Wielu użytkowników kotłów na pelet drzewny ma trudności z dobraniem właściwych nastaw regulatora, w szczególności czasów podawania paliwa, czasu przerwy w podawaniu i prędkości wentylatora nadmuchowego bądź wyciągowego.

Nawet jeśli w subiektywnym odczuciu proces spalania w kotle opalanym peletem wydaje się przebiegać prawidłowo, to nie ma pewności, czy jest on optymalny z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia. Ponieważ użytkownik nie zawsze posiada fachową wiedzę o zjawiskach zachodzących w kotle ani nie dysponuje analizatorem spalin, trudno mu jest tak dobrać parametry kotła, aby spalanie było zbliżone do zupełnego i całkowitego.

Bywa, że producent określa ilość paliwa w jednostce czasu, jaka jest wymagana dla pracy kotła z mocą znamionową. Co jednak w przypadku, kiedy użytkownik nie posiada tej wiedzy? W jaki sposób może samodzielnie określić, ile paliwa podać, aby osiągnąć określoną moc cieplną? Aby w przybliżeniu wyznaczyć ten parametr, należy znać przede wszystkim wartość opałową peletu, sprawność kotła oraz wydajność podajnika. Dobór nastaw wentylatora nadmuchowego nie będzie rozpatrywany w niniejszym artykule.

Kocioł na pelet i podajnik zrzutkowy

Większość palników peletowych wyposażonych jest w podajnik zrzutkowy, dlatego taki rodzaj układu doprowadzenia paliwa zostanie przedstawiony. Wydajność przenośnika ślimakowego jest zależna od jego wymiarów, prędkości obrotowej, kąta nachylenia oraz gęstości nasypowej transportowanego materiału. Wzorcowanie wydajności podajnika paliwa można przeprowadzić poprzez włączenie jego napędu na pracę ciągłą, zdemontowanie rury z palnika i skierowanie jej wylotu do pojemnika. Po ściśle określonym czasie pracy (np. 5 min) należy zważyć pelet w pojemniku, co pozwoli na określenie maksymalnej wydajności układu podawania paliwa Bmax.

Układ podawania peletu do palnika zrzutkowego

Fot. Układ podawania peletu do palnika zrzutkowego.

 

Kocioł na pelet i ilość paliwa

Aby kocioł pracował z określoną mocą, odpowiednia ilość paliwa musi być dostarczona w jednostce czasu. Należy mieć na uwadze, że energia chemiczna zawarta w paliwie i doprowadzona do kotła nie zostanie w całości przekazana w postaci ciepła do czynnika grzewczego, gdyż zarówno proces spalania, jak również wymiana ciepła odbywa się z pewną sprawnością. Strumień masowy paliwa B dostarczanego do paleniska w celu zapewnienia zadanej mocy cieplnej można w przybliżeniu obliczyć, w oparciu o wartość opałową peletu, stopień zawilgocenia, straty związane z niecałkowitym i niezupełnym spalaniem oraz unoszeniem ciepła do komina i otoczenia.

Największy udział w bilansie strat stanowi ilość ciepła unoszonego przez spaliny do atmosfery – tzw. strata kominowa (wylotowa) qA. Ponieważ użytkownik zasadniczo nie ma możliwości wyznaczenia straty kominowej (do jej określenia konieczna jest znajomość m.in. temperatury spalin i stężenie CO2), toteż można się posłużyć sprawnością kotła określoną przez producenta. Jest to pewne uproszczenie z punktu widzenia bilansu energii, natomiast pozwala na oszacowanie ilości peletu, którą należy dostarczyć do kotła w jednostce czasu (strumień masowy paliwa), aby osiągnąć zadaną moc cieplną:

B = P/(qv net * h),

gdzie:

qv net – wartość opałowa peletu,

h – sprawność kotła,

P – moc cieplna.

Po uwzględnieniu wartości opałowej peletu oraz sprawności procesu spalania (zależność powyższa) można obliczyć ilość paliwa, którą należy dostarczyć, aby kocioł pracował z zadaną mocą. Ponieważ wydajność układu podawania paliwa regulowana jest dwustanowo, a nie w sposób ciągły (prędkość kątowa przenośnika ślimakowego jest stała), to żądana ilość podawanego w jednostce czasu paliwa jest wartością średnią za okres. Zgodnie z powyższym współczynnik wypełnienia prostokątnego sygnału sterującego pracą podajnika paliwa dla określonej mocy wynosi:

kw = B/Bmax.

Powyższa zależność jest równa stosunkowi czasu podawania paliwa t1 do okresu sterowania T, czyli sumy czasu załączenia i wyłączenia podajnika:

kw = t1/(t1 + to) = t1/T.

Częstotliwość sygnału załączenia i wyłączania podajnika może więc teoretycznie mieć wartość dowolną (ważny jest stosunek t1 do t0), jednak biorąc pod uwagę małą stałopalność palnika i fizykę spalania paliw stałych, czas pracy podajnika musi się zawierać w określonym przedziale. Zbyt krótki czas trwania cyklu podawania paliwa (z zachowaniem określonego współczynnika wypełnienia) wpływa na żywotność elementów wykonawczych i cechuje się mniejszą stabilnością strumienia masowego paliwa.

Natomiast długie przerwy pomiędzy załączeniami podajnika i dłuższy czas jego pracy powodują generowanie silnych zmian w intensywności przebiegu procesu spalania, a także wprowadzają dodatkowe zakłócenia do obiektu w postaci zasypania płomienia.

Przykład

Na potrzeby niniejszego artykułu wyznaczono strumień masowy peletu dla pracy kotła przy znamionowej mocy wynoszącej 16 kW. W wyniku wzorcowania układu podawania paliwa otrzymano jego maksymalną wydajność przy pracy ciągłej Bmax. = 12 kg/h. Ponadto zmierzono stratę wylotową, w wyniku czego określono w przybliżeniu sprawność kotła, która wynosi h = 0,87. Jak wspomniano wcześniej, można posłużyć się wartością podaną przez producenta na tabliczce znamionowej. Pelet drzewny stosowany w testach spełniał wymagania jakościowe klasy DIN Plus, a jego wartość opałowa, potwierdzona badaniem autorskim, wynosiła 19,35 MJ/kg, co w przeliczeniu daje 5,375 kWh/kg.

Przebieg czasowy sygnału sterującego pracą podajnika paliwa

Rys. 1. Przebieg czasowy sygnału sterującego pracą podajnika paliwa.

Korzystając z pierwszego wzoru, wyznaczono ilość paliwa, jaką należy dostarczyć do kotła, aby pracował on z mocą znamionową:

B = 16 [kW]/(5,375 [kWh/kg] * 0,87) = 3,42 [kg/h].

Następnym etapem doboru parametrów układu podawania paliwa było określenie czasu podawania oraz przerwy w pracy przenośnika ślimakowego z wykorzystaniem obliczonego z drugiego wzoru, podanego w tym artykule, współczynnika wypełnienia sygnału sterującego podajnikiem:

kw = B/Bmax = 0,285.

Trzeci wzór można przedstawić w postaci pozwalającej na obliczenie czasu podawania paliwa dla założonego czasu przerwy:

t1 = (kw * to)/(1-kw).

W oparciu o powyższe równanie można otrzymać nieskończenie wiele kombinacji t1 i t0. Jednakże należy mieć na uwadze opisane wcześniej problemy, jakie niosą za sobą zbyt długie i zbyt krótkie interwały czasowe. Badany kocioł pracował podczas pierwszej serii pomiarowej z wartościami t1 = 2 s, t0 = 5 s, natomiast podczas drugiej serii czasy zostały zmienione na wartości t1 = 4 s, t0 = 10 s. Dla obydwu serii rejestrowano moc wyjściową z kotła o wartości średniej powyżej 16 kW, a niskie poziomy emisji CO oraz NOx świadczyły o prawidłowo przebiegającym procesie spalania.

Aby wyznaczyć rzeczywistą moc cieplną przenoszoną za pośrednictwem cieczy grzewczej do instalacji odbiorczej, konieczny jest pomiar temperatury na wejściu oraz wyjściu kotła, a także strumień masowy czynnika (wody) przepływającego w obiegu. Poprzez pomiar temperatury na powrocie i zasilaniu otrzymuje się jej przyrost podczas przepływu przez wymiennik ciepła.

Pomiar strumienia cieczy grzewczej przepływającej przez kocioł jest trudniejszy, gdyż wymaga zastosowania przepływomierza lub przynajmniej rotametru. Na rynku dostępne są ciepłomierze (liczniki ciepła) wyposażone w parowane czujniki temperatury pt100, jednak wymagany jest wtedy również przepływomierz z wyjściem impulsowym lub ciągłym. Obliczanie mocy cieplnej odbywa się wg równania:

P = mw * cw * (tz – tp) [W],

gdzie:

mw – masowe natężenie przepływu [kg/s],

cw – ciepło właściwe cieczy w instalacji [J/(kg * K)],

tz i tp – odpowiednio temperatury cieczy na zasilaniu i powrocie [K].

Wnioski

Na rysunku 2 przedstawiono przebiegi czasowe pomiarów temperatur i mocy z wykorzystaniem elektronicznego miernika ciepła. Kocioł pracował przy stałym, obliczonym dla zadanej mocy strumieniu masowym paliwa dostarczanego do komory spalania, natomiast jego obciążenie (liczba dołączonych odbiorników ciepła) było zmieniane w granicach +/- 10%. Średnia moc wyjściowa z kotła w czasie trwania pomiaru nieznacznie przekroczyła założoną w czwartym równaniu wartość 16 kW, co jest wynikiem uproszczeń w stosowanych obliczeniach oraz dokładnością przyrządów pomiarowych.

Przebiegi czasowe temperatury wody na wyjściu z kotła (zasilającej) i na wejściu do kotła (powrotnej) oraz mocy podczas serii pomiarowej

 

Rys. 2. Przebiegi czasowe temperatury wody na wyjściu z kotła (zasilającej) i na wejściu do kotła (powrotnej) oraz mocy podczas serii pomiarowej.

Przedstawiona metoda wyznaczenia ilości dostarczanego do komory spalania peletu daje możliwość przybliżonej oceny punktu pracy (mocy) kotła i może pomóc w osiągnięciu oszczędności paliwa.

Marek Nitsche

Fot. główne z arch. Viessmann.

 

Prenumerata Magazynu Instalatora

Jedna myśl na temat “Podawanie paliwa w kotle na pelet

  • 19 stycznia 2019 o 20:50
    Permalink

    Witam, jest ktoś mi wstanie pomóc to obliczyć? Bo ni cholery nie wiem czy dobrze liczę.
    Dane:
    P – 14kW
    qv net – 5kWh/kg
    h – ?? nie wiem, ale wiem że temperatura spalin ok. 100-115C a sprawność kotła 92
    Bmax – 18kg/h
    nie wiem co tam jeszcze? aha aktualnie ustawione podawanie paliwa
    t1 – 4,2s
    t0 – 32s

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij