YSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ BRNĚ BRNO UNIERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE KOTLE NA BIOMASU TITLE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR EDOUCÍ PRÁCE SUPERISOR TOMÁŠ MAAR ING. MAREK BALÁŠ BRNO 009
ysoké učení echnické v Brně, Fakula srojního inženýrsví Energeický úsav Akademický rok: 008/009 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE suden(ka): Tomáš Maar kerý/kerá suduje v bakalářském sudijním programu obor: Energeika, procesy a ekologie (3904R030) Řediel úsavu ám v souladu se zákonem č./998 o vysokých školách a se Sudijním a zkušebním řádem UT v Brně určuje následující éma bakalářské práce: v anglickém jazyce: Kole na biomasu Biomass biolers Sručná charakerisika problemaiky úkolu: Kole na biomasy jsou rozvíjejícím se průmyslovým odvěvím. Náplní práce je výpoče výměníku žárorubnaého rošového kole na biomasu. Cíle bakalářské práce: / ypracova rešerši o biomase, jejich vlasnosech a využií. / ypracova základní přehled ypů zařízení pro sování biomasy. 3/ Návrh a výpoče žárorubnaého výměníku siny - voda.
Seznam odborné lieraury: Budaj, F.: Parní kole podklady pro epelný výpoče, UT v Brně, 99 Černý,.-Janeba, B.-Teyssler, J.: Parní kole. Technický průvodce 3, SNTL, 983 edoucí bakalářské práce: Ing. Marek Baláš Termín odevzdání bakalářské práce je sanoven časovým plánem akademického roku 008/009. Brně, dne 0..008 L.S. doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. Řediel úsavu doc. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakuly
Anoace Tao bakalářská práce se zabývá koli na biomasu. první čási práce je popsána biomasu jako ivo pro kole. e druhé čási je sručně popsán proces sování a možné konsrukční řešení kolů. Hlavní náplní éo práce je výpoče výměníku siny voda, a s ím spojené výpočy množsví vzduchu, sin, enalpie sin, výpoče eplosměnné plochy a návrh výměníku. Annoaion This bachelor s hesis deal wih a biomass boilers. In he firs par of his hesis is discribed biomass like a fuel for a boilers. Second par shorly discribes a combusion proces and possible consrucion hese device. Main hing in his hesis is calculaions a exchanger and wih i nessesery calculaions quanii of air, produk of combusion, enhalpy, calculaions hea ransfer surface and suggesion exchange. Klíčová slova koel, biomasa, výměník, siny Keywords boiler, biomass, exchanger, produc of combusion
Bibliografická ciace MAAR, T. Kole na biomasu. Brno: ysoké učení echnické v Brně, Fakula srojního inženýrsví, 009. 43 s. edoucí bakalářské práce Ing. Marek Baláš.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářkou práci Koel na biomasu vypracoval samosaně pod vedením Ing. Marka Baláše a uvedl veškeré zdroje, ze kerých sem čer, v seznamu použié lieraury. Brně dne 8.5.009 Maar Tomáš
Poděkování Na omo mísě bych rád poděkova vedoucímu mojí bakalářské práce za cenné rady a připomínky. Také bych chěl poděkova svým rodičům za všesrannou podporu při sudiu.
Obsah.ÚOD. BIOMASA A JEJÍ ROZDĚLENÍ.. BIOMASA ODPADNÍ.. BIOMASA ZÁMĚRNĚ PĚSTOANÁ PRO ENERGETICKÉ ÚČELY.3. SUCHÁ BIOMASA.4. MOKRÁ BIOMASA 3.5. SUCHÉ PROCESY (TERMOCHEMICKÁ PŘEMĚNA) 3.6. MOKRÉ PROCESY (BIOCHEMICKÁ PŘEMĚNA) 3.7. MECHANICKO CHEMICKÁ PŘEMĚNA 3 3. LASTNOSTI A ÚPRAA BIOMASY JAKO PALIA PRO KOTLE 4 3.. ÝHŘENOST BIOMASY 4 3.. KUSOÉ DŘEO 5 3.3. DŘENÍ ŠTĚPKA 6 3.4. PELETKY 6 3.4.. DŘENÍ PELETKY 6 3.4.. ALTERNATINÍ PELETKY 7 3.5. DŘENÍ BRIKETY 8 4. ZAŘÍZENÍ PRO OÁNÍ BIOMASY 9 4.. PROCES OÁNÍ BIOMASY 9 4... MNOŽSTÍ PALOACÍHO ZDUCHU A PŘEBYTEK ZDUCHU 9 4.. ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY OÁNÍ 0 4... OÁNÍ SE SPODNÍM PŘÍODEM PALIA 0 4... OANÍ E FLUIDNÍ RSTĚ 0 4..3. OÁNÍ NA ROŠTU 5. CÍL PRÁCE 5.. ZADÁNÍ 3 5... STRUČNÝ POPIS POSTUPU 3 5... PŘIJATÁ ZJEDNODUŠENÍ 3 6. ÝPOČET MNOŽSTÍ ZDUCHU A IN 4 6.. ÝPOČET MNOŽSTÍ ZDUCHU 4 6.. ÝPOČET MNOŽSTÍ IN 4 6.3. TEPLOTY IN 5 6.4. ÝPOČET ENTALPIE IN I SP 5 6.5. URČENÍ MNOŽSTÍ PALIA A OBJEMU IN PŘI STŘEDNÍ TEPLOTĚ 8 6.6. ÝSLEDNÉ HODNOTY 8
7. ÝPOČET ÝMĚNÍKU INY ODA 9 7.. BILANČNÍ RONICE 9 7.. URČENÍ POČTU ŽÁROÝCH TRUBEK 30 7.3. STŘEDNÍ LOGARITMICKÝ TEPLOTNÍ SPÁD LN 30 7.4. SOUČINITEL PROSTUPU TEPLA K 3 7.5. SOUČINITEL PŘESTUPU TEPLA 33 7.5.. SOUČINITEL PŘESTUPU TEPLA KONEKCÍ 33 7.5.. SOUČINITEL PŘESTUPU TEPLA KONEKCÍ 34 7.6. URČENÍ ELIKOSTI ÝHŘENÉ PLOCHY 35 7.7. ÝPOČET SEGMENTOÝCH PŘEPÁŽEK 35 7.8. ÝSLEDNÉ HODNOTY NARHNUTÉHO ÝMĚNÍKU 36 7.9. GEOMETRIE ÝMĚNÍKU INY ODA 37 8. ZÁĚR 38 LITERATURA 39 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ 40 SEZNAM OBRÁZKŮ 43 SEZNAM TABULEK 43 POUŽITÝ SOFTWARE 43
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009. Úvod yužíváni biomasy k energeickým účelům je spjao se samoným počákem lidské civilizace, kdy bylo používáno kusové dřevo, keré se sovalo na primiivních ohniších. S posupem doby se však nároky na množsví energie zvyšovaly a lidem nesačila pouhá ohnišě. A za dlouhou řadu le se přes sování v prvních krbech, kamnech, neregulovaných kolích, v dnešní době suje biomasa, a o nejen jako kusové dřevo, v plně auomaických linkách s dopravou iv všech skupensví s řízeným procesem sování. Biomasa nebyla však celou dobu v popředí zájmu, proože ji v době průmyslové revoluce, kdy spořeba energie soua nevídaně rychle, vylačila dosupná fosilní iva. Po druhé svěové válce si začalo lidsvo uvědomova dopad fosilních iv na živoní prosředí a jejich omezené zásoby. Proo je od éo doby snaha alespoň čásečně nahradi fosilní iva za jiný zdroj energie, a o nejlépe obnovielný. Mezi obnovielné zdroje spadá energie vody, věru, biomasy, geoermální energie. Ze všech ěcho obnovielných zdrojů je u nás biomasa v současnosi nejvyužívanější (cca 70 % všech obnovielných zdrojů). Česká republika není v jejím využívání nikerak pozadu. roce 005 se ČR zařadila na. míso ve spořebě biomasy (v přepoču na obyvaele EU). Získávání energie (epla) z biomasy u malých a sředních zdrojů je pro spořebiele zajímavé ne ani ak z důvodu používání obnovielného zdroje energie nebo proože se jedná o ekologičější ivo (ve srovnání s fosilními). Hlavním důvodem jsou mnohdy i několikanásobně menší náklady na provoz, ve srovnání s uhlím, LTO, elekřinou či plynem.
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009. Biomasa a její rozdělení Biomasa je v om nejširším smyslu slova hmoa organického původu edy hmoa jejíž exisence je závislá na energii dopadajícího slunečního záření. K produkci energie z biomasy se eoreicky hodí veškeré formy biomasy, je však oázkou zda-li je o ekonomicky či ekologicky výhodné. Získáva energii z biomasy je s hlediska energeiky možné výhradně sováním, a o buď přímím sováním a nebo sováním konečných produků jejího zpracování (viz níže). Pro naše účely bude vhodné biomasu prakicky využívanou rozděli podle několika hledisek. Rozdělení bude poměrně sručné, proože o není obsahem éo práce a exisuje řada publikací věnující se omuo émau [,3] Rozdělení biomasy podle způsobu získávání Biomasa odpadní Záměrně pěsovaná biomasa Rozdělení biomasy podle obsahu vody Suchá biomasa Mokrá biomasa Rozdělení biomasy podle možnosi zpracování suché procesy (ermochemické přeměna) mokré procesy (biochemická přeměna) mechanicko chemická přeměna.. Biomasa odpadní Tuo čás biomasy voří odpady či vedlejší produky různých echnologií, mezi keré paří zejména roslinné odpady ze zemědělské výroby (sláma, seno, odpady ze sadů, odpady po údržbě zeleně,...) odpady po lesnické činnosi jako jsou zbyky po ěžbě dřeva (šišky, věve pařezy,..), odpady ze živočišné výroby (hnůj, kejda, ), odpady z průmyslových provozů jako jsou (dřevozpracující závody, lihovary, cukrovary, mlékárny, jaka, ) a skládky uhého komunálního odpadu či kaly z čisíren odpadních vod (ČO)... Biomasa záměrně pěsovaná pro energeické účely Pod eno druh biomasy spadají v základě zemědělské plodiny, keré jsou pěsované výhradně pro energeické účely. Těcho energeických plodin je v dnešní době celá řada, jejich deailnější rozdělování a posuzování jejich vhodnosi není pro uo práci podsané. Navíc je složení sušiny ěcho roslin v určiých mezích sejné, proo je možné říci, že výhřevnos záměrně pěsovaní biomasy je sejná a pohybuje se mezi 7,5 9,5 MJ kg -..3. Suchá biomasa Je biomasa, u keré obsah vody nepřesáhne 40 %. Tao je vhodná pro přímé sovaní (popř. zplyňování), nebo pro další úpravy jako jsou např. drcení, mleí, brikeování, ovšem i ako upravená biomasa je poé zpracována nejčasěji sováním. Nejčasějším druhem suché biomasy je dřevo resp. dřevní hmoa (ať už jako kusové dřevo, hobliny, piliny, ), dále je možné sem zařadi např. seno, slámu, ale aké vysušené kaly z ČO, vysušené odpady z lihovarů, ad.
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009.4. Mokrá biomasa Mokrá biomasa je aková, jejíž obsah vody je 40 % a více. Mokrá biomasa jako aková není vhodná pro sování. Nejvěší měrou se využívá pro získávání bioplynu. Mezi mokrou biomasu řadíme hnůj, kejdu, odpady z jaek, ale aké kaly z ČO (před vysušením)..5. Suché procesy (ermochemická přeměna) Do ermochemických přeměn spadají ři sobě navenek podobné procesy: sování, zplyňování a pyrolýza. Témaem éo práce je koel na biomasu, a proo bude o prvním pojednáno níže.. Pyrolýza je jedna z nejnovějších či nejmodernějších echnologií. Jejím produkem je bioolej (hnědá vazká kaina s husoou, kg m -3 a výhřevnosí okolo 6-9 MJ kg - ), kerý je možný sova jako například LTO. Princip spočívá v cíleném zahřívání organické hmoy na eplou, kdy přesanou bý organické sloučeniny sabilní a šěpí se na nízkomolekulární sloučeniny..6. Mokré procesy (biochemická přeměna) Mokré procesy přesože přímo nespadají pod éma kolů na biomasu, jsem zařadil do rozdělní, pro ucelení, ovšem pojednám o nich jen velmi sručně. Bioeanol (ehylalkohol) vzniká kvašením (fermenací) ve vodném prosředí bohaém na cukry, ako vzniklý eanol se odděluje desilací. současnosi se pro svoji velkou výhřevnos a nízké emise používá jako náhrada za fosílie pro auomobily. ěšinou se určiá čás vyrobeného eanolu spořebovává sováním pro samoný ohřev při desilaci. Sování probíhá v kolích, keré jsou konsrukčně sejné jako kole na LTO, či zemní plyn, ale na rozdíl od ěcho jsou opařeny hořákem navrženým přímo na eanol. O omo se zmiňuji z důvodu nedávné plynové krize. Domnívám se, že by v případě dlouhorvajícího uzavření plynovodů, bylo nezbyné zařízení pro sování zemního plynu nadále provozova, a jedou z několika varian je, podle mého názoru, výměna hořáku, přisavení ciserny s bioeanolem a jejich opěovné spušění. Bioplyn vzniká při rozkladu organické hmoy za příomnosi mikroorganismů. Je z věší čási vořen meanem. Proo je rovněž možné bioplyn sova v upravených kolích na zemní plyn či LTO. Skládkový plyn na skládkách uhého komunálního odpadu probíhají složié biologické procesy, jejichž výsledným produkem je plyn, kerý je možné odebíra po dobu několika le..7. Mechanicko chemická přeměna Tao skupina zpracování se dá v základě rozděli na dvě hlavní skupiny. První je výroba bionafy. Ta se vyrábí lisováním řepky olejné (a dalších olejnaých plodin) a jejich následných úprav. Druhá je mechanické zpracování především suché biomasy. Sem paří zejména drcení, šěpkování, peleování, ad. Tyo způsoby budou podrobněji probrány v následující kapiole. 3
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 3. lasnosi a úprava biomasy jako iva pro kole éo a dalších kapiolách se zaměřím především na biomasu, kerá se nejvěší měrou užívá pro sování v kolích, proo budu za biomasu považova především kusové dřevo, šěpku, peleky, brikey.[,,3,4] 3.. ýhřevnos biomasy ýhřevnos biomasy a její závislos na vlhkosi, je jednou z nejdůležiějších charakerisik. ýhřevnos je závislá na ypu a kvaliě biomasy, avšak výhřevnos sušiny je v určiých mezích sejná 7,5 9,5 MJ kg - nezávislá na druhu (sušina má v posaě sejné chemické složení). Pro uo skuečnos je výhřevnos biomasy nejvěší měrou závislá na vlhkosi. Z pravidla plaí, že se zvyšujícím se obsahem vody v ivu, klesá jeho výhřevnos (viz Obr.3 ). Obr. 3- Závislos výhřevnosi biomasy na vlhkosi [] Dále je aké nuné podoknou, že biomasa obecně, má velký podíl prchavé hořlaviny (viz Tab. 3-), a nízký podíl popeloviny 0,9-,6 %, což má významný vliv na konsrukci ohnišě. Tab. 3- Množsví prchavé hořlaviny u různých druhů iv [] ivo výhřevnos MJ/kg prchavá hořlavina % koks 8,5,5 černé uhlí 8 0 hnědé uhlí 7 55 dřevo 8 75 sláma 6 80 4
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 3.. Kusové dřevo Kusové dřevo je nejvíce využíváno v kolích menších výkonů. ěšinou v lokálních openiších. Pro věší zdroje, keré bývají zpravidla auomaizovány, by byla auomaická doprava kusového dřeva nákladná, nebo dokonce neprovedielná. Rozměry kusového dřeva jsou dány rozměrem přikládacího prosoru, edy mohou se liši podle konsrukčního uspořádání daného ypu kole. ěšinou se jedná o polena s max. délkou 500 mm. Asi nejvěší výhodou u zdrojů na kusové dřevo je bezesporu cena, kerá je v současné době a ješě dlouho bude, nejnižší ze všech iv. Tao zařízení pro sování kusového dřeva, jsou levná, spolehlivá, avšak oo je vykoupeno nunosí ručně přikláda -3 denně, popř. i zpracováva dřevo. Obr. 3- Kusové dříví následují abulce (Tab. 3 ) jsou výhřevnosi jednolivých druhů dřevin při 0 % vlhkosi zn. při vlhkosi, kerá je obecně dosažená po ročním venkovním sušení dřeva pod přísřeškem. Tab. 3- ýhřevnos jednolivých druhů dřevin při 0 % (resp. 5 %) vlhkosi [4] Obsah vody ýhřevnos Druh iva % MJkg - Lisnaé dřevo 5 4,605 Jehličnaé dřevo 5 5,584 borovice 0 8,4 vrba 0 6,9 olše 0 6,7 habr 0 6,7 aká 0 6,3 dub 0 5,9 jedle 0 5,9 jasan 0 5,7 buk 0 5,5 smrk 0 5,3 bříza 0 5 modřín 0 5 opol 0,9 5
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 3.3. Dřevní šěpka Dřevní šěpka se vyrábí zpracováním dřevního odpadu při ěžbě dříví, zpracováním odpadů při prořezu dříví na pile anebo šěpkováním energeických plodin. Šěpka obsahuje frakce v rozmezí -5 cm s příměsí čásic do 7 cm v maximálním zasoupení 0 %. ýhřevnos šěpky je závislá na druhu šěpkované dřeviny a její vlhkosi(viz Tab. 3 ). Rozlišujeme dva ypy šěpky: zelená šěpka - jehličnaá, včeně asimilačních orgánů hnědá šěpka - převážně lisnaá bez asimilačních orgánů Obr. 3-3 Dřevní šěpka 3.4. Peleky Peleky jsou moderním, ekologickým ivem, obnovielným ivem. době, kdy se o poplekách začaly objevova první zmínky, byl pohled na ně poněkud nevěřícný. Odborná veřejnos je odmíala z důvodu velkých pořizovacích a provozních nákladů. Časem se však především díky svým vlasnosem (velikos, měrná hmonos, obsah popeloviny, výhřevnos) saly výborným ivem pro auomaické kole. yrábějí se lisováním na maricových lisech. Peleky se v zásadě dají rozděli do svou skupin : Dřevní peleky Alernaivní peleky 3.4.. Dřevní peleky Základem pro výrobu dřevních peleek je homogenní dřevní hmoa ve formě pilin, jejichž opimální velikos je 3 mm a vlhkos cca 0 %, není-li omu ak, je řeba dřevní hmou vysouše. Klíčovým zařízením při výrobě peleek je maricový lis. Tyo lisy se vyrábějí v několika konsrukčních provedeních, kerá však nebudu uvádě. Princip všech pelekovacích jednoek je v zásadě sejný. Na jedné sraně se nejprve (je-li o zapořebí) vyřídí dřevní hmoa a odsraní se čási s velkými rozměry, poé je ao hmoa prolačována přes marici, kerá udává požadovaný var. éo čási se peleka značně zahřeje a změkčí a uvolní se lignin, kerý po vychlazení funguje jako pojivo. Je aké možné přidáva určiou malou čás náhradního pojiva jako např. kukuřičná moučka. Obr. 3-4 Dřevní peleky 6
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Tab. 3-3 Rozsah hodno vlasnosí dřevních peleek podle EN [4] Údaj Hodnoa Rozsah Rozměry: průměr mm 4, 6, 8, 0, 0, 5 Délka mm do 50, 00 nebo 4-6 x Ø Husoa kg.l - (dm 3 ) -,4 Obsah vody % 0, (u kůry 8) Sypná hmonos kg.m 3 500-600 Obsah popele % 0,7 -,5 (u kůry až 8) ýhřevnos MJ.kg - 5, - 9,5 Obsah síry % 0,04-0,08 Obsah dusíku % 0,3-0,6 Obsah chlóru % 0,0-0,04 Obsah arsenu mg.kg - 0,8 Obsah kadmia mg.kg - 0,5 Obsah chrómu mg.kg - 8 Obsah mědi mg.kg - 5 Obsah rui mg.kg - 0,05 Obsah olova mg.kg - 0 Obsah zinku mg.kg - 00 Obsah EOX mg.kg - 3 3.4.. Alernaivní peleky Princip výroby alernaivních pele je shodný s výrobou dřevních pele. rozdíl je však v použié surovině. Alernaivní peleky jsou v zásadě dvojí. Agropeleky základní surovinou pro jejich výrobu jsou zemědělské produky energeické plodiny, řepková sláma, obilí, šovík, Osaní keré jsou vyráběny s různých surovin, jako je např. drcený papír, kanina Paramery alernaivních pele jsou podobné jako je omu u peleek dřevních, mají sejné rozměry. U alernaivních peleek je jejich výhřevnos a obsah popeloviny závislá především na použié surovině, obvykle se pohybují v ěcho hodnoách (viz Tab. 3 4). Tab. 3-4 lasnosi alernaivních peleek podle [3] lasnos Jednoka Hodnoa ýhřevnos MJ.kg - 5 8 Měrná hmonos m -3 0,9, Obsah popele % 0,5,5 Pro alernaivní peleky exisuje mnohem věší základna surovin pro jejich výrobu. Klasické dřevní peleky jsou vyráběny z dřevní hmoy a přeso, že se jedná věšinou o hmou odpadní (odřezky, piliny, hobliny), je využívána i v jiných oblasech jako je např. papírenský průmysl, výroba dřevořísky, a mnohé další. Naproi omu alernaivní peleky jsou vyráběny z průmyslově ěžko zpracovaelných surovin, u kerých není mnohdy jiná možnos využií. Too je obrovská výhoda alernaivních peleek. Naproi omu alernaivní peleky je možné sova pouze v upravených kolích resp. není možné sova je v kolích určených pro sování dřevních peleek (dochází k zapékání hořáku již po několika hodinách). Další nevýhodou je, že při použií nekvaliních alernaivních peleek není možné zaruči u zdroje auomaický provoz. Takovéo nekvaliní alernaivní peleky je možné sova ve velkých kolích, keré jsou ve výopnách, velkých koelnách, eplárnách, ad. 7
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 3.5. Dřevní brikey Dřevní brikey mají sejné vlasnosi jako dřevní peleky, rozdíl je však v jejich varu a velikosi. Dřevní brikey mohou mí jakýkoli var, nejčasěji jsou brikey lisovány do válců nebo kvádrů. lasnosi dřevních brike ýhřevnos- 6-9 MJ kg - elikos: válec průměru 5-8 cm nebo hranol o rozměrech cca 5x0x7cm Obsah popele se udává <,5 % (u brike s věším obsahem kůry se obsah popele pohybuje okolo 3 %. Husoa -,4 kg m -3 Obr. 3-5 Dřevní brikey 8
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 4. Zařízení pro sování biomasy éo kapiole se budu věnova způsobům sování biomasy a sování obecně. Při om vycházím z [5,6,8,9,] 4.. Proces sování biomasy Sování biomasy je proces zahrnující řadu fyzikálních a chemických procesů. Tyo procesy probíhají ve sejném čase a i prosorově je ěžké od sebe yo procesy odděli. Je však možné yo procesy seřadi podle eploy. Při nejnižších eploách od cca 00 C dochází k sušení iva zn. k odpařování vody vázané v ivu, ako vzniklá vodní pára je odváděna společně se sinami do komína. odní pára zvěšuje objem sin a odebírá velké množsví epla z ohnišě svým výparným eplem. Too má neblahý vliv na účinnos celého zařízení, eplou rosného bodu sin, s ím spojenou nízkoeploní korozi, a zanášení eplosměnných ploch. Při eploách nad 50 C dochází k pyrolyickému rozkladu suchého iva. Při eploách okolo 50 C se uvolňuje z iva prchavá složka hořlaviny (především CO a C X H Y ). Nad vrsvou iva dochází při eploě cca 700 C k hoření ěcho plynů. Po uvolnění prchavé hořlaviny zbude pevná složka zv. neprchavá hořlavina pevný uhlík, kerý shoří za eplo vyšších než 600 C. Hoření je isobarické okysličování iva (resp. jeho hořlavých složek C, H, S) až na jeho konečné produky siny (CO, H O, N, SO, ad.) přičemž se uvolní značné množsví epla. [5,6,7] 4... Množsví ovacího vzduchu a přebyek vzduchu α Jedna z nejdůležiějších věcí pro zabezpečení dokonalého sovaní iva ve sovacím prosoru je množsví vzduchu přiváděného do ohoo prosoru. Proože jen při dokonalém promíchaní a dosaečném množsví vzduchu resp. jeho složky O, může dojí k vyhoření veškerého iva. Proože používáme vzdušný kyslík je nuné jeho minimální množsví přepočía na množsví vzduchu a přihlédnou ke zvešení objemu vzduchu vzdušnou vlhkosi j. objemem vodní páry. Tímo dosaneme zv. minimální množsví vzduchu Do sovacího prosoru je však zapořebí přivádě více vzduchu než-li pouze minimální množsví vzduchu. Tímo zabráníme vzniku oblasí s nedosakem vzduchu (v ěcho oblasech dochází k lokálnímu nedokonalému sování vzniká CO přičemž se uvolní jen čás epla a zvyšuje se zráa chemickým nedoem). Na sanu druhou při příliš vysokém přebyku vzduchu se snižuje eploa sin a ím i možný využielný epelný spád pro eplosměnné plochy. současné době je pro jednolivé konsrukční uspořádání i různé druhy iva volen podle mnohaleých zkušenosí. Z Obr. 4 vyplívá opimální množsví přebyku vzduchu α. [5, 6] Obr. 4- Určení množsví přebyku vzduchu 9
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 4.. Základní způsoby sování Pro správnou funkci celého zařízení je nejpodsanější zabezpečení dokonalého sování ve sovací komoře zn. v mísě, kde dochází k dějům zmíněných v kapiole 4.. Konsrukční uspořádání sovací komory je závislé především na druhu iva. Pro biomasu je ypický velký obsah prchavé hořlaviny. Teno fak musí bý respekován při návrhu varu sovacího prosoru a při návrhu disribuce vzduchu do sovacího prosoru. zásadě je vzduch rozdělen na primární (menší čás z celkového množsví) a sekundární vzduch. Primární vzduch se přivádí přímo pod vrsvu iva a sekundární vzduch se přivádí na míso, kde se předpokládá vyhoření prchavé hořlaviny. Pro sování biomasy se nejčasěji používá: Sování na rošě Sování se spodním přívodem iva Fluidní sování následujících kapiolách se obecně zmíním o každém z nich a sručně nasíním jednolivé principy. 4... Sování se spodním přívodem iva Sování se spodním přívodem iva je vhodné především u auomaických kolů na peleky nebo šěpku, u kerých je možná doprava iva šnekovým dopravníkem. Pro sovaní se spodním přívodem iva se používají zv. reorový hořák viz. Obr 4-. U kerého je ivo dopravováno šnekovým dopravníkem do sředu reorového hořáku kde je umísěn i přívod primárního vzduchu a dochází zde k hoření a uvolňování prchavé složky hořlaviny, kerá dohořívá nad ímo hořákem, kam se přivádí vzduch sekundární. Tuhý zbyek po hoření je poom vylačován nevyhořelým ivem přes okraj hořáku. Obr. 4- Reorový hořák 4... Sovaní ve fluidní vrsvě U ohoo ypu zařízení probíhá sování iva ve vznosu zn. vhodně upravené ivo ( velikos max cca mm) je nadnášeno proudícím vzduchem resp. sinami. Po vyhoření je uhý zbyek společně s kousky nevyhořelého iva odnesen proudem mimo sovací prosor, nejčasěji do cyklónového odlučovače, kde se odloučí popílek společně s nedoem. Teno uhý zbyek je poom opěovně doplňován do fluidní vrsvy kde dohoří. Podle druhu fluidní vrsvy rozeznáváme v zásadě dva druhy fluidních ohniš. První je fluidní ohnišě se sacionární fluidní vrsvou, u kerých rychlos sin nepřesahuje prahovou rychlos. U ohoo ypu ohnišě je ve sovacím prosoru jasná hladina fluidní vrsvy, uo hladinu opouší jen nejmenší čásečky a popílek. Druhý yp ohnišě je s cirkulující fluidní vrsvou, u kerých se veškeré ivo i popílek pohybují mimo ohnišě a jsou vraceny zpě přes cyklónový odlučovač Obr.4-3. 0
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Sování ve fluidní vrsvě má řadu výhod. Dají se sova či spolusova i méněhodnoná iva jakou jsou kaly, přímo do mísa hoření edy do fluidní vrsvy je možné dávkova adiiva, keré zabrání vzniku nežádoucích emisí, u iv bohaých na síru se do sovacího prosoru dávkuje vápenec. Snižuje se možnos vzniku NO proože se eploy ve sovací komoře pohybují okolo 900 C. [,9] Obr. 4-3 Parní koel s cirkulující fluidní vrsvou 4..3. Sování na rošu Sování na rošu jej jeden z nejsarších způsobů sování pevného iva. Roš je jednoduše řečeno kovová plocha s ovory (jednolivé konsrukce se od sebe poněkud liší). Ovory v rošu slouží jako přívod primárního vzduchu (popř. recirkulovaných sin) a odvádí pevné zbyky. Roš aké udržuje a podepírá vrsvu iva. Rozlišuje ři základní ipy rošů. Pevné rošy se používají především u menších zdrojů, ivo se při hoření nepohybuje. pro biomasu se nejčasěji používá šikmý pevný roš, u kerého je pohyb iva způsoben graviací. Obr 4-4. Rošy s občasným přemísěním iva se začaly používa při snaze zvýši výkon zařízení. Sysém rošnic umožňuje jejich periodické vychýlení ze základní polohy čím dojde k rozrušení vrsvy iva a jeho posunuí. Rošy s koninuálním pohybem iva se používají u kolů nejvěších výkonů. Roš je vořen nekonečným pásem, kerý se neusále oáčí a ím posouvá ivo dále do ohnišě. Na konci se na rošu nachází jen pevný zbyek. Obr. 4-4 Koel s šikmým rošem
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 5. Cíl práce Cílem éo práce bude navrhnou výměník siny voda (resp. rozměry a poče rubek) viz Obr. 5. pro eplovodní koel sující biomasu. Teno výměník siny voda je jedinou eplosměnnou plochou rošového kole na sování dřevních peleek. Obr. 5- Požadovaný výsup výpoču Schémaický náčr celého kole včeně eplosměnné plochy je na Obr. 5-. Na omo obrázku jsou zřejmé i vsupní eploy pořebné pro výpoče éo eplosměnné plochy. Obr. 5- Schemaický náčr kole resp. výměníku siny voda
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 5.. Zadání Je zadán koel sující dřevní peleky. lasnosi peleek (zn. prvkový rozbor, hrubý rozbor a výhřevnos) jsou dány v Tab. 5. Tab. 5- lasnosi iva lasnosi peleek podle lasnos Značka Jednoka Hodnoa Obsah C C r % 5 Obsah O O r % 4 Obsah H H r % Obsah N N r % 6 lhkos W r % 0 Popelnaos A r % ýhřevnos r Q i MJ kg - 7, Požadovaný výkon kole na sraně vody P = 600 kw, což při eploách vody T =70 C a T =90 C dává podle rovnice epelné bilance (5.) hmonosí průok vody m vody = 3 kg s -. Podle ohoo požadovaného množsví vody se později bude voli množsví sin, ak aby rozdíl enalpií na vsupu a výsupu z výměníku a jejich množsví předaly požadovaný výkon do opné vody. 088 90 P voda mvody cvodysř ( ) m ( I SP ISP ) k S LN (5.) P 600 mvody 3 kg s c ( ) 4,9(90 70) vodysř 5... Sručný popis posupu Pro výpoče výměníku siny voda je zapořebí nejprve spočís vlasnosi sin a s ím spojené sechiomerické výpočy. Dále je pořebné dopočís z požadovaného výkonu a enalpií sin při ěcho eploách množsví sin při sřední eploě. omo bodě jíž mám všechny vsupy nuné pro výpoče eplosměnné plochy. Zvolím rozměr rubek (po konsulaci volím 60 x,9 mm). A podle opimální rychlosi proudění sin v žárových rubkách určím poče rubek, oo zaokrouhlím nahoru a zpěně dopoču skuečnou rychlos sin. Nyní je pořeba spočís součiniel přesupu α resp. součiniel prosupu epla k. Součiniel přesupu epla se skládá z součiniele přesupu epla konvekcí a součiniele přesupu epla sáláním (eploa sin je vyšší než cca 500, proo jej nemůžeme zanedba). Po vyčíslení obou z nich jejich sečení a vynásobení opravným koeficienem, dopočís pořebnou délku rubek ak aby eplosměnná plocha dávala požadovaný výkon 600 kw na sraně vody. 5... Přijaá zjednodušení Pro výpoče výměníku siny voda jsem musel přisoupi na jisá zjednodušení. Zvolil jsem ao: Teploy před a za výměníkem jsou sanoveny na základě naměřených hodno z již fungujících zařízení viz kapiola 6.3 Jedinou eplosměnná plocha kole jsou žárové rubky ve výměníku ýměník siny voda volím jako jeden ah žárových rubek Tlak ve sinovodu resp. v žárových rubkách volím jako amosférický, ímo se dopusím jen minimální chyby 3
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 6. ýpoče množsví vzduchu a sin éo kapiole jsem čer z lieraury [5,6,7,9,] 6.. ýpoče množsví vzduchu Určení minimálního množsví suchého vzduchu T ZS r r r T,4 C H O,4 5 6 4 3 ZS 4,73 0, 4 3 Nm kg (6.) 0, 4 3 Minimální množsví vlhkého vzduchu T Z T T 3 Z f ZS,04 4,73 4,9 Nm kg (6.3) f =,04 zohledňuje objem vodné páry ve vlhkém vzduchu podle [6] Určení skuečného množsví vlhkého vzduchu podle [5,6]) S Z s přebykem vzduchu α =.7 (zvoleno S T 3 Z ZS,7 4,9 8,36 Nm kg (6.4) 6.. ýpoče množsví sin Celkové množsví vlhkých sin S SP je dáno vzahem (6.5) S T PR 3 SP SPS H 4,69, 3,3 9, O Z Nm kg (6.5) T SPS = eoreické množsví suchých sin při α = podle (6.6) = množsví vodní páry ve sinách podle (6.9) H O PR Z = množsví přebyečného vzduchu podle (6.3) T 3 SPS CO 0,95 3,74 4,69 N Nm kg (6.6) r,4 C,4 5 3 CO 0,95 Nm kg 00 00 (6.7) r,4 N T,4 3 N 0,79 0,79 4,73 3,74 ZS Nm kg 00 00 (6.8) 4
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 3 H 0,67 0,4 0,3,6 O H W Nm kg (6.9) r 44,8 H 44,8 6 3 0,67 Nm kg H (6.0) 00 4 00 4 r,4 W,4 0 3 W 0,4 Nm kg (6.) 00 4 00 4 3 ( f ) vzs,7 (,04 ) 4,73 0,3 Nm kg (6.) PR T 3 Z ( ) ZS (,7 ) 4,73 3,3 Nm kg (6.3) Sanovení objemových čásí říaomových plynů r SP r r r 0,0 0,3 0,3 [ ] (6.4) SP RO H O CO 0,95 0 SO r RO 0, [ ] (6.5) S 9, SP r H,5 O r H 0,3 [ ] O S (6.6) 9, SP r T 3 H ( ) ( ),5 O H O f ZS Nm kg (6.7) Sanovení koncenrace popílku ve sinách 0 r A xp 0 80 3 0,8 gnm (6.8) S 00 9, 00 p SP x = proceno popílku v úleu zvoleno 0,8 podle [9] 6.3. Teploy sin Tao práce se zabývá výpočem a návrhem eplosměnné plochy kole. Pro eno výpoče je nuné zná eplou před a za vsupem do výměníku siny voda. Teplou za výměníkem volím eplou 90 C. Tao hodnoa je vyšší jak eploa rosného bodu, proože při provozu kole s eploou sin na konci výměníky okolo eploy rosného bodu je obížná regulace. Teploa před vsupem do výměníku je zvolena 088 C. Tao odpovídá reálným hodnoám u kolů podobné konsrukce. 6.4. ýpoče enalpie sin I SP Proože při omo zjednodušeném výpoču přímo znám eplou před vsupem do výměníku a eplou na výsupu (po konzulaci volím 90 C) určím enalpie přímo pro yo eploy podle vzahu (6.9), eno vzah plaí obecně pro eplou v horním indexu. Tyo enalpie jsou vzaženy na kilogram spáleného iva. ýpoče byl proveden pomocí EXCELu, proo zde uvádím jen obecné vzahy pro výpoče enalpie sin. I I ( ) I [ kj kg ] (6.9) SP SP min ZD I i i i [ kj kg ] (6.0) SP min CO CO N N HO HO Do vzahu (6.0) dosadím vždy enalpii dané složky při eploě a objemy sin spočené v kap. 5.4. Enalpie jednolivých složek jsou uvedeny pro yo dvě eploy v Tab. 6-5
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Tab. 6- ýsledné enalpie sin I SP min podle (6.0) a enalpie složek sin 3 Enalpie složek sin v [ kj Nm ] Enalpie sin v [ kj kg ] ico N i i H O min =088 C 549 544 97 066 =90 C 357 45 304 647 I SP S I ( c ) [ kj kg ] (6.) ZD Z Z c c 0,006 d c [ kj kg ] (6.) Z ZS H O H 0.804 ( ) O 3 3 d f 0 (.04 ) 0 4,7.93 (6.3) ZS Tab. 6- je na základě rovnic (6.), (6.) a (6.3) spočena výsledná enalpie vzduchu I ZD při eploě. Tab. 6- ýsledné enalpie vzduchu IZD a měrné epelné kapaciy Měrné epelné kapaciy [ 3 kj Nm K ] Enalpie vzduchu v [ kj kg ] c ZS c H O c Z I ZD =088,4,8,485 6993,6 =90,3,5,367 93 Z výsledných hodno z Tab. 6- a Tab. 6-3 je podle rovnice (6.9) spočena enalpie sin pro danou eplou. ýsledek je zobrazen v Tab. 6-3. Tab. 6-3 ýsledné enalpie sin 088 SP I SP pro danou eplou I 5 [ kj kg ] I 557 [ kj kg ] 90 SP následující Tab. 6-4 jsou spočeny enalpie sin v rozmezí eplo 00 C až 00 C a na Obr. 6- jsou v závislosi na eploě vyneseny enalpie z Tab. 6-4 Tab. 6-4 Enalpie vzduchu, složek sin a výsledná enalpie sin i I min c CO in i H O SP 00 70 9,5 50,6 84,396,3,505,359893 643,93 64,5 00 357,3 59,9 35 65,998,307,5,367569 35,7 65,60 300 558,8 39, 46,8 54,96,37,54,378365 955,9 3884,047 400 77,9 56,7 65,9 3403,,39,565,398 63,303 545,83 500 994,6 664 794,5 436,88,343,59,40675 335,84 6644,97 600 5, 804,3 968,8 555,558,356,65,407 4030,77 8077,067 700 46,3 947,3 48,9 67,84,37,64,436305 4755,606 9546,08 800 704,9 093, 334,7 700,784,384,688,4575 549,48 044,66 900 95, 4,3 56, 804,,398,696,465494 638,607 57,3 000 03,4 39,6 73, 95,,4,73,478568 6850,68 40,74 00 75,8 697,7 3, 34,6,433,775,503638 8534,647 788,5 ZS c H O c Z I ZD I SP I SP 6
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Obr. 6- Závislos enalpie sin, vzduchu a složek sin na eploě podle Tab. 6-4 7
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 6.5. Určení množsví iva a objemu sin při sřední eploě Proože jsou enalpie sin vzaženy na kilogram iva musím z rovnice (6.4) urči množsví iva m v kg s - pořebného k dosažení požadovaného výkonu 600 kw na sraně vody P voda. Poé zpěně podle množsví iva urči objem sin uvolněný za s 0 podle rovnice (6.5). A podle rovnice (6.6) přepočís objem sin při normálních podmínkách na objem sin s při sřední eploě ST z rovnice (6.7). To vše je pořebné k určení rychlosi sin v žárových rubkách resp. k určení poču žárových rubek při zohlednění opimální rychlosi viz. kap 7. [3,0] P m ( I I ) m P 600 0,07 088 90 voda voda SP SP 088 90 PAL (6.4) ( I SP I SP ) 5 557 kg s Poom množsví sin uvolněných za sekundu 0 v Nm 3 s - bude podle rovnice (6.7) 0 S 3 m SP 0,07 9,,8 Nm s (6.5) 73,5 73,5 639,8 8,9 m s 73,5 73,5 ST 0 s 3 (6.6) ST 088 90 639 C (6.7) 6.6. ýsledné hodnoy Tab. 6-5 ýsledné hodnoy spočené v kapiole 6 Skuečné množsví vlhkého vzduchu 8,36 Skuečné množsví vlhkých sin 9, Skuečný průok sin při sřední eploě 8,9 Množsví spáleného iva 0,07 Nm Nm 3 kg 3 kg 3 m s s kg PAL 8
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 7. ýpoče výměníku siny voda Pro výpoče výměníku siny voda už známe všechny pořebné vsupy zn. eploy před a za výměníkem a průoky medií. Jen pro zopakování jsou pořebná daa uvedena v Tab. 7-. Tab. 7- supní daa pro výpoče výměníku značka jednoka popis hodnoa C Teploa sin na vsupu do výměníku 088 C Teploa sin na výsupu z výměníku 90 C Teploa vody na vsupu do výměníku 70 C Teploa vody na výsupu z výměníku 90 m vody ST 3 s kg s Průok vody výměníkem 3 m Průok sin výměníkem 8,9 P voda kw ýkon výměníku na sraně vody 600 7.. Bilanční rovnice Základní rovnice pro přesupu epla je dána vzahem (7.). éo kapiole si uo rovnici rozeberu a nasíním další posup výpoču. 088 90 P voda mvody cvodysř ( ) m ( I SP ISP ) k S LN (7.) kde: k je součiniel prosupu epla ve Wm - K -, eno součiniel je počíán na základě krieriální rovnice a zohledněním sálání plynu (sin) do sěn v kapiole 7.4 S je výhřevná plocha jediná neznámá v éo rovnici, v kapiole 7.. však určíme obvod O CEL žárových rubek, proo je jedinou neznámou délka L ěcho rubek, jinak řečeno výkon výměníku je funkcí délky, uo délku vyjádříme v rovnici (7.), ze keré budu vycháze při výpoču délky rubek LN je sřední logarimický eploní spád spočený v kapiole 7.. P vody k S P L k O CEL LN vody k O LN CEL [m] L LN (7.) 9
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 7.. Určení poču žárových rubek Poče žárových rubek z sanovím pomocí rovnice koninuiy (7.3) a předpokládané opimální OPT rychlosi sin w, kerou na základě doporučení volím 3 m s -. Rovněž na základě doporučení volím rozměr žárových rubek a dle Obr.7-. Obr. 7- Náčr rozměrů žárových rubek (rozměry v mm) ST z OPT OPT OPT OPT d w SCEL w z 4 ST 4 4 8,9 OPT w d 3 0,054 OPT 67,7 (7.3) Hodnou z OPT = 67,7 zaokrouhlím na nejbližší vyšší zn. z =68. Podle rovnice (7.4) sanovím skuečnou rychlos sin. w ST S ST ST CEL ST d z 4 68 8,9 0,054 4,9 m s (7.4) Poče rubek, jejich rozměr a rychlos proudění je známo. Nyní je ješě řeba urči celkový obvod žárových rubek. iz kapiola 7. O CEL z O z d 68 0,054 68 0,7 8, 6 m (7.5) 7.3. Sřední logarimický eploní spád LN Jako rozdíl eplo se u čisě proiproudého (resp. čisě souproudého výměníku) uvažuje sřední logarimický eploní spád určený podle rovnice (7.6) a Obr.7-. U jiných ypů proudění jako je například výměník s křížovým okem se poom LN násobí opravným součinielem φ. ýměník, kerý je v éo práci počíán je díky segmenovým přepážkám aké v podsaě křížový, ale podle [5,7] se při poču křížení věším jak čyři, což pro počíaný výměník předpokládám, součiniel φ limině blíží jedné, proo je možné eno výměník počía jako proiproudý. Sřední logarimický eploní spád se určí podle rovnice (7.6) a Obr. 7-. [5,7,9,] 30
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Obr. 7- Teploní poměry proiproudého výměníku H S 998 0 LN 44,5 (7.6) H 998 ln ln 0 S S ROS 90 70 0 (7.7) H SP 088 90 998 (7.8) 3
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 7.4. Součiniel prosupu epla k Základní vzah pro určení součiniele přesupu epla je dán vzahem (7.9) a pro vysvělení je k omuo vzahu přidán Obr. 7-3. Na kerém je znázorněn eploní profil a popis jednolivých členů rovnice. [5] Obr. 7-3 Prosup epla k Z (7.9) kde: Z M M K K [ W m K ] Z Z M M K K epelný odpor při přesupu epla ze srany sin do rubky, resp. do znečišění na sraně sin. ýpoče je v kapiole 7.5. epelný odpor při prosupu epla vrsvou znečišění (saze, popílek), značí se aké jako součiniel zanesení. epelný odpor prosupu epla sěnou rubky. Odpor prosupu epla se zanedbává pro ohříváky vody. podle [5] epelný odpor podle [5] možné zanedba prosupu epla zanesení ze srany vody (vodní kámen). Je rovněž. epelný odpor přesupu epla ze zanesení na sraně vody do vody. Zanedbáme [5] 3
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Po éo úvaze je možné součiniel prosupu epla k zapsa ve varu (7.0). Kole menších výkonů lze počía aké podle vzorce (7.), pro další výpoče mi bylo doporučeno uží rovnice (7.). k [ W m K ] (7.0) k [ W m K ] k 0,77 64,58 54,98 [ W m K ] (7.) kde: je součiniel epelné efekivnosi. Podle [5] vychází =0,6. Tao hodnoa však podle praxe navyšuje pořebný maeriál a příliš snižuje skuečné hodnoy spolučiniele prosupu epla a zařízení vychází veší. Proo volím po konzulaci a podle [9] součiniel epelné efekivnosi 0, 77 je součiniel přesupu epla spočený v kapiole 7.5. 7.5. Součiniel přesupu epla Součiniel přesupu epla sesává z přesupu epla konvekcí k a součiniele přesupu epla sáláním s podle rovnice (7.). Součiniel přesupu epla sáláním je možné zanedba při eploě sin menší jak cca 500 C, eno výměník má eplou vsupujících sin přes 000 C musím vliv sálání zohledni. (5,3 3,7) 64,58 [ W m K ] K S (7.) kde: je součiniel využií, pro daný yp volím K součiniel přesupu epla konvekcí, spočen v kapiole 7.5.. součiniel přesupu epla sáláním, spočen v kapiole 7.5. S 7.5.. Součiniel přesupu epla konvekcí ýpoče vychází z rovnice (7.3) podle [5,9]. Dosazené vlasnosi sin jsou brány z abulek v lierauře [5,9]. Tyo hodnoy jsou uvedeny v Tab 7. a jsou vzaženy ke sřední eploě sin 640 C K 0,03 d ST w d 0,8 Pr 0,4 c c l c m 7,8450 0,03 0,054,9 0,054 6 99,960 0,8 0,605 0,4 5,3 [ W m K ] (7.3) 33
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Tab. 7- lasnosi sin a opravné koeficieny pro rovnici (7.3) značka hodnoa jednoka popis 7,845 0 W m K Součiniel epelné vodivosi sin 6 99,96 0 m s Kinemaická vazkos sin 0,4 Pr 0, 605 Prandlovo číslo c Opravný koeficien, pro ochlazování bereme c l Opravný koeficien na poměrnou délku, zavádí se při L 50, předpokládám min délku 3 m proo nezavádím d c m Opravný koeficien, zavádí se u mezikruží 7.5.. Součiniel přesupu epla konvekcí Součiniel přesupu epla sáláním se sanoví na základě rovnice (7.4). 4 Tz 8 ast 3 5,7 0 T S a T [ W m K ] (7.4) Tz T S 973,5 8 0,8 3 93,5 5,7 0 0,077 93,5 3,7 [ W m K ] 973,5 93,5 kde: a ST supeň černosi povrchu sěn, uvažuji a ST 0, 8 a supeň černosi zaprášených sin podle rovnice (7.5) T z absoluní eploa zaprášené sěny podle rovnice (7.9) kde T 60 [6] T absoluní sřední eploa sin T=93,5 K 4 a e kps e 0,0803 0,077 (7.5) kde: kps exponen rovnice, určí se podle vzahu (7.6), je možné u rošových ohnišť druhý člen v závorce zanedba pro jakékoli ivo[5] kps ( k r k ) p s (70,630,3 0) 0,00,049 0,0803 (7.6) SP p s 7,8 6 rsp T k 0,37 (7.7) 3,6 p r s 0000 SP s 3,6 0,37 0,0980,30,49 0000 7,8 6 0,3 93,5 34 70.63 m MPa s s 0,9 d 0,9 0,054 0, 049 m (7.8) T Z T T 93,5 60 973, 5 K (7.9)
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 7.6. Určení velikosi výhřevné plochy Pro učení velikosi výhřevné plochy resp. délky rubek podle rovnice (7.), při známém celkovém obvodu O CEL z rovnice (7.5), sředním logarimickém spádu LN z rovnice (7.6) a součinieli přesupu epla k z rovnice (7.) P vody Pvody k S LN k OCEL L LN L [m] (7.) k O CEL LN P L k O vody CEL LN 600 000 54,98 8,6 44,5 3,98 m volím 4 m Z oho plyne celková výhřevná plocha F výměníku podle rovnice (7.0) S ST OCEL L 8,6 4 4,4 m (7.0) ýkon výměníku se zohledněním zaokrouhlené délky žárových rubek je dám vzahem 7.. P k S 54,984,4 44,5 608085 W kw (7.) ST vody LN 608 kapiole 7.8. je vypočíaná a navrhnuá geomerie výměníku zakreslena do Obr 7-5 společně se segmenovými přepážkami, keré jsou spočené v kapiole 7.7. 7.7. ýpoče segmenových přepážek Geomerie segmenových přepážek se navrhuje ak, aby volné průočné průřezy f a f (viz. Obr 7-5) byly sobě rovny. Průřez f je znázorněn šrafovanou plochou na Obr.7-4 b a f šrafovanou plochou na Obr. 7-4 a. Plochu f, kde voda proudí v axiálním směru, spočíám jako plochu kruhové výseče bez plochy žárových rubek podle rovnice 7.. Plochu f spočíám jako souče ploch mezer mezi rubkami v radiálním směru a plochu mezi krajní rubkou a plášěm podle rovnice 7.. zdálenos mezi krajní rubkou a plášěm se s každou řadou rubek mění proo jej pro zjednodušení zvolím 30 mm. Obr. 7-4 ýpoče segmenových přepážek 35
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 d f cos sin z 360,44 0 360 S d 4 0 0 0,06 cos sin 6 4 0,6 m (7.) f f pm c h cr h h (7.) pm c cr f f 0,6 h 0, 389 40,04 0,03 m f f Z důvodů rovnoměrného rozmísění volím rozměr h 400 mm viz Obr.7-5. Rozdíl mezi průočnými průřezy bude v cca % proo je možné považova oba průřezy za sejné. 7.8. ýsledné hodnoy navrhnuého výměníku Tab. 7-3 Návrhová abulka výměníku Geomerie výměníku Poče žárových rubek 68 - nější průměr rubek a loušťka sěny 60x,9 mm Délka žárových rubek 4 m ýhřevná plocha výměníku 4,4 m ýkon, eploy a průoky výměníkem ýkon výměníku 608 kw supní eploa sin 088 C ýsupní eploa sin 90 C Průok sin při sřední eploě 8,9 3 m s supní eploa vody 70 C ýsupní eploa sin 90 C Průok vody 3 kg s Množsví vzduchu, sin a iva Skuečné množsví vlhkého vzduchu 8,36 Skuečné množsví vlhkých sin 9, Množsví spáleného iva 0,07 Nm Nm 3 kg 3 kg s kg PAL 36
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 7.9. Geomerie výměníku siny voda Obr. 7-5 Schémaický náčr geomerie výměníku 37
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 8. Závěr první čási éo práce jsem sručně popsal možné druhy biomasy, keré se hodí pro sování v kolích. druhé čási jsem se zabýval procesem sování a možnými druhy konsrukčního uspořádání ěcho zařízení. e řeí čási bylo mým úkolem spočía a navrhnou výměník epla pro eplovodního koel na peleky o výkonu,6 MW. Pro návrh výměníku bylo nuné nejprve spočía množsví vzduchu, sin a enalpie sin. Na základě výpočů jsem spočíal, že pro požadovaný výkon kole bude nuné do ohnišě dodáva 8,36 Nm 3 kg - vzduchu a 0,07 kg s - iva. Spálení jednoho kilogramu iva poom vznikne 9, Nm 3. Pro výpoče výměníku siny voda jsem musel urči eploy před a za výměníkem na sraně sin. Tyo eploy jsou zvolil na základě doporučení 088 C a 90 C. éo čási jsem již znal všechny pořebné vsupy pro výpoče eplosměnné plochy resp. výměníku. Na základě opimální rychlosi sin v žárových rubkách (3 m s - ) jsem sanovil poče žárových rubek, a o 68 a z bilanční rovnice vyjádřil výkon výměníku jako funkci délky ěcho rubek. Dále jsem spočíal součiniel přesupu epla ze sin do vody (54,98 W m - K - ) a dopočíal pořebnou délku rubek kerou sem zaokrouhlil (3,98 m ~ 4 m) a zpěně spočíal skuečný výkon výměníku. Poé jsem na navrhl rozměr, poče a průočné průřezy segmenových přepážek a yo daa zobrazil v náčru výměníku. Navržený výměník je poom vořen žárovými rubkami o rozměru 60 x,9 mm, je navržený jako jednoahový. 38
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Lieraura [] WEGER, Jan: Biomasa jako zdroj energie. Biom.cz [online]. 009-0-0 [ci. 009-03-]. Dosupné z WWW: <hp://biom.cz/cz-sovani-biomasy/odborne-clanky/biomasa-jako-zdrojenergie>. ISSN: 80-655. [] MUNTINGER, K. Dřevo a jeho sování [online]. 009-0-6 [ci. 009-03-6]. Available from www: <hp://www.openidrevem.cz/index.php?page=clanek&rid=d3d533aaeed6dd579b 749b48&cid=454cab599676> [3] ERNER, ladimír: Alernaivní peley. Biom.cz [online]. 007--3 [ci. 009-03-7]. Dosupné z WWW: <hp://biom.cz/cz-sovani-biomasy/odborne-clanky/alernaivni-peley>. ISSN: 80-655. [4] SLADKÝ,. Dřevní peleky sandardní fyoivo budoucnosi [online]. 009-- [ci. 009 03-6]. Available from www: <hp://energie.zb-info.cz/.py?=&i=90&h=5&pl=49> [5] BUDAJ, F. Parní kole Podklady pro epelný výpoče. 99. [6] JANDAČKA, J.; MALCHO, M.; MIKULÍK, M. Technológie pre prípravu a energeické využiiie biomasy. s ed. 007. ISBN 80-704--978-80-969595-3-. [7] KADRNOŽKA, J.; OCHRANA, L. Teplárensví. s ed. 00.ydavaelsví Akademické nakladaelsví CERN, s.r.o. Brno ISBN 80-704--X. [8] DZURENDA, L.: S ovanie dreva a kury, vydanie I.-005, ydavaelsvo TU vo Zvolene ISBN 80-8-555- [9] ON 07047 NÁRH, Tepelný výpoče parních kolů, -08-984 [0] PAELEK, M. Termomechanika. 3rd ed. Brno : Akademické nakladaelsví CERN s.r.o., 003. ISBN 80-4-409-5. [] LIBICH,.; OCHRANA, L. Sovací zařízení a výměníky epla. nd ed. Brno : Rekorá ysokého učení echnického v Brně, 989. 45 s. ISBN 80-4-078-7. [] POLESLÝ, B. Termodinamická daa pro výpoče epelných a jaderných energeických zařízení. s ed. Brno : ysoké učení echnické v Čs. redakci N MON, 990. 3 p. ISBN 80-4-060-5. [3] Sudiní opory odboru ermodinamiky a echniky prosředí, dosupné z WWW: <hp://op.fme.vubr.cz/index.php?lang=&menu=3&polozka=5>. [4] JÍCHA, J. Přenos epla a láky. s ed. Brno : Rekorá ysokého učení echnického v Brně, 985. 83 p. ISBN 55-570-83. 39
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Seznam použiých symbolů Symbol Jednoka Popis r A % Hmonosní podíl popela v ivu a - Supeň černosi povrchu sěn ST a - Supeň černosi proudu sin r C % Hmonosní podíl uhlíku v ivu c m zdálenos mezi sěnami rubek c m r zdálenos rubky od vnějšího plášě výměníku c - Opravný součiniel na eplou sěny a proudu c l - Opravný součiniel na délku c m - Opravný součiniel na proudění v mezikruží c vodysř c ZS kj kg K Sřední měrná epelná kapacia vody 3 kj Nm K Měrná epelná kapacia suchého vzduchu c 3 H O Nm K c Z kj Měrná epelná kapacia vodní páry 3 kj Nm K Měrná epelná kapacia vlhkého vzduchu d m niřní průměr žárových rubek d m nější průměr žárových rubek d m niřní průměr výměníku f - Součiniel zvešení objemu vodní parou f m f m Průočná plocha vody v axiálním směru Průočná plocha vody v radiálním směru r H % Hmonosní podíl vodíku v ivu h m zdálenos segmenových přepážek 088 I SP 90 I SP kj kg Enalpie sin vzažená na kg iva kj kg Enalpie sin vzažená na kg iva I kg SP I kg SP min I ZD kj Enalpie vlhkých sin kj Enalpie minimálního množsví suchých sin kj kg Enalpie vlhkého vzduchu ico 3 in Nm 3 ih O Nm k 3 kj Nm Enalpie složky sin kj Enalpie složky sin kj Enalpie složky sin W m K Součiniel prosupu epla kps - Exponen, opický husoa k MPa m Součiniel zeslabení sálání říaomovými plyny 40
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 k P MPa m Součiniel zeslabení sálání popelkovými čásicemi L m Délka žárových rubek m vody m kg s Hmonosní průok vody kg s Hmonosní ok iva r N % Hmonosní podíl dusíku v ivu O m Obvod jedné žárové rubky O CEL m Obvod všech žárových rubek r O % Hmonosní podíl kyslíku v ivu p MPa Tlak ve sinovodu Pr - Prandlovo číslo sin P voda W ýkon na sraně vody r Q i MJ kg ýhřevnos iva r SP - Souče objemových čásí říaomových plynů r RO - Objemová čás říaomového plynu (SO a CO ) r - Objemová čás říaomového plynu (H O) H O s m Tloušťka sěny žárové rubky ST S m OPT S m 4 Skuečná průočná plocha sin žárových rub Opimální průočná plocha sin žárových rub s s m Efekivní loušťka sálavé vrsvy T z K Absoluní eploa sěny T K Absoluní eploa proudu sin C Teploa vody na vsupu do výměníku C Teploa vody na výsupu z výměníku C Teploa sin na výsupu z výměníku C Teploa sin na vsupu do výměníku ST C Sřední eploa sin S C Teploní spád na sudenější sraně výměníku H C Teploní spád na eplejší sraně výměníku LN C Sřední logarimický eploní spád T ZS T Z S Z S SP T SPS 3 H O kg 3 Nm kg Minimální množsví suchého vzduchu 3 Nm kg Minimální množsví vlhkého vzduchu 3 Nm kg Skuečné množsví vzduchu 3 Nm kg Skuečné množsví vlhkých sin 3 Nm kg Minimální množsví suchých sin Nm Množsví vodní páry ve sinách
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 PR Z CO N H W 0 ST 3 Nm kg Množsví přebyečného vzduchu 3 Nm kg Množsví CO ve sinách 3 Nm kg Množsví N ve sinách 3 Nm kg Množsví vodní páry ze spálení vodíku 3 Nm kg Množsví vodní páry z vlhkosi iva 3 Nm kg Množsví vodní páry ze sovacího vzduchu 3 Nm s Objemový průok sin za normálních podmínek 3 m s Objemový průok sin při sřední eploě sin r W % Hmonosní podíl vody v ivu OPT w m s ST w s Zvolená opimální rychlos sin v žárových rubkách m Skuečná rychlos sin v žárových rubkách x p % Proceno popela v úleu OPT z - Opimální poče žárových rubek z - Skuečný poče žárových rubek - Přebyek vzduchu K S W m K Součiniel přesupu epla ze sin W m K Součiniel přesupu epla z vody W m K Součiniel přesupu epla konvekcí W m K Součiniel přesupu epla sáláním Z m Tloušťka vrsvy zanesení ze srany sin M m Tloušťka sěny žárové rubky K m Tloušťka vrsvy zanesení ze srany vody - Součiniel zanesení výhřevné plochy Z M K m K 3 W m K Tepelná vodivos zanesení ze srany sin W m K Tepelná vodivos sěny žárové rubky W m K Tepelná vodivos zanesení ze srany vody W Tepelná vodivos sin g Nm Koncenrace popílku ve sinách - Součiniel využií - Součiniel epelné efekivnosi m s Kinemaická vazkos sin 4
Maar Tomáš Kole na biomasu 8.5.009 Seznam obrázků Obr. 3- Závislos výhřevnosi biomasy na vlhkosi [] 4 Obr. 3- Kusové dříví 5 Obr. 3-3 Dřevní šěpka 6 Obr. 3-4 Dřevní peleky 6 Obr. 3-5 Dřevní brikey 8 Obr. 4- Určení množsví přebyku vzduchu 9 Obr. 4- Reorový hořák 0 Obr. 4-3 Parní koel s cirkulující fluidní vrsvou Obr. 4-4 Koel s šikmým rošem Obr. 5- Požadovaný výsup výpoču Obr. 5- Schemaický náčr kole resp. výměníku siny voda Obr. 6- Závislos enalpie sin, vzduchu a složek sin na eploě podle Tab. 7 Obr. 7- Náčr rozměrů žárových rubek (rozměry v mm) 30 Obr. 7- Teploní poměry proiproudého výměníku 3 Obr. 7-3 Prosup epla 3 Obr. 7-4 ýpoče segmenových přepážek 35 Obr. 7-5 Schémaický náčr geomerie výměníku 37 Seznam abulek Tab. 3- Množsví prchavé hořlaviny u různých druhů iv [] 4 Tab. 3- ýhřevnos jednolivých druhů dřevin při 0 % (resp. 5 %) vlhkosi [4] 5 Tab. 3-3 Rozsah hodno vlasnosí dřevních peleek podle EN [4] 7 Tab. 3-4 lasnosi alernaivních peleek podle [3] 7 Tab. 5- lasnosi iva 3 Tab. 6- ýsledné enalpie sin podle (6.4) a enalpie složek sin 6 I SP min Tab. 6- ýsledné enalpie vzduchu IZD a měrné epelné kapaciy 6 Tab. 6-3 ýsledné enalpie sin I SP pro danou eplou 6 Tab. 6-4 Enalpie vzduchu, složek sin a výsledná enalpie sin 6 Tab. 6-5 ýsledné hodnoy spočené v kapiole 6 8 Tab. 7- supní daa pro výpoče výměníku 9 Tab. 7- lasnosi sin a opravné koeficieny pro rovnici (7.3) 34 Tab. 7-3 Návrhová abulka výměníku 36 Použiý sofware MS Office WORD 003 MS Office EXCEL 003 Auodesk AuoCAD Mechanical 009 Adobe Acroba Profesional 009 SaSof STATISTICA Cz verze 7. CorelDRAW Graphics Suie X4 43