prof. RNDr. Milan Malcho, CSc., Ing. Patrik Nemec, PhD., Ing. Stanislav Gavlas, PhD., Ing. Mária Polačiková
Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline, Katedra energetickej techniky
V súčasnosti sa stáva trendom využívanie plynových krbových vložiek na vykurovanie domácností. Hlavnými dôvodmi sú bezúdržbová, čistá a pohodlná prevádzka, ovládanie spravidla pomocou diaľkového ovládania a moderný vzhľad. Krbová vložka (KV) inštaluje aj ako sekundárny zdroj tepla, no je možné ňou pokryť celkovú tepelnú potrebu domu vrátane ohrevu vody. Častým problémom pri výbere a inštalácii krbovej vložky je dimenzia presklenia kúreniska a tepelný tok do miestnosti, ktorej tepelné straty sú z dôvodu skladby obvodového plášťa podstatne menšie ako tepelný výkon krbovej vložky. Preto sa ukazuje ako potrebné pri zachovaní estetického pôsobenia plameňa znížiť tepelný tok z kúreniska do interiéru a časť tepelného výkonu vložky odviesť do akumulátora tepla pomocou tepelnej trubice s uzavretou slučkou (Loop HP) a takto získané teplo využiť na vykurovanie iných priestorov a na ohrev teplej vody.
1. Úvod
Krbová vložka je vo svojej podstate zdrojom tepla, v ktorom sa produkuje tepelný výkon horením paliva. Toto teplo je možné ďalej odvádzať do opláštenia krbovej vložky, ktoré nahrieva okolitý vzduch. Teplý vzduch je následne možné využívať na vykurovanie samotných miestností v dome či byte. Druhým spôsobom je prenos tepla do interiéru radiáciou cez presklenie krbovej vložky. Tepelná bilancia štandardnej plynovej krbovej vložky je na Obr. 1.
Kým tepelný tok odvádzaný konvenciou je možné odvádzať jednoduchými systémami výmenníkov tepla s vodou ako teplonosným médiom, znižovanie tepelného toku do interiéru radiáciou je nutné realizovať na úplne inom princípe.
Obr. 1 Energetická bilancia plynovej krbovej vložky
Zo Stefan-Boltzmannovho zákona pre hustotu tepelného toku medzi dvomi plochami radiáciou
q12 = ԑ12 . σ0 . ( T14 – T24) (W/m2) (1)
kde
ԑ12 (-) je emisivita šedých plôch,
σ0 je Stefan-Boltzmannova konštanta (σ0 = 5,67×10−8 W·m-2·K-4),
T1 je absolútna teplota steny v kúrenisku krbovej vložky (K),
T2 je teplota okolitých plôch v interiéri (K),
vyplýva, že intenzita prenosu tepla radiáciou je výraznou funkciou absolútnej teploty steny. Kým teplota steny prijímajúcej tepelný výkon je cca 290 K, teplota steny v štandardnej krbovej vložke je viac ako 600 K a takto ohriata stena intenzívne vyžaruje teplo.
Rovnicu energetickej bilancie krbovej vložky možno vyjadriť vzťahom
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 (W) (2)
kde je
Q – celkový tepelný výkon dodaný do systému (W),
Q1 – tepelný výkon odvedený radiáciou cez sklo (W),
Q2 – tepelný výkon odvedený na akumuláciu ohrevom vody (W),
Q3 – tepelný výkon odovzdaný do interiéru cez steny kondukciou, radiáciou a konvenciou (W),
Q4 – tepelný výkon odvedený v spalinách komínom (W).
Na zníženie tepelného toku Q1 je preto potrebné znížiť teplotu stien v kúrenisku. Toto je optimálne realizovať tak, aby sa teplota stien znížila takým odvodom tepelného výkonu, ktorý by nepotreboval obehové čerpadlo. V niektorých typoch krbových vložiek je zabudovaný pomerne rozsiahly systém odvodu tepla odpovedajúci systému generovania tepla v teplovodnom kotle (Obr. 2). Takýmto spôsobom sa realizuje v podstate teplovodný vykurovací okruh s núteným obehom teplonosného média. Pre prípad výpadku pohonu obehového čerpadla alebo pre prípad prehriatia výmenníka tepla spaliny-voda je preto nutné do okruhu výmenníka tepla zabudovať bezpečnostné armatúry alebo bezpečnostné výmenníky tepla na odvod tepla produkovaného v kúrenisku a prechádzajúceho do vody v okruhu. Tento problém nastáva aj po dosiahnutí maximálne prípustnej teploty v akumulátore tepla. Uvedené nedostatky riešenia prenosu tepla z kúreniska do akumulátora tepla odstraňuje zariadenie na prenos tepla do akumulátora tepla bez obehového čerpadla so samoregulovateľnou nastaviteľnou teplotou vody v akumulátore tepla.
Obr. 2 Odvod tepla z krbovej vložky
2. Návrh zariadenia na zníženie tepelného toku PKV do interiéru
Zariadenie pozostáva z tepelnej trubice s uzavretou slučkou (Loop HP) naplnenej definovaným objemom kvapalnej fázy pracovného média, v ktorej je výparná časť oddelená od kondenzačnej časti rúrkami na prúdenie parnej fázy pracovného média v parnom potrubí a kvapalnej fázy pracovného média v kondenzačnom potrubí. Vo výparníku, ktorý je integrovaný v kúrenisku, pracovné médium mení v dôsledku varu svoje skupenstvo z kvapalného na plynné. Para je spolu s kvapkami pracovného média odvádzaná z výparníka do kondenzátora parným potrubím. V parnom potrubí je zaradený lapač kvapiek pracovného média a zachytená kvapalná fáza je odvádzaná do výparníka po stenách parného potrubia. Para pracovného média bez kvapiek následne prúdi do kondenzátora, v ktorom odovzdáva svoje kondenzačné teplo akumulačnej náplni akumulátora tepla. Akumulátorom tepla môže byť zásobník vody s vtokom studenej vody určenej na ohrievanie a výtokom teplej úžitkovej vody, alebo to môže byť zásobník teplej vody pre potreby vykurovania v teplovodnom vykurovacom systéme.
Obr. 3 Schéma zariadenie na zníženie radiačnej a konvekčnej zložky tepla z krbovej vložky pomocou samočinného prenosu tepla systémom Loop HP do akumulátora tepla
Výparník (1) je parným potrubím (8) prepojený s kondenzátorom (2) umiestneným v akumulátore (3) tepla, ktorého kondenzačné potrubie (7) je vedené naspäť do výparníka (1). Do kondenzačného potrubia (7) je zaradený termostatický regulátor (4) prepojený ovládacou vetvou (11) so snímačom teploty (5) z akumulátora (3) tepla. Do parného potrubia (8) medzi výparník (1) a kondenzátor (2) je zaradený lapač (6) kvapiek. Do kondenzačného potrubia (7) medzi kondenzátor (2) a výparník (1) je zaradený zásobník (12) pracovného kvapalného média. Výparník (1) je umiestnený v kúrenisku.
Obr. 4 Plynová krbová vložka s odvodom časti tepla do akumulačnej nádoby pomocou slučkovej tepelnej trubice
Skondenzované pracovné médium je samočinne gravitačné dopravované naspäť do výparníka kondenzačným potrubím, v ktorom je zabudovaný nastaviteľný samočinný termostatický regulátor – ventil ovládaný teplotným senzorom – snímačom teploty snímajúcim teplotu v akumulátore tepla. Keď teplota náplne akumulátora tepla dosiahne nastavenú teplotu, termostatický regulátor uzavrie kondenzačné potrubie za kondenzátorom a vo výparníku vyvrie kvapalné pracovné médium, ktoré zostalo v časti prívodného kondenzačného potrubia kondenzátu a vo výparníku.
3. Experimentálna verifikácia účinku Loop HP na energetickú bilanciu vložky
Radiačná zložka tepelného toku z plynovej krbovej zložky sa merala po ustálení teplôt kalorimetrickou metódou pomocou absorpčného lamelového výmenníka tepla (ALVT) s koeficientom absorpcie blízkym k 1. Účinná plocha ALVT bola rovná ploche presklenia PKV. Tepelná bilancia PKV sa vykonala na základe parametrov zemného plynu a teplôt meraných na plášti a v odvode spalín PKV.
Obr. 5 Experimentálne zariadenie na meranie tepelného výkonu
Objem pracovného média v okruhu tepelnej trubice s uzavretou slučkou bol určený tak, aby po uzavretí nastaviteľného samočinného termostatického regulátora – ventilu a pri odparení pracovného média z výparníka, hladina kondenzátu dosiahla vstupný otvor kondenzátora v akumulátore tepla. Takýmto spôsobom sa zamedzí odovzdávaniu kondenzačného tepla náplni akumulátora tepla a jej teplota nebude rásť ani pri pokračovaní kúrenia v kúrenisku zdroja tepla. Pri poklese teploty v akumulátore tepla pod nastavenú hodnotu samočinný termostatický regulátor otvorí prívod kondenzátu do výparníka a opäť nastáva intenzívny transport tepla z kúreniska do akumulátora tepla.
1 – absorbér, 2 – skelet absorbéra, 3 – snímače teploty Pt100, 4 – škrtiace ventily, 5 – prietokomer Vortex
Obr. 6 Schéma merania radiačného toku pomocou ALVT a kalorimetrickej metódy
Okruh tepelnej trubice je vybavený technologickými vstupmi na naplnenie pracovného média v kvapalnom stave pri štandardnom rozsahu teploty a tlaku okolia a na dosiahnutie vhodného pomeru kvapalnej a plynnej fázy pracovného média. Kvapalným pracovným médiom môže byť voda alebo kvapalné uhľovodíkové zlúčeniny, ako je napr. etanol a iné. Množstvo a druh náplne pracovného kvapalného média sa určuje podľa účelu zariadenia a podľa podmienok jeho prevádzky. Najvýkonnejším pracovným médiom je destilovaná voda, ktorej použitie si však vyžaduje teplotu okolia nad bodom mrazu. V prípade vypúšťania vody z akumulátora tepla alebo zo zásobníka teplej vody je potrebné ako pracovné médium použiť zmes vody a napr. etanolu s teplotou tuhnutia zmesi pod očakávanou najnižšou teplotou okolia zariadenia.
4. Záver
Výsledky experimentu v tabuľke 1 ukázali, že použitie výparníka Loop HP zabudovaného do kúreniska plynovej krbovej vložky výrazne prerozdelí celkový tepelný výkon uvoľnený spálením zemného plynu v horáku krbovej vložky. Kým u štandardnej PKV bez akumulácie tepla je komínová strata cca 19,9 % a do interiéru sa odvádza až 80 % z celkového príkonu PKV, potom pri aplikácii navrhnutého systému odvodu tepla z kúreniska PKV pomocou Loop HP sa zníži komínová strata na 15,8 %, do akumulácie sa odvádza až 36,2 % a do interiéru sa zníži tepelný výkon na 58 % z celkového príkonu. Ak v prípade PKV bez systému Loop HP odchádzalo do interiéru zo skúšanej vložky cca 6152 W, pri aplikácii Loop HP a akumulácie tepla len 3630 W, t. j. tepelný výkon do interiéru sa znížil cca o 41 %!
Výhody zariadenia na samočinný prenos tepla do akumulátora tepla bez obehového čerpadla so samoregulovateľnou nastaviteľnou teplotou vody v akumulátore tepla riešenia s Loop HP sú zjavné. Výhody oproti klasickým riešeniam spočívajú najmä v tom, že obeh tekutiny v okruhu tepelnej trubice s uzavretou slučkou je zabezpečený bez obehového čerpadla prostredníctvom termosifónového efektu. Pri dosiahnutí určitej požadovanej teploty, ktorá je nastaviteľná na samočinnom termostatickom regulátore ovládanom snímačom teploty snímajúcom teplotu v akumulátore tepla sa termosifónový obeh zastaví. Tým sa zastaví aj prenos tepla do akumulátora tepla a nedôjde k prehriatiu náplne akumulátora tepla. Proces intenzívneho transportu tepla medzi výparníkom a kondenzátorom na základe zmeny fáze sa tak zastaví do stavu poklesu požadovanej teploty náplne akumulátora tepla, kedy sa termostatický regulátor otvorí a umožní tak prúdenie kondenzátu do výparníka.
Náplň akumulátora tepla je nahrievaná na konštantnú teplotu bez závislosti na intenzite horenia paliva v kúrenisku. Tým, že v zariadení je použitá tepelná trubica s uzavretou slučkou, má potom aj samotné zariadenie malú hmotnosť, má rýchly tepelný nábeh a nízke náklady na údržbu tepelnej trubice s uzavretou slučkou.
Pri použití plynovej krbovej vložky so slučkovou tepelnou trubicou sa pri realizovaných meraniach zistilo, že cez Loop HP došlo k prenosu tepelného výkonu cca 3,0 kW, ktorý je možné ďalej využiť na iné účely. Tento výkon je možné ďalšími úpravami výparníka zvýšiť.
Loop HP je možné aplikovať do rôznych kúrenísk, na krbové vložky a krbové kachle, na sporáky s komínovou vložkou, ale aj na iné tepelné zdroje horúcich spalín.
