TEPELNÁ BILANCE EXPERIMENTÁLNÍCH KAMEN

Transkript

1 TEPELNÁ BILANCE EXPERIMENTÁLNÍCH KAMEN Ing. Stanislav VANĚK, Ing. Kamil KRPEC Příspěvek se zabývá stanovením tepelné bilance krbových kamen. Konkrétně pak množstvím tepla vyzářeným prosklenými dvířky kamen z ohniště do okolí. Měření je prováděno na experimentálních krbových kamnech, která jsou navržena s ohledem na potřeby spalovacích zkoušek. Klíčová slova: tepelná bilance, krbová kamna ÚVOD Jednou z oblastí, kterou se Výzkumné energetické centrum zabývá, je spalování biomasy v malých ohništích, především pak v malých ohništích krbových kamen. To ovšem neznamená, že by informace získané při spalování biomasy v těchto ohništích nemohly být použity obecně pro většinu zařízení spalujících biomasu. Doposud byly všechny spalovací zkoušky prováděny na běžně vyráběných kamnech. Ty jsou však konstruovány tak, aby jejich obsluha byla nenáročná a co nejméně zatěžovala majitele kamen. To znamená, že jsou např. přívody vzduchu do kamen řešeny poměrně jednoduše a neumožňují přesnější regulaci vzduchu přiváděného do ohniště. Pro potřeby běžného uživatele to nepředstavuje žádný problém. To ovšem neplatí u spalovacích zkoušek, při nichž se snažíme různými způsoby ovlivňovat spalovací proces. A právě tyto potřeby vedly k myšlence navrhnout a zkonstruovat vlastní kamna tak, aby lépe vyhovovala požadavkům měření. Některé zkoušky provedené na kamnech jsou zaměřeny na stanovení tepelné bilance kamen tohoto typu. To znamená, že se u těchto zkoušek snažíme změřit množství tepla odváděného do okolí jednotlivými částmi kamen. Způsob měření tepla vyzářeného prosklenými dvířky kamen je uveden dále. POPIS KAMEN Základní požadavky Jak už bylo uvedeno, jedním z požadavků je regulace vzduchu přiváděného do ohniště. To znamená regulovat přívod primárního, sekundárního a terciálního vzduchu. U sekundárního vzduchu měla být navíc možnost měnit jeho polohu a to nejenom po výšce ohniště. Další požadovanou vlastností kamen je možnost změny spalovacího prostoru a to jak jeho velikosti, tak i jeho tvaru. V neposlední řadě stojí také snaha o zvýšení celkové účinnosti těchto kamen. Konstrukční řešení Jako nejlepší a nejjednodušší řešení pro regulaci primárního a sekundárního vzduchu se jevilo použití klasických kulových ventilů. Ty v případě plného otevření způsobují minimální tlakovou ztrátu, v případě úplného zavření zaručují těsnost. Navíc tím, že jsou tyto přívody vzduchu opatřeny závitem umožňují jednoduché připojení dalších zařízení jako například ventilátoru. Terciální vzduch, tj. vzduch pro ofuk skla, je regulován jednoduchým způsobem tak, že se uzavíracím členem zakrývají přívodní otvory pro vzduch. Přívod sekundárního vzduchu je řešen jednoduchým kompaktním prvkem, který je možno přesouvat v ohništi do několika poloh podle potřeby. Tím se dá měnit nejenom výška přívodu sekundárního vzduchu do ohniště Obr. 1., ale také objem a tvar tohoto ohniště Obr. 2. Další prvek, kterým jsou tato kamna opatřena, je jednoduchý trubkový výměník spaliny -vzduch. Ten je umístěn v horní části kamen nad spalovacím prostorem Obr. 1. Trubky jsou situovány tak, aby při zvyšování teploty vzduchu, který je uvnitř trubek, docházelo k přirozené cirkulaci tohoto vzduchu. Tím je zajištěna přirozená výměna vzduchu v trubkách. Ing. Stanislav Vaněk; Ing Kamil Krpec, VŠB Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum, [107] tř. 17. listopadu 15, Ostrava, stanislav.vanek.st@vsb.cz; kamil.krpec@vsb.cz

2 Obr. 1 Přívody spalovacího vzduchu a trubkový výměník Výškové nastavení sekundárního vzduchu je zobrazeno polohami 1, 2, 3. SPALOVACÍ ZKOUŠKY Zatím byly provedeny na těchto kamnech pouze některé ze spalovacích zkoušek, jejichž cílem je stanovit tepelnou účinnost kamen, vliv tvaru a objemu ohniště na kvalitu spalovacího procesu, tepelnou bilanci kamen a možnosti regulace přívodu vzduchu v závislosti na teplotě spalin. Účinnost kamen Účinnost kamen byla stanovena nepřímou metodou. Průměrné hodnoty účinnosti a dalších sledovaných veličin stanovené z hodinové spalovací zkoušky jsou uvedeny v tabulce 1. Tab. 1 Průměrné hodnoty veličin stanovené z hodinové zkoušky Koncentrace CO přepočteno na 11% O 2 Koncentrace NOx přepočteno na 11% O 2 Přebytek vzduchu Teplota spalin Účinnost [%] [ppm] [-] [ C] [%] 0,231 85,4 3, ,43 [108]

3 a b c Obr. 2 Různé varianty uspořádání ohniště a - základní varianta s rovnou zadní stěnou b - změna tvaru ohniště pomocí zalomení zadní stěny c - zmenšení objemu ohniště posunutím zadní stěny Všechny popisované úpravy kamen by měly vést jak ke zvýšení vlastní účinnosti těchto kamen tak k získání informací, které povedou ke zlepšení účinnosti a zkvalitnění spalovacího procesu při konstrukci nových kamen. TEPELNÁ BILANCE KAMEN U krbových kamen není jednoduché stanovit celkové teplo odvedené z povrchu kamen do okolí jinak než nepřímou metodou.tato metoda spočívá ve výpočtu jednotlivých ztrát, které se pak odečítají od celkového tepla dodaného v palivu. Výsledný rozdíl je pak teplo odvedené z kamen do okolí, tj. teplo využité. Tato metoda nám však nic neříká o tom kolik tepla se do okolí předá jednotlivými částmi kamen. Proto vznikla myšlenka změřit teplo odváděné pouze některými částmi kamen. Jedná se o měření tepla předaného do okolí prosklenými dvířky kamen a trubkovým výměníkem. Doposud provedená měření byla zaměřena na stanovení tepla vyzářeného prosklenými dvířky z ohniště do okolí. Jedná se však pouze o část z celkového tepla předaného dvířky do okolí. Další část tvoří teplo předané konvekcí. Toto teplo však při těchto zkouškách měřeno nebylo. Teoreticky by se dal pro určení vyzářeného tepelného toku použít vztah pro sdílení tepla zářením mezi dvěmi rovnoběžnými neohraničenými plochami. Φ T 1 T2 = S C12 (1) [109]

4 kde: Φ 12 S C 12 T 1 T 2 - zářivý tepelný tok [W] - povrch absorbéru a skleněné výplně dvířek - součinitel vzájemného vyzařování obou ploch - teplota skla - teplota povrchu absorbéru Použití tohoto vzorce je ovšem zatíženo určitou chybou způsobenou několika činiteli. Ve skutečnosti neplatí, že plochy jsou neohraničené. Teplota povrchu skla T 2 se bude poměrně rychle měnit v závislosti na čase a na poloze (těžko se dá předpokládat, ke které stěně se plamen v daném čase přiblíží). Další nepřesnosti se dopouštíme při výpočtu součinitele vzájemného vyzařování obou ploch C 12, který je rovněž závislý na teplotě. Z těchto důvodů je snaha určit velikost zářivého tepelného toku měřením. Způsob měření vyzářené energie Princip měření je založen na zachycení zářivého tepelného toku a převedení této energie na lépe měřitelnou formu energie. Technické řešení pak spočívá v zachycení tepelného toku na absorpční ploše měřícího modulu. Ta je konstruována podobně jako výměník a předává zachycený tepelný tok ve formě tepla vodě proudící uvnitř absorpční plochy. Množství energie, kterou získá voda, téměř odpovídá vyzářenému teplu a dá se jednoduše vypočítat pomocí následujícího vztahu.. Q = c m ( t t ) 1 (2) 2 kde: Q - tepelné energie [kj] c - měrná tepelná kapacita vody [kj.kg -1.K -1 ] (t 2 t 1 ) rozdíl teplot vstupní a výstupní vody [ C]. m - hmotnostní průtok vody [kg.s-1 ] Teploty t 1 a t 2 jsou měřeny pomocí odporových teplotních čidel umístěných v teplotních jímkách na vstupu a výstupu z absorbéru. Dále je měřen hmotnostní průtok vody na výstupu z absorbéru. Schématicky je na Obr. 3. nakresleno zařízení společně s měřenými kamny ve stejné poloze jako při měření. Konstrukce absorpční plochy Absorpční plocha je sestrojena z měděného plechu. Na ten jsou ze zadní části přiletovány trubky jimiž protéká voda Obr. 4. Dále je absorpční plocha ze zadní části tepelně zaizolována, aby nedocházelo k ovlivňování měřených veličin okolním prostředím. Trubky jsou k měděnému plechu přiletovány po celé délce, aby byl zaručen dostatečný přestup tepla z ozařovaného povrchu do protékající vody. Přední část absorpční plochy je natřena matnou černou barvou, pro lepší zachycení vyzářené energie. Vzhledem k tomu, že množství vyzářené energie je závislé nejenom na teplotě povrchu tělesa, které toto teplo vyzařuje, ale také na teplotě povrchu tělesa, které toto teplo přijímá, je třeba udržovat teplotu absorpční plochy aspoň přibližně stejnou jako je teplota okolí kamen. Proto jsou na absorpční plochu přidělány dva termočlánky, kterými je kontrolována teplota této plochy. [110]

5 4 1 2 Výstupní voda Vstupní voda Měřené tepelné záření 3 Obr. 3 Schéma zařízení umístěného před kamny 1 absorpční plocha 2 termočlánek určený pro měření teploty výstupní vody 3 - termočlánek určený pro měření teploty vstupní vody 4 měřené kamna Konstrukce absorpční plochy Absorpční plocha je sestrojena z měděného plechu. Na ten jsou ze zadní části přiletovány trubky jimiž protéká voda Obr. 4. Dále je absorpční plocha ze zadní části tepelně zaizolována, aby nedocházelo k ovlivňování měřených veličin okolním prostředím. Trubky jsou k měděnému plechu přiletovány po celé délce, aby byl zaručen dostatečný přestup tepla z ozařovaného povrchu do protékající vody. Přední část absorpční plochy je natřena matnou černou barvou, pro lepší zachycení vyzářené energie. Vzhledem k tomu, že množství vyzářené energie je závislé nejenom na teplotě povrchu tělesa, které toto teplo vyzařuje, ale také na teplotě povrchu tělesa, které toto teplo přijímá, je třeba udržovat teplotu absorpční plochy aspoň přibližně stejnou jako je teplota okolí kamen. Proto jsou na absorpční plochu přidělány dva termočlánky, kterými je kontrolována teplota této plochy. Průběh měření zářivého toku Byly provedeny tři spalovací zkoušky, při nichž se měřil zářivý tok procházející skleněnými dvířky z ohniště do okolí. U všech zkoušek byly získány přibližně stejné výsledky. Pouze u první zkoušky došlo k rychlejšímu zapálení paliva, což se projevilo na rychlejším nárůstu sledovaných teplot. [111]

6 Obr. 4 Absorpční plocha pohled zezadu Při měření byla postavena absorpční plocha 9 cm před dvířky kamen, průtok vody byl nastaven na 50 l/hod. Průběh vstupní a výstupní vody během druhé zkoušky je spolu s průměrnou teplotou povrchu absorpční plochy zobrazen na Graf 1. Z průběhu teploty vstupní a výstupní vody je podle vzorce (2) spočten tepelný výkon předaný absorpční ploše zářením. Průběh tohoto výkonu zobrazuje Graf 2. Na grafu je znázorněna křivka tepelného výkonu získaná z první a druhé zkoušky. Dále jsou v grafu uvedeny průběhy teplot spalin v kouřovodu. Ty umožňují utvořit si představu o průběhu hoření paliva. Průměrné hodnoty vyzářeného tepelného výkonu ze všech třech zkoušek spolu s dalšími hodnotami uvádí tabulka 2. Tab. 2 Průměrné hodnoty vyzářeného výkonu Zkouška Průměrný vyzářený Maximální hodnota Tepelný výkon Podíl vyzářeného výkonu na výkon dvířky vyzářeného výkonu kamen celkovém výkonu kamen [kw] [kw] [kw] [%] 1 0,64 0,92 7,56 8,52 2 0,54 0,79 7,87 6,83 3 0,56 0,85 7,71 7,25 [112]

7 Teplota [ C] Čas [min] Teplota vstupní vody Průměrná teplota plochy výměníku Teplota výstupní vody Graf 1 Průběh teplot během druhé zkoušky 1,2 370 Vyzářený tepelný výkon [kw] 1 0,8 0,6 0,4 0, Teplota spalin [ C] Čas [min] 0 Vyzářený tepelný výkon 1. zkouška Teplota spalin v kouřovodu 1. zkouška Vyzářený tepelný výkon 2. zkouška Teplota spalin v kouřovodu 2. zkouška Graf 2 Tepelný výkon vyzářený z ohniště prosklenými dvířky [113]

8 Tepelný výkon vyzářený prosklenými dvířky však nepředstavuje celkový tepelný výkon odváděný dvířky do okolí. Další část výkonu se předává do okolního vzduchu konvekcí, tj. přímým ohřevem vzduchu nacházejícího se v těsné blízkosti skla. Předběžné výpočty ukazují, že tepelný výkon předávaný do okolí konvekcí a zářením je přibližně stejný. To by znamenalo, že tepelný výkon předávaný dvířky kamen se pohybuje kolem hodnoty 1,1 kw. Tato hodnota tvoří přibližně 15 % celkového výkonu kamen. Je zajímavé, že plocha prosklených dvířek představuje také přibližně 15 % celkové činné plochy kamen. Mylná by ovšem byla myšlenka, že výkon kamen je rovnoměrně předáván celou plochou kamen. Je zde totiž ještě část výkonu předávaného trubkovým výměníkem. To znamená, že než bude možné stanovit celkovou tepelnou bilanci kamen, je třeba ještě určit tepelný výkon trubkového výměníku. Již teď je však jisté, že trubkovým výměníkem se do okolí předává nezanedbatelná část tepla. Z toho plyne, že teplo předané z ohniště plochou skleněných dvířek je větší než teplo předané jinou částí kamen o stejně velké ploše. To by mohlo znamenat, že čím větší bude skleněná výplň tím více tepla se předá do okolí a tím se také zvýší účinnost kamen. S tím ovšem roste riziko zvyšování netěsnosti kamen. To může způsobit zvýšení přebytku vzduchu a s tím související snížení účinnosti. Při extrémně velké ploše skla by mohlo dojít ke značnému vychlazení plamene, což by se mohlo projevit zvýšenou koncentrací CO. Toto je však pouze domněnka, kterou bude třeba ověřit v praxi Než však bude měření vyzářeného tepelného toku uzavřeno budou pro porovnání doposud naměřených výsledků provedeny ještě další zkoušky založené na jiném principu. Momentálně se připravují zkoušky při nichž budou prosklená dvířka zastíněna z vnitřní strany kamen ocelovým plechem a šamotovou deskou. To způsobí, že teplo, které se normálně vyzáří z ohniště do okolí, zůstane v ohništi a způsobí zvýšení teploty spalin. Tato teplota bude samozřejmě měřena a po porovnání s teplotou při normálním stavu se stanoví množství vyzářeného tepla. Důležité však bude správně určit místo pro měření teploty spalin. A to proto, že pokud se zvýší teplota spalin vycházejících z ohniště dojde ke zvýšení tepelného výkonu výměníku, což by mohlo zkreslit výsledky. Proto bude nejlepší měřit teplotu spalin na výstupu z ohniště ještě před trubkovým výměníkem. Jako další možná varianta pro přibližné ověření naměřených výsledků se nabízí možnost stanovit hodnotu vyzářeného tepla výpočtem. Na začátku této kapitoly je sice tato varianta popsána jako nepřesná, ale v případě, že budou teploty povrchu skleněných dvířek měřeny v dostatečném počtu bodů, mohla by tato metoda potvrdit výsledky naměřené předchozími metodami. VLIV TVARU A OBJEMU OHNIŠTĚ NA KVALITU SPALOVACÍHO PROCESU Na kvalitě spalovacího procesu se podílí celá řada činitelů. Jedním z nich je také tvar a objem ohniště. Právě proto byla kamna navržena tak, aby umožňovala změnu těchto parametrů. Jak už bylo popsáno dříve umožňují kamna změnu velikosti ohniště posunutím zadní stěny. To však nebude pro řadu zkoušek dostatečné, a proto se připravují další konstrukční návrhy, které by umožňovaly podstatně větší změnu velikosti ohniště. Všechny tyto úpravy mají sloužit k vytvoření takového spalovacího prostoru, který by svou univerzálností umožňoval stanovit optimální rozměry ohniště pro daný výkon a to nejenom jeho celkového objemu, ale také poměru jeho stran, čili štíhlosti ohniště. Cílem těchto úprav je snížení emisí CO a polyaromatických uhlovodíků a s tím související zvýšení účinnosti kamen. [114]