GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI Tom 24 2008 Zeszyt 3/3 GRZEGORZ CZERSKI* Wp³yw zastosowania systemów powietrzno-spalinowych na racjonalne wykorzystanie gazu w urz¹dzeniach z zamkniêt¹ komor¹ spalania Wprowadzenie Urz¹dzenia gazowe z zamkniêt¹ komor¹ spalania charakteryzuj¹ siê wysokim poziomem rozwi¹zañ technicznych, dobr¹ efektywnoœci¹ energetyczn¹, wysokim stopniem automatyzacji i komfortem obs³ugi. Podstawowa zalet¹ tych urz¹dzeñ jest bezpieczeñstwo ich u ytkowania. Wysoka sprawnoœæ energetyczna uzyskiwana jest poprzez zastosowanie sprawnych wymienników ciep³a oraz wstêpne podgrzewanie powietrza w przewodzie powietrzno- -spalinowym. Zainstalowanie urz¹dzeñ grzewczych z zamkniêt¹ komor¹ spalania wymaga stosowania nowoczesnych systemów kominowych. Dotychczasowe uk³ady spalinowe wykorzystywane dla urz¹dzeñ typu B by³y przeznaczone wy³¹cznie do odprowadzania spalin na zewn¹trz, podczas gdy nowe systemy s³u ¹ równie do dostarczania powietrza do spalania z mo liwoœci¹ odzysku ciep³a ze spalin do podgrzewania powietrza przeznaczonego do spalania. Istniej¹ dwa podstawowe rodzaje przewodów powietrzno-spalinowych, w których: doprowadzenie powietrza i odprowadzenie spalin odbywa siê przewodem koncentrycznym, doprowadzenie powietrza i odprowadzanie spalin odbywa siê dwoma niezale nymi przewodami. W przypadku systemów koncentrycznych odzyskuje siê ciep³o spalin dla podgrzania powietrza do spalania, co dodatkowo zwiêksza efektywnoœæ energetyczn¹ takiego uk³adu. W systemach tych (typu: rura w rurze) przewody spalinowe i powietrzne usytuowane s¹ * Mgr in., Wydzia³ Paliw i Energii AGH, Kraków; e-mail: gczerski@agh.edu.pl
50 wspó³œrodkowo. Powietrze do spalania pobierane jest rur¹ zewnêtrzn¹, natomiast spaliny odprowadzane s¹ rur¹ wewnêtrzn¹. 1. Obliczenia symulacyjne Przeprowadzone obliczenia symulacyjne mia³y na celu sprawdzenie, w jaki sposób stosowanie koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych o ro nych d³ugoœciach wp³ywa na poprawê efektywnoœci energetycznej urz¹dzeñ gazowych z zamkniêt¹ komor¹ spalania a tym samym racjonalne wykorzystanie paliwa jakim jest gaz ziemny. Do obliczeñ symulacyjnych wykorzystano oprogramowanie CFD (Computational Fluid Dynamics) FLUENT 6.1. Program ten umo liwia miêdzy innymi obliczenia dotycz¹ce zjawiska wymiany ciep³a w koncentrycznych przewodach powietrzno-spalinowych. W trakcie obliczeñ stosowano model turbulencji k-epsilon. Siatkê strukturaln¹ utworzono dziêki pomocy programu GAMBIT, natomiast jako dane wejœciowe do obliczeñ wykorzystano wyniki pomiarów gazowego przep³ywowego ogrzewacza wody o mocy 19,5 kw, pod³¹czonego do ró nych systemów powietrzno-spalinowych (tab. 1), zaczerpniête z publikacji (Czerski, Gebhardt 2008). Masowe strumienie spalin i powietrza wyznaczono na podstawie sk³adu gazu stosowanego podczas pomiarów oraz wspó³czynnika nadmiaru powietrza. Wymiary i w³aœciwoœci przewodów powietrzno-spalinowych zadane do obliczeñ by³y takie same jakie stosowano podczas cytowanych badañ tj. wspó³osiowe przewody powietrzno- -spalinowe o œrednicach odpowiednio 100 i 60 mm, i d³ugoœciach: 2, 4, 6 i 8 m oraz dwa kolanka 60/100 mm. Konfiguracja taka odzwierciedla najbardziej powszechne rozwi¹zania eksploatacyjne w budynkach. TABELA 1 Wyniki pomiarów dla gazowego podgrzewacza wody przep³ywowej pod³¹czonego do koncentrycznego przewodu powietrzno-spalinowego o ró nych d³ugoœciach (Czerski, Gebhardt 2008) TABLE 1 Results of examinations of gas-fired instantaneous water heaters connected to a concentric chimney and air supply duct with different lengths (Czerski, Gebhardt 2008) Parametr D³ugoœæ przewodu powietrzno-spalinowego 2m 4m 6m 8m Temperatura spalin [ C] wlot 189,0 190,8 185,4 180,0 Temperatura powietrza [ C] wlot 22,0 19,0 19,0 20,0 Wsp. nadmiaru powietrza [-] 1,82 1,81 1,79 1,59 Strumieñ spalin [kg/h] 50,50 50,14 50,08 44,35 Strumieñ powietrza [kg/h] 48,90 48,54 48,46 42,75 Sprawnoœæ [%] 89,1 91,5 92,8 94,0
Badania zaprezentowane w (Czerski, Gebhardt 2008) mia³y na celu sprawdzenie zachowania siê gazowych przep³ywowych ogrzewaczy wody z zamkniêt¹ komor¹ spalania pod³¹czonych do dwóch omówionych wy ej rodzajów przewodów powietrzno-spalinowych o ró nych d³ugoœciach. Wykazano w nich m.in., e przy zastosowaniu przewodów koncentrycznych istotnie roœnie sprawnoœæ urz¹dzeñ, co spowodowane jest wstêpnym podgrzewaniem powietrza, ale te zwiêkszonymi oporami przep³ywu w tych przewodach i wynikaj¹cym st¹d zmniejszeniem wspó³czynnika nadmiaru powietrza. Przy takich samych d³ugoœciach przewodów powietrzno-spalinowych ró nica w sprawnoœci miêdzy systemem koncentrycznym a rozdzielnym dla tego samego urz¹dzenia wynosi³a oko³o 5%. Cytowane badania dotyczy³y gazowych przep³ywowych ogrzewaczy wody z zamkniêt¹ komor¹ spalania, natomiast uzyskane wyniki obliczeñ mo na równie odnosiæ do ma³ych kot³ów gazowych, które maj¹ zbli one moce (ok. 20 kw). W koncentrycznych przewodach powietrzno-spalinowych wielkoœci przep³ywaj¹cych strumieni powietrza i spalin bêd¹ podobne w obu rodzajach urz¹dzeñ, natomiast w kot³ach wystêpowaæ bêdzie zazwyczaj ni sza temperatura spalin. Trudno jest okreœliæ na podstawie pomiarów za jak¹ czêœæ wzrostu sprawnoœci w urz¹dzeniach gazowych odpowiada wstêpne podgrzewanie powietrza w przewodach powietrzno-spalinowych. Pomiar œredniej temperatury powietrza i spalin jest bardzo utrudniony ze wzglêdu na bardzo dynamicznie zmieniaj¹c¹ siê temperaturê wraz z odleg³oœci¹ od œrodka przewodu. Obliczenia symulacyjne mia³y na celu okreœlenie tych temperatur a dalej ich wp³ywu na poprawê racjonalnego wykorzystania gazu w urz¹dzeniach gazowych z zamkniêt¹ komor¹ spalania. W wyniku obliczeñ uzyskano szereg parametrów, z których jak ju wspomniano najwa niejsza by³a temperatura wylotowa spalin, a szczególnie temperatura powietrza wlotowego do urz¹dzenia. Na podstawie przyrostu temperatury powietrza, a tak e jego iloœci, okreœlano zmianê jego entalpii. Nastêpnie odnosz¹c zmianê entalpii powietrza do iloœci energii dostarczanej ze spalanym gazem wyznaczono wzrost sprawnoœci urz¹dzenia gazowego spowodowany podgrzaniem powietrza w koncentrycznym przewodzie powietrzno- -spalinowym. W podobny sposób wyznaczono równie zmianê entalpii spalin (za ka dym razem uwzglêdniaj¹c ich sk³ad), dziêki czemu okreœlono wielkoœæ strat ciep³a do otoczenia w przewodzie powietrzno-spalinowym. Wyniki obliczeñ zebrano w tabeli 2, natomiast dla lepszego ich zobrazowania na rysunku 1 przedstawiono wzrost sprawnoœci urz¹dzenia gazowego spowodowany podgrzewaniem powietrza oraz temperatury powietrza i spalin na wlocie i wylocie do koncentrycznego przewodu powietrzno-spalinowego. Przyk³adowy rozk³ad temperatury w koncentrycznym przewodzie powietrznym i spalinowym o d³ugoœci 2 m przedstawiono na rysunku 2. Mo na na nim zauwa aæ, i temperatura spalin a zw³aszcza powietrza spada wraz ze wzrostem odleg³oœci od œrodka przewodu. Jako wynik koñcowy podawano œredni¹ temperaturê dla danej powierzchni (wylot powietrza lub wylot spalin) wyliczon¹ przez program FLUENT. Wzrost sprawnoœci spowodowany wstêpnym podgrzewaniem powietrza jest istotny i wynosi w zale noœci od d³ugoœci przewodu od 2,7 do 4,2%. Przyrost ten nie ma charakteru 51
52 TABELA 2 Wyniki obliczeñ dla ró nych d³ugoœci koncentrycznego przewodu powietrzno-spalinowego TABLE 2 Results of calculations for different lengths of a concentric chimney and air supply duct Parametr D³ugoœæ przewodu powietrzno-spalinowego 2m 4m 6m 8m Temperatura spalin Temperatura powietrza [ C] [ C] wlot 189,0 190,8 185,4 180,0 wylot 135,0 125,0 108,5 95,6 wlot 22,0 19,0 19,0 20,0 wylot 65,1 72,6 82,9 88,1 Spadek temp. spalin [ C] 53,0 72,4 77,4 94,4 Przyrost temp. powietrza [ C] 43,2 53,6 64,0 68,1 Zmiana entalpii spalin [kj] 2 977 3 599 4 195 4 100 Zmiana entalpii powietrza [kj] 2 166 2 672 3 182 3 321 Wzrost sprawnoœci urz¹dzenia [%] 2,70 3,34 3,96 4,16 Starty ciep³a do otoczenia [%] 1,01 1,16 1,26 0,98 Wzrost sprawnoœci[%] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2 4 6 8 D³ugoœæ koncentrycznego przewodu powietrzno-spalinowego [m] Wzrost sprawnoœci temp. spalin na wylocie temp. powietrza na wylocie temp. spalin na wlocie temp. powietrza na wlocie 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Temperatura [C] Rys. 1. Wzrost sprawnoœci urz¹dzenia gazowego oraz temperatura spalin i powietrza na wlocie i wylocie z koncentrycznego przewodu powietrzno-spalinowego Fig. 1. Increase the energy efficiency of a gas appliance and temperature of air and combustion gases at the inlet and the outlet of a concentric chimney and air supply duct
53 Rys. 2. Przyk³adowy rozk³ad temperatur [K] dla przewodu powietrzno-spalinowego o d³ugoœci 2 m Fig. 2. Example of temperature distribution [K] for a chimney and air supply duct with the length of 2 meters liniowego i maleje wraz z wyd³u aniem przewodów powietrzno-spalinowych. Wp³ywa na to równie fakt, e temperatura spalin wylatuj¹cych z urz¹dzenia obni a siê wraz z wyd³u- aniem przewodu powietrzno-spalinowego. Straty ciep³a do otoczenia w przewodzie powietrzno-spalinowym wynosz¹ oko³o 1%. Jak ju wspomniano za ca³kowity wzrost sprawnoœci urz¹dzenia gazowego przy stosowaniu koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych odpowiadaj¹ dwa czynniki tj. wspó³czynnik nadmiaru powietrza oraz temperatura powietrza wlotowego. Ró nica w sprawnoœci przy zastosowaniu systemu koncentrycznego a rozdzielnego dla tego samego urz¹dzenia i d³ugoœci przewodów 2 m wynosi³a oko³o 5%, natomiast na podstawie uzyskanych wyników obliczeñ podgrzewanie powietrza by³o odpowiedzialne za 2,7% wzrostu sprawnoœci. Mo na uznaæ, i wstêpne podgrzewanie powietrza jest odpowiedzialne za co najmniej po³owê ca³kowitego wzrostu sprawnoœci urz¹dzenia. Dalszym krokiem by³o oszacowanie zmniejszenia zu ycia gazu spowodowane wzrostem sprawnoœci urz¹dzenia gazowego. Za³o ono, e sprawnoœæ urz¹dzenia bez przewodów powietrzno-spalinowych wynosi 86% (nominalna sprawnoœæ gazowego przep³ywowego ogrzewacza wody o mocy 19,5 kw u ytego do badañ), a do obliczeñ przyjêto typowy sk³ad gazu ziemnego wysokometanowego E. Wyniki tej analizy przedstawiono w tabeli 3. Mo na stwierdziæ, i zastosowanie koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych wp³ywa w widoczny sposób na zmniejszenie zu ycia gazu (3,1 4,6%).
54 TABELA 3 Zmniejszenie zu ycia gazu spowodowane stosowaniem koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych TABLE 3 Reduction of natural gas consumption due to the use of concentric chimney and air supply ducts Parametr D³ugoœæ przewodu powietrzno-spalinowego 0m 2m 4m 6m 8m Zu ycie gazu wysokometanowego E [m 3 /h] 2,294 2,224 2,208 2,193 2,188 Zmniejszenie zu ycia gazu [%] 3,1 3,7 4,4 4,6 Podsumowanie Uzyskane wyniki obliczeñ symulacyjnych wykaza³y, e wstêpne podgrzewanie powietrza w koncentrycznym przewodzie powietrzno-spalinowym ma istotny wp³yw na racjonalne wykorzystanie gazu ziemnego. Stosowanie nawet krótkich d³ugoœci takich przewodów (2 m) znacznie zmniejsza zu ycie paliwa w urz¹dzeniach gazowych. W przypadku kot³ów gazowych przyrosty sprawnoœci bêd¹ mniejsze ze wzglêdu na ni sz¹ temperaturê spalin, jednak sprawnoœæ wyjœciowa tych urz¹dzeñ bêdzie przez to wy sza. Dodatkowym atutem stosowania koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych jest izolowanie przewodu spalinowego przez powietrzny i w zwi¹zku z tym minimalne ryzyko przedostawania siê spalin do pomieszczenia mieszkalnego i brak zatruæ produktami spalania, g³ównie tlenkiem wêgla. Ponadto zastosowanie urz¹dzeñ gazowych z zamkniêt¹ komor¹ spalania pozwala na oszczêdnoœci energii zwi¹zane z mniejszym zapotrzebowaniem na powietrze potrzebne do wentylacji mieszkañ. Artyku³ zosta³ przygotowany w ramach pracy statutowej AGH nr 11.11.210.119 oraz pracy realizowanej na komputerach w ACK CYFRONET MNiSW/Sun6800/AGH/128/2007 LITERATURA C z e r s k i G., G e b h a r d t Z., 2008 Badania gazowych przep³ywowych ogrzewaczy wody z zamkniêt¹ komor¹ spalania pod³¹czonych do ró nych systemów kominowych. Gaz Woda Technika Sanitarna nr 6, s. 2 6.
55 WP YW ZASTOSOWANIA SYSTEMÓW POWIETRZNO-SPALINOWYCH NA RACJONALNE WYKORZYSTANIE GAZU W URZ DZENIACH Z ZAMKNIÊT KOMOR SPALANIA S³owa kluczowe Urz¹dzenia gazowe, systemy kominowe, racjonalne wykorzystanie paliw Streszczenie Coraz szersze stosowanie urz¹dzeñ gazowych z zamkniêt¹ komor¹ spalania skutkuje lepszym wykorzystaniem gazu. Wysoka sprawnoœæ energetyczna uzyskiwana jest poprzez zastosowanie sprawnych wymienników ciep³a oraz wstêpne podgrzewanie powietrza w przewodzie powietrzno-spalinowym. Ponadto zastosowanie urz¹dzeñ gazowych z zamkniêt¹ komor¹ spalania pozwala na oszczêdnoœci energii zwi¹zane z mniejszym zapotrzebowaniem na powietrze potrzebne do wentylacji mieszkañ. Podstawow¹ zalet¹ tych urz¹dzeñ jest bezpieczeñstwo ich u ytkowania zwi¹zane z minimalnym ryzykiem przedostawania siê spalin do pomieszczenia mieszkalnego. Przy zastosowaniu koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych istotnie roœnie sprawnoœæ urz¹dzeñ, co spowodowane jest wstêpnym podgrzewaniem powietrza, ale te zwiêkszonymi oporami przep³ywu w tych przewodach i wynikaj¹cym st¹d zmniejszeniem wspó³czynnika nadmiaru powietrza. W artykule przedstawiono wyniki obliczeñ symulacyjnych, które mia³y na celu sprawdzenie, w jaki sposób wstêpne podgrzewanie powietrza do spalania w koncentrycznych przewodach powietrzno-spalinowych o ro nych d³ugoœciach wp³ywa na polepszenie efektywnoœci energetycznej urz¹dzeñ gazowych, a tym samym racjonalne wykorzystanie paliwa jakim jest gaz ziemny. Do obliczeñ symulacyjnych wykorzystano oprogramowanie CFD (Computational Fluid Dynamics) FLUENT 6.1. Program ten umo liwia miêdzy innymi obliczenia dotycz¹ce zjawiska wymiany ciep³a w koncentrycznych przewodach powietrzno-spalinowych. Wzrost sprawnoœci spowodowany wstêpnym podgrzewaniem powietrza jest istotny i wynosi w zale noœci od d³ugoœci przewodu od 2,7 do 4,2%. Straty ciep³a do otoczenia w przewodzie powietrzno-spalinowym wynosz¹ oko³o 1%. Podgrzewanie powietrza jest odpowiedzialne za co najmniej po³owê wzrostu sprawnoœci przy zastosowaniu przewodów koncentrycznych w urz¹dzeniach gazowych. Zastosowanie tych przewodów wp³ywa w widoczny sposób na zmniejszenie zu ycia gazu (3,1 4,6%). Uzyskane wyniki obliczeñ symulacyjnych wykaza³y wiêc, e wstêpne podgrzewanie powietrza w koncentrycznym przewodzie powietrzno-spalinowym ma istotny wp³yw na racjonalne wykorzystanie gazu ziemnego. Stosowanie nawet krótkich takich przewodów (2 m) znacznie zmniejsza zu ycie paliwa w urz¹dzeniach gazowych. INFLUENCE OF APPLYING CHIMNEY AND AIR SUPPLY DUCT SYSTEMS ON RATIONAL USE OF NATURAL GAS IN APPLIANCES WITH A CLOSED COMBUSTION CHAMBER Key words Gas appliances, chimney systems, rational use of fuels Abstract A wider application of gas appliances with a closed combustion chamber results in better natural gas use. The high level of energy efficiency is gained by using of efficient heat exchangers and heating air in chimney and air supply duct. Moreover, the use of gas appliances with a closed combustion chamber allows to care energy because of smaller air demand for apartment ventilation. The basic advantage of these appliances is safety of their use connected with minimal risk of combustion gases penetration into the living quarters. The use of concentric chimney and air supply ducts improves energy efficiency of gas appliances. It is caused by both, heat recovery process from hot combustion gases for the purposes of heating air as well as by higher flow resistance in these ducts and the resulting decrease in the amount of the excessive air. The paper presents results of simulation calculations in order to check how heating the air for combustion process in chimney and air supply ducts with different lengths
56 influences the better energy efficiency and rational use of the fuel, which is natural gas. For simulation calculations the computer software CFD (Computational Fluid Dynamics) FLUENT 6.1 was used. The program enables i.e. calculation of heat transfer process in concentric chimney and air supply ducts. The increase of energy efficiency caused by heating air is significant and amounts to 2.7 4.2% depending on the length of chimney and air supply ducts. Heat losses to the surroundings from chimney and air supply duct are equal to about 1%. Heating the air is responsible at least for half of the increase in energy efficiency when the concentric chimney and air supply ducts are used. The application of these ducts influences reduction of natural gas consumption significantly (3.1 4.6%). The obtained results of simulation calculations proved that the process of heating air in a concentric chimney and air supply duct has a significant effect on rational use of natural gas. Even the application of short ducts (two meters) significantly reduces fuel consumption in gas appliances.