E nergetický partner

číslo 5, rok 2014, ročník II

R adim JANALÍK[1]

T omáš VÝTISK 2

Diagnostické měření při provozu komína

Abstrakt

Článek se zabývá řešením prostupu tepla tělesem komína na základě výsledků měření výstupních teplot spalin z komína a jejich rosného bodu, s cílem stanovení minimální teploty spalin na vstupu do textilního filtru.

Klíčová slova: prostup tepla, povrchové teploty, diagnostické měření

### 1. ÚVOD

V nedávné minulosti řešili pracovníci katedry energetiky VŠB-TU Ostrava velmi zajímavý a neobvyklý úkol. Neobvyklost spočívala jak v samotném předmětu řešení, tak v umístění potřebných měřicích míst. Jedno z měřicích míst bylo totiž situováno do koruny (hlavy) komína. To znamenalo opakované výstupy po žebříku na 123 m vysoký komín, umístění termočlánků ve výstupním průřezu komína, instalaci měřicího systému na nejvyšším ochozu komína, natažení spojovacího S-net kabelu mezi měřicím systémem a PC umístěným v měřicím voze. Pro úplnost bylo také prováděno měření povrchových teplot dříku komína ve čtyřech výškových úrovních. Předmětem řešení pak bylo zjištění součinitele prostupu tepla stěnou komína a měření teplot spalin na výstupu z komína před a po jeho opravě, zjištění teploty rosného bodu spalin apod. Hlavním cílem úkolu pak bylo stanovení minimální teploty spalin před textilním filtrem tak, aby nedocházelo ke kondenzaci spalin ve filtru a v komíně.

Dále byla podrobně zjišťována teplota spalin na výstupu z komína při minimálním výkonu kotle a vypočítána změna součinitele prostupu tepla stěnou komína v závislosti na provedené opravě dříku komína.

Na tomto místě je vhodné pro informaci uvést, že konkrétní měření probíhala při spalování různých směsí hnědého i černého uhlí a biomasy.

2. Měřicí systém, metody měření, místa měření

Hodnoty nutné pro následné výpočty ke splnění požadovaných cílů byly měřeny jak nezávislou technikou, obsluhovanou pracovníky katedry energetiky, tak i odečtem z provozních měřidel. Kontinuální sledování hodnoty teplot spalin bylo realizováno měřicím systémem SOLARTRON Schlumberger, kalibrovaným ve státem akreditované laboratoři.

Teplota spalin na vstupu do komína tsp1 byla stanovena pomocí kontinuálního měření síťovou metodou s využitím 9ks termočlánků typu „K“, umístěných v obdélníkovém plechovém kouřovodu před vstupem spalin do betonového komína ve výšce +8m nad terénem.

Teplota spalin na výstupu z komína tsp2 byla měřena kontinuálně v ústí výstupního konfuzoru ve výšce +123m. Pro měření bylo použito 5ks termočlánků typu „K“ umístěných v průřezu výstupního otvoru.

Teplota okolního prostředí (vzduchu) tok byla měřena kontinuálně v úrovni +12m a +123m termočlánky, umístěnými po obvodu komína ve vzdálenosti 2m od jeho stěny.

Povrchové teploty dříku komína ts byly měřeny diskontinuálně v úrovních +32m, +50m, +75m a + 120m na ochozech po obvodu komína.

Obr. 1: Schema měřicích míst

Teplota rosného bodu ve stejném měřicím průřezu jako teplota spalin na vstupu do komína pomocí sondy ochlazované vzduchem. Při měření rosného bodu byl ověřován i objemový průtok spalin, jinak stanovený výpočtem. Vzorky spalovaného paliva byly odebírány v pravidelných intervalech v průběhu měření a byl zazname-náván jejich hmotností tok do spalovací komory. Rozbory byly provedeny v akreditované laboratoři.

Ostatní parametry byly přebírány z údajů provozních měřicích přístrojů, a to především teploty spalin před filtrem, koncentrace plynných a tuhých emisí a výkonové parametry vody a páry.

Schema měřicích míst je uvedeno na obrázku č.1. Měřicí místa pro stanovení teplot a umístění měřicího systému na horním ochozu komína je uvedeno pro orientaci na obrázku č.2.

Obr. 2: Měřicí místa a měřicí systém instalovaný na komíně

3. Vyhodnocení měření

Teploty na výstupu z komína a teploty rosného bodu byly stanoveny přímým měřením. Součinitel prostupu tepla, jakož i minimální teplota spalin před filtrem, byly stanoveny výpočtem dle dále uvedené metodiky.

Ze získaných průměrných hodnot teplot spalin na vstupu a na výstupu z komína byl stanoven teplotní rozdíl (ochlazení spalin) v komíně, který je rozhodujícím faktorem pro zjištění možnosti kondenzace spalin na vnitřní straně komína a je měřítkem velikosti prostupu tepla komínem.

Pro určení součinitele prostupu tepla komínem je potřeba znát objemový průtok a teploty spalin vstupujících do komína a stanovit velikost odváděného tepla. Teploty spalin byly měřeny kontinuálně. Objemový průtok spalin není v provoze měřen, a proto byl vypočítán z parametrů paliva a kotle dle empirických vzorců s ověřením vypočtených hodnot měřením při stanovení teploty rosného bodu. Stejným způsobem byl vypočten objemový průtok vlhkých spalin na vstupu do komína při normálních stavových podmínkách v době měření povrchových teplot, který vstupuje do výpočtu tepla odváděného ze spalin při jejich průchodu komínem:

[ W ]

kde:

VspN objemový průtok spalin na vstupu do komína za normálních podmínek [ m3N/s ]

cp sp měrná tepelná kapacita spalin na vstupu do komína [ J/m3N.K ]

Δ tkomín rozdíl teplot spalin v komíně (ochlazení ) [ oC ]

Pro vypočtené teplo Q, odvedené ze spalin stěnou komína a pro známou délku otápěného dříku komína byla vypočtena hustota tepelného toku stěnou komína:

[ W/m ]

kde:

L délka otápěného dříku komína [ m ]

Známe-li hustotu tepelného toku a složení stěny komína, můžeme řešit samotný prostup tepla, který je naznačen na obrázku č.3:

Obr.3: Průběh teplot v plášti komína

Mechanismus přenosu tepla stěnou komína je možno popsat následujícím způsobem:

• Přenos tepla pevnou vrstvou komína ( betonový plášť a keramická vyzdívka ) je příkladem tepelné kondukce ( vedení tepla ) válcovou stěnou:

[ W/m ]

kde:

λ1 souč.tepelné vodivosti materiálu [ W/m.K ]

ts1,2 povrchové teploty stěny [ oC ]

D1,2 průměry vymezující tloušťku vrstvy [ m ]

• Přenos tepla ve vzduchové mezeře, která je uzavřena mezi keramickou vyzdívkou a vnějším betonovým pláštěm komína, je příkladem volné tepelné konvekce ( proudění ) v omezeném prostoru. Tepelný tok vztažený na plochu pláště komína lze stanovit jako:

[ W/m2 ]

kde:

λekv ekvivalentní tepelná vodivost vzduchu v mezeře [ W/m.K ]

ts2,3 teplota teplejšího a chladnějšího povrchu vzduchové mezery [ oC ]

D2,3 průměry vymezující tloušťku mezery [ m ]

Ekvivalentní tepelná vodivost je dána součinem tepelné vodivosti vzduchu a součinitelem konvekce, který se určí podle hodnoty součinu Grashofova a Prandtlova kritéria:

kde:

εK součinitel konvekce [ - ]

Pr velikost Prandtlova kritéria pro vzduch [ - ]

Gr velikost Grashofova kritéria [ - ]

kde:

h charakteristický rozměr ( výška vzduchové mezery ) [ m ]

υ vzd kinematická viskozita vzduchu při tstř [ m2/s ]

objemová roztažnost vzduchu při tstř [ 1/K ]

Ekvivalentní tepelnou vodivost vzduchu v mezeře určíme potom ze vztahu:

kde:

λ součinitel tepelné vodivosti vzduchu [ W/m.K ]

Z uvedených vztahů je možno vypočítat postupně všechny teploty na rozhraní jednotlivých vrstev stěny komína a dopočítat se tak požadované hodnoty teploty na vnitřní straně komína, která je zajímavá z hlediska možnosti kondenzace spalin. Pokud bude tato teplota udržována nad hranicí teploty rosného bodu spalin, nemělo by ke kondenzaci spalin na vnitřní stěně komína docházet.

Známe-li velikost povrchových teplot a velikost tepla odváděného komínem, můžeme stanovit velikost součinitele prostupu tepla ze vztahu:

kde:

k součinitel prostupu tepla stěnou komína [ W/m.K ] Δtstěny rozdíl teploty vnitřní a vnější stěny komína [ o C ]

Ze známé naměřené teploty spalin a vypočtené povrchové teploty vnitřní stěny komína, byl vypočítán průměrný rozdíl mezi teplotou spalin na vstupu do komína a teplotou vnitřní stěny komína ve výšce +123m :

[ oC ]

Tento teplotní rozdíl byl postupně přičten k teplotě rosného bodu spalin a rozdílu teplot na vstupu a výstupu z textilního filtru. Tak byla stanovena minimální teplota spalin tsp3 na vstupu do textilního filtru. Při dodržení této minimální teploty spalin na vstupu do textilního filtru by zároveň nemělo docházet k poklesu teploty spalin v komíně pod hodnotu teploty jejich rosného bodu a tím ke kondenzaci spalin na vnitřní straně komína.

Minimální teplota spalin před textilním filtrem se potom stanoví jako:

kde:

tRB teplota rosného bodu spalin [ oC ]

ΔtTF rozdíl teploty spalin na vstupu a výstupu z textilního filtru [ oC ]

4. Závěr

Takto získané výsledky týkající se hodnoty minimální teploty spalin na vstupu do textilního filtru, včetně řady doplňujících údajů, získaných na základě měření, jsou důležitou informací pro provozovatele zařízení sloužící k optimalizaci provozu kotle. Konkrétní údaje na tomto místě nezveřejňujeme, protože pro tuto informaci o řešení zajímavého problému nejsou podstatné.