YSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ BRNĚ BRNO UNIERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTÍ ENERGETICKÝ ÚSTA FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE OPTIMALIZACE KOTLE NA BIOMASU OPTIMIZATION OF BIOMASS BOILER BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR EDOUCÍ PRÁCE SUPERISOR KAREL MIZEROSKÝ Ing. OTAKAR ŠTELCL BRNO 015
ysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Energetický ústav Akademický rok: 014/015 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Karel Mizerovský který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Energetika, procesy a životní prostředí (3904R03) Ředitel ústavu ám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem UT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: v anglickém jazyce: Optimalizace kotle na biomasu Optimization of biomass boiler Stručná charakteristika problematiky úkolu: Práce se bude zabývat optimalizací účinnosti a emisí domovního kotle na biomasu. Součástí bude i experimentální ověření na zkušebně Cíle bakalářské práce: 1) Rešerše na téma kotle na pevná paliva ) Návrh optimalizace účinnosti odhořívacího kotle 3) Praktické ověření výsledku navržených opatření
Seznam odborné literatury: Norma ČSN EN 303-5 ýpočty kotlů a spalinových výměníků, Doc. Ing. Tomáš Dlouhý, CSc. Firemní literatura Kotle malých výkonů na pevná paliva, Koloničný, Horák, Petránková edoucí bakalářské práce: Ing. Otakar Štelcl Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 014/015. Brně, dne 4.11.014 L.S. doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. Ředitel ústavu doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. Děkan fakulty
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá návrhem opatření pro optimalizaci kotle na biomasu. Teoretická část pojednává o základním rozdělení kotlů na tuhá paliva se zaměřením na kotle spalující biomasu. Další část práce se věnuje návrhu deflektorů, zvyšujících účinnost zařízení a praktické ověření výsledků měřením. Klíčová slova Kotel, deflektor, účinnost, emise, palivo, spalování. Abstract Bachelor s thesis solves the problem of measure to optimization boiler of biomass. Theoretic part deals with divided of boiler using solid fuels, exactly boiler focus on biomass combustion. Second part deals with design of deflectors to increase combustion efficiency and practical testing of proposal. Keywords Boiler, deflector, efficiency, emission, fuel, combustion.
Bibliografická citace mé práce: MIZEROSKÝ, K. Optimalizace kotle na biomasu. Brno: ysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 015. 53 s. edoucí bakalářské práce Ing. Otakar Štelcl.
Čestné prohlášení Prohlašuji, že bakalářskou práci na téma: Optimalizace kotle na biomasu jsem vypracoval samostatně, s pomocí svého vedoucího Ing. Otakara Štelcla, odborné literatury, dále s pomocí znalostí nabytých v předchozích letech studia a dalších zdrojů, uvedených v závěru práce. Brně dne 0. 5. 015 Podpis autora
Poděkování Tímto bych rád poděkoval vedoucímu své bakalářské práce Ing. Otakaru Štelclovi za cenné rady, praktické připomínky a čas věnovaný při řešení odborné problematiky. Dále děkuji své rodině za podporu během studia. Letovicích dne 0. 5. 015 Podpis autora
OBSAH 1 Úvod... 6 Kotle na tuhá paliva... 7.1 Spotřeba druhů paliv... 7. Kotel s prohoříváním paliva... 8.3 Kotel se zplyňováním paliva... 8.4 Kotel s odhoříváním paliva... 9 3 Zařazení kotlů do tříd... 10 3.1 Podíl domácností na tvorbě oxidu uhelnatého... 10 4 Porovnání odhořívacích kotlů... 11 4.1 IADRUS LIGNATOR... 11 4. IADRUS HERKULES U4... 1 4.3 SLOKO ARIANT SL3D... 1 4.4 SLOKO ARIANT SLD Zkušební kotel... 13 4.4.1 Konstrukce kotle... 13 4.4. Základní části kotle... 14 5 Intenzifikace sdílení tepla ve výměníku... 16 6 Návrh opatření pro zvýšení účinnosti... 16 6.1 Model kotle... 17 6. Simulace proudění... 17 6.3 Kotel bez deflektoru... 18 6.4 Návrh deflektoru č. 1... 18 6.4.1 Simulace proudění (deflektor č. 1)... 19 6.5 Návrh deflektoru č.... 0 6.5.1 Simulace proudění (deflektor č. )... 0 7 Zkouška odhořívacího kotle... 1 7.1 Uvedení zařízení do provozu... 7. Doba zkoušení... 7.3 Měřicí přístroje... 8 Měření odhořívacího kotle... 5 9 ýpočty... 6 9.1 ýpočet minimální množství vzduchu... 6 9. ýpočet minimální množství spalin... 8 9.3 ýpočet tepelných ztrát a účinností... 30 10 Měření... 33 10.1 Měření kotle bez deflektoru... 33 10. Měření kotle s deflektorem č. 1... 4 10.3 Měření kotle s deflektorem č.... 45 10.4 Porovnání měření... 48 11 Zhodnocení výsledků... 50 1 Závěr... 51 13 Seznam použité literatury... 5
1 Úvod ětší část svého času tráví člověk ve vnitřních prostorách budov. Důležitou součástí pohodlí domova je také tepelná pohoda prostředí. K zajištění tepelné pohody slouží široké množství systémů vytápění. Jedním z těchto systému je také kotel na tuhá paliva, který je stále používán ve většině domácností. Topení v kotlích na tuhá paliva s sebou nese také určité nevýhody, jako jsou nutnost obsluhy kotle, zamořování ovzduší nespálenými částečky paliva či plyny působících nevlídně na okolí. mnoha zemích dochází k omezování emisí CO (oxidu uhelnatého) produkovaných při spalování. ČR se kotle řadí do pěti tříd podle množství emisí oxidu uhelnatého vztažených k danému objemu kyslíku. Lepších tříd kotlů dosahují kotle s automatickým podáváním paliva. současnosti stále dochází ke zvyšování cen energií a k nejistotě levnější dodávky plynu z východních zemí. Z toho důvodu se kotel na biomasu jeví jako vhodný zdroj vytápění, nebo jako záložní zdroj tepelné energie. Přední výrobci kotlů v ČR se zaměřují na snižování emisí produkovaných těmito kotli a zvyšování účinností dosahovaných při spalování. Cílem této práce je optimalizovat spalovací proces odhořívacího kotle na dřevní biomasu se zaměřením na zvýšení účinnosti. Druhotným cílem je pak zachovat či zvýšit emisní třídu kotle. 6
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE Kotle na tuhá paliva Přibližně 0 % českých domácností využívá kotle na tuhá paliva a tím významně přispívají ke znečištění ovzduší. praxi se u malých kotlů ů na tuhá paliva nejčastěji spalují paliva fosilní (uhlí, koks) a dřevní biomasa. Spalovací zařízení se obecně dělí na lokální jsou určeny k vytápění prostoru, ve kterém se aktuálně nacházejí, pomocí přímého sálání zdroje. Řadíme mezi ně: krbové vložky, kamna, otevřená topeniště, centrální tato zařízení vytápí menší komplexy, rodinné domy či bytové jednotky. Teplo ze zdroje předává svoji energii teplonosnému médiu, které je následně rozváděno do jednotlivých prostor. Podle způsobu přikládání dělíme dále kotle pro centrální vytápění na kotle s ručním přikládáním palivo se dodává ručně v závislosti na rychlosti hoření, kotle s automatickým přikládáním palivo je dodáváno samočinně v závislosti na tepelném výkonu. Dále dělíme kotle podle způsobu hoření na kotle s prohoříváním paliva, kotle se zplyňováním tuhého paliva, kotle s odhoříváním paliva. [3].1 Spotřeba druhů paliv závislosti na potřebách domácností a dostupnosti jednotlivých paliv se odvíjí i cena těchto paliv. Na grafu č. 1 lze pozorovat určitý trend spotřeby paliva. Ke sledování spalování dřeva dochází až v roce 000. Do roku 000 můžeme sledovat rapidní pokles spotřeby uhlí. Průběhy použití dřeva a plynu si zachovávají přibližně stejné hodnoty od roku 001. Trend je bezpochybně také ovlivněn nástupem kvalitních izolačních materiálů ů a systémů aktivního vytápění domů. Graf 1 Spotřeba druhů ů paliv malých stacionárních zdrojů znečištění od roku 1990 do roku 013. Pozn.: spotřeba dřeva je sledována až od roku 000 [8] 7
. Kotel s prohoříváním paliva Jedním z nejstarších systémů kotlů je kotel s prohoříváním paliva. Jako palivo se nejčastěji používá dřevo či uhlí. K zapálení dochází ve spodní části topeniště. Spalovací vzduch je přiváděn skrze rošt a prochází celou vrstvou paliva, v důsledku toho dochází k jejímu prohřátí. první fázi dojde k vypařování vlhkosti, poté uvolňování prchavé hořlaviny a následně k hoření v celém objemu. Tento princip prohoření se využívá tam, kde je možné zajistit častější dodávku menšího množství paliva. Tím je možné dosáhnout rovnoměrnějšího průběhu hoření. Toho je využito u zařízení, jako jsou: kamna, krby, kotle na dřevo či uhlí s ručním přikládáním, apod. [3] Obr. 1 Princip prohořívacího kotle [4].3 Kotel se zplyňováním paliva Základním principem zplyňovacích (pyrolýzních) kotlů je dvoustupňové spalování. To je založeno na uvolňování prchavých složek paliva v místě přívodu primárního vzduchu a následného spalování. pyrolýzní komoře je omezený přístup primárního vzduchu, což podporuje zplyňování paliva. ytvořený plyn je pomocí odtahového ventilátoru přiváděn do keramické trysky s přívodem sekundárního vzduchu. Zde tato směs plynů a vzduchu hoří. Spaliny proudí spalinovým výměníkem, kde předávají tepelnou energii a pomocí spalinového ventilátoru jsou odváděny komínem do ovzduší. Spalinový ventilátor je u těchto typů kotlů nezbytný, neboť vytváří potřebný podtlak ve spalovací komoře. U těchto kotlů je při spalování dosahováno vysokých teplot, díky nimž získáváme lepší účinnost a nízké emise škodlivých látek. Nevýhodou je naopak nadměrná produkce agresivních látek, které snižují životnost kotle a příslušenství. [3] 8
Obr. Princip zplyňovacího kotle [4].4 Kotel s odhoříváním paliva U odhořívacích kotlů jsou spaliny odváděny do spodní nebo boční části topeniště. Palivo nehoří v celém objemu, jako u kotlů prohořívacích, ale hoří pouze jen spodní vrstva paliva. Tento princip je využit u kotlů na uhlí, pelety a kusové dřevo. Zplyňování a konečné hoření směsi plynů a vzduchu probíhá v komorách oddělených teplosměnnou plochou. důsledku toho dochází ke stabilnějšímu spalování. Při hoření popel propadá skrze rošt do popelníku. Nejčastějším palivem, které se využívá v odhořívacích kotlích, je uhlí a kusové dřevo s vlhkostí maximálně do 0 %. Odtah spalin je realizován buď samovolně, kdy se využívá přirozeného tahu, nebo nuceně pomocí vestavěného spalinového ventilátoru. Spalování v odhořívacích kotlích je považováno za více stabilní, v porovnání se spalováním paliva v kotlích prohořívacích. Jednou z hlavních výhod je velký zásobník paliva, kdy kotel vydrží hořet i několik hodin. [1], [3] Obr. 4 Princip odhořívacího kotle [] Obr. 3 Spodní vertikální odhořívání paliva [3] 9
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE 3 Zařazení kotlů ů do tříd U kotlů na tuhá paliva rozeznáváme pět emisních tříd, do kterých se zařízení řadí. A to podle druhu spalovaného paliva, jmenovitého výkonu a produkce oxidu uhelnatého. Emise musí být vztaženy k danému procentuálnímu objemu kyslíku ve spalinách, aby nedocházelo k ředění spalin a umělému snižování emisí a také z důvodu sjednocení výsledků vztažených k referenční hodnotě. ČR jsou stále povoleny kotle třídy 1, kdy se emise oxidu uhelnatého pohybují poměrně vysoko v porovnání se sousedními státy. Prodej a provoz těchto kotlů bude pravděpodobně zakázán do roku 00. Mezní hodnoty emisí Jmenovitý Dávka Palivo tepelný paliva CO mg/m 3 n při 10 % O výkon [kw] třída 1 třída třída 3 třída 4 třída 5 ruční biopaliva fosilní paliva 50 5 000 8 000 5 000 1 00 700 samočinná biopaliva fosilní paliva 50 15 000 5 000 3 000 1 000 500 Tab. 1 Zařazení kotlů do tříd podle produkce emisí CO [5] 3.1 Podíl domácností na tvorbě oxidu uhelnatého Domácnosti patří k jednomu z největších znečišťovatelů ů ovzduší. Jak oxidem uhelnatým, tak i jinými škodlivými látkami. Odhaduje se, že v roce 01 se domácnosti z 53% podílely na celkovém znečištění ovzduší. Tyto hodnoty jsou alarmující, neboť je to téměř třicetinásobek podílu tvorby veřejnou energetikou. Snahou je tedy omezit tvorbu CO a zařadit kotle do vyšších tříd. Produkce oxidu uhelnatého je také závislá na způsobů topení, což klade určité nároky na obsluhu. Graf Podíl jednotlivých odvětví na znečištění ní ovzduší oxidem uhelnatým v roce 01 [9] 10
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE 4 Porovnání odhořívacích kotlů Pro lepší představu o provozních parametrech volím čtyři odhořívací kotle dvou českých výrobců, jejichž parametry následně porovnám. ýkon kotlů uvažuji okolo kw, jako u kotle zkušebního. Primárně, nebo doplňkově používané palivo je suché dřevo s vlhkostí maximálně ě do 0 %. poslední řadě bude pak detailněji popsána konstrukce našeho zkušebního kotle. 4.1 IADRUS LIGNATOR Kotel LIGNATOR je určený především pro spalování dřeva. Hlavní výhodou je litinová konstrukce zaručující dlouhodobou životnost a odolnost vůči agresivním látkám. Základní konstrukce je tvořena články, jejichž počet je závislý na jmenovitém výkonu. Kotel je vyráběn jako nízkotlaký teplovodní s nuceným oběhem topné vody. U tohoto typu kotle se dosahuje vysokých účinností a nízkých emisí. Nízké emise jsou pak vykoupeny vysokou cenou kotle. [6] ýrobce IADRUS Název kotle LIGNATOR Jmenovitý výkon [kw],5 Palivo dřevo Spotřeba [kg/hod] 6,04 Účinnost 89,4 Třída kotle podle EN 303-5 5 Cena s 1 % DPH [Kč] 65 771 Tab. Porovnávající údaje kotle LIGNATOR při vlhkosti paliva do 0 % a výhřevnosti paliva 14 18 MJ. kg-1[6] Obr. 5 Odhořívací kotel LIGNATOR [6] 11
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE 4. IADRUS HERKULES U4 Kotel IADRUS HERKULES U4 je litinový článkový nízkotlaký kotel určený pro spalování primárně hnědého uhlí, černého uhlí a koksu. Sekundárně ě pak pro spalování dřeva. [6] ýrobce IADRUS HERKULES Název kotle U4 Jmenovitý výkon [kw] 5 Palivo hnědé uhlí Spotřeba [kg/hod] 5 Účinnost 78 Třída kotle podle EN 303-5 3 Cena s 1 % DPH [Kč] 31 006 Tab. 3 Porovnávající údaje kotle HERUKULE U4 při vlhkosti paliva maximálně do 15 %, zrnitosti paliva 0 40 mm a výhřevnosti 14 0 MJ.kg [6] Obr. 6 Odhořívací kotel HERKULES U4 [6] 4.3 SLOKO ARIANT SL3D Teplovodní kotel ARIANT SL3D je vyroben z ocelových plechů. To s sebou nese určité problémy v podobě ě kratší životnosti a odolnosti vůči agresivním látkám, ale také výhody jako jsou nízké pořizovací náklady. Kotel je vhodný pro vytápění bytů, rodinných domků a obdobných objektů. Otopný systém může být s otevřenou enou nebo tlakovou expanzní nádobou, samotížným nebo nuceným oběhem vody. Kotel ARIANT SL3D je přednostně určen pro spalování suchého štípaného dříví s kůrou nebo bez, s maximální vlhkostí 0%.[7] 1
ýrobce SLOKO Název kotle ARIANT SL3D Jmenovitý výkon [kw] 3 Palivo dřevo Spotřeba [kg/hod] 6,5 Účinnost 84 Třída kotle podle EN 303-5 3 Cena s 1 % DPH [Kč] 8 400 Tab. 4 Porovnávající údaje kotle SLOKO ARIANT SL3 D, při vlhkosti paliva maximálně do 0 % [7] Obr. 7 Odhořívací kotel SLOKO ARIANT SL3D [7] 4.4 SLOKO ARIANT SLD Zkušební kotel Kotel ARIANT je svařen z ocelových plechů. Je zdrojem tepla vhodným k vytápění rodinných domků, bytových jednotek či jiných obdobných prostor. Otopný systém může být s otevřenou nebo tlakovou expanzní nádobou, nuceným nebo samotížným oběhem otopné vody. Kotel je určen přednostně pro spalování suchého dříví s maximální vlhkostí do 0 %. 4.4.1 Konstrukce kotle nitřní prostor kotle je rozdělen chlazenou přepážkou. Dělí se na přikládací šachtu, spalovací prostor a spalinový výměník. Tím proudí spaliny a předávají svou tepelnou energii před výstupem z kotle. Palivo dopadá přikládací šachtou na dvoudílný rošt, který zasahuje až pod spalovací komoru. Při bočním odhořívání poté dochází k propadávání popele a nespálených tuhých zbytků skrze rošt. Ovládání a čištění roštu probíhá pomocí páky na boční straně kotle. Sekundární vzduch zvyšující účinnost při spalování lze regulovat též z boční strany. Primární vzduch je přiváděn regulovatelnou klapkou v popelníkových a přikládacích dvířkách. Regulace se provádí buď ručně, nebo automaticky regulátorem výkonu (TR). Zatápěcí klapka se ovládá v horní části kotle. 13
4.4. Základní části kotle Na obrázku níže jsou zakresleny základní části kotle. pravé části lze zřetelně vidět spalovací komoru, dohořívací komoru a spalinový výměník. Tyto části jsou odděleny výhřevnými plochami s oběhem chladící vody. Obr. 8 Základní částí kotle ARIANT [7] Legenda: 1. Příruba 13. Popelník. Klapka spalovacího vzduchu 14. íko popelníku 3. Přiklápěcí dvířka 15. Kryt víka výměníku 4. Kryt přikládacích dvířek 16. Zatápěcí klapka 5. Přední kryt 17. Táhlo klapky 6. Spalovací komora 18. Kouřovod 7. Klapky sekundárního vzduchu 19. Sazová dvířka 8. Litinový rošt 0. Přívod sekundárního vzduchu 9. Držák roštu 1. Zadní kryt 10. Popelníková dvířka. Napouštěcí kohout 11. Klapka na popel 3. ychlazovací smyčka 1. Páka roštu 4. Tepelný regulátor výkonu 14
ýrobce SLOKO Název kotle ARIANT SLD Jmenovitý výkon [kw] Palivo dřevo Spotřeba [kg/hod] 6,7 Účinnost 78 Třída kotle podle EN 303-5 1 Cena s 1 % DPH [Kč] není v prodeji Tab. 5 Porovnávající údaje kotle SLOKO ARIANT SL D, při vlhkosti paliva maximálně do 0 % [7] Obr. 9 Odhořívací kotel SLOKO ARIANT SL D[7] Obr. 10 Zkušební kotel v zapojení 15
5 Intenzifikace sdílení tepla ve výměníku Zvyšování účinností a snižování emisí je dnes velmi aktuální problematikou řešenou předními výrobci kotlů. elmi častým řešením je intenzifikace přestupu tepla, která podporuje tvorbu vysoce efektivního zařízení. Se snahou zvýšit efektivitu přestupu tepla je nutné mít na paměti zachování určitých vlastností. zařízení musí být zachována jednoduchost konstrukce, nízká cena a zejména spolehlivost. Mezi hlavní způsoby intenzifikace patří žebrování, při němž je třeba vzít v úvahu určité zásady, uvedené níže. Žebrování je vhodné použít tam, kde je nízký součinitel přestupu tepla. Jestliže se součinitelé přestupu tepla na jedné straně elementu a na druhé nerovnají, žebrování se provede na straně součinitele nižšího. Mají-li součinitele přestupu přibližně stejnou hodnotu, žebrování je třeba provést na obou stranách elementu. zvýšení rychlosti proudu plynu a vytvoření turbulentního proudění. Turbulence proudu lze vytvořit či zvýšit pomocí vložených objektů. Tyto objekty jsou speciálně formovány do vhodných tvarů. Tuto funkci mohou obvykle plnit pásky, dráty stočené do šroubovice, nebo výstupky a drážky na straně teplosměnné plochy. [3] 6 Návrh opatření pro zvýšení účinnosti Chceme-li dosáhnout vyšší účinnosti, je nutné se zamyslet nad vhodnou volbou úprav. Musí být zachovány správné funkce kotle a to zejména tah a jednoduchá údržba. Pro zvýšení účinnosti jsme zvolili způsob intenzifikace přestupu tepla. Toho dosáhneme pomocí deflektorů vložených do posledního tahu spalinového výměníku. Při průchodu spalin však nesmí dojít k významné tlakové ztrátě, to by mělo za následek zhoršení či úplné omezení provozu kotle. Nevýhodou našeho zařízení je obdélníkový průřez spalinovodu, který záporně ovlivňuje volbu klasických šroubovicových deflektorů. Proto je nutné navrhnout jednoduchou konstrukci plnící správně svoji funkci. Pro návrh volím dvě hlavní konstrukce, podle kterých jsou vytvořeny dva deflektory. Jedna z koncepcí bude využívat ocelové pásky vložené pod úhlem a druhá ocelové trubky s periodickým rozestupem. Prvky měnící směr proudění navrhujeme tak, abychom částečně odklonili proud spalin od středu kanálu. A to tak, aby výsledné proudění vytvořilo turbulence, situované v místech nejintenzivnějšího přestupu tepla. Hlavní požadavky kladené na tyto deflektory jsou jednoduchá výroba, montáž, plnění efektivně své funkce, nízká tlaková ztráta, nízká cena. 16
6.1 Model kotle Pro konstrukci jednotlivých typů deflektorů bude sloužit zjednodušený model kotle s hlavními rozměry spalovací komory a spalinových cest. Ten bude využit také pro simulaci proudění. Pro tvorbu modelu byl použit program SolidWorks 014. 6. Simulace proudění Obr. 11 Řez zjednodušeným modelem kotle vytvořeným v programu SolidWorks 014 K simulaci proudění média byl využit program SolidWorks 014 Simulation flow. Data využita pro simulaci jsem zvolil pomocí dokumentace kotle a zavedených předpokladů. Hodnoty dat a předpokladů jsou zaznamenány v tabulce č. 6. Model proudění je pouze teoretický a slouží pro představu proudění a chování plynu ve spalinovém výměníku. T sp, in 700 [K] T sp, out 500 [K] & 0,0 [m 3 /s] sp médium Dusík (N ) [-] Tab. 6 lastnosti média převzaté z dokumentace výrobce č. zdroje [7] a vlastnosti zvolené Obr. 1 Řez kotlem s vloženým deflektorem a ucpávkami pro simulaci 17
6.3 Kotel bez deflektoru prvotní části je nutné nasimulovat proudění spalin bez vložených přepážek. ýsledný model nám bude sloužit k návrhu rozmístění subjektů ovlivňující proudění. Na obrázku č. 13 jsou zobrazené rychlosti proudu horkého plynu. Ty ve spalinovém výměníku dosahují lokálních maxim okolo 3,3 [m/s]. Obr. 13 Proudění v posledním tahu spalinového výměníku bez vloženého deflektoru 6.4 Návrh deflektoru č. 1 K návrhu deflektoru bylo využito jedenáct ocelových trubek o průměru 8 mm rozmístěné periodicky, s roztečí 60 mm a horizontální mezerou mezi středy 8 mm. Polohu trubek jsme zvolili s ohledem na proudění plynu. Snahou je vytvořit turbulentní proudění, zvýšit rychlost a dosáhnout co nejmenší tlakové ztráty při průchodu spalin výměníkem. Obr. 14 Poloha trubek 18
Obr. 16 ymodelovaný deflektor č. 1 Obr. 15 yrobený deflektor č. 1 6.4.1 Simulace proudění (deflektor č. 1) Střední proud spalin je částečně odkloněn k teplosměnným plochám. Snahou je také podpořit proud, směřující k nejužšímu místu mezi plochou a deflektorem. okolí stěn vznikají lokální maxima rychlostí, které dosahují hodnot okolo 4,7 [m/s]. Obr. 17 Proudění ve spalinových cestách s vloženým deflektorem č. 1 19
6.5 Návrh deflektoru č. K návrhu deflektoru byla využita pásová ocel o rozměrech 3 x 5mm. Rozmístění devíti pásků je periodické pod úhlem 50. Překrytí ve středové části je 5 mm a rozteč pásků 59 mm. Nyní byla koncepce volena s cílem dosáhnout menší tlakové ztráty a získat větší rozdíly ve výsledcích jednotlivých koncepcí. Obr. 19 Poloha desek Obr. 1 ymodelovaný deflektor č. Obr. 0 yrobený deflektor č. 6.5.1 Simulace proudění (deflektor č. ) Střední proud spalin je odkloněn méně než u deflektoru č. 1. proudu vznikají lokální maxima rychlostí dosahujících hodnot přibližně 4, [m/s]. yšších rychlostí je dosaženo v menší části objemu plynu oproti zařízení s deflektorem č. 1. Průchod plynu by měl být plynulejší než u předchozího řešení. 0
Obr. Proudění ve spalinových cestách s vloženým deflektorem č. 7 Zkouška odhořívacího kotle Pro měření potřebných údajů jsme vyhranili prostor před a za deflektorem. kouřovodu za kotlem jsou vloženy detektory teploty, tlaku a odběr spalin pro analýzu. Před posledním tahem spalinového výměníku jsou vnořeny trubičky s detektorem tlaku a teploty. Nejpřesnějšího měření by se dosáhlo rozložením detekčních zařízení po celém průřezu spalinovodu a kouřovodu, toto řešení ale vylučují technické možnosti zkušebny. Z toho důvodu se čidla měřících přístrojů vkládají do 1/3 průměru, kde jsou vlastnosti plynu přibližně vyrovnané. Obr. 3 Schéma měřícího úseku spalin 1
7.1 Uvedení zařízení do provozu Spotřebič se naplní potřebným množstvím paliva tak, aby se zajistilo zapálení v souladu se správným provozem dle návodu výrobce. Pro přesné výsledky je použito palivo se stejnými vlastnostmi, jako palivo zkušební. Je nutné, aby došlo k dokonalému prohřátí spotřebiče, kouřovodu i komínu. 7. Doba zkoušení Po dosažení ustáleného stavu se do spotřebiče doplní zvolená dávka zkušebního paliva. Zkušební doba začíná ihned po vložení paliva do násypky. Doba zkoušení je stanovena na 1 hod a 30 min dle normy ČSN EN 1340. Měření kotle bez deflektoru je pouze srovnávací, proto je zkušební doba zkrácena na 1 hod a 0 min. Objemová koncentrace spalin (CO, O, NO) se měří v 1min intervalech. Teplota spalin se měří v 10sec intervalech. Při měření kotle bez deflektoru v měřícím úseku nedochází ke znatelné ztrátě tlaku, z toho důvodu zaznamenáváme tlak pouze po 10min intervalech. ostatních případech jsou hodnoty tlaku zaznamenávány po min intervalech. 7.3 Měřicí přístroje Pro výpočet účinnosti lze použít dvě metody a to přímou a nepřímou. K záznamu dat, při měření kotle Slokov ariant SL D, jsou použity tyto měřicí přístroje: Teploměr Comet Commeter C031 ysoce přesný dvoukanálový teploměr s rozsahem měřených teplot -00 až +700 C, dle použité termočlánkové sondy. Na LCD displeji lze zobrazit aktuální teploty, či jejich diferenci. Teploty jsou měřeny před a za posledním tahem spalinového výměníku. Obr. 4 Instalace teploměru na výstupu z kotle Obr. 6 Teploměr Comet s dvoukanálovým výstupem Obr. 5 Instalace teploměru před posledním tahem kotle
Diferenční tlakoměr Testo 51 Měřicí přístroj je vhodný pro měření ve vysoce znečištěném průtoku, do rychlosti proudu 55 m/s. Rozsah měřených hodnot je od 0 do 0 hpa. Přístroj zobrazuje pouze aktuální hodnoty, bez možnosti zaznamenávat hodnoty do počítače. Měřící jednotka je zavedena před a za poslední tah spalinového výměníku, jako v případě teploměru. Obr. 7 Instalace tlakoměru za kotlem Obr. 8 Tlakoměr Testo 51 lhkoměr WHT 740 Obr. 9 Instalace tlakoměru před posledním tahem kotle Digitální měřič vlhkosti slouží k měření převážně dřeva a to v rozsahu od 5 % do 60 %. Maximální chyba měření je ± 3 %. Odporové hroty se silně zarazí do měřeného objektu a hodnota pro měřený rozsah se odečte na displeji. Měření probíhalo na zkušebním polenu. To se před zkouškou rozpůlilo, aby mohla být změřena hodnota v místě největší vlhkosti. Obr. 30 Digitální měřič vlhkosti WHT 740 3
Digitální váha Kern DE 60K 0N Měřící maximum váhy je 60 kg. Aktuální hodnota je zobrazována na LCD displeji. Obr. 31 Digitální váha Kern DE 60K 0N Analyzátor spalin Ultramat Přístroj určuje koncentraci oxidu siřičitého SO [mg/m 3 ], oxidu uhelnatého CO [ppm], oxidu dusnatého NO [mg/m 3 ] a kyslíku O [% obj.]. Princip je založen na infračervené a ultrafialové absorpční spektrometrii. K zapnutí přístroje dochází co nejdříve, aby došlo ke kalibraci potřebné k eliminaci případných chyb. Před analyzátorem je vložen přístroj k vychlazení a vyčištění spalin. Ten musí být stále v činnosti, aby nedošlo k poškození analyzátoru. Na obrázku č. 33 je propojen analyzátor spalin Ultramat 1/O (pod monitorem) s vychlazovacím přístrojem (ve spodní části vlevo) a stolním počítačem (ve spodní části vpravo). Obr. 3 Analyzátor spalin Ultramat 1/O Obr. 33 Měřící zařízení pro analýzu spalin 4
8 Měření odhořívacího kotle Měření probíhalo při nastavení primárního, sekundárního a terciálního vzduchu podle obrázku č. 35. Nejdříve pro kotel bez nainstalovaného deflektoru a později s ním. Pro záznam dat bylo využito propojení analyzátoru spalin a teploměru s počítačem, proto jsem zvolil interval měření 10 sec. Při zaznamenávání tlaku a výstupní teploty z kotle jsem zvolil interval min, bez možnosti automatického záznamu. Pro měření výstupní teploty z kotle byl použit klasický lihový teploměr na obrázku č. 34. Z důvodu velkého množství naměřených dat jsem vytvořil grafy prezentující celý průběh zaznamenaných hodnot. Obr. 34 Lihový teploměr měřící teplotu výstupní vody z kotle Obr. 35 Přívod primárního, sekundárního a terciálního vzduchu Zkušební palivo Pro zkoušku jsme použili suché bukové dřevo s kůrou. lhkost dřeva byla naměřena hrotovým vlhkoměrem. ýhřevnost a spálené teplo je vypočteno podle vzorce (1.1) a (1.). Obr. 36 Zkušební palivo Uhlík C % hmot. 4,0 odík H % hmot. 5,41 Síra S % hmot. 0,01 Dusík N % hmot. 0,11 Kyslík O % hmot. 38,5 oda veškerá W % hmot. 15,6 Obsah popele A % hmot. 0,44 Spalné teplo H S MJ/kg 17, ýhřevnost H U MJ/kg 14,6 Tab. 7 Prvkový rozbor paliva převzatý z palivových listů č. zdroje [10] 5
ýpočet výhřevnosti ýhřevnost paliva lze vypočíst z empirických vzorců, které jsou funkcí hrubého rozboru paliva. = 33910 +10580 8 +10470 453 [ ] (1.1) = 33910 0,4+10580 0,0541 0,385 8 +1047 0,0001 453 0,156 = 14581 kde C, O, S, H [-] obsah prvku v palivu, W r [-] obsah vody v palivu. ýpočet spáleného tepla Spálené teplo se vypočte ze součtu výhřevnosti a latentního tepla získaného z kondenzace vody ze spalin. = +! +8,94 " # [ ] (.1) = 14581 +454!0,156+8,94 0,0541# = 17170 kde r [kj kg -1 ] výparné kondenzační teplo vody, r=454 kj kg -1, H [-] obsah vodíku v surovém palivu 9 ýpočty ýpočet provedeme pouze pro první měření (bez deflektoru). U dalších měření budou důležitá data shrnuta v tabulkách. programu Microsoft Excel byl vytvořen výpočtový program, který slouží k opakovanému přepočtu výsledných dat. 9.1 ýpočet minimální množství vzduchu Minimální potřebné množství kyslíku Pro celkovou spotřebu kyslíku při dokonalém spálení 1kg paliva platí vztah, při němž zahrnujeme součet dílčích potřeb jednotlivých hořlavých složek paliva.,39 C H S O O min = + + [ m 3 n / kg ] (3.1) 100 1,01 4,03 3,03 3 6
Minimální množství suchého vzduchu Ze známé teoretické spotřeby kyslíku vypočítáme objemovou potřebu suchého vzduchu (tedy bez vodní páry). 100 = [ m 3 n / kg ] (4.1) 1 S Z min O min Součinitel vlhkosti vzduchu Při spalování je nasáván atmosférický vzduch, který vždy obsahuje určité množství vodní páry, která zvětšuje objem vzduchu. Faktor vyjadřující poměrné zvětšení objemu suchého vzduchu o objem vodní páry je závislý na teplotě vzduchu a relativní vlhkosti. f '' p = 1+ ϕ '' [-] (5.1) p ϕ p C kde ϕ [%] relativní vlhkost vzduchu p [Pa] absolutní tlak vodní páry na mezi sytosti pro teplotu 0 C p c [kpa] celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu Minimální množství vlhkého vzduchu Minimální spotřeba objemu vlhkého vzduchu je poté získána zvětšením teoretického objemu suchých spalin o objem vodní páry. = f [ m 3 n / kg ] (6.1) S Z min Z min Minimální množství vlhkého vzduchu za provozních podmínek eškeré předchozí výpočty jsou vztaženy k normálnímu fyzikálnímu stavu a k hmotnosti 1kg. Proto je nutné přepočítat objem vzduchu za provozních podmínek pomocí stavových rovnic. real Z min = Z min t ok + 73,15 10135 M& 73,15 p vz pal [ m 3 vz / kg ] (7.1) 7
9. ýpočet minimální množství spalin Obdobným způsobem lze určit také minimální objem spalin, který vznikne spálením 1 kg paliva. Minimální objem C$ % ve spalinách,6 C = + 0,0003 [ m 3 n / kg ] (8.1) 1,01 100 S CO Z min Skutečný objem C$ % ve spalinách n CO zorec zohledňující objem CO z přebytku vzduchu za normálních podmínek 0,03 s = CO min + ( 1) ( ) Z min [ m 3 n / kg ] (9.1) 100 α Přepočet na reálné podmínky r CO = n CO t sp + 73,15 10135 M& 73,15 p sp pal [ m 3 / kg ] (10.1) Přepočet na objemové koncentrace CO CO = [%] (11.1) sp, real Minimální objem S$ % ve spalinách SO 1,89 S = [ m 3 n / kg ] (1.1) 3,06 100 Minimální objem & % ve spalinách,4 N = [ m 3 n / kg ] (13.1) 8,016 100 S N + 0,7805 Z min Minimální objem ' ( ve spalinách = 0,009 [ m 3 n /kg ] (14.1) S Ar Z min 8
Minimální objem suchých spalin = + + + [ m 3 n / kg ] (15.1) S SP min CO N Ar SO Minimální objem vodní páry 44,8 H,4 W = + + ( f 1) [ m 3 n / kg ] (16.1) 4,03 100 18,015 100 S HO Z min Minimální objem vlhkých spalin Minimální objem suchých spalin obohatíme o objem vodní páry. S SP min SP min + H O = [ m 3 n / kg ] (17.1) Skutečné množství vlhkých spalin Spálením vznikne skutečný objem vlhkých spalin z 1 kg paliva. Objem teoretických vlhkých spalin je obohacen o objem spalin z přebytečného vzduchu, potřebného pro zaručení dokonalého spalování. SP = + α [ m 3 n / kg ] (18.1) SPmin ( 1) Z min kde α přebytek vzduchu na konci ohniště [-] 1 α = [-] (19.1) 1 O Minimální množství vlhkých spalin za provozních podmínek eškeré předchozí výpočty jsou vztaženy k normálnímu fyzikálnímu stavu a k hmotnosti 1kg. Proto je nutné přepočítat objem vzduchu za provozních podmínek pomocí stavových rovnic. t + 73,15 10135 & sp SP = SP M pal [ / kg 73,15 psp m 3 sp ] (0.1) 9
9.3 ýpočet tepelných ztrát a účinností ýpočet je proveden dle normy: ČSN EN 1340 rok vydání 005. Podle účinnosti lze krbové vložky a kamna s uzavřenou spalovací komorou řadit do jednotlivých tříd: Třída Spotřebiče s uzavřenými dvířky Mezní hodnoty třídy účinnosti [%] Třída 1 70 Třída 60 < 70 Třída 3 50 < 60 Třída 4 30 < 50 Tab. 8 Účinnost při jmenovitém tepelném výkonu Tepelné ztráty závisí na průměrných hodnotách teplot spalin a místnosti, složení spalin a hořlavých složek v pevných zbytcích spalování. Účinnost Účinnost se stanoví odečtením poměrných ztrát: η = 100 ( q a + qb + qr ) [ % ] (1.1) kde q a [%] ztráta citelným teplem spalin, q b [%] ztráta plynným nedopalem, q r [%] ztráta mechanickým nedopalem. Poměrné ztráty citelným teplem spalin: Ztráty citelným teplem spalin: ( c pmd ( C Cr )) ( CO + CO ) ( 9 H W ) c pmh 1,4 + O Qa = ( t sp tok ) + [ kj/kg ] (.1) 0,536 100 kde t sp [ C] teplota spalin na výstupu z kotle, t ok [ C] teplota okolního vzduchu. Poměrné ztráty citelným teplem spalin: Qa qa = 100 [%] (3.1) H u 30
Poměrné ztráty plynným nedopalem: Ztráty plynným nedopalem: 1644CO ( C Cr ) [ 0,536 ( CO + CO) 100] Qb = [ kj/kg ] (4.1) Poměrné ztráty plynným nedopalem: q b Q H b =100 [%] (5.1) u Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: Ztráty mechanickým nedopalem: Q r 335 R b = 100 [ kj/kg ] (6.1) kde b [%] hmotnostní podíl spalitelných složek v pevných zbytcích spalování, R [%] hmotnostní podíl pevných zbytků spalování propadlých roštem. Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: q r Q H r =100 [%] (7.1) u Střední měrná tepelná kapacita spalin C Střední měrná tepelná kapacita suchých spalin při srovnávacích podmínkách: tsp tsp 0,361+ 0,008 + 0,034 1000 1000 tsp tsp = 3,6 + 0,085 + 0,19 0,14 1000 1000 tsp tsp + 0,03 CO 0, 1000 1000 100 CO 100 pmd [ 3 kj ] (8.1) K.m 31
Střední měrná tepelná kapacita vodní páry: tsp tsp C pmh = 3,6 0,414 + 0,038 0,034 O 1000 1000 3 [ kj/m ] (9.1) Redukovaný hmotnostní podíl uhlíku v nespálených zbytcích: C r b = R [ % ] (30.1) 100 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 O stadardized = COavg [%] (31.1) 1 Oavg nebo COmax 1 Ostadardized CO = COavg [%] (3.1) CO 1 avg Celkový tepelný výkon η M& pal H u P = 100 3600 [ kw ] (33.1) kde η [%] účinnost zařízení, Ṁ pal [kg/hod] hmotnostní tok paliva. 3
10 Měření kapitole měření budou popsána jednotlivá řešení instalovaných úprav. Z naměřených dat budou vytvořeny grafy průběhů analyzovaných složek plynu a vypočteny ztráty ovlivňující účinnost zařízení. ýpočty budou prováděny podle kapitoly 9 (ýpočty). 10.1 Měření kotle bez deflektoru tabulce č. 8 jsou shrnuty základní údaje o zkoušce a to konkrétně o čase konání a parametrech nastavení. datum měření 1. 4.015 doba měření 1 hod 0 min začátek zkoušky 1:40 absolutní tlak vzduchu 10,8 kpa tah komína průměrná hmotnost paliva na 1 hod 9 kg přívod primárního vzduchu přívod sekundárního vzduchu přívod terciálního vzduchu deflektor 9 ± 4 Pa 5% otevření automaticky řízené otevření termoventilem (Regulus) 90 C 0% otevření Tab. 9 Parametry nastavení kotle během zkoušky č. 1 Při měření s krátkými intervaly záznamu vzniklo velké množství dat. Z toho důvodu jsou průměrná data z měření shrnuta v tabulce č. 10. šechna důležitá data z měření jsou zaznamenána graficky v závislosti na časech a to v grafech 3, 4 a 5. ne CO CO O t voda,out Δp p out p in T sp,in T sp,out [mg/m3] [%obj.] [%obj.] [ C ] [ Pa ] [ Pa ] [ Pa ] [ C] [ C] 3360,75 0,69 9,736 84,8 0,0 10351, 10351, 468,76 8,43 Tab. 10 Průměrná data z měření kotle bez deflektoru 33
CO [%] 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 Průběh CO, O 1 11 1 31 41 51 61 71 81 Graf 3 Průběh koncentrací CO a O z prvního měření 14 1 10 8 6 4 0 čas [min] O [%] CO [%] O [%] t [ C] 30 310 300 90 80 70 60 50 40 30 Průběh teplot spalin 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 čas [min] Tsp,out Graf 4 Průběh výstupních teplot spalin z kotle z prvního měření t [ C] 95 90 85 Průběh teplot vody 80 75 bez deflektoru 70 6 10 14 18 6 30 34 38 4 46 50 54 58 6 66 70 74 78 čas [min] Graf 5 Průběh výstupních teplot z kotle do otopného systému z prvního měření 34
U kotle bez úprav můžeme sledovat kolísání teplot a nestabilní proces hoření. Od 63. minuty lze pozorovat prudký nárůst oxidu uhelnatého i kyslíku. To je způsobeno pravděpodobně zaklenbováním paliva. ýpočet minimální množství vzduchu Minimální potřebné množství kyslíku O min,39 C H S O = + + 100 1,01 4,03 3,03 3,39 4 5,41 38,3 38,5 3 O min = + = 0,814 m n / kg 100 1,01 4,03 3,03 3 [ m 3 n / kg ] (34.1) Minimální množství suchého vzduchu 100 = 1 S Z min O min [ m 3 n / kg ] (35.1) 100 3 1 S Z min = 0,814 = 3,876 m n / Součinitel vlhkosti vzduchu kg f f = 1+ ϕ p C '' p ϕ p,486 = 1 + 0,7 = 1,018 98,1 0,7 98,1 '' [-] (36.1) kde ϕ [%] relativní vlhkost (volím 0,7 %) p [Pa] absolutní tlak vodní páry na mezi sytosti pro teplotu 0 C (z tabulek vlhkého vzduchu volím 490 Pa) p c [Pa] celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu (volím 98100 Pa) Minimální množství vlhkého vzduchu = f S Z min Z min [ m 3 n / kg ] (37.1) Z min = 1,0 3,876 = 3,947 m 3 n / kg 35
Minimální množství vlhkého vzduchu za provozních podmínek real Z min real Z = Z min t vz + 73,15 10135 M& 73,15 p 1+ 73,15 10135 9 = 3,947 73,15 10380 3600 min = vz pal 0,0105 m 3 / kg [ m 3 / kg ] (38.1) ýpočet minimální množství spalin Minimální objem C$ % ve spalinách,6 C = + 0,03 1,01 100 S CO Z min CO,6 4 = + 0,03 3,876 = 0,895 m 3 / kg n 1,01 100 [ m 3 n / kg ] (39.1) Skutečný objem C$ % ve spalinách zorec zohledňující objem CO z přebytku vzduchu za normálních podmínek. n CO n CO 0,03 = CO min + ( 1) ( ) 100 α s Z min 0,03 = 0,895 + (1,87 1) ( ) 3,876 = 0,896 m 3 n / kg 100 [ m 3 n / kg ] (40.1) Přepočet na reálné podmínky. r CO r CO = n CO t sp + 73,15 10135 M& 73,15 p 8,4 + 73,15 10135 = 0,896 0,005 = 0,0045 73,15 10351 sp pal m 3 n / kg [ m 3 / kg ] (41.1) Přepočet na objemové koncentrace. CO = CO sp, real 0,0045 CO = 100 = 10,868 % 0,0415 [%] (4.1) 36
Minimální objem S$ % ve spalinách SO SO 1,89 S = 3,06 100 1,89 0,01 3,06 100 = = 0,00068 m 3 n / kg [ m 3 n / kg ] (43.1) Minimální objem & % ve spalinách,4 N = + 0,7805 8,016 100 S N Z min,4 0,11 N = + 0,78053,876 = 3,07 m 3 / kg n 8,016 100 [ m 3 n / kg ] (44.1) Minimální objem ' ( ve spalinách = 0,009 S Ar Z min Ar = 0,0093,876 = 0,0357 /kg m 3 n [ m 3 n /kg ] (45.1) Minimální objem suchých spalin = + + + S SP min CO N Ar SO [ m 3 n / kg ] (46.1) S SP min = 0,895 + 3,07 + 0,0357 + 0,00068 = 3,957 m 3 n / kg Minimální objem vodní páry 44,8 H,4 W = + + ( f 1) 4,03 100 18,015 100 S HO Z min HO 44,8 5,41,4 15,6 = + + (1,018 1) 3,876 = 0,865 m 3 n / kg 4,03 100 18,015 100 [ m 3 n / kg ] (47.1) Minimální objem vlhkých spalin Minimální objem suchých spalin obohatíme o objem vodní páry. S SP min = SP min + H O [ m 3 n / kg ] (48.1) SP min = 3,956 + 0,865 = 4,8 m 3 n / kg 37
Skutečné množství vlhkých spalin SP SP = + α SPmin ( 1) Z min = 4,8 + (1,87 1) 3,947 = 8,36 m 3 n / kg kde α [-] přebytek vzduchu na konci ohniště. [ m 3 n / kg ] (49.1) α = α = 1 1 O 1 = 1,87 1 9,74 [-] (50.1) Minimální množství vlhkých spalin za provozních podmínek SP SP = SP t sp + 73,15 10135 M& 73,15 p sp 8,4 + 73,15 10135 9 = 8,36 = 0,0415 m 3 sp / kg 73,15 10351 3600 pal [ m 3 sp / kg ] (51.1) ýpočet tepelných ztrát a účinností Účinnost η = 100 ( q a + qb + qr ) [ % ] (5.1) kde q a [%] ztráta citelným teplem spalin, q b [%] ztráta plynným nedopalem, q r [%] ztráta mechanickým nedopalem. Poměrné ztráty citelným teplem spalin: Q a Qa = = Ztráty citelným teplem spalin: ( t t ) sp ok (,4 1) 0,536 ( c pmd ( C Cr )) ( CO + CO ) + ( 1,4933 ( 4 0,1689) ) + 0,536 ( 0,65 + 10,88) 1,4933 1,4 ( 9 5,41 15,6) ( 9 H W ) c pmh 1,4 + O 100 8 = 806,05 kj/kg + 100 [ kj/kg ] (53.1) 38
Poměrné ztráty citelným teplem spalin: q a Q = 100 H a u 806,05 q a = 100 = 19,45 % 14,6 1000 [%] (54.1) Poměrné ztráty plynným nedopalem: Ztráty plynným nedopalem: Q b Qb = = 1644CO ( C Cr ) [ 0,536 ( CO + CO) 100] 1644 0,65 ( 4 0,1689) [ 0,536 ( 10,88 + 0,65) 100] = 34,7 kj/kg [ kj/kg ] (55.1) q Poměrné ztráty plynným nedopalem: b =100 Q H b u 34,7 q b = 100 = 1,610 % 14,6 1000 [%] (56.1) Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: Ztráty mechanickým nedopalem: Q r Qr 335 R b = 100 335 0,95 17,73 = = 56,567 kj/kg 100 [ kj/kg ] (57.1) Poměrné ztráty mechanickým nedopalem: q r =100 Q H r u 56,567 q r = 100 = 0,3879 % 14,6 1000 [%] (58.1) 39
40 Střední měrná tepelná kapacita spalin Střední měrná tepelná kapacita suchých spalin při srovnávacích podmínkách: + + + + + = 100 1000 0, 1000 0,03 100 1000 0,14 1000 0,19 0,085 1000 0,034 1000 0,008 0,361 3,6 CO t t CO t t t t C sp sp sp sp sp sp pmd 1,364 100 10,88 1000 8,4 0, 1000 8,4 0,03 100 10,88 1000 8,4 0,14 1000 8,4 0,19 0,085 1000 8,4 0,034 1000 8,4 0,008 0,361 3,6 = + + + + + = pmd C 3 K.m kj [ 3 K.m kj ] (59.1) Střední měrná tepelná kapacita vodní páry: + + = 1000 0,034 1000 0,038 0,414 3,6 sp sp O pmh t t C 1,4933 1000 8,4 0,034 1000 8,4 0,038 0,414,6 3 = + + = O C pmh 3 kj/m [ 3 kj/m ] (60.1)
Redukovaný hmotnostní podíl uhlíku v nespálených zbytcích: C r = R b 100 17,7 C r = 0,95 = 0,1689 % 100 [ % ] (61.1) Koncentrace CO CO = CO avg 1 O 1 O stadardized avg 1 13 CO = 0,65 = 0,188 % 1 9,74 [%] (6.1) Celkový tepelný výkon η M& pal H u P = 1003600 78,7 9 14600 P = = 8,7 kw 100 3600 [kw] (63.1) eličina Značka Jednotka Průměrná hodnota objemový průtok vlhkých spalin sp [m 3 /s] 0,0415 koncentrace CO ve spalinách CO [%] 0,69 koncentrace CO při 13% obj. ve spalinách CO 13% [%] 0,19 koncentrace CO při 10% obj. ve spalinách CO 10% [mg/m 3 ] 41 koncentrace CO ve spalinách CO [%] 10,88 koncentrace O ve spalinách O [%] 9,74 poměrná ztráta citelným teplem spalin q a [%] 19,45 poměrná ztráta plynným nedopalem q b [%] 1,610 poměrná ztráta mechanickým nedopalem q r [%] 0,3879 teplota spalin t sp [ C] 8,4 přebytek vzduchu α [-] 1,87 účinnost η [%] 78,7 tepelný výkon P [kw] 9 třída kotle [-] 3 Tab. 11 ypočtené hodnoty a důležitá naměřená data 41
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE Největší část ze ztrát na účinnosti tvoří poměrná ztráta citelným teplem spalin a to přibližně 19%. To je způsobeno nedostatečným ným vychlazením spalin, které mají na výstupu z kotle teplotu 8 C. Poměrné ztráty 91% Poměrná ztráta citelným teplem spalin qa Poměrná ztráta plynným nedopalem qb 7% Poměrná ztráta mechanickým nedopalem qr % Graf 6 Poměrné ztráty u kotle bez deflektoru 10. Měření kotle s deflektorem č. 1 tabulce č.. 1 jsou shrnuty základní údaje o zkoušce a to konkrétně o čase konání a parametrech nastavení. datum měření doba měření začátek zkoušky absolutní tlak vzduchu tah komína průměrná rná hmotnost paliva na 1 hodinu přívod primárního vzduchu přívod sekundárního vzduchu přívod terciálního vzduchu 1. 4.015 1 hod 30 min 14:10 10,8 kpa 6 ± Pa 7,3 kg 5% otevření automaticky řízené otevření termoventilem (Regulus) 88 C 30% otevření deflektor ano Tab. 1 Parametry nastavení kotle a měřící podmínky během zkoušky č. Obr. 13 yrobený deflektor č. 1 Při měření s krátkými intervaly záznamu vzniklo velké množství dat. Z toho důvodu jsou průměrná data z měření shrnuta v tabulce č. 13. šechna důležitá data z měření jsou zaznamenána graficky v závislosti na časech a to v grafech 7, 8 a 9. CO CO O t voda,out Δp p out p in [mg/m3] [%obj.] [%obj.] [ C ] [ Pa ] [ Pa ] [ Pa ] 47,37 0,198 7,500 84,9 5,4 10353,7 10359,1 Tab. 13 Průměrná rná data z měření kotle s deflektorem č. 1 4 T sp,in T sp,out [ C] [ C] 459, 197,4
CO [%] 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 Průběh CO, O 1 11 1 31 41 51 61 71 81 Graf 7 Průběh koncentrací CO a O z druhého měření 10 9 8 7 6 5 4 3 1 0 čas [min] O [%] CO [%] O [%] t [ C] 0 10 00 190 180 170 160 Průběh teplot výstupních spalin Tsp,out 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 čas [min] Graf 8 Průběh výstupních teplot spalin z kotle z druhého měření t [ C] 90 88 86 84 8 80 78 76 74 Průběh teplot otopné vody deflektor č. 1 6 10 14 18 6 30 34 38 4 46 50 54 58 6 66 70 74 78 8 86 90 čas [min] Graf 9 Průběh výstupních teplot z kotle do otopného systému z druhého měření 43
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE U kotle s úpravami můžeme sledovat stabilnější proces hoření bez větších teplotních výkyvů. Při dosažení maximální teploty otopné vody, termoregulační ventil uzavřel přívod sekundárního vzduchu, což můžeme sledovat na grafu průběhu O (50. minuta). eličina Značka Jednotka Průměrná hodnota objemový průtok vlhkých spalin koncentrace CO ve spalinách koncentrace CO při 13% obj. ve spalinách koncentrace CO při 10% obj. ve spalinách koncentrace CO ve spalinách koncentrace O ve spalinách poměrná ztráta citelným teplem spalin poměrná ztráta plynným nedopalem poměrná ztráta mechanickým nedopalem teplota spalin přebytek vzduchu sp CO CO 13% CO 10% CO O q a q b q r t sp α [m 3 /s] [%] [%] [mg/m 3 n] [%] [%] [%] [%] [%] [ C] [-] 0,043 0,198 0,117 014,9 1,76 7,5 11,385 1,034 0,3879 197,9 1,56 účinnost tepelný výkon třída kotle η P [%] [kw] [-] Tab. 14 ypočtené hodnoty a důležitá naměřená data Největší část ze ztrát na účinnosti tvoří poměrná ztráta citelným teplem spalin, kterou jsme díky vloženému deflektoru snížili přibližně o 8 %. Spaliny se nám podařilo vychladit na 198 C, což je o 84 C méně než u zařízení bez úprav. 87, 6 3 Poměrné ztráty 89% Poměrná ztráta citelným teplem spalin qa Poměrná ztráta plynným nedopalem qb Poměrná ztráta mechanickým nedopalem qr 8% 3% Graf 10 Poměrné ztráty u kotle s deflektorem č. 1 44
10.3 Měření kotle s deflektorem č. tabulce č. 15 jsou shrnuty základní údaje o zkoušce a to konkrétně o čase konání a parametrech nastavení. datum měření 4. 4.015 doba měření začátek zkoušky 10:30 absolutní tlak vzduchu tah komína průměrná hmotnost paliva na 1 hodinu přívod primárního vzduchu přívod sekundárního vzduchu přívod terciálního vzduchu 1 hod 30 min 101,58 kpa 7 ± Pa 6,7 kg 5% otevření automaticky řízené otevření termoventilem (Regulus) 89 C 40% otevření deflektor ano Tab. 15 Parametry nastavení kotle a měřící podmínky během zkoušky č. 3 Obr. 18 yrobený deflektor č. Při měření s krátkými intervaly záznamu vzniklo velké množství dat. Z toho důvodu jsou průměrná data z měření shrnuty v tabulce č. 16. šechna důležitá data z měření jsou zaznamenána graficky v závislosti na časech a to v grafech 11, 1 a 13. CO CO O t voda,out Δp p out p in T sp,in T sp,out [mg/m3] [%obj.] [%obj.] [ C ] [ Pa ] [ Pa ] [ Pa ] [ C] [ C] 411,5 0,193 8,540 84,8,6 101553,6 101556,3 444,04 14,85 Tab. 16 Průměrná data z měření kotle s deflektorem č. CO [%] 0,6 0,5 Průběh CO, O 14 1 O [%] 0,4 0,3 0, 10 8 6 4 CO [%] O [%] 0,1 0 0 1 11 1 31 41 51 61 71 81 Graf 11 Průběh koncentrací CO a O z třetího měření 45 čas [min]
t [ C] 60 50 40 30 0 10 00 190 180 170 Průběh teplot výstupních spalin 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 Tsp,out čas [min] Graf 1 Průběh výstupních teplot spalin z kotle z třetího měření t [ C] 90 88 86 84 8 80 78 Průběh teplot otopné vody deflektor č. 1 76 6 10 14 18 6 30 34 38 4 46 50 54 58 6 66 70 74 78 8 86 90 čas [min] Graf 13 Průběh výstupních teplot z kotle do otopného systému z třetího měření 46
Mizerovský Karel Optimalizace kotle na biomasu UT Brno, FSI ÚE eličina Značka Jednotka Průměrná hodnota objemový průtok vlhkých spalin koncentrace CO ve spalinách koncentrace CO při 13% obj. ve spalinách koncentrace CO při 10% obj. ve spalinách koncentrace CO ve spalinách koncentrace O ve spalinách poměrná ztráta citelnýn teplem spalin poměrná ztráta plynným nedopalem poměrná ztráta mechanickým nedopalem teplota spalin přebytek vzduchu sp CO CO 13% CO 10% CO O q a q b q r t sp α [m 3 /s] [%] [%] [mg/m 3 n] [%] [%] [%] [%] [%] [ C] [-] 0,05 0,193 0,17 18,1 11,9 8,54 13,40 1,108 0,3879 14,8 1,69 účinnost tepelný výkon třída kotle η P [%] [kw] [-] Tab. 17 ypočtené hodnoty a důležitá naměřená data Největší část ze ztrát na účinnosti tvoří poměrná ztráta citelným teplem spalin, kterou jsme díky vloženému deflektoru snížili přibližně o 6%. Spaliny se nám podařilo vychladit na 15 C, což je o 67 C méně než u zařízení bez úprav. Tepelný výkon kotle je pouze přibližný, neboť nebyla k dispozici plošinová váha a hmotnost nevyhořelého paliva byla odhadnuta. Při porovnání kotle s úpravami a kotle bez úprav byla sledována zřetelná úspora paliva. 85,3 3 3 Poměrné ztráty 90% Poměrná ztráta citelným teplem spalin qa Poměrná ztráta plynným nedopalem qb Poměrná ztráta mechanickým nedopalem qr 7% 3% Graf 14 Poměrné ztráty u kotle s deflektorem č. 47
10.4 Porovnání měření CO [%] 8000 7000 6000 5000 4000 3000 000 1000 0 Průběh CO při 10% O 1 11 1 31 41 51 61 71 81 Graf 15 Porovnání průběhů CO z daných měření čas [min] bez deflektoru s deflektorem č. 1 s deflektorem č. O [%] 1 10 8 6 Průběhy O bez deflektoru s deflektorem č. 1 s deflektorem č. 4 1 11 1 31 41 51 61 71 81 čas [min] Graf 16 Porovnání průběhů O z daných měření t [ C] 30 300 80 60 40 0 00 180 Průběh výstupních teplot spalin bez deflektoru s deflektorem č. 1 s deflektorem č. 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 čas [min] Graf 17 Porovnání průběhů výstupních teplot spalin z daných měření 48
t [ C] 9 90 88 86 84 8 80 78 76 74 7 Průběhy teplot otopné vody 6 101418630343844650545866670747888690 čas [min] Graf 18 Porovnání průběhů výstupních teplot otopné vody z daných měření bez deflektoru deflektor č. 1 deflektor č. Emise CO 10% Třída kotle Účinnost [mg/m 3 n] [-] [%] bez deflektoru 41 3 78,7 deflektor č. 1 014,9 3 87, deflektor č. 18,1 3 85,3 Tab. 18 Porovnání výsledků z měření a výpočtů jednotlivých úprav 49
11 Zhodnocení výsledků Na ztrátách kotle se podílejí tři faktory, a sice ztráta plynným nedopalem, ztráta mechanickým nedopalem a ztráta citelným teplem spalin. Největší podíl na snížení účinnosti má ztráta citelným teplem spalin neboli ztráta komínová. U kotle bez úprav byla vypočtena účinnost 78 %, což odpovídá technickým parametrům garantovaných výrobcem. Díky způsobu topení se produkce emisí pohybovala velmi nízko a podařilo se nám kotel zařadit do 3. emisní třídy z třídy první. Teplota spalin na výstupu z kotle dosahovala vysokých hodnot, což se negativně projevilo na komínové ztrátě (citelným teplem spalin). Po vložení prvního deflektoru jsme dosáhli nejlepších výsledků a to jak u emisí, tak u účinností. Díky vychlazení spalin téměř o 80 C se účinnost zvýšila o necelých 9% a emise se snížily o 400 mg/m n 3 při 10 % O. Došlo ke stabilizaci procesu hoření a snížení spotřeby zkušebního paliva. Po instalaci druhého deflektoru došlo k vychlazení spalin o 67 C a zvýšení účinnosti o 7 %. Emise oxidu uhelnatého se snížily o 80 mg/m n 3 při 10 % O, díky tomu kotel opět spadá do 3. emisní třídy. Největší úspora paliva byla sledována u deflektoru č., dále pak u deflektoru č. 1. 50