MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA

DIPLOMOVÁ PRÁCE

BRNO 2010

Bc. JIŘÍ KRÁL

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Měření a analýza tepelných ztrát Diplomová práce

Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla

Vypracoval: Bc. Jiří Král Brno 2010

Mendelova univerzita v Brně Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Agronomická fakulta 2009/2010

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce:

Bc. Jiří Král

Studijní program:

Zemědělská specializace

Obor:

Management techniky

Název tématu:

Měření a analýza tepelných ztrát

Rozsah práce:

55 - 60 stran

Zásady pro vypracování: 1. Popište techniku a technologii při zpracování odpadního tepla 2. Vyberte vhodnou dostupnou technologii na ověření tepelné bilance 3. Navrhněte metodiku měření 4. Zhodnoťte naměřená data Seznam odborné literatury: 1. Aktuální WWW odkazy a jiné technické časopisy. 2. Kreidl M., Měření teploty, Nakladatelství BEN, Praha 2005 3.

Lysenko V.,: Detektory pro bezdotykové měření teplot, Nakladatelství BEN, Praha2005.

Datum zadání diplomové práce:

říjen 2008

Termín odevzdání diplomové práce:

duben 2010

Bc. Jiří Král řešitel diplomové práce

Dr. Ing. Radovan Kukla vedoucí diplomové práce

prof. Ing. Jan Mareček, DrSc. vedoucí ústavu

prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. děkan AF MZLU v Brně

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Měření a analýza teplených ztrát vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF Mendelu v Brně.

dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….

PODĚKOVÁNÍ

Velmi rád bych poděkoval a vyslovil uznání všem, kteří mi pomáhali při vzniku této práce. Především vedoucímu mé diplomové práce Dr. Ing. Radovanu Kuklovi za trpělivé vedení, množství praktických rad a pomoc při měřeních. Dále Ing. Petru Trávníčkovi, který mi vždy ochotně pomohl cennými informacemi. Ing. Radkovi Kořenovskému za pomoc při měření. Zvláštní poděkování patří výrobnímu řediteli společnosti KORNFEIL s.r.o panu Vojtěchu Kornfeilovi a zaměstnancům této společnosti jmenovitě panu Jiřímu Větrovskému, Liboru Zborovskému a Tomáši Švábovi, kteří mi poskytli mnoho svého času, znalostí i prostředků. Nakonec bych chtěl poděkovat rodičům za poskytnuté zázemí.

ANOTACE Tato diplomová práce se zabývá problematikou tzv. odpadního tepla a technikou, která toto teplo zpracovává. Diplomová práce je rozčleněna na dvě části. První část se zabývá teoretickým popisem problému tepelných ztrát, jeho měřením, legislativními opatřeními a především technikou zpracovávající odpadní teplo. V této části je také popis a rozdělení techniky na, které bylo prováděno měření. V druhé části je popsán postup při měření tepelných ztrát na pekárnách ADÉLKA a.s. Pelhřimov a UNITED BAKERIES a.s. Uherský Brod. Na základě měření a následných výpočtů je v praktické části uvedeno energetické porovnání (energetická bilance) měřených technologií a pak je zde provedeno porovnání ekonomické. Výsledkem je shrnutí a vyvození závěrů. Klíčová slova: Odpadní teplo, tepelná ztráta, výměník, pekařská pec

ANNOTATION This thesis deals with the so-called waste heat, and the technique of this heat treated. The thesis is divided into two parts. The first part deals with the theoretical description of the problem of measuring the heat loss, primarily through legislation and technology processing waste heat. This section is a description and breakdown of equipment, which was carried out measurements. The second part describes how to measure heat loss to bakery ADÉLKA a.s. Pelhřimov a UNITED BAKERIES a.s. Uherský Brod. Based on the measurements and subsequent calculations of the practical set of energy compared to (energy balance) measured Technology and then there is the economic viability compared. The result is a summary and draw conclusions. Keywords: Waste heat, heat loss, exchange, bakery oven

OBSAH 1. 2. 3.

Úvod......................................................................................................................- 1 Cíl práce................................................................................................................- 1 Teoretická část ......................................................................................................- 2 3.1.

Tepelná ztráta................................................................................................- 2 3.1.1. Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče..........................- 3 3.1.2. Ztráta výkonu akumulací ve spotřebiči.................................................- 3 3.1.3. Ztráta výkonu akumulací ve výrobcích ................................................- 3 3.1.4. Ztráta výkonu sáláním z pracovních otvorů spotřebiče a ztráta výkonu stěnami spotřebiče.............................................................................................- 4 -

3.2.

Popis jednotlivých druhů sdílení tepla..........................................................- 4 3.2.1. Vedení tepla ..........................................................................................- 4 3.2.2. Sdílení tepla prouděním ........................................................................- 5 3.2.3. Sdílení tepla sáláním.............................................................................- 6 -

3.3.

Měření teploty...............................................................................................- 7 3.3.1. Základní pojmy a jednotky ...................................................................- 7 3.3.2. Teploměry pro měření teploty ..............................................................- 7 -

3.4.

Hospodaření energií ....................................................................................- 24 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.4.5.

3.5.

Ochrana ovzduší .........................................................................................- 27 3.5.1. 3.5.2. 3.5.3. 3.5.4.

3.6.

Legislativa Evropské unie a České republiky.....................................- 24 Cíle státní energetické koncepce.........................................................- 24 Dokončení transformace a liberalizace energetického hospodářství ..- 26 Energetický zákon...............................................................................- 26 Zákon o hospodaření energií...............................................................- 26 Legislativa v ochraně ovzduší.............................................................- 27 Hlavní znečišťující látky vznikající při spalování ..............................- 28 Pojmy v oblasti ochrany ovzduší ........................................................- 29 Mechanismus vzniku emisí a působení imisí .....................................- 30 -

Výměníky tepla...........................................................................................- 34 3.6.1. 3.6.2. medií 3.6.3. 3.6.4. 3.6.5. 3.6.6. 3.6.7. 3.6.8. 3.6.9. 3.6.10. 3.6.11. 3.6.12.

Rozdělení výměníků podle způsobu použití.......................................- 34 Rozdělení podle vzájemného směru a smyslu proudění teplonosných ............................................................................................................- 35 Rozdělení výměníků podle počtu teplosměnných ..............................- 35 Výměník typu trubka v trubce ............................................................- 36 Výměníky trubkové (kotlové).............................................................- 36 Fieldův výměník .................................................................................- 37 Výměníky spirálové............................................................................- 37 Výměníky deskové .............................................................................- 38 Výměníky se stíraným povrchem .......................................................- 39 Deskožebrované kompaktní výměníky...............................................- 39 EKOblok .............................................................................................- 40 Požadavky na výměníky .....................................................................- 41 -

3.6.13. Požadavky na pracovní (teplonosné) média .......................................- 41 3.6.14. Výpočet výměníku tepla .....................................................................- 42 3.7.

Kotle............................................................................................................- 43 3.7.1. Základní dělení kotlů ..........................................................................- 43 3.7.2. Obecné provozní požadavky na kotle .................................................- 44 -

3.8.

Hořáky ........................................................................................................- 45 3.8.1. Rozdělení plynových hořáků ..............................................................- 45 3.8.2. Blokové hořáky...................................................................................- 46 -

3.9. 4.

Pekařské pece..............................................................................................- 48 -

3.9.1. Rozdělení pecí je následující ..............................................................- 48 Praktická část ......................................................................................................- 52 4.1.

Popis pekáren ADÉLKA a.s. Pelhřimov ....................................................- 52 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.1.4. 4.1.5.

Popis systému vytápění.......................................................................- 52 Popis termoolejového kotle ................................................................- 52 Technické parametry termoolejového kotle OK – 500VER...............- 52 Využití odpadního tepla......................................................................- 53 Popis pásové pece THERMO ROLL..................................................- 54 -

4.2.

Postup při měření ........................................................................................- 55 -

4.3.

Měření na pekárně UNITED BAKERIES a.s. – Uherský Brod .................- 60 4.3.1. Popis systému .....................................................................................- 60 4.3.2. Popis pásové pece PPC 256 ................................................................- 60 4.3.3. Využití odpadního tepla......................................................................- 60 -

4.4.

Postup při měření ........................................................................................- 61 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4. 4.4.5. 4.4.6.

4.5.

5. 6. 7. 8. 9.

Zaznamenávání průtoku plynu............................................................- 61 Zaznamenávání průtoku spalin v odtazích a v EKObloku VI ............- 62 Zaznamenávání hodnot z přístroje super CAL 531 ............................- 63 Měření teplot termokamerou ThermaCAM E320 ..............................- 64 Měření teplot ručním dotykovým teploměrem OMEGA ...................- 64 Měření teplot spalin termoelektrickými snímači Pt 100.....................- 65 -

Ekonomické hodnocení...............................................................................- 67 -

4.5.1. Náklady ADÉLKA a.s. Pelhřimov .....................................................- 67 4.5.2. Náklady UNITED BAKERIES a.s. Uherský brod .............................- 68 Závěr ...................................................................................................................- 69 Seznam použité literatury ...................................................................................- 71 Seznam použitých obrázků .................................................................................- 74 Seznam tabulek ...................................................................................................- 75 Přílohy.................................................................................................................- 76 Seznam příloh .....................................................................................................- 77 -

1. ÚVOD Tepelné ztráty, vydatnost energetických zdrojů (ropy, uhlí a zemního plynu), úspora energie, ekologicky šetrné technologie, použití biopaliv a podobná další témata jsou v poslední době sledovány celým světem. Jde totiž o velmi důležité hodnoty související s lidským životem a chodem společnosti. Konkrétními důvody diskutovanosti předcházejících hodnot jsou především: změny na světovém trhu se surovinami - ostrý nárůst cen energetických zdrojů, vliv geopolitických problémů spjatých s rostoucí závislostí zemí na dovozu prvotních energetických surovin. Dále rostoucí zátěž životního prostředí emisemi, atd. Všechny tyto důvody vytvářejí společenské tlaky na úspory energie ať už to ve výrobě nebo při přenosu a spotřebě. [19] Na tyto podměty reaguje i EU a s ní i Česká republika. Energetická koncepce EU v závislosti na předešlých důvodech v rámci dlouhodobého rozvoje zavádí tři hlavní cíle energetické politiky: − Vytvoření efektivních otevřených konkurenčních trhů s elektřinou a plynem. − Zajištění bezpečnosti dodávek energie. − Dosažení přísných environmentálních cílů, zejména v boji proti klimatickým změnám. K splnění těchto cílů je potřeba realizovat především tyto priority: Vylepšit energetickou účinnost, správně nastavit trh EU s plynem a elektrickou energií, podpořit rozvoj a implementaci obnovitelných zdrojů energie, posílit jadernou bezpečnost, zabezpečit dodávky energie do Evropy a zlepšit vazby mezi energetikou, životním prostředím a výzkumem. [20]

2. CÍL PRÁCE Cílem mé diplomové práce je v první řadě přiblížení a vysvětlení pojmů souvisejících s úsporami energií. Konkrétně bych se chtěl věnovat úsporám energií a s tím související technikou převážně v oblasti pekařství a cukrářství. Úspory energií a technika pro ni použitá se týkají i jiných oblastí, kterých se také okrajově dotknu. V další části své práce bych chtěl popsat postup měření tepelných ztrát (odpadního tepla) unikajících z pekařských pásových pecí ve vybraných provozech. Na závěr této práce naměřená data vyhodnotím a na jejich základě vybrané technologie porovnám. -1-

3. TEORETICKÁ ČÁST 3.1. Tepelná ztráta Výraz tepelná ztráta je v praxi i v odborné literatuře používán pro ztráty výkonu tepelných spotřebičů. Jinak interpretováno se tepelnou ztrátou rozumí únik určitého množství tepelné energie z objektu nebo zařízení. [1]

obrázek č. 1 Hlavní složky tepelných ztrát [1] Hlavními složkami tepelných ztrát viz obrázek č. 1 Hlavní složky tepelných ztrát jsou: − Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče (komínová ztráta) − Ztráta výkonu akumulací ve spotřebiči − Ztráta výkonu akumulací ve výrobcích − Ztráta výkonu sáláním z pracovních otvorů spotřebiče − Ztráta výkonu stěnami spotřebiče Další, méně podstatné ztráty, jsou např. ztráty neúplným spalováním zemního plynu nebo ztráty, které vznikají při provozu plynových pecí (ztráty chladicí vodou, ztráty tepla okujemi) aj. [1] Celková ztráta výkonu plynového spotřebiče v J.h-1: Σ Qz = Qk + Qst + Qa + Qo

[J.h-1]

Celková ztráta výkonu plynového spotřebiče v W: Σ Pz = Pk + Pst + Pa + Po

-2-

[W]

3.1.1. Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče neboli ztráta komínová představuje teplo odcházející za hodinu ze spotřebiče v kouřových plynech do komína. Jedná se o ztrátu, zásadně ovlivňující výslednou účinnost tepelného spotřebiče. Její velikost závisí na teplotě spalin, teplotě vzduchu v okolí spotřebiče, střední měrné tepelné kapacitě spalin a na hodinovém množství spalin odcházejícím ze spotřebiče, viz následující vzorce. [1] Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče za hodinu v kJ.h-1: Qk = Vsh . cssp . (tsp - tv)

[kJ.h-1]

Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče za hodinu v kW: Pk = Kde

Vsh ⋅ cspS ⋅ (t sp − tv )

[kW]

3600

Vsh – hodinové množství spalin

[m3.h-1]

tsp – teplota spalin odcházejících ze spotřebiče

[°C]

tv – teplota vzduchu v okolí spotřebiče

[°C]

cssp – střední měrná tepelná kapacita spalin

[kJ.m-3.°C-1]

3.1.2. Ztráta výkonu akumulací ve spotřebiči Ztrátu výkonu akumulací ve spotřebiči můžeme popsat takto. Po ukončení provozu daného spotřebiče popřípadě při přerušení výroby dochází k ochlazování hmoty spotřebiče. Ochlazení je citelně znát při ohřevu spotřebičů s velkou hmotností a s krátkými pracovními cykly (např. plynové pece). Popsaná ztráta vzniká i u plynových kotlů jejichž výkon je regulován z maximálního na nulový. V době regulačních přestávek dochází k nasávání studeného vzduchu z komína, čímž se velmi výrazně ochlazuje hmota kotle. Tuto ztrátu lze účinně snížit instalací spalinových klapek. Další možností snížení ztráty výkonu akumulací ve spotřebiči je použití moderních lehčených izolačních materiálů. [1]

3.1.3. Ztráta výkonu akumulací ve výrobcích Ztráta výkonu akumulací ve výrobcích vzniká v případě že výrobky, ve kterých je nahromaděn určitý tepelný výkon odcházejí ze spotřebiče. V našem případě je to pečivo, které po opuštění pece v sobě má nakumulovánu část tepelné energie.

-3-

3.1.4. Ztráta výkonu sáláním z pracovních otvorů spotřebiče a ztráta výkonu stěnami spotřebiče Tyto dvě ztráty výkonu popisují zákonitosti sílení tepla. Zákonitosti sdílení tepla jsou v energetice a topenářství velmi důležité, proto jim budu věnovat více pozornosti. Znalost sdílení tepla umožňuje jednak optimální řešení prvků vytápěcích zařízení – kotlů, výměníků, potrubních systémů, otopných těles apod., ale i kontrolu tepelně technických vlastností navržených konstrukcí a staveb. [2]

3.2. Popis jednotlivých druhů sdílení tepla 3.2.1. Vedení tepla Vedení tepla se vyznačuje tím, že je vázáno na látku (pevnou, ale i kapalnou a plynnou). Může se dít jen mezi bezprostředně sousedícími částicemi hmoty. Pro vyřešení problematiky vedení tepla byly použity dva základní zákony termomechaniky. První zákon vyjadřuje závislost mezi tepelnými toky a teplotními spády, tento zákon se jmenuje Fourierův. Je to základní zákon vedení tepla. Druhým zákonem je zákon zachování energie, který aplikujeme na tepelné jevy. Fourierův zákon byl experimentálně ověřen, podle něj a II. věty termodynamické se uskutečňuje tepelný tok (výkon Pt) mezi jednotlivými hmotnými částicemi ve směru od vyššího teplotního potenciálu k teplotnímu potenciálu nižšímu. [2] Podle obrázku č. 2 Vedení tepla rovinnou plochou je tepelný výkon (Pt) sdílen rovinnou deskou o síle (s) mezi teplotami (t1) a (t2). Plochou (S) je veden výkon (Pt) určený rovnicí: Pt =

λ s

* (t1 − t 2 ) * S

[W]

Kde (λ) je látkovou konstantou teploměrné plochy a jmenuje se součinitel tepelné vodivosti. [3]

obrázek č. 2 Vedení tepla rovinnou plochou [2] -4-

Ve skutečnosti jsou používány stěny, jimiž je teplo vedeno, složeny z více různých vrstev. Pokud známe tepelné vodivosti jednotlivých vrstev λ1, λ2, λ3, …. λx, a dále povrchové teploty t1 a t4, můžeme dopočítat teploty styčných vrstev. Stýkají-li se stěny dokonale a je-li tepelný tok konstantní, musí být měrný tepelný výkon u všech vrstev stejný. Pro každou jednoduchou stěnu musí platit následující vztah:

qt =

λ1 s1

* (t1 − t 2 ) =

λ2 s2

* (t 2 − t 3 ) =

λ3 s3

* (t 3 − t 41 )

odkud je měrný tepelný výkon dán vztahem: qt =

s1

λ1

t1 − t4 s s + 2 + 3

λ2

λ3

pak se tepelný výkon rovná: Pt = S * qt

[W] [3]

3.2.2. Sdílení tepla prouděním Tepelná energie se u sdílení tepla prouděním přenáší díky měnící se poloze částic hmoty (kapaliny, plynu). Tento děj je v tekutinách současně provázen vedením tepla od částice k částici hmoty. Je to z důvodu neexistující teplotní rovnováhy v proudícím mediu. Proto podle II. věty termodynamiky dochází ke sdílení tepla v proudící kapalině i vedením z částic vyšší teploty na částice nižší teploty. Sdílení tepla prouděním zahrnuje dva mechanismy přenosu tepla, které spolu neodlučitelně souvisí. Jak už bylo popsáno v předcházejícím odstavci, vedení tepla mezi částicemi různé teploty a přenos tepla pohybem těchto částic tepla existuje v proudící tekutině (kapalině, plynu). Z toho plyne, že přestup tepla je neodlučitelně spojen s prouděním tekutiny. Tepelný výkon přenášený prouděním vyjadřuje následující Newtonova rovnice: Pt = α * S * (t k − t s )

pro přestupy do stěny [W]

Pt = α * S * (t s − t k )

pro přestupy ze stěny [W]

-5-

Kde tk je střední teplota tekutiny a ta je střední teplota stěny, S je plocha, kterou je sdíleno teplo. Poslední nejdůležitější veličinou je součinitel přestupu tepla α. Tento součinitel vyjadřuje tepelný výkon (tok), který závisí na mnoha činitelích především na vlastnostech tekutiny, na pohybovém stavu tekutiny a na tvaru povrchu tělesa. Nezávisí na materiálu povrchu tělesa. [3] Pro zjednodušení jsem ve výpočtech praktické části použil kriteriální rovnici pro otopná tělesa upravující součinitel přestupu tepla. Tato rovnice je vyjádřena vztahem:

α = 1,6 * (t1 − t 2 )0,3

[W*m-2*K-1]

3.2.3. Sdílení tepla sáláním Sdílení tepla sáláním neboli tepelným zářením je uskutečňováno elektromagnetickým vlněním. Tento přestup tepla je velmi náročným procesem propuštění, pohlcování a vyzařování tepelné energie. Tato tepelná, zářivá energie prochází prostorem a při setkání s tělesem se zcela nebo zčásti mění na teplo. Je stejné povahy jako světlo, tzn., že patří do elektromagnetického záření. Sálání probíhá i ve vakuu. Tepelný výkon vypočítáme součinem sálavosti a plochy daného tělesa. Sálavost je podle Stefan – Boltzmannova zákona dána rovnicí:

T  qt = A * c *  n   100 

4

[W*m-2]

Kde A je součinitel pohltivosti, c je součinitel sálání a Tn je teplota tělesa. Součinitele pohltivosti a sálání byli experimentálně zjištěny a můžeme je najít v různých tabulkách. tabulka 1. – Hodnoty součinitelů pohltivosti a sálání Hmoty a povrchy Součinitel sálání Emisní a absorpční schopnost hliník leštěný 0,29 0,05 hliník zoxidovaný 1,15 - 1,73 0,2 - 0,3 litina obrobená 3,46 - 4 0,6 - 0,7 litina zoxidovaná 5,37 0,93 ocel jemně obrobená 1,38 0,24 ocel zoxidovaná 4,62 0,8 nátěr hliníkový 1,15 - 2,31 0,2 - 0,4 nátěr bílý 2,9 0,5 nátěr světlý 3,46 0,6 nátěr šedý 4 0,7 nátěr tmavý 5,19 0,9 Z hodnot v tabulce 1. – Hodnoty součinitelů pohltivosti a sálání sledujeme, že drsné a zoxidované povrchy materiálu mají vyšší pohltivost tepla A a současně vyšší součinitel sálání c. Kdežto lesklejší a hladší povrchy u téhož materiálu mají nižší pohltivost A a nižší součinitel sálání c. [3]

-6-

3.3. Měření teploty 3.3.1. Základní pojmy a jednotky Teplota ovlivňuje řadu fyzikálních veličin, chemických pochodů a stavů. K těmto stavům patří zejména délka, objem, elektrický odpor, termoelektrické napění, tuhnutí i var látek atd. Teplota je jednou ze stavových veličin a její znalost je zejména v energetice velmi důležitá, proto ji musíme co nejlépe změřit. K měření teploty lze využít změn nejrůznějších fyzikálních vlastností látek např. skupenství, objemu, tlaku a elektrických veličin. Aby se mohli porovnat výsledky měření, je nutné stanovit a definovat teplotní stupnici [5]. Do současnosti bylo definováno mnoho teplotních stupnic, založených na různých fyzikálních jevech a dějích. Dnes nejčastěji používané stupnice vycházejí z teploty t0, při níž za atmosférického tlaku 101 325 Pa taje led ve vodě nasycené vzduchem, jednak z teploty t100, při které nastává za stejného tlaku var vody. Rozdíl těchto teplot se definuje hodnotou [7]: t100 − t 0 = 100°C Nejběžněji užívaná stupnice kromě toho stanovuje t0 = 0 °C. Tato stupnice se jmenuje Celsiova a vyjadřuje tzv. obyčejnou teplotu (t) měřenou ve stupních Celsia [°C]. Druhou velmi používanou stupnicí je stupnice Kelvinova (ternodynamická rovnice), která vychází z bodu absolutní nulové teploty tedy 273,16 K pod trojným bodem vody. Jednotka této stupnice se jmenuje Kelvin [K]. Mezi těmito stupnicemi platí následující vztahy [3]: T = t + 273,16

[K]

t = T − 273,16

[°C]

3.3.2. Teploměry pro měření teploty Jak bylo napsáno v předcházejícím bodě pro měření teploty můžeme obecně využít jakéhokoli fyzikálního děje závisejícím na teplotě. Z tohoto důvodu jsou teploměry, přístroje a zařízení pro měření teploty tak rozmanité. Většinou se ale skládají z čidla, převodového členu a indikátoru. Konstrukce těchto zařízení závisí v podstatě na výši měřené teploty, na časovém průběhu (proměnlivosti) a na potřebné přesnosti měření. Podle požadavků, které jsou kladeny na přístroje určené k měření teploty se mohou kombinovat různé druhy čidel a indikátorů.

-7-

Přístroje, které takto vznikají, vytvářejí několik základních typů, které se od sebe liší jenom v různých konstrukčních detailech. Zásadně lze rozdělit měření teploty do dvou skupin [7]: − měření dotykovými teploměry, kdy je teploměr v přímém styku s měřeným prostředím − měření bezdotykovými teploměry, kdy teploměr není umístěn v měřeném prostředí Dotykové teploměry Podle principu je možno rozdělit dotykové teploměry do tří skupin: − dilatační teploměry, které jsou založeny na roztažnosti tuhých látek, kapalin, par, nebo plynu v závislosti na teplotě, − elektrické teploměry, které jsou založeny buď na změně elektrického odporu vodičů a polovodičů teplotou nebo na termoelektrickém jevu, − speciální teploměry, které jsou založeny na změnách některých fyzikálních vlastností látek Dilatační teploměry Jelikož většina látek při zvýšení své teploty mění svůj objem, můžeme tuto fyzikální vlastnost použít k měření teploty. K tomuto měření jsou vhodné látky, u nichž je změna objemu s teplotou konstantní. Tuto podmínku splňují nejlépe plyny, z nichž se nejčastěji používá helium, vodík, nebo dusík. Na obrázku č. 3 Plynové teploměry je patrný princip fungování. Přístroj se skládá z měrné nádoby 1, která je umístěna v prostředí o měrné

teplotě,

rtuťového

tlakoměru

2,

vyrovnávací nádoby 3 a se zásobníku rtuti 4.

obrázek č. 3 Plynové teploměry [7] Indikace se provádí buď měřením tlaku při stálém objemu, nebo měření objemu při stálém tlaku. V prvním případě se do přístroje vpouští rtuť ze zásobníku 4 tak dlouho, až její hladina dosáhne pevné značky v nádobě 3. Mírou teploty je pak změna tlaku, která se zjišťuje tlakoměrem 2. Ve druhém případě se rtuť vypouští z vyrovnávací nádoby 3 do zásobníku 4 tak dlouho, až se tlakoměr 2 indikuje dosažením stálého tlaku. Míru teploty pak bude množství vypuštěné rtuti, které se váží. -8-

Plynové teploměry jsou velmi přesné, ale bohužel jsou rozměrné, křehké a je s nimi obtížná manipulace. Proto se používají jen pro velmi přesné laboratorní měření stálých nebo s časem se velmi málo měnících teplot. [7] Tlakové kapalinové teploměry Tlakové kapalinové teploměry jsou založeny na principu nepřímého určování změny objemu teploměrové kapaliny v uzavřeném teploměrovém systému. Tento systém se skládá z teploměrové nádobky, spojovací kapiláry a tlakoměrného ústrojí. Teploměrová nádobka je tvořena válcem o průměru asi 10 mm a délce 30 až 200 mm. Spojovací kapiláry jsou o světlosti 0,5 mm a mohou mít délku až 30 m, je-li však delší než 6 m je nutné kompenzovat vliv změny teploty v okolí kapiláry na údaj teploměru. Tlakoměrový systém tvoří nejčastěji Bourdonova spirála. Celý systém je uzavřen a zcela vyplněn kapalinou, rtutí nebo metylalkoholem. Schéma tlakového kapalinového teploměru můžeme vidět na obrázku č. 4 Tlakový kapalinový teploměr.

obrázek č. 4 Tlakový kapalinový teploměr [7] Tlakové teploměry jsou výhodné pro svou odolnost a provozní bezpečnost a dále pro přenos naměřených údajů na dálku. Jejich nevýhodou je nízká citlivost. [5] Tyčové a dvojkovové teploměry Princip měření tyčových a dvojkolových teploměrů vychází z roztažnosti pevných látek. Ohříváním látek při stálém tlaku se zvětšuje jejich objem, čímž se současně zmenšuje jejich měrná hmotnost. Ohřevem látky z 0 °C na teplotu t se zvětší délkový rozměr z l0 na l = l0 + ∆l. Změnu délky materiálu s teplotou je pak dán následujícím vztahem: l = l 0 * (l + α * t ) Kde l je konečný rozměr, l0 je počáteční rozměr, α je součinitel roztažnosti a t je měřená teplota. [3]

-9-

Mluvíme-li o tyčovém teploměru, máme na mysli trubici, která má uvnitř tyč. Součásti jsou z různých tepelně roztažných materiálů. Trubice je z materiálu s velkou tepelnou roztažností, nejčastěji se používá mosaz. V mosazi je uložen materiál s malou tepelnou roztažností křemen nebo uhlík. Při změně teploty dochází k vzájemnému posunutí tyče a trubky což se převádí mechanickým převodem na ukazatel nebo na spínací kontakty. Tento druh teploměrů se v technické praxi využívá spíše k regulování teplot. K měření teplot se používají bimetalické teploměry. Princip jejich měření teploty je založen také na délkové roztažnosti tentokráte pásku, vzniklého podélným svařením dvou kovů s různými tepelnými roztažnostmi. Tzv. „dvojkov“ se vlivem měřené teploty deformuje a tato deformace se převádí přímo nebo pomocí mechanismu na ukazatel. Na obrázku č. 5 jsou ukázány různé druhy tohoto teploměru. Výhody bimetalických teploměrů: − jednoduchá obsluha a údržba, − odolnost proti otřesům, − velká teplotní setrvačnost, − nezávislost na zdroji cizí energie, − nízká cena. Nevýhody bimetalických teploměrů: − menší přesnost, − nemožnost měření povrchových teplot, − nemožnost měření teplot na dálku. [5]

Legenda: a) b) teploměry ploché, c) teploměr spirálový, d) teploměr šroubovitý

obrázek č. 5 Bimetalové teploměry [7]

- 10 -

Elektrické teploměry Dělí se na: − teploměry odporové, − teploměry termoelektrické. Odporové teploměry Odporové teploměry patří v dnešní době k nejrozšířenějším laboratorním i technickou praxí využívaným teploměrům. Pro měření odporové teploměry využívají závislost odporu materiálu na teplotě. Dají se použít pro široké rozmezí teplot od -200 °C až do 800 °C. Na výrobu teplotního čidla se nejčastěji používají odporové materiály jako je platina, nikl, měď, slitiny rhodia se železem aj. Nejjakostnějším materiálem je spektrálně čistá platina. Platinové odporové teploměry jsou mezinárodně uznávaným standardem pro teplotní rozsah -180 °C až 600 °C. Teploměry s měřicími odpory z niklu nebo z mědi se vyznačují menší přesností, menší stabilitou a malým teplotním rozsahem. Jejich hlavní výhodou je nižší cena a relativně snadná výroba. Uplatňují se proto na měřicích místech s nižšími nároky na přesnost. [5] Základní odpor R0 Někdy také nazývaný jmenovitý, má při teplotě 0 °C velikost 100 Ω, podle toho se v praxi používá označení Pt 100. V praxi se vyskytují i další provedení např. Pt 200 (200 Ω), Pt 500 (500 Ω), nebo také Pt 1000 (1000 Ω) při teplotě 0 °C. Poměr odporů Wt Tato hodnota vyjadřuje poměr elektrického odporu teploměru při teplotě „t“ a odporu při teplotě 0,01 °C (Wt = Rt / R 0,01). Rozdělení odporových teploměrů z hlediska konstrukce a použití − přesné (etalonové, laboratorní), − průmyslové (pracovní, provozní). Popis částí odporového teploměru Základními částmi odporového teploměru jsou: měřící odpor s vývody, vnitřního vedení s izolací, stonková trubice, hlavice (svorkovnice, konektor), popř. připojovací kabel. U průmyslových – provozních odporových teploměrů se po doplnění o ochrannou armaturu tento celek nazývá „odporový snímač teploty“. Jednotlivé části jsou znázorněny na obrázku č. 6 Odporový snímač teploty. - 11 -

obrázek č. 6 Odporový snímač teploty; L je jmenovitá délka teploty [5] Pro hlavici odporového teploměru a svorkovnici jsou použity rozdílné materiály. Svorkovnice musí být z keramického nebo podobného materiálu s dobrou tepelnou a mechanickou odolností, kdežto hlavice by měla mít jen dobré mechanické vlastnosti a měla by vydržet teplotu alespoň 150 °C. I proto se vyrábí z kovu. Přes svorkovnici se připojuje vedením k teploměru resp. snímači vyhodnocovací přístroj – převodník. Vedení mohou být dvou, tří nebo čtyř vodičová (+ zemní vodič). Důležitým požadavkem je vysoký izolační odpor spojovacího vedení. Přesná měření vyžadují spojení čtyř vodičová, nebo se také z důvodu snížení vlivu odporu spojovacího vedení můžou použít odporové snímače s vyšším základním odporem 500 Ω, nebo 1000 Ω. Odporové teploměry jsou zatíženy chybou způsobenou vznikem tepla (Jouleova tepla), které vzniká při průchodu měřícího proudu čidlem. Tato chyba značně ovlivňuje měření, nesmíme proto Jouleovo teplo zanedbat. Pro teploměry se základním odporem R0 = 100 Ω, za běžných podmínek způsobuje měřící proud 1 až 2 mA chybu měření menší než 0,05 °C. Pro přesnější měření je nutné dodržovat měřící proud udávaný v kalibračních listech teploměru. [5] - 12 -

Polovodičové odporové teploměry Polovodičové teploměry tzv. termistory pracují na principu teplotní závislosti polovodičových materiálů. Nejčastěji jsou používány fyzikální zákony založené na změně odporu, generování termoelektrického napětí a změně vlastního rezonančního kmitočtu. Méně často jsou využívány fyzikální principy změna kapacity a magnetické vlastnosti materiálů. Rozdělení polovodičových teploměrů − skupina pracující na bázi PN přechodů, − skupina pracující bez PN přechodů. Skupinu pracující na bázi PN přechodů tvoří diody a tranzistory. Tyto čidla měří úbytek napětí na PN přechodu při neměnném proudu. Jejich výhodou je téměř lineální charakteristika. [5] Skupina čidel pracujících na bázi bez PN přechodů má monokristalickou nebo polykrystalickou strukturu s polovodičovými vlastnostmi. Polykrystalické snímače jsou velmi rozšířené a zahrnují další tři skupiny. První z nich jsou NTC (negative temperature coefficient) termistory, tj. termistory s negativním součinitelem odporu. Zkráceně se tyto čidla nazývají negastory. Další skupinou jsou PTC (positive temperature coefficient) termistory, tj. termistory s pozitivním součinitelem odporu. I u těchto čidel se užívá zkrácený název pozistory. V praxi je nejvíce rozšířena skupina NTC termistorů, proto se jim budu dále věnovat. Své rozšíření si tato skupina zasloužila pro vysoké rozlišení měření teploty, které je způsobeno teplotním součinitelem odporu v celém měřícím rozsahu těchto čidel. Dalšími výhodami jsou velký odpor termistoru, který dovoluje zanedbat vliv odporů přívodu. Dále, toto čidlo se dá vyrobit v různých tvarech, rozměrech a také s různými hodnotami odporu. Použití NTC termistorů je v rozsahu od –100 °C do 200 °C. Vlastnosti PTC termistorů Základní vlastností této skupiny termistorů je jejich velký teplotní součinitel odporu, ale oproti NTC termistorům jen v úzké pracovní oblasti. Vzhledem k této skutečnosti se PTC termistory používají k měření teploty výjimečně. Díky velkému součinu odporu v úzké oblasti se využívají spíše v indikačních a ochranných zařízeních, např. jako teplotní pojistky. [5] - 13 -

Termoelektrické teploměry Podstata termoelektrických teploměrů vychází z využití termoelektrického jevu. Tento jev vzniká ve dvou elektricky vodivě spojených kovech při rozdílu teplot t a t0. V daném okamžiku v obvodě vzniká termoelektrické napětí E, které je měřeno připojeným milivoltmetrem popřípadě kompenzátorem. Termočlánek je tedy teploměr, převádějící teplotu na elektrické napětí. [7] Měření pomocí termočlánku probíhá následovně: jeden ze spojů termočlánku, tzv. srovnávací konec se udržuje na známé, nejlépe konstantní teplotě t0, druhý konec spoje tzv. měrný konec je umístěn v prostředí s měřenou teplotou t. Základní zapojení viz obrázek č. 7 Základní zapojení termočlánku. Měrný konec spoje je označen M, srovnávací konec spoje je označen písmenem S. Dále vidíme na obrázku termoelektrické napětí EMS (V). Pro přesná měření se teplota t0 udržuje na teplotě 0 °C.

obrázek č. 7 Základní zapojení termočlánku [4] Pro přesná měření je také vhodné použít voltmetr s vysokým vnitřním odporem. Pokud by takovýto voltmetr nebyl použit, docházelo by v důsledku procházejícího proudu k chybě měření. Termočlánky jsou ve své podstatě diferenčními měřidly, mohou se proto použít pro měření teplotních rozdílů. Při použití jako diferenční měřidlo odpadá srovnávací spoj. To znamená, že jsou oba spoje měřící a výsledné napětí je závislé na rozdílu naměřených teplot. Tímto způsobem se vyloučí chyba, která je u odlišných metod způsobena odečítáním blízkých hodnot. Další zvýšení přesnosti docílíme, zapojíme-li více termočlánků do série. Počet takto zařazených termočlánků se rovná násobku měřeného napětí. Termočlánek se pak nazývá sériový nebo násobný. [4]

- 14 -

Materiály termočlánků Pro splnění správných požadavků na materiály termočlánků byly vyzkoušeny různé varianty čistých kovů, slitin i nekovových materiálů. Z kovových materiálů se uplatnili: železo, měď, zlato stříbro, kobalt, mangan, chrom a další. Z nekovových látek se pro termočlánky uplatnily: uhlík, telur a karbid křemíku. Kombinací těchto materiálů vzniklo mnoho termočlánků s různými vlastnostmi. Termočlánky jsou proto nejuniverzálnější teploměry využívanými k měření teplot v rozsahu od –250 °C do 3000 °C. V technické praxi se nejčastěji používají následující termočlánky: − Termočlánek měď – konstantan (Cu – ko). Tento termočlánek se skládá z 99,9 % měděného vodiče a konstantanu (45 % niklu a 55 % mědi). Jeho výhodami jsou: dobrá časová stabilita a poměrně velká elektromotorická síla, cca 50 µV/°C. Nevýhody: poměrně složitá závislost elektromotorické síly na teplotě, vliv nečistot v mědi, oxidace mědi při nízkých teplotách (400 °C). Z těchto důvodů je tento termočlánek používán spíše k měření nízkých teplot. − Termočlánek železo – konstantan (Fe – ko). Termočlánek je tvořen z chemicky čistého železa a konstantanu. Výhodou tohoto termočlánku je jeho poměrně velká elektromotorická síla cca 60 µV/°C, dále pravidelná závislost na teplotě a malí vliv nečistot v železe. Díky jeho výhodám je použitelný v rozsahu –200 °C až 600 °C. − Termočlánek niklchrom – nikl (NiCr – Ni). Termočlánek niklchrom – nikl se skládá ze slitiny niklu 85 % a chromu 10 % a 95 % niklu. Zbytky v obou vodičích tvoří dezoxidační a jiné přísady. Výhody tohoto termočlánku jsou: poměrně velká elektromotorická síla cca 40 µV/°C, její lineární závislost na teplotě a dále vhodnost použití do 900 °C. Nevýhodou je malá odolnost v redukčním prostředí. − Termočlánek chromel – alumel (Ch – A). Tento termočlánek se skládá z chromelového vodiče – slitina 87 % Ni a 10 % Cr, a alumelového vodiče – 95,5 % nikl. Zbytky jsou různé přísady. Termočlánek chromel – alumel má podobné vlastnosti jako termočlánek niklchrom – nikl, jen s tím rozdílem, že je v redukčním prostření odolnější. - 15 -

− Termočlánek platinarhodium – platina (PtRh – Pt). Složení tohoto termočlánku je následující: jeden vodič je z fyzikálně čisté platiny a druhý ze slitiny 90 % platiny a 10 % fyzikálně čistého rhodia. Výhody tohoto termočlánku jsou: dobrá stabilita a pravidelná závislost elektromotorické síly na teplotě. Nevýhodou je poměrně malá elektromotorická síla, cca 10 µV/°C a malá odolnost v redukčním prostředí. Používá se v rozmezí od 0 °C do 1300 °C. [7] Na obrázku č. 8 jsou znázorněny průběhy termoelektrických napětí na teplotě všech uvedených termočlánků. Termočlánky a jejich značení Termočlánky, daného složení jsou barevně i písemně označovány. Příklady označení jsou uvedeny v tabulce 2. – Barevné a písemné označení termočlánků.

obrázek č. 8 Průběhy termoelektrického napětí různých termočlánků [7] tabulka 2. – Barevné a písemné označení termočlánků Název termočlánku Cu - ko Fe - ko NiCh - Ni Barevné označení Oranžová Černá Zelená Písemné označení T J -

Ch - A Žlutá K

PtRh - Pt Bílá R

Termoelektrické teploměry se vyrábějí v mnoho variantách viz následující obrázky.

Legenda: a) s jímkou b) do jímky c) tyčový obrázek č. 9 Termoelektrické teploměry ZPA [7]

obrázek č. 10 Termoelektrický teploměr tyčový pravoúhlý [7]

- 16 -

obrázek č. 11 Termoelektrický teploměr dotykový [7]

Odporové polovodičové teploměry Jsou to polovodičové snímače teploty založené na teplotní závislosti napětí PN přechodu v prostupném směru. Používají se buď diody, nebo tranzistory, u kterých se používá přechodu báze – editor. Na obrázku č. 12 Princip PN snímače je znázorněn princip PN snímače. Jedná se o změnu charakteristiky I–U diody v prostupném směru v závislosti na teplotě. Změna napětí odpovídá změně teploty při určitém proudu.

obrázek č. 12 Princip PN snímače [4] Přístroje pro elektrické snímače Elektrické teploměry, jak odporové tak termoelektrické se používají v technické praxi pro měření, sběr dat, i k regulaci teploty. Většinou se jedná o mnoho měřících a regulovatelných míst, proto se k čidlům přidává převodník, který převede signál čidla na signál standardizovaný (4 až 20 mA, 0 až 10 V nebo na digitální komunikaci). Signál je pak dále zpracováván. Stejně jako převod signálu se v dnešní době hojně používá ručních elektronických (digitálních) teploměrů. Většina těchto zařízení zahrnuje vyměnitelná teplotní čidla (ponorné, pro povrchovou teplotu a další). Přístroj sám vyhodnotí signál z čidla (včetně kompenzace teploty srovnávacího spoje u termočlánkových čidel) a výsledek zobrazí na displeji, popřípadě jej uloží do paměti nebo počítač. Přístroje jsou vyráběny ve dvou provedeních, jako jednoúčelové nebo jako víceúčelové (mohou měřit více veličin). Objevují se i přístroje s bezdrátovým přenosem signálu z čidla do přístroje. [4]

- 17 -

Metodické zásady montáže dotykových teploměrů Provedeme-li správně zásady montáže dotykových teploměrů bude zajištěna správnost měření. Základními zásadami jsou: − Výběr měřeného místa a vhodnost umístění čidla teploměru. − Dosažení dokonalého přestupu tepla mezi měřenou látkou a teploměrem; čidlo teploměru by se mělo vkládat do proudícího prostředí, nikdy však do tzv. mrtvých koutů v potrubí. − Nesmí docházet k působení teploměru na teplotu měřeného prostředí (odvádění tepla). − Nesmí docházet k přestupu tepla mezi teploměrem a sousedními tělesy. − Musí být zajištěn bezvadný stav měřícího zařízení a jeho ochrana před nejrůznějšími negativními vlivy. − Předcházení ochrany měřicího přístroje je jeho údržbou a kontrolou bezvadného stavu. − Při měření teplot termoelektrickými teploměry je nutné vykompenzovat kolísání teploty srovnávacích konců. − U odporových teploměrů je třeba používat kompenzační třívodičové zapojení. − Dále je nutné správně volit typ ochranné jímky. Vhodným typem se rozumí dostatečná hloubka ponoru, použití vhodného materiálu, vhodné technické zpracování, atd. [7] Speciální teploměry Princip těchto teploměrů je většinou založen na sledování určité změny (např. tvaru, barvy, apod.). K této specifické změně je pak možné přiřadit určitou teplotu, jež jí způsobila. Do skupiny speciálních teploměrů patří: − keramické žároměrky, − tavné indikátory teploty, − barevné indikátory teploty.

- 18 -

Keramické žároměrky Jsou to malé šikmé trojboké jehlánky vyrobené z keramických materiálů. Jejich specifickou vlastností je změna pružnosti a rozměrů při určitých teplotách (od 600 °C do 2000 °C). Deformace tělesa je závislá především na teplotě, ale má na ni vliv i časový průběh ohřevu (způsob a rychlost ohřevu). Deformace je nevratná. Měření probíhá následovně. Několik číselně označených jehlánků (značeno podle teploty) je umístěno na žáruvzdorné podložce do pece. Při dosažení odpovídající teploty se jednotlivé jehlánky zdeformují. [5] Viz obrázek 13 a 14.

obrázek č. 13 Žároměrky před použitím

obrázek č. 14 Žároměrky po použití [21]

Tavné indikátory teploty Jsou to tělíska z různých kovů nebo kovových slitin. Jejich tvar se mění v úzkém intervalu teplot (3 až 10 °C). Při dosažení určité teploty se roztaví. Tavné indikátory se používají v intervalu teplot 100 °C až 1600 °C. Barevné indikátory teploty Při měření teploty tyto indikátory změní barvu, ta odpovídá určité teplotě. Indikátory se mohou nanášet nátěrem na těleso před ohřevem nebo přímo na horké těleso. Kromě indikátorů v podobě barvy lze použít i barevný indikátor ve formě tužek, které jsou založeny na stejném principu jako indikátorové barvy. Barevné indikátory je možno použít pro měření teplot v rozsahu 40 °C až 1350 °C. [5] Bezdotykové teploměry Díky pokroku v elektronice a optice se v poslední době bezdotykové teploměry značně zdokonalily. Dříve tyto přístroje byly označovány jako radiační pyrometry nebo radiační teploměry, v současnosti jsou označovány jako IČ – teploměry. V minulosti se pyrometry používaly pro měření vysoké teploty, často v malých prostorech kam neměli přístup dotykové teploměry. Jednalo se o měření ve strojírenském průmyslu, především metalurgii, chemickém a silikátovém průmyslu (sklářství, cementárny, vápenky, atd.). V současnosti se s IČ – teploměry setkáme v potravinářství, elektrotechnice, papírenském průmyslu, farmaceutickém průmyslu a dalších. Teplota měření se posunula k nižším hodnotám, až pod 0 °C. [6] - 19 -

Základy bezdotykové pyrometrie Měření bezdotykových teploměrů pracuje na principu vyhodnocování tepelného záření těles. Tepelné záření je v podstatě záření elektromagnetické s širokým rozsahem vlnových délek, pro které platí řada fyzikálně popsaných zákonitostí. Např. se vzrůstající teplotou roste energie ve všech vlnových délkách. Pro určení maximálního vyzáření a pohlcení tepelného záření bylo zavedeno tzv. černé těleso. Toto ideální těleso pohlcuje všechno záření, které na něj dopadá, bez ohledu na vlnovou délku, směr dopadu polarizace. Jeho spektrální emisivita je rovna jedné. Černé těleso v praxi neexistuje. Intenzita vyzařování černého tělesa H0 závisí na jeho absolutní teplotě T a podle StefanBoltzmannova zákona platí: H = σ *T 4 Kde

σ = 5,67.10-3 W.m-2K-4

Skutečná tělesa vyzařují (i pohlcují) méně než černé těleso. Jejich spektrální hustota intenzity vyzařování Hλ je dána vztahem:

H λ = ε λ * H 0λ Kde ελ (1) je emisivita, neboli pohltivost pro danou vlnovou délku λ, ε < 1. Látky, které mají pro různou vlnovou délku různou emisivitu ελ, vykazují i různě velké odchylky od záření černého tělesa. Tyto tělesa nazýváme selektivními zářiči. Tělesa jejichž emisivitu považujeme za konstantní v dosti značném rozsahu vlnových délek nazýváme šedými tělesy s emisivitou ε. Emisivita povrchu tělesa má velký vliv na přesnost naměřeného výsledku. Proto je velmi důležité určit emisivitu povrchu tělesa pro danou vlnovou délku, se kterou pracuje bezdotykový teploměr. Přibližně lze emisivitu povrchu určit podle známého materiálu povrchu tělesa z tabulek. Pro přesnější stanovení emisivity se vychází ze známé teploty tělesa. Tato teplota se změří pomocí např. dotykového teploměru a pak se podle této teploty nastaví odpovídající emisivita. Další způsob je nanesení nátěru se známou emisivitou nebo nalepení tzv. termospotu na část tělesa. [6]

- 20 -

Ovlivnění přesnosti může způsobit i záření z okolí odražené měřeným tělesem do bezdotykového teploměru. Nerespektování zorného pole přístroje, taktéž negativně ovlivní výsledek měření. Měřené těleso

musí

vyplnit

(dokonce

i

přesáhnout)

minimální plochu udávanou výrobcem v závislosti na vzdálenosti tělesa od objektivu. Viz obrázek č. 15 Znázornění vhodné plochy pro snímání objektu termokamerou. Pro přesnější měření je vhodné zaměření tělesa, ať už hledáčkem nebo vestavěným laserovým ukazatelem. [4] obrázek č. 15 Znázornění vhodné plochy pro snímání objektu termokamerou [6]

Pyrometry na celkové záření

Jsou to zařízení pracující v oblasti vlnových délek od 0,3 µm. Jelikož pyrometry měří v široké oblasti vyzařovaného teplotního záření, jsou někdy označovány jako pyrometry radiační nebo úhrnné. Jelikož neměříme teplotu ideálního černého tělesa k jejímu vyhodnocení použijeme Stefan-Boltzmannova zákona pro šedá tělesa. Tento zákon můžeme vyjádřit následujícím vzorcem: H = ε *σ * T 4

Popis měření V předchozích odstavcích bylo popsáno, že objekty vysílají tepelné záření, toto tepelné záření se soustřeďuje optickým systémem na čidlo radiačního pyrometru. Optický systém pyrometru je většinou sestaven z čoček nebo zrcadel. Čidlem bývá nejčastěji baterie termočlánků (až 30 měřících spojů na ploše 4 mm2), dále bolometr (foliový odporový teploměr) nebo termistor. Vlnová délka by neměla ovlivňovat přijímač ani optiku. Tuto podmínku splňuje termočlánek i bolometr. Optika je volena podle měřícího rozsahu. Ten bývá standardně 600 °C až 2000 °C a 0 °C až 1000 °C. Na následujícím obrázku č. 16 Uspořádání radiačního pyrometru je znázorněno schéma uspořádání radiačního pyrometru. [6]

- 21 -

obrázek č. 16 Uspořádání radiačního pyrometru [6] Použitím vhodných polovodičových snímačů lze, ale jen v daném pásmu vlnových délek, dosáhnout vysoké citlivosti. Pro tyto přístroje je charakteristická nízká časová konstanta (10 – 2 s) a možnost využít je k měření teploty těles malých rozměrů (tělesaφ1,5 mm ze vzdálenosti 150 mm). Chyby způsobené při měření Všechny radiační pyrometry pracují s malými chybami, ale to jen v případech kdy se emisivita ε → 1. Pro splnění této podmínky musí být měřené prostory dobře uzavřené, měřené těleso by mělo být matné apod. Další podmínky pro správné měření teplot pyrometry. Musí být zaručeno, že na přijímač záření dopadá jen teplené záření měřeného tělesa. Zdrojem častých chyb je denní světlo, těleso ozářené slunce dokonce měřit nelze. [6] Monochromatické pyrometry Monochromatické pyrometry se používají k měření jen velmi úzké pásmo vlnových délek. Je to způsobeno spektrální propustností filtru, optiky nebo spektrální citlivostí detektoru, popř. jejich kombinací. V tomto případě je signál detektoru závislý na teplotě měřeného tělesa (zářiče), jenž má vlastnosti ideálního černého tělesa, dá vyjádřit Plackovým nebo Wienovým zákonem. Planckův zákon udává spektrální rozložení teplotního záření. Pro černé těleso je ve tvaru: H eλ 0 = H 0 (T , λ ) =

c1

λ

5

⋅

1

[W.m-3]

 Tc⋅2λ   e − 1    

H 0 (T , λ ) je spektrální hustota intenzity vyzařování, c1 a c2 jsou první a druhá

Kde

vyzařovací konstanta Wienův zákon udává závislost vlnové délky maxima vyzařování na termodynamické teplotě T. T ⋅ λ max = b Kde

[-]

b je hodnota konstanty Wienova zákona. [5] - 22 -

Pásmové pyrometry Tyto pyrometry využívají určitý pás spektra tepleného záření měřeného tělesa. Pás vlnových délek je podstatně širší než pás, který měří pyrometry monochromatické, ale je mnohem užší než pás vlnových délek, který měří přístroje pro celkové záření. Do této skupiny se dá zařadit většina pyrometrů vyráběných v současné době. Měřící rozsahy pásmových pyrometrů jsou velmi různorodé, např. (–50 až 600 °C), (0 °C až 1000 °C), (600 °C až 3000 °C) aj. Požadované pásmo vlnových délek se vymezuje použitím odpovídající optiky a optického filtru s odpovídající spektrální citlivostí detektoru. Jako čidla pásmových pyrometrů se používají fotoelektrické detektory, tj. fotonky, fotočlánky, fotodiody, fototranzistory a fotoodpory. Jejich výhodami je jejich rychlá reakce na změnu teploty a také možnost měření teploty malých těles. Pro zaměření i malých těles má většina vyráběných pásmových pyrometrů hledáček, jako např. u fotoaparátu. Dále mohou být pro zaměření tělesa vybaveny zdrojem laserového záření. Na obrázku č. 17 Typy snímání tělesa jsou zachyceny možnosti zaměření žádané oblasti na daném tělese.

obrázek č. 17 Typy snímání tělesa [6] Srovnávací pyrometry Srovnávací pyrometry jsou zařízení srovnávající záření daného tělesa se zářením pomocného zdroje. Součástí srovnávacího pyrometru je pomocný zdroj s konstantní teplotou, měřící odchylku od této teploty, nebo se teplota pomocného zdroje samočinně nastavuje tak, aby byla stejná jako teplota měřeného tělesa. Poměrové pyrometry Tyto pyrometry pomocí poměru dvou (popř. tří) intenzit vyzařování měřeného tělesa při známých vlnových délkách určují teplotu šedého tělesa a to aniž by se projevil vliv emisivity tělesa. Měření je založeno na jedné z metod určení spektrálního rozložení měřeného tělesa. [5]

- 23 -

3.4. Hospodaření energií 3.4.1. Legislativa Evropské unie a České republiky Ještě před vstupem České republiky do Evropské unie usměrňovala naše legislativa energetiku ke zkvalitňování a úsporám energií. Koncem 90. let byly připraveny dva základní zákony upravující oblast energetiky. Oba zákony, energetický zákon a zákon o hospodaření s energiemi navazovaly na evropskou legislativu. Vláda České republiky v roce 2004 schválila státní energetickou koncepci, která upravuje oblast energetiky až do roku 2030. Pro každý stát na světě, tedy i pro Českou republiku je prioritní zabezpečení dlouhodobé na funkčnosti energetického hospodářství. Z tohoto důvodu současná platná státní koncepce České republiky zdůrazňuje následující kroky. − Maximální nezávislost na cizích zdrojích energie, především na zdrojích energie z rizikových oblastí, maximálně možné zabezpečení spolehlivosti dodávek z cizích zdrojů. − Maximální bezpečnost zdrojů energie, včetně jaderné bezpečnosti, tj. spolehlivost dodávek všech druhů energie včetně racionální decentralizace energetických systémů. − Maximální zabezpečení udržitelného rozvoje, tj. ochrany životního prostředí paralelně s ekonomickým a sociálním rozvojem. 3.4.2. Cíle státní energetické koncepce V následujících bodech jsem se pokusil vysvětlit koncepci státní energetické koncepce. Body jsou seřazeny podle důležitosti. Maximální energetická efektivnost Maximální energetická efektivnost v technické praxi vyjadřuje: − dokonalejší

zhodnocení

energie

a

to

snížením

energetické

a

elektroenergetické náročnosti výroby. Hospodaření s energiemi je v České republice na nízké úrovni. Důvod proč je tomu tak vychází zřejmě z důsledků minulých let a režimu, kdy se nebrala zřetel na hospodárné využívání surovin a energií. [2]

- 24 -

Do maximální energetické efektivnosti dále patří: − vysoká účinnost energetické přeměny primárních energetických zdrojů z hlediska termodynamiky, a také zákonů o sdílení tepla, − maximalizace úspor tepla při provozu (především tepla vyrobeného k vytápění a ohřevu teplé užitkové vody) ve sféře veřejné správy, podnikatelských subjektů i u malých odběratelů (domácností), − maximalizace úspor elektrické energie a dalších energií za pomocí energeticky úsporných spotřebičů a zařízení a to ve všech oblastech, − snížení energetických ztrát v rozvodných energetických soustavách a uplatňováním optimální centralizace i decentralizace zdrojů tepla. Efektivní výše a struktura spotřeby prvotních energetických zdrojů Pro udržení energetické nezávislosti, bezpečnosti a další energetický „udržitelný“ rozvoj je nutné dodržovat optimální strukturu čerpání prvotních energetických zdrojů: − posilování a podporování výroby elektrické energie a energie tepelné z obnovitelných zdrojů, které využívají sluneční, vodní, větrnou, geotermální energii a biomasu, − optimální využívání všech vytěžitelných zásob hnědého a černého uhlí i dalších paliv, které se nacházejí na území ČR, při maximálním dodržování ochrany přírody a životního prostředí, − optimalizace podílu jaderné energetiky v rámci dlouhodobě bezpečného energetického mixu. Maximální šetrnost k životnímu prostředí Energetika ovlivňuje životní prostředí, proto se státní energetická koncepce dotýká i této oblasti. Pozornost je věnována především: − minimalizaci emisí mající negativní vliv na životní prostředí. V tomto případě se myslí emisemi látky, které jsou vypouštěné do ovzduší: oxid siřičitý, oxid dusíku, oxid uhelnatý, pevné látky a další organické látky vznikající při spalování; − minimalizaci emisí skleníkových plynů, zejména oxidu uhličitého v souladu s mezinárodními závazky ČR vyplívajícími především z Kjótského protokolu, − minimalizaci ekologického zatížení budoucích generací a minimalizaci ekologické zátěže z let minulých. [2] - 25 -

3.4.3. Dokončení transformace a liberalizace energetického hospodářství Přizpůsobení ČR tržnímu modelu energetického hospodářství rozvíjeného v rámci EU vyžaduje následující aktivity: − Dokončení transformačních opatření. − Vytvoření konkurenčního prostředí ve výrobě a distribuci všech druhů energií, čímž se bude směřovat k minimalizaci růstu cen paliv a energií. Dalším bodem je: − Vytvoření regulačního a podnikatelského prostředí, umožňující volbu dodavatele energie, čímž se docílí nezávislost subjektů na jednom konkrétním dodavateli. 3.4.4. Energetický zákon Energetický zákon upravuje podmínky podnikání, výkon státní správy, regulaci v energetických odvětvích a povinnosti fyzických a právnických osob s tím spojené. Vytváří tržní prostředí a otevírá trh s elektrickou energií a plynem. Zavádí a definuje příslušné instituce: Energetický regulační úřad a Operátora trhu. [2] 3.4.5. Zákon o hospodaření energií Preambule tohoto zákona uvádí „zákon stanoví práva a povinnosti fyzických a právnických osob při nakládání s energií, zejména elektrickou a tepelnou, a dále s plynem a dalšími palivy. Přispívá k šetrnému využívání přírodních zdrojů a ochraně životního prostředí v České republice, ke zvyšování hospodárnosti užití energie, konkurenceschopnosti, spolehlivosti při zásobování energií a k trvale udržitelnému rozvoji společnosti“. [23] Tento zákon stanovuje opatření pro zvyšování hospodárnosti užití energie. Opatření se týkají: − výrobců elektrické energie nebo energie tepelné a jejich výrobních zařízení, která musí splňovat minimální účinnost, − subjektů zajišťujících přenos elektrické energie, rozvedení tepelné energie a vnitřní elektrické energie a energie tepelné, − výrobců spotřebičů energie – stanovené energetické spotřebiče musí být označeny energetickými štítky klasifikujícími spotřebič z hlediska účinnosti užití energie, − vlastníků stávajících a nově realizovaných budov, kteří musí zajistit tepelnou ochranu budovy a minimalizovat provozní energetickou náročnost. V jednom z paragrafů tohoto zákona se můžeme dozvědět o kombinované výrobě elektřiny a tepla a dále o povinnostech jejího zavádění. [2] - 26 -

3.5. Ochrana ovzduší Ochrana ovzduší patří mezi základní cíle a úkoly každé země. Ovzduší je totiž základní složkou životního prostředí. Ochraně ovzduší rozumíme jako ochraně všech druhů ovzduší, jak toho vnějšího, tak i vnitřního, ovzduší pracovního a obytného, před škodlivými látkami. V České republice v posledních letech došlo k podstatnému zlepšení úrovně znečištění ovzduší, ale bohužel i tak je míra znečištění velmi vysoká oproti ostatním zemím Evropy. Hlavní příčinou je vysoký podíl výroby tepla a energie spalováním nekvalitních hnědých uhlí s vysokým obsahem síry. Ke znečištění ovzduší ve městech značně přispívá spalování tuhých paliv v místních topeništích a především automobilová doprava. Ochrana ovzduší zahrnuje nespočet činností např.: technologické, územně technické, ale dále také administrativní, do kterých spadají legislativní, správní, organizační, koncepční, kontrolní, ekonomické a další činnosti. Všechny zmíněné činnosti přispívají přímo či nepřímo ke zmírnění, zastavení růstu nebo dokonce ke snížení míry znečištění ovzduší. To všechno při rozvoji průmyslu, automobilové dopravy a dalších jevů ovlivňujících míru znečištění ovzduší. 3.5.1. Legislativa v ochraně ovzduší Obecná ochrana životního prostředí je definovat zákonem č. 17/1992 Sb. O životním prostředí. Tento zákon definuje a vymezuje základní pojmy a stanovuje základní zásady ochrany životního prostředí. Dále stanovuje povinnosti právnickým i fyzickým osobám při ochraně ovzduší a zlepšování stavu životního prostředí. Zákon vychází z principu trvale udržitelného rozvoje. Hlavní zásadou tohoto zákona je, že životní prostředí nesmí být lidskou činností zatěžováno nad míru únosného zatížení. Podle zákona č. 17/1992 Sb. je každý povinen předcházet znečišťování nebo poškozování životního prostředí. Dále je povinen minimalizovat nepříznivé důsledky své činnosti na životní prostředí. [7] Pro tuto diplomovou práci je důležitá vyhláška ministerstva životního prostředí č. 357/2002 Sb., kterou se stanovují požadavky na kvalitu paliv z hlediska ochrany ovzduší. Při spalování fosilních paliv, ale i dřeva a biomasy vznikají znečišťující látky, které jsou podle současné legislativy v ochraně ovzduší základními znečišťujícími látkami ovzduší.

- 27 -

Z důvodu snížení zatížení ovzduší emisemi jsou na moderní energetické zdroje stále vyšší požadavky upravující produkci emisí. V poslední době se objevil další faktor, který tyto zdroje musí respektovat, jedná se o trend omezování produkce CO2. Je to důsledek Lhotského protokolu, který požaduje omezení podílu uhlíku z fosilních paliv využívaného pro získávání tepla a elektrické energie. 3.5.2. Hlavní znečišťující látky vznikající při spalování Při spalování fosilních paliv, dřeva a biomasy vznikají znečišťující látky. Jedná se o následující látky: − oxid uhelnatý – CO, − oxid siřičitý – SO2, − oxid dusíku – NOx (suma NO + NO2, vyjádřená jako NO2), − tuhé znečišťující látky – tuhé částice ve spalinách, − organické látky. Původ těchto látek je spojen s palivem nebo s okysličovadlem. Do ovzduší se v uvedené formě tyto látky dostávají uvolněním tepla obsaženého v palivu spalovacím procesem. Palivo (tuhé nebo kapalné) se skládá ze tří základních složek, které tvoří tzv. hrubý rozbor paliva h +W + A =1 [kg*kg-1] Kde

h je tzv. hořlavina (část hmoty obsahující uvolnitelné teplo) W je voda obsažená v palivu A jsou inertní popeloviny v palivu

Hořlavina je tvořena 5ti prvky: C – uhlíkem, H – vodíkem, S – sírou, N – dusíkem a O – kyslíkem. Pro plynná paliva platí v předchozím textu uvedené skutečnosti jen se tím rozdílem, že hořlavinou h jsou hořlavé plyny, A jsou plyny inertní a W je vodní pára. Všechna fosilní paliva, dřevo i biomasa tedy obsahují tři základní prvky, které jsou zdrojem chemicky vázaného tepla: uhlík – C, vodík – H a síra – S. Hmotnostní poměr těchto prvků v palivu a jejich fázová forma (pevná látka, kapalina, plyn) rozhodují o způsobu uvolňování tepla z paliva. Uvolněné teplo také ovlivňuje konkrétní provedení příslušného spalovacího zařízení. Jednou ze složek tohoto tepla je i tzv. teplo latentní, které se dá využít v provozu kondenzačních zařízení. Jeho termodynamickým základem je proces kondenzace ve spalinách. Ochladíme-li spaliny pod hodnotu rosného bodu, pak toto teplo, jinak nevyužitelné, využít můžeme. [8]

- 28 -

3.5.3. Pojmy v oblasti ochrany ovzduší Jedním z hlavních pojmů této oblasti je znečišťování ovzduší. Tento pojem chápeme jako vypouštění neboli emise znečišťujících látek do atmosféry. Dalším pojmem v této oblasti jsou imise. Množství imisí udává míru znečištění ovzduší. Jedná se tedy o činnost nebo děj. Limitní množství emisí lze vyjádřit formou emisních limitů. Znečištění ovzduší tedy chápeme jako přítomnost těchto látek v ovzduší, imise v takové míře a době trvání, že se projevuje jejich nepříznivý vliv na životní prostředí. Mírou znečištění je množství imisí jednotlivých látek v daném místě nebo v oblasti v přízemní vrstvě atmosféry. Limitní množství imisí lze vyjádřit imisními limity. [7] Problematika imisí a dovolených imisních koncentrací je zpracována v Nařízení vlády č. 350/2002 Sb. Obecně platí, že čím delší je doba trvání příslušné koncentrace znečisťující látky v ovzduší, tím nižší je dovolená koncentrace této látky. Neomezené trvání koncentrace látky bez prokazatelného vlivu na lidský organismus je vyjádřeno tzv. ročním imisním limitem. Nejvyšší krátkodobou přípustnou koncentraci znečišťující látky vyjadřuje tzv. 1 hodinová maximální koncentrace. Pro každodenní vyjádření stavu znečištění ovzduší a také pro regulaci zdrojů znečištění se používají známé maximální přípustné 24 hodinové koncentrace. Pro hodnocení CO je zaveden tzv. 8hodinový klouzavý průměr. Nařízení vlády č. 350/2002 Sb. dále zavádí i tzv. meze tolerance. Jsou to hodnoty, o které mohou být v daném roce imisní limity překročeny. Pro účely ochrany zdraví lidí jsou imisní limity a meze tolerance stanoveny pro tyto látky: SO2, PM10 (frakce TZL menší než cca 10 µm), NO2, Pb, CO, benzen, Cd, NH3, As, Ni, Hg a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH). Pro ochranu ekosystémů jsou imisní limity stanoveny pouze pro NOx a SO2 ve formě ročních koncentrací. Imisní limity se uvádějí v hmotnostních koncentracích µg.m-3 nebo ng.m-3. Koncentrace emisí znečišťujících látek se vyjadřují buď hmotnostní koncentrací (mg.m3

, µg.m-3 nebo až ng.m-3 pro dioxiny) nebo u plynných znečišťujících látek objemovou

koncentrací v ppm (1 ppm znamená 1 miliontinu celku, tj. 1 cm3 znečišťující látky v 1 m3 směsi, respektive koncentraci znečišťující látky 10-4 %). Hmotnostní koncentrace je nutno uvádět a přepočítávat na normální podmínky (tlak a teplota), koncentrace objemové jsou na stavových podmínkách nezávislé. [8]

- 29 -

3.5.4. Mechanismus vzniku emisí a působení imisí V této části bude popsán mechanismus vzniku základních znečišťujících látek, vznikajících při spalování. Dále bude popsán mechanismus působení znečišťujících látek v ovzduší. Oxid uhelnatý – CO Oxid uhelnatý vzniká při nedokonalém spalování uhlíku. Příčinou nedokonale spáleného uhlíku je nedokonalé promísení paliva a okysličovadla (nedostatečný přísun O2 k palivu) a také nedodržení vhodných teplotových poměrů v pásmu probíhajících spalovacích reakcí. Na obrázku č. 18 je uveden vliv teploty na úplný přestup CO na CO2.

obrázek č. 18 Vliv Teploty na úplný přestup CO na CO2 [8] Emisní limit pro oxid uhelnatý (CO) je u spalovacích procesů velmi přísný. Důvodem je vyšší využití chemicky vázaného tepla v palivu a pak hlavně snížení emisí uhlovodíků ΣCxHy (z nichž zejména vysokomolekulární uhlovodíky často patří mezi karcinogenní látky). Tyto uhlovodíky tvoří při spalování hlavní část organických látek. Pro CO jako imisní limit platí 8 hodinový klouzavý průměr 10 mg.m-3 a je v porovnání s imisními limity ostatních znečišťujících látek přibližně o 2 řády vyšší. Oxid uhelnatý je jedovatý plyn, jehož vdechování i v mále koncentraci působí velmi nepříznivě na lidský organismus. V těle váže krevní barvivo a způsobuje tak ve vyšších dávkách smrt udušením, protože zabraňuje funkci krve jako dopravníku kyslíku v těle.

- 30 -

Oxid siřičitý – SO2 Vzniká při spalování hnědého uhlí a olejů, tj. u paliv obsahující síru. V palivu se může vyskytovat ve čtyřech hlavních formách: organické, pyritické, síranové a v případě plynů ve formě H2S (sirovodík). Pouze síra síranová se vyskytuje ve stabilní oxidované formě a není zdrojem znečišťující látky SO2. Nedojde-li při spalování k navázání síry na vhodné typy látek (aditiva), oxiduje síra v palivu na SO2. Vliv SO2 na prostředí Plynný oxid siřičitý SO2 negativně působí na rostliny, tím že narušuje jejich buněčnou stavbu. Nejvíce je jeho vliv znát na jehličnatých lesech. Druhotný vliv má SO2 na vodní srážky, které okysličuje. Při vsáknutí do půdy zvedá její kyselost, čímž klesá činnost půdních bakterií a návazně na to klesá půdní úrodnost. Dochází rovněž k okyselování vodních toků, zvláště při jarním tání. Čímž jsou zhoršovány podmínky pro život ve vodách. Vliv SO2 na zdraví člověka Podle nařízení vlády č. 350/2002 Sb. platí pro SO2 pro ochranu zdraví lidí tyto imisní limity: 1 hodinová maximální koncentrace 350 µg.m-3, 24 hodinová maximální koncentrace 125 µg.m-3, roční maximální koncentrace 50 µg.m-3. Pro ochranu ekosystému platí roční maximální koncentrace 20 µg.m-3. [8] Oxidy dusíku Emise oxidu dusíku vznikají při spalování ze tří hlavních důvodů a podle nich se nazývají: palivové vysokoteplotní a promptní. Palivové NOx – vznikají po spálení látek obsahujících dusík. Dusík během hoření oxiduje na oxid dusíku a odchází společně s dalšími produkty hoření do ovzduší. Tento druh oxidu dusíku může tvořit až 50 % z celkové produkce oxidu dusíku při spalování lehkých topných olejů a až 80 % při spalování hnědého uhlí. Vliv teploty a součinitele přebytku vzduchu při spalování uhlí na tvorbu oxidů dusíku je uveden na obrázku č. 20. Emise palivového NOx lze snížit používáním bezdusíkatých paliv, nebo používáním plynných paliv u kterých je výskyt palivových oxidů dusíku nulový. Termické NOx – tyto oxidy vznikají z molekul N2 obsažených ve vzduchu, který se účastní spalování. Oxidy vznikají při teplotách vyšších než 1100 °C , kdy atmosférický dusík N2 je rozštěpen a s přítomnými atomy kyslíku tvoří oxidy dusíku. Emise lez snížit vhodným uspořádáním spalování. - 31 -

Promptní NOx – tyto oxidy můžeme taká nazvat okamžitými, jelikož vznikají v nejvyšších teplotách v počáteční fázi hoření. Oxidy vznikají v minimálním množství a lze je snížit jen obtížně. [9]

obrázek č. 19 Vliv teploty a součinitele přebytku spalovacího vzduchu na tvorbu jednotlivých typů oxidů dusíku [8] Při spalování v ohništích vznikají tři různé oxidy dusíku, jsou to N2O, NO a NO2. Jako znečisťující látky jsou brány pouze NO a NO2. N2O – oxid dusný neboli „rajský plyn“ vzniká ve významnějším množství při nízkoteplotním spalování. Jeho působení souvisí se skleníkovým efektem, kde patří mezi významné plyny, zabraňující odrazu tepelné energie zpět od povrchu zemského do vesmírného prostoru. NO – oxid dusnatý je také jedním ze skleníkových plynů. Hromadí se v atmosféře a společně s ostatními skleníkovými plyny zabraňuje zpětnému odrazu tepelné energie od země zpět do vesmírného prostoru. Je to bezbarvý, relativné málo reaktivní plyn. Ve vnějším prostředí je oxidován na NO2. Dalším jeho negativem je, že vedle chloru a chlorovaných typů freonů je likvidátorem ozónové vrstvy. Při reakci s ozonem vzniká NO2 a kyslík O2. NO2 – oxid dusičitý přispívá společně s kyslíkem a těkavými organickými látkami k tvorbě přízemního ozónu a vzniku tzv. fotochemického smogu. Za smogových situací lze oxid dusičitý i vidět, jelikož je to červenohnědý plyn. V kombinaci s uhlovodíky a slunečním zářením oxid dusičitý vytváří ozón, organické peroxidy, polyakrylát (PAN) a další složky fotochemického smogu. [8]

- 32 -

Největším produkce NO2 je ze zdrojů s tlakovým spalováním, převážně ze spalovacích motorů. Atmosferické kotle produkují zanedbatelné množství NO2, z celkového dílu NOx je uváděno 5 %, ale obvykle to bývají jen 2 %. Oxid dusičitý je společně s oxidy síry součástí tzv. kyselých dešťů, které mají negativní vliv na vegetaci, stavby a dále na kyselost půdy a vodních toků. Důkazem a potvrzením předcházející věty je skutečnost, že oxid dusíku v ovzduší postupně přechází na kyselinu dusičnou (HNO3). Podle NV č. 350/2002 Sb. platí pro NO2 pro ochranu zdraví lidí tyto imisní limity: 1hodinová maximální koncentrace 200 µg.m-3 a roční maximální koncentrace 40 µg.m-3 a pro NOx pro ochranu ekosystému platí roční maximální koncentrace 30 µ g.m-3. Tuhé znečišťující látky Tuhé částice putují do ovzduší z paliv obsahujících popeloviny. Dalšími tuhými látkami putujícími do ovzduší jsou saze, které vznikají spalovacími procesy, u kterých dochází při rychlém ochlazení částic uhlíku k tvorbě amorfního uhlíku. Vznik sazí se zjišťuje pomocí Bacharachova testu kouřivosti. Na obrázku č. 20 Bacharachova stupnice je znázorněna závislost koncentrace sazí ve spalinách na sazovém čísle dle Bacharachovy stupnice.

obrázek č. 20 Bacharachova stupnice [8] Saze a popeloviny znečišťují povrch země, prvky obsažené v těchto látkách (olovo, mangan, arsen a další) ničí vegetaci a po usazení vyvolávají chemické a strukturální změny v půdě. U velkých zdrojů se odstraňování těchto nečistot provádí aeromechanicky a elektrostaticky, u menších zdrojů je odstraňování ve vývoji. Částice o velikosti aerodynamického průměru 10 µm mají vliv na zdraví lidí, proto jsou měřeny a limitovány. Tyto částice jsou nazývány tzv. frakcí PM10. %). Podle NV č. 350/2002 Sb. platí pro frakci PM10 pro ochranu zdraví lidí tyto imisní limity: 24hodinová maximální koncentrace 50 µg.m-3, roční maximální koncentrace 40 µg.m-3. - 33 -

Organické látky Tímto souslovím je myšlena celá řada látek, zejména pak uhlovodíkových sloučenin. Jelikož je pravděpodobnost těchto látek u běžně používaných fosilních paliv malá, je prováděna jen kontrola oxidu uhelnatého CO, která současně zaručuje přijatelně nízkou tvorbu organických látek. Naše legislativa předepisuje emisní limity pro organické látky jen u dřeva a biomasy. Z důvodu v nich obsaženého vysokého podílu prachových hořlavin. Zařízení určená pro spalování dřeva a biomasy musí být přizpůsobena pro spalování těchto paliv. [8]

3.6. Výměníky tepla Výměníky tepla jsou zařízení sloužící k průběžnému nebo přerušovanému předávání tepelné energie pomocí proudících teplonosných medií. [11] Výměníky lze rozdělit dle mnoha kriterií, např. dle počtu a uspořádání proudů (výměna tepelné energie mezi dvěma nebo více teplonosnými medii), dle charakteru výměny tepla (beze změny nebo se změnou fáze), dle způsobu použití (ohříváky chladiče, …), dle počtu teplosměných ploch: směšovací – teplosměnná ploch není – media se misí mezi sebou, regenerační – s jednou teplosměnnou plochou střídavě omývá teplý a studený proud, rekuperační – proudy odděleny teplosměnnou plochou. [11] 3.6.1. Rozdělení výměníků podle způsobu použití Ohříváky – jsou charakteristické zvyšováním teploty ohřívaného media, nedochází však ke změně fáze. Chladiče – ochlazované medium snižuje svou teplotu a to bez změny fáze. Výparníky a odparky – ohřívaná kapalná media se v nich mění v páru. Kondenzátory – parní fáze teplejšího media kondenzuje na kapalnou fázi – kondenzát. Přehříváky a mezipřehříváky (přihříváky) – slouží k ohřívání mokré, syté nebo přehřáté páry. Sušárny – přísunem tepelné energie se v pevných látkách snižuje vlhkost. Technické odplyňováky vody – parním ohřevem vody k bodu varu dochází k vylučování pohlcených plynů. Topná tělesa ústředního vytápění – otopné medium ohřívá okolní vzduch.

- 34 -

3.6.2. Rozdělení podle vzájemného směru a smyslu proudění teplonosných medií Podle tohoto rozdělení mohou být výměníky: Souproudé – směr os proudu ohřívacího a ohřívaného media je rovnoběžný a vektory rychlostí mají stejný smysl. Protiproudé – směry proudů jsou rovnoběžné, mají opačný smysl. Křižové – osy proudů jsou mimoběžné a v kolmém průmětu spoli svírají úhel 90°. Se šikmým vzájemným proudem – osy proudů svírají v kolmém průmětu spolu úhel větší nebo menší než 90°. Vícenásobně souproudé, protiproudé a křižové proudění. S kombinovaným prouděním. [10] 3.6.3. Rozdělení výměníků podle počtu teplosměnných Směšovací výměníky ohřívají chladnější tekutinu přímým přívodem tekutiny teplejší, tzn., že vytváří směs. Příkladem směšování je ohřev vody pomocí přiváděné páry. V regeneračním výměníku proudí podél stejné plochy střídavě ohřívací a ohřívané medium. Při průtoku ohřívacího media se v této ploše nebo náplni výměníku hromadí tepelná energie, která je předávána mediu ohřívanému. Tento princip se využívá např. v regeneračním větracím zařízení. Nejčastěji využívanými výměníky jsou výměníky rekuperační. Teplonosná media jsou v něm oddělena tzv. teplonosnou nepropustnou stěnou. [3] Podle kombinace teplonosných medií se v praxi vyskytují následující výměníky: voda – voda, pára – voda, pára – vzduch, pára – olej, spaliny – voda, spaliny – pára, spaliny – vzduch, atd. Bylo také vyrobeno velké množství typů výměníků, z nich nejpoužívanější jsou např.: bubnové (kotlové), deskové, trubkové, svazkové, šroubové, hadové žebrované, vlásenkové apod. [10] V další části budou popsány některé typy rekuperačních výměníků. [11]

- 35 -

3.6.4. Výměník typu trubka v trubce Podle názvu je patrné, že obě média proudí souběžně, ať už to souproudě nebo protiproudě v trubce nebo mezidruhovém prostoru. Typická ukázka tohoto typu je na obrázku č. 21 Výměník typu trubka v trubce, kde výměník trubka v trubce provedení Tetra Laval je určen pro použití v potravinářství a pivovarnictví. Maximální teplota u tohoto konkrétního typu je 180 až 200 °C při maximálním tlaku 5 MPa. Na obrázku je zřetelné vidět řešení zvýšení součinitele přestupu pomocí šroubovicově zvlněného povrchu. [11]

obrázek č. 21 Výměník typu trubka v trubce [11] Pro zvýšení součinitele přestupu tepla byla vyvinuta řada jiných uspořádání, např. ve formě dvoutrubek stočených do spirály či šroubovice, často se používají žebrované trubky (podélné žebrování). Dalšími prostředky zvyšování součinitele přestupu tepla se u výměníků s laminárním prouděním osvědčují vložky ve formě zkroucených pásků (twisted tape – šroubové plochy, působící jako mixery nebo investory), nebo zvlněné plechové pásky orientované ve směru osy trubky (pulsátory) a další. 3.6.5. Výměníky trubkové (kotlové) Tento typ výměníku je univerzální, dá se použít pro kapaliny i plyny a to i k fázovým změnám, tzn. dá se použít jako kondenzátor nebo výparník. Dobře pracuje i s vyššími tlaky a teplotami. Vzájemná orientace proudů se v jednotlivých částech výměníku mění (v jedné části je souproud, v dalších protiproud nebo křižový tok). [11]

obrázek č. 22 Trubkový (kotlový) výměník [11] - 36 -

3.6.6. Fieldův výměník Princip Fieldova výměník spočívá ve výměně jednoduchých trubek, za dvojtrubky. Kde vnější, na konci zaslepené trubky, jsou zaválcovány do jedné trubkovnice a do nich zasunuté a na konci otevřené vnitřní trubky jsou připojeny k druhé trubkovnici, viz obrázek č. 23 Fieldův výměník. Medium tak protéká nejdříve vnitřní trubkou, na jejím konci se obrací a putuje zpět mezikružím. [11]

obrázek č. 23 Fieldův výměník [11] 3.6.7. Výměníky spirálové Principem tohoto výměníku je oběh media, které zpravidla proudí v protiproudu ve spirálově zakřivených kanálech. Zakřivení přitom zvyšuje intenzitu přestupu tepla a současně snižuje kritickou hodnotu Reynoldsova čísla způsobujícího přechod do turbulentního proudění. Tvrzení o snížení kritické hodnoty Reynoldsova čísla udává firemní literatura Tetra Laval. [11]

obrázek č. 24 Spirálový výměník [11] Nevýhodou spirálových výměníků je omezení velikosti tlaku a u některých starších provedení možnost netěsností. Výhodou je jejich teplosměnná plocha, která je při zachování stejného objemu jaké mají trubkové výměníky větší. Hlavními výhodami jsou však nízké tlakové ztráty a malý sklon k zanášení. Tyto vlastnosti umožňují použít spirálové výměníky pro ohřev vláknitých materiálů ze zpracovatelského např. papírenského průmyslu. [11] - 37 -

3.6.8. U

Výměníky deskové

deskového

výměníku

proudí

media

ve

štěrbinách mezi na sobě naskládanými deskami. Desky jsou vytvarovány tak, aby přestup tepla byl co nejvyšší a zároveň aby nedocházelo k zanášení teplosměnných ploch. Zanášení teplosměnných ploch je u deskových výměníků ve srovnání např. s trubkovými zanedbatelné, viz obrázek č. 25 Porovnání zanášení deskových a trubkových výměníků

obrázek č. 25 Porovnání zanášení deskových a trubkových výměníků [11]

Desky těchto výměníků jsou lisovány z nerezových plechů. Mají v rozích čtyři otvory, pro každý kanál jsou vždy dva otvory funkční a druhé dva oddělené od průtočného kanálu těsnící lištou. Způsob těsnění a tvarování desek je stále předmětem zdokonalování. Netěsnosti jsou totiž hlavní příčinnou malé rozšířenosti v chemickém průmyslu. V ostatních oblastech jsou poměrně časté, z důvodu kompaktnosti (teplosměnná plocha je při srovnání se stejně objemným spirálovým výměníkem větší). Dalším důvodem je cena, která je díky sériové výrobě desek nižší než např. u trubkových výměníků.

obrázek č. 26 Deskový výměník [11]

- 38 -

3.6.9.

Výměníky se stíraným povrchem

Výměníky se stíraným povrchem se používají pro zpracování vysoce konzistentních pastovitých látek, které nezpracují deskové nebo spirálové výměníky. Nebo když je třeba zpracovat látky termolabilní. Pak se použije těchto výměníků, jejichž teplosměnná plocha je stírána rotujícími noži. Výhody výměníků se stíraným povrchem, kterým se také říká votátory, se projevují v potravinářských technologiích, např. při zmražování krémů, k zašlehání inertních plynů při výrobě inertních pěn atd.

obrázek č. 27 Výměník se stíraným povrchem [11] 3.6.10. Deskožebrované kompaktní výměníky Deskožábrované výměníky se mohou také nazývají kompaktními, protože jejich měrná teplosměnná ploch je větší než 700 m2/m3. Díky vysoké hodnotě specifického povrchu se používají spíše jen pro plyny a nižší tlaky. Nesmí se v nich používat materiály způsobující korozi, nebo materiály s tendencí k zanášení. [11]

obrázek č. 28 Deskožebrovaný kompaktní výměník [11] - 39 -

3.6.11. EKOblok EKO blok je technologický celek pro snížení energetické náročnosti se zpětným získáváním tepla a čištěním zplodin, které vznikají při pečení v provozu pekáren. Je tvořen nerezovým výměníkem a myčkou spalin. Popis principu EKObloku Odpadní plyny ze zařízení vyrábějících teplo jsou vedeny do EKObloku. V EKObloku jsou nejdříve vedeny do výměníku tepla, kde ohřívají topnou vodu. Topnou vodou může být pak např. ohřívána vyrovnávací nádrž. Podle potřeby se může naakumulovaná tepelná energie z nádrže odebírat. Dále se voda může využít k přihřívání TUV. Odpadní plyny které odevzdaly část své tepelné energii jdou z výměníku do myčky spalin, kde se dále ochlazují, to asi na 50 °C. Ochlazování spalin je prováděno sprchováním, čímž se neutralizují kyselé složky. Při opuštění EKObloku mají spaliny teplotu asi 40 °C a neobsahují kyselé složky. Procentuální podíl CO2 ve spalinách je 3 a 6 obj. % na výstupu EKObloku (neředěno). Tyto výsledky jsou potvrzeny různými měřeními.

obrázek č. 29 Schéma EKObloku

- 40 -

3.6.12.

Požadavky na výměníky

Hlavními požadavky na výměníky tepla jsou: − co nejmenší rozměry, hmotnost a cena výměníku, − co nejmenší tlakové ztráty (čerpací práce), − co nejvyšší spolehlivost provozu. První dva požadavky se týkají navržení nového výměníku nebo výběru výměníku existujícího. Jelikož se ale tyto dva požadavky vylučují, je konečné řešení vždy kompromisem mezi těmito body. Výběr z více řešení, posuzovaných z těchto hledisek, pak představuje optimální navrhovanou variantu. S nejvyšší provozní spolehlivostí je počítáno při konstrukčním návrhu, popřípadě při výrobě výměníku. Velký podíl na ní má však dobře a často vykonávaná údržba. Spolehlivost je dána minimální poruchovostí a snadnou opravitelností výměníku. [10] 3.6.13. Požadavky na pracovní (teplonosné) média Požadavků na pracovní teplonosné médium je mnoho, počínaje velkou měrnou kapacitou, vysokým měrným výparným teplem, vysokým součinitelem tepelné vodivosti, přes nízkou viskozitu, zdravotní nezávadnost až k nízké ceně. Komplexně splňují nejlépe většinu požadavků voda a vodní pára. Určitými negativy je jejich korozní působení a také možný vznik nánosů solí obsažených ve vodě na výhřevné ploše. Pro přenos tepla s vysokou teplotou do 900 °C se v energetice používají tekuté kovy, např. směs dusíku a draslíku. Tyto slitiny mají sice vysokou tepelnou kapacitu, dobrou tepelnou vodivost i přestupní součinitel, ale jsou provozně problematické. Při jejich ochlazení v zařízení ztuhnou, proto se při odstavování zařízení musí včas vypustit. Vzduch, spaliny popř. jiné plyny mají při přenosu tepelné energie bohužel nevýhodu v nízké měrné tepelné kapacitě, tepelné vodivosti a také v nevyhovujícím součiniteli přestupu tepla. Z toho vyplývá, že se při jejich použití musí volit velké objemové průtoky a velké výhřevné plochy výměníků. O volbě teplonosné látky a jejich parametrech rozhoduje, pokud tedy tyto údaje nejsou striktně zadány předem, ekonomická rozvaha nalezení minima investičních a provozních nákladů na předepsanou jednotku tepelné energie. [10]

- 41 -

3.6.14. Výpočet výměníku tepla Pokud bychom navrhovaly nový výměník tepla, museli bychom vypočítat velikost potřebné teplosměnné plochy pro zadaný nebo požadovaný teplotový režim a dále velikost tepelného výkonu (Pt). Při použití existujícího typu výměníku bychom museli změnit technologické tepelné požadavky, abychom dostali řešení při jiných teplotových poměrech. Z rovnice zachování energie plyne, že tepelný výkon (Pt) odevzdaný ve výměníku ohřívacím mediem se rovná tepelnému výkonu přivedenému ohřívanému mediu zvětšené o tepelné „ztráty“ (Pz). Při předběžném výpočtu výměníku se „ztráty“ neuvažují. Zahrnují se až do výpočtu velikosti výměníku. Předchozí věty jsou matematicky zapsány následovně:

(

)

(

)

Pt = Qm1 .c p1 . t1´ − t1´´ = Qm2 .c p2 . t 2´ − t 2´´ + Pz Kde

Q m1 , Q m 2 jsou hmotnostní průtoky ohřívacího a ohřívaného media

[W] [kg.s-1]

c p1 , c p2 jsou měrné tepelné kapacity ohřívacího a ohřívaného media [J.kg-1.K-1] t1 ´ t1´´

je teplota ohřívacího media vstupujícího do výměníku je teplota ohřívacího media vystupujícího z výměníku

t2 ´ t2´´

je teplota ohřívaného media vstupujícího do výměníku je teplota ohřívaného media vystupujícího z výměníku

Současně platí rovnice pro sdílený tepelný výkon (Pt) teplosměnnou plochou (S): Pt = k .S .∆t s log Kde

[W]

k je součinitel prostupu tepla

[W.m-2.K-1]

S je teplosměnná plocha výměníku

[m2]

tslog je střední logaritmický rozdíl teplot

[K]

Rozdíl teplot podél teplosměnné plochy S se obecně mění a to nejen s rostoucí velikostí této plochy S, ale také podle směru proudění obou tekutin (souproud, protiproud, křížové proudění). Z tohoto důvodu se hledá adekvátní rozdíl teplot, který lze přiřadit celé teplosměnné ploše. Následující rovnice stanovuje, že se rozdíl teplot ∆t x podél teplosměnné plochy S mění podle exponenciálního zákona. Po tomto zjištění lze dále určit adekvátní rozdíl teplot ∆t charakterizující teplotní podmínky celé teplosměnné plochy. [3] ∆t x = ∆t´.e −ϕkSx

- 42 -

3.7. Kotle Základním zařízením realizujícím výměnu tepla mezi spalinami a pracovním mediem je kotel. V kotli probíhá prostřednictvím spalovacího zařízení hoření paliva, jinak řečeno dochází k uvolňování tepelné energie chemicky vázané v palivu. [7] 3.7.1.

Základní dělení kotlů

Kotle můžeme rozdělit do mnoha skupin. Rozdělení se provádí dle pracovních medií, dle spalovaných medií, konstrukčního řešení a dalších. Podle ČSN 07 0240 se dělí kotle na tři základní skupiny: − Teplovodní a nízkotlaké parní kotle – podle ČSN 07 0240 „Teplovodní a nízkotlaké parní kotle. Základní ustanovení“. − Horkovodní kotle – podle ČSN 07 0021 „Horkovodní kotle. Typy a základní parametry“. − Parní kotle – podle ČSN 07 0020 „Parné kotly. Typy a základné parametry“. Podrobnější dělení kotlů určuje norma ČSN 07 0000 "Názvosloví parních a horkovodních kotlů". V souladu s touto normou bude rozdělení kotlů: − podle druhu paliva a spalovacího zařízení na: − kotle s ohništěm pro spalování pevných paliv, − kotle s ohništěm pro spalování kapalných paliv, − kotle s plynovým ohništěm, podle pracovního média na: − kotle teplovodní s teplotou vody do 115 °C, − kotle horkovodní s teplotou vody nad 115 °C, − kotle parní, podle tlaku páry na: − nízkotlaké kotle do přetlaku páry 0,07 MPa (70 kPa), − středotlaké kotle s přetlakem páry od 0,07 do 1,6 MPa.

- 43 -

Další kritéria pro dělení kotlů mohou být následující: podle kotlové konstrukce: − konvenční, − nízkoteplotní, − s využitím spalného tepla (kondenzační), podle materiálu kotlového tělesa: − litinové, − ocelové, − z jiných materiálů (nejčastěji slitina hliníku), podle možnosti instalace: − stacionární, − závěsné (nástěnné), podle využívaného zdroje energie: − kotle na dřevo, − kotle na dřevěný odpad, piliny, štěpky, brikety, − kotle na tříděný a slisovaný papírový odpad, − kotle na slámu, biomasu, − kotle na uhlí, kotle na koks, − kotle na plynná paliva, − kotle na tekutá paliva, − elektrokotle, − kotle s částečným využíváním solární energie, − lze sem zařadit také kogenerační jednotky. [7] 3.7.2.

Obecné provozní požadavky na kotle

Všechny typy kotlů musí splňovat následující požadavky: − uvedení tepelného výkonu na štítku kotle, − dodržení normou stanovené tepelné účinnosti, − dodržování snižování emisních limitů škodlivin, − bezpečného a hygienického provozu.

- 44 -

3.8. Hořáky Prostřednictvím hořáků nebo spalovacích roštů probíhá v kotlích spalování přiváděného paliva. Konstrukce spalovacího zařízení kotlů se zásadně liší podle druhu a způsobu spalování paliv. V našem případě bude spalován plyn nebo olej, budu se proto věnovat hořákům, ne roštovým ohništím. 3.8.1. Rozdělení plynových hořáků Hořáky můžeme rozdělit dle následujících hledisek: Rozdělení dle tlaku zemního plynu − nízkotlaké hořáky (zemní plyn s přetlakem do 5 kPa), − středotlaké hořáky (zemní plyn s přetlakem v rozsahu od 5 do 400 kPa). Rozdělení dle spalovacího vzduchu do hořáku − hořáky ejekční (vzduch je do hořáku přiváděn ejekčním účinkem zemního plynu), − hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu (vzduch je přiváděn nuceně většinou radiálním ventilátorem). Rozdělení hořáků dle způsobu směšování plynného paliva se vzduchem − hořáky bez předmísení plynu a spalovacího vzduchu před vstupem do spalovací ho prostoru, − hořáky s částečným předmísením plynu a vzduchu, − hořáky s úplným přemísením plynu a spalovacího vzduchu. Rozdělení dle způsobu spalování plynovzdušné směsi − hořáky s volnými plameny, − hořáky s keramickými spalovacími kanály, − hořáky se spalováním na povrchu keramických desek, − hořáky se spalováním v uzavřeném prostoru. [12] Měřené tepelné systémy obsahovaly tzv. blokové hořáky plynových kotlů. Proto se také těmto zařízením budu věnovat v následujícím textu.

- 45 -

3.8.2. Blokové hořáky Blokové hořáky patří do skupiny hořáků s nuceným přívodem spalovacího vzduchu. Uspořádání funkčních prvků ve skříni hořáku je následující. V zadní části hořáku je většinou uložen radiální ventilátor vytvářející přetlak vzduchu. Díky přetlaku se mísí spalovací vzduch a plynné palivo. Energie dodávaná ventilátorem je také použita na překonání odporů vznikajících ve spalovacím prostoru spotřebiče. Hodnota přetlaku zemního plynu se u těchto hořáků pohybuje v mezi 2 až 30 kPa. Přetlaky spalovacího vzduchu vznikající činností ventilátoru. Ventilátor umožňuje použití blokových hořáků i pro přetlaková topeniště. Ale častěji se používají pro otop plynových kotlů malých a středních výkonů. Dále se tyto hořáky využívají pro sušárny, pekařské pece, ohřívače vzduchu a jiné spotřebiče. V blokových hořácích nedochází k směšování zemního plynu se vzduchem, směšování probíhá v ústí hořáku při současném spalování vytvořené směsi. Plamen v blokových hořácích hoří volně. Regulace těchto hořáků je individuální automatická, proto jsou někdy tyto hořáky označovány za hořáky automatické. Automatika hořáku je konstruována na bázi mikroprocesorů. Komunikace automatického celku s okolím je možno provádět více způsoby: − manuálně, − prostřednictvím nadřazeného počítače, − dálkově. Standardní provedení automatiky hořáku umožňuje provádět např.: − startovací cyklus s provětráváním spalovacího prostoru a kontrolou těsnosti ventilů, − regulaci výkonu hořáku, − regulaci spalovacího poměru, − zobrazení informací o okamžitém provozním stavu hořáku (větrání, kontrola těsnosti ventilů, doba do zapálení plamene, zvyšování a snižování výkonu apod.), − zobrazení posledních poruchových stavů hořáku, − zobrazení úrovně ionizačního proudu hlídače plamene, − uzavření sání vzduchu při provozní odstávce pro snížení ztráty výkonu spotřebiče. [13]

- 46 -

Na obrázku č. 30 Schéma blokového hořáku je rozkreslen plynový blokový hořák s regulačními a bezpečnostními armaturami.

obrázek č. 30 Schéma blokového hořáku [13] 1 - přívod vzduchu, 13 - plynová tryska, 2 - ventilátor, 14 - směšovač, 3 - el. motor, 15 - zapalovací elektroda, 4 - vzduchový termostat, 16 - plynová regulační klapka, 5 - skříň automatiky hořáku, 17 - plynový magnetický ventil, 6 - kabel zapalovací elektrody, 18 - plynový magnetický ventil, 7 - pozorovací otvor, 19 - regulátor tlaku plynu, 8 - příruba hlídače plamene, 20 - uzávěr plynu, 9 - příruba hořáku, 21 - plynový filtr, 10 - ústí hořáku, 22 - plynový termostat, 11 - stabilizátor plamene, 23 - pohon regulačních klapek, 12 - hlídací elektroda, 24 - ústrojí pro seřizování spalovacího poměru

Na obrázku č. 31 Blokový hořák Weishaupt WG 40 je rozkreslen moderní blokový hořák od firmy Weishaupt.

obrázek č. 31 Blokový hořák Weishaupt WG 40 [22] - 47 -

3.9. Pekařské pece Pekařská pec je zařízení, ve kterém vykynuté chlebové, rohlíkové, nebo jiná těsta získávají finální podobu. V peci probíhá pečení za daných teplot a vlhkosti během určitého časového úseku. Chléb se peče při teplotách 230 až 290°C. V průběhu pečení teplota klesá na 200 °C a v posledním časovém úseku, při tzv. dopékání, se teplota nepatrně zvýší. Na začátku pečení při zapaření chleba je v peci nejvyšší vlhkost, je to z důvodu popraskání chleba. Pára se na vykynuté těsto nechává působit 1 až 2 minuty. V periodických pecích se po stanovené době odvětrá. V pásových (průběžných) pecích těsto po potřebné době opouští zapařovací zónu, která je oddělena clonou a pokračuje dále do pece. Pec je nejdůležitějším prvkem pekáren. [15] 3.9.1. Rozdělení pecí je následující Podle způsobu činnosti na:

− periodické, − kontinuální.

Podle pohybu pečné plochy: − pece s nepohyblivou plochou, − pece s pohyblivou pečnou plochou. Podle použitého materiálu:

− kovové, s tepelně izolovaným tělesem pece, − zděné.

Podle přenosu tepla do výrobku:

− radiační, − konvenční.

Podle způsobu sázení těsta do pece: − sázecí. − vozíkové. [15] Pekařská pece také můžeme rozdělit podle způsobu sázení pečiva a to na: − pece sázecí s pevnou nístějí neboli skříňová etážová (pečivo, převážně chleb, se sází na nístěj pece bez podložky lopatou), − pece vozíková (pečivo je uloženo na vozík s několika etážemi, po dokončení pečení je vozík s pečivem z pece vysunut), − pece rotační vozíková (pojízdný vozík s několika etážemi se v peci při pečení otáčí), − pece s pohyblivou nístějí, − pece pásové (průběžné pece s nekonečným pásem a automatickým sázením těsta k pečení). - 48 -

Skříňové etážové pece Skříňové etážové pece můžou mít pečnou plochu až 40 m2. Tento údaj se ale se změnou druhu pečeného výrobku může měnit. Pro pekařské výrobky s větší výškou bude pečná plocha pece menší, než když se budou péci výrobky nižší při zachování stejných rozměrů pece. Skříňové etážové pece se využívají v malých a středních pekárnách.

obrázek č. 32 Skříňové pece v provozu [15]

Rotační vozíková pece Jak už bylo popsáno v rozdělení, rotační vozíkové pece jsou vybaveny vozíkem s několika etážemi. Důvodem sestrojení rotačních vozíkových pecí bylo zjednodušení manipulace s těstem při vkládání před pečením a pro vyskladňování po pečení. Rotační pec se dále vyznačuje vsazením otočného zařízení, pomocí kterého se vozík s několika etážemi v peci otáčí kolem svislé osy. Rotací je dosaženo rovnoměrné pečení výrobků. Skříňové etážové pece jsou znázorněny na obrázcích č. 33 Nákres rotační vozíkové pece a č. 34 3D model rot. pece [14]

obrázek č. 33 Nákres rotační vozíkové pece [14] obrázek č. 34 - 3D model rot. pece - 49 -

Pásové pece Tento typ pekařských pecí se používá ve velkých průmyslových pekárnách. Pásové pece jsou vhodné pro pečení rozměrnějších druhů pečiva, ale může se v něm péci po provedení technických úprav téměř všechno pečivo. Na obrázku č. 35 Schéma pásové pece je znázorněna pásová pec a k ní je proveden detailní popis součástí. Jednou z nejdůležitějších součástí je nekonečný pás zhotovený s hustého kovového pletiva. Roztažnost je korigována napínacím zařízením. Výhody pásových pecí: jednoduchost konstrukce, univerzálnost, kontinuální výroba a vysoká výkonnost na 1m2. Ale jsou tu i nevýhody jako např. velká půdorysná plocha, vyšší spotřeba páry a horší regulovatelnost teploty. [16]

obrázek č. 35 Schéma pásové pece [16] 1: hořák 2: hořáková komora 3: směšovací komora 4: regulace teploty v horním a dolním radiátoru 5: rozvodný kanál horkých splodin 6: vratný kanál ochlazených spalin 7: sběrná komora ochlazených spalin 8: cyklotermický ventilátor topného systému s řízenými otáčkami 9: výfuk spalin z topného systému 10: bezpečnostní větrací klapka 11: horké spaliny 12: ochlazené spaliny

- 50 -

13: hradítko regulace odtahu přebytečných par z pečné komory 14: výfuk odtahu par z pečné komory 15: dvojité nerezové parní trubky se 100% odloučením kondenzátu 16: nahlížecí okénko 17: osvětlení prostoru pečení 18: nosník s izolační vložkou 19: tepelná izolace 20: dopravní síťový pás 21: násuvná převodovka pohonu pásu 22: mechanické napínání pásu závažím 23: stranová regulace pásu 24: výsuvné lapače nečistot

Způsoby vyhřívání pekařských pecí Pekařské pece se v současnosti vyhřívají plynem, elektřinou nebo termoolejem. Pokud se k vyhřívání použije elektrická energie, tak se pec vyhřívá odporovými tělesy. Výhodami ohřevu odporovými tělesy je ekologické vyhřívání bez škodlivých zplodin, rychlý start zařízení a lepší regulace teploty. Změna elektrické energie v tepelnou probíhá v již zmiňovaných odporových tělesech. Spotřebované množství tepla se vypočítá podle následujícího vztahu: Q = R.I 2 .t Kde

[J]

R – je odpor vyhřívacího tělesa I – je odebíraný proud t – je čas práce

Pece vyhřívané plynem jsou v současné době, kvůli úsporám energie, většinou všechny cyklotermické. V plynových cyklotermických pecích dochází k návratu části spalin a horkého vzduchu, které již odevzdaly část své tepelné energie zpět do spalovací komory. Ve spalovací komoře se spaliny mísí s čerstvým horkým vzduchem. Po promísení směs putuje do vyhřívacího systému. Ohřev pečného prostoru v plynových pecích je vždy nepřímí. [16] Pokud je pec vyhřívaná termoolejem, dochází k předávání tepelné energie od plynového hořáku do termooleje, který tepelnou energii předává v peci přes teplosměnné plochy pekařským výrobků. Termoolej o teplotě cca 290 °C proudí v topných radiátorech podobně jako v teplovodním topení. Jelikož má termoolej téměř stejnou teplotu jako pečná komora (rozdíl 10 až 20 °C), dochází tak k jemnému sálavému pečení – podobně jako u parních pecí. [17]

obrázek č. 36 Princip ohřevu termooleje [17] - 51 -

4. PRAKTICKÁ ČÁST 4.1. Popis pekáren ADÉLKA a.s. Pelhřimov První měření tepelných ztrát bylo provedeno dne 4. listopadu 2009 v pekárnách ADÉLKA a.s. Pelhřimov. Pekárna ADÉLKA a.s. byla založena 1. dubna 1990. Za dvacet let své existence si společnost vybudovala moderní technické zázemí se silnou autodopravou a víc než deseti prodejnami. V rámci inovací v minulých letech proběhla modernizace výrobny hotových jídel a lahůdek. Také cukrárna s chlebovou a rohlíkovou linkou byly inovovány. Spolu s inovací pekárenského provozu byla instalována moderní technologie na využití odpadního tepla pecí. Dále byl vybudován vlastní zdroj tepla – plynová kotelna. Všechny tyto technologie dodala firma KORNFEIL s.r.o. 4.1.1. Popis systému vytápění Technická místnost (kotelna) je řešena jako samostatná místnost (stavebně oddělená od výrobní haly). Je v ní umístěn kotel ohřívající topné medium (termoolej), související strojovna termooleje, výměníky odpadního tepla, úpravna vody a filtr patřící k lince etážových pecí. 4.1.2. Popis termoolejového kotle Kotel pro ohřev termooleje má označení OK – 500 VER. Toto označení popisuje průtočný nízkotlaký ohřívač s maximálním výkonem 500 kW. Ohřívač je osazen blokovým plynovým hořákem WEISHAUPT WG 40. Hořák je seřízen na max. výkon 500 kW. Regulace je prováděna v celém rozsahu výkonu pomocí modulové regulace. Ohřívaný termoolej slouží k ohřívání teplosměnných ploch v průběžné pásové peci THERMO ROLL s pečnou plochou 60 m2. 4.1.3. Technické parametry termoolejového kotle OK – 500VER Technické parametry použitého kotle jsou uvedeny viz Příloha 14 – Technické parametry telmoolejových kotlů [17], zeleně je vyznačen typ kotle.

- 52 -

Soupis plynových spotřebičů a EKObloků tabulka 3. – Soupis spotřebičů Tepelný výměník

Typ spotřebiče

Ks

EKOblok č. 1, výdech nad střechu Celkem

kotel plynový (termoolej) OK 500 VER– 500 kW

1

Celkový výkon 500 kW 500 kW

4.1.4. Využití odpadního tepla Jako zdroje využití odpadního tepla byly navrženy katalyzátory spalin 2 x EKOblok VI. Jak už bylo popsáno v bodě 3.6.11. EKOblok jedná se o zařízení pro kompletní využití odpadní energie spalin a páry zejména z pekařských pecí a kotlů s přetlakovým spalováním. EKObloky VI jsou umístěny v technické místnosti (kotelně). Do jednoho je zaústěn odtah z chlebové linky a do druhého odtah spalin termoolejového kotle OK – 500 VER, který ohřívá termoolej pro pásovou pec a dále odtah páry z pásové pece THERMO ROLL. V EKOblokcích dochází k výměně tepla a vyčištění spalin. Na výstupu z EKObloku je teplota upravených spalin cca 50 °C. Odpadní teplo spalin je z výměníků EKOblok vedeno do akumulačního zásobníku taktéž umístěného v kotelně. Ze zásobníků je odpadního teplo dodáváno přednostně před doplňkovým kotlem na rozdělovač topných okruhů. Hydraulické zapojení kotelny zaručuje upřednostnění systému na využití odpadního tepla s cílem zajistit jeho max. využití (efektivitu). Technické parametry EKObloku VI EKOblok VI pro termoolejový kotel OK 500 VER – 500 kW a odtah páry z pece THERMO ROLL Max. výkon hořáku:

750 kW

Teplota páry:

180 – 220 °C

Teplota spalin kotle OK 500 VER:

220 – 260 °C (dle režimu pečení)

Teplota vystupujících plynů:

50 – 60 °C

- 53 -

4.1.5. Popis pásové pece THERMO ROLL THERMO ROLL (viz Příloha 15 – THERMO ROLL) je tunelová, pásová, dvouetážová, termoolejová pec k průmyslovému pečení pečiva. Vysvětlení pojmů: − pásová pec – k dopravě materiálu pečným prostorem je použit ocelový nekonečný pás, − dvouetážová – v peci jsou použity dva pásy nad sebou, dvě etáže umožňující pečení pečiva, − termoolejová pec – pro vytápění pece je použit termoolej, který je nahříván v kotelně a pak je veden do pece. Termoolej je výhodným topným mediem, jelikož se velmi dobře reguluje jeho teplota. Regulace se provádí pomocí trojcestných ventilů viz Příloha 16 – Rozvod a regulace termooleje, kde jsou trojcestné ventily zvýrazněny červenými rámečky. Pec je sestavena z šesti bloků viz obrázek č. 37 Rozdělení termoolejové pece – jednotlivé bloky, kde první vstupní blok má zapařovací funkci (teplota se v něm pohybuje okolo 200 °C), následující tři bloky mají hlavní pečenou funkci (teplota podle pečného programu dosahuje až 250 °C) a poslední dva bloky slouží k dopékání pečiva (teplota je cca o 20 °C nižší než v předchozích blocích).

obrázek č. 37 Rozdělení termoolejové pece – jednotlivé bloky

- 54 -

4.2. Postup při měření Měření na pekárně ADÉLKA a.s. v Pelhřimově bylo provedeno společně s techniky ze společnosti KORNFEIL s.r.o., panem Ing. Kornfeilem ml. a panem Holešínským. Měření bylo prováděno takto. Zmínění technici prováděli měření v technické místnosti, kde odporovými snímači Pt 100 zaznamenávali teploty spalin vcházejících do výměníku EKOblok VI, dále teploty spalin vycházejících z tohoto výměníku, pak teploty vstupní a výstupní vody ve výměníku, a také zaznamenávali teploty termooleje vstupujícího a vystupujícího z pece. Jejich další činností bylo zaznamenávání průtoku plynu a snímání povrchu pece termokamerou. Má měření probíhala takto. Prvním krokem měření bylo zjištění hodnot vlhkosti vzduchu a dále teploty okolí v kotelně a ve výrobní hale viz tabulka 4. – Vlhkost a teplota vzduchu. tabulka 4. – Vlhkost a teplota vzduchu Vlhkost vzduchu

42 %

Teplota vzduchu v kotelně

14,0 °C

Teplota vzduchu ve výrobní hale

16,7 °C

Teplota vzduchu při pečení

18,6 °C

Pak následovala dokumentace jednotlivých zařízení umístěných v kotelně. Jak už jsem popsal výše nacházel se zde termoolejový kotel OK 500 VER s hořákem WEISHAUPT WG 40. Měření tohoto zařízení prováděli technici firmy KORNFEIL s.r.o. Zaznamenávali objem vstupujícího media do kotle (objem zemního plynu) a také snímali teplotu oleje jdoucího do pásové pece THERMO ROLL. Další jejich činnost byla zaznamenávání teplot spalin vycházejících z kotle OK 500 VER.

obrázek č. 38 Termoolejový kotel OK 5OO VER

- 55 -

Po zdokumentování údajů o kotli následovala dokumentace jednoho z výměníků tepla EKOblok VI. Byl to výměník napojený na kotel ohřívající termoolej pro pásovou pec THERMO ROLL. EKOblok VI připojený ke kotli OK 5OO VER, byl také snímán techniky firmy KORNFEIL s.r.o. Technici snímali a zaznamenávali tyto jevy: teplota spalin vystupující do komína, teploty vstupní i vratné vody proudící v EKObloku IV.

obrázek č. 39 EKO blok VI

obrázek č. 40 Detail zapojení snímačů na EKO bloku VI

Mým druhým krokem bylo měření úniku tepla z pláště pece THERMO ROLL. Pro snadnější orientaci jsem na plášti pece vytvořil síť bodů, na které jsem následně provedl snímání teploty. Teplotu jsem snímal dotykovým teploměrem OMEGA a následně termokamerou ThermaCAM E320. První snímání bylo prováděno při nezažehnutém termoolejovém kotli. I přes vypnutý kotel bylo ve vnitřním prostoru pece nakumulováno množství tepla viz tabulky 5, 6, a 7.

obrázek č. 41 Schéma měřících bodů - 56 -

Ze snímaných hodnot a plochy pláště jsem následně vypočítal tepelné ztráty unikající pláštěm. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tabulkách: tabulka 5. - Výsledné hodnoty – vedení tepla (kondukce), tabulka 6. - Výsledné hodnoty – proudění (konvekce) a tabulka 7. - Výsledné hodnoty – sálání tabulka 5. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí) Ner. pec Přední str. Zadní str. 1067,8 W

1059,5 W

Roz. pec Přední str.

Horní část Suma 1402,2 W

3 529,5 W

2138,0 W

Zadní str. Horní část Suma 2045,5 W

2890,4 W

7073, 9 W

tabulka 6. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí) Nerozehřátá pec Přední strana 492,1 W Rozehřátá pec Přední strana 531 W

Zadní strana 442,4 W

Horní část 2527,4 W

Vstup do pece Výstup z pece Suma 504,5 W 733,3 W 4 699,7 W

Zadní strana 490,5 W

Horní část 3170,9 W

Vstup do pece Výstup z pece Suma 2818 W 4664 W 11 674,4 W

tabulka 7. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním Ner. pec Roz. pec Přední str. Zadní str. Horní část Suma Přední str. Zadní str. 1015,3 W 1015,3 W 1646,2 W 3676,8 W 1041,8 W 1041,8 W

Horní část Suma 1850,5 3 934,2 W

Následující tabulky obsahují vypočítané hodnoty, jimiž základem bylo měření pomocí termokamery ThermaCAM E320. Pro korektní měření teploty povrchu pece jsem musel na povrchu pece umístit tzv. termospoty. Pokud by jsem tak neučil naměřené hodnoty by byli velmi zkreslené. Důvod zkreslení byla téměř nulová emisivita povrchu pece. Termospoty byli umístěny na místa první sítě bodů. Pak následovalo samotné měření termokamerou, ale už pouze při rozehřáté peci. tabulka 8. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí) Rozehřátá pec Přední strana

Zadní strana

2107,4 W

Horní část

2014,8 W

Suma

2538,4 W

6660,6 W

tabulka 9. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí) Rozehřátá pec Přední strana 913,3 W

Zadní strana 870,5 W

Horní část 3356,9 W

Vstup do pece 2890,5 W

Výstup z pece Suma 4867,9 W 12 899,1W

tabulka 10. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním Rozehřátá pec Přední strana 1084,2 W

Zadní strana 1084,2 W

Horní část 1936,5

- 57 -

Suma 4104,9 W

Z tabulek je jasně patrné, že největší tepelná ztráta vzniká při rozehřáté peci a to konvekcí. Z pece prouděním odchází 11 674,40 W. Na této hodnotě má největší podíl únik tepla na vstupu, výstupu a také v horní části pece. Ztráta v horní části by se mohla snížit použitím lepší tepelné izolace. Na výstupu by se dala umístit digestoř zachycující odpadní teplo, je však otázka zda by její umístění bylo efektivní. Celkové ztráty tepla unikající pláštěm pece TERMO ROLL jsou uvedeny v tabulce 11. Celkové ztráty tepla unikající pláštěm tabulka 11. – Celkové ztráty tepla unikající pláštěm Dotykový teploměr

Termokamera ThermaCAM E320

Nerozehřátá pec

11 906,00 W

Nerozehřátá pec

Neměřeno

Rozehřátá pec

22 682,45 W

Rozehřátá pec

23 664,6 W

Pro výpočet ztrát unikajících pláštěm pece jsem použil následující vzorce: -

Výkon ztracený vedením tepla (kondukcí)

Výpočet měrného tepelného výkonu qt: qt =

s1

λ1

t1 − t4 s s + 2 + 3

λ2

λ3

−2

[W * m ]

Pomocí měrného tepelného výkonu složené stěny jsem vypočetl výkon celkový výkon: Pt = S * qt

-

[W]

Výkon ztracený prouděním (konvekcí)

Tento výkon jsem vypočítal podle již dříve popsaného vzorce: Pt = α * S * (t s − tk )

-

[W]

Výkon ztracený sáláním

Pro výkon ztracený sáláním jsem si nejdříve vypočetl sálavost stěny:

 T  qt = A * c *  n   100 

4

−2

[W * m ]

a tuto sálavost jsem následně použil ve vzorci pro výpočet tepelného výkonu sáláním: Pt = S * qt

[W]

- 58 -

Dalším krokem při vypracovávání této práce bylo zpracování a vyhodnocení naměřených dat techniky ze společnosti KORNFEIL s.r.o. Z naměřených hodnot jsem vytvořil Příloha graf 1. – Zaznamenané teploty. Tento graf znázorňuje průběhy teplot spalin vystupujících z termoolejového kotle OK 500 VER a průběh teplot spalin vystupujících z tepelného výměníku EKOblok VI. Obě skupiny naměřených dat sem pak dále použil k výpočtu tepelného výkonu spalin. Dalšími průběhy v tomto grafu jsou průběh vstupní a výstupní teploty topné vody a dále vstupní a výstupní teploty termooleje. Tato naměřená data byla využita k výpočtu výkonu EKObloku VI a výkonu hořáku WEISHAUPT WG 40. Grafické znázornění všech vypočítaných výkonů se nachází viz Příloha graf 2. – Vypočítané výkony. Pro další výpočty a zpracování byli použity zaznamenané hodnoty spotřeby zemního plynu. Konkrétně byly tyto hodnoty použity k výpočtu příkonu hořáku WEISHAUPT WG 40, který je rovněž znázorněn viz Příloha graf 4. – Příkon hořáku WEISHAUPT WG 40. Dále byly hodnoty použity ke grafickému znázornění spotřeby zemního plynu viz Příloha graf 3. – Spotřeba zemního plynu v kotli OK 500 VER. V tabulce 12. – Souhrn jsou vypsány hodnoty z měření provedených dne 4. listopadu 2009 na pekárně ADÉLKA a.s v Pelhřimově a výpočtů, které jim následovaly. tabulka 12. – Souhrn Průměrná hodnota výkonu kotle Průměrná hodnota výkonu spalin (vypočtená) Průměrná hodnota výkonu EKObloku VI Ztráta unikající pláštěm – rozehřátá pec (OMEGA) Ztráta unikající pláštěm – rozehřátá pec (ThermaCAM E320) Průměrná spotřeba zemního plynu Hodinová spotřeba zemního plynu po zažehnutí kotle Celková spotřeba zemního plynu za směnu Výkon pece Cena za kg těsta při pečení housek Cena za kg těsta při pečení rohlíků Cena za (1kus)

152,0 38,9 33,8 22,7 23,6 31,35 42,25 125,4 13 500 1,046 1,34 0,057

kW kW kW kW kW m3 m3 m3 kusů/hod Kč/kg Kč/kg Kč/kus

Podle cíle této práce bylo v pekárnách ADÉLKA a.s. v Pelhřimově provedeno na nově nainstalované dvouetážové pásové termoolejové peci s názvem THERMO ROLL měření tepelných ztrát. Naměřená data byla zpracována, výsledky jsou popsány v tabulkách 5. až 11. V příloze jsou zobrazeny grafy vytvořené z naměřených a vypočítaných hodnot.

- 59 -

4.3. Měření na pekárně UNITED BAKERIES a.s. – Uherský Brod Druhé měření tepelných ztrát bylo provedeno dne 11. března 2010 v pekárnách UNITED BAKERIES a.s. Uherský Brod. Pekárna v Uherském Brodě je součástí společnosti UNITED BAKERIES a.s., která vznikla spojením Delta pekáren a pekáren Odkolek. Tato pekárna funguje již více než 40 let, během této doby byla pekárna prošla řadou změn a inovací. V poslední době byla zbudována cela nová chlebová linka, a dále byla nainstalována technologie na zpracování odpadního tepla. 4.3.1. Popis systému Technická místnost (kotelna) v tomto provoze neslouží přímo pro účely pásové pece nýbrž pro účely vytápění a nakládání s odpadním teplem. Vyhřívání pásové pece je prováděno dvěma hořáky WEISHAUPT WG 40. Odtahy těchto hořáku společně s odtahem z hořáku typu APH 04 PSN z vedlejší pásové pece PPC 238 jsou vedeny do výměníku tepla EKOblok VI umístěného ve výrobní hale vedle pásové pece PPC 256. 4.3.2. Popis pásové pece PPC 256 Pekařská pásová, cyklotermická pec PPC 256 umístěná ve výrobní hale pekárny UNITED BAKERIES v Uherském Brodě slouží k průmyslové výrobě pečiva, především pak k výrobě housek a rohlíků. Pec je nastavena na hodinový výkon pečiva 15 000 kusů. K ohřevu této pece jsou k dispozici dva blokové plynové hořáky WEISHAUPT WG 40, nastavené na maximální výkon 250 kW. 4.3.3. Využití odpadního tepla Pro využití odpadního tepla z pece PPC 256 a sousední pásové termocyklické pece PPC 238 byl navržen výměník a katalyzátor spalin EKOblok VI. EKOblok VI je umístěn vedle termocyklické PPC 256. Jsou do něj přivedeny odtahy spalin od hořáků vytápějících obě pece. Využitelné odpadní teplo vycházející z výměníků EKOblok je vedeno do akumulačního zásobníku umístěného mimo výrobní halu, v kotelně. Ze zásobníků je odpadního teplo dodáváno přednostně před doplňkovým kotlem na rozdělovač topných okruhů. Hydraulické zapojení kotelny zaručuje upřednostnění systému na využití odpadního tepla s cílem zajistit jeho maximální využití.

- 60 -

Technické parametry EKObloku Max. výkon hořáku: Teplota páry:

750 kW 180 – 220 °C

Teplota spalin kotle OK 500 VER: Teplota vystupujících plynů:

220 – 260 °C (dle režimu pečení) 50 – 60 °C

4.4. Postup při měření Prvním krokem při měření bylo zjištění hodnot vlhkosti vzduchu a dále teploty ve výrobní hale před zahájením pečení a při pečení viz tabulka 13. – Vlhkost a teplota vzduchu. tabulka 13. – Vlhkost a teplota vzduchu na pekárně Vlhkost vzduchu 51 % Teplota vzduchu ve výrobní hale 16,7 °C Teplota vzduchu při pečení 21,6 °C Pak následovala příprava měřících přístrojů, jejich umístění na měřící místa a následné měření. Konkrétněji je příprava a měření rozvedena v následujících bodech. 4.4.1. Zaznamenávání průtoku plynu Abych mohl porovnat pekařské pece z ekonomického hlediska, musel jsem zaznamenávat spotřebu zemního plynu, kterým se pec PPC 256 vyhřívala. Spotřeba zemního plynu byla zaznamenávána u prvního hořáku pomocí fotoaparátu umístěného nad plynoměrem od společnosti ABB typ RTP G65, u druhého hořáku to byla spotřeba zaznamenávána zapisováním do připravované tabulky po půlhodinových intervalech. Naměřené hodnoty byly následně vyhodnoceny a použity k vytvoření grafů 5 a 6 umístěných v příloze. Na obrázku č. 42 Plynoměr ABB, typ RTP G 65 je znázorněn ciferník plynoměru zaznamenávaného fotoaparátem.

obrázek č. 42 Plynoměr ABB, typ RTP G 65 - 61 -

4.4.2. Zaznamenávání průtoku spalin v odtazích a v EKObloku VI Měření průtoku jsem prováděl za pomoci univerzálního přístroje ALMEMO 2290–4 se snímačem tlaku FDA602–M1K a Pantlovou trubicí, který mi byl zapůjčen z firmy KORNFEIL s.r.o. Měření bylo prováděno podle návodu tohoto přístroje. Postup byl následující. Nejdříve jsem připojil snímač ke vstupu měřicího přístroje, pak jsem spojil silikonové hadice s výustkem snímače označeným „+“ se souosou výustkou Prantlovy trubice, pak byly spojeny zbylé dvě výustky druhou hadicí. Po spojení přístroje a měřících členů následovalo zapnutí a kalibrace přístroje. Měření průtoku bylo prováděno v komoře EKObloku, ze které spaliny proudily do komína. A také v otvorech spalinovodů, v místě uzavíratelného ventilu. Pro správné změření rychlosti spalin byla Prandtlova trubice nastavena do směru proudění. Rychlost proudění byla stanovena z dynamického (tj. rozdílu celkového a statického tlaku) vzduchu podle vztahu: v=

ρ 2

Kde

p +

p 4 * c2

c – je rychlost zvuku ve vzduchu [m/s]

ρ – je hustota vzduchu [kg/m2] ρ = 1,292 * ρ = 1,292 *

273 273 + t

t – je teplota [°C] tabulka 14. – technická data snímače FDA602-M1K 1. měřící kanál 0,5 ÷ 40 m/s pro Prandtlovy trubice 2. měřící kanál

±2000 Pa tlakového rozdílu

Přesnost měření (při vynulování)

±0,5 % (typicky 0,2) z rozsahu

Citlivost při změně polohy

±5 Pa

Teplotní koeficient Dovolené přetížení Dovolená vlhkost

±1,5 % (typicky 0,5) z rozsahu max. 3 x měřícího rozsahu 10 ÷ 90 % r.H. nekondenzující

Zaznamenané hodnoty byly použity pro výpočet výkonů jednotlivých hořáků a EKObloku.

- 62 -

4.4.3. Zaznamenávání hodnot z přístroje super CAL 531 Výměník tepla EKOblok VI nainstalovaný ve výrobní hale uherskobrodské pekárny byl osazen

kalorimetrickým

počítadlem

Supercal

531.

Toto

zařízení

slouží

k vyhodnocování dodané nebo odebrané energie v topných tělesech na základě naměřených hodnot protékajícího topného media tzn. průtoku a teploty dle kalorimetrické rovnice. Kalorimetrické počítadlo Supercal 531 může být dovybaveno dvěma volitelnými komunikačními moduly. V našem případě tak učiněno nebylo. Počítadlo bylo pouze připojeno a snímalo hodnoty na vlastní vnitřní paměťové medium. Proto jsem musel měřená data zaznamenávat odečtem z displeje tohoto zařízení písemně a to v půlhodinových časových intervalech. Zaznamenaná data byla použita pro vytvoření grafů 8 a 11, které jsou také umístěny v příloze. tabulka 15. – technické parametry kalorimetrického počítadla Supercal 531 Teploměry Pt 100 nebo Pt500 Absolutní teplotní rozsah -20 ÷ 180 °C nebo 0 ÷ 200 °C Přípustný rozsah Prachová citlivost Teplotní rozlišení t Teplotní rozlišení delta t Přesnost měření

0 ÷ 200 °C 0,2 K 0,1 K 0,01 K Lepší než požadavek EN 1434 – 1

obrázek č. 43 Kalorimetrické počítadlo Supercal 531

- 63 -

4.4.4. Měření teplot termokamerou ThermaCAM E320 Dalším měřením bylo snímkování povrchu pásové pece PPC 256 termokamerou ThermaCAM E320. Postup tohoto měření byl následující. Nejdříve byla určena emisivita povrchu pásové pece, hodnota emisivity byla 0,98. Po stanovení emisivy Ing. Petr Trávníček nasnímal termokamerou ThermaCAM E320 celý povrch pláště pásové pece PPC 256. Snímky se ukládaly na paměťové medium v termokameře.

Po

následovalo

měření

vyhodnocování

snímků. Toto vyhodnocování bylo prováděno

pomocí

příslušného

sowftvaru, výsledky byly následně použity pro výpočet tepelných ztrát unikajících z pláště pece. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tabulce 20. – Ztráta vedením (kondukcí), v tabulce 21 – Ztráta prouděním (konvekcí) a v tabulce 22. – Ztráta sáláním.

Na

obrázku

č.

44

Vyhodnocení termovizního snímku, je znázorněn výstup ze softwaru společnosti FLIR SYSTEMS – výrobce

termokamery

ThermaCAM E320.

obrázek č. 44 Vyhodnocení termovizního snímku

4.4.5. Měření teplot ručním dotykovým teploměrem OMEGA Stejně jako na pekárně v Pelhřimově bylo i v pekárnách UNITED BAKERIES a.s. Uherský Brod provedeno měření teplot povrchu pásové pece. Naměřené hodnoty byly použity pro výpočet tepelného výkonu unikajícího z pláště pece. Měření probíhalo totožně. Nejdříve byla na povrchu pece vytvořena síť bodů a v těchto bodech se provedlo měření teploty dotykovým teploměrem OMEGA. Z naměřených hodnot a technických parametrů pece jsem vypočetl výkon unikající z pláště pece. Výkon je uveden v následujících tabulkách: tabulka 16. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí), tabulka 17. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí), tabulka 18. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním - 64 -

tabulka 16. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí) Přední strana 3 706,7 W

Zadní strana 3 708,4 W

Horní část 5 581,6 W

Suma 12 996,7 W

tabulka 17. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí) Přední strana 300,0 W

Zadní strana 321,2 W

Horní část 3 170,9 W

Vstup do pece Výstup z pece 1 940,3 W 3 320,3 W

Suma 9 052,7 W

tabulka 18. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním Přední strana 6 756,2 W

Zadní strana 6 756,2 W

Horní část 24 707,4 W

Suma 38 220,0 W

V následujících tabulkách je vyhodnocení snímků z termokamery ThermaCAM E320. tabulka 19. – Ztráta vedením (kondukcí) Přední strana 3178,7 W

Zadní strana 3185,8 W

Horní část 4 821,6 W

Suma 11 186,1 W

tabulka 20. – Ztráta prouděním (konvekcí) Přední strana 508,5 W

Zadní strana 520,3 W

Horní část 3 184,9 W

Vstup do pece Výstup z pece 2 073,8 W 3 691 W

Suma 9 978,5 W

tabulka 21. – Ztráta sáláním Přední strana 6 360,8 W

Zadní strana 6 360,8 W

Horní část 23 261,2 W

Suma 35 982,7 W

tabulka 22. – Celková ztráta unikající pláštěm Dotykový teploměr Rozehřátá pec

4.4.6.

Termokamera ThermaCAM E320 60 269,4 W

Rozehřátá pec

57 147,3 W

Měření teplot spalin termoelektrickými snímači Pt 100

Pro měření teploty spalin proudících z pásové pece do tepelného výměníku EKOblok IV byly použity odporové snímače Pt 100 se základním odporem 100 Ω. Tyto snímače, jak už bylo popsáno v bodě 3.3.3.6 Odporové teploměry, jsou pro své vlastnosti hojně využívány jak v praxi, tak i v laboratořích. V našem případě byl využit jejich široký teplotní rozsah, který se pohybuje v rozmezí –180 °C až 600 °C. Postup měření byl následující. Nejprve byli odporové snímače spojeny s kompenzačním vedením a pak bylo toto vedení spojeno s převodníkem a ten následně s PC. Po dokončení těchto úkonů jsem postupoval podle předem připravené metodiky vycházející z bodu 3.3.2. Metodické zásady montáže dotykových teploměrů.

- 65 -

Nejdříve jsme podle této metodiky s technikem společnosti KORFEIL s.r.o. panem Tomášem Švábem, zvolili nejvhodnější měřící místa, do kterých jsme následně vyrobili měřící otvory. Do těchto otvorů byly vloženy snímače. Umístění bylo provedeno podle následujícího obrázku č. 46 Správné umístění snímače, provedení do DN 32-50 – montáž do kolena potrubí.

obrázek č. 45 Správné umístění snímače Po vložení snímačů do spalinovodů bylo zapnuto snímání a ukládání naměřených hodnot. Měření a zaznamenávání probíhalo v intervalu 3s. Na základě tohoto měření byl vytvořen graf 7 viz příloha. V tabulce 23. – Souhrn II jsou vypsány hodnoty z měření provedených dne 11. března 2010 na pekárně UNITED BAKERIES a.s v Uherském Brodě, dále jsou zde uvedeny některé z vypočtených hodnot. tabulka 23. – Souhrn II Průměrná hodnota výkonu hořáku I Průměrná hodnota výkonu hořáku II Průměrná hodnota výkonu spalin Průměrná hodnota výkonu EKObloku VI Ztráta tepla unikající pláštěm (OMEGA) Ztráta tepla unikající pláštěm (ThermaCAM E320) Průměrná spotřeba zemního plynu Hodinová spotřeba zemního plynu po zažehnutí hořáků Výkon pece Cena za kg těsta při pečení rohlíků Cena za (1kus)

77,5 113,2 359,1 127,0 60,3 57,1 38,7 77,7 15 000 1,35 0,033

kW kW kW kW kW kW m3 m3 kusů/hod Kč/kg Kč/kus

Podle cíle této práce bylo 11. března 2010 v pekárnách UNITED BAKERIES a. s. na cyklotermické pásové peci PPC 256 provedeno měření tepelných ztrát. Naměřená data byla zpracována, výsledky jsou popsány v tabulkách 16 až 22, dále pak v příloze jsou zobrazeny grafy vytvořené z naměřených a vypočítaných hodnot. - 66 -

4.5. 4.5.1.

Ekonomické hodnocení Náklady ADÉLKA a.s. Pelhřimov

Náklady na amortizaci rN a = Kde

pořořizovací cena C p + Ck + Ch + C Př + CE 7670000 = = = 1534000 Kč doba odpisování 5 5 = 5 400 000 Kč Cp (cena pece) Ck (cena kotle) = 900 000 Kč Ch (cena hořáku) Cpř (cena příslušenství)

= 100 000 Kč = 420 000 Kč

CE (cena EKObloku IV)

= 850 000 Kč

Cena spotřebovaného plynu rNpl = cena plynu * průměrná spotřeba plynu * roční nasazení pece

rN pl = 13 * 31,35 * 2024 = 824881,2 Kč Cena 1m3 zemního plynu je 13Kč

Kde:

Průměrná hodinová spotřeba 31,35m3 Je počítáno s ročním nasazením 2024 hod (253 dnů)

Mzda pekaře rN p = hodinoná sazba * počočeth → 2 * 120 * 2024 = 485760 Kč

Celkové náklady

rN c = ∑ rN a + rN pl + rN p rN c = 1534000 + 824881,2 + 485760 = 2844641,2

Náklady na 1kg těsta Při výkonu pece 13 500ks za hodinu budou náklady na 1kg housek: N těě =

N pl + N p + N os množství tětěs

=

407,56 + 240 + 129,512 = 1,046 Kč 742,5

Při výkonu pece 13 500ks za hodinu budou náklady na 1kg rohlíků: N těě =

N pl + N p + N os množství tětěs

=

407,56 + 240 + 129,512 = 1,34 Kč 580,5

- 67 -

4.5.2. Náklady UNITED BAKERIES a.s. Uherský brod Náklady na amortizaci rN a = Kde

C + (2 * Ch ) + C př + CE pořořizovací cena ⇒ p = 1543000 Kč doba odpisování 5 = 6 550 000 Kč

Cp (cena pece) Ch (cena hořáku) Cpř (cena příslušenství) CE (cena EKObloku IV)

= 100 000 Kč = 215 000 Kč = 850 000 Kč

Cena spotřebovaného plynu rNpl = cena plynu * průměrná spotřeba plynu * roční nasazení pece rN ph = 13 * 38,73 * 2024 = 1019063,76 Kč cena 1m3 zemního plynu je 13 Kč

Kde:

Průměrná hodinová spotřeba 38,73m3 Je počítáno s ročním nasazením 2024 hod (253 dnů)

Mzda pekaře var. a) rN ř = hodinoná sazba * počočeth → 2 *120 * 2024 = 485760 Kč

Celkové náklady

rN c = ∑ rN a + rN pl + rN p + rN o rN c = 1543000 + 1019063,76 + 485760 = 3047823,76Kč

Náklady na 1kg těsta Při výkonu pece 15 000ks za hodinu budou náklady na 1kg těsta: N těě =

N pl + N p + N os množství tětěs

=

503,49 + 240 + 129,512 = 1,35 Kč 645

Na základě vypočítaných hodnot jsem vytvořil graf 13. - Porovnání celkových ročních nákladů. Tento graf je umístěn v příloze této práce.

- 68 -

5. ZÁVĚR Prvním cílem této diplomové práce bylo popsat technologii a techniku využívanou při zpracování odpadního tepla. Toto bylo učiněno v teoretické části. Kde byl nejdříve popsán a vysvětlen pojem tepelné ztráty. Pak jsem se zaměřil na měření teplot, které s problematikou tepelných ztrát úzce souvisí. V části týkající se měření teplot byly uvedeny jednotlivé druhy používaných teploměrů, jejich principy a popis. Další částí teoretického popisu jsou popsány tepelné výměníky, požadavky na ně, a také požadavky na jejich pracovní teplonosná media. Je zde také, ale jen velmi zjednodušeně, uveden postup při výpočtu tepelného výměníku. V úplném závěru teoretické části je uveden popis zařízení související s praktickou částí této diplomové práce. Je zde popsán princip a rozdělení používaných tepelných kotlů. Dále pak popis a rozdělení hořáků a popis principu a rozdělení pekařských pecí. V praktické části je uveden popis měření tepelných ztrát. A to v pekárnách ADÉLKA a.s. Pelhřimov a v pekárnách UNITED BAKERIES a.s. Uherský Brod. Tyto pekárny byly vybrány k porovnání z důvodu použití stejného technologického zařízení, kterým jsou pásové pece. Pekařské pece a zvlášť pásové pece produkují mnoho tepla, jsou tedy vhodnou technologií pro měření tepelných ztrát. Měření tepelných ztrát na pekárně ADÉLKA a.s. Pelhřimov bylo provedeno 4. listopadu 2009. Měřili se tyto hodnoty: teploty spalin odcházejících z kotle OK 500 VER, teploty vystupující z výměníku EKOblok VI, teploty vstupní a výstupní vody ve výměníku, teploty oleje vstupujícího a vystupujícího z pece, dále teploty pláště pece. Všechny naměřené hodnoty byli zpracovány, výsledné hodnoty jsou vypsány v tabulkách 6 až 13. Z naměřených a zpracovaných hodnot jsem také vytvořil grafy, viz příloha této diplomové práce. Měření teplených ztrát na pekárně UNITED BAKERIES a.s. Uherský Brod bylo provedeno 11. března 2010. V rámci měření se zaznamenávaly tyto údaje: spotřeba plynu, teploty spalin vstupující do výměníku tepla EKObloku VI, teploty vystupující z tohoto zařízení, množství spalin proudící spalinovody, teploty a průtok teplonosného media výměníku a teploty povrchu pláště pece.

- 69 -

Všechny tyto hodnoty byly následně zpracovány. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tabulkách 17 až 22. Z naměřených a zpracovaných hodnot byly vytvořeny grafy viz příloha. Na základě všech získaných hodnot jsem provedl i ekonomické porovnání, které je popsáno v bodě 4.5. Ekonomické hodnocení. Pro názornost byl k tomuto porovnání vytvořen graf 13.: – Porovnání celkových ročních nákladů. viz příloha. Z naměřených hodnot je patrné, že tepelné ztráty u termocyklické pásové pece PPC 256 použité v pekárnách UNITED BAKDERIES a.s. v Uherském Brodě jsou větší, než tepelné ztráty termoolejové, etážové pásové pece THERMO ROLL. Ztráty unikající z pláště pece PPC 256 jsou především způsobeny větší plochou pece, a také použitými materiály (značně zkorodovaný pochůdný plech v horní části pece). Pro zamezení tohoto úniku bych doporučil výměnu pochůdného plechu v horní části pece, dále pak výměnu oplechování pláště pece a také použití jiného izolačního materiálu, popř. zvětšení tloušťky izolace. I u termoolejové etážové pásové pece THERMO ROLL bych chtěl doporučit zvětšení či použití jiného izolačního materiálu a to zejména v horní části pece. Z hlediska ekonomického zhodnocení je také patrné, že termocyklická pásová pec PPC 256 je méně výhodná než pec THERMO ROLL. Toto znevýhodnění je způsobeno větší spotřebou zemního plynu. Zde bych tedy doporučil zaměřit se na regulaci hořáku.

- 70 -

6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [2] ŠTĚCHOVSKÝ, J. VYTÁPĚNÍ pro střední školy se studijním oborem TZB nebo obdobným. 3.vyd. Havlíčkův Brod : Sobotales, 2005, 492 stran. ISBN 80-86817-11-3 [3] GRODA, B. a HÁJEK, P. Termomechanika. 1.vyd. Brno : Ediční středisko MZLU, 2001, 240 stran. ISBN 80-7157-555-0 [5] MIKAN, J. Měření plynu. 1.vyd. Říčany u Prahy : GAS s.r.o., 2003, 386 stran. Dostupné v .PDF, ISBN 80-7328-053-1 [7] VALENTA, V. a kolektiv Topenářská příručka. 1.vyd. Říčany u Prahy : GAS s.r.o., 2432 stran. Dostupné v .PDF, [10] OCHRANA, L. Kotle a výměníky tepla. 1.vyd. Brno : AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM, 2004, 85 stran. ISBN 80-2114-2847-3 [15] RUŽBARSKÝ, J. a kolektiv Potravinářská technika. 1.vyd. Prešov :VMV, 2005, 564 stran. ISBN 80-8073-410-0 Použité webové odkazy [1] FÍK, J. Tepelně technické parametry plynových spotřebičů (I), [online]. 2.9.2004, [cit. 16. června 2009]. Dostupné na Internetu: [4] MAREŠ, L. Teplota a její měření, [online]. 6.3.2006, [cit. 8. listopadu 2009]. Dostupné na Internetu: [6] KADLEC, K. Bezdotykové teploměry, [online]. 5.4.2010, [cit. 8. dubna 2010]. Dostupné na Internetu: [8] HEMERKA, J. a HRDLIČKA, F. Emise z kotelen a ochrana ovzduší (I), [online]. 20.12.2004,

[cit. 16. června

2009].

Dostupné

na

Internetu


info.cz/t.py?t=2&i=2294> [9] ITEGROVANÝ REGISTR ZNEČIŠŤOVÁNÍ Oxidy dusíku (NOx/NO2), [online]. 2005,

[cit. 6.

února

2010].



- 71 -

Dostupné

na

Internetu

[11] ŽITNÝ, R. Výměníky tepla [online]. 2006, [cit. 2. února 2010]. Dostupné na Internetu [12] FÍK, J. Hořáky pro spalování zemního plynu (I), [online]. 23.9.2004, [cit. 16. června 2009]. Dostupné na Internetu: [13] FÍK, J. Hořáky pro spalování zemního plynu (III), [online]. 13.10.2004, [cit. 16. června 2009]. Dostupné na Internetu: [14] FÍK, J. Plynové spotřebiče (I), [online]. 9.6.2004, [cit. 16. června 2009]. Dostupné na Internetu: < http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=2019> [16] J4 s.r.o. Axonometrický řez cyklotermické pece, [online]. 2005, [cit. 12. února 2010]. Dostupné na Internetu: [17] KORNFEIL s.r.o. Princip termoolejové pece, [online]. 2005, [cit. 12. února 2010]. Dostupné

na

Internetu:


pece.php> [18] ENBRA s.r.o. Popis a obrázek k radiovému kalorimetru Supercal 531, [online]. 2007, [cit. 13. března 2010]. Dostupné na Internetu: < http://www.enbra.cz/mereniregulace/merice-tepla/systemy-dalkoveho-prenosu-dat/sontex-supercom/radiovykalorimetr-supercal-531/> [19] CZESANÝ, S. Výroba, spotřeba a ceny energetických zdrojů, [online]. 2010, [cit. 27.

března

2010].

Dostupné

na

Internetu:

[20] JEDLIČKA, J. a kol. Energetická politika EU a její nástroje, [online]. 2005, [cit. 12.

listopadu

2009].

Dostupné

na



- 72 -

Internetu:

[21] PLISCHKE, R. Žároměrky, [online]. 2009, [cit. 3. dubna 2010]. Dostupné na Internetu: [22] WEISHAUPT Prospekt Plynové hořáky WG 10 až WG 40, [online]. 2010, [cit. 14. dubna 2010].

Dostupné

na

Internetu

ve

formátu

[23] Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření s energiemi

- 73 -

.PDF:

7. SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ obrázek č. 1 Hlavní složky tepelných ztrát [1] ..............................................................- 2 obrázek č. 2 Vedení tepla rovinnou plochou [2]...........................................................- 4 obrázek č. 4 Tlakový kapalinový teploměr [7]..............................................................- 9 obrázek č. 5 Bimetalové teploměry [7] .......................................................................- 10 obrázek č. 6 Odporový snímač teploty; L je jmenovitá délka teploty [5] ...................- 12 obrázek č. 7 Základní zapojení termočlánku [4].........................................................- 14 obrázek č. 9 Termoelektrické teploměry ZPA [7] .......................................................- 16 obrázek č. 10 Termoelektrický teploměr tyčový pravoúhlý [7]...................................- 16 obrázek č. 11 Termoelektrický teploměr dotykový [7]................................................- 16 obrázek č. 12 Princip PN snímače [4] ........................................................................- 17 obrázek č. 13 Žároměrky před použitím obrázek č. 14 Žároměrky po použití [21].- 19 obrázek č. 16 Uspořádání radiačního pyrometru [6] .................................................- 22 obrázek č. 17 Typy snímání tělesa [6].........................................................................- 23 obrázek č. 18 Vliv Teploty na úplný přestup CO na CO2 [8]......................................- 30 obrázek č. 19 Vliv teploty a součinitele přebytku spalovacího vzduchu na tvorbu jednotlivých typů oxidů dusíku [8] ..............................................................................- 32 obrázek č. 20 Bacharachova stupnice [8]...................................................................- 33 obrázek č. 21 Výměník typu trubka v trubce [11] .......................................................- 36 obrázek č. 22 Trubkový (kotlový) výměník [11]..........................................................- 36 obrázek č. 23 Fieldův výměník [11] ............................................................................- 37 obrázek č. 24 Spirálový výměník [11].........................................................................- 37 obrázek č. 25 Porovnání zanášení deskových a trubkových výměníků [11] ...............- 38 obrázek č. 26 Deskový výměník [11]...........................................................................- 38 obrázek č. 27 Výměník se stíraným povrchem [11] ....................................................- 39 obrázek č. 28 Deskožebrovaný kompaktní výměník [11] ............................................- 39 obrázek č. 29 Schéma EKObloku................................................................................- 40 obrázek č. 30 Schéma blokového hořáku [13] ............................................................- 47 obrázek č. 31 Blokový hořák Weishaupt WG 40 [22] .................................................- 47 obrázek č. 32 Skříňové pece v provozu [15] ...............................................................- 49 obrázek č. 33 Nákres rotační vozíkové pece [14] obrázek č. 34 - 3D model rot. pece ...49 obrázek č. 35 Schéma pásové pece [16] .....................................................................- 50 obrázek č. 36 Princip ohřevu termooleje [17] ............................................................- 51 obrázek č. 37 Rozdělení termoolejové pece – jednotlivé bloky...................................- 54 obrázek č. 38 Termoolejový kotel OK 5OO VER........................................................- 55 obrázek č. 39 EKO blok VI .........................................................................................- 56 obrázek č. 40 Detail zapojení snímačů na EKO bloku VI ..........................................- 56 obrázek č. 41 Schéma měřících bodů..........................................................................- 56 obrázek č. 42 Plynoměr ABB, typ RTP G 65 ..............................................................- 61 obrázek č. 43 Kalorimetrické počítadlo Supercal 531 ...............................................- 63 obrázek č. 45 Správné umístění snímače ....................................................................- 66 -

- 74 -

8. SEZNAM TABULEK tabulka 1. – Hodnoty součinitelů pohltivosti a sálání...................................................- 6 tabulka 2. – Barevné a písemné označení termočlánků ..............................................- 16 tabulka 3. – Soupis spotřebičů ....................................................................................- 53 tabulka 4. – Vlhkost a teplota vzduchu .......................................................................- 55 tabulka 5. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí).......................................- 57 tabulka 6. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí) ...................................- 57 tabulka 7. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním .........................................................- 57 tabulka 8. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí).......................................- 57 tabulka 9. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí) ...................................- 57 tabulka 10. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním .......................................................- 57 tabulka 11. – Celkové ztráty tepla unikající pláštěm ..................................................- 58 tabulka 12. – Souhrn ...................................................................................................- 59 tabulka 13. – Vlhkost a teplota vzduchu na pekárně...................................................- 61 tabulka 14. – technická data snímače FDA602-M1K .................................................- 62 tabulka 15. – technické parametry kalorimetrického počítadla Supercal 531 ...........- 63 tabulka 16. – Výsledné hodnoty – ztráta vedením (kondukcí).....................................- 65 tabulka 17. – Výsledné hodnoty – ztráta prouděním (konvekcí) .................................- 65 tabulka 18. – Výsledné hodnoty – ztráta sáláním .......................................................- 65 tabulka 19. – Ztráta vedením (kondukcí) ....................................................................- 65 tabulka 20. – Ztráta prouděním (konvekcí) ................................................................- 65 tabulka 21. – Ztráta sáláním.......................................................................................- 65 tabulka 22. – Celková ztráta unikající pláštěm...........................................................- 65 tabulka 23. – Souhrn II ...............................................................................................- 66 -

- 75 -

PŘÍLOHY

- 76 -

9.

SEZNAM PŘÍLOH

Příloha 1 Graf 1.: - Zaznamenané teploty .....................................................................- 1 Příloha 2 Graf 2.: - Vypočítané výkony .........................................................................- 2 Příloha 3 Graf 3.: - Spotřeba zemního plynu v kotly OK 500 VER ...............................- 3 Příloha 4 Graf 4.: - Příkon hořáku WEISHAUPT WG 40.............................................- 4 Příloha 5 Graf 5.: - Spotřeba plynu – Hořák I (WEISHAUPT WG 40) ........................- 5 Příloha 6 Graf 6.: - Spotřeba plynu – Hořák II (WEISHAUPT WG 40) .......................- 6 Příloha 7 Graf 7.: - Naměřené teploty spalin ................................................................- 7 Příloha 8 Graf 8.: - Měření teploty vody v EKObloku VI..............................................- 8 Příloha 9 Graf 9.: - Výkony hořáků ...............................................................................- 9 Příloha 10 Graf 10.: - Výkony hořáků a spalin vstupujících do EKObloku VI ...........- 10 Příloha 11 Graf 11.: - Výkon EKObloku VI ................................................................- 11 Příloha 12 Graf 12.: - Porovnání celkového a ztrátového výkonu ..............................- 12 Příloha 13 Graf 13.: - Porovnání celkových ročních nákladů ....................................- 13 Příloha 14 – Technické parametry termoolejových kotlů ...........................................- 14 Příloha 15 – THERMO ROLL.....................................................................................- 14 Příloha 16 – Rozvod a regulace termooleje ................................................................- 15 -

- 77 -

Měření teplot ADÉLKA Pelhřimov 350 325 300 275 250

Teplota [°C]

225

Meření teplot; ; Voda vystup Ekoblok Pt01;

200

Meření teplot; ; Voda vstup ekoblok Pt02;

175

Meření teplot; ; Spaliny z kotle Pt03; Meření teplot; ; Spal. výst. eko Pt04;

150

Meření teplot; ; Olej do pece Pt05;

125

Meření teplot; ; Olej z pece Pt06;

100 75 50 25 0 6 6 0 2 1 4 38 52 07 4 1 3 8 9 5 0 4 3 8 :2 1:3 1:5 2:0 2:1 2:3 2:4 3:0 3:1 3:3 3:4 0:0 0:1 0:2 0:4 :2 : : : 2 2 2 20 20 20 21 2 2 2 21 2 2 2 2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 09 9 9 9 09 9 0 0 00 00 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0 00 00 20 20 2 2 .2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 11. 11. 11. 11. 1 . . . . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . . . . 5 5 5 5 . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Čas [hod]

Příloha 1 Graf 1.: - Zaznamenané teploty

-1-

4.11 .200 9 20 :09 4.11 .200 9 20 :24 4.11 .200 9 20: 38 4.11 .200 9 20 :52 4.11. 2009 21:0 7 4.11 .200 9 21: 21 4.11 .200 9 21 :36 4.11. 2009 21:5 0 4.11 .200 9 22: 04 4.11 .200 9 22 :19 4.11. 2009 22:3 3 4.11 .200 9 22: 48 4.11 .200 9 23 :02 4.11. 2009 23:1 6 4.11 .200 9 23 :31 4.11 .200 9 23 :45 5.11 .200 9 0:0 0 5.11 .200 9 0:1 4 5.11. 2009 0:28 5.11 .200 9 0:4 3

Výkon [kW]

Výkon hořáku + Odpadní teplo + Výkon EKO bloku

225,0

210,0

195,0

180,0

165,0

150,0

135,0

120,0

105,0

90,0 Výkon hořáku Odpadní teplo Výkon hořáku - ztráty pece Výkon EKO bloku

75,0

60,0

45,0

30,0

15,0

0,0

Čas [hod]

Příloha 2 Graf 2.: - Vypočítané výkony

-2-

Příloha 3 Graf 3.: - Spotřeba zemního plynu v kotly OK 500 VER

-3Čas [hod] 0:00

23:45

23:31

23:16

23:02

22:48

22:33

22:19

22:04

21:50

21:36

21:21

21:07

20:52

20:38

20:24

20:09

19:55

19:40

19:26

19:12

18:57

18:43

18:28

18:14

18:00

17:45

17:31

17:16

17:02

16:48

Množství plynu [m3]

Spotřeba plynu

10040

10020

10000

9980

9960

9940

9920

9900

Příkon hořáku 450 425 400 375 350 325 300 Příkon [kW]

275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25

Čas [hod]

Příloha 4 Graf 4.: - Příkon hořáku WEISHAUPT WG 40

-4-

0:22

23:39

22:4 2

22:28

22:22

22:01

21:4 5

21:33

20:33

0

Spotřeba plynu - hořák 1 660605 660600 660595 660590

Množství plynu [m3]

660585 660580 Spotřeba plynu hořák 1

660575 660570 660565 660560 660555 660550 660545 17:45

18:14

18:43

19:12

19:40

20:09

20:38

Čas [s]

Příloha 5 Graf 5.: - Spotřeba plynu – Hořák I (WEISHAUPT WG 40)

-5-

21:07

21:36

22:04

Spotřeba plynu - plynoměr 2 956615 956610 956605 956600 956595

Množství pylnu [m3]

956590 956585 956580 Spotřeba pylnu - plynoměr 2

956575 956570 956565 956560 956555 956550 956545 956540 956535 17:45

18:14

18:43

19:12

19:40

20:09 Čas [s]

Příloha 6 Graf 6.: - Spotřeba plynu – Hořák II (WEISHAUPT WG 40)

-6-

20:38

21:07

21:36

22:04

Naměřené teploty 250,00 225,00

200,00 175,00

Teplota [°C]

150,00

Meření teplot; ; Spaliny odtah 1; Meření teplot; ; Spaliny odtah 2;

125,00

Meření teplot; ; Spaliny odtah 3; Meření teplot; ; Spaliny z ekobloku;

100,00 75,00

50,00

25,00

0,00 19:40:48

19:55:12

20:09:36

20:24:00

20:38:24

20:52:48

Čas [s]

Příloha 7 Graf 7.: - Naměřené teploty spalin

-7-

21:07:12

21:21:36

21:36:00

Teploty vody - Ekoblok 90

80

70

Terplota [°C]

60

50

Teplota vody vstup - Ekoblok Teplota vody výstup - Ekoblok

40

30

20

10

0 19:40:48

19:55:12

20:09:36

20:24:00

20:38:24 Čas [s]

20:52:48

21:07:12

Příloha 8 Graf 8.: - Měření teploty vody v EKObloku VI

-8-

21:21:36

21:36:00

Výkon hořáků 250,0

225,0

200,0

175,0

Výkon [kW]

150,0 Výkon hořákuk 1 v kW Výkon hořákuk 2 v kW Celkový výkon

125,0

100,0

75,0

50,0

25,0

0,0 19:40:48

19:55:12

20:09:36

20:24:00

20:38:24

20:52:48

Čas [s]

Příloha 9 Graf 9.: - Výkony hořáků

-9-

21:07:12

21:21:36

21:36:00

Výkon [kW]

Výkony hořáků a spalin 645,0 620,0 595,0 570,0 545,0 520,0 495,0 470,0 445,0 420,0 395,0 370,0 345,0 320,0 295,0 270,0 245,0 220,0 195,0 170,0 145,0 120,0 95,0 70,0 19:40:48

Výkon hořákuk 1 v kW Výkon hořákuk 2 v kW Celkový výkon Výkon spalin v kW

19:55:12

20:09:36

20:24:00

20:38:24

20:52:48

Čas [s]

Příloha 10 Graf 10.: - Výkony hořáků a spalin vstupujících do EKObloku VI

- 10 -

21:07:12

21:21:36

21:36:00

Výkon Ekobloku v kW

145

140

135

Výkon [kW]

130

125 Výkon ekobloku v kW 120

115

110

105

100 8 4 0 6 8 2 4 0 6 2 8 8 4 0 6 2 0 :0 :3 :4 :1 :2 :0 :3 :1 :4 :2 :4 :4 :2 :0 :3 :1 :0 48 09 16 31 38 00 21 55 28 40 02 24 45 52 07 14 36 : : : : : : : : : : : : : : : : : 19 19 19 20 20 20 20 20 20 20 20 21 21 21 21 21 21 Čas [s]

Příloha 11 Graf 11.: - Výkon EKObloku VI

- 11 -

Výkon hořáku a ztráty způsobené tepelnými ztrátami pece 250,0

235,0

220,0

205,0

Výkon [kW]

190,0 Celkový výkon Výkon mínus ztráty pece v kW

175,0

160,0

145,0

130,0

115,0

100,0 21:14:24

21:15:50

21:17:17

21:18:43

21:20:10

21:21:36

21:23:02

Čas [s]

Příloha 12 Graf 12.: - Porovnání celkového a ztrátového výkonu

- 12 -

21:24:29

21:25:55

21:27:22

Příloha 13 Graf 13.: - Porovnání celkových ročních nákladů

- 13 -

Příloha 14 – Technické parametry telmoolejových kotlů

Příloha 15 – THERMO ROLL - 14 -

Příloha 16 – Rozvod a regulace termooleje

- 15 -