Po třech letech vývoje v rámci projektu podpořeného z programu TA ČR představil mezioborový tým Technické univerzity v Liberci společně s českou firmou Lersen v Hrádku nad Nisou nový typ hořáku pro tmavé plynové infrazářiče. Unikátnost zařízení chráněného národním patentem spočívá v tom, že dokáže automaticky regulovat spotřebu plynu podle nastavené teploty spalin. Firma, která dala podnět k řešení daného problému, už nové zařízení testuje v provozních podmínkách a jeho autoři již požádali i o mezinárodní patent svého vynálezu. Standardní plynové hořáky využívané pro vyhřívání průmyslových hal postrádají podle doc. Michala Petrů z Fakulty strojní TUL možnost plynulé regulace a plyn v nich hoří jen ve dvou úrovních výkonu. Společně s firmou Lersen se proto jeho tým zaměřil na vývoj nové konstrukce hlavice hořáku s unikátní kanálkovou soustavou pro vedení předmísené směsi plynného paliva se vzduchem. „Umožňuje nejen plynulou regulaci výkonu hořáku, ale zároveň vykazuje i nižší emise oxidů dusíku (NOX). Novou konstrukcí se nám podařilo optimalizovat proces spalování směsi plynného paliva se vzduchem, a tím zvýšit účinnost a zároveň snížit energetickou náročnost,“ říká doc. Petrů. Tmavý plynový infrazářič vybavený novým přetlakovým hořákem je podle něj primárně určený pro velké průmyslové haly a jiné rozlehlé prostory, kde se o vytápění stará dlouhá konstrukce topidla zabudovaná od 4 do 8 m pod stropem haly. V podmínkách výrobních hal je dobře využitelný tmavý zářič proto, že ohřátý vzduch proudí trubkami, které nepropouštějí žádné světlo z plamene. „Jedná se o nerezovou žáruvzdornou ocel, doplněnou speciální směsí keramiky, kterou se chystáme také patentovat,“ dodává doc. Petrů. Podle ředitele firmy Lersen Vladimíra Maleny to funguje tak, že výkon hořáku reaguje na teplotu spalin, podle které se mění jeho výkon. „Dokáže reagovat na potřebu tepla v hale tak, že s ohledem na exteriérovou teplotu zvýší, či sníží výkon. Nový hořák má schopnost plynulé modulace výkonu, tedy automatické regulace plamene a umí výrazně regulovat výkon ze 100 % až na 30 %. To znamená, že hořák umí na začátku, když je v hale zima, dodat více energie a pak halu udržuje na požadované teplotě, aniž ji přetápí. Díky tomu, že dokáže přesně udržet teplotu spalin na nejvyšší úrovni účinnosti, dosahuje nižší spotřeby,“ vypočítává výhody nového hořáku Vladimír Malena, ředitel firmy Lersen, která se počítá k předním výrobcům ekologických topidel v České republice i v zahraničí.
Unikátní kanálková soustava zajišťuje ideální plamen
Realizační tým Technické univerzity v Liberci a firmy Lersen vyvinul unikátní patentově chráněnou kanálkovou soustavu pro vedení předmísené směsi plynného paliva v trubkách infrazářiče. Díky tomu dokáže nové zařízení na rozdíl od dosavadních hořáků vytvořit rovnoměrný tvar plamene, který je vhodnější pro použití v trubkových infrazářičích, protože se nevětví (nerozbíhá) na vstupu. Odstranily se tím problémy stávajících hořáků, u nichž se například trubka infrazářiče viditelně přehřívá. Protože plamen nově vyvinutého hořáku svou rovnoměrností již nesměřuje do stran, nedochází k nadměrnému vyhřívání, a není tedy zapotřebí ani takové množství paliva. „Docílili jsme toho, že do trubky jde regulovatelný, konstantní a v podstatě přímý plamen a ten vyhřívá celý prostor, kde je osazený. Zjednodušeně řečeno: splnili jsme firmou zadaný úkol, aby ten plamen ‚foukal‘ v trubce co nejdále,“ vysvětluje dr. Tomáš Martinec z Ústavu pro nanomateriály, pokročile technologie a inovace TUL.
Jak na rovnoměrný plamen
Cesta k rovnoměrnosti plamene a odstranění problémů při zapalování nerovnoměrného plamene u standardních hořáků byla dost dlouhá. Během tří let výzkumníci TUL společně s firmou Lersen vyzkoušeli a modelovali zhruba tři desítky funkčních vzorků hořáků. „Bylo potřeba plamen usměrnit nějakou konstrukční úpravou — kanálky. Ještě před tím, než jsme začali fyzicky stavět vzorky hořáků, vytvořili jsme na univerzitě řadu numerických matematických modelů a virtuálně jsme kontrolovali, jak to hoří. Na základě výsledků postavila firma Lersen funkční vzorek hořáku, a protože výsledky byly slibné, zakomponovala ho postupně do trubky infrazářiče,“ vzpomíná dr. Martinec s tím, že následovaly další zkoušky. Některé plameny dobře hořely ve vzduchu, ale ne v trubce a občas se v trubce vytvářely vzduchové kapsy, které způsobovaly výbuchy. Bylo tedy nutné směs plynu a vzduchu na vstupu do trubky ve správném čase smíchat. „Podstatné je, zda předmísená směs jde do trubky hned na začátku a zapálí se, anebo jestli tam jde zvlášť vzduch a plyn a smíchají se až v trubce. Pro tento proces je rozhodující kanálková soustava. Konstrukce kanálků jsme zkoušeli v různých velikostech i tvarech: kulatých, hranatých i víceúhlových, v různých šířkách, délkách a výlukách. Někdy se nám plamen dusil, někdy jsme museli zvýšit přívod plynu. Nakonec jsme došli k závěru, že tvarování není to nejzásadnější. Zásadnější je průřez kanálku, který pro nový typ hořáku pro tmavé plynové infrazářiče činí 3 × 3 mm při délce 145 mm,“ popisuje Michal Petrů s tím, že poměrně složité bylo rovněž řešení správného načasování zážehu v uzavřeném prostoru trubky. Tento problém se vyřešil snížením koncentrace plynu a částečným smísením se vzduchem. Tím bylo dosaženo toho, že po zážehové jiskře začal plamen hořet plynule. Přívod vzduchu je zajištěn ventilátorem, který vhání vzduch do Venturiho trubice [využívá Venturiho efekt (nebo také hydrodynamický či aerodynamický paradox), což je jev pojmenovaný po italském fyziku Giovannim Battistovi Venturim vycházející ze skutečnosti, že tlak v proudící tekutině (nebo plynu) je nepřímo úměrný rychlosti proudění — pozn. red.]. „Tento systém regulace odebíráme od firmy Resideo. Ve Venturiho trubici dochází v určitém poměru k mísení vzduchu s plynem a tato směs se následně dokonale promíchá ve ventilátoru a pak jde do naší nové hlavice hořáku. Vlastně se regulují otáčky ventilátoru a se změnou rychlosti se zároveň automaticky snižuje, nebo naopak zvyšuje množství předmísené směsi. Tento princip regulace je známý, ale my jsme vymysleli zcela novou hlavici hořáku, která je schopná regulaci zvládnout,“ doplňuje Vladimír Malena.
Premixová technologie přináší lepší spalování
Prakticky všechna průmyslová odvětví jsou nucena snižovat emise kysličníku uhličitého (CO2) a směsi oxidů dusíku (oxidu dusnatého — NO a oxidu dusičnatého — NO2) a snižovat uhlíkovou stopu. Jedná o takzvanou sezonní účinnost, která bývá také označována jako ekodesing. „Na základě toho je požadována určitá účinnost spalování i určitý objem emisí, a v důsledku toho se normy postupně zpřísňují. Třeba pro teplovzdušné ohřívače vzduchu (známé jako fukary) došlo ke snížení povolených hodnot NOX z 200 mg/kW na maximálně 70 mg/kW. Premixová technologie, kdy se v nějakém v prostoru smísí plyn se vzduchem a vhání se do trubky topného tělesa místo koncentrovaného plynu, prokazatelně přináší úspory u teplovzdušných ohřívačů vzduchu. U infrazářičů, kde se premixová technologie nepoužívá, to je ale technicky složitější. Tam je pro většinu výrobců zatím nemožné dostat se pod 100 mg/kW. Většina z nich se pohybuje mezi 120— 150 mg/kW a bez premixové technologie nejsou schopni se na nižší hodnotu dostat. A tam je šance pro náš hořák, protože my jsme vyvinuli premixovou technologii vhodnou i pro infrazářiče,“ konstatuje Vladimír Malena s tím, že důležitý je mimo jiné i poměr vzduchu a plynu, který ale zůstane v know-how firmy Lersen. Nový hořák je implementován na začátku oběhu v zařízení firmy, kde se testuje společný prototyp. Podle doktora Tomáše Martince už ale ověřovací testy na TUL i ve firmě samotné prokázaly, že díky nově vyvinuté premixové technologii a plynulé regulaci výkonu se i u infrazářičů výrazně snižuje obsah CO2 i oxidů dusíku (NOX), a to natolik, že splní i přísné požadavky ekodesignu (tedy požadovaných 70 mg/kW). „Když dosáhneme požadované teploty, třeba 20 °C, hořák i díky osazeným čidlům, kterým dá potřebné informace teploměr, plynule sníží výkon až na 30 %, takže dosáhneme potřebného teplotního komfortu a hala se přitom zbytečně nepřetápí. Testy přitom ukazují, že při instalaci čtyř hořáků dosahujeme snížení energetické náročnosti minimálně o 15 %, takže s rezervou splňujeme i zpřísněné normy,“ konstatuje Tomáš Martinec s tím, že nastavit parametry topidla lze pomocí aplikace z mobilního telefonu.
Měřicí stanoviště urychlí a zjednoduší měření teplotního toku
Aby firma splnila nové přísné normy, musí znát rozložení teplotního toku v celém prostoru. Problém je tom, že nová norma popisuje přesně i senzor teplotního toku — musí být ze zlata a chlazený vodou, a sám o sobě je tak drahý. Měření navíc vyžaduje mechanismus, který senzorem pohybuje v prostoru, což je velmi složité a zdlouhavé, protože je nutné měřit teplotu bod po bodu v přesně definované mřížce. Certifikované měření navíc provádí jen několik firem v Evropě. „Proto jsme se dohodli s odborníky na univerzitě, že součástí projektu bude také orientační měření plošného teplotního toku. A abychom nemuseli chodit po hale s jedním senzorem, vymysleli jsme jednoduchý senzor teplotního toku, který sice není úplně přesný, ale je levný. Sestavili jsme konstrukci se zhruba 120 senzory na půlkruhové zvedací rampě a vytvořili jsme pohyblivé měřicí stanoviště,“ přibližuje spolupráci s univerzitou ředitel Malena a zdůrazňuje, že tento rychlý orientační sytém nemá ambici nahradit přesné certifikované měření. Pomůže však získat velmi dobré výsledky pro fázi před certifikací. Následně certifikovaná firma s patřičnou akreditací už jen ověří a kulatým razítkem potvrdí výsledný stav. „Pro nás se tak ušetří čas i peníze,“ konstatuje. A navíc, jak dodává, se toto měření používá i pro další pokusy zaměřené na rozšířené využití nového hořáku.
Výzkum pokračuje: regulace přes řídicí jednotku
Výzkum se vývojem nového hořáku nezastavil a odborníci z firmy Lersen společně s výzkumníky liberecké univerzity se v rámci dalšího projektu s názvem Vývoj inteligentního plynového ohřívače vzduchu pro průmyslové haly s využitím metod pokročilého matematického modelování teplotních polí a proudění vzduchu zaměřili na další zdokonalení vytápění, konkrétně na vývoj řídicí jednotky pro řízenou regulaci a na rovnoměrné vyhřívání, aby v hale nebyly velké teplotní rozdíly a v celém prostoru, kde je nutné použít více ohřívačů vzduchu, byla stejná teplota. „Chceme, aby se prostřednictvím řídicí jednotky řada ohřívačů vzduchu ovlivňovala tak, že si začnou dávat informace o okamžité teplotě v daném místě, a aby se hala vytápěla chytře, respektive rovnoměrně. Náš hořák bude schopný takové impulsy přijímat a zpracovat. Ve výhledu je tedy celý ‚Smart komplex vytápění‘, který řeší vzájemnou interakci více inteligentních ohřívačů vzduchu v jedné hale. Díky systému senzorů dokážou topidla sama zareagovat a změnit intenzitu topení, pokud se v některé části haly sníží teplota,“ nastiňuje doc. Ivan Mašín z Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace TUL. První prototypy řídicí jednotky pod názvem Ilersen 1 již firma ve své hale testuje, součástí je cloudová služba s funkcí ukládat soubory na virtuálním úložišti, respektive na vzdáleném serveru, která tak umožní ovládat a regulovat topné těleso na dálku. To přinese další zvýšení teplotního komfortu pro lidi pracující ve velkých výrobních halách. Podle Vladimíra Maleny tým navíc testuje možnost využití nového hořáku, který byl původně vyvíjen pro infrazářiče vytápějící prostor za pomocí konvekce (proudění), i pro systémy teplovzdušných ohřívačů vzduchu vytápějících prostor sálavým teplem. „Díky našemu měřicímu stanovišti jsme schopni exaktně změřit účinnost spalování i účinnost sálání. A protože oba systémy využívají premixovou technologii, zabýváme se ve druhém projektu mimo jiné možností využít náš hořák v obou případech,“ říká Vladimír Malena
Perspektiva uplatnění na trhu
Firma Lersen je v současné době zavedena v systému evropských dodavatelů energetických systémů, kde všichni hledají řešení pro nízkoenergetické vytápění prostoru. Nabízí se tedy, že každý, kdo přijde s řešením, které dokáže regulovat energetické zdroje při dodržení přísných ekologických norem, bude mít na trhu úspěch. Ředitel firmy, která je schopna v blízké době na trh takové zařízení uvést, je ale trochu skeptický: „Lidi tolik nekoukají na ekologii a chtějí hlavně, aby bylo topení co nejlevnější, a to ‚chytré‘ vytápění v současné době znevýhodňuje. Naše technologie je zhruba o 20 % dražší než ty stávající, méně ekologické. Dalším problémem současné doby je i plyn. Neví se, jestli bude k dispozici v dostatečném množství a za jakou cenu. Myslím, že musíme počkat, až se doba, a hlavně energetická situace uklidní. Pak budou mít takové inovativní technologie snižující ekologickou zátěž na životní prostředí, jako je ta naše, daleko větší šanci na celospolečenské uplatnění.“ /Jaroslava Kočárková/
