METODIKA NÁRHU OHNIŠTĚ KRBOÝCH KAMEN Stanislav aněk, Pavel Janásek, Kamil Krpec, Josef Kohut Metodika konstrukčního návrhu ohniště, založená na spalovacích zkouškách, jenž byly provedeny na ýzkumném energetickém centru, poskytuje jednoduchý postup pro stanovení parametrů ohniště. Klíčová slova: Krbová kamna, ohniště,tepelné zatížení, štíhlost Základem pro stanovení metodiky konstrukčního řešení kamen jsou provedené spalovací zkoušky. Ty sloužily k určení optimálních parametrů ohniště. Stručný popis těchto parametrů je spolu s popisem spalovacích zkoušek součástí této kapitoly. Při návrhu konstrukčního řešení ohniště lze vycházet ze dvou rozhodujících parametrů. Prvním je objem ohniště [m ], který je vymezen dnem s roštem, bočními stěnami a v horní části končí poslední tepelně izolovanou (keramickou) plochou. Objem ohniště souvisí s tepelným výkonem kamen P K vztahem: P K = q [kw] kde q v objemové tepelné zatížení ohniště [kw/m ] Správná volba objemového tepelného zatížení je velmi důležitá, protože vyšší hodnota q vede ke snížení účinnosti spalování a k větší komínové ztrátě (tzn. k nižší účinnosti kamen). Příliš nízké hodnoty q mají za následek nadměrné vychlazování ohniště, což rovněž sníží účinnost spalování. Dalším velmi důležitým parametrem pro návrh ohniště je štíhlost. Zjednodušeně se dá říct, že je to poměr výšky ohniště ku jeho půdorysnému obvodu. Přesněji je však definována následujícím vztahem. J H = [-] d k H p kde H výška ohniště [m] d H hydraulický průměr ohniště [m] k p koeficient průřezu ohniště ( poměr šířky A a hloubky B ) A k p = [-] B Hydraulický průměr ohniště určuje vztah: d H S O = 4 [m] kde S průřez ohniště [m 2 ] O obvod ohniště [m] Takto jsou svázány všechny hlavní rozměry ohniště a je možné je určit volbou štíhlosti. Ing. Stanislav aněk, ŠB-ýzkumné energetické centrum, tř.17. listopadu 15, Stanislav.anek@seznam.cz - 89 -
STANOENÍ OPTIMÁLNÍCH PARAMETRŮ A STRUČNÝ POPIS SPALOACÍCH ZKOUŠEK Pro stanovení těchto parametrů byla provedena řada spalovacích zkoušek s různými typy kamen. Každá kamna měla jiný tvar ohniště, což umožnilo sestrojit grafy znázorňující kvalitu spalovacího procesu na tvaru ohniště. Odlišnost jednotlivých typů kamen však také vedla k tomu, že u každých kamen probíhalo spalovaní s jiným přebytkem vzduchu. Což značně komplikovalo porovnávání jednotlivých kamen mezi sebou. Aby se tomu předešlo, byla série zkoušek rozšířena o zkoušky, při nichž se snížilo množství přiváděného vzduchu přiškrcením regulačních prvků. Tím jsme získali podstatně více provozních údajů, a mohli jsme vytvořit jednotlivé skupiny zkoušek, při nichž byl přebytek spalovacího vzduchu přibližně stejný pro různá kamna. takto vytvořených skupinách bylo možno jednotlivá kamna mezi sebou lépe porovnávat. TEPELNÉ ZATÍŽENÍ OHNIŠTĚ první řadě bylo nutno nalézt nejlepší tepelné zatížení ohniště, od kterého se odvíjí další postup návrhu. Byly použity výsledky měření s různými tvary ohnišť (štíhlostí), a hledaly se kamna s nejvyšší účinností v závislosti na tepelném zatížení. Aby bylo možno porovnávat různá měření mezi sebou, bylo pro vyhodnocení použity dvě skupiny zkoušek a to zkoušky s přebytkem vzduchu v intervalu n = 2,6 a n = -,4. typ kamen jmenovitý výkon štíhlost objem kamen tepelné zatížení [kw] [ - ] [ m ] [kw/m ] účínnost - - - - n = 2,6 - n = -,4 blueline 8 1,50 0,0445 179,8-44,5 droka 0 7 2,60 0,04 175,0 50,8 - droka 07 7 2,65 0,002 21,8 65 66,25 edolo 6 0,9 0,0195 07,7 6,175 6,1 opus 8 1,46 0,0412 194,2 - - orfeo 8 2,10 0,081 210,0 62, 59,5 siena 7 1,76 0,024 299,1 6,4 62,8 sondrio 7 1,27 0,079 184,7 47,9 47,9 varese 9 1,4 0,046 206,4-57,1 Tab. 1 Provozní údaje kamen Pomocí těchto údajů je sestrojen obr 1, z něhož je možné stanovit nejlepší tepelné zatížení kamen. [%] 70 65 účinnost [%] 60 55 50 n = 2,6 - n = -,4 45 40 265 150 200 250 00 50 tepelné zatížení Q t [kw/m ] Obr. 1 Návrh optimálního tepelného zatížení krbových kamen - 90 -
Maximálních hodnot dosahují obě charakteristiky účinnosti ve stejném bodě tepelného zatížení a lze tedy usoudit, že pro ideální návrh ohniště bude nejlepší právě tato hodnota. Pro porovnání a ověření platnosti obr 1 je možné použít závislost oxidu uhelnatého přepočteného na referenční podmínky a tepelného zatížení. 0,9 COref [%] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0, n = 2,6 - n = -,4 0,2 0,1 0 256 150 200 250 00 Obr. 2 Závislost CO na tepelném zatížení ohniště tepelné zatížení Q t [kw/m ] Optimální tepelné zatížení v závislosti na účinnosti odečtené z obr 1 je se nepatrně liší od hodnoty odečtené z obr 2, která je Q t opt = 256 kw / m Q t opt = 265 kw / m zvolen průměr, tj. Q t = 260 kw / m, od kterého se dále odvíjí výpočet návrhu ohniště. ŠTÍHLOST OHNIŠTĚ. Tato hodnota. Jako výpočtová hodnota byl Pro ověření vlivu štíhlosti byly z provedených zkoušek sestrojeny grafy udávající závislost účinnosti a koncentrace CO na štíhlosti ohniště. Obr. Závislost koncentrace CO na štíhlosti ohniště - 91 -
Oba grafy dokazují, že lepších výsledků dosahují převážně kamna s větší štíhlostí ohniště. Pro štíhlost ohniště byla zvolená jako výchozí hodnota J = 2,6, která vychází z obou grafů, kde nejvyšší účinnosti kamen a nejnižší koncentrace CO odpovídá právě tato štíhlost. 65 60 55 účinnost [%] 50 45 40 účinnost 5 0 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 štíhlost [-] Obr. 4 Závislost účinnosti kamen na štíhlosti ohniště METODIKA KONSTRUKČNÍHO NÁRHU OHNIŠTĚ Pro jednoduchý, a rychlý návrh ohniště bylo přistoupeno ke zpracování přehledného konstrukčního návrhu. Konstruktér si vybere jmenovitý výkon kamen a rozměry si určí dle grafů či tabulky. Z nejlepšího tepelného zatížení, byly vypočteny jmenovité výkony pro dané objemy ohnišť. Objemy byly voleny podle uvážení a pokud by potřebný jmenovitý výkon nebyl uveden, lze si jej jednoduše dopočítat dle uvedených vzorců. Pro výpočet hloubky ohniště byl pomocí vzorců pro výpočet štíhlosti odvozen následující vzorec. B = 2 ( B + L) pom 4 2 J L kde J štíhlost ohniště [-] B hloubka ohniště [m] B pom pomocná hloubka ohniště volíme [m] L šířka ohniště [m] střední výška ohniště [m] H o objem ohniště [m ] O o půdorysný obvod ohniště [m] S půdorysná plocha ohniště [m2] Iterací vypočteme hloubku ohniště z předem zvolené šířky, objemu a štíhlosti ohniště. ýška ohniště se dopočítá z určených hodnot. - 92 -
Šířka ohniště byla volena, tak aby se půdorys ohniště blížil čtverci, nebo alespoň, aby zde nebyly extrémní výkyvy mezi šířkou a hloubkou (aby nevznikaly úzké a dlouhé ohniště). Příklad výpočtu: Objem ohniště (podle zvoleného výkonu) Q t opt = 256 kw / m = P Q N t = 1 260 = 0,05 m Hloubka ohniště (zvolena šířka ohniště a pomocná hloubka ohniště) J = 2,6 L = 0,2 m B pom = 0, m B = 2 ( B pom + L) 2 0,05 ( 0, + 0,2) 2 J L 4 = 2 2,6 0,2 4 = 0,1 m Střední výška ohniště H 0,05 = = = 0, m o L B 0,2 0,1 51 Tímto způsobem si může konstruktér vypočítat optimální parametry ohniště, pokud by nebylo možné požít vypočtených parametrů uvedených v níže publikovaných grafech a tabulkách. Grafický postup návrhu ohniště Konstruktér si zvolí jmenovitý výkon kamen dle potřeby a z obr 5. určí objem ohniště potřebný pro další stanovení rozměrů. 0,055 0,05 0,045 objem [m ] 0,04 0,05 0,0 0,025 0,02 = 0,008 * P N 0,015 4 6 8 10 12 14 výkon P N [kw] Obr. 5 olba objemu ohniště v závislosti na jmenovitém výkonu kamen - 9 -
Podle zvoleného výkonu kamen přistupuje k zjištění hlavních rozměrů ohniště z příslušných grafů odpovídajících odečtenému objemu ohniště. hloubka B [m] 0,44 0,42 0,4 0,8 0,6 0,4 0,2 0, 0,28 0,26 0,24 0,22 0,55 0,54 0,5 0,52 0,51 0,49 0,48 0,47 0,2 0,46 0,24 0,26 0,28 0, 0,2 0,4 0,6 0,8 0,4 šířka L [m] 0,5 střední výška H [m] Obr. 6 Příklad určení hlavních parametrů ohniště pro = 0,05 m a šířku l = 0,2 m = 0,0 m = 0,025 m = 0,02 m L B H B H B H [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] 0,4 0,19 0,464 - - - - 0,2 0,205 0,456 - - - - 0, 0,224 0,447 0,194 0,429 - - 0,28 0,246 0,46 0,21 0,42 0,179 0,99 0,26 0,272 0,424 0,25 0,409 0,197 0,9 0,24 0,05 0,409 0,26 0,96 0,22 0,79 0,22 - - 0,299 0,81 0,249 0,65 0,2 - - - - 0,286 0,5 - objem ohniště [m ] L - šířka ohniště [m] B - hloubka ohniště [m] H - střední výška ohniště [m] Tab. 2 Hlavní parametry ohniště pro objemy = 0,0 0,02 m Podle uvedeného návrhu může konstruktér rychle a jednoduše získat přehled o velikosti optimálního ohniště a dále pokračovat v návrhu designu. Je však nutno podotknout, že pomocí grafu č.18 je možno určit parametry ohniště pouze pro ohniště o objemu = 0,5 m. Grafy pro celou řadu objemů jsou uloženy v archivu EC. Při následujícím návrhu ohniště nesmíme zaměnit střední výšku ohniště za přední či zadní výšku. Stanovení optimálních rozměrů ohniště však není jediným krokem k vytvoření ideálních kamen. Kromě stanovení těchto rozměrů je třeba správně navrhnout přívody pro spalovací vzduch, dobře utěsnit kamna atd. - 94 -