)) beräknas temperaturhöjngen som blr kalormetern vd olka massflöden, se tabellen nedan. Massflöde, kg/s Temp ut,, C 0,0046 35,5 0,0037 70 0,008 30 0,0087 4 9,7*0-4 60 Som framgår av tabellen ovan fås en betydande temperaturökng kalormetern, mellan 00 C och 600 C för de beräknade hastgheterna. Beräknade termeraturökngar är tllräcklga för att osäkerheten temperatumätngen te skall bl någon väsentlg begränsng mätngen. Beräkng av temperaturhöjng ut ur röret Då temperaturen varken höjdes röret eller ut för den vattenkylda kalormetern och te heller röret den luftkylda, kan man tro att den te kommer att höjas väsentlgt heller den luftkylda. Beräkng görs på massflödet 0,008 kg/s och en temperatur på 300 C, då det för denna temperatur fns tabellerade värden. Om denna beräkng te vsar någon påtaglg temperaturökng kommer te heller övrga massflöden som beräknas på att vsa någon temperaturhöjng. För en gående temperatur,, på 300 C gäller att Cp=045 J/kg C ρ=0,608 kg/m 3 μ=9,5*0-6 N*s/m λ=0,0454 W/m C Ovanstående värden ger efter sättng ekvaton (7)-(0) Pr=0,69 Re=40808 Nu=49,3 α sda = W/m C Då dessa värden används ekvaton (3) för beräkng av temperaturökngen fås att temperaturen ut ur röret blr densamma som ut ur kalormetern, dvs det blr gen temperaturförändrg röret ut ur kalormetern.

3 Kalormeter typ Efter att ha fått godkännande av Kosta om att borra upp hål med en dameter på 5 cm glasugnen blev även en annan typ av kalormeter tressant att räkna på. För kalormetrarna ovan skulle det blr mycket svårt att mäta värmeöverförgen på andra ställen än ovanför glasdegeln, då geometr ugnen te tllåter att v för ner den mellan väggen och degeln. Med uppborrade hål ugnens vägg kan v konstruera en vatten- eller luftkyld kalormeter som kan föras genom de uppborrade hålen och därmed mäta värmeöverförgen drekt nerväggens plan. Tanken är att kalormetern består av ett rör med en dameter på 4-5 cm och ut detta ett mdre rör på cm. Det kylande medet strömmar genom det nersta röret ut det yttre, och ett termoelement mäter temperaturen drekt vd utloppet mellan det re och det yttre röret och termoelement mäter temperaturen kröken på det yttre röret. Lksom för kalormeter av typ beräknas värmeflödet på temperaturskllnaden mellan de två termoelementen. Fgur vsar hur kalormetern ser ut. Termoelement Vatten eller luft Termoelement Fgur 7 Kalormeter typ Man kan även tänka sg att man stallerar ytterlgare ett termoelement ett par centmeter kalormetern för att kunna mäta värmeöverförgen en bt ugnen. För att detta ska vara mengsfullt måste temperaturskllnaden mellan de båda termoelementen vara mst 5 C, samtdgt som avståndet mellan dessa pga. ugnens geometr måste vara kortare än 5 cm. Innan det är mengsfullt att göra beräkngar på detta måste beräkngar av temperaturökng av enbart ett termoelement spetsen göras. För beräkng av kalormeter typ används samma formler som användes tdgare för kalormeter av typ, eftersom det är samma typ av kalormeter, det är bara geometr som är förändrad.

3 Beräkng för vattenkyld kalormeter Beräkngar har tdgare gjorts av temperaturförändrg ett rör av dametern cm vlka vsade att temperaturen te förändrades. Detta är gltgt även för kalormeter typ eftersom dametern på det re röret är detsamma typ. Väggarnas temperatur antas vara samma som degelns vlket ger att värmestrålngen blr q str = 8, kw/m = 8,*0 3 w/m Kalormeterns dameter sättes tll 5 cm vlket ger att arean blr A kal =π*0,05 =,96*0-3 m För att beräkna vlken temperaturökng v får mellan det re röret och termoelementet görs beräkng med samma massflöden som för vattenkyld kalormeter av typ. Efter beräkngar fås den utgående temperaturen vd olka massflöden som tabellen nedan Massflöde, kg/s Temp ut,, C 0,4 0,3 0, 0,6 0,06,3 Temperaturhöjngen blr alltså så lten att den knappt är mätbar. Denna typ av vattenkyld kalormeter går därför te att använda för att undersöka värmeöverförgen med de flöden som krävs för att undvka stllastående vatten och kokng kalormetern. Beräkng för luftkyld kalormeter För att undersöka om kalormeter av typ kan användas luftkyld görs beräkngar även på detta. På samma sätt som för luftkyld kalormeter av typ kan te α sda försummas och måste därför beräknas nan beräkngar på temperaturförändrg kan göras. Kalormetern beräknas vara 0 cm lång kalormeter med en hydraulsk dameter d = 0,05 m. h Övrga data som används för beräkng av α sda genom Pr, Nu och Re är lksom för den luftkylda kalormetern av typ ρ =,89 kg/m 3 μ = 8,*0-6 N*s/m λ = 5,7*0-3 W/m C Ekvatonerna för beräkng är lksom tdgare ekvaton (7)-(0), och med ovanstående värden satta fås resultat enlgt tabellen nedan Temp U Pr Re Nu α sda m& 0 50 0,70 647 57, 9 0,0046 0 40 0,70 338 53,4 7,3 0,0037 0 30 0,70 98536 48,3 4,8 0,008

33 0 0 0,70 6569 4,,7 0,0087 0 0 0,70 3845 33,5 7, 9,7*0-4 Då dessa värden används ekvaton (3) fås den utgående temperaturen vd olka massflöden enlgt tabellen nedan Massflöde, kg/s Temp ut,, C 0,0046 34,4 0,0037 37, 0,008 40,9 0,0087 48 9,7*0-4 67 Tll skllnad från för den vattenkylda kalormetern får v en vss höjng av temperaturen kalormetern då den är luftkyld. Temperaturskllnaden är dock för lten för att v ska kunna få tllräcklg noggrannhet med den här metoden. Slutsatsen är alltså att kalormeter av typ te kan användas ugnen. Med detta resonemanget är det heller te mengsfullt att räkna ut om skllnaden skulle vart tllräcklg för att sätta ytterlgare ett termoelement kalormetern och kunna mäta temperaturen ett par centmeter ugnen.

34 Tryckfall kalormetrarna Teor Det är nu vsat att kalormeter av typ kan användas antgen vattenkyld eller luftkyld. För att det ska vara någon meng med att låta konstruera endera typen behöver tryckfallet båda beräknas, för att kontrollera att det tryck v har kalormetern räcker tll. I ett rör med hder av olka slag kan tryckfallet beräknas med formeln ΔP = ρ medum U medum l λ d h + ξ () l Där λ är frkton mot väggarna och d h ξ = engångsmotstånd Frktonsförlusten, λ, beror av rörväggens släthet (råheten ε mm) rördametern (relatv råhet ε/d h ) reynolds tal När man vet ovanstående kan λ läsas av ett sk. Moodydagram. Engångsmotståndet beror på vad det är för typ av hder; lopp, utlopp, böjar, ventler etc. Värden och formler för detta fns tabeller. I både vattenkyld och luftkyld kalormeter fns samma engångsmotstånd, värden tagna ur formelsamlg Värme- och ugnsteknk, KTH 97; Inblåsöppng, ξ =,5 7,8*0-5 Sektonsförändrg kalormetern, = = 3,9-5 v *0 v Kvoten 3,9 ger efter avläsng tabell att ξ = 0,55 Sektonsförändrg ut ur kalormetern, v v *0 7,8 *0-5 -5 = 0,6 Denna kvot ger att v får ξ = 0,3 Utblåsöppng, ξ =,0

35 Beräkng för vattenkyld kalormeter För att beräkna tryckfallet den vattenkylda kalormetern görs först beräkng av Reynolds tal för att kunna läsa av λ ett Moodydagram. Enlgt Mörtstedt är den relatva råheten, ε, d h för handelsrör 4,6*0-4. Då vattnet har en temperatur på 0 C gäller att ρ = 998 kg/m 3-6 μ =005*0 N*s/m Längden på rören, l, blr meter eftersom det är rör a meter kalormetern. Beräkngar på Re görs för hastghetern 3,,5 och 0,75 m/s och beräknas lksom tdgare med formeln Uρd Re = h μ U, m/s Re λ 3 30000 0,06,5 5000 0,07 0,75 7000 0,033 Då ovanstående värden sätts ekvaton () blr det beräknade tryckfallet vd de olka hastgheterna enlgt nedanstående tabellen U, m/s ΔP, Pa 3 4 3,9*0,5 4,*0 0,75 6, 4*0 3 Då v har flera bar ledngen är tryckfallet ovan, som lgger på under bar, ltet förhållande tll vad v kan ta ut. Tryckfallet kommer alltså te att bl något problem den vattenkylda kalormetern. Beräkng för luftkyld kalormeter När det kylande medet är luft gäller för 0 C att ρ =,89kg/m 3-6 μ =8,*0 N*s/m Beräkngar på kalormetern görs för lufthastgheterna 50, 40, 30, 0 och 0 m/s.

36 På samma sätt som för den vattenkylda kalormetern måste först Reynolds tal beräknas och därefter kan λ utläsas ur Moodydagram; U, m/s Re λ 50 3845 0,03 40 676 0,04 30 9707 0,05 0 338 0,07 0 6569 0,034 I röret ut kommer temperaturen att vara högre än röret. Temperaturen påverkar denstetet på det sättet att en högre temperatur ger en lägre denstet. Densteten s tur kommer att ge ett lägre Re och λ blr därmed högre. Exakt hur stor påverkan blr beror på hur stor temperaturskllnaden är. För att förenkla och kunna räkna med tabellvärden räknas ändå med samma temperatur hela kalormetern, Då de uträknade värdena ovan sätts ekvaton () för beräkng av tryckskllnad fås U, m/s ΔP, Pa 50 964 40 7847 30 45 0 05 0 609 Tryckförlusterna är väldgt små förhållande tll det tryck som kompressorn kan ge, vlket gör att v te heller för luftkylda kalormetrar har något problem.

37 Kalormeter typ 3 V är fortfarande tresserade av att kunna mäta värmeöverförgen på andra ställen än vad som går med kalormeter av typ. Ett alternatv tll kalormeter av typ skulle kunna vara att en lten kropp av koppar eller rostfrtt stål, t.ex. *5 cm cylder, med ett termoelement ut förs ugnen. Denna skulle då ganska lätt kunna mäta värmeflödet mellan degeln och väggen på de ställen där typ te går att föra. Metoden har tdgare använts fludbäddar, se tex Zethraeus Studum av värmeflöden fludserande bäddar Undersökng av mätmetoder Lc- avhandlg, KTH 983. Teor En värmebalans måste ställas upp för kroppen där yttemperaturen= medeltemperaturen. Ett vllkor är att Bots tal<<, dvs α * d B = << λ där α = värmeövergångstalet (W/m C) d = mätkroppens dameter (m) λ = mätkroppens värmeledngsförmåga (W/m C) Bots tal uttrycker kvoten mellan temperaturgradenterna utanför och ut mätkroppen och vllkoret B << nebär att kroppens temperatur kan anses homogen den aktuella omgvngen. Värmebalansen detta fallet blr tot A ytter ( omg yt d mcp = α ) () dt där d mcp dt motsvarar magaserad energ per tdsenhet och tot Aytter ( ) α motsvarar tllförd energ genom ytterytan. omg yt Det tressanta är att få reda på hur temperaturen ändras med tden då v vll mäta temperaturen som funkton av tden och utvärdera α tot. Ekvaton () måste lösas för att det ska låta sg göras. Efter omskrvng fås att

38 d dt α A tot ytter = omg mcp ( ) omg d α tot A = dt mcp ytter (3) För att kunna lösa ekvatonen antar v som en första approxmaton att högerledet är konstant trots att α tot (som består av α strålng + α konvekton ) med s strålngsdel är temperaturberoende och därmed egentlgen te konstant; α strålng = σ*(t + T )( T + T ) (4) omg yta omg yta där T yta= +73,5 σ=stefan Bolzmanns konstant T omg=temperatur på omgvng T =temperatur på ytan yta Om man tegrerar ekvaton (3) från tden 0 tll tden t blr ekvatonen () t t α tot A d = mcp 0 omg 0 ytter dt t [ ( )] () t α tot A ytter ln = omg o mcp 0 α tot Aytter α tot Aytter ( () ) ( ) ln t ln = * t omg o omg * 0 mcp mcp () t omg αtot Aytter ln = t (5) 0 omg mcp Ekvaton (5) exponenteras och då fås; αtot Aytter () t t 0 omg omg = e mcp () t + ( ) omg omg αtot Aytter t mcp = 0 e (6)

39 Målet med mätngen är att sklja flamlös förbränng från vanlg förbränng, och frågan blr om det går att upplösa skllnader α tot för de båda fallen när dessa utvärderas. Som tdgare sagts förväntas skllnaden vara 5-0%. För att utvärdera måste först (t) beräknas ur ekvaton (6) för att sedan kunna beräkna ln () t omg ( ) och plotta denna mot tden. När man plottar detta borde man få en rät lje, 0 omg vlket man te får eftersom α tot verklgheten är temperaturberoende. För att få en så verklghetstrogen bld som möjlgt räknas detta temperaturberoende på α tot med smulergen. En rät lje anpassas därefter och ur lutngen på denna kan man sedan beräkna värdet på α. tot Beräkngar De gående data som gäller för beräkngen av temperaturen på kalormeter typ 3 är α tot =94 W/m C för gasoleldng α tot =5 W/m C för förgasngsgas och flamlös förbränng Temperaturen ugnen= omg=500 C 0=0 C A ytter=0,05*0,0=0,00 m -5 v=0,05*0,0 *π=6,8*0 m 3 Om austentskt stål väljs som materal gäller att Cp = 460 J/kg C ρ = 796 kg/m 3 m = v*ρ = 0,49 kg Vd verklga mätngar är det omöjlgt att mäta ett exakt värde på temperaturen, både för att det fns en mätosäkerhet mätstrumenten och för att temperaturen skftar. V måste därför räkna med en vss mätosäkerhet vd mätngar, detta fallet kan det vara lämplgt att anta att v kan mäta temperaturen med ±0 C, vlket är lågt räknat. Detta kommer att påverka vår kvot och därmed också vår lutng och värdet på α tot. Efter beräkngar av (t) vd olka tdpunkter sättes dessa värden ln( för ln(kvot) dagrammet) och följande dagram med och utan en mätosäkerhet fås () t 0 omg omg ) (kallat

40 Dagram Utvärderg av stålkalormeter för gasol Dagram Utvärderg av stålkalormeter för gasol med en mätosäkerhet på ±0 C Dagram 3 Utvärderg för förgasngsgas Dagram 4 Utvärderg av stålkalormeter för förgasngsgas med en mätosäkerhet Om stället koppar väljs som materal fås α tot =94 W/m C för gasoleldng α tot =5 W/m C för förgasngsgas Temperaturen ugnen= omg =500 C 0 =0 C A ytter=0,05*0,0=0,00 m -5 3 v=0,05*0,0 *π=6,8*0 m Då materalet är koppar gäller även att Cp=385 J/kg C ρ=898 kg/m 3 m= v*ρ= 0,56 kg

4 Koppar har en smältpunkt som lgger strax över 000 C och därför måste beräkngarna avslutas vd denna temperatur. Detta gör att formen på kurvorna kommer att vara relatvt rak, då böjen på kurvan uppträder slutet. Efter beräkngar av (t) vd olka tdpunkter och med en mätosäkerhet på ±0 C sätts dessa () t omg värden ln( ) och följande dagram fås 0 omg Dagram 5 Utvärderg av kopparkalormeter för gasol Dagram 6 Utvärderg av kopparkalormeter för gasol med en mätosäkerhet Dagram 7 Utvärderg med förgasngsgas Dagram 8 Utvärderg av kopparkalormeter för förgasngsgas med en mätosäkerhet Utvärderg För utvärderg av hur mycket α tot skljer från verklga värden måste denna beräknas med hjälp av lutngen hos en anpassad rät lje enlgt ekvaton (5). För en kalormeter av stål blr värdena på α tot efter beräkng med hjälp av kurvans lutng Fall α tot W/m C Gasol ± 0 C 35 (338, 35) Förgasngsgas ± 0 C 35 (338, 35)