eksploatacyjne badania energetyczno–emisyjne wkładu

eksploatacyjne badania energetyczno–emisyjne wkładu

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 47, ISSN 1896-771X
EKSPLOATACYJNE BADANIA
ENERGETYCZNO–EMISYJNE WKŁADU
KOMINKOWEGO Z PŁASZCZEM WODNYM
Zbigniew Kosma1a, Rafał Kalbarczyk1b, Bartosz Piechnik1c
1
Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny
w Radomiu
a
[email protected], [email protected], [email protected]
Streszczenie
W pracy przedstawiono zagadnienia związane z eksploatacyjnym badaniem energetyczno-emisyjnym wkładu
kominkowego z płaszczem wodnym z komorą wyłożoną płytami wermikulitowymi. Prezentowany jest przebieg badań z wykorzystaniem analizatora Siemens ULTRAMAT23 oraz wyniki dla różnych konfiguracji komory spalania.
Badania przeprowadzonona stanowisku badawczym zgodnie z normą PN-EN 13240: 2008 - Ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe - wymagania i badania.
Słowa kluczowe: badanie kominków, wkłady kominkowe, komora spalania, spalanie drewna, emisja CO
ENERGY-EMISSION TESTING OF THE FIREPLACE
INSERT WITH A WATER JACKET
Summary
In this paper issues related with the energy and emission testing of the fireplace insert with a water jacket
chamber lined with vermiculite plates were presented. Experiments were done using a Siemens ULTRAMAT23
analyzer for various configurations of the combustion chamber. The study was carried out on a test stand in
accordance with the standard PN-EN 13240: 2008 Room heaters fired by solid fuel - requirements and test
methods.
Keywords: fireplaces research, fireplaces inserts, combustion chamber, wood burning, CO emission
1.
WSTĘP
Procesy spalania są największym źródłem zanieczyszczeń powietrza. Takie powszechnie znane terminy
jak efekt cieplarniany, kwaśne deszcze i dziura ozonowa
odnoszą się do negatywnych, ubocznych efektów spalania paliw. To wielkie wyzwanie dla technologii spalania,
żeby - odpowiadając zapotrzebowaniu rynku - zmniejszyć negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne.
Straty cieplne kominków i innych urządzeń grzewczych w znacznym stopniu związane są z temperaturą
emitowanych spalin. Obniżając temperaturę spalin
wylotowych, automatycznie podnosi się sprawność
cieplną urządzenia. Bilans energetyczny oprócz temperatury zależy także od składu chemicznego spalin, a dokładnie od procentowej zawartości tlenu (O2) oraz
tlenku węgla (CO) w objętości gazu spalinowego [1 - 2].
W urządzeniach grzewczych (w tym kominkach z płaszczem wodnym) podniesienie sprawności możliwe jest
poprzez wydłużenie drogi spalin powodujące tym samym
intensywniejsze oddawanie ciepła przez spaliny. Badanym rozwiązaniem było zastosowanie deflektorów, które,
wydłużając drogę spalin, ochładzają je na płomieniówkach i płaszczu wodnym. Zmniejszenie emisji CO oraz
udziału O2 wpływa korzystnie na uzyskiwaną sprawność
wkładu. Optymalizacja tych czynników polega na odpowiednim dobraniu wielkości oraz miejsca umieszczenia
kanałów dostarczających powietrze do spalania oraz na
dobraniu wielkości, kształtu i materiału wyłożenia
komory spalania. Odpowiednia konfiguracja tych elementów zapewni optymalny przebieg procesów spalania,
106
Zbigniew Kosma, Rafał Kalbarczyk, Bartosz Piechnik
co z kolei wpływa na dopalanie i zmniejszenie emisji
tlenku węgla.
Tlenek węgla (CO) powstaje w procesie niezupełnego
spalania. Jest niezwykle groźny, silnie toksyczny. Najbardziej wrażliwy na jego działanie jest mózg. Ze względu na ok. 300 razy większe powinowactwo do hemoglobiny niż tlen powoduje, że (przy zatruciu tym gazem)
powstaje karboksyhemoglobina (HbCO), dosyć trwałe
połączenie hemoglobiny z tlenkiem węgla, przejawiające
się niezdolnością do przyłączania tlenu, a tym samym
uniemożliwiające transport tlenu z płuc do tkanek, co
prowadzi do ich niedotlenienia.
Spodziewanym rezultatem jest uzyskanie odpowiedzi,
w jakim stopniu można, dzięki proponowanym rozwiązaniom, podnieść sprawność urządzenia przy spalaniu
ciał stałych oraz jakich użyć materiałów, które wpłyną
na uzyskanie większej mocy cieplnej oddanej przez
spalane paliwa - drewno drzew liściastych oraz ograniczenie emisji związków szkodliwych do atmosfery.
Spodziewanym rezultatem badań było uzyskanie wiedzy,
która pozwoliła zwiększyć sprawność cieplną wkładu
w warunkach laboratoryjnych do ponad 85%.
Afryki. Ma niską gęstość i dużą odporność na wysokie
temperatury, dzięki temu znalazł zastosowanie w produkcji urządzeń grzewczych. Stosowanie wysoko przetworzonego wermikulitu pozwala na osiągnięcie maksymalnej temperatury eksploatacyjnej rzędu 1100oC przy
doskonałych właściwościach izolacyjnych. Dzięki wyłożeniu komory spalania płytami wermikulitowymi uzyskuje się wyższą temperaturę spalania, co przekłada się
na obniżenie związków szkodliwych w emitowanych
gazach.
3. STANOWISKO BADAWCZE
I PRZEBIEG BADAŃ
Badania przeprowadzono na stanowisku badawczym
znajdującym się w laboratorium firmy Kratki.pl. Stanowisko to wyposażone jest w stalowy komin o średnicy
dobranej do średnicy czopucha. W kanale spalinowym
zainstalowana jest przesłona regulująca wielkość ciągu
kominowego. W odcinku pomiarowym usytuowane są
gniazda do osadzenia sond pomiarowych.
Z dwóch stron wokół badanego urządzenia umieszczone są ściany izolacyjne wykonane wg normy PN-EN
13240:2008 [3] pokryte czarną matową farbą do zdalnego
pomiaru temperatury za pomocą kamery termowizyjnej
lub pirometru. Jako paliwa do badań użyto opałowego
drewna kawałkowego o wilgotności 16%, wartość opałowa - robocza 16094 kJ/kg (grab), długości polan 350
mm w ilości obliczonej zgodnie z zapisami normy PN-EN
13240: 2008.
Spaliny były próbkowane w sposób ciągły. Układ odprowadzania gazów spalinowych do automatycznej stacji
analizatora składał się z: sondy pomiarowej i przewodu
łączącego, rejestratora temperatury, sond typu K do
pomiaru temperatury spalin oraz temperatury w laboratorium, mikromanometru do pomiaru ciągu kominowego.
Przepływ wody przez płaszcz był mierzony za pomocą
wodomierza. Przepływ był tak ustawiony, aby różnica
2. OPIS BADANEGO WKŁADU
KOMINKOWEGOU
Wkład kominkowy (rys. 1) wykonany jest ze stali
kotłowej P265GH o grubości 4 mm. Wyprowadzenie
spalin: do góry. Uchylne drzwiczki frontowe wkładu
kominkowego posiadają przeszklenie wykonane z szyby
żaroodpornej oraz elementy zamykające i uszczelniające.
Piec wyposażony jest w przesłony regulujące dopływ
powietrza pierwotnego oraz wtórnego, niezbędnego dla
prawidłowego przebiegu procesu spalania. Komora
spalania jest wyłożona płytami z wermikulitu. Wermikulit jest naturalnym materiałem, który powstaje w wyniku naturalnego wietrzenia krzemianów zasobnych w
magnez. Występuje głównie w Republice Południowej
Rys. 1. Wkład kominkowy z płaszczem wodnym przed modyfikacjami
107
EKSPLOATACYJNE BADANIA ENERGETYCZNO–EMISYJNE WKŁADU KOMINKOWEGO…
temperatur na króćcach wynosiła nie więcej niż 20°C.
Podstawowy skład spalin oznaczony był metodami
referencyjnymi za pomocą analizatora Siemens Ultramat23. Układ archiwizacji danych rejestrował dane
w interwale 1 sekundy.
W miejscu badania przeprowadzono 4 następujące po
sobie czynności badawcze dla każdej konfiguracji komory
spalania.
4.
WYNIKI BADAŃ
W rozdziale przedstawiono wyniki badań pierwotnej konfiguracji komory spalania oraz konfiguracji
zmodyfikowanej zapewniającej zakładane parametry.
4.1 BADANIE I – KOMORA SPALANIA
BEZ MODYFIKACJI
1. Rozpalenie i utworzenie warstwy żaru - 30 min,
Urządzenie grzewcze na tym etapie zostało
przebadane w konfiguracji jak na rys. 1. Komora została
wyłożona płytami wermikulitowymi. Do komory
paleniska doprowadzono powietrze pierwotne pod
popielnik oraz wtórne poprzez otwory w tylnej ścianie.
Konfiguracja taka umożliwiła dostarczenie dodatkowego
powietrza do procesu spalania, dzięki czemu mogą zostać
dopalone związki szkodliwe.
2. Badanie wstępne - regulacja nastaw powietrza nadmuchiwanego i ciągu kominowego 60 min,
3. Pierwsze badanie mocy nominalnej - 60 min,
4. Drugie badanie mocy nominalnej - 60 min.
Wyniki pomiarów i obliczeń według normy PN-EN
13240, poszczególnych konfiguracji pieca przedstawione
są w tabelach 1-4 oraz na wykresach (rys. 2 i 4).
Wyszczególnienie
Paliwo
Symbol
Jednostka
Wartość
Masa paliwa
B
Kg
2,75
Wartość opałowa(analityczna)
Qai
kJ/kg
16094
tot
o
C
33,7
Temperatura otoczenia
Powietrze
Wilgotność względna
%
79%
pb
mm Hg
763
Temperatura
tsp
o
C
189
CO2
ZCO2
%
5,6
O2
ZO2
%
15,4
CO
ZCO
%
0,30
Ciśnienie barometryczne
Spaliny
(wartości
uśrednione)
0,7
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,6
CO [%]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Czas [s]
CO - pierwsze palenie
CO - drugie palenie
O2 - pierwsze palenie
O2 - drugie palenie
Rys. 2. Przebieg procesów spalania dla wkładu przed modyfikacją
108
O2 [%]
Tab. 1. Uśrednione wyniki pomiarów
Zbigniew Kosma, Rafał Kalbarczyk, Bartosz Piechnik
Tab. 2. Uśrednione wyniki obliczeń
Wyszczególnienie
Średnia moc cieplna całkowita
Symbol
Jednostka
Wartość
P
kW
10,4
Moc cieplna obiegu wodnego
Pw
kW
6,3
Moc cieplna przekazana do pomieszczenia
PSH
kW
4,1
Wielkości
Średni strumień masy paliwa
B
kg/h
2,75
cieplne
Średni strumień masy spalin
m
g/s
9,9
Względna strata kominowa
qa
%
13,9
Względna strata niezupełnego spalania
qb
%
1,7
%
78,4
CO (przeliczone na 13% O2)
ECO
g/mn3
5,36
CO (przeliczone na 13% O2)
ECO%
%
0,43
Średnia sprawność cieplna
Emisja
4.2 BADANIE OSTATECZNE
ZMODYFIKOWANEJ KOMORY
Komora paleniska została zmodyfikowana poprzez
dodanie
dwóch
deflektorów:
wermikulitowego,
umieszczonego bezpośrednio nad płomieniem w celu
utrzymania jak najwyższej temperatury spalania
w komorze oraz metalowego, umieszczonego nad nim.
Deflektor metalowy umożliwiał wydłużenie drogi spalin
poprzez zmianę geometrii, co pozwoliło uzyskać dłuższą
drogę odprowadzania spalin do komina. Dzięki takiemu
zabiegowi umożliwiono oddanie większej ilości ciepła
poprzez płomieniówki do wody znajdującej się
w płaszczu (rys. 3).
Rys. 3. Wkład kominkowy z płaszczem wodnym po
modyfikacjach
Tab. 3. Uśrednione wyniki pomiarów
Wyszczególnienie
Paliwo
Powietrze
Symbol
Jednostka
Wartość
Masa paliwa
B
kg
2,75
Wartość opałowa(analityczna)
Qai
kJ/kg
16094
Temperatura otoczenia
tot
Wilgotność względna
Ciśnienie barometryczne
pb
o
C
29,7
%
76%
mm Hg
763
o
Temperatura
tsp
Spaliny (wartości
CO2
ZCO2
%
7,1
uśrednione)
O2
ZO2
%
13,9
CO
ZCO
%
0,22
109
C
149
3
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2,5
CO [%]
2
1,5
1
0,5
0
O2 [%]
EKSPLOATACYJNE BADANIA ENERGETYCZNO–EMISYJNE WKŁADU KOMINKOWEGO…
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
Czas [s]
CO - pierwsze palenie
CO - drugie palenie
O2 - pierwsze palenie
O2 - drugie palenie
Rys. 4. Przebieg procesów spalania dla wkładu po modyfikacji
Tab. 4. Uśrednione wyniki obliczeń
Wyszczególnienie
Symbol
Jednostka
Wartość
Średnia moc cieplna całkowita
P
kW
10,8
Moc cieplna obiegu wodnego
Pw
kW
7,1
Moc cieplna przekazana do pomieszczenia
PSH
kW
3,7
Wielkości
Średni strumień masy paliwa
B
kg/h
2,75
cieplne
Średni strumień masy spalin
M
g/s
9,3
Względna strata kominowa
qa
%
10,1
Względna strata niezupełnego spalania
qb
%
2
Średnia sprawność cieplna
Η
%
88,2
CO (przeliczone na 13% O2)
ECO
g/mn3
3,1
CO (przeliczone na 13% O2)
ECO%
%
0,25
Emisja
5.
PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono pierwotną konstrukcję
oraz ostatecznie zmodyfikowaną, prototypową komorę
spalania, w której udało się osiągnąć zadowalające
wyniki cieplno-emisyjne, pokazane w tabeli 4. Osiągnięto
wysoką sprawność przy zachowaniu niskiej emisji CO.
Badane urządzenie grzewcze spełnia restrykcyjne normy:
BimSchV 1, BimSchV 2, PN–EN 13240.
Literatura
1.
Kordylewski W.: Spalanie i paliwa. Wrocław: Wyd. Pol. Wrocł., 2008.
2.
Kubica K.: Spalanie paliw stałych w urządzeniach grzewczych małej mocy – problemy zanieczyszczeń organicznych. W: Konf. nauk. – tech. "Diagnostyka jakości spalania w energetyce. Inst. Zastosowań Techniki: Lublin,
1998, s.151-158.
3.
PN-EN 13240:2008. Ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe – wymagania i badania.
110