EKSPLOATACYJNE BADANIA ENERGETYCZNO–EMISYJNE WKŁADU KOMINKOWEGO Z PŁASZCZEM WODNYM

(1)

EKSPLOATACYJNE BADANIA

ENERGETYCZNO–EMISYJNE WKŁADU

KOMINKOWEGO Z PŁASZCZEM WODNYM

Zbigniew Kosma

^1a

, Rafał Kalbarczyk

^1b

, Bartosz Piechnik

^1c

1

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

a

zbigniew.kosma@uthrad.pl,

^b

r.kalbarczyk@uthrad.pl,

^c

bartosz_piechnik@wp.pl

Streszczenie

W pracy przedstawiono zagadnienia związane z eksploatacyjnym badaniem energetyczno-emisyjnym wkładu kominkowego z płaszczem wodnym z komorą wyłożoną płytami wermikulitowymi. Prezentowany jest przebieg ba- dań z wykorzystaniem analizatora Siemens ULTRAMAT23 oraz wyniki dla różnych konfiguracji komory spalania.

Badania przeprowadzonona stanowisku badawczym zgodnie z normą PN-EN 13240: 2008 - Ogrzewacze pomiesz- czeń 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 zanie- czyszczeń 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 - zmniej- szyć 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 do- kładnie od procentowej zawartości tlenu (O2) oraz tlenku węgla (CO) w objętości gazu spalinowego [1 - 2].

W urządzeniach grzewczych (w tym kominkach z płasz- czem wodnym) podniesienie sprawności możliwe jest poprzez wydłużenie drogi spalin powodujące tym samym intensywniejsze oddawanie ciepła przez spaliny. Bada- nym rozwiązaniem było zastosowanie deflektorów, które, wydłużając drogę spalin, ochładzają je na płomieniów- kach i płaszczu wodnym. Zmniejszenie emisji CO oraz udziału O2 wpływa korzystnie na uzyskiwaną sprawność wkładu. Optymalizacja tych czynników polega na odpo- wiednim dobraniu wielkości oraz miejsca umieszczenia kanałów dostarczających powietrze do spalania oraz na dobraniu wielkości, kształtu i materiału wyłożenia komory spalania. Odpowiednia konfiguracja tych ele- mentów zapewni optymalny przebieg procesów spalania,

(2)

co z kolei wpływa na dopalanie i zmniejszenie emisji tlenku węgla.

Tlenek węgla (CO) powstaje w procesie niezupełnego spalania. Jest niezwykle groźny, silnie toksyczny. Naj- bardziej wrażliwy na jego działanie jest mózg. Ze wzglę- du 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 rozwią- zaniom, 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 ograni- czenie emisji związków szkodliwych do atmosfery.

Spodziewanym rezultatem badań było uzyskanie wiedzy, która pozwoliła zwiększyć sprawność cieplną wkładu w warunkach laboratoryjnych do ponad 85%.

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. Wermiku- lit jest naturalnym materiałem, który powstaje w wyni- ku naturalnego wietrzenia krzemianów zasobnych w magnez. Występuje głównie w Republice Południowej

Afryki. Ma niską gęstość i dużą odporność na wysokie temperatury, dzięki temu znalazł zastosowanie w pro- dukcji urządzeń grzewczych. Stosowanie wysoko prze- tworzonego wermikulitu pozwala na osiągnięcie maksy- malnej temperatury eksploatacyjnej rzędu 1100^oC przy doskonałych właściwościach izolacyjnych. Dzięki wyło- żeniu komory spalania płytami wermikulitowymi uzy- skuje 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. Stano- wisko 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 umiesz- czone 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 opało- wa - 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

(3)

temperatur na króćcach wynosiła nie więcej niż 20°C.

Podstawowy skład spalin oznaczony był metodami referencyjnymi za pomocą analizatora Siemens Ultra- mat23. Układ archiwizacji danych rejestrował dane w interwale 1 sekundy.

W miejscu badania przeprowadzono 4 następujące po sobie czynności badawcze dla każdej konfiguracji komory spalania.

1. Rozpalenie i utworzenie warstwy żaru - 30 min, 2. Badanie wstępne - regulacja nastaw powietrza na- dmuchiwanego 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).

4. WYNIKI BADAŃ

W rozdziale przedstawiono wyniki badań pierwot- nej konfiguracji komory spalania oraz konfiguracji zmodyfikowanej zapewniającej zakładane parametry.

4.1 BADANIE I – KOMORA SPALANIA BEZ MODYFIKACJI

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.

Tab. 1. Uśrednione wyniki pomiarów

Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość

Paliwo Masa paliwa B Kg 2,75

Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 16094

Powietrze

Temperatura otoczenia tot oC 33,7

Wilgotność względna % 79%

Ciśnienie barometryczne pb mm Hg 763

Spaliny (wartości uśrednione)

Temperatura tsp oC 189

CO2 ZCO2 % 5,6

O₂ Z_O2 % 15,4

CO ZCO % 0,30

Rys. 2. Przebieg procesów spalania dla wkładu przed modyfikacją

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0100 200

300 400

500 600

700 800

900 1000

1100 1200

1300 1400

1500 1600

1700 1800

1900 2000

2100 2200

2300 2400

2500 2600

2700 2800

2900 3000

3100 3200

3300 3400

3500 3600 Czas [s]

CO [%]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

O2 [%]

CO - pierwsze palenie CO - drugie palenie O2 - pierwsze palenie O2 - drugie palenie

(4)

Tab. 2. Uśrednione wyniki obliczeń Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość

Wielkości cieplne

Średnia moc cieplna całkowita P kW 10,4

Moc cieplna obiegu wodnego Pw kW 6,3

Moc cieplna przekazana do pomieszczenia PSH kW 4,1

Średni strumień masy paliwa B kg/h 2,75

Średni strumień masy spalin m g/s 9,9

Względna strata kominowa qa % 13,9

Względna strata niezupełnego spalania qb % 1,7

Średnia sprawność cieplna % 78,4

Emisja CO (przeliczone na 13% O2) ECO g/mn3 5,36

CO (przeliczone na 13% O2) ECO% % 0,43

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 Symbol Jednostka Wartość

Paliwo Masa paliwa B kg 2,75

Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 16094

Powietrze

Temperatura otoczenia tot oC 29,7

Wilgotność względna % 76%

Ciśnienie barometryczne p_b mm Hg 763

Spaliny (wartości uśrednione)

Temperatura t_sp ^oC 149

CO2 ZCO2 % 7,1

O2 ZO2 % 13,9

CO Z_CO % 0,22

(5)

Rys. 4. Przebieg procesów spalania dla wkładu po modyfikacji

Tab. 4. Uśrednione wyniki obliczeń

Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość

Wielkości cieplne

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

Średni strumień masy paliwa B kg/h 2,75

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

Emisja CO (przeliczone na 13% O2) ECO g/mn3 3,1

CO (przeliczone na 13% O2) ECO% % 0,25

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 organicz- nych. 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.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3