XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование зависимости эффективности работы горелки бытовой газовой плиты от режима горения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хункаров И.А. 1

---

1МОУ СОШ № 2 г. Зеленокумска

Соломонова Р.Н. 1

---

1МОУ СОШ № 2 г. Зеленокумска

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В настоящее время в условиях дефицита энергоресурсов и повышения их стоимости постановлением Правительства РФ предусмотрена установка газовых счётчиков для всех потребителей, в том числе жителей многоквартирных домов, у которых единственный газовый прибор – варочная плита. В этих условиях особенно актуальна проблема эффективного использования сетевого газа, которая позволяет, во-первых, экономить семейный бюджет, а во-вторых, избежать бессмысленного перерасхода дефицитного топлива в масштабах страны.

Очень часто горелку включают на максимальный расход газа, когда большая часть топлива тратится на нагревание земной атмосферы. При этом возможно, достигается выигрыш во времени нагревания, но проигрыш за счёт перерасхода топлива несравнимо больше. Нагревание невысоким пламенем уменьшает тепловые потери. Кроме того, имеет значение выбор посуды по диаметру дна как поверхности теплообмена. При этом чрезмерное уменьшение пламени, или увеличение размера посуды, может привести к тому, что подвод теплоты сгорания топлива не превысит теплопотерь, что также снизит эффективность работы газового нагревателя.

Цель данного школьного исследовательского проекта – выяснить, как зависит коэффициент полезного действия газовой горелки бытовой варочной плиты от расхода газа на горелку. Эксперименты проводятся на бытовой плите «Брест» с тремя горелками различного диаметра. В нескольких сериях опытов нагревание воды производится на каждой горелке на различных расходах газа (контроль по газовому счётчику). Для каждого опыта рассчитывается КПД использования топлива как отношение теплоты нагревания воды к теплоте сгорания топлива. Кроме того, опыты повторяются в аналогичных условиях с посудой другого диаметра дна (из того же материала). Обработка результатов опытов с построением графиков нагревания воды и расхода топлива производится с помощью электронных таблиц Microsoft Office Excel.

По результатам опытов можно будет сделать выводы:

- как зависит КПД горелки от расхода газа на сгорание;

- как зависит КПД горелки от соотношения диаметр дна посуды / диаметр горелки.

Итогом проекта должен стать отчёт с практическими советами по эффективному использованию сетевого газа в качестве топлива.

Глава 1. Способы теплопередачи при нагревании

открытым племенем

Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен [2, стр.85].

1.1 Теплопроводность — это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела - переносится лишь энергия.

Таблица №1

Различные вещества имеют разную теплопроводность: у одних она больше, у других - меньше. Из жизненного опыта известно, что если, например, взять какой-либо железный предмет (допустим, гвоздь) и начать нагревать его в огне, то долго удерживать его в руке мы не сможем. И наоборот, горящую спичку можно держать до тех пор, пока пламя не коснется руки. Это означает, что дерево обладает меньшей теплопроводностью, чем железо.

При использовании в качестве емкости для нагревания на газовой горелке, по данным таблицы №1, наиболее эффективны серебро и золото, но это дорогие металлы. Достаточно большая теплопроводность у меди и алюминия, но это металлы легко окисляются, требуются дорогостоящие покрытия. Поэтому в быту наиболее распространена экологически надежная и долговечная посуда из нержавеющих сталей, химическая устойчивость которых к окислению позволяет повысить теплопроводность за счёт уменьшения толщины теплообменной поверхности.

Если возникает необходимость предохранить тело от нагревания или от охлаждения, то применяют вещества с малой теплопроводностью [1, стр.13]. Так, для кастрюль, сковородок применяют ручки из пластмассы, чтобы уберечь руки от горячей посуды. Современная посуда сегодня часто имеет стеклянные крышки – и видно происходящее внутри, и теплопотери уменьшаются.

Таким образом, повысить эффективность нагревания на газовой горелке с точки зрения теплопроводности возможно использованием в качестве материалов для изготовления посуды металлов с высокой теплопроводностью, увеличением площади поверхности теплообмена с пламенем и уменьшением толщины стенки за счет устойчивых к окислению материалов.

1.2 Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества. Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помешают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой. Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с пламенем или нагревающей поверхностью, нагревается и вследствие этого расширяется. Ее плотность становится меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы она начинает подниматься вверх. Ее место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слои воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция.

При нагревании открытым пламенем, особенно при высоком пламени с большим расходом топливного газа, конвекция является причиной значительной теплопотери. Теплопроводность через стенки кастрюли достаточно медленный процесс, поэтому большая скорость продуктов сгорания резко снижает эффективность нагревания.

1.3 Лучистый теплообмен - это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас [2, стр.88].

Так, например, сидя около камина или костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена – лучистый теплообмен.

Энергия в данном случае передавалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

С помощью теплового излучения (как видимого, так и невидимого) передается на Землю и солнечная энергия. Отличительной особенностью этого вида теплообмена является возможность осуществления через вакуум.

Тепловое излучение испускают все тела: электрическая плитка, лампа, земля, стакан с чаем, тело человека и т. д. Но у тел с низкой температурой оно слабое.

И наоборот, чем выше температура тела, тем больше энергии оно передает путем излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью. Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее, например, в темном чайнике горячая вода остывает быстрее, чем в светлом.

Таким образом, при нагревании открытым пламенем газовой горелки увеличения доли излучения в общем теплообмене можно достичь нанесением темного покрытия на днище посуды, причем с обеих сторон.

Глава 2. Расчёт количества теплоты нагревания

От чего зависит количество теплоты, необходимое для нагревания тела? [2, стр. 96]

1. Если мы хотим подогреть воду в чайнике так, чтобы она стала лишь тёплой, то мы недолго будем её нагревать. А для того, чтобы вода стала горячей, мы будем нагревать её дольше. Но чем дольше чайник соприкасается с газовой горелкой, тем большее количество теплоты он получает от горелки. Следовательно, чем сильнее при нагревании изменяется температура тела, тем большее количество теплоты ему надо передать.

2. Если масса тела возрастает, то для его нагрева требуется больше времени, а, следовательно, и больше теплоты.

3. Кроме массы важно, из какого материала изготовлено тело. Из рисунка следует, что для нагревания воды и масла одинаковой массы при равной разности конечной и начальной температур, потребуется разное количество теплоты. Количество теплоты определяется удельной теплоемкостью вещества, из которого изготовлено нагреваемое тело. Удельная теплоёмкость – это количество теплоты, необходимое для нагревания одного килограмма данного вещества на один градус.

Таблица №2

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и выделяемое им при охлаждении равно произведению удельной теплоемкости, массы и разности конечной и начальной температур [1, стр.23]

По данным таблицы №2 можно сделать вывод, что наиболее эффективный материал посуды для нагревания на открытом пламени – серебро, которое имеет наименьшую удельную теплоёмкость, т.е. требует меньше всего теплоты для нагревания собственно посуды, тем более, что это материал с высокой теплопроводностью (см. Таблицу №1).

При нагревании тела происходят тепловые потери в окружающий воздух, отчего зависят эти потери? Очевидно, что они зависят от размера тела, ведь чем больше тело, тем больше поверхность теплообмена и его температуры по сравнению с температурой окружающего воздуха.

Поэтому нет смысла нагревать малое количество продуктов в большой посуде, да еще перегревать до высокой температуры, при которой максимальные теплопотери, а затем охлаждать до нужной для потребления температуры.

Глава 3. Расчёт теплоты сгорания газа

Горение – это процесс окисления топлива кислородом воздуха. Сетевой топливный газ – смесь газов, основной компонент которой метан (от 92 до 98 % в зависимости от месторождения). [3]

Важным условием эффективного горения природного газа является оптимальное соотношение газ-воздух. Нормальное пламя – синее, со следами желтого цвета, горящее без отрыва от горелки.

Если в пламени недостаток воздуха (жёлтый цвет пламени), то температура пламени пониженная, на посуде образуется чёрный налёт сажи из-за неполного сгорания углерода.

Если воздух в избытке (голубое неустойчивое пламя, загорается трудно, с хлопком), то значительная часть энергии сгорания топлива теряется на нагревание «лишнего» воздуха. Регулировка горения выполняется специалистами газовых служб при подключении плиты.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы.[2, стр.115] Чем больше масса топлива m, тем большее количество теплоты выделяется при его полном сгорании.

где q = 45 МДж/кг – средняя удельная теплота сгорания [4]: физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг данного топлива.

Масса топлива в нашем исследовании рассчитывается по формуле

(кг)

где ρ = 0,8 кг/м³ –средняя плотность природного газа [4];

V – объём сгоревшего топлива по газовому счётчику.

Таким образом, теплота сгорания в исследовательской работе вычисляется, исходя из расхода топливного газа по показаниям газового счётчика V по формуле:

Глава 4. Методика проведения исследования

В ходе эксперимента используются три горелки бытовой газовой плиты «Брест»

№1 – Ø 40 мм (18 отверстий Ø 2 мм с интервалом 5,5 мм)

№2 – Ø 50 мм (24 отверстия Ø 2мм с интервалом 5,5 мм

№3 – Ø 65мм (32 отверстия Ø 2 мм с интервалом 55 мм);

Расход природного газа замеряется бытовым газовым счётчиком NPM – G1.6 завода ГАЗДЕВАЙС.

В нашем исследовании для сравнимости результатов во всех опытах нагревается вода емкостью 1 литр (по лабораторному мерному цилиндру объёмом 1 литр) с исходной температурой ≈ 15⁰С.

Температура фиксируется лабораторным спиртовым термометром со шкалой 0 – 100⁰С и ценой деления 1⁰С и датчиком температуры цифровой лаборатории по физике.

Для выравнивания начальных условий нагревания во всех опытах отсчёт начальной температуры начинается с 20⁰С (включается секундомер, фиксируются текущее показание газового счётчика).

На каждой горелке (кроме малой горелки №1, у которой по проекту небольшая подача газа, поэтому для неё возможны только режимы «малого» и «среднего» пламени), проводится серия нагреваний в трёх режимах:

А – «малое» пламя: минимально возможное устойчивое, не допуская обрыва (5 – 7 мм высотой);

Б – «среднее» пламя: высота пламени ≈ 10 – 15 мм;

В – «высокое» пламя: максимально возможная на данной горелке высота огня (30 – 40 мм).

Для сравнительного анализа серия опытов повторялась на двух кастрюлях, изготовленных из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, которые в дальнейшем изложении именуются:

1) «Сосуд I» дно Ø ≈ 130 мм; 2) «Сосуд II» дно Ø ≈ 180 мм.

В ходе эксперимента последовательно проводились серии опытов вначале с «сосудом I» на каждой из горелок №1, 2 и 3 в трёх режимах горения с разной высотой пламени А, Б и В, затем вся серия повторялась с «сосудом II» большего диаметра. В каждом отдельном опыте с интервалом температуры в 10⁰С (20-30, 30-40 и 40-50) фиксировались показания секундомера и газового счётчика.

Глава 5. Методика расчёта результатов эксперимента

По полученным данным в каждой серии опытов поэтапно вычислялось время t(c), необходимое для нагревания 1 кг воды на 10⁰С, и объём использованного для этого топлива V(м³).

Для оценки тепловой нагрузки горелки на всех этапах вычисляется мощность пламени N(Вт) по формуле, которая после подстановки справочных значений q = 45∙10⁸ Дж/кг и ρ = 0,8 кг/м³ включает в себя переменные
V (в единицах показаний счётчика 0,1 литра) – объём газа по счётчику (множитель 10^-4 – коэффициент перевода показаний газового счётчика в м³) и
t (секунды)– время нагревания по секундомеру:

Эффективность работы горелки характеризует коэффициент полезного действия (КПД) η, который выражается, как правило, в процентах:

После подстановки неизменяющихся величин:

с = 4200 Дж/(кг∙К) – удельная теплоёмкость воды;

m_воды = 1 кг – масса нагреваемой во всех опытах воды;

ΔТ = 10⁰С – на сколько градусов нагревается вода;

q = 45∙10⁶ Дж/кг – удельная теплота сгорания природного газа;

ρ = 0,8 кг/м³ – плотность природного газа

формула преобразуется так, что в ней лишь одна переменная V (0,1 литра) – объём газа по счётчику (множитель 10^-4 – коэффициент перевода показаний газового счётчика в м³):

Результаты опытов сведены в таблицу измерений (приложение №1), расчёт параметров с построением сравнительных графиков проводился с помощью электронных таблиц Microsoft Office Excel (приложение №2).

Глава 6. Результаты исследования.

У
же на маленькой горелке №1 Ø 40 мм с малым сосудом I даже

незначительное увеличение высоты пламени (расход газа на этой горелке

весьма ограничен по проекту), которое сопровождалось увеличением

мощности горелки от 368,7 Вт до 1070 Вт, показало, что КПД нагревания уменьшился от 60,40% до 53,34% (– 7,06%).

Использование посуды с большим дном (сосуд II) за счёт увеличения площади теплообмена незначительно увеличило мощность (от 383,4 Вт до 1115 Вт), но снижение КПД от 61,44% до 55,66% ненамного меньше, чем для малой посуды (– 5,78%).

Обращает на себя тот факт, что использование самой маленькой горелки №1, при минимальном расходе газа и наименьшой тепловой мощности позволяет получить сравнительно высокие значения КПД (60,4% для сосуда I и 61,44% для сосуда II)

На средней горелке №2 Ø 50 увеличение пламени от малого до среднего сопровождается увеличением и мощности, и КПД:

- сосуд I – мощность от 293,9 Вт до 643,9 Вт и КПД увеличился на 4,2% (от 48,85% до 53,05%);

- сосуд II – увеличение мощности от 288,7 Вт до 623,3 Вт и КПД на 6,73% (от 56,34% до 63,07%), причём 63,7 % – значение КПД горелки №2 Ø 50 для большой (Ø 180 мм) посуды окажется самым большим для всей серииопытов – 63,07%.

Однако увеличение высоты пламени от среднего до максимального резко снижает КПД для обоих сосудов при увеличении мощности:

- сосуд I – увеличение мощности от 643,9 Вт до 2791,3 Вт при снижении КПД на 20,12% (от 53,05% до 32,93%);

- сосуд II – увеличение мощности от 623,3 Вт до 3176,1 Вт при снижении КПД на 23,62% (от 63,07% до 40,08%);

Ещё более убедительны результаты опытов с горелкой №3 Ø 65 мм.

Во-первых, уже на минимальном «малом» огне при значительном увеличении тепловой мощности до 629,5 Вт (368,Вт для горелки №1 и 293,9 Вт для горелки №2) для маленького сосуда I значение КПД меньше, чем на других горелках в аналогичном режиме (46,73% против 61,44% для горелки№1 и 48,85% для горелки №2).

Аналогичная картина для «среднего» пламени: 50,03% против 55,66% для горелки №1 и 53,05% для горелки №2, хотя тепловая мощность увеличилась до 1087,2 Вт (1070 Вт для горелки №1 и 643,9 Вт для горелки №2).

Особенно негативны результаты использования маленькой посуды на «высоком» пламени горелки большого диаметра Ø 65 мм. При многократном увеличении мощности горения от 1087,2 Вт до 3386,4 Вт КПД нагревания уменьшился до минимального значения для всей серии опытов 29,1%!

Таким образом, самый энергозатратный режим нагревания – использование посуды с малой площадью дна на горелках большого диаметра, особенно на «высоком» пламени.

Использование посуды с большей площадью дна (сосуд II) за счёт увеличения площади теплообмена улучшает показатели, сохраняя тенденцию уменьшения КПД для «высокого» пламени.

Очевиден вывод, что использование горелки большого диаметра целесообразно только для посуды с большой площадью дна.

Нами сделана попытка, анализируя полученные результаты опытов, установить, какое оптимальное соотношение диаметров посуды и горелки для эффективного нагревания. Продолжение серии с посудой ещё большего размера нам показалось некорректным, т.к. это приведёт к значительному снижению уровня воды в сосуде, изменятся условия теплового режима нагревания (например, конвекция воды) и измерения температуры термометром (глубина погружения и расстояние от дна).

Н
ами получены графики зависимости КПД нагревания от соотношения диаметра посуды к диаметру горелки для двух сосудов I и II в двух режимах горения: «малый» и «средний» («высокий» огонь невозможен для маленькой горелки по проекту).

Для обоих сосудов самая маленькая горелка №1 Ø 40 мм (соотношение диаметра посуды к диаметру горелки 3,25 для сосуда I и 4,5 для сосуда II) наиболее эффективна в режиме горения с наименьшим пламенем (60,4% и 61,44% соответственно).

Все остальные режимы менее эффективны, тем не менее, заметно, что у большой посуды КПД больше.

У средней горелки №2 Ø 50 мм с повышением высоты пламени от «малого» до «среднего» КПД горения увеличивается от 48,85% до 53,05% для сосуда I и от 56,34% до 63,07% для сосуда II.

Следует отметить КПД этой горелки с посудой диаметром 180 мм – 63,07%, видимо, на среднем огне достигнуто оптимальное соотношение газ/воздух режима горения и оптимальное соотношение диаметр посуды/диаметр горелки равный 3,6.

Такой же режим горения для большой горелки №3 Ø 65 мм показал снижение КПД до 54,89%, очевидно для неё требуется посуда большего диаметра.

Заключение

По результатам нашего исследования можно сформулировать аргументированные рекомендации по эффективному использованию бытовой газовой плиты.

1. Если Вы разумный хозяин, который способен так спланировать своё время, что две-три лишние минуты работы газовой плиты не обернутся катастрофой в личной жизни, то никогда не включайте газ на полную мощность, когда языки пламени выбиваются из-под днища чайника. Нами доказано, что, при прочих равных условиях, коэффициент полезного действия нагревателя при увеличении пламени от «среднего» (высотой 10-15 мм) до «высокого» (высотой 30-40 мм) уменьшается:

- для посуды с диаметром дна 180 мм от 63,07% до 40,08% на горелке
Ø 50 мм и от 54,89% до 41,70% на горелке Ø 65 мм;

- для посуды с диаметром дна 130 мм от 53,05% до 32,93% на горелке
Ø 50 мм и от 50,03% до 29,10% на горелке Ø 65 мм.

В этой ситуации особенно чётко понимаешь смысл выражений «деньги на ветер» или «время – деньги», ведь лишние минуты при нагревании оборачиваются рублями экономии семейного бюджета и миллионами – для бюджета страны.

2. Имейте в виду, что важен даже выбор горелки для нагревания Вашего чайника. Запомните простое правило: большие горелки – для большой посуды, маленькие горелки – для маленькой посуды. Опытами мы установили, что оптимальным соотношением диаметр посуды / диаметр горелки является интервал примерно от 3,0 до 4,5.

Например, для посуды диаметром 180 мм максимальный КПД 63,07% получен при среднем пламени на горелке диаметром 50 мм (соотношение 3,6) и 61,44% на горелке Ø 40мм (соотношение 4,5), в то время, как на горелке Ø 65 мм (соотношение 2,77) КПД только 54,89%.

Для посуды диаметром 130 мм максимальный КПД 60,40% получен при «малом» пламени на горелке диаметром 40 мм (соотношение 3,25), но 48,85% на горелке Ø 50 мм (соотношение 2,6) и 46,73% на горелке Ø 65 мм (соотношение 2).

Таким образом, результаты данной исследовательской работы позволяют эффективно использовать природный газ как важный энергетический ресурс нашей страны.

Список используемой литературы:

1. Громов С.В., Физика, 8 кл., Москва, Просвещение, 2024 г.

2. Енохович А.С., Справочник по физике и технике, Москва, Просвещение, 2023 г.

3. Перышкин А.П., Физика, 8 кл., Москва, Дрофа, 2024 г.

4. Природный газ, материал свободной интернет-энциклопедии «Википедия», http://ru.wikipedia.org