Verslag van onderzoek naar verbetering van het rendement van een houtkachel

Verslag van onderzoek naar verbetering van het rendement

van een houtkachel

Citation for published version (APA):

Carpay, J. (1983). Verslag van onderzoek naar verbetering van het rendement van een houtkachel. Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1983

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

TECHNISCHE HOGESCHOOL EINDHOVEN

groep fabrieks- en apparatenbouw voor de procesindustrie

Rapport Datum Auteur Opdrachtgever den Dolech 2 Postbus 513 5600 MB EINDHOVEN

verslag van onderzoek naar verbetering van het rendement

van een houtkachel

rapport nr. 83-RR-19

RR-19

20 aug 1983

J. Carpay

ETC Technology Consultants

samenvatting

Oit is het verslag van onderzoekingen die aan de Technische Hogeschool Eindhoven zijn uitgevoerd aan de open haard-inzetkachel van Helex bv te Heemstede. De kachel en de opstelling worden beschreven, waarna uitvoerig op de prestaties van de kachel wordt ingegaan. Deze worden weI kwantitatief beschreven door een rendement. maar door omstandigheden heeft deze waarde niet al te veel betekenis.

Belangrijker is de beschrijving van de proeven. waaruit blijkt dat met name de manier waarop sekundaire lucht en in mindere mate ook de primaire lucht toegevoerd worden van overwegende invioed zijn op de prestaties van de kachel.

De voornaamste konklusies die uiteindelijk getrokken worden zijn:

- Door het toepassen van een gewijzigde toevoer van primaire en sekundaire Iucht en een andere warmtewisselaar vaor rookgaskoeling is het rendement ten opzichte van een eerder model aanzienlijk verbeterd.

- De totale hoeveelheid lucht die de kachel nu bij een trek van 1 mm WK (0.1 mbar) krijgt is te weinig voor de opgegeven belasting van 3 kg hout per uur, of omgekeerd: die belasting is voor deze kachel te haog.

- Er zijn verdere onderzoekingen nodig om de verhouding van de hoeveelheden primaire en sekundaire lucht te optimaliseren. Ook moet de toevoer van de sekundaire lucht nog verder anderzocht worden in verband metde opwarming van die lucht in de kachel.

- De temperatuur van de uitstromende koellucht is te haag. Er zal dus iets aan de wijze van koeling van de kachel moeten gebeuren.

onderzoek Helex-houtkachels T8 83 - 3

-inhoud

samenvatting 2

inhoud 3

1. inleiding 4

2. beschrijving van de kachel 5

3. beschrijving van de aangebrachte verbeteringen 7

4- beschrijving van de meetopstelling 9

5. resultaten van de rendementsmeting 11

6. bespreking van de resultaten en de prestaties 13

7. konklusies en aanbevelingen 17

literatuur 18

bijlage 1: verloop CO- en cO

2-gehalte en rookgastemperatuur bij rendements-meting

bijlage 2: verloop CO- en CO gehalte en rookgastemperatuur bij halve belas-ting

1. inleiding

Oit verslag behandelt de onderzoekingen die Eindhoven zijn uitgevoerd aan de houtkachel de. De onderzoekingen werden uitgevoerd Consultants te Nuenen in de vakgroep WOP van

aan de Technische Hogeschool te TB 83 van Helex by. te Heemste-in opdracht van ETC Technology de afdeling werktuigbouwkunde.

De betreffende houtkachel is een inzetkachel. wat wil zeggen dat zij in een open haard ingezet wordt om een hager rendement te bereiken dan met een open haard mogelijk is. Een dergelijke kachel is geheel gesloten en voorzien van een ruit.

Het bijzondere aan deze kachel is dat het vuur naar beneden brandt omdat de trek door het stookrooster omlaag is gericht. behalve bij het aansteken. De stand waarbij het vuur omlaag brandt, noemt Helex de "turbon-stand. vandaar ook dat de kachel "Turbo· genoemd wordt. De werking daarvan wordt in hoofd-stuk 2 verder uitgelegd. De ~eden van deze omgekeerde verbranding is dat in publikaties gezegd wordt dat dit in een volledigere verbranding resulteert dan gewone verbranding. Met volledigere verbranding wordt bedoeld dat er minder as overblijft en niet dat er minder onverbrande delen in de rookgas-sen zitten. De bewering van volledigere verbranding is in dit onderzoek niet gekontroleerd.

Na de beschrijving van de kachel in hoofdstuk 2 worden in het daarop volgen-de hoofdstuk de verbeteringen beschreven die in de loop der tijd aan de kachel zijn aangebracht. Het voornaamste deel van de onderzoekingen. die van de toetreding van de sekundaire lucht. wordt echter later pas beschreven. Eerst wordt de opstelling beschreven, waarmee het rendement van de kachel gemeten is en waarmee oak de andere proeven zijn uitgevoerd. Deze opstelling is niet permanent maar alleen voor deze proeven gebouwd. Na de beschrijving van de opstelling worden de resultaten van de laatst uitgevoerde rendements-proef gegeven.

In het zesde hoofdstuk worden de resultaten van de rendementsproef en andere proeven besproken. Met name de luchtverdeling primair/sekundair en de toe-voer van de sekundaire lucht komen daar ter sprake. Dit hoofdstuk is het voornaamste deel van het verslag. omdat daarin het gedrag en de prestaties van de kachel besproken worden. De in dit hoofdstuk gegeven karakteristieken zijn wezenlijker en belangrijker dan de waarde van het rendement dat in het hoofdstuk daarvoor berekend is. Oaar zit namelijk een vrij grote onnauwkeu-righeid in en de kachel waarvsn het rendement gemeten is heeft nog een aantal veranderingen ondergaan ten opzichte van de Kachel die in produktie genomen is.

Tot slot worden uit het voorgaande een aantal konklusies getrokken en worden aanbevelingen voor verbeteringen en verder onderzoek opgesteld.

onderzoek Helex-houtkachels T8 83 - 5

-2. beschrijving van de kachel

De inzetkachel T8 83 is een tweetreks kachel, waarvan de eerste trek, door het stookrooster. omlaag is gericht (zie figuur 2.1). De toevoer van de primaire lucht is daarom boven in de deur aangebracht. In de asIa keert de stromingsrichting van de rookgassen en de verbrandingsgassen om en vandaar gaan ze door de tweede trek omhoog de schoorsteen in. Op deze wijze brandt het vuur deels omlaag, hoewel ten gevolge van interne cirkulatie in de vuurhaard toch ook boven het hout nag vlammen te zien zijn.

prim.

deur .sek. luchtpijpen

sek.

ventilator

figuur 2.1 schets van de werking van de kachel

In de rookgasstroom wordt nog eens lucht ingeblazen om'het onvolledig ver-brande deel zo veel mogelijk na te verbranden. In de laatste versie van de kachel wordt deze lucht direkt onder het rooster in de rookgassen ingebla zen, omdat ze daar nog het heetst zijn. De lucht wordt ingeblazen door middel van drie pijpen, in de zijkant waarvan gaatjes zijn aangebracht. Deze pijpen staan in open verbinding met de omgeving. waaruit de lucht. onder invloed van de trek, aangezogen wordt. De gaatjes zorgen dan voor de verde-ling van de lucht en de menging met de nog onvolledig rookgassen.

De kachel kan niet in bovenbeschreven toe stand aangestoken worden omdat aanvankelijk het vuur tach omhoog zal branden. Om in deze mogelijkheid te voorzien is boven in de kachel een klep aangebracht (zie figuur 2.1), waar-mee de vuurhaard met de schoorsteen kortgesloten kan worden zodat de kachel "gewoon" gestookt kan worden. De lucht wordt dan toegevoerd uit de openingen voor desekundaire verbrandingslucht en eventueel door de asla een beetje open te zetten. De openingen voor de primaire lucht blijven gewoon open. In deze toestand wordt de kachel gestookt totdat het hout goed brandt en de kachel enigszins op temperatuur is zodat een goede trek verzekerd is. Dan worden de klep en eventueel de asla gesloten zodat het vuur omlaag gaat branden. In deze toestand kan wel zander problemen hout opgegooid worden.

Oe hele kachel wordt rondom door lucht gekoeld. die door twee ventilatoren uit de omgeving aangezogen wordt. De warme lucht die uiteindelijk door openingen boven de deur uitstroomt is hat voornaamste nuttige effekt van de kachel. Daarbij voorkomt deze koeling dat de buitenkant van de kachel ta heat wordt.

Behalve om de kachel he en stroomt de koellucht vlak voor de uitstroomopenin-gen ook nog door een pijpenbundel die aan de buitenzijde door de rookgassen omstroomd wordt vlak voordat ze de schoorsteen in gaan.

Oe ventilatoren voor de koellucht zijn regelbaar. maar niet vanaf de nul-stand. Bij de onderzoekingen werden de ventilatoren meestal op de maximaal-stand gezet; bij de rendementsmetingen altijd.

Andere aspekten van de kachel en de werking ervan komen in hetvolgende hoofdstuk nog terloops aan de orde.

onderzoek Helex-houtkachels T6 83 - 7

-3. beschrijving van de aangebrachte verbeteringen.

De eerste verbetering aan de kachel was een aanpassing van de prima ire luchtverdeling. In de oorspronkelijke toestand viel de koude primaire Lucht die boven de deur ingevoerd werd. meteen na binnenkomst naar beneden vanwege het temperatuurverschil met de vuurhaard. Oit had tot gevolg dat het hout dat vooraan op het rooster lag binnen de kortste keren verbrand was en de rest van het hout nauwelijks brandde omdat op de plaats van het opgebrande hout een kortsluitingopening voor de lucht in het rooster was. Een deel van de primaire Lucht ging dan ongebruikt de schoorsteen in.

Door de primaire Lucht meer naar achteren in te voeren (fig. 2.1) wordt een betere verdeling van de Lucht verkregen doordat de cirkulatie in de vuur-haard beter wordt. Met name wordt echter ook de hele werking van de kachel stabieler omdat de toevoer van primaire Lucht tegengewerkt wordt door door natuurlijke konvektie vanaf de hete tussenwand tussen de eerste en tweede trek. Gaat de kachel hoger branden. dat wordt die tegenwerkinggroter omdat de tussenwand heter wordt; gaat de kachel lager branden, bijvoorbeeld door-dat de trek afneemt. dan gebeurt het omgekeerde en wordt het vuur door de verhoogde luchttoevoer aangewakkerd. Wat het effekt hiervan is op de kwali-teit van de verbranding, vergeleken met die bij een een konstante lucht-stroom, is niet nagegaan.

Een tweede verbetering. tloorgevoerd bij een tweede prototype. was de verkleining van de gaten in het rooster bij gelijkblijvend of eventueel groter wordend totaal gatoppervlak. Daardoor is er minder onverbrande doorval naar de asIa en minder lucht die onverwarmd of ongebruikt door het rooster heen gaat doordat er kleinere stukjes hout of houtskool op het rooster blijven liggen.

Tegelijkertijd is het rooster verkleind am de bela sting terug te brengen Ivan ongeveer 4 kg/h naar ongeveer3 kg/h) en om te voorkomen dat lucht ongebruikt langs de zijkanten door het rooster lekt omdat de belading met hout daar kleiner is. Het oppervlak van de bodem van de vuurhaard is gelijk gebleven. zodat de verandering er in feite op neer komt dat er gaten aan de zijkant van het rooster zijn dichtgemaakt.

AIle andere experimenten en verbeteringen hadden te maken met het bereiken van naverbranding van de rookgassen en verbetering van de sekundaire lucht-toevoer. In de kachel zoals die op de TH arriveerde zaten onder het rooster drie pijpen met gaten aan de bovenkant en aan de voorzijde een opening naar de omgeving. Uit de gaten aan de bovenkant wordt door de trek lucht gezogen. die door de rookgasstroom en onder invloed van het Coanda-effekt mee naar beneden genomen wordt. Doordat echter de lucht van onder het rooster koelde en doordat de uitstroomopeningen vrij groot waren kon het lucht/rookgas-mengsel nooit de voor naverbranding vereiste temperatuur bereiken.

In eerste instantie zijn daarna de uitstroomopeningen van de sekundaire Lucht onder in de tweede trek aangebracht. met daarboven een roestvast stalen strip als aangrijpingspunt (recirkulatiezone) voor vlammen van de sekundaire verbranding. Het bleek echter dat daar de gassnelheden meestal

een faktor drie tot vijf hager waren dan de verbrandingssnelheid van het gas, zodat dat nooit tot ontbranding zou. kunnen komen.

Zoals in hoofdstuk 2 beschreven is de toevoer van sekundaire lucht uiteinde-lijk weer onder het rooster terecht gekomen, maar dan met vier pijpen en uitstroming van de Lucht opzij. In tegenover elkaar -ltggende pijpen zijn-de

• ~ " ' , ".. " • ~ J • . • ' • or ....

uitstroomopeningen versprongen ten opzichte van elkaar aangebracht. Op deze manier is voorkomen dat het rooster gekoeld wordt en wordt een redelijke menging en verdeling van de Lucht bereikt. Via ruiten onderin de achterkant van de kachel is ook te zien dat werkelijk naverbranding optreedt.

Zaak bleef toen te zorgen dat vanaf het moment van het opgooien v~~'nie~we brandstof tot zo ver mogelijk in de uitbrandtijd gemiddeld de rookgassen zo min mogelijk onverbrande delen bevatten. Hiervoor was belangrijk de grootte van de uitstroomgaatjes van de sekundaire Lucht - en dus bij een bepaald aantal gaatjes de grootte van het totale uitstroomoppervlak - te optimalise-ren over een hele brandcyklus. In hoeverre een optimum bereikt is zal in hoofdstukken 5 en 6, bij de bespreking van de meetresultaten bekeken worden. Haast de grootte van het tbtale uitstroomoppervlak is nog van belang de verhouding van het oppervlak van de instroomopeningen van de pijpen voor de sekundaire verbrandingslucht tot het oppervlak van de uitstroomopeningen. In principe is namelijk de gewone trek in de kachel de drijvende kracht voor de stroming van de sekundaire lucht, maar deze wordt belnvloed door de verho-ging van de temperatuur van de lucht in de pijpen. Of en in hoeverre sprake is van tegenwerking van de trek of van versterking hangt af van de genoemde verhouding. Ook hiarop zal bij bespreking van de metingen verder worden ingegaan.

Vermelding verdient nog dat het tweede prototype dat na verloop van tijd gebouwd is in eerste instantie geen bekleding van chamottestenen had tegen de wand van de vuurhaard. Daardoor ·zagen" de vla~men, althans de naar boven brandende, direkt de gekoelde wand, waardoor de vlamtemperatuur door stra-ling van warmte naar die wand aanmerkelijk zakte. Een verlaging van de hoeveelheid koellucht en dus een hogere wandtemperatuur gaf praktisch meteen een lager CO-gehalte. V~~r een goede verbranding is de bekleding noodzake-lijk omdat dan de vuurhaardtemperatuur zo hoog mogenoodzake-lijk is.

Tot slot kan. voor de volledigheid nag vermeld worden dat bij het eerste prototype de pijpenbundel bovenin het rookgaskanaal slechts uit drie pijpen bestond die niet of nauwelijks door koellucht doorstroomd werden. Deze situatie en het aantal pijpen is in het tweede prototype oak verbeterd.

onderzoek Helex-houtkachels TB 83 - 9

-4. beschrijving van de meetopstelling

De hier beschreven opstelling was een tijdelijke. Oit is de reden dat zij een aantal faciliteiten van een vaste opstelling mist, zoals een ventilator om de trek op te 1eggen en een weegschaal om het brandstofverbruik tijdens het stoken te meten. De opstelling is momenteel ook niet meer beschikbaar. De kachel was aanges10ten op een schoorsteen van ongeveer 12 m 1engte. De trek werd geregeld met een smoorklep vlak boven de kachel. Overeenkomstig de eisen van de antwerpnorm DIN 18891 werd deze zo konstant mogelijk gehouden op 1 mm WK (~ 0.3 mm)

=

0.1 mbar (~ 0.03 mbar) tijdens de hele stookcyklus, dus ook bij een warme kachel. De trek werd kontinu gemeten.

De brandstof werd alleen vaor rendementsproeven van tevoren gedraagd en gewagen. V~~r gewone proeven werd niet gedroogd hout gestookt en werd zoveel hout gebruikt dat de kachel goed brandde. Deze haeveelheidwas qver het algemeen minder 11.5

a

2 kg) dan de aangegeven bela sting van 3

a

3.5 kg/h draag hout die voor rendementsproeven gebruikt werd.

Vaor de temperatuurmetingen werden thermokoppels type K (chromel-alumell gebruikt. De temperatuurmeetpunten waren niet altijd dezelfde, hoewel een aanta1 temperaturen a1tijd gemeten werden. Dit waren de rookgastemperatuur in de schoorsteen. de roostertemperatuur. de temperatuur van de tussenwand tussen de eerste en de tweede trek en de temperatuur van de uitgeb1azen lucht. Daarnaast waren nog vijf koppels beschikbaar om vaor de beproevingen interessante of voor de fabrikant interessante temperaturen te meten. Oit waren bijvoorbeeld de temperaturen in de asla, van de sekundaire 1ucht in de pijpen. van de ventilatoren en hun behuizing en bedrad~ng. Bij rendements-. proeven werd ook nog de omgevingstemperatuur meegemeten.

Van de rookgassen werd ook het CO-gehalte en het CO

2-gehalte kontinu geme-ten. Hiervoor werd

beide gassen volgens meting was O .. 10000

gebruik gemaakt van een Leybold-Herraeus BINOS-1. die het infraroodprincipe meet. Het meetbereik van de CO-ppm (0 .. 1 7.) en van de CO

2-metin g 0 .. 15 1.. Door de toegepaste manier van rookgasreiniging was met name na een stookperiode met veel onverbrande koolwaterstoffen, vaoral het zogenaamde houtteer. de aan-duiding van de BINOS waarschijnlijk niet geheel exakt. De rookgassen werden namelijk. na gewassen te zijn in aangezuurd water, gedroogd in ongeveer 50 1-zwavelzuur. Ondanks het wassen kwamen er toch delen houtteer. dat uit kleine vaste deeltjes bestaat, in het zwavelzuur terecht. Bij doorvoer van lucht door het zwavelzuur (bijvoorbeeld als de kachel bijna uit was of na een meting) verbrandde dit houtteer onder invloed van het zwavelzuur katalytisch

wat een uitslag op de CO- en CO

2-meters gaf. Of dit verschijnsel ook optrad bij het doorvoeren van rookgassen met een laag percentage zuurstof en dus invloed had op de meting is niet na te gaan en derhalve hebben we er geen rekening meegehouden. Wel is het zwave1zuur rege1matig door het door-voeren van lucht zo veel mogelijk van het houtteer ontdaan en is de meetap-paratuur bij slechte verbranding (bijvoorbeeld bij het opstoken) afkoppeld. Hat feit dat er onverbrande delen rookgassen (houtteer) achterblaven in het zwavelzuur had geen invloed op de meting, omdat wat er achterbleef toch niet geregistreerd zou zijn.

V~~r de aflezing en de registratie van de gemeten grootheden (behalve de trek) werd gebruik gemaakt van een Philips twaalf-kanaals rekorder. Oeze rekorder heeft ingebouwde ijkkrommen voor de gebruikte thermokoppels. De koude las-kompensatie zat op de rekorder. De aflezing van de temperatuur gebeurde op de rekorder, dus overeenkomstig de ijkkrommen, maar de middeling van de temperaturen over een stookcyklus, nodig voor de rendementsbereke-ning. niet. Hierbij is de middeling over het linea ire rekorderpapier ge-maakt, wat op een punt in het bereik van 0

°c

tot 1000

°c

een ~fwijking < 3

°

_{C (maximaal bij 300} 0 _{C en} Q 0

100 C) geeft en in het "bereikvanO . C -fotl _{1QJl 1}

°c

een afwijking

<

0.3

°c

(maximaal bij 50

°CI.

Ook de CO en co

2-percentages zijn kontinu meegeschreven, evenals het nulpunt van deze meting (in verband met eventueel verloop van het nulpunt van de mV-meting) "

., ,

onderzoek Helex-houtkachels TB 83 - 11

-5. resultaten van de rendementsmeting

De rendementsmetingen aan de kachel zijn zoveel mogelijk uitgevoerd volgens de ontwerpnorm DIN 18891 (september 1982). Er zijn een aantal keren rende-mentsmet'ingen uitgevoerd gedurende de beproevingen en aanpassingen van de kachel om na te gaan hoe de prestaties volgens deze norm zouden zijn. AIle andere beproevingen z~Jn met een kleinere bela sting en niet gedroogd hout uitgevoerd. Hier worden aIleen de resultaten van de laatste rendementsmeting besproken, terwijl eerder uitgevoerde rendementsmetingen en andere proeven eventueel bij de bespreking van de resultaten van aIle metingen in het volgende hoofdstuk aan bod komen.

Een rendementsmeting aan een houtkachel volgens de norm beslaat een hele stookcyklus. Oit houdt in dat de meting begint op het moment dat de warme kachel met een gloeiend houtskoolbed op het rooster gevuld wardt met hout en duurt totdat het hout zover opgebrand is dat weereenz~~~~~ hpu~sko~l~ed op

h~ir~~ster li~t. AIle gemeten grootheden maeten over deze periode gemiddeld

worden.

Hier moet nog opgemerkt worden dat het model, zoals dat nu (augustus 1983) door Helex in produktie is genomen, wat de sekundaire verbranding betreft enigszins afwijkt van de kachel die de laatste rendementsproef heeft onder-gaan. Het ismogelijk dat het in produktie genomen model een iets hoger rendement heeft, hoewel aIle konklusies die aan de hier te presenteren proeven verbonden worden in de volgende hoofdstukken onverminderd ook voor dat produktiemodel gelden.

Bij de laatste rendementsproef had de kachel een indirekt rendement op onderwaarde van 70.6 7.. Hierbij is aangenomen dat de brandstof geen ongebon-den water meer bevatte, voor 49 gew1. uit koolstof, voor 6 gew7. uit waterstof en voor 44.6 gew1. uit zuurstof bestond (gemiddelde samenstelling van loof-hout volgens [1]). Verder is aangenomen dat er 0.9 gew1. van de bela sting as doorviel en dat die voor 100 7. brandbaar was. Deze aannamen leveren volgens {2] een onderste verbrandingswaarde voor het hout op van 17930 kJ/kg. In de rookgassen is het gedeelte (onverbrande) waterstof verwaarloosd.

De verliezen zijn als volgt verdeeld: -voelbare warmte in de rookgassen: -latente warmte in de rookgassen: -onverbrande resten in de as:

20.2 1.

7. 5 1.

1. 7 1.

De meetgegevens waarop bovenstaande uitkomsten gebaseerd zijn, zijn: -gemiddeld co

2-gehalte: 7.5 voll

-gemiddeld CO-gehalte: 1.00 voll

-gemiddelde rookgastemperatuur

-gemiddelde omgevingstemperatuur 24.5

°c

De maximaal opgetreden rookgastemperatuur gedurende de rendementsmeting was 370 °C.

De grootste onnauwkeurigheid in de rendementsmeting zit in het feit dat de hier gebruikte apparatuur voor de meting van het CO-gehalte maximaal 1 voll CO kan meten, terwijl bij het opgooien van hout het CO-gehalte gedurende 18 minuten daar boven uit kwam. V~~r de rendementsberekening is een verloop van

het CO-gehalte in de tijd geschat. Dit geschatte verloop had een maximum van ruim 1.9 voll

co.

Om een idee te geven over de invloed van deze schatting zijn ook de rendementen uitgerekend bij een gemiddeld CO-gehalte van 0.5 voll en van 1.5 vall bij verder gelijkblijvende meetwaarden. Deze rendemen-ten bedroegen respektievelijk 72.9 1. (verlies verdeeld over 21.4 I voelbare warmte. 4.0 1. latente warmte en 1.7 I in de as) en 68:6 I (verlies verdeeld over 19.1 t voelbare warmte. 10.6 1. latente warmte en 1.7 1. in de asl. Deze percentages zijn betrokken op de onderste verbrandingswaarde.

Andere onnauwkeurigheden in de metingen zijn de schatting van het verlies in de onverbrande resten in de as en in het feit dat de rookgastemperatuur slechts op een plaats in de doorsnedevan hat rookgaskanaal gemeten wordt (afgezien van de eigen onnauwkeurigheid van het thermokoppel). Als er over de doorsnede variaties in temperatuur van 10

°c

zijn dan levert dit bij een uniforme verdeling van de rookgassnelheid een fout van 4 1. in het warmtever-lies en dus een fout van ongeveer 0.8 7. in het rendement. Wordt daarbij de onnauwkeurigheid in het verlies door asdoorval en in de onderste verbran-dingswaarde genomen, dan zal de totale onnauwkeurigheid dus meer dan 3

a

4 I

(absoluut) bedragen.

De belasting van de kachel was 3045 9 droog hout voor een rendementsmeting gedurende 64 min. Het bovengenoemde onderste verbrandingswaarde levert dit een warmtebelasting van 14.2 kW en een vermogen van 10.0 kW.

onderzoekHelex-houtkachels T8 83 13

-6. bespreking van de resultaten en de prestaties

Het rendement van ruim 70 t op onderwaarde dat in het vorige haofdstuk berekend is. is alleszins beter dan dat van de kachel die op de TH binnen-kwam en dan de 65

t

die DIN 18891 eist. Andere proeven geven echter aan dat een hoger rendement mogelijk is.. Daarvoor moet het CO-gehalte lager en hat CO

2-gehalte hoger zijn. Door. zoals in hoofdstuk 3 beschreven is, de verhou-ding van de primaire

uitstroomoppervlak van prestaties mogelijk.

tot de sekundaire lucht te vari~ren en het in- en de sekundaire lucht goed te kiezen zijn veel betere

Het mechanisme van de verbranding is in het ideale geval za dat de primaire lucht een gedeeltelijke verbranding aan de gang houdt, die voar een zo valledig mogelijke vergassing van het hout moet zorgen. Voorwaarde hiervoor is een zo hoog mogelijke temperatuur en dust als verbranding en vergassing niet gescheiden worden. niet meer lucht dan voor de verbranding nodig is om die temperatuur te bereiken. Aan de produkten van deze vergassing. bestaande uit CO, CO

2, H2, H20 en koolwaterstoffen. wordt (sekundaire) lucht toege-voerd om een zo volledig mogelijke verbranding te verkrijgen. Hiervoor is een juiste

nOdig. Als hebben op onverbrande

I . 0

brandstof lucht-verhoudlng en een temperatuur boven de 500 C de sekundaire lucht kouder is dan derookgassen, kan dit invloed de ideale hoeveelheid primaire lucht. Want als bijvoorbeeld het gedeelte in de rookgassen zo groot is dat de benodigde hoeveel-heid sekundaire lucht het mengsel tot onder de 500

°c

afkoelt, dan is het resultaat nog slecht. In deze kachel is de bijgemengde sekundaire lucht bijna even warm als de rookgassen.

Op dit ideale mechanisme hebben veel faktoren invloed. waarvan de voornaam-ste zijn:

-verde~ing van de primaire lucht over de vuurhaard;

-verdeling van de brandstof over het rooster en de grootte van de stukken; -de straling van de vlammen naar de omgeving truit en wanden)

-menging van de sekundaire lucht met de rookgassen -stroomsnelheid en hoeveelheid sekundaire lucht;

-aangrijpingspunten voor de sekundaire verbranding; -trek

-de ongelijkmatige verdeling van de brandstof in de tijd. met andere woorden het uitbranden van de kachel, en de invloed daarvan onder andere op de trek -samenstelling (soort. watergehalte) van het hout

Vooral het punt van het uitbranden van de kachel heeft een grote invloed op het totale rendement. die niet te vermijden is. Voldoende lucht aan het begin van de cyklus betekent te veei lucht op het eind en omgekeerd. De afhankelijkheid van de trek van de temperatuur in de kachel heeft hier enigszins een regelende invloed op. Het is kortom zaak een optimum voor de hele cyklus te vinden.

Het normale verloop binnen een cyklus is als VOlgt (verloop van CO- en CO 2 -gehalte en

geschetst

rookgastemperatuur in bijlage 1): bij

tijdens de rendementsmeting van hoofdstuk 5 het opgooien van hout stijgen vrij snel de

percentages CO en CO

2, de rookgastemperatuur, de roostertemperatuur en andere, minder belangrijke temperaturen. Na ver100p van tijd beginnen deze grootheden vrij snel te dalen, waarna een langzamere daling tot het beginni-vo voIgt. Dan is de grote "brand" in het hout ook voorbij en 1iggen de blokken rustig te branden.

Voor het rendement is be1angrijk hoe lang die eerste periode duurt, waarin de pie ken optreden. Dit kan vari~ren van minder dan 1 tot bijna 20 minuten, vooral afhanke1ijk van de belasting. Hoe korter deze periode duurt, des te beter is dat voor het,rendement; oak al omdat de pie ken in CO-gehalte en rookgastemperatuur dan lager zijn.

Verder is belangrijk hoe ver de waarden van de diverse grootheden na de eerste piek terugvallen. Valt het CO

2-gehalte te ver terug, dan daalt het rendement, nemen het CO-gehalte en de rookgastemperatuur niet genoeg af, dan daalt het rendement ook. Het verloop van rookgassamenstelling en rookgastem-peratuur is vooral afhankelijk van het al dan niet optreden van sekundaire verbranding. Ais de sekundaire verbranding weI optreedt neemt het CO-gehalte af en het cO

2-gehalte toe, terwijl als die niet optreedt de rookgassamen-stelling dezelfde blijft, behalve dat er een overmaat (ongebruikte) lucht bijgemengd wordt. Zoals in hoofdstuk 3 al gezegd is de sekundaire verbran-ding het voornaamste onderzoeksgebied aan de kachel geweest.

De beste resultaten werden verkregen met toevoer van de sekundaire verbran-dingslucht onder het rooster. Oaarna is in eerste instantie gezocht naar de beste verhouding tussen de in- en uitstroomoppervlakken van de sekundaire lucht. Deze verhouding is bij de onderzoekingen gevarieerd door bij gelijk-blijvend uitstroomoppervlak het instroomoppervlak te veranderen.

Gezien de grate invloed van de andere bovenstaande faktoren is een beoorde-ling van de presta ties in die zin dat er een precieze optimale verhouding uit zou resulteren niet mogelijk. WeI valt te konkluderen dat de uitlaatope-ning niet kleiner mag zijn dan de inlaatopeuitlaatope-ning, maar ook niet meer dan twee maal zo groot. Deze grenzen zijn vrij ruim. Ze zijn het gevolg van het feit dat de lucht in de pijpen tussen in- en uitstroomopeningen opgewarmd wordt. waardoor de volume ervan toeneemt. Deze volumetoename zal bijna direkt de roostertemperatuur volgen. Uitgaande van een konstante totale drukval (waer-stand) over de beide openingen (konstante trek), geldt de volgende redene-ring:

Omdat de druk in de kachel gelijk blijft en door het grotere volume de drukval over de uitstroomopening groter wordt, neemt de druk in de pijpen toe. Als die druk teveel toeneemt (oftewel: als de weerstand van de uitlaat-opening te groot is), dan wordt de drukval over de inlaatuitlaat-opening te klein en wordt er te weinig lucht toegevoerd. Is aan de andere kant de uitlaatopening te groot, dan is de uitstroomsnelheid van de sekundaire lucht ten gevolge van de kleine drukval te klein en is daardoor de menging van de lucht met de rookgassen onvoldoende. Bij een goed antwerp, dat met deze opwarming (tot angeveer 700 °C) rekening houdt, zou uit de warmte van het hout arbeid voor de aanvoer van sekundaire lucht gehaald kunnen worden.

Hier overheen komt dan nog het effekt van de totale weerstand van de sekun-daire lucht. De trek, de drijvende kracht voor de toevoer van sekundaire lucht, is praktisch konstant, terwijl de hoeveelheid toe te voeren sekundai-ra lucht afhangt van de hoeveelheid hout die per tijdseenheid verbsekundai-randt en van de hoeveelheid onverbrande gassen in de rookgassen. Hierdoor is de hoeveelheid sekundaire lucht ook direkt afhankelijk vande hoeveelheid

onderzoek Helex-houtkachels TB 83 - 15

-primaire Lucht. Hoeveel prima ire Lucht er in het ideale geval taegevoerd moet worden is eerder gezegd. Iedere afwijking daarvan resulteert in een moeilijkere sekundaire verbranding. Daarbij komt dat bij verandering van de hoeveelheid prima ire Lucht een andere hoeveelheid sekundaire verbrandings-Iucht nodig is, die zelf de mengseltemperatuur omlaag brengt. Vooral te weinig primaire Lucht geeft dan een slecht resultaat.

Hier volgt uit dat bij verschillende belastingen en bij verschillende fasen in de stookcyklus de openingen voor sekundaire en prima ire Lucht anders ingesteld moeten worden. Daar dit voar een eenvoudig te gebruiken kachel niet haalbaar is moet een optimum voor de hele cyklus bij nominale bela sting gevonden worden.

Het deze kachel zijn goede resultaten gehaald bij lagere belastingen dan de nominale. Oit is meer het gevoig van zuinigheid met hout en de zomerse omgevingstemperaturen. dan van het feit dat de kachel bij de nominale belas-ting niet goed zou werken. Bij lagere belastingen werden echter wel zonder moeite CO-percentages onder 0.3 volt. gehaald en C0

2/CO verhoudingen grater

dan 50, wat zonder het CO-gehalte niet haalde. In bijlage

meer goed te noemen is, terwijl bij de rendementsmeting onder de 0.65 volt. kwam en de C0

2/Co-verhouding 20 niet 2 is het verloop geschetst van het CO-gehalte, CO

2 -gehalte en de rookgastemperatuur bij het stoken van ongeveer 1.5 kg hout. Deze hoeveelheid hout komt overeen met de helft van de nominale belasting. De kachel had bij deze meting en de rendementsmeting een instroomoppervlak van de sekundaire Lucht van 201 mm2 (4 openingen) en een uitstroomoppervlak van 425 mm2 (80 gaatjes). Oak met een instroomoppervlak van 115 mm2 (1 opening) en een uitstroomoppervlakken van 140 mm2 (39 gaatjes) zijn derge lijke percentages gehaald bij een ongeveer even grate belasting. Het produk-tiemodel heeft een inlaatopening en een uitlaatopening voor de sekundaire

2 . . . . .

lucht van ongeveer 250 mm ; 1n de u1tstroomopen1ng verdeeld over 80 gaatJes. Bij hogere belastingen zoals die waarbij de in hoofdstuk 5 beschreven rende-mentsmeting is uitgevoerd, heeft de kachel een duidelijk luchttekort. In de eerste plaats is er een tekort aan primaire lucht, want de vuurhaardtempera-tuur blijft onder die bij de halve belasting, wat blijkt uit het feit dat zowel de roostertemperatuur als de rookgastemperatuur lager is, ondanks de hog ere belasting. Ook het vlammenbeeld duidt op eenaanmerkelijk lagere temperatuur. Het is dus niet zo dat ais per eenheid meter roosteroppervlak meer hout opgegooid wordt, dat de kachel dan ook langer brandt, maar dat hij

slechter verbrandt.

Door de lagere temperatuur van de rookgassen die onder het rooster uitkomen en het hogere gehalte aan brandbare gassen wordt onvoldoende sekundaire Lucht toegevoerd om ontbranding te krijgen, nog afgezien van het feit dat de sekundaire Lucht (die minder opgewarmd wordt) de rookgassen weer afkoelt. Oat bij deze bela sting geen sekundaire verbranding optreedt en bij lagere weI is duidelijk te zien door het ruitje aan de achterkant van de kachel. Een bijkomend negatief effekt van verbranding op te lag9 temperatuur is dat meer houtteer (creosoten) en andere hogere koolwaterstoffen gevormd worden, die bij sekundaire verbranding moeilijk verbrand kunnen worden.

Een remedie kan zijn aen hogere trek voor te schrijven, waardoor de minimale schoorsteenlengte grater wordt. DIN 18891 schrijft echter een trek van 1 mm

WK voor, zodat voor een rendementsmeting volgens deze norm dit geen oplos sing is.

Van de andere faktaren die het gedrag van de kachel belnvloeden kunnen nog de stuksgrootte van de brandstof en het watergehalte daarvan besproken worden.

De invloed van de stuksgrootte van de brandstof en de verdeling ervan op het rooster is erg groot. Grote blokken laten veel tus~enruimte vrij, waar de lucht ongebruikt en afkoelend doorheen kan. Het name ook tijdens het uit-branden liggen dan grote delen van het rooster ongebruikt, waardoor het rendement behoorlijk zakt. De weI bedekte delen van het rooster krijgendan minder lucht, zodat die verbranding s1echter gaat. Het is dus zaak niet te grate stukken hout goed over het rooster te verdelen.

Een hoog watergehalte in het haut heeft tot gevoig dat bij verbranding water verdampt moet worden, waardoor veel warmte voor temperatuurverhoging verlo-ren gaat. Aan de andere kant heeft een 1aag watergehalte als nadeel dat het hout sneller vergast, wat in feite neerkomt op een belastingverhoging als een kort tijdsbestek bekeken wordt. Oit betekent dat de luchthoeveelheden daaraan aangepast moeten zijn. Oak kunnen dan erg hoge rookgastemperaturen voorkomen bij goede verbranding. Bij bepaalde beproevingen waren ze boven de 600°C.

onderzoek Helex-houtkachels 1B 83 - 17

-7. konklusies en aanbevelingen

- De kachel heeft. gemeten volgens OIN 18891. een rendement van ruim 70 7. op onderwaarde (met een absolute fout die groter dan 3

a

4 1. kan zijn). Het is echter mogelijk dit rendement aanzienlijk te verhogen door de luchthoeveelheden aan de nominale belasting aan te passen of de bela sting aan de huidige afmetingen van de kachel. Hede in het licht van de volgende konklusie lijkt dit laatste aan te bevelen. OOk is een vermogen van 10

a

11 kW vrij veel voor een normale woonkamer.

- De temperaturen van de uit de kachel geblazen koellucht zijn veel te hoog. o

Er zijn temperaturen boven 300 C gemeten. Dat lucht van een dergelijke temperatuur de kamer ingeblazen wordt is niet aIleen in de buurt van de kachel gevaarlijk. maar ook in de rest van de kamer onaangenaam vanwege de grote temperatuurgradi~nten ,die ontstaan. Als de belasting lager zou zijn. zou dit probleem deels al opgelost zijn.

- De optimale verhouding van de hoeveelheden primaire en sekundaire lucht is tot op heden nag niet onderzocht. Om tot een optimale werking van de kachel te komen is een dergelijk onderzoek toch noodzakelijk, ongeacht de oplossing van het in het eerste punt gestelde probleem. Ook is een duide-lijk optimum voor de verhouding van de oppervlakken van de instroomopening en de uitstroomopening van de sekundaire lucht nag niet vastgesteld. Hogelijk is het ook nodig de verdeling van de primaire lucht te kunnen

veranderen.

Om dergelijke onderzoeken goed uit te kunnen voeren is het nodig dat een prototype gebouwd wordt. waaraan de grootte van de opening van de primaire en sekundaire luchtinlaat en van de sekundaire luchtuitlaat ruim versteld kunnen worden. Het lijkt zinvol van tevoren enig theoretisch onderzoek naar deze zaken uit te voeren.

- V~~r het rendement van de kachel is het waarschijnlijk beter de

stromings-richting van de koellucht om te karen. Dan 'k~elt de koelste lucht de de schoorsteen ingaande rookgassen en de warmste Lucht de wanden van de vuurhaard. De rookgassen worden dan kouder en de vuurhaard blijft dan warmer, wat de kwaliteit van de verbranding ten goede komt.

- Hoewel bij rendementsmetingen volgens de ontwerp DIN-norm de trek voorge-schreven is, is het tach zinnig het gedrag van de kachel te onderzoeken en het rendement te bepalen bij niet-konstante trek. Dergelijke onderzoekin-gen bij een voorgeschreven schoorsteenlengte geven een re~ler beeld van de prestaties en eigenschappen van de kachel.

literatuur

[1] Bossel, U.; Gunold. B.: W~rme aus Holz; Holzheizung in Theorie und Praxis

C.F. Muller 1982

[2] Recknagel/Sprenger: Taschenbuch fOr Heizung- und Klimatechnik Oldenbourg MQnchen Wien 1981

.>-onderzoek Helex-houtkachels TB 83

bijlage 1: verloop van Co-gehalte, CO

2-gehalte en rookgastemperatuur tijdens rendementsmeting

opmerking: 1. verandeiingen korter dan twee minuten zijn verwaarloosd

2. het gestippelde gedeelte van de CO-kromme is een geschat

gehalte/vol% _verloop. C02 CO 2.0 15 1.5 10 1.0 5 0.5

,

-/

'\

I

\

I

\

I

\

I

\

I

,

I

\

\

\

rookgastemp

fOe

'500 400

1

300 rookgastemperatuur 200 100

a

01---~~----~---~---r_----~---~---~ 0

o

10 20 30 40 50 60 70 .tijd/rnin. ~ Aj·RR 1'1 v .~ },.~ ; f ' 11 ~ n!) ,) 1

bijlage 2: verloop van CO-gehalte, CO

2-gehalte en rookgastemperatuur bij halve belasting t.o.v. nominaal

. , .• !,1:i;!,,-~.""'-_""4'!' __ ~ .f!t'f; .... 1fJ:tff?~->'!"l'~-··'!"Ii""'f'Ij""·'.,..,..."''"i4f ... q~.~~--¥~. ..~""i-... 'V ~··.i~""~ .... """ ... ___ ,*'!'~_ .... ~ .... ~ __ "i,.·"'....r ... ":Itt.--.-... ,;...;....

opmerking: t. variaties sneller dan twee minuten zijn niet weergegeven

gehalte/vol7. C02 CO

4.5

,.,t:;, '" "'~_ ''-c, 10 5 0.5

...

O. 0 0

2. de eerste 6 minuten is geen rookgasanalyse gedaan i.v.m. vervuiling zwavelzuur (zie hfst.4)

3. na 38 minuten is het vuur opgepookt en de brandstof herverdeeld over het rooster. Omdat de kachel en de brandstof warm genoeg waren, herstelde dit onmiddellijk de sekundaire verbranding. Het CO

2 gehalte loapt oak iets later op dan het CO-gehalte. rookgastemp/oc 500 400 300

r

200 100 0 10 20 30 40 50 tijd/min. ~