Bc. Otakar Štelcl Návrh krbové vložky VUT FSI EU - OEI

Transkript

1 1

2

3 3

4 Abstrakt Diplomová práce je rozdělena na pět hlavních částí. První díl se zabývá dřevem jako palivem z hlediska složení, emisí CO a vlastností. Druhá část pojednává o výpočtu krbových kamen, zejména stechiometrii spalování, teplotě nechlazeného plamene a ploše spalovací komory. Třetí úsek se zabývá návrhem krbových kamen ve spojitosti s porovnávacími kritérii ohniště, tvarem spalovací komory a tryskou terciálního vzduchu. Pátý díl dokumentuje výrobu kamen v dílnách VUT Brno. Podstatná část práce se věnuje měření parametrů krbové vložky pro výpočet účinnosti, měřícímu úseku spalin a hodnocení měření s konstrukčními úpravami krbových kamen. Klíčová slova Krbová kamna, krbová vložka, spalování dřeva, účinnost krbové vložky Abstract The diploma thesis is divided into five main parts. First part deals with wood as a firing in term of its composition, emissions of carbon dioxide and its properties. The second part describes the calculation of a stove fire, especially stoichiometry of firing, temperature of uncooled flame and area of combustion chamber. The third part focuses on the proposal for a stove fire in connection with comparative criteria of the fireplace, shape of the combustion chamber and the tertiary air jet. The fifth part describes a manufacturing of the stove fire in the work-room at VUT Brno. The major part of the diploma work pays attention to the measuring of stove fire parameters for the effectivity calculation, measuring section of combustion gas and measurement evaluation with stove fire constructional modifications. Keywords Stove fire, fireplace inlay, wood combustion, effectivity of fireplace inlay, 4

5 Bibliografická citace ŠTELCL, O. Návrh krbové vložky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce Ing. Marek Baláš. 5

6 Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu literatury. V Brně dne... podpis... 6

7 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval panu Ing. Markovi Balášovi, Ing. Martinovi Lisému Ph.D, Karlovi Galandrovi a Milanovi Havlíčekovi za odborné vedení, vstřícnost a čas který mi věnovali při psaní diplomové práce a výrobě kamen. 7

8 Obsah 1. ÚVOD DŘEVO JAKO PALIVO OXID UHLIČITÝ A SPALOVÁNÍ DŘEVA VLASTNOSTI DŘEVA VÝPOČET KRBOVÝCH KAMEN VÝPOČET MINIMÁLNÍHO MNOŽSTVÍ VZDUCHU Předpokládané složení zkušebního paliva Základní spalovací reakce Minimální množství kyslíku pro spálení 1 kg paliva Minimální množství suchého vzduchu: Součinitel vlhkosti: Minimální množství vlhkého vzduchu pro spálení 1 kg paliva VÝPOČET MINIMÁLNÍHO OBJEMU SPALIN Objem oxidu uhličitého CO ve spalinách Objem dusíku N ve spalinách Minimální objem suchých spalin Minimální objem vodní páry vzniklé spálením 1 kg paliva Minimální množství páry vzniklé z vlhkého vzduchu Minimální objem vodní páry Minimální množství vlhkých spalin TEPLOTA NECHLAZENÉHO PLAMENE Redukovaná výhřevnost paliva Teplo přivedené vzduchem Teplo uvolněné v ohništi I-t diagram spalin PLOCHA SPALOVACÍ KOMORY Výpočet prostupu tepla sklem NÁVRH KRBOVÝCH KAMEN NÁVRH VELIKOSTI SPALOVACÍ KOMORY POROVNÁVACÍ KRITÉRIA OHNIŠTĚ Střední měrný tepelný výkon roštu Střední měrné tepelné zatížení ohniště Střední hustota tepelného toku do výhřevných ploch SPALOVACÍ KOMORA Výkon Účinnost a emise CO Dlouhý provoz bez přikládání Oplach skla Rozměry spalovací komory VÝROBA KAMEN NORMA ČSN EN TEPELNÉ ZTRÁTY A ÚČINNOST Poměrné ztráty citelným teplem spalin Poměrné ztráty plynným nedopalem Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: Střední měrná tepelná kapacita spalin Redukovaný hmotnostní podíl uhlíku v nespálených zbytcích: Koncentrace CO Celkový tepelný výkon ZKOUŠKA KRBOVÝCH KAMEN

9 7.1 MĚŘÍCÍ ÚSEK SPALIN MĚŘENÍ Měření pro nastavení Měření pro nastavení Měření pro nastavení Měření pro nastavení Měření pro nastavení Měření pro nastavení Hodnocení měření a konstrukční úpravy Výdrž hoření při malém výkonu ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ PŘÍLOHY POSTUP VÝROBY

10 1. Úvod Biomasa neustále opakované heslo, které má v dnešní době zvyšujících se emisí oxidu uhličitého velký význam. Tato energetická surovina je z ekologického hlediska velmi důležitá, neboť jejím spalováním vzniká pouze takové množství CO, které bylo spotřebováno k jejímu růstu. Mluvíme tedy o nulovém procesu z hlediska bilance CO. V energetice se biomasa hojně používá obzvláště kvůli dotacím a výhodám plynoucím z jejího využití. Přidává se jako palivo při spalování uhlí v energetických blocích, dokonce existují elektrárny a teplárny spalující pouze biomasu. Ve světě běží spousta projektů zabývajících se jejím využitím. Mezi jeden ze způsobů energetického využití biomasy patří spalování dřeva v lokálních topeništích konkrétně v krbových kamnech, jimiž se zabývá tato práce. Využívání krbových kamen a vložek jako doplňkového zdroje vytápění je v dnešní době rychlého růstu cen energií velmi prozíravou alternativou. V porovnání s jinými variantami vytápění patří krbová kamna mezi nejlevnější zdroje z hlediska pořizovacích i provozních nákladů. Cílem je navrhnout spalovací zařízení které by svými parametry a užitnými vlastnostmi předčilo běžná krbová kamna, jelikož stále platí všeobecný postoj o nepohodlnosti používání těchto topidel. Při návrhu kamen bude kladen velký důraz na účinnost spalování, emise oxidu uhelnatého CO a také výdrž hoření na jedno přiložení. Výstupem by mělo být topidlo které se zařadí do první třídy z hlediska účinnosti (to znamená nejméně 70 %) a také do první třídy z hlediska emisí (emise CO maximálně do 0,3 % při 13 % O ve spalinách). Požadovaný výkon je10kw. Součástí práce bude výroba prototypu kamen dle návrhu, následné odzkoušení předpokládaných parametrů podle normy ČSN EN 139 a porovnání výsledků s navrženými parametry. 10

11 . Dřevo jako palivo Palivové dříví má podobné vlastnosti jako ostatní pevná paliva. Složení lze primárně rozdělit takto: -hořlavina -popelovina -voda Hořlavinu lze dále rozdělit na: -hořlavinu vázanou v palivu -prchavou hořlavinu Poměr prchavé hořlaviny ve dřevní hmotě patří mezi největší. Hodnota se pohybuje okolo 95 %, což přispívá k nízké vzněcovací teplotě v intervalu 180 až 60 C. Avšak na druhou stranu zásadním způsobem ovlivňuje velikost rozměry a provedení spalovací komory, jakož i zbytku spalovacího zařízení. Na tento aspekt se myslí už při návrhu zařízení a mělo by se počítat s větším množstvím přisávaného sekundárního vzduchu. Primárního vzduchu (někdy také vzduch pod rošt) by mělo být minimální množství, pouze o něco vyšší než podíl vázané hořlaviny v palivu. Ovšem v praxi, u různých krbových vložek a kamen, tomu tak není. Výrobci se drží staré metody a přivádí největší podíl spalovacího vzduchu pod rošt, což se nepříznivě projeví na vlastnostech spalovacího zařízení, nejvíce na účinnosti a provozu (například nepříliš estetické zakouření skla). Velké množství primárního vzduchu přivedeného pod rošt nutné pro shoření prchavé hořlaviny a tedy dodržení emisních limitů posouvá součinitel přebytku vzduchu α do vysokých hodnot okolo α = 3. Velký přebytek ředí spaliny a snižuje jejich teplotu, zvyšuje rychlost proudění a snižuje dobu setrvání spalin ve spalovacím zařízení, a tedy snižuje účinnost. Analytické složení hořlaviny se u různých typů dřeva příliš neliší, přibližné hodnoty uvádí tabulka.1 Složka hořlaviny v % Druh dřeva Jehličnaté Listnaté Uhlík 51,0 50,0 Vodík 6, 6, Dusík 0,6 0,6 Kyslík 4, 43,3 Tab..1 Analytické složení hořlaviny 11

12 .1 Oxid uhličitý a spalování dřeva Z hlediska emisí oxidu uhličitého patří dřevo (i veškerá biomasa) mezi paliva s nulovou bilancí. Oxid uhličitý uvolněný spalováním se spotřebuje při růstu stejného hmotnostního množství dřevní hmoty, jenž bylo spáleno. Tento koloběh probíhá díky energii slunečního záření. Při fotosyntéze rostliny spotřebovávají oxid uhličitý a sluneční záření, přičemž se v nich ukládá uhlík a část kyslíku, zbytek odchází bez užitku jako odpad. Množství kyslíku vyprodukovaného určitou hmotou flóry je shodné s množstvím, které se spotřebuje na její spálení. Proto spalování dřeva nepřispívá ke skleníkovému efektu. Zjednodušené schéma zobrazuje obrázek. Obr.. Zjednodušené schéma koloběhu CO 1

13 . Vlastnosti dřeva Základem pro návrh spalovacího zařízení a pro volbu paliva jsou rozhodující určité sledované vlastnosti a parametry: - výhřevnost -obsah hořlaviny -obsah vody -obsah popeloviny -obsah prchavé hořlaviny -charakteristické teploty popela -objemová hmotnost volně ložená Výhřevnost je teplo, které se uvolní dokonalým spálením daného množství paliva, přičemž vzniklé vodní páry ve spalinách zůstanou v plynném skupenství. Vypočítá se z hodnoty spalného tepla (teplo, které se uvolní dokonalým spálením daného množství paliva, přičemž vzniklé vodní páry ve spalinách zkondenzují). Pro účely spalování dřeva je hodnota spalného tepla nedůležitá (pakliže se pomine způsob určování výhřevnosti), jelikož spaliny odcházející do komína by neměly podkročit při provozu teplotu 150 C. Z toho důvodu se spalovací zařízení malých výkonů na dřevo nekonstruují jako kondenzační. Hořlavinu tvoří uhlík C, vodík H, kyslík O a dusík N. Tyto prvky se podílí na spalovací reakci. Voda a popelovina tvoří nehořlavou část paliva. Tyto nedílné součásti všech pevných paliv (nejen dřeva) negativně ovlivňují spalovací proces a konstrukci zařízení. Obsah popeloviny se ve dřevní hmotě pohybuje v nízkých hodnotách (okolo 0,5 1 %). Obsah vody ve dřevě kolísá v širokém rozmezí, například v čerstvě vykáceném dřevě se pohybuje okolo 50 %, přičemž u volně ložené dřevní hmoty se sníží zhruba o 0 % za rok. Obsah vody v živém dřevě kolísá i během ročních období.nejvyšší je koncem jara a počátkem léta, jelikož v té době strom potřebuje nejvíce vody a minerálních látek pro jeho růst, zatímco nejmenší obsah vody platí pro zimní měsíce, a to obzvláště pro dny, kdy se teplota pohybuje pod bodem mrazu. V této době se jeví jako nejvhodnější dřevo kácet, alespoň z hlediska obsahu vody. Prchavá hořlavina je součástí celkové hořlaviny a tvoří ji plynné hořlavé látky, které se uvolňují při zahřátí paliva na určitou teplotu. Poměr prchavé hořlaviny ve dřevní hmotě patří mezi největší. Hodnota se pohybuje okolo 95 %, což přispívá k nízké vzněcovací teplotě v intervalu 180 až 60 C. Avšak na druhou stranu zásadním způsobem ovlivňuje velikost rozměry a provedení spalovací komory, jakož i zbytku spalovacího zařízení. Prchavá hořlavina ovlivňuje vzněcování paliva a čím více ji palivo obsahuje, tím snadněji se zapaluje. Charakteristické teploty popela určují spalovací teploty v ohništi a v celém spalovacím zařízení. Na žádné teplosměnnné ploše za klenbou spalovací komory by neměly být překročeny teploty, aby nedošlo k napékání popela. Dělí se na teplotu počátku měknutí t a, teplotu tání t b, teplotu počátku tečení t c. Tyto teploty jsou závislé především na složení popela. Objemová hmotnost volně ložená udává hustotu nikoli dřeva jako takového, nýbrž dřeva volně loženého. Následující tabulka znázorňuje obsah vody v palivu v závislosti na výhřevnosti. Spojením hodnoty výhřevnosti a objemové hmotnosti volně ložené vznikne 13

14 výhřevnost vztažená na kubický metr v závislosti na obsahu vody a druhu paliva. Tento parametr ukazuje na důležitost spalování paliva s nejmenší vlhkostí. Druh paliva Obsah vody [%] Výhřevnost [MJ/kg] Objemová hmotnost volně ložená [kg/m 3 ] Výhřevnost [MJ/m 3 ] Poleno (měkké dřevo) Dřevní štěpka 0 18, , , , , , , , , , Tab.3 Vliv vlhkosti dřeva na výhřevnost a měrnou hmotnost 14

15 3. Výpočet krbových kamen 3.1 Výpočet minimálního množství vzduchu Výpočty provedeny dle [1] Předpokládané složení zkušebního paliva Pro následující výpočty je vybráno jako palivo dřevo s 15% vlhkostí, což odpovídá přibližně době sušení 1 rok při nejvhodnějších sušících podmínkách. Tabulka 3.1 obsahuje zastoupení jednotlivých prvků a látek důležitých pro výpočet. Látky Poměrné zastoupení (%) C 4,8 H 5,5 O 34,6 voda 15 Tab. 3.1 Složení zkušebního paliva 3.1. Základní spalovací reakce Podle majoritního zastoupení jednotlivých prvků ve dřevě lze odvodit následující spalovací rovnice. Mezi nejdůležitější reprezentanty patří uhlík, který lze spalovat ve dvou režimech. Při podstechiometrickém (nedokonalém) spalování vzniká oxid uhelnatý, přičemž se uvolní pouze třetina možné tepelné energie. Pro dobrou účinnost spalovacího zařízení je tedy nutné vyvarovat se nedokonalému spalování, jak z hlediska uvolňování tepla, tak i emisí, jelikož oxid uhelnatý patří mezi jedovaté plyny. Na druhou stranu by v jednoduchém zařízení bylo pro dokonalé spalování zapotřebí velkých přebytků vzduchu, což by nepříznivě ovlivňovalo rychlost toku spalin kolem výhřevných ploch, a tedy i přestup tepla a následně účinnost. Snahou tedy je ve spodní části spalovací komory udržet podstechiometrické spalování, a zároveň pro vzniklé hořlavé plyny vytvořit ve vrchní části podmínky pro hoření, obzvláště teplotu a koncentraci kyslíku. Následně při dohoření oxidu uhelnatého vznikne oxid uhličitý, jenž je produktem dokonalého spalování, a uvolní se zbylé dvě třetiny tepelné energie. 15

16 -nedokonalé spalování uhlíku: 1 C + O CO + Q 1 1 mol C + mol O = 1 mol CO + Q 1 kg C + 16 kg O = 8 kg CO kj 1kg C + 11,195 m 1 kg C + 0,93 m 3 n 3 n =,50 m = 1,873 m 3 n 3 n kj/kg (1) -dokonalé spalování oxidu uhelnatého 1 CO + O CO + Q 1 1 mol CO + mol O 8 kg CO + 16 kg O = 1 mol CO = 44 kg CO + Q kj () -dokonalé spalování uhlíku C + O CO + Q 1mol C + 1mol O 1,01kg C + 3 kg O = 1mol CO + Q = 44,01kg CO kj (3) 1,01kg C +,39 m 3 n 1kg C + 1,865 m 3 n = 1,854 m 3 n kj/kg -dokonalé spalování vodíku H mol H 4 kg H 4 kg H 1 kg H + O H + 1 mol O + 3 kg O +,39 m + 5,553 m O + Q 3 n 3 n = mol H = 36 kg H O kj = 44,80 m = 11,11 m 3 n 3 n O + Q kj/kg Minimální množství kyslíku pro spálení 1 kg paliva V V O min O min = =,4 100,4 100 C + 1,01 4, [ m / kg ] H O n 4 3 5,5 34,6 = 0,86 m n / kg (4) ( 5 ) 16

17 3.1.4 Minimální množství suchého vzduchu: V V S VZ min 100 = VO min = 0,86 = 4,09 1 S VZ min 3 [ m / kg] m n 3 n / kg ( 6 ) Součinitel vlhkosti: f '' p = 1+ ϕ ( 7 ) '' p ϕ p C -platí za předpokladu, že relativní vlhkost ϕ = 0,7 - absolutní tlak vodní páry na mezi sytosti pro teplotu 0 C p =,34 kpa - celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu p c = 101, kpa f,34 = 1 + 0,7 = 1,0 101, 0,7, Minimální množství vlhkého vzduchu pro spálení 1 kg paliva V V VZ min VZ min = f V S VZ min = 1,0 4,09 = 4,17 m 3 [ m / kg] 3 n n / kg ( 8 ) 17

18 3. Výpočet minimálního objemu spalin Minimální objem spalin vznikne při dokonalém spalování při přebytku vzduchu α = 1. Ve skutečnosti toto množství může být nepatrně menší, a to vlivem nedokonalosti spalování nebo přivedením podstechiometrického množství okysličovadla. Například při vzniku ztráty mechanickým nedopalem určitá část paliva neshoří a zůstane v tuhých zbytcích, popřípadě se dostane do úletu. Výpočty provedeny dle [1] 3..1 Objem oxidu uhličitého CO ve spalinách V V CO CO,6 C S = + 0,0003 VVZ min 100 1,01,6 4,8 = + 0,0003 4,09 = 0,795 m [ m / kg] n 3 n / kg ( 9 ) - platí za předpokladu, že obsah oxidu uhličitého v nasávaném vzduchu je 0,03%. 3.. Objem dusíku N ve spalinách V V N N,4 N S = + 0,78 VVZ min 100 8,4 0,09 = + 0,78 4,09 = 3,19 m [ m / kg] n 3 n / kg ( 10 ) -platí za předpokladu, že obsah dusíku ve zkušebním se palivu blíží k hodnotě 0,09% a poměrné zastoupení dusíku v nasávaném vzduchu je 78% Minimální objem suchých spalin V V S SP min = V + V S SP min CO N = 0, ,19 = 3,985 3 [ m / kg] m n 3 n / kg ( 11 ) 18

19 3..4 Minimální objem vodní páry vzniklé spálením 1 kg paliva V V P HO min P HO min 44,8 H,4 W = ,8 5,5,4 15 = + = 0, [ m / kg] n m 3 n / kg ( 1 ) 3..5 Minimální množství páry vzniklé z vlhkého vzduchu V V VZ H O min VZ H O min = = S 3 ( f 1) V [ m / kg] VZ min 3 ( 1,0 1) 4,09 = 0,0818 m / kg n n ( 13 ) 3..6 Minimální objem vodní páry V V H O H O = V VZ H O min + V P H O min = 0, ,80 = 0,883 m 3 [ m / kg] 3 n n / kg ( 14) 3..7 Minimální množství vlhkých spalin V V SP min = V + V S SP min SP min HO = 3, ,884 = 4,869 3 [ m / kg] n m 3 n / kg ( 15 ) 19

20 3.3 Teplota nechlazeného plamene Jedná se o teoretickou adiabatickou spalovací teplotu, což znamená teplotu, která by nastala v plameni, kdyby z něj nebylo odváděno teplo. Jinými slovy lze zjednodušeně říct, že se jedná o teplotu, která by nastala při dokonalém zaizolování všech teplosměnných ploch spalovacího zařízení. Tato teplota se jeví jako velice užitečná z hlediska pozdějšího výpočtu a návrhu velikosti teplosměnných ploch. Lze ji určit z celkového užitečného tepla uvolněného v ohništi, které je dáno součtem tepel uvolněných v ohništi ze vzduchu a z paliva. Toto teplo přímo úměrně závisí na teple přivedeném vzduchem a redukované výhřevnosti paliva zmenšené o ztráty: -chemickým nedopalem -mechanickým nedopalem -fyzickým teplem tuhých zbytků Ztráta chemickým nedopalem vzniká při nedokonalém spalování uvolněných hořlavých plynů. To znamená, že ve spalinách se objeví určitý podíl hořlavých a většinou toxických látek, které neshořely a neuvolnily tepelnou energii. V malých lokálních topeništích při spalování dřeva se předpokládá největší zastoupení oxidu uhelnatého CO. Ztráta mechanickým nedopalem vzniká při nedokonalém spalování především tuhých paliv. Charakterizuje ji určitý podíl neshořeného paliva nacházejícího se v popelu. Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků poukazuje na fakt, kdy do popelníku umístěného v tomto případě pod roštem padají tuhé zbytky o teplotě vyšší než je teplota vstupního paliva. Tuto ztrátu ovšem v našem případě zanedbáme, jelikož tuhé zbytky neodchází pryč ze spalovacího zařízení během provozu, nýbrž se odstraňují (vynáší) většinou v době, kdy zařízení není v provozu, a tudíž mají teplotu okolí. Výpočty provedeny dle [1] Redukovaná výhřevnost paliva Q Q Q Q ired ired ired ired = Q r i = Q r i + i pv + c ppv [ kj / kg] T pv = ,7 93,15 = kj / kg (16) 0

21 3.3. Teplo přivedené vzduchem Množství tepla přivedeného vzduchem primárně závisí na přebytku vzduchu α a na jeho teplotě. U menších spalovacích zařízení s jednoduchou regulací průtoku spalovacího vzduchu nelze jednoznačně předem určit hodnotu přebytku vzduchu α, tudíž následující výpočet bude zahrnovat škálu předpokládaných hodnot. Q Q v v = α c = α I vzduch0 C 3 [ kj m ] pvzduch0 C T / n Pro převedení jednotek z kj/m n 3 na kj/kg paliva je potřeba celou rovnici XXX vynásobit hodnotou minimálního množství suchého vzduchu pro spálení jednoho kilogramu paliva. (17) Q Q Q v v v α I = vzduch0 C = 1,5 35 4,17 = 19 kj / kg V vz min [ kj / kg] (18) Přebytek vzduchu α (-) Teplo přivedené ve vzduchu (kj/kg) ,5 19 9, Tab. 3. Teplo přivedené ve vzduchu Teplo uvolněné v ohništi Ztrátu chemickým nedopalem Z CO a ztrátu mechanickým nedopalem nelze při návrhu spalovacího zařízení malého výkonu přesně dopředu určit. Jako nejvhodnější řešení se proto jeví odhadnout ji na základě předchozích měření podobných zařízení. Přičemž ztráty chemickým nedopalem u různých krbových kamen oscilují kolem hodnoty 3% a v případě ztrát mechanickým nedopalem je to okolo 0,6%. V následujícím výpočtu se uvažuje s hodnotou přebytku vzduchu α=. Q Q Q u u u = Q ired (1 Z CO = 153 kj / kg Z C ) + Q v [ kj / kg] = (1 0,03 0,006) + 9 (19) 1

22 3.3.4 I-t diagram spalin Pro určení teploty nechlazeného plamene se jeví jako výhodné sestrojit I-t diagram spalin. Je výhodné pracovat s entalpií spalin vztaženou na jeden kilogram spáleného paliva, jelikož potom lze do diagramu dosadit hodnotu tepla uvolněného v ohništi, která má stejné jednotky, tedy kj/kg paliva. Pro sestrojení grafu se počítá s dokonalým spalováním, protože hodnoty vycházející z nedokonalého spalování se liší sotva v desetinách procent. Spaliny jsou v podstatě směs plynů, proto výslednou entalpii lze určit jako součet entalpií dílčích složek (viz tabulka 3.3), přičemž objemy jednotlivých složek spalin se získají ze stechiometrického výpočtu. Při sestrojování grafu hraje důležitou roli entalpie spalin v závislosti na teplotě a přebytku vzduchu I s t,α, která je přímo úměrná součtu entalpie stechiometrických spalin I t Smin (α=1) a entalpie minimálního množství vzduchu při teplotě t I t Vmin Tab. 3.3 Měrná entalpie složek spalin v závislosti na teplotě Entalpie stechiometrických spalin [ kj kg] t t t t IS min = VCO ico + VN in + VH O ih O / (1) Přičemž pro teplotu 1000 C lze psát : I I I 1000 S min 1000 S min = V i + V = 7713kJ / kg i + V i S min CO CO N N H O H O [ kj / kg] = 0, , , ()

23 Pro teplotu 000 C lze psát: I I 000 S min = V i + V i + V i S min CO CO N N H O H O 000 IS min = 16775kJ / kg Entalpie minimálního množství vzduchu [ kj / kg] = 0, , , (3) I t V min I t V min = V = V S VZ min S VZ min i i t VS t VS + V + ( V H O i VZ min t H O V [ kj / kg] S VZ min ) i t H O (4) Pro teplotu 1000 C lze psát: I I 1000 V min I 1000 V min = V i = 603 kj / kg + V i V min VS min VS HO HO = 4, , [ kj / kg] (5) Pro teplotu 000 C lze psát: I I 000 V min I 000 V min = V i + V = 1850 kj / kg i V min VS min VS HO HO = 4, , [ kj / kg] (6) Entalpie spalin v závislosti na teplotě a přebytku vzduchu [ kj kg] t, α t t I S = I S + α 1) IV / min ( min (7) Pro teplotu 1000 C a přebytku vzduchu α=1 lze psát: I I I 1000,1 S 1000,1 S 1000,1 S 1000 = I + ( α 1) I S min = 7713 kj / kg 1000 V min = (1 1) 603 [ kj / kg] (8) 3

24 Entalpie pro teplotu 1000 C (kj/kg) Entalpie pro teplotu 000 C (kj/kg) vzduch α= α=1, α= α=, α= Tab. 3.4 Entalpie v závislosti na teplotě Nyní je k dispozici tabulka hodnot entalpie v závislosti na teplotě pro různé přebytky vzduchu ve spalinách i pro vzduch samotný. Graf 3.5 vychází z těchto hodnot: Jasně zelená barva (v legendě teplo v ohništi) vyznačuje konstantní lineární přímku tepla uvolněného v ohništi pro přebytek vzduchu α = (Q u = 153 kj/kg). Pakliže se spojí žlutá čára (v legendě α = ) se zelenou lineárou, v jejich průsečíku vznikne bod, který na horizontální ose vyznačí teplotu nechlazeného plamene. V tomto případě je hodnota teploty přibližně okolo 1100 C. Avšak jak již bylo dříve uvedeno, přebytek vzduchu ve spalovací komoře malého zařízení s jednoduchou regulací výkonu (pouze regulací vstupujícího vzduchu a nekontinuálním přikládáním paliva) za provozu velmi kolísá. Proto je při návrhu zařízení třeba počítat s určitým intervalem provozních hodnot přebytku vzduchu, a tedy i intervalem provozních teplot. Při spalování dřeva v krbových kamnech se pohybuje minimální přebytek vzduchu okolo α = 1,5. Lze tedy počítat s maximální teplotou okolo 1360 C. Potom interval jmenovitých teplot bude ležet mezi 1100 až 1360 C, a to ze předpokladu nejoptimálnějšího nastavení podmínek pro hoření ve spalovací komoře a z toho vyplívající maximální účinnosti I-t diagram spalin entalpie (kj/kg) teplota ( C) vzduch α=1 α=1,5 α= α=,5 α=3 teplo v ohništi Graf 3.5 Diagram spalin 4

25 3.4 Plocha spalovací komory Pro určení plochy spalovací komory se vychází z následujících předpokladů: -teplota nechlazeného plamene -teplota okolí -součinitel prostupu tepla -emisivita výhřevných ploch -tloušťka materiálů, ze kterých jsou stěny kamen vyrobeny Obrázek 3.6 znázorňuje vizualizaci průběhu teplot a spolu s odporovým schématem se stává účinným nástrojem k odvození tepelných rovnic. Obr. 3.6 Odporové schéma q RAD-IN + q KONV-IN = q ŠAMOT = q PLECH = q RAD-OUT + q KONV-OUT (9) 5

26 Teplo radiací uvnitř kamen: 4 4 σ ( TNP TKIN ) qrad IN = 1 ε ε ŠAMOT ŠAMOT Teplo konvekcí uvnitř kamen: (30) q KONV IN T T 1 α NP K IN = (31) IN Teplo šamotem a plechem: q T K IN K OUT = (3) ŠAMOT + PLECH δ ŠAMOT δ PLECH λ ŠAMOT T + λ PLECH Teplo radiací vně kamen: q σ ( T 4 4 K OUT RAD OUT = 1 ε PLECH ε PLECH T ) (33) Teplo konvekcí vně kamen: q KONV OUT T K OUT = (34) 1 α OUT T Soustava rovnic pro výpočet povrchových teplot kamen uvnitř a vně: 4 4 σ ( T NP T KIN ) T + 1 ε ε ŠAMOT ŠAMOT NP T 1 α IN K IN T = δ λ K IN ŠAMOT ŠAMOT T δ + λ K OUT PLECH PLECH (35) 4 4 TK IN TK OUT σ ( TK OUT T ) TK OUT T = + δ ε ŠAMOT δ 1 PLECH PLECH 1 + λ λ ε α ŠAMOT PLECH PLECH OUT (36) Soustava rovnic je řešena iteračně za pomocí bilance tepel vstupujících a vystupujících z teplosměnných ploch spalovací komory. Vstupní a výstupní hodnoty zobrazuje tabulka 3.7 6

27 značka hodnota jednotka 5,67E- W/(m K 4 ) σ 08 ε ŠAMOT 0,6 ε PLECH 0,8 α IN 5 W/(m K) α OUT 10 W/(m K) λ ŠAMOT 1,35 W/(mK) λ PLECH 40 W/(mK) δ ŠAMOT 0,05 m δ PLECH 0,003 m t NP 750 C too 0 C k 0,0001 k- uhlový 0,5 q 0,48 kw/m t K-IN 635 C t K-OUT 54 C Tab. 3.7 Vstupní a výstupní hodnoty řešení soustavy rovnic Teplota nechlazeného plamene je zvolena schválně nízká (750 C), aby bylo možné vychladit spalovací komoru i při velkém přebytku vzduchu α=3. To znamená, že výhřevné plochy jsou předimenzovány. Proto při celkovém výkonu 10kW (z čeho 7,5kW jde výhřevnými plochami a,5kw sklem) jsou boční stěny spalovací komory o ploše 0,37m. S S S SK SK SK = = Q q 7,5 0,5 = 0,37m (37) Výpočet prostupu tepla sklem Teplo které projde sklem se spočítá ze známého vztahu pro radiaci, avšak je potřeba počítat s transmisivitou skla, což je v podstatě účinnost s jakou teplo radiuje přes sklo. Transmisivita pro použité žárupevné sklo má za daných teplot a dané vlnové délky hodnotu okolo 0,8. Ovšem v potaz je třeba brát také znečištění skla které je vyjádřeno koeficientem zakouření s hodnotou okolo 0,4. 7

28 4 4 Q = SSKLA ε σ ( TNP T ) τ λ k 8 Q = 0,368 0,37 5,67 10 (103,15 Q = 70W ZAKOUŘAKO ,15 ) 0,8 0,4 (38) 4. Návrh krbových kamen 4.1 Návrh velikosti spalovací komory Proporce spalovací komory zásadním způsobem ovlivňují velikost výhřevných ploch a tedy i jeden z nejdůležitějších sledovaných parametrů - výkon. Pro hrubý odhad parametrů se zavádějí porovnávací kritéria ohniště. V počátcích návrhu značnou mírou přispívají ke zjednodušení a porovnání rozměrů. Následně je vhodné ověřit navrhnuté parametry pomocí výpočtu teploty nechlazeného plamene a sdílením tepla do okolí. Výpočty provedeny dle [1] 4. Porovnávací kritéria ohniště patří: Mezi nejdůležitější porovnávací kritéria z hlediska návrhu velikosti spalovací komory -střední měrný tepelný výkon roštu -střední měrné tepelné zatížení ohniště -střední hustota tepelného toku do výhřevných ploch 4..1 Střední měrný tepelný výkon roštu Jedná se o výkon spalovacího zařízení vztažený na jednotkovou plochu roštu, jinými slovy jde o tepelné zatížení roštu. Zatímco u průmyslových kotlů velkých rozměrů lze relativně přesně tuto hodnotu určit (pohybuje se okolo kw/m ), u malých topenišť řádově o výkonu v jednotkách až desítkách kilowatt nastává problém s plochou roštu. Nebývá přes celé dno spalovací komory, nýbrž většinou zaujímá pouze její poměrnou část, přičemž ve výpočtech se uvažuje celé dno. Jelikož v době návrhu krbových kamen nebyly k dispozici podklady s hodnotami středního měrného tepelného výkonu roštu, byly zjištěny experimentálně porovnáním dostupných krbových kamen a vložek. Tab. ukazuje rozměry spalovací komory v závislosti na výkonu a středním měrném výkonu roštu. Topidlo Jotul CB100 se však vyrábí z litinových dílců, takže porovnávací kritéria se budou lišit od kamen plechových, vyložených šamotem. r Qi q m r = (39) S r 8

29 Tab. 4.1 Střední měrný tepelný výkon roštu plocha roštu Sr (m ) střední měrný tepelný výkon roštu q r (kw/m ) topidlo nominální výkon (kw) Jotul CB100 dle[4] 5,5 0,103 53,3 Thorma 5kW [5] 5 0, ,1 Fiala 13 0, ,4 Romotop Tábor dle[6] 10 0,116 8, Navrhovaná kamna 10 0,13 75,8 4.. Střední měrné tepelné zatížení ohniště Jde o jmenovitý výkon topného zařízení vztažený na jednotkový objem spalovací komory. Objem spalovací komory musí být dostatečně velký, aby mohly být zajištěny následující kritéria: -dostatečný prostor pro určitou délku plamene -dosažení maximální možné účinnosti spalování -dostatečné velikosti teplosměnných ploch k přenesení požadovaného výkonu q v r Qi m = (40) V o nominální výkon (kw) objem ohniště (m 3 ) Střední měrné tepelné zatížení ohniště q v (kw/m 3 ) topidlo Jotul CB100 dle[4] 5,5 0,04768,1 Thorma 5kW dle[5] 5 0, ,8 Navrhovaná kamna 10 0, ,4 Fiala 13 0, ,8 Romotop Tábor dle[6] 10 0, ,9 Tab. 4. Střední měrné tepelné zatížení ohniště 4..3 Střední hustota tepelného toku do výhřevných ploch Materiál, ze kterého bude ohniště navrhovaných kamen, je plech o síle 3 mm, které bude zevnitř vyloženo šamotovými deskami o síle 30 mm. Tabulka 4.3 ukazuje srovnání navrhovaných kamen s konkurenčními výrobky podobných vlastností, u nichž byly zjištěny provozní podmínky zkušebním zátopem. 9

30 q st m r Qi = (41) S stět x topidlo plocha stěn (m ) střední hustota tepelného toku do výhřevných ploch q st (kw/m ) Jotul CB100 dle[4] 0,316 17, Thorma 5kW dle[5] 0,34 15, Navrhovaná kamna 0,564 17, Fiala 0,6308 0, Romotop Tábor dle[6] 0,546 18, Tab. 4.3 Střední hustota tepelného toku do výhřevných ploch 4.3 Spalovací komora Jak již bylo výše uvedeno, pomocí porovnávacích kritérií ohniště jsou odvozeny základní proporce spalovací komory. K dispozici byla kamna která šla vyzkoušet v různých režimech provozu. Velký důraz byl kladen na užitné vlastnosti, zejména na: -zakuřování skla -možnosti stáložárného provozu -kouření do místnosti během přikládání -obsluha -odezva délky hoření na velikost a kvalitu paliva -vizuální emise pevných částic a kouře Dále se zjišťovala: -geometrie spalovací komory -obtékání výhřevných ploch plamenem -chování plamene při různých nastavení vstupních spalovacích vzduchů Byly stanoveny požadavky navrhovaných kamen: -výkon 10kW -účinnost alespoň 70 % odpovídá třídě účinnosti 1 -emise CO maximálně do 0,3% při 13 %O ve spalinách (třída emisní normy 1) -dlouhý provoz bez přikládání (noční režim) -funkce samočištění skla 30

31 4.3.1 Výkon Výkon je pevně stanoven na 10 kw. Pro porovnání a návrh rozměrů podle jednotlivých porovnávacích kritérií slouží tabulka 4.5. Rozměry byly navrženy s podmínkou nepříliš velkých odchylek od porovnávacích kritérií. Poměr výška x šířka x hloubka je nastaven tak, aby co nejlépe vyhovoval geometrii spalování. Šířka spalovací komory primárně určuje délku polen. Se vzrůstající délkou se zlepšují podmínky pro zpracování a uskladnění dřeva. Z toho plyne, že čím delší kusy, tím méně místa je potřeba pro uskladnění a menší práce potřebná ke zpracování. Šířka ohniště také ovlivňuje šířku čelního žárupevného skla. Vetší sklo má výhody z estetických důvodů a také z hlediska přenosu tepla. Sklem projde velké množství tepelné energie radiací, což způsobuje fakt, že do vzorce pro výpočet radiace se dosadí teplota uvnitř ohniště. Tok tepelné energie se zmenší pouze poměrem transmisivity (veličina udávající účinnost propustnosti skla radiací). Výška ohniště je navržena s ohledem na: -vzdálenost klenby spalovací komory od paliva -možnost vložení většího množství paliva (pro noční režim) -umístění trysky terciálního vzduchu Vzdálenost klenby od paliva patří mezi důležité faktory určující kvalitu spalovaného dřeva (zejména vlhkost). Klenba, jinými slovy deflektor, se při ošlehávání plamenem nahřívá a odráží velké množství tepla zpět do paliva, které se více zahřívá, vysouší a mnohem lépe uvolňuje prchavou hořlavinu, což stabilizuje proces hoření zejména u méně kvalitnějšího paliva. Tohoto efektu se využívá také při provozu na malý výkon, kdy se vstupy vzduchu otevírají jen do nejmenší možné polohy a teplota uvnitř ohniště dosahuje menších hodnot. Výška klenby je úzce spjata s výškou čelního skla, které jak uvádí předchozí text má velký význam z hlediska odvodu tepla ze spalovací komory. Klenba vymezuje prostor pro palivo, zvláště pro možnost dlouhodobého provozu (noční režim). Zjednodušeně lze říci, že více paliva vydrží déle hořet. Hloubka ohniště je navržena s ohledem na vstupy vzduchu a promíchání vzduchu s hořlavinou Účinnost a emise CO Mezi nejsledovanější parametry krbových vložek a kamen patří účinnost. Tato veličina je úzce spjata s geometrií ohniště a s dokonalostí promíchání okysličovadla s hořlavinou. Efektivita záleží na: -teplotě a množství spalin opouštějící kamna -koncentraci CO -součiniteli přebytku vzduchu -teplotě spalování -rychlosti proudění spalin kolem výhřevných ploch -geometrii ohniště a spalinovodu 31

32 Účinnost se u krbových kamen určuje nepřímou metodou. Ze sta procent se odečítají jednotlivé ztráty: -ztráta citelným teplem spalin -ztráta chemickým nedopalem -ztráta mechanickým nedopalem Největší podíl na snížení účinnosti má ztráta citelným teplem spalin. Přebytečné množství nasávaného kyslíku rozředí spaliny, sníží teplotu plamene, která má majoritní vliv na hodnotu přestupu tepla radiací. Komínem unikne velký objem spalin o vysoké teplotě Na tento fakt je třeba myslet při návrhu kamen. Ve spalovací komoře je třeba zajistit co nejnižší koeficient přebytku vzduchu α, aby teplota plamene dosáhla co nejvyšších hodnot. Avšak na druhou stranu s malým přebytkem vzduchu stoupá koncentrace oxidu uhelnatého CO. K vyřešení tohoto problému lze využít přivedení dalšího vzduchu pro hoření v oblasti těsně pod klenbou pro spalování hořlavých plynů, které nestačí shořet pomocí primárního a sekundárního vzduchu. Vzhledem k poloze trysky terciárního vzduchu je nutné, aby vzduch oblast pod klenbou neochlazoval. Přivedení předehřátého vzduchu tuto podmínku splňuje. V zadní části spalovací komory je umístěn kanál ve kterém se vzduch předehřívá a poté proudí do trysky terciárního vzduchu, jak znázorňuje obrázek 4.4. Obr.4.4 Schéma proudění vzduchu a spalin Ztráta citelným teplem spalin je také zmenšena díky umístění klenby a dvou deflektorů které prodlužují trajektorii spalin. 3

33 4.3.3 Dlouhý provoz bez přikládání Vhodné umístění klenby a trysky terciárního předehřátého vzduchu by mělo mít příznivý vliv na udržení spalování a příznivé účinnosti při sníženém výkonu, kdy je požadavek dlouhé doby hoření. Po maximálním naložení ohniště palivem se dřevo nechá rozhořet a poté se uzavře přísun primárního vzduchu, přičemž šoupátko sekundárního vzduchu zůstane mírně pootevřené, aby nedošlo k přílišnému zakouření skla a aby se do prostoru nasával vzduch pro primární hoření. Tryskou terciálního vzduchu se bude do prostoru pod klenbou nasávat předehřátý vzduch, který spolu s vysokou koncentrací CO tvoří zápalnou směs. Při dodržení podmínek pro hoření tato směs vzplane. Část vzniklého tepla se odrazí od klenby zpět do paliva které bude pyrolyzovat a doutnat a tvořit další podmínky pro hoření Oplach skla Vhodné umístění vstupu sekundárního vzduchu nad sklem by mělo zajistit funkci samočištění skla. Studený vzduch bude padat kolem rozpáleného skla směrem dolů k palivu. Případný uhlíkový nebo dehtový nános se bude proudícím vzduchem okysličovat a postupně shoří a zmizí Rozměry spalovací komory Tabulka 4.5 obsahuje navržené rozměry spalovací komory vzhledem k předchozímu výpočtu plochy ohniště a porovnávacím kritériím. výška šířka hloubka nominální Topidl ohniště ohniště ohniště výkon o (mm) (mm) (mm) (kw) Jotul CB100 dle[4] ,5 Thorm a 5kW dle[5] Navrho vaná kamna Fiala Romot op Tábor dle[6] Tab. 4.5 Rozměry, výkon a porovnávací kritéria ploch a roštu Sr (m ) 0,10 3 0, ,13 0, ,1 16 obje m ohni ště (m 3 ) plocha stěn (m ) střední měrný tepelný výkon roštu q r (kw/m ) Střední měrné tepelné zatížení ohniště q v (kw/m 3 ) 0, ,316 53,3,1 0, ,34 56,1 07,8 0, ,564 75,8 199,4 0, ,6308 8,4 16,8 0, ,546 8, 10,9 střední hustota tepelného toku do výhřevnýc h ploch q st (kw/m ) 17, , , , ,

34 5. Výroba kamen Kamna jsou vyrobena z plechu o síle 3mm. Jelikož nebyla možnost plech naohýbat podle potřeby, všechny plechy jsou nastříhány na míru a vzájemně svařeny k sobě. Plechy jsou svařeny pomocí usměrněné svářečky která svařuje pod ochranou atmosférou CO. K výrobě bylo použito dílenské vybavení VUT- Brno. Výrobu znesnadňovalo kroucení plechu při svařování, proto byly jednotlivé dílce přichytávány svorkami k rovné ocelové desce (viz obrázek 5.1) Při sériové výrobě by bylo třeba pláty plechů ohýbat, což by zlevnilo výrobu, zvětšilo by tuhost kamen i dílců a zkrátilo dobu výroby. Více obrázků popisujících výrobu je umístěno v příloze Obr. 5.1 Svařenec kamen 34

35 Obr. 5. Hotová kamna 35

36 6. Norma ČSN EN Tepelné ztráty a účinnost Výpočty provedeny dle [1] Dle účinnosti lze krbové vložky a kamna s uzavřenou spalovací komorou řadit do jednotlivých tříd: Třída účinnosti zařízení Mezní hodnoty účinností [%] Třída 1 70 Třída 60 < 70 Třída 3 50 < 60 Třída 4 30 < 50 Tab. 6.1Třídy účinností Tepelné ztráty závisí na průměrných hodnotách teplot spalin a místnosti, složení spalin a hořlavých složek v pevných zbytcích spalování Účinnost se stanový odečtením poměrných ztrát: -citelným teplem spalin q a -plynným nedopalem q b -mechanickým nedopalem q r [%] η = 100 ( q a + qb + qr ) (4) Poměrné ztráty citelným teplem spalin Ztráty citelným teplem spalin: Q ( c pmd ( C C r )) c pmh 1,9 ( 9 ) O H + W a = ( t a t r ) + [ kj/kg ] 0,536 ( CO + CO ) 100 (43) Poměrné ztráty citelným teplem spalin: q a Qa = 100 [%] (44) r Q i 6.1. Poměrné ztráty plynným nedopalem Ztráty plynným nedopalem: 36

37 Q b 1644 CO ( C Cr ) [ ( ) ] [ kj/kg] 0,536 CO + CO 100 = (45) Poměrné ztráty plynným nedopalem: q b Qb = 100 [%] (46) r Q i Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: Ztráty mechanickým nedopalem: Q r 335 R b = [ kj/kg] (47) 100 Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: q r Qr = 100 [%] (48) r Q i Střední měrná tepelná kapacita spalin Střední měrná tepelná kapacita suchých spalin při srovnávacích podmínkách: C pmd tsp + tsp 0,361+ 0,008 0, tsp tsp CO = 3,6 + 0, ,19 0, tsp + 0,03 tsp CO 0, kj K.m 3 (49) Střední měrná tepelná kapacita vodní páry: 3 3,6 0,414 0,038 0,034 [ kj/m ] tsp tsp C pmh O = + + (50) 37

38 6.1.5 Redukovaný hmotnostní podíl uhlíku v nespálených zbytcích: C r b = R [%] (51) Koncentrace CO Průměrné hodnoty složek spalin, například kyslíku (O ), oxidu uhličitého (CO ) a oxidu uhelnatého (CO) se získají z odečtů hodnot na přístrojích, přičemž interval měření musí být tak krátký, aby spolehlivě zachytil případné kolísání. Průměrná hodnota oxidu uhelnatého (CO avg ) se spočítá aritmetickým průměrem z naměřených hodnot v průběhu doby zkoušení. Hodnota CO avg se přepočítá na hodnotu koncentrace CO na základě běžného obsahu kyslíku ve spalinách O standardized = 13% (pro tuto normu) a to na základě následujících vzorců: CO 1 Ostadardized = COavg [%] (5) 1 O avg nebo CO max 1 Ostadardize d CO = COavg [%] (53) CO 1 avg Třída emisí CO koncentrace CO (při 13% O ve spalinách) [%] Třída 1 0, 3 Třída > 0,3 1,0 Tab. 6. Třídy emisí CO 6.1.7Celkový tepelný výkon r B Qi P = η [ kw ] (54) 38

39 7. Zkouška krbových kamen 7.1 Měřící úsek spalin Obr. 7.1 Schéma měřícího úseku spalin Měřící úsek spalin se skládá z trubky kouřovodu, kde se nachází otvory pro nasunutí trubiček jednotlivých odběrů. Tyto trubičky se pro utěsnění spalinovodu mohou navařit nebo pouze nasunout do přesných děr. Nutností je pokud možno co nejdokonalejší utěsnění odběrů, protože netěsností by si komín mohl přisávat falešný vzduch a byly by ovlivňovány výsledky měření. Z důvodu zkoušení kamen na provizorním pracovišti bylo zvoleno provedení děr odběrů pro analyzátor spalin a teploměr do stejné horizontální pozice, aby nedošlo k ovlivňování výsledků nejdůležitějších parametrů měření. Tahoměr snímal podtlak v komíně těsně nad těmito odběry. Sonda teploměru a odběrová trubice analyzátoru se vsunula zhruba do 1/3 průřezu komínu, tak aby bylo dosaženo co nejpřesnějších výsledků. Spaliny nasávané analyzátorem byly ochlazeny a zbaveny vlhkosti v kondenzační smyčce, jenž se realizovala pomocí nádoby se studenou vodou, do které se vložily téměř dva metry hadičky spojující 39

40 odběr ve spalinovodu s měřícím přístrojem. Následné odloučení pevných části bylo provedeno filtrem, který se běžně používá pro filtraci paliva. 7. Měření Výpočty provedeny dle [1] Tato kapitola popisuje měření pro jednotlivá nastavení. V jednotlivých podkapitolách měření jsou pro přehlednost sestaveny grafy, tabulky a odůvodnění dle následujícího klíče: -tabulka nastavení -tabulka naměřených hodnot -graf průběhu koncentrací CO, CO a O -graf průběhu teploty spalin v závislosti na koncentraci CO -graf průběhu přebytku vzduchu α na koncentraci CO -graf poměru ztrát -tabulka naměřených a vypočtených hodnot -komentář Čas zkoušení podle normy ČSN EN 139 trvá přesně jednu hodinu (i když dovoluje zkrácení doby na 45 minut). Pro stanovení účinnosti byla zvolena nepřímá metoda. Maximální účinnost 100 % se zmenší o poměrné ztráty: -mechanickým nedopalem -chemickým nedopalem -citelným teplem spalin Ztráta mechanickým nedopalem se určuje z hořlaviny obsažené v palivu. U spalovaného dřeva musí být znám poměr popeloviny, poté se váží veškeré palivo, které shoří ve spalovacím zařízení, a po dohoření se zváží hmotnost vzniklého popela. Ta se poté porovná s vypočtenou teoretickou hmotností popela a vypočítá se výsledná ztráta mechanickým nedopalem. Úlet popílku se zpravidla zanedbává. Ztráta chemickým nedopalem se určuje ze složení spalin, lépe řečeno z koncentrace oxidu uhelnatého CO, ve spalinách. Množství spalin, které opustí spalovací zařízení se určí pomocí naměřené koncentrace CO (popřípadě O ) a porovnáním s poměrnou hodnotou daného prvku v atmosférickém vzduchu. Vypočtené množství se potom vynásobí poměrem CO a vznikne objem CO, jenž má v sobě skrytou určitou energii, která se rovná dané ztrátě. Ztráta citelným teplem spalin se vypočítá z jejich objemu vynásobeného entalpií, která je závislá na složení a teplotě spalin Pro naměření koncentrací, teplot, hmotností a podtlaku byly použity následující přístroje: -analyzátor spalin -teploměr (termočlánek) -tahoměr -přesná váha 40

41 7..1 Měření pro nastavení 1 Nastavení krbové vložky mělo následující parametry: primární vzduch 0 sekundární vzduch 1 terciální vzduch 1 počáteční teplota spalin 177,7 C tah komína 8Pa předpokládaná výhřevnost paliva 16MJ/kg hmotnost paliva 3,06kg počet kusů paliva (polen) 4 druh paliva tvrdé dřevo doba sušení paliva roky doba zkoušky 60 minut čas započetí zkoušky 14:33 interval měření online 10s interval měření offline - úprava klenby ohniště - úprava prostředního deflektoru - úprava vrchního deflektoru - úprava trysky terciálního vzduchu - Tab. 7. Nastavení a vstupní parametry krbových kamen 41

42 čas (minuty) CO CO O α t t-out 0 0,04 0,7 19,5 7, ,7 9,9 1 0,416 1,18 18,36 16, ,6 9,6 0,41 1,44 18,15 13, ,8 9,4 3 0,4 1,6 17,99 1, ,4 9,3 4 0,48 1,53 18,1 1, , ,43 3,75 15,87 5,08 194,4 8,9 6 0,554 4,48 14,58 4, ,5 8,6 7 0,56 5,16 13,69 3, ,5 8,7 8 0,58 5,63 13,15 3, ,8 8,5 9 0,47 6,59 1,06, ,6 8,5 10 0,33 7,69 10,41, ,3 11 0,4 7,85 10, ,1 8,1 1 0,178 8,14 9,54, ,5 8, 13 0,188 7,8 10,16,5174 4, 8, 14 0,16 7,95 9,86, ,4 8,1 15 0,154 7,87 9,83, ,1 8,1 16 0,18 8,08 9,48, ,6 8, 17 0,1 8,09 9,46, ,7 8, 18 0,09 8,18 9,3, , 8,3 19 0,084 8,16 9,1, ,1 0 0,08 8,15 9,19, ,5 8,3 1 0,076 8,7 9,03, ,9 8,3 0,074 8,7 8,97, ,1 8,3 3 0,064 8,8 8,9, ,5 8,4 4 0,064 8,39 8,75, , 8,3 5 0,06 8,51 8,53, ,5 8, 6 0,06 8,51 8,53, ,4 7 0,06 8,58 8,43, ,7 8,6 8 0,056 8,75 8,07, ,1 8,7 9 0,058 8,49 8,4, ,8 8,6 30 0,056 8,7 8,75, , 8,7 31 0,05 8,1 9,01, ,9 8,6 3 0,054 7,85 9,4, ,4 8,6 33 0,056 7,79 9,48, ,8 8,5 34 0,06 7,5 9,88, ,6 8,6 35 0,07 7,3 10,1, ,5 36 0,078 7,11 10,5, , 8,8 37 0,088 7,03 10,6, ,9 8,5 38 0,084 6,99 10,69, ,1 8,5 39 0,084 6,91 10,79, ,3 8,4 40 0,104 6,54 11,3, ,6 8,7 41 0,118 6,43 11,44 3, ,3 8,4 4 0,13 6,5 11,68 3, ,3 8,5 43 0,166 6,17 11,8 3, ,1 8,5 44 0,168 6,06 11,95 3, ,7 45 0,186 5,96 1,09 3, ,7 8,6 46 0,18 5,83 1,4 3, ,8 8,7 47 0,0 5,81 1,9 3, ,7 48 0,196 5,7 1,45 3, ,3 8,7 49 0,46 5,55 1,66 3, ,7 8,9 50 0,35 5,05 13,35 3, ,7 51 0,374 4,9 13,55 3, ,7 5 0,414 4, , ,1 8,5 53 0,48 4,45 14,17 4,4014 5,8 8,3 54 0,466 4,41 14, 4, ,4 55 0,468 4,41 14, 4, ,4 56 0,478 4,36 14,3 4, ,3 57 0,51 4,44 14,3 4,4118 1,7 8,3 58 0,53 4,38 14,35 4, ,5 8, 59 0,544 4,9 14,46 4, , 8,1 60 0,578 4,1 14,61 4, ,9 8,3 průměr 0,3 6,4 11,80 4,1 4,3 8,5 Tab. 7.3 Hodnoty z měření 1 4

43 Průběh koncentrací CO, CO, O - měření 1 CO(%), O(%) čas (s) CO O CO 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 CO(%) Graf 7.4 Průběh koncentrací CO, CO, O z měření 1 Průběh teploty na koncentraci CO - měření 1 teplota ( o C) ,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 CO(%) čas (s) 0 t CO Graf 7.5 Průběh teploty spalin v závislosti na koncentraci CO z měření 1 43

44 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO- měření 1 přebytek vzduchu ( - ) ,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 CO(%) čas (s) 0 α CO Graf 7.6 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO z měření 1 Poměr ztrát pro měření 1 % 89% 9% poměrné ztáty citelným teplem spalin poměrné ztrátyplynným nedopalem poměrné ztráty mechanickým nedopalem Graf 7.7 Poměr ztrát pro měření 1 44

45 průměrné hodnoty t-out 8,5 C t a -teplota spalin 4 C koncentrace O ve spalinách 11,77 % koncentrace CO ve spalinách 6,6 % koncentrace CO ve spalinách 0,37 % koncentrace CO při 13 % O ve spalinách 0,1 % součinitel přebytku vzduchu 3,13 tah komína na konci zkoušky 8Pa komínová ztráta 4197,8 kj/kg poměrná komínová ztráta 5 % ztráta plynným nedopalem 400 kj/kg poměrná ztráta plynným nedopalem,4 % ztráta mechanickým nedopalem 96 kj/kg poměrná ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % účinnost 7 % příkon 14,3 kw výkon 10,4 kw třída účinnosti 1 třída emisí 1 Tab. 7.8 Naměřené a vypočtené hodnoty Zhruba šest minut po přiložení a tedy započetí zkoušky zahořelo palivo, což znázorňuje graf 7.4. Postupný úbytek hodnoty součinitele přebytku vzduchu a také koncentrace O ve spalinách a zrcadlový přírůstek koncentrace CO jsou toho důkazem. Během dalších dvou až tří minut prudce vrůstala a následně klesala koncentrace CO. Tento jev odpovídá rozhořívání paliva s dostatečným přísunem vzduchu. Relativně plochá křivka teplot je způsobena přiložením příliš mohutných kusů paliva (4 kusy na 3,06kg paliva). Maxima teploty spalin se dosáhlo zhruba po třiceti minutách zkoušky. Asi po 50 minutách vyhořela většina prchavé hořlaviny což znázorňuje strmý nárůst koncentrace CO. Pozvolnější zvýšení součinitele přebytku vzduchu po 50 minutách je způsobeno vyhořením prchavé hořlaviny, nicméně vzduch se spotřeboval k dohořívání pevného uhlíku na roštu, což znázorňuje graf 7.6. Maximální otevření přísunu sekundárního vzduchu (vzduchu oplachu skla) v kombinaci s přiložením hrubě naštípaného paliva způsobilo největší naměřený součinitel přebytku vzduchu α=3,13. Byla naměřena nejmenší účinnost, během průběhu všech měření, s hodnotou 7 %. Nejhorší účinnost způsobilo, jak již bylo výše zmíněno, přílišné otevření vstupu sekundáru. Spaliny se příliš ředily studeným vzduchem, klesala jejich teplota a následně vrůstala rychlost proudění, avšak protichůdně klesala doba setrvání spalin v krbových kamnech. Do komína vstupovalo velké množství naředěných spalin o vysoké teplotě a odnášelo tak velké množství tepla což se podílelo na největší komínové ztrátě jak znázorňuje graf poměru ztrát 7.7. Po prvním měření již bylo jasné kudy se budou ubírat další kroky zvyšování účinnosti krbových kamen: -ubrat sekundární vzduch 45

46 -polena naštípat na menší kusy Vliv trysky předehřátého terciálního vzduchu se projevil nízkou emisí oxidu uhelnatého (0,1 %CO při 13 % O ve spalinách). 7.. Měření pro nastavení Nastavení krbové vložky mělo následující parametry: primární vzduch 0 sekundární vzduch 3/5 terciální vzduch 1 počáteční teplota spalin 158 C tah komína 9Pa předpokládaná výhřevnost paliva 16MJ/kg hmotnost paliva 3,01kg počet kusů paliva (polen) 7 druh paliva tvrdé dřevo doba sušení paliva roky doba zkoušky 60 minut čas započetí zkoušky 17:15 interval měření online 10s interval měření offline - úprava klenby ohniště - úprava prostředního deflektoru - úprava vrchního deflektoru - úprava trysky terciálního vzduchu - Tab. 7.9 Nastavení a vstupní parametry krbových kamen 46

47 čas (minuty) CO CO O α t t-out 0 0,16 1,1 17,78 17, ,7 7,6 1 0,338 1,06 18,53 18, ,3 7,6 0,46 0,99 18,69 19, ,3 7,6 3 0,46 0,97 18,74 0, ,3 7,4 4 0,54 0,95 18,77 0, ,3 7,4 5 0,39 5,59 13,07 3, , 7,3 6 0,396,57 16,85 7, ,3 7,1 7 0,41,87 16,46 6, ,1 7,1 8 0,44 3,34 15,93 5, , 7 9 0,438 3,65 15,44 5, , 6,9 10 0,44 4,14 14,85 4, ,7 11 0,408 4,64 14,3 4, ,9 6,7 1 0,98 5,81 1,76 3, ,1 6,5 13 0,84 6,7 1,11 3, ,3 6,4 14 0,31 5,6 1,96 3, , 6,3 15 0,334 4,98 13,79 3, ,4 6,3 16 0,344 5,18 13,55 3, ,3 6,3 17 0,33 5,08 13,69 3, ,7 6, 18 0,36 5,43 13,3 3, ,3 19 0,3 5,65 1,98 3, ,7 6,3 0 0,306 7, 10,97, ,5 6, 1 0,16 9,55 7,19, ,5 6,3 0,37 11,1 5,18 1, ,6 6,1 3 0,168 9,35 7,77, ,4 6,3 4 0,116 9,07 8,57, ,9 6,4 5 0,098 9,1 8,01, ,9 6,5 6 0,14 9,88 6,57 1, ,4 6,5 7 0,6 10,98 5,06 1, ,9 6,4 8 0,3 11,56 4,7 1, ,9 6,5 9 0,36 11,88 3,91 1, ,5 30 0,456 1,34 3,47 1, ,7 6,4 31 0,478 1,41 3,44 1, ,8 6,5 3 0,494 1,66 3,0 1, ,6 6,5 33 0,50 1,61 3,03 1, ,9 6,5 34 0,48 1,43 3,1 1, ,7 6,7 35 0,41 1,3 3,1 1, ,6 36 0,39 1,17 3,9 1, ,8 6,8 37 0,354 11,86 3,67 1, ,1 6,8 38 0,388 11,68 4,01 1, ,9 6,8 39 0,4 11,58 4,7 1, ,8 6,8 40 0,408 11,51 4,3 1, ,7 6,8 41 0,39 11,35 4,39 1, ,9 6,9 4 0,356 11,1 4,63 1, ,1 6,9 43 0,366 11,07 4,73 1, ,9 6,9 44 0,35 10,94 4,87 1, ,9 45 0,316 10,8 4,97 1,856 56, ,48 10,34 5,58 1, ,7 7,1 47 0,188 9,8 6,5, ,8 7, 48 0,164 9,36 6,93, ,3 7,3 49 0,14 9,05 7,31, ,5 7,4 50 0,1 8,9 8,38, ,1 7,3 51 0,116 4,47 9,11 4, ,4 7, 5 0,11 6,64 10,78, , 7, 53 0,1 6, , ,9 7, 54 0,134 6,3 11, 3, ,7 7, 55 0,15 6,14 11,46 3,1940 3,9 7, 56 0,174 5,76 11,96 3,403759,8 7,1 57 0,06 5,9 1,56 3, ,7 7, 58 0,4 5,15 1,76 3, ,5 7,1 59 0,5 4,94 13,08 3, , ,31 4,49 13,69 4,363 04,6 6,9 průměr 0,9 7,65 9,61 4,0 16,96 6,8 Tab Hodnoty z měření 47

48 Průběh koncentrací CO, CO, O - měřění CO(%), O(%) čas (s) CO O CO 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 CO(%) Graf 7.11 Průběh koncentrací CO, CO, O z měření Průběh teploty na koncentraci CO - měření teplota ( o C) ,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 CO(%) čas (s) 0 t CO Graf 7.1 Průběh teploty spalin v závislosti na koncentraci CO z měření 48

49 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO- měření přebytek vzduchu ( - ) ,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 CO(%) čas (s) 0 α CO Graf 7.13 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO z měření Poměr ztrát pro měření 3% 86% 11% 18 poměrné ztáty citelným teplem spalin poměrné ztrátyplynným nedopalem poměrné ztráty mechanickým nedopalem Graf 7.14 Poměr ztrát pro měření 49

50 průměrné hodnoty t-out 6,8 C t a -teplota spalin 17 C koncentrace O ve spalinách 9,6 % koncentrace CO ve spalinách 7,7 % koncentrace CO ve spalinách 0,99 % koncentrace CO při 13 % O ve spalinách 0,1 % součinitel přebytku vzduchu,54 tah komína na konci zkoušky 9Pa komínová ztráta 3101 kj/kg poměrná komínová ztráta 18,5 % ztráta plynným nedopalem 411 kj/kg poměrná ztráta plynným nedopalem,4 % ztráta mechanickým nedopalem 96 kj/kg poměrná ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % účinnost 78,5 % příkon 14 kw výkon 11,1 kw třída účinnost 1 třída emisí 1 Tab Naměřené a vypočtené hodnoty Zahoření po zmenšení přísunu vzduchu posunutím šoupátka sekundárního vzduchu na 3/5 probíhalo pomaleji a na více etap, znázorňuje to graf Díky pomalejšímu rozhořívání se dosáhlo maxima teplot okolo čtyřicáté minuty měření. Což se příznivě projevilo na okamžitých účinnostech zejména ke konci měření Provedená změna nastavení se velice příznivě projevila na účinnosti. Výrazně poklesl průměrný koeficient přebytku vzduchu α=,54. Spaliny nebyly příliš ředěny přebytečným studeným vzduchem a hoření probíhalo pomaleji. Plamen dosahoval vyšších teplot a předával více tepla radiací, protichůdně se zmenšila rychlost proudění spalin a z toho vyplívající hodnota součinitele přestupu tepla konvekcí. Z toho také vyplývá zmenšení hodnoty průměrné teploty spalin. Z grafu 7.14 lze vyčíst zmenšení poměrné komínové ztráty o 3 % oproti měření1. Díky vyšší účinnosti se dosáhlo většího výkonu a to s použitím méně paliva. Naštípání dřeva na menší kousky (7 kusů na 3,01kg paliva) spolu s úběrem množství sekundárního vzduchu bylo znát zejména spalováním hořlavých plynů ve vrchní části spalovací komory těsně pod klenbou, kde se nachází vyústění trysky předehřátého terciálního vzduchu. Nespojitost v koncentraci oxidu uhelnatého CO tak jak znázorňuje graf 7.13 byla způsobena periodickým zahoříváním a zhášením plamene v oblasti vstupu terciálního vzduchu. 50

51 7..3 Měření pro nastavení 3 Nastavení krbové vložky mělo následující parametry: primární vzduch 0 sekundární vzduch 1/ terciální vzduch 1 počáteční teplota spalin 154,4 C tah komína 7Pa předpokládaná výhřevnost paliva 16MJ/kg hmotnost paliva,95kg počet kusů paliva (polen) 6+třísky druh paliva tvrdé dřevo doba sušení paliva roky doba zkoušky 60 minut čas započetí zkoušky 1:04 interval měření online 10s interval měření offline - úprava klenby ohniště - úprava prostředního deflektoru - úprava vrchního deflektoru - úprava trysky terciálního vzduchu - Tab Nastavení a vstupní parametry krbových kamen 3 Obr Dohořívání spalin 51

52 čas (minuty) CO CO O α t t-out 0 0,458 1,34 19,18 14, ,4 6,9 1 0,478 1,66 17,55 11, ,1 6,9 0,49 1,7 17,6 11, ,7 6,8 3 0,51 1,78 17,54 10, ,1 6,6 4 0,584,09 17,4 9, ,9 6,5 5 0,674,43 16,93 8, ,4 6,6 6 0,71,51 16,88 7, ,8 6,6 7 0,798,74 16,68 7, ,4 6,9 8 0,838,78 16,68 7, ,8 9 0,898,97 16,44 6, ,9 6,8 10 0,95 3,3 16,6 6, ,8 6,8 11 0,9 11, 7,75 1, ,5 6,8 1 1,09 11,09 6,09 1, ,5 6,8 13 1,13 10,7 7,5 1, ,1 6,7 14 0,988 9,79 8,1, , 6,9 15 0,9 10,14 7,65 1, ,5 6,8 16 0,94 10,33 7,1 1, ,1 6,6 17 1,1 13,33 3,3 1, ,7 6,5 18 0,336 11,06 4,98 1, ,3 6,5 19 0,17 9,38 7,41, ,9 6,4 0 0,6 8,91 8,55, , 6,4 1 0,194 9,06 8,13, ,4 6,3 0,188 9,41 7,5, ,6 6,5 3 0,16 9,13 7,95, , 6,4 4 0,174 9,5 7,77,1513 1,7 6,5 5 0,16 9, 7,87, ,1 6,6 6 0,148 9,33 7,6, , 6,5 7 0,136 9,4 7,38, ,9 6,6 8 0,14 9,86 6,66 1, ,4 6,6 9 0,144 9,86 6,61 1, ,3 6,5 30 0,15 9,86 6,6 1,994567,7 6,3 31 0,11 8,9 7,97, ,9 6,3 3 0,118 9,47 7,13, , 6,3 33 0,18 9,49 7,19, ,5 34 0,14 9,3 7,46,113778,9 6,4 35 0,118 9,16 7,67, ,5 6,4 36 0,16 9,67 6,77, ,3 6,4 37 0,14 9,85 6,44 1, ,5 38 0,114 9,4 7,13, ,8 6,4 39 0,11 9,4 7,3, ,1 6,4 40 0,134 8,77 8,,4064 4,8 6,3 41 0,13 8,6 8,5,8463 1,9 6,3 4 0,1 8,17 9,8, ,6 6,3 43 0,31 8,07 9,81, ,3 6,3 44 0,4 7,87 9,76, ,5 6,3 45 0,43 7,76 9,83, ,1 46 0,45 7,57 10,13, ,4 47 0,444 7,59 10,04, ,6 6,4 48 0,616 6,97 10,91, ,4 49 0,638 5,97 1,03 3, ,5 6,4 50 0,788 5,31 1,79 3, ,5 6,4 51 0,798 4,98 13, 3, ,4 5 0,784 4,84 13,9 4, ,3 6,4 53 0,8 4,85 13,31 4, ,8 6,4 54 0,784 4,68 13,57 4, ,9 6, 55 0,834 4,89 13,7 4, ,9 6,3 56 0,834 4,86 13,31 4, ,6 6, 57 0,818 4,71 13,5 4, ,4 6,1 58 0,816 4,65 13,6 4, ,7 6,1 59 0,81 4,68 13,6 4, ,1 6,1 60 0,806 4,65 13,65 4, ,7 6 průměr 0,50 7,1 10,5 3,76 194,3 6,4 Tab Hodnoty z měření 3 5

53 Průběh koncentrací CO, CO, O - měření 3 5 1, CO(%), O(%) ,8 0,6 0,4 0, CO(%) čas (s) CO O CO 0 Graf 7.19 Průběh koncentrací CO, CO, O z měření 3 Průběh teploty na koncentraci CO - měření 3 teplota ( o C) , 1 0,8 0,6 0,4 0, CO(%) čas (s) 0 t CO Graf 7.0 Průběh teploty spalin v závislosti na koncentraci CO z měření 3 53

54 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO- měření 3 přebytek vzduchu ( - ) , 1 0,8 0,6 0,4 0, CO(%) čas (s) 0 α CO Graf 7.1 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO z měření Poměr ztrát pro měření 3 78% 3% 19% poměrné ztáty citelným teplem spalin poměrné ztrátyplynným nedopalem poměrné ztráty mechanickým nedopalem Graf 7. Poměr ztrát pro měření 3 54

55 průměrné hodnoty t-out 6,8 C t a -teplota spalin 194,7 C koncentrace O ve spalinách 10,43 % koncentrace CO ve spalinách 7,5 % koncentrace CO ve spalinách 0,495 % koncentrace CO při 13 % O ve spalinách 0,37 % součinitel přebytku vzduchu,7 tah komína na konci zkoušky 7Pa komínová ztráta 817 kj/kg poměrná komínová ztráta 16,8 % ztráta plynným nedopalem 701 kj/kg poměrná ztráta plynným nedopalem 4,17 % ztráta mechanickým nedopalem 96 kj/kg poměrná ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % účinnost 78,5 % příkon 13,77 kw výkon 10,9 kw třída účinnosti 1 třída emisí Tab. 7.4 Naměřené a vypočtené hodnoty Úběr celkového množství vzduchu nasávaného do krbových kamen otvorem vstupu sekundáru a nízký tah komína způsobený nepřízní počasí se projevil dlouhou dobou zahoření paliva (1minut). Koncentrace oxidu uhličitého CO dosahovala po dobu před zahořením velmi nízkých hodnot a to po relativně dlouhou dobu, což nepříznivě ovlivnilo její celkovou průměrnou koncentraci (znázorňuje graf 7.19) která je velice důležitá z hlediska určování účinnosti. Několik minut po zahoření vrostla teplota spalin na hodnotu okolo 5 C na níž se držela relativně dlouho do doby než vyhořela největší část prchavé hořlaviny, poté hoření ubralo na intenzivitě a teplota spalin se nepatrně snížila. Mezi dvacátou a padesátou minutou měření bylo dosaženo maximální momentální účinnosti. To se příznivě projevilo na celkové průměrné účinnosti která dosahovala 78,5 % jako při předchozím měření. Koncentrace oxidu uhelnatého měla kvůli dlouhé době potřebné pro zahoření velmi vysokou hodnotu a z hlediska emisní normy spadla do třídy. Avšak její hodnoty byly mezi osmnáctou a čtyřicátou pátou minutou velmi příznivé, proto bylo rozhodnuto o opakování experimentu se stejnými parametry nastavení pouze se změnou počtu polen (naštípáno na menší kusy). Obrázek 7.17 znázorňuje oblast kde dochází k dohořívání spalin. Plamen přímo ohřívá klenbu a ta radiací předává teplo zpět do paliva. Tento efekt se využije pro prodloužení doby provozu bez přikládání, bude popsáno později. 55

56 7..4 Měření pro nastavení 4 Nastavení krbové vložky mělo následující parametry: primární vzduch 0 sekundární vzduch 1/ terciální vzduch 1 počáteční teplota spalin 197 C tah komína 6Pa předpokládaná výhřevnost paliva 16MJ/kg hmotnost paliva,95kg počet kusů paliva (polen) 8 kusů druh paliva tvrdé dřevo doba sušení paliva roky doba zkoušky 60 minut čas započetí zkoušky 13: interval měření online 10s interval měření offline - úprava klenby ohniště - úprava prostředního deflektoru - úprava vrchního deflektoru - úprava trysky terciálního vzduchu - Tab. 7.5 Nastavení a vstupní parametry krbových kamen 4 56

57 čas (minuty) CO CO O α t t-out 0 1,178 1,8 17,37 10,74 197, ,64 1,4 17,85 13,76 18,4 5,9 0,484 1,8 18,1 15,7 17,7 5,9 3 0,494 1, , ,1 4 0,554 1,55 17,84 1, ,606 1,61 17,77 1,14 158,9 5,9 6 0,71 1,8 17,51 10,74 157,4 5,9 7 0,76 1,95 17,37 10,03 15, ,838, 17,13 8,81 148,5 5,9 9 0,868,5 17,1 8,69 147, 5,8 10 0,9,37 16,98 8,5 145,9 5,7 11 0,99,54 16,81 7,70 141,8 5,9 1 1,06,69 16,68 7,7 140,7 5,6 13 1,156,93 16,46 6,68 139, 5,6 14 1,66 3,17 16,3 6,17 137,1 5,6 15 1,338 3,7 16,15 5,98 136,6 5,7 16 1,43 3,45 15,99 5,67 134,5 5,6 17 1,51 3,58 15,88 5,47 134,4 5,6 18 1,736 3,97 15,53 4,93 133,4 5,6 19 1,88 4,1 15,4 4,75 131,9 5,6 0,058 4,56 15,06 4,30 13,1 5,6 1,348 5,03 14,75 3,90 131,6 5,4,65 5,46 14,4 3, ,5 3,406 5,1 14,19 3,76 131,7 5,4 4,504 5,36 13,99 3, ,4 5,77 5,74 13,64 3,4 134,9 5,4 6 3,33 9,98 7,09 1,97 133,8 5,3 7 4,94 15,61 3,67 1,7 144,1 5,5 8,81 14,98,88 1,3 196,8 5,4 9 1,48 1,58 4,47 1,57 194,3 5,4 30 0,86 11,09 5,83 1,77 191,4 5,4 31 0,71 10,4 6,58 1,89 194,8 5,4 3 0,688 10,51 6,7 1,87 191,1 5,5 33 0,69 10,61 6,1 1, ,6 34 0,64 10,46 6, 1,88 00, 5,5 35 0,616 9,5 7,48,07 193,1 5,4 36 0,64 9,74 7,15,0 19,9 5,6 37 0,53 10,33 6,17 1,90 194,4 5,7 38 0,38 10,8 5,16 1,8 04,1 5,8 39 0,45 11,3 4,7 1,75 03,4 5,8 40 0,536 11,7 4,11 1,68 16,3 5,7 41 0,436 11,3 4,5 1, ,8 4 0,618 1,6 3,4 1,61 16, ,638 1,39 3, 1,59 17,9 6,1 44 0,85 1,93,77 1,5 3,3 6,1 45 0,664 1,8 3,54 1,60 30,7 6,1 46 0,8 13,07,63 1,51 8,1 6, ,51,18 1,46 3,5 6,4 48 0,708 1,67,73 1, ,4 49 0,71 1,56,74 1,57 34,4 6,4 50 0,68 1,16 3,06 1,6 5 6,5 51 0,53 11,67 3,49 1,69 1,8 6,6 5 0,35 11,04 3,99 1,78 19,8 6,9 53 0,16 10,1 4,99 1,93 16,7 6,9 54 0,8 9,81 5,66, ,9 55 0,394 9,31 6,74,11 05,5 6,9 56 0,464 8,5 8,56,38 0,1 6,9 57 0,54 7,91 9,06,48 199,1 6,9 58 0,63 7,7 9,39,54 194, ,718 7, 10,03,7 190, ,748 6,89 10,46,85 181,4 6,9 průměr 1,07 7,63 10,01 4,37 179,6 5,9 Tab. 7.6 Hodnoty z měření 4 57

58 Průběh koncentrací CO, CO, O - měření 4 CO(%), O(%) ,5 4 3,5 3,5 1,5 1 0,5 CO(%) čas (s) CO O CO 0 Graf 7.7 Průběh koncentrací CO, CO, O z měření 4 Průběh teploty na koncentraci CO - měření 4 teplota ( o C) čas (s) 5 4,5 4 3,5 3,5 1,5 1 0,5 0 CO(%) t CO Graf 7.8 Průběh teploty spalin v závislosti na koncentraci CO z měření 4 58

59 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO- měření 4 přebytek vzduchu ( - ) 18,00 16,00 14,00 1,00 10,00 8,00 6,00 4,00,00 0, čas (s) 5 4,5 4 3,5 3,5 1,5 1 0,5 0 CO(%) α CO Graf 7.9 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO z měření 4 Poměr ztrát pro měření 4 61% 3% 36% poměrné ztáty citelným teplem spalin poměrné ztrátyplynným nedopalem poměrné ztráty mechanickým nedopalem Graf 7.30 Poměr ztrát pro měření 4 59

60 průměrné hodnoty t-out 5,9 C t a -teplota spalin 179,9 C koncentrace O ve spalinách 10,06 % koncentrace CO ve spalinách 7,6 % koncentrace CO ve spalinách 1,059 % koncentrace CO při 13 % O ve spalinách 0,77 % součinitel přebytku vzduchu,57 tah komína na konci zkoušky 6Pa komínová ztráta 330 kj/kg poměrná komínová ztráta 13,87 % ztráta plynným nedopalem 1339 kj/kg poměrná ztráta plynným nedopalem 7,95 % ztráta mechanickým nedopalem 96 kj/kg poměrná ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % účinnost 77,5 % příkon 14,37 kw výkon 11,3 kw třída účinnosti 1 třída emisí Tab Naměřené a vypočtené hodnoty Opakované měření při stejných parametrech dopadlo relativním neúspěchem, doba před zahořením se zvedla na dvacet sedm minut. Po přiložení paliva dřevo začalo doutnat a vlivem malého přísunu vzduchu nevznikly vhodné podmínky pro vznícení. Během prvních dvaceti dvou minut se neustále zvětšovala koncentrace oxidu uhelnatého až do té doby, kdy se poměr mezi CO a O stal výbušným, vznikla takzvaná výbušná koncentrace a došlo k menšímu výbuchu. Ale ani při této události nedošlo k zahoření, proto se koncentrace CO zvětšovala ještě dalších 5 minut ( jak je vidět na grafu 7.7) až opět dosáhla výbušného poměru CO a O. Poté bylo nutné okamžitě zasáhnout (aby nedošlo k poškození měřících přístrojů a skla) a otevřít šoupátko primárního vzduchu pod rošt, přičemž teprve teď došlo ke vznícení paliva a nahromaděného plynu. Doutnání dřeva v počátku vedlo k zakouření čelního skla, po skončení zkoušky bylo nutno vypálit sklo provozem na plný výkon otevřením šoupátka sekundárního vzduchu a otevření vzduchu pod rošt zhruba do 1/3. Povlak na povrchu skla se zhruba za půl hodiny provozu spálil a tím byla ověřena funkce samočištění skla. 60

61 7..5 Měření pro nastavení 5 Nastavení krbové vložky mělo následující parametry: primární vzduch 1/8 sekundární vzduch ½ terciální vzduch 1 počáteční teplota spalin 131 C tah komína 7Pa předpokládaná výhřevnost paliva 16MJ/kg hmotnost paliva,9kg počet kusů paliva (polen) 5 kusů druh paliva tvrdé dřevo doba sušení paliva roky doba zkoušky 60 minut čas započetí zkoušky 15:08 interval měření online 10s interval měření offline - úprava klenby ohniště - úprava prostředního deflektoru - úprava vrchního deflektoru - úprava trysky terciálního vzduchu - Tab. 7.3 Nastavení a vstupní parametry krbových kamen 5 61

62 čas (minuty) CO CO O α t t-out 0 0,7,63 17,14 7,44 131,1 6, 1 1 3,5 16,3 6,0 17,8 6,3 1,13 3,56 15,9 5, ,1 3 1,054 5,18 14,05 3,78 13,1 6,1 4 1,5 4,08 15,7 4,80 138,3 6,1 5 1,30 4,45 14,78 4,40 18, ,19 6,9 11,95,84 143, 5,9 7 1,00 8,75 9,33,5 154,1 5,9 8 0,984 8,6 9,41, ,916 7,98 9,91, ,8 10 0,648 10,06 6,6 1,96 185,8 5,8 11 0,88 11,48 4,87 1,7 04,4 5,8 1 0,75 10,66 5,95 1,85 08,7 5,9 13 0,604 9,58 7,43,05 1,7 5,9 14 0,5 9,65 7,16, ,576 9,78 7,7,01 5, ,406 10,6 6,01 1,9 9, ,38 10, 5,96 1,9 36,4 6,1 18 0,358 10,18 5,95 1,93 41, ,406 10,36 5,7 1,90 39,8 6,1 0 0,48 10,55 5,5 1,87 43,3 6, 1 0,388 10,5 5,4 1,87 47,5 6, 0,41 10,53 5,48 1,87 46,6 6,3 3 0,414 10,57 5,37 1,86 49,3 6,4 4 0,36 10,0 6,19 1,96 5,7 6,4 5 0,4 10,41 5,5 1,89 5,5 6,4 6 0,564 11,19 4,61 1,76 57,1 6,4 7 0,144 9,63 6,,04 55,6 6,7 8 0,4 9,98 5,88 1,97 51,1 6,7 9 0,184 8,97 7,4,19 44,5 6,8 30 0,17 8,71 7,73,6 37, 6,8 31 0,174 8,75 7,66,5 33,4 6,9 3 0,156 8,46 8,08,3 34 6,9 33 0,134 8,34 8,,36 9,3 7,1 34 0,144 8,5 8,31 8, ,144 8,48 7,99,3 6,4 7,1 36 0,146 8,47 8,0,3 1,9 7,1 37 0,14 8,49 7,97,31 1,8 7, 38 0,14 8,68 7,66,6 7, 39 0,14 8,55 7,9,30 1 7,1 40 0,146 8,33 8,7,36,9 7,1 41 0,1 7,97 8,73,46 16, ,148 7,53 9,45,61 16,1 7,1 43 0,184 7,9 9,9,69 1,4 7,1 44 0,16 7,13 10,,75 14, 7, 45 0,6 7,1 10,34,76 11,9 7, 46 0,338 7,0 10,61,80 05,6 7, 47 0,31 7,09 10,45,77 07,8 7,1 48 0,368 7,07 10,58,78 06, 7,3 49 0,49 6,9 10,91,84 199,7 7,3 50 0,54 6,79 11,1,89 0 7, 51 0,564 6,3 11,75 3,10 197,6 7,3 5 0,596 6,3 11,8 3,11 197, 7, 53 0,568 6, 11,88 3,16 197,8 7,3 54 0,576 6,38 11,63 3,07 193,9 7,1 55 0,59 6,31 11,77 3, ,3 56 0,566 6,38 11,66 3,07 190,4 7, 57 0,584 6,06 1,01 3,4 193,5 7, 58 0,6 6, 11,91 3,15 188,7 7,3 59 0,618 6,14 1,04 3,19 188,3 7, 60 0,66 6,06 1,13 3,4 188,6 7, průměr 0,49 8,00 9,,69 07,0 6,6 Tab Hodnoty z měření 5 6

63 Průběh koncentrací CO, CO, O - měření 5 CO(%), O(%) ,4 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, CO(%) čas (s) CO O CO 0 Graf 7.34 Průběh koncentrací CO, CO, O z měření 5 Průběh teploty na koncentraci CO - měření5 teplota ( o C) ,4 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, CO(%) čas (s) 0 t CO Graf 7.35 Průběh teploty spalin v závislosti na koncentraci CO z měření 5 63

64 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO- měření 5 přebytek vzduchu ( - ) 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00,00 1,00 1,4 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, CO(%) 0, čas (s) 0 α CO Graf 7.36 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO z měření 5 Poměr ztrát pro měření 5 79% 3% 18% poměrné ztáty citelným teplem spalin poměrné ztrátyplynným nedopalem poměrné ztráty mechanickým nedopalem Graf 7.37 Poměr ztrát pro měření 5 64

65 průměrné hodnoty t-out 6,6 C t a -teplota spalin 07 C koncentrace O ve spalinách 9,17 % koncentrace CO ve spalinách 8,0 % koncentrace CO ve spalinách 0,488 % koncentrace CO při 13 % O ve spalinách 0,33 % součinitel přebytku vzduchu,44 tah komína na konci zkoušky 7Pa komínová ztráta 788 kj/kg poměrná komínová ztráta 16,6 % ztráta plynným nedopalem 69 kj/kg poměrná ztráta plynným nedopalem 3,74 % ztráta mechanickým nedopalem 96 kj/kg poměrná ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % účinnost 79 % příkon 13,5 kw výkon 10,8 kw třída účinnost 1 třída emisí Tab Naměřené a vypočtené hodnoty Po předchozích zkušenostech s dobou zahoření, bylo rozhodnuto otevřít zhruba do 1/8 klapku přívodního primárního vzduchu pod rošt. Toto nastavení se výrazně projevilo na zkrácení doby vzplanutí. Prvotní zahoření nastalo zhruba už po třech minutách (viz graf 7.34). Až na malé odchylky lze říct že všechny křivky týkajících se průběhu koncentrací a teplot byly v průběhu celého měření nejplošší. Teplota dosáhla svého maxima těsně před půlkou zkoušky a poté pozvolně klesala až do konce. Její průměrná hodnota sice nepatřila k nejmenším v průběhu měření, nicméně vzhledem k malému součiniteli přebytku vzduchu α=,44, nízké průměrné koncentraci O =9,17 %, vysoké průměrné koncentraci CO =8,0 % a tedy i předpokládané vysoké teploty plamene v ohništi byla průměrná teplota spalin t a =07 C velice příznivá. Z tohoto také vyplívá nejvyšší hodnota vypočtené průměrné účinnosti 79%. Koncentrace CO byla relativně vysoká, nicméně po přepočtení na 13% O ve spalinách se její hodnota razantně snížila a to díky malé koncentraci kyslíku ve spalinách. Bohužel to však nestačilo na zařazení do první třídy z hlediska emisí CO. Podle předpokladů by se tato hodnota měla snížit zvýší-li se podtlak v komíně čili komínový tah na předepsanou hodnotu 10Pa. V tomto případě by totiž tryskou terciálního předehřátého vzduchu proudilo do spalovací komory více vzduchu, čímž by se nastavily vhodnější podmínky pro dohořívání hořlavých plynů. Avšak účinnost by se neměla příliš změnit, neboť naředění spalin vzduchem by nastalo až těsně pod klenbou ohniště, tedy teplota plamene v žárovišti by neměla být změněna. Naopak by měla o něco povyrůst účinnost kvůli spálení hořlavých plynů, které bez užití vyšly komínem ven a tedy snížení ztráty plynným nedopalem. Nejvyšší účinnost bylo dosaženo díky velké teplotě plamene, který byl nejméně ochlazován vstupujícím studeným přebytečným vzduchem. Proto teplo předané radiací bylo největší. Sice se zmenšilo teplo předané konvekcí, jelikož se zmenšila rychlost spalin a tedy i 65

66 hodnota součinitele přestupu tepla, avšak ve výpočtu radiace figurují teploty ve čtvrté mocnině, čili vliv zvýšení teploty plamene má majoritní význam Měření pro nastavení 6 Nastavení krbové vložky mělo následující parametry: primární vzduch ¼ sekundární vzduch ½ terciální vzduch 0 počáteční teplota spalin 176,9 C tah komína 7Pa předpokládaná výhřevnost paliva 16MJ/kg hmotnost paliva 3kg počet kusů paliva (polen) 7 kusů druh paliva tvrdé dřevo doba sušení paliva roky doba zkoušky 60 minut čas započetí zkoušky 16:33 interval měření online 10s interval měření offline - úprava klenby ohniště - úprava prostředního deflektoru - úprava vrchního deflektoru - úprava trysky terciálního vzduchu - Tab Nastavení a vstupní parametry krbových kamen 6 66

67 čas (minuty) CO CO O α t t-out 0 0,61 4,79 14,5 4,09 176,9 7,1 1 1,018 4,79 13,37 4,09 17,4 7 0,68 1,69 18,9 11,57 164, ,934 3,4 15,6 5,7 161, ,308 3,76 15,14 5,1 158, ,478 3,93 15,06 4, ,8 6 1,618 4,1 14,95 4,75 156,8 6,8 7 1,646 4, ,7 154,8 6,7 8 1,796 4,7 14,95 4,59 154,8 6,7 9 1,88 4,38 14,83 4,47 151,4 6,6 10 1,854 4,51 14,77 4,34 150,9 6,6 11 1,074 8,4 11,08,33 174,1 6,4 1 1,96 9,88 7,69 1,99 186,6 6,5 13 1,186 10,9 7,0 1,91 198,1 6,5 14 1,156 11,6 5,58 1,75 07,7 6,5 15 1,34 1,33 4,5 1,60 5,8 6,4 16 1,696 13,16 3,5 1,50 34, 6,5 17 1,946 13,3 3,87 1,49 34,3 6,5 18 1,616 1,79 4,11 1,54 37,6 6,5 19 1,458 1,84 3,8 1,54 4,1 6,6 0 1,566 13, 3,41 1,49 46, 6,7 1 1,6 13,38 3,6 1,47 46,9 6,8 1,78 13,8,85 1,43 49,8 6,8 3 1,966 14,6,46 1,38 53, ,946 13,96,66 1,41 55, ,31 1,73 3,57 1,55 56,7 7, 6 1,36 1,67 3,65 1,56 60,1 7,1 7 1,04 1,44 3,7 1,58 57,6 7,1 8 1,16 1,4 3,85 1,59 58,6 7,3 9 1,084 1,33 3,83 1, ,4 30 1,14 1,5 3,66 1,58 6,7 7,4 31 1,08 1,59 3,36 1,57 68,1 7,4 3 1,06 1,9 3,03 1,53 68,1 7,3 33 1,14 1,85 3,08 1,53 70,7 7,5 34 1,166 1,86 3,04 1,53 70,3 7,7 35 1, 13,06,91 1,51 75,7 7,7 36 1,3 13,18,78 1,50 76,4 7,8 37 1,34 13,17,73 1,50 78,7 7,8 38 1,1 1,71 3,1 1,55 75,9 7,8 39 1,13 1,69 3,14 1,55 73, 7,9 40 1,0 1,89,88 1,53 68, ,974 1,46 3,07 1,58 65,5 8,1 4 0,614 11,7 3,8 1,68 60, 8,1 43 0,404 10,96 3,95 1,80 56, 8, 44 0,31 10,54 4,39 1,87 54, 8,1 45 0,8 10,17 4,8 1,93 50,3 8,3 46 0,196 9,96 5,04 1,97 43,9 8,3 47 0,174 9,78 5,39, ,3 48 0,16 9,7 5,4,03 4,6 8,4 49 0,148 9,51 5,66, ,4 50 0,138 9,35 5,94,10 34,3 8,4 51 0,13 9,6 6,09,1 30,1 8,3 5 0,14 9,13 6,6,15 9,6 8,3 53 0,116 8,97 6,48,19 5,6 8,4 54 0,11 8,7 6,9,5 6,1 8,4 55 0,11 8,57 7,17,9 19,7 8,4 56 0,108 8,37 7,51,35 18,9 8,3 57 chyba přístroje průměr 1,04 10,13 6,5 1,94 9, 7,3 Tab Hodnoty z měření 6 67

68 Průběh koncentrací CO, CO, O - měření 6 CO(%), O(%) čas (s) CO O CO,5 1,5 1 0,5 0 CO(%) Graf 7.41 Průběh koncentrací CO, CO, O z měření 6 Průběh teploty na koncentraci CO - měření 6 teplota ( o C) ,5 1,5 1 0,5 CO(%) čas (s) 0 t CO Graf 7.4 Průběh teploty spalin v závislosti na koncentraci CO z měření 6 68

69 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO- měření 6 přebytek vzduchu ( - ) 14,00 1,00 10,00 8,00 6,00 4,00,00,5 1,5 1 0,5 CO(%) 0, čas (s) 0 α CO Graf 7.43 Průběh přebytku vzduchu na koncentraci CO z měření 6 Poměr ztrát pro měření 6 69% 3% 8% poměrné ztáty citelným teplem spalin poměrné ztrátyplynným nedopalem poměrné ztráty mechanickým nedopalem Graf 7.44 Poměr ztrát pro měření 6 69

70 průměrné hodnoty t-out 7 C t a -teplota spalin 9 C koncentrace O ve spalinách 6,46 % koncentrace CO ve spalinách 10,1 % koncentrace CO ve spalinách 1,04 % koncentrace CO při 13 % O ve spalinách 0,57 % součinitel přebytku vzduchu 1,94 tah komína na konci zkoušky 7Pa komínová ztráta 558 kj/kg poměrná komínová ztráta 15, % ztráta plynným nedopalem 1015 kj/kg poměrná ztráta plynným nedopalem 6,04 % ztráta mechanickým nedopalem 96 kj/kg poměrná ztráta mechanickým nedopalem 0,6 % účinnost 78 % příkon 14 kw výkon 11 kw třída účinnosti 1 třída emisí Tab Naměřené a vypočtené hodnoty Při poslední zkoušce byl zkoumán přínos trysky terciálního vzduchu. Byl zavřen vstup vzduchu do předehřívacího kanálu umístěného vertikálně na zadní stěně ohniště. Kvůli zajištění dostatku vzduchu byl více otevřen vstup primáru pod rošt. Ke vznícení dřeva došlo za nejkratší čas. Průběh přebytku vzduchu se po rozhoření držel ve velice nízkých hodnotách. Ale prakticky hodnota přebytku vzduchu zhruba ve vertikální půli ohniště je při použití trysky terciálního vzduchu menší, jelikož je téměř uzavřen vstup primáru. Plamen je proto teplejší. Spaliny se naředí až těsně pod klenbou, aby dohořely nespálené plyny, ale přitom ochlazení vlivem naředění nastane když spaliny téměř opouští žároviště, kde se největší část energie předá radiací Hodnocení měření a konstrukční úpravy Měření doprovázela řada komplikací, největší z nich byl malý tah komína zvláště poslední den měření, který byl způsoben změnou počasí a snížením teploty odcházejících spalin. U poslední zkoušky chybí záznam několika posledních minut koncentrací CO, O a CO ve spalinách, neboť nastala porucha na analyzátoru spalin. Výsledky měření splnily prvotní cíle, jelikož bylo dosaženo účinnosti mezi 7 % až 79%, čímž se kamna s přehledem zařadila do první třídy účinnosti. Z hlediska emisí dopadla kladně první a druhá zkouška s hodnotou 0,1 %CO vztaženo na 13 % O ve spalinách. Slibně vypadala i pátá zkouška při níž se dosáhlo nejvyšší účinnosti 79 %, hodnota koncentrace CO přesáhla limit o pouhé 0,03 %. Další kroky výzkumu by měly směřovat k úpravě trysky terciálního vzduchu, která by zaručila dokonalejší shoření CO. 70

71 Během měření byly zpozorovány určité nedostatky, které zbytečně snižovali užitné vlastnosti kamen. Mezi nejzásadnější patřilo kouření do místnosti během přikládání, které lze klást za vinu několika nedokonalostem. První je malý tah komína, vyšší tah by spolehlivěji +zajistil odsávání kouře během přikládání. Druhá nedokonalost zahrnuje skutečnost, kdy při otevření čelních dveří se otevřel i otvor pro vložení popelníku, nímž se do prostoru pod rošt nasálo velké množství vzduchu, které způsobilo rychlé rozhoření přikládaného dřeva a následný velký nárůst objemu spalin. Řešení tohoto problému se nabízí v jednoduchém překonstruování přikládacích dveří a montáží pomocných dvířek zavírajících zvlášť prostor pro popelník. Třetí nedokonalostí je zřejmě přílišná délka středního a vrchního deflektoru, který příliš škrtí odvod spalin, avšak s tímto problémem bylo počítáno již při návrhu a proto jsou deflektory pouze přišroubovány ke konstrukci a jsou lehce vyjmutelné a opravitelné. Další nedostatek představovala dvířka, která nebyla z ohýbaného, nýbrž ze svařovaného plechu a jejich tuhost se vlivem teploty zmenšovala Výdrž hoření při malém výkonu Během jedné noci byl odzkoušen noční režim kamen. Kamna se naložila čtyřmi velkými poleny o celkové hmotnosti 6kg, palivo se nechalo rozhořet a následně se uzavřelo šoupátko primárního vzduchu a šoupátko sekundáru se otevřelo zhruba do 1/8. Plamen byl ze dna spalovací komory subtilní avšak v okolí terciální trysky zmohutněl. Občas oblast terciálního hoření pohasla což lze dát za vinu malému tahu komína, jenž by si za jiných okolností nasával přes trysku více vzduchu. Ráno stačilo rozhrábnout popel, přiložit několik polen, přidat primární vzduch a během chvilky se kamna opět rozhořela. Začernání skla, které vzniklo během noci nízkou teplotou zhruba za půl hodiny zmizelo, čímž byla ověřena funkce oplachu skla. 71

72 8. Závěr Návrh krbových kamen doprovázely nesnáze s množstvím studijního materiálu týkajícího se projektování spalovacích zařízení malých výkonů ( řádově od 5 do 0kW). Metody navrhování byly do jisté míry upraveny a převzaty z výpočtů velkých průmyslových kotlů spalujících uhlí. Cílem této práce byl návrh krbových kamen o parametrech pro zařazení do první třídy z hlediska účinnosti a emisí. Účinnost s hodnotou 79 % překonala normu s rezervou 9 %. Emise CO ze začátku měření vycházeli menší než 0,3 % CO při 13 % O ve spalinách, avšak při pozdějších měření koncentrace přesáhla limit. Nejlepšího výsledku z obou hledisek dosáhlo měření číslo s účinností 78,5 % a s hodnotou koncentrace CO 0,1 % podle normy. Prototyp kamen byl úspěšně vyroben v těžkých laboratořích a dílnách VUT. Měření proběhlo v podmínkách, které se co nejvíce podobaly požadavkům normy ČSN EN 139, avšak měření neproběhlo ve státní zkušebně proto mají hodnoty spíše informativní charakter a mohou se nepatrně lišit. 7

73 9. Seznam použitých zdrojů [1] Dlouhý, T.:Výpočty kotlů a spalinových výměníků [] Van Loo: The Handbook of biomass combustion and co-firing [3] Norma ČSN EN 139 [4] ( :31) [5] ( :33) [6] ( :35) 73

74 10. Seznam použitých značek a symbolů Symbol Popis Jednotka Q ired Redukovaná výhřevnost paliva [kj/kg] Q u Teplo uvolněné v ohništi [kj/kg] i pv Fyzické teplo paliva [kj/kg] c ppv Měrná tepelná kapacita paliva [kj/kg.k] T pv Teplota paliva [K] Q v Teplo přivedené ve vzduchu [kj/kg], [kj/m 3 n ] Z CO Ztráta chemickým nedopalem [-], [%] Z C Ztráta mechanickým nedopalem [-], [%] A Hmotnostní podíl popela v palivu [%] O sp Skutečné množsví spalin [m n 3 /kg] M sp Množství spáleného paliva [kg/s] C i Hmotnostní podíl uhlíku v příslušném zbytku [%] spalování C r Redukovaný hmotnostní podíl uhlíku v palivu [%] C Hmotnostní podíl uhlíku v palivu [%] C z Hmotnostní podíl uhlíku ve zbytcích spalování [%] vztažený na výchozí hmotnost paliva CO Objemová koncentrace oxidu uhelnatého ve [%] spalinách CO Objemová koncentrace oxidu uhličitého ve [%] spalinách H Hmotnostní podíl vodíku v palivu [%] N Hmotnostní podíl dusíku v palivu [%] O Hmotnostní podíl kyslíku v palivu [%] O Objemová koncentrace kyslíku ve spalinách [%] P p Tepelný příkon [kw] P kv Tepelný výkon [kw] Q i r Q a Výhřevnost paliva Ztráty citelným teplem spalin ve vztahu k hmotnosti zkušebního paliva [kj/kg] [kj/kg] 74

75 Q b Ztráty plynným nedopalem ve vztahu k hmotnosti [kj/kg] zkušebního paliva Q r Ztráty mechanickým nedopalem ve vztahu [kj/kg] k hmotnosti R Hmotnostní podíl pevných zbytků spalování [%] propadlých roštem ve vztahu k hmotnosti spáleného zkušebního paliva W Hmotnostní podíl vody v palivu [%] f Součinitel vlhkosti [ - ] s Efektivní tloušťka sálavé vrstvy [m] t ln Střední logaritmický teplotní spád [ C] k Součinitel prostupu tepla [W/m K] Ψ Součinitel tepelné efektivnosti [ - ] α k Součinitel přestupu tepla konvekcí [W/m K] λ Součinitel tepelné vodivosti [W/mK] ν Kinematická viskozita [m /s] w sp Rychlost proudu spalin [m/s] α s Součinitel přestupu tepla sáláním [W/m K] k sp Součinitel zelabení sálání tříatomovými plyny [1/m.MPa] c pmd Střední měrná kapacita suchých spalin při [kj/km3] srovnávacích podmínkách v závislosti na teplotě a složení spalin c pmho Střední měrná kapacita vodní páry při [kj/km3] srovnávacích podmínkách v závislosti na teplotě m pv Celková hmotnost spáleného paliva [kg] m pvs Celková hmotnost spáleného paliva při [kg] jednotlivých zkouškách ϑ Střední teplota spalin [ C] m zi Hmotnost tuhých zbytků spalování propadlých [kg] m& roštem Hmotnostní tok paliva [kg/h] 75

76 m& Hmotnostní tok paliva spáleného při jednotlivých [kg/h] zkouškách p Tlak [Pa] t sp Teplota spalin [ C] t ok Teplota okolí [ C] α,n Součinitel přebytku vzduchu [ - ] η kr Účinnost krbové vložky [%] q a Poměrná ztráta citelným teplem spalin ve vztahu [%] k výhřevnosti zkušebního paliva q b Poměrná ztráta plynným nedopalem ve vztahu [%] k výhřevnosti zkušebního paliva q r pvs Poměrná ztráta mechanickým nedopalem ve [%] vztahu k výhřevnosti zkušebního paliva 76