VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ KRBOVÁ VLOŽKA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE

KRBOVÁ VLOŽKA FIREPLACE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

LUKÁŠ KALOUSEK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2009

doc. Ing. JAN FIEDLER, Dr.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Energetický ústav Akademický rok: 2008/2009

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Lukáš Kalousek který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Energetika, procesy a ekologie (3904R030) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Krbová vložka v anglickém jazyce: Fireplace Stručná charakteristika problematiky úkolu: Rešerše stavu problematiky na trhu ČR Návrh krbové vložky pro zadané palivo Tepelný výměník spaliny-voda Cíle bakalářské práce: Návrh rozměrů a výkonu krbové vložky Návrh přívodu spalovacího vzduchu Návrh tepelného výměníku

Seznam odborné literatury: Rybín,M.:Spalování paliv a hořlavých odpadů v ohništích průmyslových kotlů, SNTL Budaj,F.:Parní kotle -tepelný výpočet, skripta VUT Brno1992

Vedoucí bakalářské práce: doc. Ing. Jan Fiedler, Dr. Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2008/2009. V Brně, dne 6.11.2008 L.S.

_______________________________ doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. Ředitel ústavu

_______________________________ doc. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty

BAKALÁěSKÁ PRÁCE KRBOVÁ VLOŽKA

LUKÁŠ KALOUSEK VUT-FSI EÚ-OEI

Anotace Hlavním tématem bakaláĜské práce je krbová vložka pro vytápČní. První þást obsahuje seznámení se základy spalování a s druhy vyrábČných krbových vložek. Druhá þást práce se vČnuje úpravám teplovodního výmČníku a pĜívodu sekundárního vzduchu. V poslední þásti jsou provedeny výpoþty výkonu dané krbové vložky. Jedná se o krbovou vložku Bety z výroby firmy Profitall spol. s.r.o..

Annotation The main topic of the Bachelor Thesis is a fireplace-insert for heating. The first part contains the introduction to the basics of combustion and the types of fireproduced inserts. The second part of the work deals with adjustments of hotwater exchanger and with secondary air intake. In the last part the calculations of the fireplace insert output are provided. The mentioned fireplace insert is Bety from the production company Profitall s.r.o.

Klíþová slova v þeském jazyce: Spalování, krbová vložka, teplovodní výmČník, sekundární vzduch Klíþová slova v anglickém jazyce: Combustion, fireplace, hot-water exchanger, secondary air

-3-



Bibliografická citace práce: KALOUSEK, L. Krbová vložka . Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 39 s. Vedoucí bakaláĜské práce doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

-4-



ýestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ bez cizí pomoci. Vycházel jsem pĜi tom ze svých znalostí, odborných konzultací a doporuþené literatury uvedené v seznamu.

V brnČ dne:……………..

Podpis:……………….

-5-



PodČkování DČkuji za spolupráci všem, kteĜí mi pomohli pĜi odborných konzultacích, zejména Ing. Janu Fiedlerovi, který byl vedoucím práce. Dále bych rád podČkoval za spolupráci Ing. Josefu Holubovi a Ing. Ctiboru Holubovi.

-6-



OBSAH Anotace .................................................................................................................................3 Bibliografická citace ............................................................................................................4 ýestné prohlášení ................................................................................................................5 PodČkování ...........................................................................................................................6 Obsah ....................................................................................................................................7 1. Úvod ..................................................................................................................................9 2. Paliva ................................................................................................................................9 2.1 RozdČlení paliv ..........................................................................................................9 2.2 Požadavky .................................................................................................................9 2.3 Složení a vlastnosti paliv ........................................................................................10 3. Proces spalování ............................................................................................................11 3.1 Spalovací rovnice ....................................................................................................11 3.2 Dokonalé a nedokonalé spalování .........................................................................11 3.3 Spalování biomasy ..................................................................................................12 3.4 Spalování dĜeva ......................................................................................................12 4. Krbové vložky ................................................................................................................13 4.1 Srovnání krbové vložky s krbem s otevĜeným ohništČm .....................................13 4.2 DČlení krbových vložek ...........................................................................................13 4.3 Koncepce krbové vložky .........................................................................................15 5. Krbová vložka BETY.....................................................................................................17 5.1 Technické údaje .......................................................................................................17 5.2 Rozbor krbové vložky .............................................................................................19 5.2.1 Spalovací komora ..........................................................................................19 5.2.2 Teplovodní výmČník ......................................................................................21 5.2.3 Sekundární vzduch........................................................................................23 5.2.4 PĜedehĜev sekundárního vzduchu ...............................................................24 5.2.5 Regulace sekundárního vzduchu v závislosti na teplotČ spalin.................24 5.3 Regulace primárního vzduchu v závislosti na teplotČ vody.................................25 5.4 Náhradní zdroj NZ UNI..........................................................................................27 6. MČĜení .............................................................................................................................27 6.1 MČĜení výkonu teplovodního výmČníku................................................................27 7. Výpoþty............................................................................................................................28 7.1 Základní chemické rovnice .....................................................................................28 7.2 Výpoþet minimálního množství vzduchu...............................................................29 7.2.1 Minimální množství kyslíku pro spálení 1 kg paliva..................................30 7.2.2 Minimální množství suchého vzduchu ........................................................30 7.2.3 Souþinitel vlhkosti..........................................................................................30 7.2.4 Minimální množství vlhkého vzduchu pro spálení 1 kg paliva .................30

-7-



7.3 Výpoþet minimálního množství spalin...................................................................30 7.3.1 Objem oxidu uhliþitého CO2 ve spalinách ..................................................31 7.3.2 Objem dusíku N2 ve spalinách ....................................................................31 7.3.3 Objem argonu Ar ve spalinách ...................................................................31 7.3.4 Minimální objem suchých spalin ................................................................31 7.3.5 Minimální objem vodní páry vzniklé spálením 1 kg paliva ......................31 7.3.6 Minimální množství páry vzniklé z vlhkého vzduchu ...............................31 7.3.7 Minimální objem vodní páry .......................................................................32 7.3.8 Minimální množství vlhkých spalin ............................................................32 7.4 Maximální množství CO2 ve spalinách ................................................................32 7.5 Výpoþet výkonu teplovodního výmČníku .............................................................32 7.5.1 Prandtlovo þíslo ............................................................................................32 7.5.2 Rychlost proudČní spalin .............................................................................32 7.5.3 Reynoldsovo kritérium .................................................................................32 7.5.4 Souþinitel pĜestupu tepla spalin ..................................................................33 7.5.5 StĜední logaritmický spád pro protiproudé proudČní ..............................33 7.5.6 TeplosmČnná plocha .....................................................................................34 7.5.7 Výkon pĜedaný spalinami ............................................................................34 7.5.8 PrĤmČrná teplota vody .................................................................................34 7.5.9 ǻt na výstupu z ohništČ ................................................................................34 7.5.10 Výkon pĜedaný sáláním stČn .....................................................................34 7.5.11 Celkový výkon .............................................................................................34 7.6 Výpoþet výkonu teplovodního výmČníku na základČ provedeného mČĜení ......35 7.6.1 Výkon pro první mČĜení ..............................................................................35 7.6.2 Výkon pro druhé mČĜení ..............................................................................35 8. ZávČr ...............................................................................................................................35 Literatura ...........................................................................................................................37 Seznam použitých symbolĤ ..............................................................................................38

-8-



1.Úvod Již od poþátku lidské civilizace byl oheĖ symbolem života. Lidé v nČm hledali životní potĜebu, ochranu a duševní uspokojení. S postupným vývojem civilizace, vznikem prvních obydlí, byli lidé nuceni Ĝešit problematiku s umístČním ohništČ v obytných prostorech. Nejprve byla ohništČ umísĢována uprostĜed obytných místností a kouĜ byl odvádČn stropními otvory. PozdČji se ohništČ pĜesouvala ze stĜedu místnosti smČrem ke zdi a byly vytvoĜeny první komíny pro odvod kouĜe. V souþasnosti již oheĖ znamená pro þlovČka životnČ dĤležitý zdroj tepla a proto krby, krbová kamna a krbové vložky jsou dnes využívány pĜevážnČ z estetického hlediska a pro navození pĜíjemné atmosféry. Vzhledem ke konkurenci dnešního trhu, jsou výrobci krbových kamen a krbových vložek nuceni nabídnout uživateli to, co jiný výrobce nenabízí. Jsou v zásadČ dva smČry kterými se mĤže výrobce ubírat. První možností je, že svou výrobu zamČĜí na estetický vzhled svých výrobkĤ, což ocení pĜedevším Ti uživatelé, kteĜí nekladou dĤraz na výkon a úþinnost daného výrobku. Naopak v druhém pĜípadČ se výrobce zamČĜí hlavnČ na technické parametry, jako je úþinnost a výkon. Firma Profitall spol s r.o. se zamČĜuje pĜedevším na výrobu krbových vložek. Jejím posledním výrobkem se kterým se snaží prorazit pĜedevším na þeském trhu je krbová vložka Bety s teplovodním výmČníkem. Snahou této firmy je vyvíjet krbové vložky s požadovaným tepelným výkonem pĜi vysoké úþinnosti a spolehlivosti. SouþasnČ plnČ odpovídajícím platným normám ýSN EN.

2. Paliva Palivo je chemický prvek, nebo látka u které mĤže dojít k chemické reakci spalování, za dodržení vhodných podmínek.

2.1. RozdČlení paliv: Podle skupenství: • pevná paliva: koks, uhlí, brikety, biomasa • plynná paliva: vodík, zemní plyn, koksárenský plyn • kapalná paliva: benzín, motorová nafta, topné oleje

2.2. Požadavky: • • • • •

dobrá výhĜevnost dobrá zápalnost požadovaná teplota bodu zápalu tj. samovznícení malý obsah vlhkosti dostateþná rychlost spalování

-9-



Tab.1 Obsah prchavé hoĜlaviny v rĤzných druzích paliva Palivo VýhĜevnost [MJ/Kg] Prchavá hoĜlavina [%] Koks 28,5 1,5 ýerné uhlí 28 20 HnČdé uhlí 17 55 DĜevo 18 75 Sláma 16 80

2.3. Složení a vlastnosti paliv: Abychom mohli rozhodnout o tom, jestli je palivo vhodné pro daný typ ohništČ, nebo abychom mohli urþit kvalitu paliva, musíme vycházet ze základních vlastností paliv, které jsme schopni namČĜit, nebo je zjistit na základČ chemického složení paliva. Základní charakteristické vlastnosti paliv: • obsah vody v pĤvodním palivu • obsah popela v pĤvodním palivu • obsah popela v suchém palivu • spalné teplo • výhĜevnost • obsah síry v palivu • obsah prchavé hoĜlaviny • sypná hmotnost • charakteristické teploty popela

W A Ad Q Qi S V m ta tb tc

[%] [%] [%] [MJ/Kg] [MJ/Kg] [%] [%] [t/m3] [°C]

Tuhá paliva jsou tvoĜena tĜemi základními složkami: voda + popelovina + hoĜlavina = 100%. Jedinou hoĜlavou složkou je hoĜlavina, popel a voda jsou nehoĜlavé. Obsah vody a popela znaþnČ ovlivĖuje konstrukci spalovacího zaĜízení a samotný proces hoĜení. Naším cílem je dosáhnout optimálního složení paliva. PĜi topení kusovým dĜevem, je vhodné jej dostateþnou dobu pĜed zimní sezonou naštípat a uložit na místo, kde bude odvČtrávat a vysychat. HoĜlavina, která je obsažena v palivu se skláda z uhlíku, vodíku, síry, dusíku a kyslíku. Samotného procesu spalování se úþastní jen síra, vodík a uhlík.

- 10 -



Závislost výhĜevnosti dĜeva na obsahu vody

VýhĜevnost [MJ/Kg]

20 15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

Vlhkost[%]

3.Proces spalování Spalování je chemický proces, pĜi kterém se prvky obsažené v palivu sluþují s kyslíkem. Tento proces je exotermický, tudíž se pĜi nČm teplo uvolĖuje. Kvalita spalování je závislá na konstrukþním Ĝešení spalovacího zaĜízení a na správném pomČru paliva a kyslíku.

3.1. Spalovací rovnice: Spalování uhlíku na oxid uhliþitý C + O2 = CO2 + teplo Spalování síry na oxid siĜiþitý S + O2 = SO2 + teplo Spalování vodíku na vodní páru 2 H 2 + O2 = 2 H 2 O + teplo

3.2. Dokonalé a nedokonalé spalování PĜi spalování, je cílem získat z paliva co nejvČtší tepelnou energii a minimalizovat tepelné ztráty. Toho dosáhneme tím, že ve spalovací komoĜe bude zajištČn dostateþný pĜísun vzduchu a tím dosáhneme ideálního pomČru palivo-vzduch. PĜi dokonalém spalování nejsou v produktech spalování obsaženy žádné hoĜlavé složky, tím se dosáhne minimálních tepelných ztrát. Dochází k pĜemČnČ uhlíku C na oxid uhliþitý CO2 a dále ke spálování vodíku na vodní páru. Naopak pĜi nedokonalém spalování, odchází ve výstupních spalinách i þást hoĜlavých látek, které pro nás znamenají energetickou ztrátu. Pro zamezení této ztráty je nutné dodržet správný pomČr vzduchu a paliva pĜi dostateþném pĜísunu kyslíku. Nesmí docházet k prudkému ochlazování plamene. Nedokonalé spalování je nežádoucí také z toho dĤvodu, že pĜi nČm vzniká jedovatý plyn oxid uhelnatý CO. Dalšími produkty nedokonalého spalování jsou metan, vodík a saze.

- 11 -



3.3. Spalování biomasy Spalování biomasy je dvojího druhu. DČlíme jej podle toho, jaký je výsledný produkt na konci procesu spalování. Pokud je výsledným produktem z vČtší þásti plyn, tak jde o zplyĖování. Naopak, pokud jsou výsledným produktem spalování zejména páry a aerosoly, tak jde o rychlou pyrolýzu. ZplyĖování biomasy ZplyĖování biomasy je proces, pĜi kterém se biomasa zahĜívá bez pĜístupu kyslíku a tím dochází k jejímu štČpení na nízkomolekulární prvky a na tuhý zbytek. BČhem zplyĖování dochází k ĜadČ dČjĤ, které jsou závislé na teplotČ. PĜi teplotách do 200°C dochází k uvolĖování vody z paliva a vzniku vodní páry. PĜi tČchto teplotách tedy dochází k sušení paliva. V rozmezí teplot 200-500°C dochází k suché destilaci. Ta je doprovázena vznikem plynných a kapalných produktĤ a pevného uhlíku. PĜi dalším zvýšení teplot na rozmezí 500-1200°C dochází ke štČpení produktĤ vzniklých suchou destilací. Tímto vznikají stabilní plyny jako je CO, CO2, CH4 a H2.

Rychlá pyrolýza Pyrolýza je termický rozklad organických materiálĤ, který probíhá za nepĜítomnosti kyslíku. Pyrolýza mĤže probíhat ve tĜech teplotních pásmech a podle toho ji dČlíme na nízkoteplotní, stĜednČteplotní a vysokoteplotní. Hlavním smyslem pyrolýzy je získat produkt, který dosahuje vyšší energetické úrovnČ, než pĤvodní palivo. Tímto produktem je bioolej.

3.3.1 Spalování dĜeva Na spalování dĜeva má zásadní vliv jeho vlhkost, protože voda má velké výparné teplo. To znamená, že voda spotĜebuje velkou þást energie na její pĜemČnu ve vodní páru a tím nám klesá energetický zisk. Jako optimální vlhkost dĜeva se bere vlhkost okolo 20%. PĜi zahĜívání nejprve dochází k uvolĖování vody. Protože dĜevo má nízkou tepelnou vodivost, tak k tomuto odpaĜování dochází i po té, co dĜevo už na povrchu hoĜí plamenem. Teprve potom, kdy se ze dĜeva vypaĜí veškerá voda, dochází k uvolĖování prchavých látek a k tepelnému rozkladu jednotlivých látek,ze kterých se dĜevo skládá. Dochází ke vzniku smČsy plynĤ a na spalovacím roštu zĤstává dĜevČné uhlí. Vlhkost obsažena ve dĜevČ je dána tím, že hlavní složkou dĜeva je celulóza, která snadno absorbuje vodu a pĜijímá vlhkost. Vzhledem k tomu, že v celulóze pĜipadá na jeden atom uhlíku právČ jeden atom kyslíku, tak její výhĜevnost v suchém stavu þiní 18 MJ/Kg. DĜevo, stejnČ jako jiné formy biomasy, mají velký podíl prchavé hoĜlaviny, což zapĜíþiĖuje, že pĜi zahĜátí na teplotu vyšší než je 200 °C dochází k rozkladu a tvorbČ hoĜlavých plynĤ. Díky tČmto plynĤm, které se pĜi hoĜení uvolĖují, dĜevo hoĜí dlouhým plamenem, což komplikuje konstrukþní návrh spalovacího prostoru u zaĜízeních na spalování dĜeva. - 12 -



4. Krbové vložky 4.1. Srovnání krbové vložky s krbem s otevĜeným ohništČm Postupné zvyšování cen paliva a tepelné energie vyvolává požadavky na efektivnČjší formy vytápČní. Tento požadavek se vztahuje i na tradiþní krby s otevĜeným ohništČm (dále jen krby). U tČchto krbĤ, byla regulace hoĜení provádČna prakticky jen manipulací s kouĜovou klapkou. Tyto krby se v dnešní dobČ nahrazují krbovými vložkami, které již nemají otevĜené ohništČ a jejich úþinnost je výraznČ vyšší. Konstrukce krbĤ je jednodušší, než u krbových vložek, ale oproti tomu krbové vložky zajišĢují dokonalejší spalování, což je hlavní dĤvodem rozvoje krbových vložek. Krby mají jednodušší þistitelnost oproti krbovým vložkám. U krbĤ není ve spodní þasti ohništČ spalovací rošt, proto odpadá i popelník, který bývá umístČn právČ pod roštem. To znamená, že pokud chceme krb vyþistit od tuhých zbytkĤ, které nám zĤstaly v ohništi, musíme je vymetat z ohništČ ven. Co se týþe hygienických požadavkĤ, tak to není urþitČ optimální zpĤsob. U krbové vložky staþí vyjmout popelník a vyprázdnit jej. Krb má výhodu oproti krbové vložce v jednodušší údržbČ. Díky otevĜenému ohništi odpadá údržba þelního skla, jako je tomu u krbové vložky. V dnešní dobČ jsou krby pĜevážnČ jen okrasou bytu a krbové vložky pĜevzaly funkci topných zaĜízení. Výhody krbové vložky: • vyšší úþinnost • lepší regulace hoĜení • lepší odtah spalin • možnost využití výmČníkĤ tepla • rozvod horkého vzduchu do dalších místností • lepší þistitelnost • pĜi zapalování nedochází ke vnikání kouĜe do místnosti

4.2. DČlení krbových vložek Podle materiálu: • celolitinové • ocelové • kombinované • topeništČ vyložená šamotem • topeništČ vyložená vermiculitem Podle konstrukce: • jednoduché (jednoplášĢové) • dvouplášĢové • s teplovodním výmČníkem • teplovzdušné - 13 -



Podle použitého paliva: • zemní plyn, propan butan • dĜevo, dĜevČné brikety • uhlí, koks Podle využití tepla: Krbové vložky bez dalšího využití tepla-Tyto krbové vložky slouží k vytápČní místnosti ve které jsou umístČny. Protože teplo není nijak dále využíváno, mají tyto vložky menší výkon, aby nedocházelo k pĜetápČní místnosti. Krbové vložky s využitím tepla pro vytápČní dalších místností – Jsou to dvouplášĢové krbové vložky, které se dále obezdívají nebo obkládají vhodným materiálem. Také se používají “kazetové“ krbové vložky, které se vkládají do pĜipravených otvorĤ ve zdi a jsou napojeny na rozvody teplého vzduchu, které jsou opatĜeny ventilátory. PĜi využití ventilátorĤ, dochází k výmČnČ velkého množství vzduchu. Tento vzduch je suchý a obsahuje vČtší množství prachu. OhĜátý vzduch mĤže být rozvádČn do okolních místností. Krbové vložky s teplovodním výmČníkem- Tento typ krbové vložky je z ekonomického hlediska nejvýhodnČjší, protože velká þást tepla je pĜedána do vody, která je následnČ odvedena do ústĜedního topení a slouží k vytápČní všech místností, ve kterých je ústĜední topení umístČno. PĜi použití teplovodního výmČníku je nutné volit ústĜední vytápČní s nuceným obČhem vody.

- 14 -



4.3. Koncepce krbové vložky

Obr.1: Konstrukce krbové vložky 1. Spalovací komora Spalovací komora je nejdĤležitČjší þást krbové vložky pĜi jejím navrhování. OvlivĖuje prĤbČh hoĜení a pĜedávání tepla do místnosti ve které je krbová vložka situována. Na velikosti spalovací komory je závislé množství pĜivádČného spalovacího vzduchu. Primární vzduch je pĜivádČn do spodní þásti spalovací komory a pro zvýšení úþinnosti se do horní þásti spalovací komory pĜivádí sekundární vzduch. Terciální vzduch se vČtšinou již nepĜivádí a to z toho dĤvodu, že spalovací komora u krbových vložek není dost velká a mohlo by docházet k ochlazování plamene, nebo hoĜlavých spalin v horní þásti spalovací komory. Velikost spalovací komory také klade omezení na velikost paliva, které bude v krbové vložce spalováno. To platí pĜedevším pro dĜevo. Spalovací komora je vyložena žáruvzdorným materiálem, který chrání plášĢ krbové vložky a zajišĢuje potĜebnou teplotu pro spalování.

Obr.2: Pohled na spalovací komoru pĜi plném výkonu

- 15 -



2. KouĜová komora Do této þásti krbové vložky se dostávají prchavé hoĜlaviny, které nebyly spáleny ve spalovací komoĜe. KouĜová komora již nemá tak velký vliv na samotné hoĜení jako spalovací komora. PĜevážnČ v ní dochází jen k hromadČní kouĜe, který je následnČ odveden kouĜovody do komína. 3. Výstupní hrdlo Výstupní hrdlo spalin umožĖuje propojení krbové vložky s komínem. Do horní þásti krbové vložky se umísĢují další výstupní hrdla, která ale neslouží k odvodu kouĜe do komína, ale využívají se k rozvodu teplého vzduchu do okolních místností. 4. KouĜová klapka KouĜová klapka slouží k regulaci odvodu kouĜe a také k regulaci tahu komína, což ovlivĖuje pĜísun vzduchu do spalovací komory. UzavĜením kouĜové klapky dosáhneme pomalého dohoĜívání ohnČ, nebo snížení tepelného výkonu krbové vložky. KouĜová klapka musí být konstruována tak, aby ani pĜi jejím úplném uzavĜení tj. osa klapky svírá pravý úhel s osou kouĜovodu, nedošlo k úplnému uzavĜení kouĜovodu. MČla by pokrývat max. 75% prĤchodu. KouĜová klapka bývá vČtšinou ovládána mechanicky, u modernČjších krbových vložek i elektronicky. 5. ýelní sklo PĜední þást krbové vložky nemusí být prosklená, ale vČtšinou se vložky vyrábČjí v proskleném provedení. Prosklené mĤžou být i boþní stČny vložky, to ale snižuje úþinnost, pokud nechceme vytápČt jen místnost ve které je krbová vložka umístČna. Sklo musí být tvrzené a žáruvzdorné. Jedinou nevýhodou skla je to, že se zanáší a jsme nuceni jej þistit.

Obr.3: ýelní prosklená dvíĜka

6. Rošt Na spalovací rošt se pokládá palivo k zátopu. Primární vzduch bývá pĜivádČn skrz tento rošt. Hlavní úkolem roštu je tedy pĜívod primárního vzduchu a odvod tuhého zbytku a popela ze spalovací komory. Pro snadnČjší manipulaci a vyþištČní spalovacího prostoru se rošty vyrábČjí jako otoþné. Ideální je možnost manipulace s roštem, pĜi zavĜených dvíĜkách spalovací komory. Rošty se vyrábČjí v mnoha provedeních.

- 16 -



7. Popelník Je umístČn pod roštem a jsou do nČj odvádČny tuhé zbytky souþasnČ s popelem. Primární vzduch je možné pĜivádČt pĜes dvíĜka, která zajišĢují pĜístup k popelníku.

5. Krbová vložka Bety Jednou z výrobních þinností firmy Profitall s.r.o. je výroba krbových kamen a krbových vložek. Firma Profitall zejména u krbových vložek, se zamČĜuje na pĜedání co nejvČtšího množství tepla do teplovodního výmČníku, þímž je zajištČno efektivní vytápČní. Profitall s.r.o. nabízí celou Ĝadu krbových vložek. Krbové vložky jsou typovČ oznaþeny Bety II, Bety III, Bety P a Bety MAX. VČtšina tČchto krbových vložek je vybavena teplovodním výmČníkem. Posledním vyrobeným typem je krbová vložka Bety.

5.1. Technické údaje Tab.2 Technické údaje krbové vložky Bety Celkový jmenovitý tepelný výkon 20 kW Jmenovitý tepelný výkon teplovodního výmČníku 16 kW Výkonový rozsah teplovodního výmČníku 4-19 kW Jmenovitý teplovzdušný výkon 4 kW PrĤmČr kouĜovodu 180 mm Provozní tah 20 Pa Výška krbové vložky 1 165 mm Výška krbové vložky s podstavcem 1 300 mm ŠíĜka 660 mm Hloubka 440 mm Hmotnost 195 kg

- 17 -


Obr.4: Krbová vložka Bety

- 18 -




5.2. Rozbor krbové vložky Krbová vložka BETY je urþena pro teplovodní vytápČní objektĤ dĜevem a dĜevČnými briketami. S ohledem na to, že dnešním trendem je snaha pĜedávat co nejvČtší množství tepelného výkonu do ústĜedního topení, je krbová vložka BETY konstruována tak, že 80% svého výkonu pĜedává právČ do vody. Tím pádem zbytek tepelného výkonu odchází do místnosti, ve které je krbová vložka umístČna. Protože velká þást výkonu je pĜedána do vody a ne pĜímo do místnosti, je možné nepĜetržitČ provozovat vložku na plný výkon, aniž by docházelo k pĜetápČní místnosti ve které je vložka umístČna. Díky velkému výkonu teplovodního výmČníku je možné vytápČt celé objekty. Úþinnost vytápČní mĤže být znaþnČ zvýšena použitím akumulaþní nádrže, která slouží k akumulaci pĜebyteþného výkonu a po ukonþení provozu krbové vložky zpČtnČ vytápí celý objekt, nebo tu þást, do které je pĜipojena. Vložka je konstruována jako dvouplášĢová. Je svaĜena z ocelových plechĤ. V horní þásti krbové vložky je umístČno hrdlo pro odtah spalin, dále tam jsou také umístČna hrdla pro rozvod teplého vzduchu do okolních místností. Krbová vložka stojí na nosné konstrukci. Je to z toho dĤvodu, že popelník není vestavČn uvnitĜ krbové vložky, ale je umístČn pod ní. Toto Ĝešení, umožĖuje vyjímat popelník pĜi vhodném umístČní krbové vložky z místnosti, která je situována za vložkou. Tím se zamezí zneþišĢování obytné místnosti. PĜi koneþném obkládání a montování, je vložka zabudována i s touto konstrukcí.

Obr.5: Krbová vložka BETY-Konstrukce

5.2.1. Spalovací komora Spalovací komora má rozmČry 500x440x660 mm. Její boþní stČny a zadní stČna jsou vyloženy žáruvzdornými deskami a dno spalovací komory je ze žárobetonu. Ve spodní þásti je umístČn otoþný rošt, který zvyšuje komfort obsluhy. PĜes tento rošt je pĜivádČn primární vzduch, jehož regulaci je možné provádČt na dvíĜkách popelníku. Ten je umístČn pod roštem a na vyžádání zákazníka je možné jej konstruovat tak, aby byl pĜístupný i ze zadní strany vložky. V pĜední þásti spalovací komory je vyjímatelné hradítko, které zabraĖuje vypadávání dĜeva a popela pĜi otevĜení dvíĜek.

- 19 -



Obr.6: Pohled na spalovací komoru, rošt, hradítko

Obr.7: KouĜová klapka KouĜová klapka je umístČna na hrdle kouĜovodu a je ovládána manuálnČ. PĜi zavĜení kouĜové klapky nedojde k úplnému uzavĜení kouĜovodu, ale i pĜesto je potĜeba pĜi otevírání dvíĜek mít klapku otevĜenou, aby nedošlo k vniknutí kouĜe do místnosti. Dalším zabezpeþením proti vniknutí kouĜe do spalovací komory je Ĝízení toku spalin-bypass. V pĜípadČ, že jsou dvíĜka uzavĜena, procházejí spaliny v co nejvČtším množství skrz teplovodní výmČník. Výhodou je že spalinám je kladen vČtší odpor a tah komína je menší (pomalejší prĤchod pĜes výmČník). Proto dochází k dokonalejšímu pĜedání tepla do teplovodního výmČníku. Po otevĜení dvíĜek se bypass otevĜe a dochází ke zvýšení tahu komína a spaliny bez vČtšího odporu procházejí do horní þásti krbové vložky a následnČ do komína. Tím je kladen menší odpor prĤchodu spalin a kouĜe ze spalovací komory. Tento mechanismus slouží i ke zvýšení úþinnosti teplovodního výmČníku.

- 20 -



5.2.2. Teplovodní výmČník Jak jsem již výše uvedl, cílem firmy Profitall s.r.o. je pĜedat co nejvČtší þást výkonu do teplovodního výmČníku a pĜes nČj do ústĜedního topení. Ve starších typech krbových vložek, byli používány rĤzné typy teplovodních výmČníkĤ, ale svou konstrukcí se lišily jen minimálnČ. VČtšina dĜíve používaných výmČníkĤ byla vodotrubného typu. To znamená, že voda procházela trubkami a spaliny pĜedávaly své teplo do výmČníku prostĜednictvím stČn trubek. Velkou nevýhodou tohoto výmČníku byla jeho þasová nároþnost pĜi výrobČ. Tím se znaþnČ zvyšovali i náklady na jeho výrobu. Další nevýhodou byla problematická þistitelnost teplosmČných ploch. Proto u posledního typu krbové vložky BETY, byla provedena zmČna a vodotrubný výmČník byl nahrazen výmČníkem žárotrubným. Rozdíl je v tom, že nyní je voda obsažena v nádrži teplovodního výmČníku a touto nádrží procházejí žárové trubky, které slouží k prĤchodu spalin skrz teplovodní výmČník. V tomto pĜípadČ je dosaženo vČtší teplosmČné plochy. U starších typĤ výmČníkĤ byla teplosmČnou plochou pouze stČna trubek. Protože u žárotrubného výmČníku není jeho nádrž nijak izolována vzhledem k okolním stČnám, tak dochází k pĜedávání tepla stČnami této nádrže a dále dochází k pĜestupu tepla trubkami, které procházejí skrz výmČník. Aby byl pĜestup tepla ještČ úþinnČjší, jsou do trubek vkládány rozviĜovací plechy. Tyto plechy usmČrĖují tok spalin vzduchu tak, aby narážel do stČn trubek a neprošel výmČníkem zbyteþnČ rychle, bez pĜedání dostateþného tepla. Prvotní, do spirály stoþené plechy byly pro pracnou výrobu nahrazeny jiným typem rozviĜovacích plechĤ, které jsou konstruovány podle obr.10. ýištČní žárotrubného výmČníku je výraznČ jednodušší, než u typu pĜedchozího. Výše zmínČné plechy se také používají k þištČní výmČníku. Jednoduchou manipulací je možné za jejich pomoci vyþistit trubky, kterými procházejí spaliny. Ostatní plochy, které jsou rovné, bez rĤzných zakĜivení, jsou snadno þistitelné. VýmČník má jeden vstup na spodní þásti, kterým se pĜivádí studená voda a v horní þásti výmČníku je výstup pro odvod teplé vody. Výhody žárotrubného výmČníku oproti vodotrubnému: • jednodušší výroba • lepší þistitelnost • vyšší výkon

- 21 -



Obr.8:Teplovodní výmČník s rozviĜovacími plechy, pohled skrz kouĜovod

Obr.9:RozviĜovací plech PĜi spalování dĜeva se do spalin uvolĖuje vodní pára a další agresivní produkty, které mohou zpĤsobovat rychlou korozi výmČníku a také jeho zanášení. Tento vliv je závažnČjší u nevysušeného paliva (vyšší obsah vodní páry) a jehliþnatého dĜeva (vyšší podíl pryskyĜice). K tČmto nežádoucím jevĤm nedojde, pokud je výmČník dostateþnČ teplý a nedochází ke kondenzaci spalin. Možná Ĝešení této problematiky: 1. PĜed zatopením ve vložce ohĜát systém ústĜedního topení jiným zdrojem (plynový kotel) minimálnČ na 50°C. 2. Spínání obČhového þerpadla krbové vložky pomocí citlivého þidla v potrubní jímce. Spínání by mČlo být nastaveno minimálnČ pĜi 50°C 3. Do topného okruhu zapojit trojcestný termostatický smČšovací ventil, který pĜepouští topnou vodu dál do systému až po dosažení požadované teploty v teplovodním výmČníku.

- 22 -



Obr.10: Zapojení tĜícestného ventilu do topného okruhu

5.2.3 Sekundární vzduch Pro dokonalé spalování dĜeva v krbové vložce je nutné pĜivádČt dostateþné množství spalovacího vzduchu do spalovací komory. Primární spalovací vzduch je pĜivádČn pĜes rošt na dnČ spalovací komory. Prchavé hoĜlaviny, uvolĖující se pĜi hoĜení dĜeva stoupají do horní þásti spalovací komory a pokud zde nepĜijdou do styku s kyslíkem odcházejí nevyužité spoleþnČ se spalinami do komína. Sekundární vzduch pĜivádČný zadní stČnou spalovací komory do její horní þásti vzduchovými tryskami zajišĢuje dostatek kyslíku pro dohoĜení prchavé hoĜlaviny. Vzduchové trysky umístČné podél celé zadní stČny zajišĢují dobré promíchávání hoĜlaviny se vzduchem. PĜi první zkoušce bylo zjištČno, že tryskami je pĜivádČno velké množství vzduchu a dochází k ochlazování plamene. Proto byli pĜed druhou zkouškou trysky na výstupu zúženy. Zavedení sekundárního vzduchu do horní þásti spalovací komory podstatnČ zlepšilo spalování a zvýšilo celkovou tepelnou úþinnost krbové vložky.

Obr.11: PĜívod sekundárního vzduchu

- 23 -



5.2.4. PĜedehĜev sekundárního vzduchu Nevýhodou tohoto Ĝešení je vliv studeného sekundárního vzduchu na prĤbČh hoĜení pĜi zatápČní a rozhoĜívání dĜeva. Pro zlepšení situace je vhodné opatĜení, které zajistí pĜedehĜev sekundárního vzduchu pĜed jeho vstupem do spalovací komory a dále zabrání vstupu vzduchu do spalovací komory pĜi nízkých teplotách spalin na výstupu z krbové vložky.

Obr.12: PĜedehĜev sekundárního vzduchu V bodČ 1 je vzduch nasáván a prochází skrz kapsu, která je ohĜátá v závislosti na prĤbČhu hoĜení. Vzduch prochází skrz kapsu a je nucen proudit kolem plechu 3, který by mČl zajišĢovat to, že vzduch neprojde kapsou pĜímo, ale bude v ní pĜidržen a dojde k úþinnČjšímu ohĜevu sekundárního vzduchu. PĜedehĜátý vzduch následnČ vystupuje z kapsy v bodČ 2 a je vhánČn do spalovací komory.

5.2.5. Regulace sekundárního vzduchu v závislosti na teplotČ spalin Jak již bylo výše zmínČno, sekundární vzduch není vždy pĜínosem. Je to zejména pĜi rozhoĜívání a dohoĜívání plamene. Po zátopu, není krbová vložka dostateþnČ ohĜátá, takže þást tepla které vznikne hoĜením se absorbuje do stČn krbové vložky. StČny jsou sice od spalovací komory izolovány žáruvzdorným materiálem, ale i pĜesto dochází k pĜedávání tepla. Sekundární vzduch který je pĜivádČn v tuto chvíli do spalovací komory zpĤsobuje další ochlazení a tím pádem vČtší tepelnou ztrátu. Protože spalovací komora není dostateþnČ ohĜátá v poþátcích rozhoĜívání plamene, tak ani pĜedehĜívání sekundárního vzduchu nemá požadovaný úþinek. PĜi dohoĜívání dochází k ochlazování spalovací komory a tím pádem není sekundární vzduch dostateþnČ pĜedehĜíván a opČt dochází k ochlazování plamene. Aby se zamezilo tČmto nežádoucím jevĤm, je nutné pĜívod sekundárního vzduchu regulovat v závislosti na teplotČ. Tato regulace by mohla být provádČna manuálnČ. Pro zvýšení komfortu je ale lepší, když regulace bude provádČna automaticky. Automatická regulace by - 24 -



mohla být provádČna elektronickou cestou, ale to by znaþnČ zvýšilo cenu krbové vložky a náklady na její atestaci by také byli podstatnČ vyšší. Proto se mi jako nejjednodušší Ĝešení jeví využití vlastností bimetalu.

Obr.13: Funkce bimetalu

Bimetal je zhotoven ze dvou kovĤ, které jsou spolu pevnČ spojeny, proto se mu také Ĝíká dvojkov. Protože oba kovy mají rĤznou tepelnou roztažnost, tak pĜi zahĜátí bimetalu na teplotu, která odpovídá tepelné roztažnosti jednoho z kovĤ (druhý kov jí musí mít nižší) dochází k jeho roztahování vlivem teploty. To zpĤsobuje ohyb bimetalu. Tento ohyb je definovatelný podle složení obou kovĤ. Kov který se ohýbá se nazývá aktivní a druhý kov je pasivní. My jsme bimetal použili k ovládání pĜívodu sekundárního vzduchu. Tím je regulace automatická a není potĜeba žádných elektronických zaĜízení. Automatické ovládání pomocí bimetalu je navrženo teoreticky, ale prakticky ještČ není úplnČ dokonþeno. Bimetal by mČl být umístČn na vnČjší stranČ pláštČ krbové vložky za kouĜovodem. PĜi dosažení povrchové teploty okolo 60°C by se mČl bimetal zaþít ohýbat a pĜes Ĝetízek, který je na nČm uchycen, zaþít otvírat vstup pro nasávání sekundárního vzduchu. PĜi plném výkonu krbové vložky zĤstane pĜívod vzduchu otevĜen a pĜi dohoĜívání se bude opČt uzavírat v závislosti na povrchové teplotČ. Bimetal který jsme použili pro zkušební provoz byl dodán firmou Kanthal. Oznaþení tohoto bimetalu je KANTHAL 200 R 110 TB 20110. Jedna þást bimetalu je vyrobena z Ni a druhá je slitina MnNiCu,to zajišĢuje specifické vlastnosti tohoto bimetalu.

5.3. Regulace primárního vzduchu v závislosti na teplotČ vody Jednou z možností, jak je možné provádČt regulaci pĜívodu primárního vzduchu je regulace v závislosti na teplotČ vody. Pro tuto variantu regulace jsme využily termostatický Ĝetízkový regulátor spalovacího vzduchu u kterého si nastavíme teplotu ohĜáté vody, kterou bychom chtČli udržovat a regulátor provádí automatickou regulaci primárního vzduchu v závislosti na aktuální teplotČ vody. Pokud si tedy na regulátoru nastavíme teplotu vody 80°C, tak pĜi dosažení této teploty bude pĜívod primárního vzduchu uzavĜen. PĜi poklesu teploty dojde k opČtovnému otevĜení. Nevýhodou této regulace je pomalejší odezva na prĤbČh hoĜení ve spalovací komoĜe a že regulace je provádČna v závislosti na teplotČ vody a ne spalin. Další

- 25 -



nevýhodou je pĜístup pĜi nastavování teploty na regulátoru, protože je umístČn na zadní stČnČ krbové vložky. Tento typ regulace byl použit u starších typĤ krbových vložek a je pĜedpokladem že bude využit u krbové vložky Bety. U krbové vložky Bety je regulace primárního vzduchu manuální.

Obr.14: Princip þinnosti termostatického regulátoru Parametry termostatického Ĝetízkového regulátoru: • Regulaþní rozsah: 30 - 90°C • Maximální teplota vody: 120°C • Maximální teplota prostĜedí: 60°C • Zatížení Ĝetízku: 100 – 800g • Pracovní poloha: vertikální, horizontální

Obr.15: Regulace pĜívodu primárního vzduchu u krbové vložky Bety II

- 26 -



5.4. Náhradní zdroj NZ UNI Pokud je krbová vložka vybavena teplovodním výmČníkem napojeným na ústĜední topení, musí být do obČhu vody zapojeno þerpadlo, pokud zapojení není provedeno jako samotížné. Aby se zamezilo pĜehĜátí vody ve výmČníku v pĜípadČ výpadku proudu a tím vyĜazením þerpadla z provoz, musí být þerpadlo pĜipojeno na náhradní zdroj. Jednou z možností je þerpadlo pĜipojit na akumulátor, který bude dobíjen napĜ. pĜes NZ UNI. Tento náhradní zdroj slouží k automatickému dobíjení akumulátoru v pĜípadČ že je akumulátor vybit. Nabíjeþka je vybavena ochranou proti pĜebití baterie. Pokud nedošlo k výpadku elektrické energie, tak NZ UNI slouží jako mČniþ 12Vss/230Vst/50Hz. Zdroj je také vybaven teplotním þidlem, které je nutné pĜipojit na výstup teplé vody z krbové vložky. Na pĜístroji nastavíme teplotu, pĜi které chceme aby bylo þerpadlo spuštČno.

Parametry NZ UNI: • SiĢ: 220-240V, 40 – 60Hz • Baterie: 12V, 30 – 150Ah, olovČný akumulátor • MČniþ: 12Vss./230Vst./50Hz • Max výkon mČniþe: 200W • PĜipojení þerpadla: max. 150W

6.MČĜení 6.1.MČĜení výkonu teplovodního výmČníku: Použitá zaĜízení • Nádrž o objemu 235 l • ýerpadlo • TĜícestný ventil • TeplomČr MČĜení se provádČlo každých 5min a mČĜili jsme teploty na vstupu a výstupu nádrže. Dále byla mČĜena teplota spalin v ústí kouĜovodu. První mČĜení bylo provádČno pĜed tím, než byla zhotovena úprava pĜívodu sekundárního vzduchu a rozviĜovacích plechĤ. PĜi prvním mČĜení byl do soustavy zapojen trojcestný termostatický ventil. Nejprve byla ohĜívána voda v teplovodním výmČníku a pĜi teplotČ 50 ˚C se trojcestný ventil otevĜel. NáslednČ byla ohĜívána voda v celém systému.

- 27 -



Tab.3 Hodnoty 1.mČĜení þas t [min] 5 10 15 20 25 30 35

Tn1 [°C] 52 50 50 50 52 57 59

T n2 [°C] 14 20 28 37 42 44 49

T prĤm [°C] 33 35 39 43,5 47 50,5 54

T n [°C] 0 2 6 10,5 14 17,5 21

T spal [°C] 250

270

Druhé mČĜení bylo provedeno po úpravČ pĜívodu sekundárního vzduchu a rozviĜovacích plechĤ. OpČt byla mČĜena teplota na vstupu a výstupu nádrže a teplota spalin. Termostatický ventil byl pro toto mČĜení odpojen.

Tab.4 Hodnoty 2.mČĜení þas t [min] Tn1 [°C] 0 10 5 26 10 37 15 43 20 46 25 48 30 49 35 49 40 50

T n2 [°C] 10 8 8 20 12 18 28 43 50

T prĤm [°C] 10 17 22,5 31,5 29 33 38,5 46 50

- 28 -

T n [°C] 0 7 12,5 21,5 19 23 28,5 36 40

T spal [°C] 127 163 185 191 195 192 195 192 187


6.Výpoþty 6.1.Základní chemické rovnice: Dokonalé spalování PĜebytek vzduchu Į = 1 Spalování uhlíku na oxid uhliþitý CO2 C + O 2 → CO 2 + Q 1 mol C + 1 mol O 2 = 1 mol CO 2 + Q 12,01 kg C + 32 kg O 2 = 44,01 kg CO 2 + 407260 kJ 12,01 kg C + 22,39 m 3n 1 kg C + 1,865 m 3n = 1,854 m 3n + 33910 kJ/kg Spalování vodíku na vodní páru H2O

2 H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q 2 mol H 2 + 1 mol O 2 = 2 mol H 2 O + Q 4,032 kg H 2 + 32 kg O 2 = 36,032 kg H 2 O + 486179 kJ 4,032 kg H 2 + 22,39 m 3n = 44,80 m 3n 1 kg H 2 + 5,553 m 3n = 11,11 m 3n + 120580 kJ/kg Nedokonalé spalování C+

1 O 2 → CO + Q 2

1 mol C +

1 mol O 2 = 1 mol CO + Q 2

12,01 kg C + 16 kg O 2 = 28,01 kg CO + 151866 kJ 12,01 kg C + 11,195 m 3n = 22,50 m 3n 1 kg C + 0,932 m 3n = 1,873 m 3n + 12645 kJ/kg

- 29 -




6.2. Výpoþet minimálního množství vzduchu Tab.5 Prvkové složení a vlastnosti paliva dodané firmou Profitall s r.o.

6.2.1.

Spalné teplo

Q

MJ/kg

18,29

VýhĜevnost

Qi

MJ/kg

16,8

Uhlík

C

% hmot.

46,81

Vodík

H

% hmot.

5,95

Síra

S

% hmot.

0

Dusík

N

% hmot.

0,09

Kyslík

O

% hmot.

38,32

Voda veškerá

W

% hmot.

5,71

Obsah popela Uhlík ve zbytku spalování

A

% hmot.

1,21

Ci

%

17,73

Minimální množství kyslíku pro spálení 1 kg paliva: H S O· 22 ,39 § C ⋅¨ + + − ¸ 100 © 12 ,01 4,032 32 ,03 32 ¹ 22 ,39 § 46 ,81 5,95 38,32 · = ⋅¨ + − ¸ = 0,935 100 © 12 ,01 4,032 32 ¹

VO2 min = VO2 min

[m

3 n

/ kg

]

6.2.2. Minimální množství suchého vzduchu: 100 ⋅ VO2 min 21 100 = ⋅ 0,94 = 4,452 21

VVZS min = VVZS min

6.2.3.

[m

3 n

/ kg

]

Souþinitel vlhkosti:

f = 1+ ϕ⋅

p '' p C − ϕ ⋅ p ''

kde uvažujeme: - relativní vlhkost ϕ = 0,7 - absolutní tlak vodní páry na mezi sytosti pro teplotu 20°C p‘‘ = 2,34 kPa - celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu pc = 101,2 kPa f = 1 + 0,7 ⋅

2,34 = 1,016 101,2 − 0,7 ⋅ 2,34

- 30 -



6.2.4. Minimální množství vlhkého vzduchu pro spálení 1 kg paliva:

VVZ min = f ⋅ VVZS min

[

VVZ min = 1,02 ⋅ 4,45 = 4,525 m 3n / kg

]

6.3. Výpoþet minimálního množství spalin: Minimální množství spalin vznikne pĜi stechiometrickém spalování, tzn. že pĜebytek vzduchu α = 1.

6.3.1. Objem oxidu uhliþitého CO2 ve spalinách: 22,26 C ⋅ + 0,0003 ⋅ VVZS min 100 12,01 22,26 46,81 = ⋅ + 0,0003 ⋅ 4,452 = 0,869 m 3n / kg 100 12,01

VCO2 = VCO2

[

]

6.3.2. Objem dusíku N2 ve spalinách: 22,4 N ⋅ + 0,7805 ⋅ VVZS min 100 28,016 22,4 0,09 = ⋅ + 0,7805 ⋅ 4,452 = 3,476 m 3n / kg 100 28,016

VN2 = VN2

[

6.3.3. Objem argonu Ar ve spalinách:

V Ar = 0,0092 ⋅ VVZS min

[

V Ar = 0,0092 ⋅ 4,452 = 0,041 m 3n / kg

]

6.3.4. Minimální objem suchých spalin: VSPS min = VCO2 + V N 2 + V Ar VSPS min = 0,869 + 3,476 + 0,041 = 4,386

[m

3 n

/ kg

]

- 31 -

]


6.3.5. Minimální objem vodní páry vzniklé spálením 1 kg paliva: VHP2O min =

44,8 H 22,4 W ⋅ + + 100 4,032 100 18,016

VHP2O min =

44,8 5,95 22,4 5,71 ⋅ + + = 0,732 m 3n / kg 100 4,032 100 18,016

[

]

6.3.6. Minimální množství páry vzniklé z vlhkého vzduchu: VHVZ2O min = ( f − 1) ⋅ VVZS min

[

VHVZ2O min = (1,016 − 1) ⋅ 4,452 = 0,073 m 3n / kg

]

6.3.7. Minimální objem vodní páry:

VH 2O = VHVZ2O min + VHP2O min

[

V H 2O = 0,073 + 0,732 = 0,805 m 3n / kg

]

6.3.8. Minimální množství vlhkých spalin: VSP min = VSPS min + VHP2O + VHVZ2O

[

VSP min = 4,386 + 0,732 + 0,073 = 5,191 m 3n / kg

]

6.4. Maximální množství CO2 ve spalinách:

(CO2 )max (CO2 )max

= =

VCO2 VSPS min

⋅ 100 ;

0,88 ⋅ 100 = 19,814 [%] 4,386

6.5. Výpoþet výkonu teplovodního výmČníku 6.5.1. Prandtlovo þíslo PR =

c p .ν

λs

1370.56,5.10 −6 = = 1,42 [-] 54,3.10 −3

Ȝs- dle tabulky pro stĜední teplotu proudu spalin

- 32 -




6.5.2. Rychlost proudČní spalin .

m sp 0,0169 u= = = 0,272 [m/s] ntr .S 0,0621 ntr=22 .

m sp -dodané firmou Profitall na základČ mČĜení 6.5.3. Reynoldsovo kriterium Re =

u.d

=

ν

0,272.0,06 = 288 [-] 56,5.10 −6

6.5.4. Souþinitel pĜestupu tepla spalin

α2 =

λs d

⋅ 0,023 ⋅ Re0,8 ⋅ PR0, 4 =

54,3 ⋅ 10 −3 ⋅ 0,023 ⋅ 288 0,8 ⋅ 1,42 0, 4 = 2,22 0,06

Souþinitel pĜestupu vody bude dále ve výpoþtu zanedbán. Je to z toho dĤvodu, že vycházíme z tohoto vztahu pro souþinitel pĜestupu tepla: k=

1 1

α1

+

1

α2

kde

Į1-souþinitel pĜestupu tepla u vody Į2- souþinitel pĜestupu tepla u spalin

α1

α2 → k ≈ α2

k-souþinitel pĜestupu tepla

- 33 -


7.5.5.StĜední logaritmický spád pro protiproudé proudČní

T Tsp1 R>1

∆t1 Tsp2 Tvýst

∆t2 Tvst Sv

Obr.5. Schéma protiproudého proudČní

∆TLN =

∆T1 − ∆T2 ∆T ln 1 ∆T2

∆T1 = Tsp1 − Tvýst = 550 − 56 = 494 [°C] ∆T2 = Tsp 2 − Tvst = 192 − 10 = 182 [°C]

494 − 182 = 312 [°C] 494 ln 182 7.5.6. TeplosmČnná plocha ∆TLN =

S = 2 ⋅ π ⋅ r ⋅ l ⋅ ntr = 2 ⋅ 3,14 ⋅ 0,03 ⋅ 0,3 ⋅ 22 = 1,24 [m2]

7.5.7. Výkon pĜedaný spalinami Qsp = k ⋅ S ⋅ ∆TLN = 2,22 ⋅ 1,24 ⋅ 312 = 0,86 [kW]

7.5.8. PrĤmČrná teplota vody TZ =

Tvst + Tvýst 2

=

10 + 56 = 33 [°C] 2

- 34 -




7.5.9. ǻt na výstupu z ohništČ Dle [1] str.125 ǻt=80 [°C] 7.5.10. Výkon pĜedaný sáláním stČn

(

)

(

)

Qst = ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ T14 − T24 = 0,952 ⋅ 5,67 ⋅ 10 −8 ⋅ 1,24 ⋅ 713,15 4 − 386,15 4 = 15,8 [kW] T1- 440°C zadáno T1 = 440 + 273,15 = 713,15 [K] T2 = TZ + ∆t + 273,15 = 386,15 [K] ı-Stefan Boltzmanova konstanta ı -5,67.10-8 ε - pomČrná záĜivost vnČjšího povrchu výmČníku, urþena dle tabulky þ.42 [4] ε = 0,952

7.5.11. Celkový výkon QC = Qsp + Qst = 0,86 + 15,8 = 16,66 [kW]

7.6. Výpoþet výkonu teplovodního výmČníku na základČ provedeného mČĜení 7.6.1. Výkon pro první mČĜení Hodnoty použity dle tab.3

Q1 =

Vc + c p + Tn ∆t

=

267 ⋅ 4187 ⋅ 21 = 11,1 [kW] 2100

Vc = V1 + V2 = 235 + 32 = 267 l V1-objem nádrže V2-objem teplovodního výmČníku Tn-nárĤst teploty

- 35 -



7.6.2. Výkon pro druhé mČĜení Hodnoty použity dle tab.4 Q2 =

Vc + c p + Tn ∆t

=

267 ⋅ 4187 ⋅ 40 = 18,6 [Kw] 2400

8. ZávČr U krbové vložky BETY, bylo provedeno nČkolik konstrukþních zmČn. Tyto zmČny mČli mít za dĤsledek zvýšení teplovodního výkonu a zvýšení úþinnosti krbové vložky. První zmČnou, která byla provedena, byla úprava pĜívodu sekundárního vzduchu. PĜívod sekundárního vzduchu je nyní Ĝešen tak, že vzduch je pĜed vstupem do spalovací komory pĜedehĜíván. To znamená že nedochází ke zbyteþnému ochlazování spalovací komory a je využita vČtší þást tepla. Tím se také zvýšila úþinnost. Dále byla provedena zmČna rozmČrĤ trysek sekundárního vzduchu uvnitĜ spalovací komory. Trysky byly zúženy a tím se docílilo toho, že vzduch se dostane dál do spalovací komory a zajistí lepší dohoĜení prchavé hoĜlaviny. Lepší dohoĜení prchavé hoĜlaviny je viditelné ve spalovací komoĜe. Plameny jsou svČtlejší než byli pĤvodnČ a to potvrzuje lepší spalování. Další zmČnou, která se provádČla na stranČ sekundárního vzduchu, byla jeho regulace. Regulace by mČla být provedena pomocí bimetalu a to v závislosti na teplotČ spalin. Od firmy Kanthal jsme obdrželi jeden vzorek bimetalového pásku. Ten ovšem byl nevyhovující, protože jeho tuhost byla nižší než bylo pĜedpokládáno a docházelo k jeho ohýbání již samotnou vahou Ĝetízku a šoupátka, které má uzavírat pĜívod sekundárního vzduchu vnČ krbové vložky. Jiný vzorek bimetalu se mi nepodaĜilo sehnat. Regulace sekundárního vzduchu je tedy zatím navržena, ale nemĤže být prakticky odzkoušena. Je pĜedpoklad, že dojde ke zvýšení úþinnosti krbové vložky, zejména v poþáteþní a koneþné fázi hoĜení. ZmČnou konstrukce teplovodního výmČníku se dosáhlo nejvČtších zmČn v oblasti výkonu a úþinnosti krbové vložky. Také byly sníženy þasové nároky na výrobu výmČníku a tím klesla i jeho výrobní cena. Návrhem nového typu výmČníku, který je konstruován jako žárotrubný, se dosáhlo vysokého výkonu na stranČ vody. Po prvním mČĜení a následném výpoþtu jsme se dostali na hodnotu 11kW. PĜi tomto mČĜení jsme dále zjistili, že teplota spalin za výmČníkem je okolo 270°C. Tato teplota je pĜíliš vysoká. Optimum je okolo 200°C. Po druhém mČĜení, které bylo provedeno po zmČnách provedených na sekundárním vzduchu a za použití rozviĜovacích plechĤ, byla namČĜena teplota za výmČníkem 195°C, což je témČĜ ideální. Výkon výmČníku je nyní 18,6 kW. Toto snížení teploty spalin a nárĤst výkonu je pĜipisováno pĜedevším rozviĜovacím plechĤm, které byly umístČny do žárových trubek. Tyto plechy budou dále sloužit k þištČní žárových trubek, které se postupem þasu budou zanášet. ZmČĜené a vypoþtené výkony výmČníku se od sebe liší. PĜedpokládám, že výkon který byl zmČĜen je reálný a ten vypoþtený je pouze teoretický. Do výpoþtu nebyly napĜ. zahrnuty rozviĜovací plechy, které jak je vidČt podle mČĜení, mČli velký pĜínos pro zvýšení výkonu. ZávČrem bych zhodnotil úpravy které byly provedeny za úspČšné. Dosažené výsledky v nČkterých ohledech dokonce pĜedþili naše oþekávání.

- 36 -



Literatura [ 1 ] Budaj, F.: Parní kotle – podklady pro tepelný výpoþet, nakladatelství VUT Brno, 1992 [ 2 ] Kadlec,A.,Kadlecová,A.: Krby a krbová kamna, Littera Brno, Sobotáles Praha, 2001 [ 3 ] Rybín, M.: Spalování paliv a hoĜlavých odpadĤ v ohništích prĤmyslových kotlĤ, SNTL Praha, 1978 [ 4 ] Michejev, M. A., Základy sdílení tepla, SNTL Praha, prosinec 1953

- 37 -



SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLģ A ZNAýEK Ad

obsah popela v suchém palivu

[%]

A

obsah popela v pĤvodním palivu

[%]

Q

Spalné teplo

[MJ/kg]

Qi

výhĜevnost

[MJ/kg]

S

Obsah síry v palivu

[%]

V

obsah prchavé hoĜlaviny

[%]

ta

Teplota mČknutí popela

[°C]

tb

Teplota tavení popela

[°C]

tc

Teplota teþení popela

[°C]

C

Hmotnostní podíl uhlíku v palivu

[%]

O

Hmotnostní podíl kyslíku v palivu

[%]

O2

Objemová koncentrace kyslíku ve spalinách

[%]

H

Hmotnostní podíl vodíku v palivu

[%]

N

Hmotnostní podíl dusíku v palivu

[-]

S

Hmotnostní podíl síry v palivu

[%]

W

Hmotnostní podíl vody v palivu

[%]

p

tlak

[Pa]

Į

Souþinitel pĜebytku vzduchu

[-]

ϕ

Relativní vlhkost vzduchu

[%]

Ȟ

Kinematická viskozita

[m2/s]

Ȝs

Tepelná vodivost spalin

[W/mK]

cp

MČrná tepelná kapacita vody

[J/Kg.K]

m sp

Hmotnostní prĤtok spalin

[Kg/s]

u

Rychlost proudČní spalin

[m/s]

ntr

Poþet trubek ve výmČníku

[-]

d

PrĤmČr trubek ve výmČníku

[mm]

Tn1

Vstupní teplota do nádrže

[°C]

Tn2

Výstupní teplota z nádrže

[°C]

TprĤm

PrĤmČrná teplota v nádrži

[°C]

Tn

NárĤst teploty v nádrži

[°C]

.

- 38 -



Tspal

Teplota spalin v ústí kouĜovodu

[°C]

Tsp1

Teplota spalin pĜed výmČníkem

[°C]

Tsp2

Teplota spalin za výmČníkem

[°C]

Tvýst

Teplota vody vystupující z výmČníku

[°C]

Tvstup

Teplota vody vstupující do výmČníku

[°C]

l

Délka žárových trubek

[mm]

r

PolomČr žárových trubek

[mm]

- 39 -

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ KRBOVÁ VLOŽKA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents