Zvýšení účinnosti malých zdrojů tepla s využitím tepelné trubice

V současnosti malé zdroje tepla (MZT) dosahují poměrně velké účinnosti, přesto dochází v MZT k tepelným ztrátám v oblastech, v nichž je nejvýznamnější komínová ztráta. Odebráním části jinak nevyužitého tepla ze spalin dostáváme možnost snížit největší tepelnou ztrátu, využitím tohoto tepla dokážeme zároveň zvýšit i účinnost MZT.

Zařazením smyčkové tepelné trubice (LHP) do již stojícího MZT můžeme odebrat část tepla ze spalin a následně použít na předehřev spalovacího vzduchu. Při produkci tepla malými zdroji tepla dochází během provozu k různým ztrátám tepla, které mají vliv na účinnost MZT:

η = 100 – Q_MN – Q_CN – Q_F – Q_SV – Q_K (%),     (1)

kde

Q_MN – ztráta mechanickým nedopalem (%);

Q_CN – ztráta chemickým nedopalem (%);

Q_F – ztráta fyzikálním teplem tuhých zbytků (%);

Q_SV – ztráta tepla do okolí z povrchu kotle (%);

Q_K – komínová ztráta (%).

Ztráta citelným teplem spalin, tzv. komínová ztráta Q_k, způsobená entalpií spalin odcházejících do ovzduší, je rozhodující ztrátou spalovacího zařízení. Teplo odvedené komínem ve spalinách představuje 20 až 50 % z celkového výkonu MZT.

Vzhledem k velkému množství nevyužitého tepla odváděného ve formě spalin je možné část tohoto tepla odebrat a dále využít. U MZT bývá poměrně častým řešením využití takto získaného tepla na ohřátí obytných prostor i na ohřev teplé vody.

V obou případech může být nevýhodou velký přívod tepla z MZT při malé potřebě tepla ať už na ohřev místnosti, nebo při malém odběru teplé vody. Vzhledem k tomu musí být do systému zařazen velký počet bezpečnostních prvků, aby nedocházelo k přehřívání teplé vody nebo narušení tepelné pohody v místnosti. (2)

Využitím odebraného tepla ve spalovacích procesech MZT můžeme předejít zmíněnému problému, protože zařízení by provádělo práci, jen dokud by MZT produkoval teplo. Pomocí LHP můžeme odvést část tepla ze spalin a následně toto teplo využít pro předehřev spalovacího vzduchu.

Tabulka 1 Výpočet účinnosti MZT

Návrh zařízení na zvýšení účinnosti malých zdrojů tepla

Zařízení je tvořeno smyčkovou tepelnou trubicí (LHP), jejíž výparná část je umístěna na ústí komína, kde odebírá část tepla ze spalin a přes parní potrubí toto teplo dopravuje ve formě páry do kondenzační části umístěné v kanálu na přívod spalovacího vzduchu. Po předání tepla spalovacímu vzduchu je kondenzát dopraven přes kondenzační potrubí zpět do výparníku, kde se opět mění na páru a cyklus se znovu opakuje. (3)

Vzhledem k umístění výparníku pod úrovní kondenzátoru není v LHP nutná pro dopravení kondenzátu zpět do výparníku kapilární struktura, která by tento přesun zajistila. Díky tomuto umístění kondenzát vlivem vlastní tíhy stéká po hladkých stěnách potrubí do výparníku.

Teplota spalin dosahuje poměrně vysoké teploty, proto byla jako pracovní médium zvolena voda. Voda patří mezi jedno z nejpoužívanějších pracovních médií. Má velmi dobré fyzikální vlastnosti, je levná a dostupná, bez škodlivého vlivu na životní prostředí, není jedovatá ani hořlavá.

Při výběru materiálu stěny je rozhodujícím faktorem nejen jeho tepelná vodivost, která je ideálně co nejvyšší, ale velký vliv má inkompatibilita s pracovním médiem. Jen třeba najít správný kompromis mezi dobrou smáčivostí a chemickou stabilitou, aby se předešlo korozi a vzniku nekondenzujících plynů, které by mohly ucpat kondenzační část.

Z výsledků chemických a metalografických zkoušek vyplývá, že měď a voda jsou kompatibilní. K uvolnění inertních plynů došlo pouze při použití povrchově aktivních látek ke zlepšení smáčivosti měděných kapilárních soustav a při nesprávném odstranění zbytků těchto látek. Měď má vysokou tepelnou vodivost a dobrou odolnost vůči korozi. (4)

Navzdory vysoké tepelné vodivosti mědi byla kvůli vyššímu prostupu tepla mezi kondenzační částí a spalovacím vzduchem použita hliníková válcovaná žebra.

Přenos tepla ze spalin do výměníku tepla zrealizujeme nejlépe umístěním výparníku na vstup komína, kde se prouděním spalin přes tělo výměníku ohřejí stěny výparníku a následně i pracovní médium.

Teplota spalin může dosahovat teploty okolo 400 °C, proto je třeba zvolit materiál stěny výparníku odolnější vůči vyšším teplotám. Při výběru materiálu je nutné myslet i na zvolené pracovní médium, vodu – na povrchu výparníku ani v jeho nitru nesmí docházet ke korozi, proto jsme zvolili jako materiál nerez.

Součástí výparníku je deflektor, který je vidět v řezu výparníku (obr. 2). Umístěním deflektoru doprostřed výparníku získáme větší rychlost spalin na vnitřním plášti výměníku, čímž zvýšíme i přestup tepla mezi spalinami a vnitřním pláštěm. Pokud by deflektor nebyl zařazen do navrženého výparníku, spaliny by proudily přes velký průměr a nedokázali bychom využít tolik tepla na ohřev kondenzátu.

Při vtékání kondenzátu do výparníku může docházet k nerovnoměrnému rozmístění kondenzátu, což by mělo za následek snížený výkon výparníku. Dovnitř výparníku je proto vložena rozvodná trubka s třiceti dírkami o průměru 1,5 cm rovnoměrně rozmístěnými po jejím obvodu (obr. 3).

Matematické modely zařízení na zvýšení účinnosti MZT

Aby smyčková tepelná trubice dokázala správně pracovat, musí být zajištěna spolupráce mezi kondenzátorem a výparníkem. Podmínkou spolupráce kondenzátoru a výparníku je stejná teplota a tlak v obou zařízeních. Při určování bodu spolupráce jsme v matematickém modelu postupně snižovali teplotu spalin z původní teploty 200 °C až na teplotu 40 °C.

Odebrané teplo ze spalin výparníkem přes stěny výparníku předává teplo pracovnímu médiu, které se následně mění v páru. Se zvyšující se teplotou vstupní páry v kondenzátoru vznikal stále větší rozdíl mezi teplotou páry a spalovacího vzduchu (původně 20 °C), čímž se zvyšoval i přestup tepla mezi výměníkem a spalovacím vzduchem. Při teplotě páry 190 °C jsme dosáhli u předehřátého spalovacího vzduchu teploty až 50 °C.

Se změnou teploty spalin se měnil i hmotnostní tok vody, právě tento parametr byl použit pro nalezení bodu spolupráce.

Přeložením křivek hmotnostního toku vody ve výparníku m_p a hmotnostního toku vody na straně kondenzátoru m_k jsme získali bod spolupráce výparníku a kondenzátoru s teplotou páry 160 °C a tlakem nasycených par o hodnotě 618,32 kPa. V tomto bodě se hmotnostní tok páry rovná hmotnostnímu toku kondenzátu ve výměníku.

Závěr

V tabulce 1 jsou uvedeny výsledky výpočtu účinnosti MZT před a po zařazení zařízení pro zvýšení jeho účinnosti. Pro výpočet účinnosti MZT bez LHP byly použity počáteční parametry, z nichž jsme vycházeli i při návrhu zařízení. Navržené zařízení, podle určeného bodu spolupráce výparníku a kondenzátoru, pracuje při teplotě páry 160 °C.

Této teplotě přísluší teplota spalin 191,6 °C. Ochlazením spalin o necelých 9 °C se teplota spalovacího vzduchu zvýšila výrazně. Zařazením LHP do MZT se účinnost MZT zvýšila o 2,9 %. Tato hodnota je však pouze teoretická a na její ověření bude nutné provést měření.

Zařízení s LHP otevírá možnosti pro zvýšení účinnosti již postavených MZT, kde poměrně nízkou investicí dokážeme jednoduše zvýšit účinnost zdroje tepla pro vytápění. Velkou výhodou navrženého zařízení je, že pracuje pouze tehdy, když pracuje i MZT. Pokud není výparník ohříván spalinami, nedochází ke vzniku páry a celý proces je zastaven.

V opačném případě, pokud by ze spalin do výparníku přestupovalo velké množství tepla, v systému LHP by se postupně zvyšoval tlak, čímž by se zvyšovala i teplota varu, a tím by se snížilo množství vyprodukované páry, tím pádem není třeba do systému zařazovat velké množství bezpečnostních prvků.

Podle sestrojeného matematického modelu má navržené zařízení velký potenciál ve vytápění malými tepelnými zdroji, avšak stále se pohybujeme jen na teoretické úrovni a tuto teorii bude nutné ověřit experimentálním měřením.

Poděkování

Příspěvek vznikl v rámci řešení projektů: „VEGA: 1/0479/19 Vliv podmínek spalování na produkci částic v malých zdrojích tepla“, „VEGA: 1/0233/19 Konstrukční modifikace hořáku na spalování tuhých paliv v malých zdrojích tepla“ a „KEGA 046ŽU-4/2021: Inovační metody zvyšování tepelné účinnosti malých zdrojů tepla pomocí zpětného získávání tepla přes fázové přeměny“.

Literatura

[1] Černý, V. a kol. Parní kotle. SNTL, 1983.

[2] Malcho, M. a kol. Snižování radiační složky tepla z krbových vložek pomocí Loop HP, 2020

[3] Reay. Heat pipes. Great Britain, 2006.

[4] STEPHAN. VDI Heat Atlas, 2010.

[5] Sazima, M. Sdílení tepla, 1993.