Stanovovanie účinnosti kotlov na pevné palivá nepriamou metódou a zjednodušený softvér pre určovanie účinnosti kotlov

Úvod

Pre stanovenie tepelných strát a účinnosti nízkotlakových kotlov na pevné palivá pre ohrev vody na vykurovanie a TÚV,

(autor podotýka, že podľa [1] STN EN 806 - 1 Technické podmienky na zhotovenie vodovodných potrubí na pitnú vodu vnútri budov. Časť 1: Všeobecne z 1.12.2001:

Pitná voda

voda na ľudskú spotrebu (pitná voda) sa označuje PW studená pitná voda PWC teplá pitná voda PWH teplá cirkulačná voda PWH - C)

je nevyhnutné robiť merania teplo - technických veličín potrebných pre ďalší výpočet. Principiálne je možné postupovať dvoma metódami [2], [3], [9]:

1. priamou metódou,
2. nepriamou metódou.

Samotný kotol pracuje ako výmenník tepla medzi spalinami vzniknutými spálením paliva a vodou, resp. parou, ak ide o parný kotol. Chemická energia viazaná v palive sa mení na tepelnú, ktorá sa vo forme fyzikálneho tepla vody, resp. pary dodáva spotrebiteľovi. Pri tejto výmene tepla dochádza k stratám, ktoré majú značný vplyv na účinnosť kotla.

I. Priama metóda stanovenia účinnosti

Pri priamej metóde sa vychádza z tepelnej bilancie daného kotla, teda súčet tepla na príjmovej strane sa musí rovnať súčtu odvedeného tepla.

I.1 Teplo privedené

1) Chemické teplo paliva sa uvoľní pri dokonalom spaľovaní paliva:

kde

B	spotreba paliva; [kg.h-1],
Qn	výhrevnosť; [kJ.kg-1].

Tu však vzniká problém, ako určiť na niektorých kotloch práve mernú spotrebu paliva. V praxi totiž mnoho kotolní má upravované násypky uhlia pre koly, ku ktorým sa nie je možné dostať. Výhrevnosť je možné určiť kalorimetricky [3], [4].

2) Citeľné teplo paliva je určené teplom predohriatého paliva:

túto položku u kotlov na pevné palivá je možné zanedbať, keďže palivo na vstupe do kotla má približne teplotu okolia a málokedy sa predohrieva.

3) Citeľné teplo vzduchu je určené teplom predohriatého vzduchu:

túto položku je možné zanedbať, keďže sa vzduch sa vo väčšine prípadov nepredhrieva.

kde:

cpp, cpv	stredná špecifická tepelná kapacita paliva, resp. vzduchu; [kJ.kg-1.K-1] resp. [kJ.m-3.K-1] - za normálnych podmienok (0 °C; 101,325 kPa),
tp, tv	teplota paliva resp. vzduchu; [°C],
Vvz	množstvo vzduchu; [m3.s-1].

I.2 Teplo odvedené

1) Užitočné teplo, resp. výkon kotla:

kde

mv a mp	prietok vody, resp. pary; [kg.h-1],
tv1 a tv2 resp. tp2 a tp1	teplota vstupujúcej a vystupujúcej vody, resp. pary; [°C],
cpvd resp. cppr	stredná špecifická tepelná kapacita vody resp. pary; [kJ.kg-1.K-1] resp. [kJ.m-3.K-1] za normálnych podmienok (0°C; 101,325 kPa).

Tu vzniká opäť problém určovania m_v, resp. m_p. Hodnotu m_v, resp. m_p je možné stanoviť meraním Prandtlovou trubicou, v tom prípade, treba upravovať potrubie alebo ultrazvukom, ktorý nie je stále k dispozícii. Na základe známeho celkového privedeného tepla, ktoré je u týchto kotlov rovné chemickému teplu paliva, je možné určiť účinnosť kotla:

2) Tepelné straty kotla:

a) Strata citeľným teplom spalín - komínová strata Q_K je spôsobená entalpiou spalín, odchádzajúcich do ovzdušia a je rozhodujúcou stratou spaľovacieho zariadenia:

kde

Vspv	objem vlhkých spalín vzniknutých spálením 1 kg (1m3) paliva za normálnych podmienok (0°C, 101,325 kPa); [m3.h-1],
cpsp	stredná špecifická tepelná kapacita spalín; [kJ.m-3 .K-1] pri normálnych podmienkach (0°C; 101,325 kPa),
tsp	teplota spalín na vstupe do komína; [°C],
tvz	teplota vzduchu; [°C].

Jedná sa o najväčšiu stratu, ktorá dosahuje u bežných teplovodných kotlov hodnoty v rozmedzí 20 až 50 %.

b) Strata horľavinou v tuhých zbytkoch - strata mechanickým nedopalom Q_MN (nespáleným uhlíkom) v tuhých zbytkoch, ktorá sa skladá z dielčích strát v jednotlivých podieloch tuhých zbytkov v škvare, v troske, v prepade a úlete (popolčeku). Táto strata sa vyskytuje obvykle len pri spaľovaní tuhých palív a počíta sa podľa rovnice:

kde

Qnci	výhrevnosť horľaviny uvažovaného druhu tuhých zbytkov a priemerne je rovná 32 700 kJ.kg-1,
Xi	pomer hmotnosti popola v uvažovanom tuhom zbytku k hmotnosti popoloviny v palive; (bilanciu popola - popol v škvare, v troske, v prepade a v úlete); [%],
Ci	obsahy uhlíka (obsah uhlíka v troske býva nulový [8]) v škvare, v troske, v prepade a v úlete; [%],
OP	obsah popola v palive; [%],
Qnr	redukovaná výhrevnosť paliva, pre kotly na tuhé palivo, kde nedochádza k jeho predohrevu a k predohrevu vzduchu, je Qnr = Qn.

c) Strata horľavinou v spalinách - strata chemickým nedopalom Q_CN je spôsobená únikom produktov nedokonalého spaľovania horľaviny paliva, v prípade kotlov na pevné palivá hlavne CO, čiže je možné napísať, že Q_CN = Q_CO. Podľa [2], [5] je však možné uvažovať s hodnotou Q_CN = 0,8 ÷ 1,0.

d) Strata fyzikálnym teplom (horľavinou) tuhých zbytkov Q_F je spôsobená prítomnosťou nespáleného uhlíka v tuhom zbytku po spaľovaní (škvare, troske, prepade, popolčeku). Táto strata sa vyskytuje obvykle len pri spaľovaní tuhých palív a počíta sa podľa rovnice:

kde

ci	stredná špecifická tepelná kapacita škvary, trosky, prepadu a úletu; [kJ.kg-1.K-1],

ti	teplota škvary, trosky, prepadu a úletu; [°C].

Podobne ako strata Q_MN sa skladá zo strát v škvare, v troske, v prepade a úlete, pričom aj tu platí Q_nr = Q_n.

e) Strata tepla do okolia z povrchu kotla Q_sv je podľa [2], [6] je rovná u malých, liatinových a nízkotlakových kotlov 3 až 4 %. Ide o stratu tepla prúdením a sálaním z povrchu telesa kotla.

Z rovnice tepelnej bilancie kotla vyplýva:

úpravou dostaneme

II. Nepriama metóda stanovenia účinnosti

Táto metóda je založená na využití rovnice:

a preto je nevyhnutné klásť dôraz na rozbor jednotlivých strát, hlavne na najväčšiu zo strát, t. j. komínovú.

1. Strata citeľným teplom tuhých zbytkov - mechanickým nedopalom Q_MN sa určuje zo vzťahu uvedeného v kapitole I.2 bod 2b., pričom hodnoty: X_i a C_i sa stanovuje žíhaním v muflových peciach.
2. Strata horľavinou v spalinách - chemickým nedopalom podľa [2], [3], [7] je rovná Q_CN = 0,8 ÷ 1,0 %, beriem priemernú hodnotu Q_CN = 0,9 %.
3. Stratu horľavinou v tuhých zbytkoch - fyzikálnym teplom tuhých zbytkov QF počítame zo vzťahu v kapitole I.2 bod 2d. X_i a C_i sa stanovuje žíhaním v muflových peciach.
4. Strata do okolia je podľa [2], [3], [9] rovná Q_sv = 3 ÷ 4 %, beriem priemernú hodnotu Q_sv = 3,5 %.
5. Stratu citeľným teplom spalín - fyzikálnym teplom spalín - komínovú Q_K je možné určiť tiež z jednoduchého vzťahu:

kde A a B sú konštanty odčítané z grafu podľa [2], ktoré je ľahko matematicky spracovať, pre ďalšie využitie prostredníctvom regresnej analýzy a kde CO₂ sa určí pomocou rovnice:

CO2	percentuálne zastúpenie CO2 v suchých spalinách; [%],
CO2max	percentuálne zastúpenie CO2 v suchých spalinách pri m = 1; [%].

Pre jednoduché stanovenie účinnosti kotlov sú v nasledujúcej tabuľke uvedené základné hodnoty konštánt A a B.

Palivo	Konštanta A	Konštanta B
Slama	0,0041	0,576
Drevná štiepka	0,0047	0,679
Čierne uhlie	0,0051	0,628
Koks	0,0033	0,704
Vykurovací olej	0,0063	0,497
Generátorové plyny	0,0073	0,859
Zemný plyn	0,0106	0,327

Tabulka - Hodnoty konštánt A a B pre jednotlivé druhy palív

Na základe regresnej analýzy boli s dostatočnou presnosťou (index korelácie IK sa pohyboval v rozmedzí od 0,98785 po 0,99884) určené regresné rovnice pre možnosť ich ďalšieho zapracovania do zjednodušeného softvéru [9], [10]:

resp.

kde

W	vlhkosť paliva; [%]

III. Voľba metódy pre stanovenie účinnosti kotlov

Pre praktické účely je jednoznačne výhodnejšia nepriama metóda, a to hlavne z nasledujúcich dôvodov:

1. pre zložité resp. nemožné určovanie mernej spotreby paliva na kotloch používaných v praxi [3], [9],
2. pre zložité a úpravy si vyžadujúce určovanie prietoku vody, resp. pary, pokiaľ nie je k dispozícii ultrazvukový prietokomer normovaný úsek vhodný pre meranie Prandtlovou trubicou, čo v drvivej väčšine prípadov možné nie je,
3. pre potrebu poznať elementárne zloženie paliva, ktoré vo väčšine prípadov nie je známe, kvôli určovaniu objemu spalín.

IV. Program výpočtu účinnosti kotlov na pevné palivá

Pre rýchly výpočet účinnosti kotlov na pevné palivá bol v ďalšom vypracovaný zjednodušený program na počítače PC na základe nepriamej metódy. Tento program je možné rozdeliť do nasledujúcich častí:

1. Zadanie vstupných údajov:

a) parametre charakterizujúce palivo:

• Q_n - výhrevnosť,
• OP - popol v palive,
• W - voda v palive,

b) parametre charakterizujúce spaľovací proces:

• CO₂ - obsah CO₂ v suchých spalinách,
• TSK- teplota spalín,
• TS - teplota škvary,
• TR - teplota prepadu,
• TU - teplota úletu,
• TV - teplota okolitého vzduchu.

2. Výpočet podľa nameraných údajov:

je potrebné zmerať:

obsah CO₂ v suchých spalinách pre určenie dominantnej komínovej straty,

pre stanovenie ďalších strát je nutné určiť:

(v muflónových pieckach) CS, CR, CU - horľaviny v škvare, v prepade a v úlete a XS, XR, XU - popol v škvare, prepade a v úlete. Toto je opäť mnohokrát zložité, resp. nemožné a preto je do programu zahrnutý variant s odporučenými údajmi.

3. Výpočet podľa odporučených literárnych údajov [2], [3]:

Pre tento výpočet môžeme (bez dopustenia sa veľkej odchýlky od reálnych hodnôt) používať nasledujúce experimentálne zistené a v praxi potvrdené údaje:

pričom použitím týchto hodnôt sa dopúšťame len malých nepresností v celkovej bilancii.

4. Prevedenie výpočtu:

Výpočet je prevedený podľa hore uvedených vzťahov, pre možnosť univerzálneho použitia hodnôt konštánt A a B pre rôzne obsahy vody W v palive bola prevedená regresná analýza kriviek A a B, ktorej výsledok je zahrnutý v programe.

5. Výpis vypočítaných hodnôt:

Je spracovaný pre displej toho ktorého počítača a na základe prevedeného výpočtu a zobrazujú sa všetky údaje potrebné pre zhodnotenie práce kotla.

6. Grafický výstup:

Priebeh závislosti komínovej straty Q_K a účinnosti v závislosti na súčiniteli prebytku vzduchu m. Zníženie prebytku vzduchu nepriamo úmerne vplýva na zvýšenie účinnosti kotla a je jednou z ciest ako zvýšiť účinnosť kotla.

Záver

Predložený výpočet a program pre počítače rady PC, umožňuje simulovať rôzne podmienky spaľovania v kotloch na pevné palivá vo všeobecnej úrovni a zároveň ho je možné využiť pre rýchle určovanie účinnosti spaľovania v kotloch na základe ľahko dostupných prevádzkových údajov. Zo získaných výsledkov je možné analyzovať prácu kotlov i prácu obsluhy kotolní a zamerať sa na najslabšie miesta prevádzky, ktorými sú - riadenie výšky vrstvy paliva, znižovanie prebytku vzduchu reguláciou množstva privádzaného vzduchu, analýza rozdelenia vzduchu v kotle atď. Zároveň je možné na základe predloženého materiálu zvyšovať úroveň práce obsluhy kotolní, na základe pravidelného monitorovania účinnosti práce kotlov.

Literatúra

[1] Valášek, J. a kol.: Bytové odovzdávacie stanice tepla a výmenníky tepla na prípravu teplej vody. In: Vykurovanie 2005, Tatranské Matliare, 7. - 11.5.2005, ISBN 80-89216-00-5.

[2] Černý, V. a kol. : Parní kotle. SNTL, Praha 1983.

[3] Černý, V. a kol. : Parní kotle a spalovací zařízení. SNTL, Praha 1975.

[4] Cikhart, J.: Měření a regulace ve vytápení. SNTL, Praha 1984.

[5] ČSN 07 0305 Hodnotenie kotlových strát.

[6] ON 07 0417 Tepelný výpočet parných kotlov.

[7] Varga, A.: Tepelná technika v hutníctve. Vydala TU v Košiciach, Hutnícka fakulta, 1999.

[8] Doležal, R. a kol.: Kotle a spalovací zařízení. SNTL a SVTL, Praha 1965.

[9] Holoubek, D.: Spaľovacie zariadenia, výmenníky tepla a kotly. TU v Košiciach, Hutnícka fakulta, 2002.

[10] Horbaj, P.: Present state of preparation of biofuels from waste and biomass. In: European Commission Directorate General Joint Research Centre, Institute for Energy, CLEANWEB Technical Workshop in collaboration with EU Candidate Countries, Recovered fuels from waste and biomass: Methods of syngas / biofuels / biogas production and cleaning; Fuel utilisation for energy production; 9. - 10.12.2003, Bergen, Holandsko. http://ie.jrc.cec.eu.int/prewin