WPŁYW PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW PALIWA NA SPRAWNOŚĆ I EMISJĘ TLENKU WĘGLA WKŁADU KOMINKOWEGO

(1)

WPŁYW PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW PALIWA NA SPRAWNOŚĆ I EMISJĘ

TLENKU WĘGLA WKŁADU KOMINKOWEGO

Zbigniew Kosma

^1a

, Rafał Kalbarczyk

^1b

, Bartosz Piechnik

^1c

1Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu

azbigniew.kosma@uthrad.pl,^br.kalbarczyk@kratki.pl, ^cb.piechnik@kratki.pl

Streszczenie

Praca przedstawia zagadnienia związane z eksploatacyjnym badaniem energetyczno-emisyjnym powietrznego wkładu kominkowego. Prezentowany jest przebieg badań oraz wyniki dla różnych rodzajów paliwa. Badania zosta- ły przeprowadzone na stanowisku badawczym wykonanym na podstawie normy PN-EN 13229 Wkłady kominkowe wraz z kominkami otwartymi na paliwa stałe – Wymagania i badania. Do pomiarów wykorzystano analizator Siemens ULTRAMAT23. Wykazano znaczący wpływ podstawowych parametrów paliwa, takich jak kaloryczność i wilgotność na sprawność i emisję tlenku węgla wkładu kominkowego.

Słowa kluczowe : sprawność spalania, wkład kominkowy, emisja CO

INFLUENCE OF BASIC FUEL PARAMETERS ON EFFICIENCY AND CO EMISSION

OF THE FIREPLACE INSERT

Summary

The paper presents the issues related to energy and emission testing of hot-air fireplace insert. The conduct of the study and results for the different types of fuel are presented. The study was carried out on a test stand in ac- cordance with the standard PN -EN 13229. The Siemens ULTRAMAT23 analyzer was used for measurements.

Significant influence of the fuel basic parameters, i.e. calorific value and moisture content on efficiency and CO emission of the fireplace insert has been shown.

Keywords: combustion efficiency, fireplace insert, CO emission

1. WSTĘP

Na polskim rynku wkłady kominkowe przeżywają obecnie prawdziwy renesans. Praktycznie każdy nowy dom wyposażony jest w co najmniej jedno takie urzą- dzenie. Oprócz niewątpliwych walorów estetycznych kominek przynosi spore możliwości funkcjonalne w zakresie ogrzewania. Popularność kominka jako urządzenia grzewczego wiąże się głównie z wysoką i stale rosnącą ceną najbardziej popularnego paliwa w naszym kraju – gazu. Ceny drewna (podobnie zresztą jak pelletu, czy węgla) są jak na razie znacznie niższe, a na dodatek niektóre rodzaje drewna posiadają najlep-

sze wskaźniki kosztu uzysku jednostki cieplnej spośród wszystkich dostępnych źródeł (tutaj najdroższa jest energia elektryczna, a zaraz za nią olej i gaz). Dodat- kowym atutem ogrzewania kominkowego, w przeciwieństwie do ogrzewania węglowego, „eko- groszkiem” czy pelletami, jest fakt, iż w dziewięćdziesię- ciu kilku procentach nowo budowanych domów projek- tuje się i buduje kominek, który staje się najważniej- szym elementem dekoracyjnym wnętrza. Stale doskona- lona konstrukcja wkładów kominkowych oraz utrzymu- jące się na korzystnym poziomie ceny drewna powodu-

(2)

ją, że kominek z nowoczesnym wkładem kominkowym jest jednym z najbardziej ekonomicznych źródeł ogrzewania domu. Porównując koszty ogrzewania domu kilkoma najbardziej popularnymi paliwami, stwierdza się, że kominki na drewno wypadają bardzo korzystnie.

Kaloryczność i wilgotność drewna wykorzystywane- go podczas eksploatacji wkładu kominkowego ma bardzo duże znaczenie, ponieważ wpływa bezpośrednio na jego sprawność oraz emisję tlenku węgla. Poszcze- gólne gatunki drewna charakteryzują się różną kalo- rycznością. Zgodnie z normą PN-EN 13229 do badań wkładów kominkowych należy używać drewna o wilgotności 16% ± 4%. Większość producentów ko- minków do eksploatacji swoich wyrobów zaleca sezono- wane drewno drzew liściastych o wilgotności nie prze- kraczającej 20%. W praktyce bardzo często jej wartość waha się w granicach 40-50%.

Spodziewanym rezultatem badań jest uzyskanie odpowiedzi, w jakim stopniu kaloryczność i wilgotność stosowanego paliwa wpływa na sprawność i emisję tlenku węgla wkładu kominkowego.

2. OPIS BADANEGO URZĄDZENIA

Wkład kominkowy jest wykonany ze stali konstruk- cyjnej S355JR o grubości 4 mm – wyprowadzenie spalin: do góry. Uchylne drzwiczki frontowe wkładu kominkowego posiadają przeszklenie wykonane z ceramiki żaroodpornej oraz elementy zamykające i uszczelniające. Palenisko wyposażone jest w przepust- nicę regulującą dopływ powietrza pierwotnego, niezbęd- nego dla prawidłowego przebiegu procesu spalania (rys. 1).

Rys. 1. Badany prototypowy wkład kominkowy

3. STANOWISKO BADAWCZE I PRZEBIEG BADAŃ

Badania zostały przeprowadzone na stanowisku badawczym znajdującym się w laboratorium firmy Krat- ki.pl. Stanowisko wyposażone jest w stalowy komin o średnicy dobranej do średnicy czopucha. W kanale spalinowym znajduje się przesłona regulująca wielkość ciągu kominowego. W odcinku pomiarowym usytuowa- ne są gniazda do osadzenia sond pomiarowych.

Z dwóch stron wokół badanego urządzenia umiesz- czone są ściany izolacyjne wykonane wg normy PN-EN 13229 (rys. 2) pokryte czarną matową farbą – do zdal- nego pomiaru temperatury za pomocą kamery termowi- zyjnej lub pirometru.

Jako paliwa do badań użyto trzech rodzajów zała- dunków:

b) drewno kawałkowane o wilgotności 40%, wartość opałowa – analityczna 14900kJ/kg (grab), długości polan 350 mm w ilości obliczonej zgodnie z zapisami normy PN-EN 13229,

c) brykiet drzewny o wilgotności 8%, wartość opałowa – robocza 19800kJ/kg, długość 350 mm.

Spaliny były próbkowane w sposób ciągły. Układ odprowadzania gazów spalinowych do automatycznej stacji analizatora składał się z: sondy pomiarowej wraz z przewodem łączącym, rejestratora temperatury, sond typu K do pomiaru temperatury spalin i temperatury w laboratorium oraz mikromanometru do pomiaru ciągu kominowego. Podstawowy skład spalin oznaczony był metodami referencyjnymi za pomocą analizatora Sie- mens Ultramat23. Układ archiwizacji danych rejestro- wał dane w interwale 1 sekundy.

(3)

Rys. 2. Badany prototypowy wkład kominkowy W miejscu badania przeprowadzono 4 następujące po sobie czynności badawcze dla każdego rodzaju paliwa:

– rozpalenie i utworzenie warstwy żaru: 30 min., – badanie wstępne – regulacja nastaw powietrza

nadmuchiwanego i ciągu kominowego: 60 min., – pierwsze badanie mocy nominalnej – przetwarzanie

informacji: 60 min.,

– drugie badanie mocy nominalnej: 60 min.

Wyniki pomiarów i obliczeń poszczególnych konfi- guracji wkładu kominkowego przedstawione są w tabelach prezentowanych w następnym rozdziale.

4. WYNIKI BADAŃ

EKSPERYMENTALNYCH

Przedstawione wyniki badań dotyczą prototypowego wkładu kominkowego.

4.1. BADANIE I – WILGOTNOŚĆ PALIWA 16%, WARTOŚĆ OPAŁOWA –

ANALITYCZNA 14900 kJ/kg

Urządzenie grzewcze zostało zainstalowane na stanowisku pomiarowym zgodnie z normą PN-EN 13229.

Do komory paleniska doprowadzono powietrze pierwot- ne pod popielnik. Do przeprowadzenia pomiarów użyto drewna grabowego o średniej wilgotności 16%

i analitycznej wartości opałowej na poziomie 14900 kJ/kg. Wilgotność na tym poziomie uzyskuje się po- przez sezonowanie świeżo ściętego surowca przez około 2 lata. Obwód polan mieścił się w zakresie 30-35 cm. W tabeli 1 wyszczególnione zostały warunki w jakich zostały przeprowadzone pomiary oraz uśrednione war- tości tlenu, tlenku węgla i dwutlenku węgla zawartego w spalinach powstałych podczas procesu spalania.

Uzyskane wyniki przeliczono wg procedury oblicze- niowej zawartej w pkt. A6 normy PN-EN 13229 i umieszczono w tabeli 2. Średnia sprawność cieplna wkładu kominkowego wyniosła 69% natomiast emisja CO przeliczona na 13% tlenu wyniosła 0,094%

Wykres umieszczony na rys. 3 przedstawia graficzną interpretację zawartości tlenu i tlenku węgla z dwóch paleń. Spalanie drewna można podzielić na kilka róż- nych faz. W pierwszej fazie następuje odparowanie znajdującej się w drewnie wody. W komorze spalania pojawia się duża ilość tlenu. W kolejnej fazie następuje odgazowanie części lotnych. Podczas tej fazy wzrasta poziom tlenku węgla, po czym następuje zapłon i wypa- lanie się powstałego gazu. Końcowa faza to spalanie pozostałego węgla drzewnego – zawartość tlenku węgla maleje, a tlenu rośnie.

Tab. 1. Uśrednione wyniki pomiarów dla badania przy wykorzystaniu drewna grabowego o wilgotności 16%

Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość

Paliwo Masa paliwa B kg 4,05

Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 14900

Powietrze

Temperatura otoczenia tot oC 25

Wilgotność względna Φ % 40

Ciśnienie barometryczne pb mm Hg 762

Spaliny (wartości uśrednione)

Temperatura spalin tsp oC 325

CO2 ZCO2 % 7,98

O2 ZO2 % 13,01

CO ZCO % 0,09

(4)

Rys. 3. Uśredniony przebieg procesów spalania dla badania przy wykorzystaniu drewna grabowego o wilgotności 16%

Tab. 2. Uśrednione wyniki obliczeń dla badania przy wykorzystaniu drewna grabowego o wilgotności 16%

Wielkości cieplne

Średnia moc cieplna całkowita P kW 11,5

Średni strumień masy paliwa B kg/h 4,05

Średni strumień masy spalin m g/s 15,36

Względna strata kominowa qa % 30,17

Względna strata niezupełnego spalania qb % 0,82

Średnia sprawność cieplna η % 69,01

Emisja tlenku węgla

CO (przeliczone na 13% O2) ECO g/mn3 1,17

CO (przeliczone na 13% O2) ECO% % 0,094

Uwaga: Obliczenia zostały wykonane zgodnie z procedurą obliczeń zawartą w pkt. A6 normy PN-EN13229

4.2. BADANIE II – WILGOTNOŚĆ

PALIWA 40%, WARTOŚĆ OPAŁOWA – ANALITYCZNA 14900 kJ/kg

Wkład kominkowy został również przebadany przy spalaniu drewna o średniej wilgotności zawartej w granicach 40%. Drewno o takich parametrach odpo- wiada świeżo ściętemu surowcowi nie poddanemu procesowi suszenia.

Wyniki uzyskane podczas palenia wkładu kominkowego zostały zamieszczone w tabelach 3 i 4 oraz na rys.

4. Badanie przeprowadzono w niemal identycznych warunkach jak w przypadku badania pierwszego. Po- mimo użycia zasypu o takiej samej wadze i kaloryczności otrzymane wyniki odbiegają od wyników przedstawionych w podrozdziale 4.1. Zastosowanie mokrego drewna spowodowało znaczne obniżenie śred- niej sprawności cieplnej wkładu kominkowego, która wyniosła 42,9%. Średnia temperatura spalin podczas drugiego badania była niższa o 80°C w stosunku do średniej temperatury spalin z badania pierwszego.

Tab. 3. Uśrednione wyniki pomiarów dla badania przy wykorzystaniu drewna grabowego o wilgotności 40%

Powietrze

Temperatura otoczenia tot oC 26,5

Wilgotność względna φ % 38

CO2 ZCO2 % 4,98

O2 ZO2 % 16

(5)

Rys. 4. Uśredniony przebieg procesów spalania dla badania przy wykorzystaniu drewna grabowego o wilgotności 40 Tab. 4. Uśrednione wyniki obliczeń dla badania przy wykorzystaniu drewna grabowego o wilgotności 40%

Wielkości cieplne

4.3. BADANIE III – WILGOTNOŚĆ

PALIWA 8%, WARTOŚĆ OPAŁOWA – ANALITYCZNA 19800 kJ/kg

W tabelach 5 i 6 oraz na rys. 5 przedstawiono uśrednione wyniki badań emisyjno eksploatacyjnych prototypowego wkładu kominkowego z wykorzystaniem

załadunku w postaci brykietu drzewnego o wilgotności 8% i kaloryczność rzędu 19800 kJ/kg. Wykorzystane paliwo posiada parametry zgodne z normą DIN 51731.

Średnia temperatura spalin wyniosła 342°C. Sprawność wyliczona z obu pomiarów z wykorzystaniem brykietu drzewnego wyniosła 74,8%.

Tab. 5. Uśrednione wyniki pomiarów dla badania przy wykorzystaniu brykietu drzewnego

Powietrze

Temperatura otoczenia tot oC 24,5

Wilgotność względna φ % 38

CO2 ZCO2 % 7,98

O2 ZO2 % 13,01

CO ZCO % 0,09

(6)

Rys. 5. Uśredniony przebieg procesów spalania dla badania przy wykorzystaniu brykietu drzewneg

Tab. 6. Uśrednione wyniki pomiarów dla badania przy wykorzystaniu brykietu drzewnego

Wielkości cieplne

4. PODSUMOWANIE

Przeprowadzony eksperyment miał za zadania uzyskanie odpowiedzi na pytanie, jak przebiega proces spalania w kominku w zależności od parametrów stosowanego paliwa.

Duża jest oferta rynkowa różnego rodzaju wkładów kominkowych, gdyż zapotrzebowanie na urządzenia grzewcze ciągle rośnie. Wkłady kominkowe wymagają jednakże coraz lepszych udoskonaleń dla zwiększenia ich sprawności przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości paliwa do wytworzenia ciepła oraz utrzymaniu ich emisyjności tlenku węgla na niskim poziomie. Nie należy jednak zapominać o parametrach paliwa używa-

nego do zasilania urządzeń grzewczych tego typu.

Stosowanie drewna o zbyt dużej wilgotności obniża sprawność wkładu kominkowego o ponad 37%, zwięk- szając koszty jego eksploatacji. Dodatkowo drewno o dużej wilgotności obniża temperaturę spalania w kominku, co z kolei powoduje powstawanie i osadza- nie się sadzy w przewodzie kominowym. W artykule wykazano także, że stosowanie paliwa o wysokiej kalo- ryczności (np. brykietu drzewnego) znacząco podnosi moc cieplną urządzenia. Wykorzystany do badań prototypowy wkład kominkowy spełnia wymagania normy PN-EN 13229 (tabela 7).

Tab. 7. Dopuszczalne wartości emisji i mocy cieplnej wg normy PN-EN 13229 Zasadnicze cechy Postanowienia normy

PN-EN 13240:2008 Uwagi Badane urządzenie

Emisja produktów spalania

4.2.1; 4.2.2; 4.2.3; 4.2.4;

4.2.5; 4.2.6; 4.2.7; 4.2.8;

4.2.9; 4.2.10; 4.2.11; 5.1;

5.2.6; 6

dopuszczalna wartość graniczna

CO< 1,0 %

Spełnia

Moc cieplna / efek-

6.3;6.4 do 6.8

dopuszczalna

wartość graniczna Spełnia

(7)

Artykuł powstał dzięki Europejskiemu Funduszowi Rozwoju Regionalnego. Działanie 1.4 – Prace badawczo-rozwojowe w firmie Kratki.pl celem zdobycia przewagi konkurencyjnej.

Literatura

1. Norma 13229 Wkłady kominkowe wraz z kominkami otwartymi na paliwa stałe – Wymagania i badania.

2. Kordylewski W.: Spalanie i paliwa. Wrocław: Wyd. Pol. Wrocł., 2008. ISBN 978-83-7493-378-0

3. Kubica K.: Spalanie paliw stałych w urządzeniach grzewczych małej mocy: problemy zanieczyszczeń organicz- nych. W: Materiały konf. nauk.-tech. "Diagnostyka jakości spalania w energetyce "98". Ustroń Zawodzie 1998, s.151-158.

4. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E. R.:Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji. Wrocław: Omni Scala, 2008. ISBN 978-83-926833-6-0

5. Zakrzewski S. F. Podstawy toksykologii środowiska. Warszawa: PWN, 1995.