Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad SIMULÁTOR NÍZKOPOTENCIÁLNÍHO TEPLA Tomáš Charvát, Zbyněk Zelený Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Vývoj zařízení, která mají potenciál uplatnění na trhu, vede k tlaku na ověřování provozních parametrů již při výrobě prototypů a jejich testování. V řadě případů však není z ekonomických i technických důvodů prototypy možné instalovat přímo do reálného prostředí. Proto je nutné často podmínky simulovat v laboratoři. Článek se zabývá návrhem simulátoru odpadního tepla pro testování zařízení na bázi organického Rankinova cyklu (ORC) pro využití odpadního tepla. SUMMARY The development of the device with high application potential leads to a need to verify the operational parameters even within the stage of prototypes. Often, the prototypes can t be installed in full relevant environment due to technical or economic restrictions. Than it is needed to simulate the relevant environment in the laboratory. The paper describes the design of waste heat simulator for testing of the organic Rankine cycle (ORC) based device. ÚVOD Příspěvek popisuje postup návrhu simulátoru nízkopotenciálního odpadního tepla, který byl realizován v rámci vývoje ORC technologií na Univerzitním centru energeticky efektivních budov. Důvodem pro stavbu simulátoru tepla byla potřeba testování technologií ORC pro využití odpadního tepla v podmínkách co možná nejbližších reálnému provozu. Protože se jedná především o prototypy ORC zařízení, není možné je testovat na skutečných instalacích (konkrétně na kogeneračních jednotkách bioplynových stanic). Důvodem je zejména ekonomická stránka připojování na reálné zařízení. V případě nutné odstávky kogenerační jednotky lze předpokládat výši nákladů mezi 8-9 tisíci Kč/h mimo provoz. Vzhledem k častým odstávkám a úpravám prototypu by celkové náklady na provoz v reálném prostředí poměrně rychle překročily únosnou mez. Dalším důvodem stavby simulátoru je i jednoduchost jeho přepravy, oproti přepravě samotného prototypu, který je rozměrný a má velkou hmotnost. Realizace a provozování simulátoru tepla se v tomto případě jeví jako optimální možnost jak z hlediska technického, tak z hlediska ekonomického, ačkoli je teplo v simulátoru vyráběno účelově a nejedná se tedy o teplo odpadní. NÁVRH VLASTNÍHO ZDROJE TEPLA Konkrétně byl jako spalovací zařízení zvolen plynový hořák Dunphy T0 2.26 MP-SC o maximálním výkonu 250 kw. Hořák byl vybrán s ohledem na jeho cenu, dostupnost, co nejširší rozsah regulace a dostatečný výkon, který bude schopen pokrýt široký rozsah požadovaných parametrů odpadního tepla. Samotný plynový hořák však není schopen dosáhnout požadovaných parametrů simulovaného odpadního tepla. Zejména se jedná o potřebu dosažení relativně nízké teploty spalin (oproti teplotě spalin vznikajících při hoření zemního plynu) při jejich vysokém objemovém průtoku. Toho lze docílit např. přimícháním velkého množství vzduchu do spalin 45
Teplota nechlazeného palmene [ C] zemního plynu. Zvolená koncepce počítá s instalací dvou vzduchových ventilátorů, které budou řízeny frekvenčními měniči. Bude tak možné docílit nastavení poměrně přesného množství a teploty výstupní směsi spalin a vzduchu jako nositele odpadního tepla. POSTUP VÝPOČTU Pro co nejširší možnost využití navrhovaného simulátoru je nutné mít možnost regulovat následující parametry a to tak, aby na sobě bylo co nejméně závislé (v ideálním případě zcela nezávislé): tepelný výkon ve spalinách (lze regulovat hořákem, jeho součástí je systém pro plynulou regulaci výkonu), teplota směsi spalin a vzduchu, hmotnostní průtok směsi spalin a vzduchu. Obecně není možné při zvolené koncepci regulovat teplotu a průtok spalin nezávisle na sobě (bylo by nutné instalovat do spalin výměník tepla, který by dokázal spaliny ochladit nezávisle na jejich hmotnostním průtoku). Simulátor tepla však bude určen na relativně úzkou aplikaci pro simulaci tepla z motorů bioplynových stanic, proto bylo v tomto případě od instalace výměníku upuštěno. Kromě výkonu hořáku bude veškeré další řízení zajištěno pomocí vzduchových ventilátorů směšováním vzduchu a spalin z hořáku ve směšovací komoře. Pro dimenzování ventilátorů a návrh jejich regulace však bylo nutné spočítat přesné parametry spalin z hořáku a následně jejich směšování se vzduchem ve směšovací komoře. Nejprve byly provedeny základní výpočty podle [3]: výpočet stechiometrického složení spalin zemního plynu; výpočet teploty nechlazeného plamene. 2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 0 5 10 15 20 Součinitel přebytku vzduchu [-] Obr. 1 Závislost teploty nechlazeného plamene na součiniteli přebytku vzduchu Teplota nechlazeného plamene je z definice teoretická teplota, které by bylo dosaženo dokonalým spálením paliva v případě, že by nebylo žádné teplo odvedeno ve spalinách ani do stěn spalovací komory. V případě zanedbání ztrát lze tuto teplotu považovat za teplotu odchozích spalin. Pro stechiometrické spalování byla teplota nechlazeného plamene vypočtena na 2100 C a je tedy nutné výrazně míchat se studeným vzduchem pomocí ventilátorů. Z hlediska reálného zapojení budou nejprve vznikat spaliny s pouze mírným přebytkem vzduchu (zhruba 1,1) přímo v hořáku a teprve poté k nim bude přimíchán další vzduch. Při výpočtu množství vzduchu potřebného k dosažení požadovaných rozmezí teplot simulovaného odpadního tepla bylo však postupováno tak, jako kdyby k přimíchávání vzduchu docházelo již při spalování zemního plynu v hořáku. 46
Volbou vhodného součinitele přebytku vzduchu [-] lze tedy poměrně přesně regulovat výstupní teplotu směsi spalin a vzduchu jako nositele odpadního tepla. Výsledky uvádí graf na obr. 1. Samotný součinitel přebytku vzduchu však nedává žádnou informaci o skutečném množství vzduchu, který je nutno přimíchat pomocí ventilátorů. Proto byl výpočet proveden pro různé tepelné výkony ve spalinách a různé požadované teploty odpadního tepla. Výsledky jsou uvedeny v tab. 1. Tab. 1 Závislost průtoku vzduchu na výkonu hořáku pro různé teploty Teplota [ C] 250 300 350 400 450 500 Výkon přebytek α [-] 11,7 9,5 8 6,9 6,1 5,4 [kw] m pal [m 3 /h] průtok vzduchu [m 3 /h] 25 2,4 309 251 211 181 160 143 50 4,9 618 502 422 362 320 285 75 7,3 927 753 634 543 479 428 100 9,8 1 236 1 003 845 723 639 570 125 12,3 1 545 1 254 1 056 904 799 713 150 14,7 1 854 1 505 1 267 1 085 959 856 175 17,2 2 163 1 756 1 479 1 266 1 118 998 200 19,7 2 472 2 007 1 690 1 447 1 278 1 141 225 22,1 2 780 2 258 1 901 1 628 1 438 1 283 250 24,6 3 089 2 508 2 112 1 809 1 598 1 426 Pro výběr konkrétních ventilátorů byly stanoveny tlakové ztráty potrubí a určeny pracovní body, kterých musí být zvolené ventilátory schopny dosáhnout. Tab. 2 uvádí výsledky výpočtu ztrát potrubí vzduchu v Pa. Hodnoty dopravního tlaku při výkonu hořáku 250 kw odpovídají ztrátám ve vzduchovém potrubí, protože hořák při tomto výkonu může mít jen velmi malou tlakovou ztrátu a tedy pro dosažení maxima výkonu je nutné použít odtahový ventilátor spalin. Tab. 2 Tlakové ztráty potrubí [Pa] při různých provozních stavech Výkon Teplota [ C] [kw] 250 300 350 400 450 500 25 165 165 164 164 164 164 50 204 203 202 201 201 201 75 245 242 240 239 239 238 100 288 283 280 278 277 276 125 334 325 320 317 315 314 150 345 333 326 321 318 316 175 304 288 278 272 268 266 200 266 244 232 224 219 215 225 194 166 151 141 134 130 250 1011 67 47 35 27 22 47
KONCEPCE ZAŘÍZENÍ Zařízení se skládá z komerčně dostupných komponent (hořák, ventilátory, elektronika) a ze spalovací a směšovací komory a rámu vlastní výroby (viz obr. 2). Průměr kruhové spalovací a směšovací komory je zvolen na základě praktických poznatků a konzultací s Ing. Janem Opatřilem. Materiál spalovací komory musí unést velké tepelné zatížení. Aby nedošlo k jeho poškození, bude vnitřek komory chráněný žárobetonem. I tak může být povrch komory extrémně zahřátý a proto nebude tepelně izolovaný. Komora nesmí být ani zakryta plechem, jinak by sálavá složka mohla zapříčinit poškození materiálu. Tato opatření by měla být dostačující, avšak z technických důvodů je komora z běžné konstrukční oceli, jednoduše odnímatelná ze simulátoru a v případě poškození, ať už komory vlastní nebo její žárobetonové vyzdívky, lehce vyměnitelná. Do spalovací komory ústí na jednom konci plynový hořák. Tělo hořáku je podepřeno, jelikož ústí hořáku je silně tepelně ovlivněno a vlivem tíhy samotného hořáku by mohlo dojít k ohnutí upevňovací části hořáku a nasměrování plamene vůči stěně spalovací komory, což by zapříčinilo nerovnoměrné teplotní namáhání a zvýšené zatížení specifické oblasti, která by byla náchylnější k poškození. Obr. 2 3D model simulátoru Sání ventilátorů je směřováno do prostoru od spalovací komory. V požadovaném průtoku vodícím potrubím dodává přimíchávaný vzduch do spalovací komory za žárobetonovou vyzdívku pod úhlem menším než 90. Ventilátory musí být zároveň tepelně izolovány, aby nedošlo jejich k jejich přehřátí od spalovací komory. Schéma na obr. 3 popisuje přibližné situování prvků v zařízení. Ventilátor je zde schematicky nakreslen pouze jeden a druhý je v zákrytu za prvním. V zákrytu se taktéž nachází potrubí vzduchového traktu simulátoru 48
Obr. 3 Schéma simulátoru NÁVRH ŘÍZENÍ SIMULÁTORU Řízení simulátoru je řešeno pomocí dvou frekvenčních měničů na elektrických motorech obou ventilátorů, kterými se budou řídit otáčky a tedy dopravní výkon obou ventilátorů. Změnou charakteristiky ventilátoru chladicího vzduchu je regulován dopravní tlak a tedy průtok. Jisté zjednodušení za cenu dražšího frekvenčního měniče by bylo napojit oba ventilátory na jeden frekvenční měnič a tím udržovat stejný průtok a dopravní tlak. Vzhledem k tomu, že ventilátory již otáčkovou regulaci mají zabudovanou, nemá smysl řešit další měnič a regulace otáček se bude řídit přes ovládací prvky na ventilátorech při nastavování stejných hodnot. Dodatečnou regulaci zajišťují regulační (škrticí) klapky ve vzduchovém potrubí simulátoru, kterými se mění charakteristika potrubní sítě. Regulací výkonu ventilátorů se ovlivňuje teplota výsledné směsi spalin a vzduchu po smíchání. Další regulační prvek je frekvenční měnič na plynovém hořáku. Jedná se o integrovaný regulační prvek samotného hořáku pro změnu tepelného výkonu. Na rozdíl od chlazení spalin je výkon nezávislý na jiných prvcích. Jedná se tedy o první nastavení při regulaci a následně se upravují regulační hodnoty ostatních prvků. Řízení celého simulátoru musí být společným propojením návrhových stavů a stavů daných z měření. Návrh pro tento simulátor je následující. Po sestrojení simulátoru se osadí měřením a připojí na zdroj zemního plynu. První spuštění začíná spuštěním ventilátorů na minimální výkon a následně na minimální výkon i plynový hořák. Minimální výkon hořáku by měl odpovídat 25 kwt a následně se reguluje výkon ventilátoru a škrcení klapkami na požadovaný průtok a teplotu spalin za směšovací komorou. 49
ZÁVĚR Simulátor odpadního tepla byl navržen s ohledem na jeho co nejširší aplikovatelnost, ale zároveň bere v úvahu i dostupnost jednotlivých komponent a jejich cenu. Výsledkem návrhu je poměrně široké pásmo parametrů, kterých lze dosáhnout. Díky kruhovému výstupním u průřezu je snadno připojitelný pomocí redukcí na různé průměry spalinových potrubí. Jeho větší hmotnost (cca 250 kg) je kompenzována tím, že zařízením lze manipulovat i bez použití techniky. Rozměrově i váhově je přepravitelné na standardním vlečném zařízení za vozidlem. LITERATURA [1] Hořák Dunphy TG02.26: Audry CZ a.s. [online]. [cit. 2015-09-22]. Dostupný z: http://www.audry.cz/stranky3/divize-dunphy/technické-informace. [2] Výhřevnost zemního plynu: Topinfo s.r.o. [online]. [cit. 2015-09-22]. Dostupný z: http://www.tzb-info.cz/1963-spalovaci-vlastnosti-zp-i. [3] DLOUHÝ, T. Výpočty kotlů a spalinových výměníků. 3. vydání. Praha: ČVUT, 2011. 212 stran. ISBN 978-80-0106-757-7. [4] Výhřevnost zemního plynu : webzdarma.cz [online]. [cit. 2015-09-22]. Dostupný z: http://zemniplyn.wz.cz/contents/cp/zp_cp.html. [5] Ventilátor AKU 315 EKO : Salda UAB [online]. [cit. 2015-09-22]. Dostupný z: http://www.salda.lt/en/products/fans/aku-315-eko. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 50