Návrh trubkového výměníku tepla spaliny-vzduch pro zvýšení účinnosti kotlů

11.03.2026

Lidstvo potřebuje v dnešní době ke svému životu velké množství energie. Je potřeba nejen zvyšovat výrobu, ale také ji co nejvíce zefektivňovat. Pro tento účel je výměník tepla. Vstupní hodnoty byly experimentálně změřeny. Náplní bakalářské práce je návrh trubkového výměníku tepla spaliny vzduch komorou pro předehřev spalovacího vzduchu odpadním teplem spalin.

Výměníky Tepla

Výměník tepla slouží k možnému, nejefektivnějšímu přenosu tepla. Důležitá je i ekonomická stránka, tedy pořizovací a provozní cena a životnost.Výměníky tepla rozdělujeme podle:

pracovního pochodu,
vzájemného směru proudění,
účelu a použití,
způsobu přenosu tepla,
použitých médií,
konstrukčního řešení.

Přenos tepla je založen na rozdílu teplot, tedy snaha prostředí o jejich vyrovnání. Může být průběžný, nebo přerušovaný. Důležitou roli hraje i druh teplonosného média. Je nutné zajistit, aby nedošlo k přehřátí a poškození zařízení, či ohřevu obytného prostředí. Příkladem jsou radiátory ústředního topení či ledničky v domácnostech.

Způsoby přenosu tepla

Při přenosu tepla dochází k výměně energie mezi dvěma látkami oddělenými nepropustnou stěnou. Teplo se může přenášet vedením, konvekcí a radiací.

Vedení tepla: Jedná se o přenos energie mezi látkami při jejich přímém styku, jedná se o difúzní proces.
Konvekce tepla: Probíhá u tekutin v důsledku jejich pohybu, tedy jejich proudění. Důležitým faktorem je také druh konvekce. Nucená konvekce je vyvolána uměle (např. ventilátorem).
Radiace tepla: Jedná se o přenos energie elektromagnetickým zářením. V praxi se většinou zanedbává, jelikož jeho podíl je značně malý.

Požadavky na výměníky tepla

Požadavky na výměníky tepla jsou často protichůdné, a proto je potřeba najít optimální řešení. Mezi základní požadavky patří:

Čtěte také: Data o kvalitě ovzduší v Ústí

maximální účinnost výměníku,
spolehlivost v provozu,
snadná údržba a opravitelnost,
relativně nízká cena.

Při návrhu je tak potřeba nalézt kompromis mezi těmito požadavky. Důležité je i to, aby při dané pracovní teplotě nedocházelo k nechtěnému odpařování vody na výhřevné ploše.

Teplonosná média

Teplonosná média mají své výhody i nevýhody. Například voda je levná a má dobré teplosměnné vlastnosti, ale snižuje výkon soustavy na úkor své tlakové ztráty. Pára má velkou výhřevnost, ale vyžaduje použití oběhového čerpadla. Vzduch je levný a snadno dostupný, ale jeho použití je omezeno nízkým součinitelem přestupu tepla. Pro přenos tepla s vysokou teplotou do 900 °C se používají tekuté kovy, např. sodíku a draslíku. Problémem je jejich ztuhnutím při zchladnutí například při odstavování a nebezpečí výbuchu při netěsností výměníku.

Trubkové výměníky tepla

Trubkové výměníky tepla patří k nejpoužívanějším výměníkům tepla v chemických zařízeních. Jsou vhodné pro vyšší tlaky a teploty, a existují pro ně v podstatě velmi přesné výpočtové vztahy.Na Obr. 2.1 je znázorněn trubkový výměník. Skládá se z pláště (1), do nichž jsou zaválcovány trubky (5), které mohou být buď hladké, nebo žebrované. Do pláště vstupuje pracovní látka hrdlem (3), prochází mezitrubkovým prostorem a vystupuje výstupním hrdlem (4). Ohřívaná látka vstupuje armaturou předního hrdla (2) a vystupuje armaturou zadního hrdla (2). Pro zvýšení turbulence proudění v mezitrubkového prostoru se často instalují přepážky (6), čímž se zvýší součinitel přestupu tepla. Důsledkem je ovšem také zvýšení tlakové ztráty. Přepážky mohou být segmentové nebo koncentrické.

Mezi hlavní výhody trubkových výměníků patří:

velký poměr teplosměnné plochy k jejich objemu, resp. hmotnosti,
jednoduchá vyrobitelnost a konstruovatelnost,
spolehlivost v provozu,
snadná údržba (vyměnitelné těsnění, trubky).

Nevýhodou je náchylnost ke korozi a zanášení výměníku. Trubky se vyrábějí většinou z oceli s tloušťkou stěny 1,5-2,5mm. Důležitý je i průtokový průřez trubek.

Čtěte také: Životní prostředí za socialismu

Typy trubkových výměníků

Trubkové výměníky se dělí podle konstrukce na několik typů:

S pevnou trubkovnicí: Jedná se o protiproudý výměník s podélným omýváním vnějšího povrchu. Nevýhodou těchto výměníků je dilatace trubek mezi pevnými trubkovnicemi. Používají se proto jen pro malé teplotní rozdíly mezi médii a pro malé tlaky.
S plovoucí hlavou: Trubky se mohou volně roztahovat. Výměník má menší hmotnost a je kompaktnější. Nevýhodou je obtížnější čištění vnitřního povrchu trubek a nemožnost výměny poškozené trubky.
S U-trubkami: Výměník má vyjímatelnou trubkovou soustavu, což usnadňuje opravu. Kompenzace s pružným zvlněním pláště rovněž kompenzuje teplotní dilataci. Používá se při větších teplotních tocích.

Geometrie trubek výměníku

Pro zachování příčného obtékání trubek média na vnější straně se používají přepážky. Pokud nejsou použity, výměník je hůře využit. Trubky mohou být ve výměníku vedeny i ve více řadách. Důležitými parametry geometrie trubek jsou:

uspořádání trubek (30°,45°,60° a 90°),
rozdělení trubek do chodů.

Čím menší je průměr trubek svazku, tím roste součinitel přestupu tepla. Důležitá je i dovolená tlaková ztráta a požadavky na čištění trubek svazku.

Zvýšení přestupu tepla ve výměníku

Pro zvýšení přestupu tepla ve výměníku se používají různé metody:

Trubkový prostor (TP): Používají se vložky do trubek svazku, které zvyšují turbulenci proudění.
Mezitrubkový prostor (MP): Používají se různé typy žeber, které zvětšují teplosměnnou plochu. Žebra bývají válcována z materiálu trubky nebo navinuta na trubku ve formě pásku. U současných výměníků bývá na 1m trubky 200-400 žeber o výšce 1-50mm.

Další možností je úprava trubek svazku (např. zkroucené oválné trubky, trubky a prolisy ve formě závitů atd.). Tyto úpravy se doporučují pro oblasti laminárního a přechodového proudění. Pro intenzifikaci platí stejné zásady jako pro trubkový prostor. U podélného obtékání trubek se doporučuje tyčový.

Čtěte také: Hodnocení kvality ovzduší Kroměříž

Návrh výměníku tepla

Výměník je určen k předehřevu spalovacího vzduchu. Vstupní hodnoty byly experimentálně změřeny. Měření probíhalo na kotli, ve kterém se spaluje směs suchých a mokrých dřevních pilin, dřevní štěpky a pelet. Soustava je na Obr. 3.1.

Měřené veličiny:

teplota spalin - termočlánkem typu K, umístěným v kouřovodu,
teplota vzduchu - termočlánkem typu K, umístěným v komoře, ve kterém proudí vzduch, který sondu ochlazuje. Zobrazovaná teplota je rovna teplotě vzduchu, kterou je potřeba měřit,
hmotnostní tok paliva - dodávka paliva je řešena šnekovým podavačem. Hmotnostní tok je určen jako hmotnost podaného paliva o známé vlhkosti za daný čas. Pro zjištění okamžitého výkonu jsou měřeny otáčky podavače,
výhřevnost paliva - stanovena kalorimetricky. Spalné teplo se zjistí spálením vzorku paliva o změřené hmotnosti za přítomnosti vody. Odečtením tepla potřebného na odpaření vody v palivu lze ze spalného tepla získat výhřevnost.

Výměník je navrhován na média spaliny-vzduch. Vstupní parametry pro výpočet jsou:

Prvkové složení paliva podle Tab. 3.1.
Prvkové složení vzduchu podle Tab. 3.2.

Pro výpočet vlastností spalin je potřeba znát jejich přesné složení. Složení spalin je dáno z rovnic (3.3.2-1) - (3.3.2-4). Výsledné složení spalin je uvedeno v Tab. 3.3.

Bilance výměníku je založena na znalosti výstupních parametrů druhého média a vstupních parametrů obou médií. Médiem 1 jsou spaliny a médiem 2 je vzduch. Pro výpočet měrné entalpie je potřeba znát závislost měrné tepelné kapacity na zadaných teplotách. Naměřená teplota vzduchu je přibližně 24 °C, uvažovaná vlhkost je 70%. Měrná entalpie vzduchu je potom 58 kJ/kg. Měrné entalpie jednotlivých složek spalin jsou v tabulkách [13]. Měrné entalpie složek spalin pro teplotu spalin 187,44 °C jsou uvedeny v Tab. 3.4. Z rovnice (3.5-2) lze vypočítat měrnou entalpii a dosazením do rovnice (3.5-3) tak získat měrnou entalpii spalin na výstupu. Protože měrná entalpie složek spalin je závislá na teplotě, kterou hledám. Zvolím si tedy teplotu vzduchu na výstupu z výměníků a z rovnice (3.5-3) pak měrnou entalpii vzduchu i22. Pro 100°C je v tabulkách [6] měrná tepelná kapacita suchého vzduchu. Měrnou vlhkost lze odečíst z Mollierova diagramu. Pro tuto teplotu vychází výstupní teplota spalin 129,6°C. Měrné entalpie složek spalin pro t12 = 129,6°C jsou uvedeny v Tab. 3.5.

Rosný bod spalin

Je důležité se vyhnout nízkoteplotní korozi, proto je nutné stanovit rosný bod spalin. Pokud v palivu není obsažena síra, kondenzuje vodní pára. Pokud je v palivu obsažena síra, kondenzuje kyselina sírová a teplota kondenzace je výrazně vyšší než pro vodní páru. Rosný bod spalin ovlivňuje i koncentrace popílku, který působí jako kondenzační jádra. Stanovení rosného bodu spalin je složitý úkol. Většinou se určuje podle poloempirických výpočtových vztahů. Podle normy [16] je potřeba k této teplotě ještě přičíst 15°C. Je nutné se vyhnout se podkročení teploty rosného bodu spalin a tím ke vzniku nízkoteplotní koroze.

Návrh trubkového prostoru (TP)

Trubkovým prostorem budou proudit spaliny. Rychlost proudění spalin by se měla pohybovat kolem 10 m/s. Podle toho je potřeba zvolit vhodný průměr a počet trubek. Důležitý je i faktor zanášení, ačkoliv v této práci není uvažováno, v praxi se na něj nesmí zapomenout. Byl navržen výměník s 55 trubkami. Byl zvolen tento typ trubek, protože je běžně dostupný. Navržená délka trubek je L = 1,3 m. Počet chodů nCH = 1. Tlak spalin p1 je uvažován atmosférický. Průtok V sp je dán rovnicí (2.2.2-9). Rychlost proudění by se měla pohybovat mezi 7 - 12 m/s. Vypočtená hodnota vyhovující.

Pro výpočet součinitele přestupu tepla je nutné znát:

součinitel tepelné vodivosti λ,
hustotu ρ,
dynamickou viskozitu η,
měrnou tepelnou kapacitu cp.

Vlastnosti spalin jsou vztaženy na střední teplotu spalin .

Tlaková ztráta v TP

Celková tlaková ztráta je dána součtem tlakových ztrát třením a místními odpory.

Návrh mezitrubkového prostoru (MP)

V mezitrubkovém prostoru proudí vzduch, který výměník nezanáší. Protože není potřeba výměník mechanicky čistit a lze použít uspořádání trubek 30° podle Obr. 2.7. Toto uspořádání má nejmenší tlakovou ztrátu. Volí se 1,25 - 1,5 d2. Svazek trubek je znázorněn na Obr. 3.2. Tloušťka stěny pláště je dána asociací TEMA [5]. uvádí tloušťku 7,8 mm. Po zaokrouhlení jsem zvolil vůli 14mm.

Segmentové přepážky

Segmentové přepážky slouží ke zvýšení rychlosti pracovní látky v MP. Zvětšením rychlosti proudění v MP se zvýší součinitel přestupu tepla na straně pláště. Výška přepážky se většinou volí 0,75 D1. Vzhledem k tlakovým ztrátám jsem zvolil výšku hp = 0,68 D1, tedy výřez 32 %.

Pro výpočet součinitele přestupu tepla a tlakových ztrát je nutné znát:

průtok vzduchu,
teplotu vzduchu,
fyzikální vlastnosti vzduchu.

Tlak vzduchu p2 je atmosférický. Průtok V vz je dán rovnicí (3.3.1-7). Pro výpočet je nutné znát fyzikální vlastnosti vzduchu, které jsou vztaženy na střední teplotu vzduchu danou rovnicí (3.8.1-6).