Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest analizator jakosci procesu spalania, majacy zastosowanie do kotlów malej mocy opalanych paliwami stalymi. Rozwiazanie wedlug wzoru, dzieki swojej kompak- towej konstrukcji, jest przeznaczone do analizy poprawnosci i pomiaru podstawowych parametrów pro- cesu spalania w kotlach zasilanych paliwami stalymi o mocach od 5 do 100 kW. Nowoczesne kotly na paliwa stale gwarantuja poprawne parametry emisyjne w szerokim zakresie generowanych mocy cieplnych pod warunkiem prawidlowo dobranych parametrów pracy zwiazanych z dawkowaniem paliwa i powietrza dostarczanych do procesu spalania. Niestety w rzeczywistych wa- runkach pracy identyfikujemy szereg zaklócen, które w znacznym stopniu wplywaja na pogorszenie parametrów emisyjnych i efektywnosci energetycznej m.in.: - brak informacji o aktualnym przebiegu procesu spalania, w szczególnosci o stezeniu tlenu w spalinach odlotowych i temperaturze spalin; - czeste zmiany parametrów spalanego paliwa np. wartosc opalowa, spiekalnosc, zawartosc czesci lotnych i wilgotnosc; - koniecznosc dynamicznej zmiany generowanej chwilowo mocy cieplnej; - znaczne okresy przestoju pracy kotlów przy koniecznosci podtrzymania procesu spalania, wynikajace z malego zapotrzebowania na energie cieplna i braku mozliwosci calkowitego zatrzymania pracy kotlów opalanych paliwami pochodzenia weglowego. Zaklócenia te powoduja, ze praca kotlów w warunkach rzeczywistych znacznie odbiega od para- metrów emisyjnych zmierzonych podczas badan certyfikujacych. Znane sa rozwiazania, które pozwalaja na poprawe parametrów emisyjnych kotlów malej mocy w warunkach rzeczywistej eksploatacji, jednak do prawidlowej pracy ukladu sterowania niezbedny jest ciagly pomiar stezenia tlenu i temperatury w gazach odlotowych. Przykladem moze byc rozwiazanie opisane w opisie patentowym P16183. Podstawowy problem zwiazany z eksploatacja kotlów opalanych paliwami stalymi stanowia znaczne ilosci lotnych substancji stalych, które powstaja w wyniku nieprawidlowego przebiegu procesu spalania. Sytuacja taka naklada szereg ograniczen zwiazanych z mozliwoscia zastosowania tanich ana- lizatorów stezenia tlenu w gazach odlotowych, zwlaszcza w kotlach malej mocy. Do podstawowych kryteriów i ograniczen zwiazanych z doborem ukladu pomiarowego do kotlów malej mocy opalanych paliwami stalymi nalezy zaliczyc: - male rozmiary, wynikajace z koniecznosci montazu w kotlach o mocach od 5 kW przezna- czonych do mieszkan (alternatywa dla wymienianych pieców kaflowych) oraz malych dom- ków jednorodzinnych; - niskie zapotrzebowanie na energie elektryczna zwiazane z koniecznoscia okreslania klasy energetycznej kompletnego urzadzenia; - odpornosc na zapylenie wystepujace w spalinach odlotowych; - mozliwosc pracy ciaglej; - niska cena zdeterminowana koncowym kosztem calego urzadzenia; - szerokie mozliwosci komunikacyjne zwiazane z koniecznoscia wspólpracy z dowolnym ukla- dem sterowania. Znane w stanie techniki rozwiazania sluzace do analizy jakosci procesu spalania nalezy podzielic na kilka grup zdefiniowanych w duzej mierze przez moc grzewcza urzadzen grzewczych. W urzadzeniach energetycznych duzej mocy najczesciej stosuje sie przemyslowe analizatory: cyr- konowe, elektrochemiczne badz laserowe. Sa to rozwiazania, których wymiary i odpornosc termiczna pozwalaja na prace w warunkach przemyslowych. Urzadzenia te czesto wyposazone sa w dodatkowe filtry, które odpowiedzialne sa za przechwytywanie nadmiernych ilosci pylów bedacych efektem procesu spalania. Z uwagi na ich przeznaczenie, opracowana konstrukcja pozwala na ich wykonanie w dlugo- sciach od 20 do 200 cm, dajac tym samym mozliwosc montazu nawet w zabudowanych ukladach komi- nowych, badz tez w ciagach kominowych o znacznych srednicach. Z uwagi na przemyslowe zastosowa- nie omawianych analizatorów i mozliwosc montazu w znacznych odleglosciach od jednostek sterujacych i nadzorujacych proces spalania, najczesciej wykorzystuje sie w nich budowe dwumodulowa, w której czujnik pomiarowy i jednostka centralna komunikuja sie z wykorzystaniem dowolnej magistrali komuni- kacyjnej, pozwalajacej na transmisje danych pomiarowych na znaczne odleglosci. Czujniki tego typu dziela sie na dwie podstawowe kategorie: czujniki tlenu i analizatory procesu spalania Czujniki tlenu – sa to uklady pomiarowe, w których jedynym sygnalem wyjsciowym jest informacja o stezeniu tlenu w spalinach wylotowych. Informacja ta moze byc wysylana i dostarczana do jednostki sterujacej badz nadzorujacej w dowolny sposób. Analizatory procesu spalania – sa to uklady, które oprócz tlenu dostarczaja do modulów steruja- cych badz monitorujacych szereg innych informacji charakteryzujacych proces spalania jak: wspólczyn- nik nadmiaru powietrza, temperatura spalin, emisja CO2. Parametry te sa albo mierzone albo obliczane w oparciu o stechiometryczne zaleznosci wynikajace z samej fizykochemii procesu spalania. Z uwagi na skomplikowana budowe i zaawansowanie technologiczne, urzadzenia tego rodzaju charakteryzuja sie wysoka cena sprzedazy, co wyklucza mozliwosc ich zastosowania w kotlach malej. Z opisu polskiego wzoru uzytkowego RWU70142 znane jest rozwiazanie analizatora procesu spalania przeznaczonego do kotlów sredniej mocy od 100 do 3000 kW. Urzadzenie do pomiaru stezenia tlenu w spalinach wykorzystuje zmodyfikowana samochodowa sonde lambda, z której usunieto metalowa kopulke zabezpieczajaca ceramiczny element pomiarowy. W kompaktowej obudowie zamontowano czujnik temperatury spalin i zmodyfikowana samochodowa sonde lambda, której element pomiarowy zabezpieczony jest dodatkowym metalowym elementem za- bezpieczajacym o dlugosci zaleznej od wymiarów kanalu spalinowego. Przedstawione rozwiazanie po- zwala na ciagly pomiar parametrów procesu spalania nawet w silnie zapylonych spalinach odlotowych. Jednak jego zabudowa, która zabezpiecza elementy pomiarowe i elektronike sterujaca, dodatkowo za- pewniajac odpowiednie zabezpieczenie termiczne i mechaniczne, wplywa na wzrost wymiarów i kosz- tów gotowego urzadzenia, przez co nie znajduje ono zastosowania w kotlach malej mocy. Z publikacji EP2313764 (B1) – PL2313764 (T3) znany jest czujnik spalin, który znajduje zastoso- wanie do pomiarów stezenia tlenu w spalinach wylotowych, w którym do pomiaru tlenu wykorzystuje sie ceramiczne elementy pomiarowe. Rozwiazanie to przeznaczone jest do pomiaru tlenu w silnikach spalinowych, jednak znajduje takze zastosowanie w kotlach opalanych pelletem drzewnym. Konstrukcja czujnika, która dedykowana jest do spalin pozbawionych lotnych substancji stalych i znacznych predkosci przeplywu spalin, w dluz- szym okresie czasu doprowadza do zatkania kanalów wlotowych do elementu pomiarowego tym samym uniemozliwiajac prawidlowy pomiar. W stanie techniki z publikacji WO2012019196 A2 znany jest analizator jakosci procesu spalania nie pokazuje on jednak specyficznej konstrukcji czujnika stezenia tlenu. Z opisu patentowego US4591422 A znany jest natomiast ceramiczny element pomiarowy stezenia tlenu wykonany z dwutlenku cyrkonu który posiada wbudowana grzalke elektryczna. Grzalka w tym przypadku ogrzewa czesc czujnika, na której umieszczone sa elektrody. Ogrzewanie takich czesci przez grzejnik umozliwia skrócenie wyma- ganego czasu nagrzewania, zanim czujnik zacznie stabilnie dzialac po rozpoczeciu wystawienia na dzialanie gazu pomiarowego, takiego jak gaz spalinowy (np. po rozpoczeciu zimny silnik, którego spa- liny sa wykrywane przez czujnik). Tym samym celem grzejnika jest wylacznie umozliwienie czujnikowi tlenu uzyskanie stabilnego i dokladnego pomiaru stezenia tlenu w gazie pomiarowym w dowolnym mo- mencie. Rozwiazanie wedlug wzoru inkorporuje grzalke dzialajaca w wyzszym zakresie temperaturo- wym, której zadaniem jest takze funkcja samooczyszczenia sie elementu pomiarowego. Charakterystyczna cecha zjawiska spalania paliw stalych jest wysokie zapylenie gazów spalino- wych, zwlaszcza w przypadku zaklócen procesu majacych miejsce w nastepujacych sytuacjach: - proces rozpalania i wygaszania kotla, - dynamiczna zmiana zapotrzebowania na energie cieplna, - róznorodnosc skladu mieszanki paliwowej i jej zmienna wilgotnosc. Podczas rzeczywistej eksploatacji urzadzen grzewczych nie wystepuje mozliwosc wyeliminowa- nia przedstawionych zjawisk, natomiast w wyzszych temperaturach na poziomie 650°C, mozemy mówic o poczatku zaplonu czyli oksydacji czesci lotnych. W dostepnych publikacjach naukowych znajdujemy informacje, w których obserwowano pocza- tek zaplonu czesci lotnych w okolicach 560–580°C, warunkowanie tego zalezalo od stopnia wymiesza- nia gazów w tlenie i udzialu tlenu w mieszaninie. Nalezy zaznaczyc, ze w przypadku czesci lotnych ich temperatura zaplonu bedzie warunkowana od czesci skladowych, czyli tego czy sa to glównie lekkie frakcje weglowodorowe, czy w sklad czesci lotnych wchodza ciezkie frakcje pierscieniowe lub alifa- tyczne badz aromatyczne, zaleznosc bedzie nastepujaca: im „lzejsze" frakcje weglowodorowe wcho- dzace w sklad czesci lotnych tym szybciej odgazowuja i zapalaja sie w nizszej temperaturze Kolejnym warunkujacym parametrem bedzie udzial tlenu, w przypadku mieszaniny z zakresu ste- chiometrycznego spalania dla danego chemicznie gazu weglowodorowego (czesci lotnych) tym tempe- ratura zaplonu bedzie nizsza. W momencie gdy bedziemy miec nadmiar tlenu wtedy reakcja bedzie zaburzona poniewaz nadmiar tlenu ogranicza reakcje zaplonu, w przypadku niedoboru tlenu bedziemy mieli problem z osiagnieciem reakcji redoks i zajscia reakcji lancuchowej czyli samonapedzajacego sie zaplonu czesci lotnych. Bez wzgledu na wystepujace czynniki mozliwe jest stwierdzenie, ze samorzutne zapalenie i spa- lanie czesci lotnych moze nastapic w temperaturach wyzszych od temperatur rzedu 550–600°C w przy- padku gdy osiagnieta mieszanina gazów palnych i tlenu spelnia zalozenia mieszaniny o minimalnym ekwiwalencie tlenu niezbednym do zapalenia i spalania czesci lotnych w niej zawartych. Istota wzoru uzytkowego jest analizator jakosci procesu spalania dla kotlów malej mocy opala- nych paliwami stalymi – tj. kotlów o mocach od 5 do 100 kW. Analizator posiada modul sterujacy wspólpracujacy z ceramicznym elementem pomiarowym ste- zenia tlenu i laczacy sie z automatyka sterujaca praca kotla. Ceramiczny element pomiarowy stezenia tlenu jest osadzony w przelotowym otworze obudowy metalowej i jest przystosowany do wystawania powierzchnia pomiarowa w kanale spalinowym. Istotna cecha jest to, ze metalowa obudowa ceramicz- nego elementu pomiarowego stezenia tlenu ma co najmniej dwa obwodowo rozmieszczone otwory przelotowe wokól powierzchni pomiarowej ceramicznego elementu pomiarowego. Nadto ceramiczny element pomiarowy posiada wbudowana grzalke elektryczna przystosowana do nagrzewania po- wierzchni czujnika i dzialajaca w zakresie temperatury do 700°C, co ma na celu przyspieszenie proce- dury pomiarowej i zmniejszenia oddzialywania zewnetrznych czynników temperaturowych. Metalowa obudowa posiada takze otwór przelotowy znajdujacy sie na koncu obudowy metalowej od strony spalin, a srednica otworu przelotowego obudowy jest równa wewnetrznej srednicy metalowej obudowy, której wymiar jest warunkowany srednica dodatkowych elementów mocujacych ceramiczny element pomia- rowy, a dzieki nagrzewaniu sie elementu pomiarowego do 700°C dochodzi do wypalenia sie czesci lotnych, które opadaja przez przelotowy otwór w spodniej czesci analizatora. Taka konstrukcja pozwala na grawitacyjne samooczyszczania sie elementu pomiarowego. Nadto szerokosc obwodowo rozmieszczonego otworu przelotowego wynosi od 3 do 6-krotnosc grubosci ceramicznego elementu pomiarowego. Jest to wartosc, która gwarantuje poprawnosc prze- plywu strugi spalin wokól ceramicznego elementu pomiarowego. Optymalna dlugosc otworu stanowi od 3 do 5-krotnosc jego szerokosci, przy czym srodek otworu przelotowego znajduje sie na wprost po- wierzchni pomiarowej. Otwory moga zatem przybrac ksztalt „fasolki" z uwagi na mozliwosc ich wykona- nia w prostym procesie produkcyjnym. Ceramiczny element pomiarowy wykonany jest z dwutlenku cyrkonu. Przewiduje sie, ze ceramiczny element pomiarowy wedlug wzoru jest przeznaczony do umiesz- czenia go w taki sposób wzgledem obudowy w kanale spalinowym, ze powierzchnia pomiarowa cera- micznego elementu pomiarowego jest polozona równolegle wzgledem strugi spalin przeplywajacej przez otwory przelotowe. Tak dobrana srednica otworu – ograniczajaca mozliwosc osiadania na wewnetrznych krawe- dziach obudowy popiolów bedacych efektem dopalania lotnych czesci palnych, których zaplon i spalenie nastepuje w wyniku kontaktu z nagrzanym do temperatury okolo 700°C, ceramicznym elementem po- miarowym – gwarantuje „samooczyszczenie" urzadzenia i mozliwosc dlugotrwalej eksploatacji. Polaczenie z automatyka sterujaca praca kotla zaklada, ze modul sterujacy posiada cyfrowy przetwornik z analogowym wyjsciem rezystancyjnym zmieniajacym wartosc rezystancji w zaleznosci od stezenia tlenu w spalinach. Majac na celu szerokie zastosowanie analizatora modul sterujacy po- siada cyfrowy przetwornik z analogowym wyjsciem rezystancyjnym, który zamienia wartosc aktualnego stezenia tlenu w spalinach wylotowych na zmiane wartosci rezystancji wyjscia analogowego. Rozwia- zanie takie, przy zachowaniu granicznych wartosci rezystancji, typowych dla standardowych czujników temperatury stosowanych w urzadzeniach sterujacych do kotlów na paliwa stale, dla stezenia tlenu w zakresie od 0 do 21%, pozwala na bezposrednia implementacje analizatora w wiekszosci dostep- nych urzadzen sterujacych, bez koniecznosci ingerencji w uklady elektroniczne. Konieczna jest wy- lacznie modyfikacja oprogramowania i wprowadzenie algorytmów regulacji uwzgledniajacych stezenie tlenu w spalinach odlotowych. Aby rozszerzyc skutecznosc analizatora modul sterujacy zawiera przylacze dodatkowego czuj- nika temperatury spalin Skutecznosc rozwiazania potwierdzaja wyniki przeprowadzonych badan. Ze znanych i dostep- nych publikacji naukowych wynika, ze predkosc przeplywu spalin w kanale spalinowych dla kotlów malej mocy opalanych paliwami stalymi zawiera sie w zakresie od 0,75 m/s do 2,9 m/s. Ksztalt i powierzchnia otworów przelotowych oraz ich usytuowanie wzgledem powierzchni pomia- rowej ceramicznego elementu pomiarowego pozwala zatem na swobodny przeplyw spalin wzdluz ele- mentu pomiarowego gwarantujac poprawny pomiar stezenia tlenu i nie doprowadza do nadmiernego wychlodzenia jego powierzchni, zwlaszcza, ze temperatura spalin zawiera sie w zakresie od 70 do 170°C. Rozwiazanie wedlug wzoru uzytkowego gwarantuje laminarny przeplyw strugi spalin wzdluz po- wierzchni pomiarowej ceramicznego elementu pomiarowego, co ogranicza wplyw obudowy metalowej na dokladnosc uzyskanych pomiarów. Istotna zaleta proponowanego rozwiazania jest niski koszt wy- tworzenia metalowej obudowy, która sklada sie z monolitycznego elementu stalowego poddawanego prostym procesom technologicznym. Analizator jakosci procesu spalania w przykladzie realizacji pokazano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój metalowej obudowy ceramicznego elementu pomiarowego, fig. 2 przedstawia widok aksonometryczny metalowej obudowy ceramicznego elementu pomiarowego, a fig. 3 pokazuje jedna z mozliwych konfiguracji podlaczenia analizatora jakosci procesu spalania. Na fig. 1 przedstawiono budowe analizatora jakosci procesu spalania, w której struga spalin V przeplywa przez dwa otwory poprzeczne 5 obwodowo wykonane w metalowej obudowie 1, równolegle do powierzchni pomiarowej 2 ceramicznego elementu pomiarowego 2 wykonanego z dwutlenku cyr- konu. Dwa otwory przelotowe 5 przybieraja ksztalt „fasolki", ich szerokosc wynosi 4-krotnosc grubosci ceramicznego elementu pomiarowego 2. Wariantowo przewiduje sie zakres od 3 do 6-krotnosc grubosci ceramicznego elementu pomia- rowego 2. Dlugosc otworu 5 stanowi w przykladzie realizacji 4-krotnosc jego szerokosci – wariantowo przewidujac zakres od 3 do 5-krotnosc jego szerokosci – przy czym srodek otworu przelotowego 5 znajduje sie na wprost powierzchni pomiarowej 2. Na metalowej obudowie 1 wykonano odcinek gwintowany 3 umozliwiajacy montaz analizatora w elemencie mocujacym 4, na stale przymocowanym do konstrukcji kanalu spalinowego. Rozwiazanie takie umozliwia latwy montaz i demontaz analizatora. Ceramiczny element pomiarowy 2 posiada wbu- dowana grzalke elektryczna nagrzewajaca powierzchnie czujnika do temperatury okolo 700°C. Dopalone czesci lotne w postaci popiolu P sa grawitacyjnie usuwane z wnetrza analizatora z wy- korzystaniem otworu 6 realizujac proces samooczyszczenia urzadzenia. Srednica otworu 6 jest równa wewnetrznej srednicy metalowej obudowy 1, której wymiar jest warunkowany srednica dodatkowych elementów mocujacych ceramiczny element pomiarowy 2. Na fig. 3 przedstawiono jedna z mozliwych konfiguracji podlaczenia analizatora. Analizator 7 jest podlaczony do jednostki sterujacej 9 za pomoca wysokotemperaturowego przewodu elektrycznego 8. Do modulu sterujacego 9 mozliwe jest podlaczenie dodatkowo czujnika temperatury spalin 12. Rozwia- zanie takie umozliwia wzrost funkcjonalnosci urzadzenia poprzez mozliwosc pomiaru i obliczania naste- pujacych parametrów procesu spalania: - Stezenie tlenu O2 w spalinach, - Stezenie dwutlenku wegla CO2 w spalinach, - Wspólczynnik optymalnego spalania, - Strata kominowa, - Wspólczynnik nadmiaru powietrza Lambda, - Temperatura otoczenia, - Temperatura spalin. Polaczenie z automatyka sterujaca praca kotla 11 jest mozliwe z wykorzystaniem dwóch rozwia- zan komunikacyjnych. Cyfrowego przetwornika z analogowym wyjsciem rezystancyjnym 10, który zmie- nia zmierzona wartosc stezenia tlenu w spalinach na zmiane wartosci rezystancji, oraz uniwersalnego protokolu transmisji wykorzystujacego interfejs RS 485 13, za pomoca którego mozliwa jest dwukierun- kowa komunikacja modulu sterujacego 9 z automatyka kotla 11. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL