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 zabývářešením 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 tsp1byla 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 komínatsp2 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 komínatsbyly měřeny diskontinuálně v úrovních +32m, +50m, +75m a + 120m na ochozech po obvodu komína.

Obr. 1:Schema měřicích míst

Teplota rosného boduve 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 palivabyly 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 dáleuvedené 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 vzorcůs ověřením vypočtených hodnot měřením při stanovení teploty rosného bodu. Stejným způsobem byl vypočten objemový průtokvlhkých 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 ]

cpsp 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 délkaotápěnéhodříkukomína [ m ]

Známe-li hustotutepelnéhotoku a složenístěnykomína, můžemeřešitsamotnýprostuptepla, který je naznačennaobrázku č.3:

Obr.3:Průběhteplot v pláštikomína

Mechanismuspřenosuteplastěnoukomína je možnopopsatnásledujícímzpůsobem:

• Přenosteplapevnouvrstvoukomína ( betonovýplášť a keramickávyzdívka ) je příklademtepelnékondukce ( vedenítepla ) válcovoustěnou:

[ W/m ]

kde:

λ1 souč.tepelnévodivostimateriálu [ W/m.K ]

ts1,2 povrchovéteplotystěny [ oC ]

D1,2 průměryvymezujícítloušťkuvrstvy [ m ]

• Přenosteplavevzduchovémezeře, která je uzavřenamezikeramickouvyzdívkou a vnějšímbetonovýmpláštěmkomína, je příklademvolnétepelnékonvekce( proudění ) v omezenémprostoru. Tepelnýtokvztaženýnaplochupláštěkomínalzestanovitjako:

[ W/m2 ]

kde:

λekv ekvivalentnítepelnávodivostvzduchu v mezeře [ W/m.K ]

ts2,3 teplotateplejšího a chladnějšíhopovrchuvzduchovémezery [ oC ]

D2,3 průměryvymezujícítloušťkumezery [ m ]

Ekvivalentnítepelnávodivost je dánasoučinemtepelnévodivostivzduchu a součinitelemkonvekce, který se určípodlehodnotysoučinuGrashofova a Prandtlovakritéria:

kde:

εK součinitelkonvekce [ - ]

Pr velikostPrandtlovakritéria pro vzduch [ - ]

Gr velikostGrashofovakritéria [ - ]

kde:

h charakteristickýrozměr ( výškavzduchovémezery ) [ m ]

υ vzd kinematickáviskozitavzduchupřitstř [ m2/s ]

objemovároztažnostvzduchupřitstř [ 1/K ]

Ekvivalentnítepelnouvodivostvzduchu v mezeřeurčímepotomzevztahu:

kde:

λ součiniteltepelnévodivostivzduchu [ W/m.K ]

Z uvedenýchvztahů je možnovypočítatpostupněvšechnyteplotynarozhraníjednotlivýchvrstevstěnykomína a dopočítat se takpožadovanéhodnotyteplotynavnitřnístraněkomína, která je zajímavá z hlediskamožnostikondenzacespalin. Pokudbudetatoteplotaudržovánanadhranicíteplotyrosnéhoboduspalin, nemělo by kekondenzacispalinnavnitřnístěněkomínadocházet.

Známe-li velikostpovrchovýchteplot a velikostteplaodváděnéhokomínem, můžemestanovitvelikostsoučiniteleprostuputeplazevztahu:

kde:

k součinitelprostuputeplastěnoukomína [ W/m.K ] Δtstěny rozdílteplotyvnitřní a vnějšístěnykomína [ o C ]

Zeznáménaměřenéteplotyspalin a vypočtenépovrchovéteplotyvnitřnístěnykomína, bylvypočítánprůměrnýrozdílmeziteplotouspalinnavstupu do komína a teplotouvnitřnístěnykomínavevýšce +123m :

[ oC ]

Tentoteplotnírozdílbylpostupněpřičten k teplotěrosnéhoboduspalin a rozdíluteplotnavstupu a výstupu z textilníhofiltru. Takbylastanovenaminimálníteplotaspalin tsp3 navstupu do textilníhofiltru. Přidodrženítétominimálníteplotyspalinnavstupu do textilníhofiltru byzároveňnemělodocházet k poklesuteplotyspalin v komíně pod hodnotuteplotyjejichrosnéhobodu a tímkekondenzacispalinnavnitřnístraněkomína.

Minimálníteplotaspalinpředtextilnímfiltremse potomstanovíjako:

kde:

tRB teplotarosnéhoboduspalin [ oC ]

ΔtTF rozdílteplotyspalinnavstupu a výstupu z textilníhofiltru [ oC ]

4. Závěr

Taktozískanévýsledkytýkající se hodnotyminimálníteplotyspalinnavstupu do textilníhofiltru, včetněřadydoplňujícíchúdajů,získanýchnazákladěměření, jsoudůležitouinformací pro provozovatelezařízenísloužící koptimalizaciprovozukotle. Konkrétníúdajenatomtomístěnezveřejňujeme, protože pro tutoinformaci o řešenízajímavéhoproblémunejsoupodstatné.