EXAMENSARBETE. Robust reglering av pelletsbrännare En förstudie. Torbjörn Körlof Patrik Wilhelmson. Luleå tekniska universitet

EXAMENSARBETE 2009:103 CIV Robust reglering av pelletsbrännare En förstudie Torbjörn Körlof Patrik Wilhelmson Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Arena jordens resurser Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Energiteknik 2009:103 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--09/103--SE

Abstract Abstract The main aim of this project has been to carry out preparatory work prior to the development of a system for fast and dynamic control of a wood pellet burner. The main objectives of this project have been to: Examine the potential to reduce emissions from a commercial pelletburner for domestic use. Identify sensors that may be useful in such a contol system with respect to functionality and cost. The cost will have a crucial role, since the function is in a system of small biomass burners. Provide suggestions on how that future regulation should work. In this project combustion experiments haves been conducted in a commercial pellet burner for domestic use. The results of the experiments showed that there is a potential to reduce emissions from the burner if better control system could be implemented. Furthermore, three different sensors were tested and evaluated during the experiments, one oxygen sensor and two sensors for measuring products of incomplete combustion (CO + THC). A recommendation on how the system should work has been provided, which means that the system could work with a flexible set-point on air supply. This system would most likely reduce the emissions and increase efficiency in comparison with current commercial control systems which operates at a fixed set-point of combustion air. ii

Sammanfattning Sammanfattning Detta projekt har syftat till att inleda arbetet med att utveckla ett system för snabb och dynamisk reglering av pelletsbrännare. Projektet har haft tre målsättningar: Undersöka potentialen att minska utsläpp från en kommersiell pelletsbrännare för villabruk. Kartlägga vilka sensorer som lämpligen kan användas i en sådan reglering med hänsyn till funktionalitet och pris. Priset kommer att ha en avgörande betydelse eftersom sensorerna skall fungera i ett system för små biobrännare. Ge förslag hur detta framtida reglersystem skall arbeta. I detta projekt har eldningsförsök utförts med en kommersiell pelletsbrännare avsedd för villabruk. Försöken visar att det finns potential att reducera emissionerna från brännaren om ett självreglerande system skulle implementeras. Vidare har tre olika sensorer testats och utvärderats under försöken, en syre sensor och två sensorer för att mäta oförbränt (CO+THC). En rekommendation på hur reglersystemet ska fungera har lämnats, vilken innebär att systemet skulle arbeta med ett rörligt börvärde på lufttillförsel. Detta system skulle minska emissioner och öka verkningsgraden i jämförelse med nuvarande kommersiella reglersystem där systemen oftast arbetar med ett fast börvärde på lufttillförsel. iii

Förord Förord Detta examensarbete omfattar 30 hp och utfördes under vårterminen 2009 vid Luleå tekniska universitet. Det är avslutningen på vår utbildning till civilingenjörer inom uthålliga energisystem. Vi skulle vilja rikta vårt varma tack till våra handledare Joakim Lundgren och Roger Hermansson på avdelningen för Energiteknik för deras synpunkter och många givande diskussioner. Slutligen vill vi också tacka verkstadschef Per Bergström samt den övriga personalen på Swebo Bioenergy i Boden för deras assistans och trevliga bemötande. Torbjörn Körlof Torbjörn Körlof Patrik Wilhelmson Patrik Wilhelmson Luleå Tekniska Universitet Luleå Juni 2009 iv

Innehållsförteckning Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 8 1.1 BAKGRUND... 8 1.2 MÅLBESKRIVNING... 9 1.3 AVGRÄNSNINGAR... 9 2 TEORI... 10 2.1 LITTERATURSTUDIE... 10 2.2 STÖKIOMETRI... 13 2.3 REGRESSIONSANALYS... 15 3 UTRUSTNING... 18 3.1 PANNA... 18 3.2 BRÄNNARE... 18 3.3 GASMÄTUTRUSTNING... 20 3.4 SENSORER... 21 3.4.1 Bosch lambdasond LSU 4.9... 21 3.4.2 Carbosen 1000... 22 3.4.3 SGAS 220... 23 3.4.4 Termoelement... 23 3.5 LOGGER... 24 4 FÖRSÖK... 25 4.1 FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING... 25 4.2 MONTERING AV GASSENSORER... 26 4.3 FÖRSÖKSPLANERING... 26 4.3.1 Konstant effekt med varierande fläktstyrka... 27 4.3.2 Konstant fläktstyrka med varierande effekt... 27 5 RESULTAT... 28 5.1 EMISSIONER... 28 5.1.1 Fasta effektlägen med varierad fläktstyrka... 28 5.1.2 Fasta fläktlägen med varierad effekt... 34 5.2 SENSORER... 40 5.2.1 Bosch lambdasond LSU 4.9... 40 5.2.2 Carbosen 1000... 45 5.2.3 SGAS 220... 49 6 SLUTSATS... 53 6.1 EMISSIONER... 53 6.2 SENSORER... 53 6.3 FÖRSLAG PÅ REGLERSYSTEM... 54 7 DISKUSSION... 55 7.1 EVENTUELLA FELKÄLLOR... 55 7.2 FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE... 55 v

Innehållsförteckning 8 REFERENSER... 57 APPENDIX A VARIERAD FLÄKTSTYRKA... APPENDIX B VARIERAD EFFEKT... APPENDIX C LAMBDASOND... APPENDIX D CARBOSEN 1000... APPENDIX E SGAS 220... vi

Nomenklatur Nomenklatur CO CO2 H2O NO NO2 NOx THC OGC Ga2O3 λ Std Av. Kolmonoxid Koldioxid Vatten Kvävemonoxid Kvävedioxid Samlingsnamn för kväveoxider Totala halten av kolväten Halten organiskt bundet kol Galliumoxid Luftfaktor (Tillförd luftmängd/teoretiskt luftbehov) Standardavvikelse vii

Inledning 1 Inledning 1.1 Bakgrund Biobränslen är ett energislag som kommer att öka mer och mer i betydelse när de fossila energislagen successivt kommer att fasas ut. På senare år har träpellets börjat användas för uppvärmning av bostadshus. Pellets har ofta bra förbränningsegenskaper och ger vid goda förhållanden låga utsläpp av miljöoch hälsofarliga ämnen. Exempel på skadliga ämnen är kväveoxider, stoft och oförbrända 1 gaser. Faktorer som påverkar förhållandena vid förbränning av pellets är bland annat vilken belastning pannan har, lufttillförsel och pelletkvalité. Idag framställs pellets huvudsakligen av ren stamved. I framtiden väntas efterfrågan på stamved att öka. Då kommer sannolikt även sämre råvaror som grot 2 och bark att användas vid framställning av pellets. Det kommer att ge pellets med mer varierande kvalité vilket kan medföra större utsläpp av miljöskadliga ämnen. Då eldning med pellets väntas bli vanligt i tätbebyggda områden är det viktigt att reducera utsläppen av ämnen som är skadliga för miljö och hälsa. Idag är det vanligt att en oljebrännare ersätts med en pelletsbrännare. Eftersom pannan inte är tillverkad för att eldas med pellets medför det att driftförhållandena sällan är optimala med onödigt stora utsläpp av miljöfarliga gaser och partiklar som följd. Eldning av pannor med pelletsbrännare sker idag ofta utan ackumulatortank. Detta gör att vattenmängden i systemet som ska värmas upp är relativt liten. Följden av detta blir att brännaren slås av och på med både korta driftstider och uppehåll. En pelletsbrännare tar ca 15 min vardera att tända och släcka pelletsbädden (Sjöö, 2009). Under start och stopp av brännaren är inte förbränningsprocessen optimal. Detta leder till onödigt stora utsläpp av föroreningar och en lägre verkningsgrad. Idag används lambdasonder för att styra förbränningen i pelletsbrännare. Detta är dock på industri- eller fastighetspannor från 50 kw och större. Dagens lambdastyrning kostar för mycket för att det skall vara ekonomiskt försvarbart att installera på en vanlig villabrännare. 1 Totalsumman av CO, THC och H 2 2 Förkortning av Grenar Rötter Och Toppar s. 8 (91)

Inledning Eftersom en pelletsbrännare för villabruk kostar omkring 30 000 kronor för konsumenten får styr- och reglertekniken inte kosta mer än några tusen kronor som färdig produkt. Det är viktigt att kostnaden är låg eftersom höga kostnader gör att det inte kan anses ekonomiskt motiverat att använda den i vanliga villabrännare. 1.2 Målbeskrivning Detta projekt har syftat till att inleda arbetet med att utveckla ett system för snabb och dynamisk reglering av pelletsbrännare. Projektet har haft tre specifika målsättningar: Undersöka potentialen att minska utsläpp från en kommersiell pelletsbrännare för villabruk. Genom en litteraturstudie kartlägga vilka sensorer som lämpligen kan användas i en sådan reglering med hänsyn till funktionalitet och pris. Priset kommer att ha en avgörande roll eftersom de skall fungera i ett system för små biobrännare. Ge förslag hur detta framtida reglersystem skall arbeta. 1.3 Avgränsningar Detta examensarbete är avgränsat till att enbart omfatta pelletsbrännare upp till 25 kw avsedda för hus och villor. Endast en modell av brännare kommer att användas, Janfire NH. Examensarbetet omfattar prövning av sensorer som kan komma att bli aktuella för att senare ingå i en aktiv styrutrustning för pelletsbrännare. Långtidstester av givarna kommer inte att genomföras med hänsyn till projektets korta tid. Mätutrustning används för att hitta lämpliga indikatorer som kan beskriva förbränningens förlopp och ge en bild över hur noggrant de olika givarna mäter. Utvecklingen av styrsystemet kommer inte att behandlas i detta examensarbete. s. 9 (91)

Teori 2 Teori 2.1 Litteraturstudie För att närma sig fullständig förbränning av pellets behöver förbränningskammaren delas in i två delar, båda med separat lufttillförsel. (Fiedler, 2004) I den första delen, primärzonen förbränns bränslet med luftunderskott. I den andra delen, sekundärzonen tillförs mer luft och resten av bränslet förbränns med luftöverskott. En av orsakerna till att bränslet först ska förbrännas med luftunderskott är att det kväve som finns i bränslet ska bilda N2-molekyler och inte reagera med luftens syre och bilda NOx. Det är även viktigt att hålla nere temperaturen för att undvika asksintring. I sekundärzonen förbränns de oförbrända gaser (främst CO och kolväten) som bildats i primärzonen. De flesta pelletsbrännare på den svenska marknaden använder sig av ett stort luftöverskott för att få ner emissionerna av oförbrända gaser. Utsläppen av NOx blir dessvärre höga då kvävet i bränslet kan reagera med syret i luften. En bättre kontroll av lufttillförseln genom att använda en λ- sond eller en sensor för mätning av CO kan minska emissionerna av både oförbrända gaser och NOx. I Österrike är denna typ av reglering standard. De brännare som används i Österrike är ofta inbyggda i pannan och är mer automatiserade än svenska brännare. I Sverige är panna och brännare olika enheter som måste ställas in manuellt för att fungera optimalt. Det är inte enbart tillgången på syre som reglerar förbränningen (Johansson, 2004). Höga nivåer av oförbrända föreningar har noterats vid stora luftöverskott. Det kan enligt Johansson bero på att luften kyler ned förbränningskammaren med sämre förbränning som följd. Förbränning som sker med flamma har högre verkningsgrad än förbränning med glöd. (Olsson, 2004) Även utsläppen av CO och kolväten är lägre vid förbränning med flamma. I figur 1 visas typisk förbränningskaraktäristik för rökgaser från en brännare. Om så förgasas delar av bränslet och utsläppen av oförbrända föroreningar ökar markant. Om förbränningen är stökiometrisk dvs. ideal (λ=1) betyder det att teoretisk minsta luftmängd tillförts förbränningsprocessen för att fullständig förbränning ska erhållas. Lambdavärdet beräknas enligt ekvation [2.1] [2.1] Där O2 anges i volym % och. s. 10 (91)

Teori Det betyder att om fullständig förbränning erhålls kommer det inte att finnas något syre i rökgaserna och verkningsgraden på förbränningen är maximal. I praktiken är dock fullständig förbränning i stort sett omöjligt att åstadkomma, och ett högre värde på lambda måste användas eftersom bränslet och luften aldrig blandas helt optimalt. Ett större luftöverskott behövs speciellt med fasta bränslen eftersom omblandningen där är sämre än för gas och flytande bränslen. Figur 1. Förbränningskaraktäristik för pelletsbrännare (Eskilsson & Tullin, 2001) Vid förbränning med stort luftöverskott används en mindre andel av luften till förbränningen vilket leder till ökade rökgasförluster. Förändringar av luftens och bränslets egenskaper påverkar förbränningen och gör det svårare att få bra förbränning. För att möta dessa förändringar brukar pelletsbrännare ha ett för högt lambdavärde för att vara säker på att förbränningen blir fullständig vid normala fluktuationer. Det innebär att vid normala driftförhållanden brinner brännaren långt ifrån den optimala driftpunkten och med en lägre verkningsgrad som följd. Vid lambdastyrning är det möjligt att reglera luftöverskottet mot ett fast börvärde på lambda, det betyder att lufttillförseln kan svara mot fluktuationer i bränslematning, kvalité på pellets m.m. Men att enbart styra förbränningen mot ett fixerat lambdavärde säger ingenting om kvalitén på s. 11 (91)

Teori förbränningen. Höga halter av oförbränt kan förekomma även vid höga luftöverskott. Därför kan ett alternativ till vanlig λ-styrning vara att med hjälp av en annan parameter, till exempel oförbränt, beräkna vilket λ-värde som är det optimala vid just det tillfället och styra fläkten mot det. På det sättet fås ett rörligt börvärde som anpassas efter den pågående förbränningen. Det betyder att λ- värdet anpassas efter aktuell last och bränsle. Genom att använda ett rörligt börvärde för λ kan luftöverskottet sänkas och på det sättet minska rökgasförluster och NOx-utsläpp, samtidigt som halten av oförbränt inte tillåts öka. I en stokerpanna på 1 MW installerades ett reglersystem med kombinerad lambdasond och en sensor för att mäta oförbränt. En algoritm som var självinställande valde optimalt λ-värde för stunden. Med det nya reglersystemet hölls verkningsgraden på över 90 % även vid låga laster. COemissionerna kunde reduceras med en faktor 5 jämfört med när pannan styrdes mot flamtemperaturen (Eskilsson & Tullin, 2001). s. 12 (91)

Teori 2.2 Stökiometri Innehållet i pellets kan delas upp i fukt, flyktig materia, bundet kol och aska. Figur 2, Principskiss över beståndsdelarna i ett bränsle Fukten är det vatten som finns i bränslet och förångas när temperaturen når 100 C. Flyktig materia är den materia som förbränns innan temperaturen blir så hög att den egentliga förbränningen startar. Bundet kol består till största delen av kol men även av väte och kväve med mera. Det bundna kolet börjar förbrännas när temperaturen blir tillräckligt hög för att bryta de bindningar som håller det samman. Aska är materian som blir kvar när fukten har avdunstat och den brännbara materian har förbränts. Enligt (Kjellström, Lindberg, & Keikkala, 2003) kan en typisk fördelning av brännbar materia i biomassa vara den i tabell 1. Tabell 1. Materians fördelning Ämne Viktprocent Kol 52 Väte 6 Syre och kväve m.m. 42 Det bör påpekas att ovanstående tabell bara visar ett exempel. Fördelningen kan variera kraftigt mellan olika typer av biomassa. Kväveinnehållet kan till exempel variera från 0,1 % i stamveden hos ett träd till 1 % i löv och barr. Av den brännbara materian i biomassa står bundet kol för 17-25 % och flyktig materia för 75-83 %. s. 13 (91)

Teori Vid stökiometrisk förbränning förbränns all brännbar materia med exakt den mängd luft som behövs. När 1 kg pellets som har det innehåll som exemplet i tabell 1 förbränns, blir den stökiometriska uträkningen enligt tabell 2. Här antas att fukthalten är 10 % och askhalten 2 %. Tabell 2. Exempel stökiometrisk förbränning Ämne Bränsleinnehåll Molvikt Mol/kg pellets Syrebehov (O2) Restprodukt g/kg pellets g/mol mol C 457,6 12,01 38,102 38,102 CO2 H 52,8 1,01 52,277 13,069 H2O O 360,8 16,00 22,500-11,250 O2 N 8,8 14,01 0,628 N2 Fukt 100 18,02 5,549 H2O Aska 20 Aska Syrebehov: 39,921 mol/kg pellets För varje mol syre i luften går det 3,76 mol kväve i luften. Totalt krävs det 190 mol luftmolekyler för att förbränna 1 kg pellets, det motsvarar 4,31 Nm 3 luft. 3 När 1 kg pellets i exemplet förbränns med 4,31 Nm 3 luft är förbränningen stökiometrisk och λ=1. Om 6,47 Nm 3 luft används till 1 kg pellets, sker förbränningen med luftöverskott och λ=1,5. Om lufttillförseln per kg pellets är mindre än 4,31 Nm 3 sker förbränningen med luftunderskott och λ<1. Det är endast i teorin som det går att få en helt stökiometrisk förbränning. I verkligheten uppstår ojämnheter i förbränningszonen vilket skapar luftunderskott på ett ställe i förbränningskammaren och luftöverskott på ett annat. 3 Nm3 står för 1 m 3 gas vid atmosfärstryck och 273 K. En mol av en ideal gas motsvarar 0,0227 Nm 3. s. 14 (91)

Teori För att motverka att oförbrända ämnen som CO försvinner med rökgaserna brukar förbränning ske med luftöverskott. Nackdelen med att tillföra mer luft än vad som behövs är att luften kyler ned förbränningskammaren vilket försämrar förbränningen. För att få optimal förbränning måste luftfaktorn prövas fram för den aktuella brännaren. I tabell 3 visas vanliga värden på luftfaktorn lambda (λ) för anläggningar på 1 MW och uppåt. För småskaliga villabrännare är syrehalten i avgaserna vilket motsvarar. (Hermansson, 2009) Tabell 3. Vanliga rekommendationer för lambdavärde för olika bränslen i anläggningar från 1 MW och uppåt. (Kjellström, Lindberg, & Keikkala, 2003). Bränsle Luftfaktor (λ) Ved 1,2 1,4 Kol 1,7 2,0 Olja 1,05 1,1 Gas 1,05 1,1 2.3 Regressionsanalys Regressionsanalys är en vanlig statistisk metod för att förklara och bestämma samband mellan två eller flera olika variabler, i detta fall endast två variabler. För att se om det kan finnas något samband mellan sensorsignaler och koncentrationer av THC eller syre görs detta genom att sensorsignalen plottas mot CO- eller O2-halten i ett spridningsdiagram som visas i figur 3. I detta fall antas att funktionen är en rät linje med ekvationen [2.2] [2.2] Med hjälp av Microsoft Excel kan den regressionslinje som bäst förklarar sambandet mellan variablerna plottas ut, se figur 4. s. 15 (91)

Koncentration CO Robust reglering av pelletsbrännare Teori 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0,004 0,0045 0,005 0,0055 0,006 Sensorsignal Figur 3. Spridningsdiagram 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0,004 0,0045 0,005 0,0055 0,006 Figur 4. Spridningsdiagram med regressionslinje Med Excel fås också linjens ekvation samt ett R 2 -värde. R 2 definition visas i ekvation [2.3] [2.3] Där är den skattade regressionslinjens Y-värde, och är medelvärdet av observerad data. s. 16 (91)

Teori R 2 värdet kallas för förklaringsgrad, i detta fall blev förklaringsgraden 0,815. Detta kan tolkas som 81,5% av den totala variationen av CO-koncentrationerna förklaras av regressionslinjen vilket är en ganska hög förklaringsgrad. s. 17 (91)

Utrustning 3 Utrustning 3.1 Panna Den panna som används är tillverkad av företaget Ariterm och är av modellen Arimax 360. Pannan är framtagen för att eldas med biobränslen och är dimensionerad för effekten 60 kw. Den har en vattenvolym på 280 liter. I vattentanken sitter en spiral som leder bort värmen från pannan. Figur 5. Arimax 360 i genomskärning (Ariterm) Innan rökgaserna lämnar pannan cirkulerar de genom vertikala konvektionskanaler. När värmebehovet är mindre till exempel under sommaren kan röken ledas förbi två av kanalerna genom att en lucka öppnas. Eftersom brännaren som används har en maxeffekt på 23 kw kommer pannan eldas med luckan öppen. I figur 3 visas pannan i genomskärning. Undertrycket i pannan kan styras steglöst med en frekvensstyrd sugfläkt i skorstenen och justerades under försöken till cirka 30 Pa. 3.2 Brännare Pelletsbrännaren som används i detta examensarbete är modell NH av märket Janfire och är en övermatad pelletsbrännare. Pellets från ett externförråd matas med en externskruv fram till brännarens internförråd. En kapacitiv givare bestämmer när internförrådet är fullt och stoppar externskruven. Därifrån matas pellets med en doseringsskruv till ett fallschakt där den faller ner i brännkoppen. s. 18 (91)

Utrustning I fallschaktet sitter en temperaturgivare som reducerar effekten i brännaren när temperaturen stiger över 70 C och som stoppar brännaren om temperaturen trots reducering stiger över 100 C. Temperaturgivaren i fallschaktet har som funktion att skydda mot bakbrand. Figur 6. Vybild över Janfire NH (Janfire AB, 2007) En fläkt förser brännare med både sekundär- och primärluft som fördelas i brännkoppen. Tändning sker automatiskt genom hetluft som värms upp av en eldriven värmeslinga. Drifteffekten på brännaren kan väljas i 1 kw steg på fasta nivåer mellan 3-23 kw. Alternativt kan brännaren köras med modulerande effekt, där effekten regleras automatiskt mellan förutbestämda nivåer för att hålla en bestämd panntemperatur. Effektvärdena gäller för pellets med en volymvikt på 675 g/liter och 4,8 kwh/kg. Används pellets med annan volymvikt eller energiinnehåll kan detta finjusteras manuellt på brännaren för att optimera förbränningen. Pelletsbrännaren har ett rörligt roster som både askar och skrapar av slagg och andra föroreningar för att sedan mata in det i pannan. Askskrapning sker vid varje ny start eller efter en förutbestämd pelletsåtgång (Janfire AB, 2007). Bränslematningen sker med doseringsskruven som vrider på sig under en förbestämd tid, ökas effeken så minskar intervalltiden mellan vridningarna. Själva vridningstiden bestäms av det valda energiinnehållet i pelletsen per volymenhet (Wh/liter). s. 19 (91)

Utrustning Originalinställningen för 4,8 Wh/g ger en vridningstid på doseringsskruven på 1,00 sekunder. Vridningstiden kan varieras mellan 0,50-1,50 sekunder. 3.3 Gasmätutrustning Som referens till sensorerna används en gasmätutrustning från SICK MAIHAK av modell SIDOR. Denna kommer att indikera hur bra sensorerna fungerar i given miljö. Från rökkanalen pumpas en liten mängd rökgas genom en uppvärmd slang som håller temperaturen 77 C, till gasmätutrustningen där den analyseras vid temperaturen 120 C (Lundgren & Pettersson, 2009). De gaser som mäts är syre, koloxid, koldioxid och kväveoxid. Mätområdena som utrustningen kan mäta inom samt mätmetod visas i tabell 4. Gasmätutrustningen mäter ett medelvärde över 5 sekunder som den skickar ut i form av en strömsignal. Strömsignalen är linjär och varierar mellan 4 och 20 ma. Tabell 4. Mätområde SIDOR (Lundgren & Pettersson, 2009) Gaskomponent Mätområde Metod Koloxid 0-10 000 ppm Icke dispersiv infraröd Koldioxid [CO2] 0-20 vol% Icke dispersiv infraröd Kväveoxid [NO] 0-500 ppm Icke dispersiv infraröd Syre [O2] 0-25 vol% Paramagnetisk O2-cell s. 20 (91)

Utrustning 3.4 Sensorer 3.4.1 Bosch lambdasond LSU 4.9 En lambdasond är en sensor som mäter syrekoncentrationen i en gas. Det vanligaste användningsområdet för lambdasonder är att mäta syrekoncentrationen i rökgaser från förbränningsmotorer. Eftersom den utvecklats till bilindustrin från början och använts i flera decennier så är sonderna relativt billiga, eftersom de tillverkas i stora volymer (Svensson, 2003). I bilmotorer används lambdasonden för att reglera kring λ=1 vilket motsvarar idealisk förbränning(o2=0 % i rökgaserna). Den vanligaste typen av lambdasond har en signalkurva som är mycket brant vid λ=1. I dessa applikationer används givaren i princip som en binär givare dvs. att skicka en signal av eller på. I detta fall används träpellets i stället för olja som i bilmotorns fall. Detta kräver ett visst luftöverskott (λ>1) eftersom omblandningen av bränsle och luft som leder till fullständig förbränning är besvärligare att åstadkomma (Boman & Edvardsson, 2007). På grund av detta används en bredbandslambda Bosch LSU 4.9 som går mellan λ=0,65- (Bosch ). Detta ger en möjlighet att mer exakt mäta syrekoncentrationen i rökgaserna än om en vanlig lambdasond används. Detta gör den till en intressant sensor att använda i mindre värmepannor eftersom syrehalten är ett mått på hur optimerade förhållandena är i förbränningsprocessen (Svensson, 2003) Lambdasonden är kopplad till en lambdacontroller som saluförs av Cleanburn trading AB. Denna omvandlar sondens utsignal till en linjär funktion där 0 V motsvarar 0 % O2 i rökgaserna och 9,9 V motsvarar 20,9 % O2 dvs. luftens koncentration. Lambdacontrollern ger även drivspänning till den värmeslinga i sonden som ser till att lambdasonden har rätt arbetstemperatur, controllern ger även möjlighet att kalibrera lambdasonden s. 21 (91)

Utrustning 3.4.2 Carbosen 1000 Carbosen 1000 är en sensor som mäter CO-halter och tillverkas av det tyska företaget Escube. Sensorn kan mäta CO -halter från 20 ppm upp till 30 000 ppm (Escube). Sensorn är en fastelektrolytsensor (Icke-Nernst) av samma typ som lambdasonden vilket betyder att den ger en voltsignal vilken är enkel att mäta. Principen för sensorns funktion illustreras i figur 7. Figur 7. Mätprincip för Carbosen 1000 (Eskilsson & Rönnbäck, Karaktärisering av gassensorer för mätning av oförbrända ämnen i närvärmecentraler, 2004) Mätprincipen fungerar så att syremolekylerna adsorberas på katoden och de reducerande gaserna på anoden. Syret transporteras till anoden via elektrolytdelen där det reagerar med de oförbrända gaserna. Detta generar en spänning över de båda elektroderna och följande reaktioner sker vid elektroderna: (3.1) (3.2) Spänningen som bildas mellan elektroderna är den spänning som sedan mäts och omvandlas till CO-koncentrationen. När sensorn köptes in var priset ca 5000 kronor, vilket beror på att den inte serieproduceras. Om den skulle börja serieproduceras skulle sensorn komma att kosta 500-1000 kronor (Eskilsson & Rönnbäck, 2004) vilket är ett mer rimligt pris för denna tilltänkta applikation. s. 22 (91)

Utrustning 3.4.3 SGAS 220 SGAS 220 tillverkas av Steinel Solution och mäter CO och tyngre kolväten. Sensorns aktiva del består av galliumoxid (GA2O3) som är en halvledare. Materialet sitter på en värmeplatta som värms till förbestämd temperatur. När de oförbrända gaserna kommer i kontakt med den värmda ytan förbränns gaserna katalytiskt vilket medför att resistansen hos halvledarna ändras. Sensorn kan kalibreras för olika gaser genom att välja olika temperaturer på sensorn. Medföljande elektronik används för att reglera temperaturen på sensorns yta samt utvärdera de signaler som skickas ut. Sensorn är idag i serietillverkning vilket gör att priset hamnar på ca 1400 kronor, detta gör att den idag är en intressant sensor att ha med i en eventuell aktiv styrning av pelletsbrännare. I gaspanna så har SGAS 220 en garanterad driftstid på 30 000 timmar och kan levereras med olika höljen beroende på sensorapplikation (Eskilsson & Rönnbäck, 2004). 3.4.4 Termoelement Termoelement av typ K användes för mätning av temperaturen på två olika ställen i rökkanalen i pannan. Termoelementen placerades före de stående konvektionskanalerna och direkt efter pannan. Pilarna i figur 8 visar vart termoelementen placerats. Figur 8. Placering av termoelement s. 23 (91)

Utrustning 3.5 Logger Den logger som användes för att ta emot signalerna från sensorerna och gasmätutrustningen är en PC-logger 3100i från INTAB Interface-Teknik AB. Den kan mäta signaler som uttrycks i strömstyrka och i spänning. Den kan ta in signaler från 24 givare samtidigt. Loggern kan köras offline då den lagrar mätningarna själv eller online då den skickar mätvärdena direkt till en ansluten dator. Vid offline-mätning bestäms från datorn vilka kanaler loggern ska mäta på och vilka parametrar som gäller. Loggern kan sedan mäta utan att vara uppkopplad mot datorn. När mätningen är klar förs mätvärdena över till datorn där de kan behandlas. Vid onlinemätning är loggern uppkopplad mot datorn och skickar mätvärdena direkt till datorn utan att själv lagra värdena. I datorn behandlas mätvärdena i programmet Easy View från samma tillverkare (INTAB Interface-Teknik AB). Det är i programmet som inställningarna görs på vilket sätt som signalerna loggern tar emot ska tolkas. Inställningar som ska göras är om en signal ska mätas i volt eller i ampere, hur de värden som kommer in ska omvandlas för att få de värden och enheter som sensorer och gasmätutrustningen uppmäter. Vidare bestäms i vilket intervall loggern ska göra mätningar, om varje mätvärde ska sparas eller om ett medelvärde av ett antal mätningar ska sparas. Utöver medelvärdet kan också minsta eller största värdet av mätningarna sparas. Genom att använda sig av funktionen att bara spara ett, två eller alla tre värden uppmätt över till exempel 30 mätningar sparas bara 3 värden istället för 30 stycken. Det reducerar datamängden som ska lagras på datorns/loggerns minne till en tiondel jämfört med när alla värden sparas. Med hjälp av medelvärdet och maxvärdet kan en god överblick fås av både utsläppen över tid och topparna av till exempel CO. Vid onlinemätning läggs de värden som kommer in löpande in i en tabell, samtidigt som de ritas upp i en graf. Vid offline-mätning hämtas den sparade genomförda mätningen från loggern och mätvärdena visas i tabell och graf. Easy View har funktioner som möjliggör bearbetning av mätserier, mätvärdena kan också överföras till en Excel-fil som kan bearbetas på en dator där Easy View inte är installeras. s. 24 (91)

Försök 4 Försök 4.1 Försöksuppställning Figur 9 förklarar schematiskt hur försöksuppställningen gjorts. Brännaren är monterad på pannan och vid drift av brännaren bildas rökgaser som mäts med hjälp av gasmätutrustningen och sensorerna. Under mätningens gång skickas signalerna från sensorerna och gasmätutrustningen till en PC-logger där de lagras och omvandlas till användbar data. Datan kan sedan behandlas i en vanlig PC där den utvärderas. Brännare Värmepanna Gasmätutrustning Sensorer L Logger PC Figur 9. Schematisk bild över försöksuppställningen s. 25 (91)

Försök 4.2 Montering av gassensorer Installation av gassensorer och lambdasond har skett genom att ett hål på ca 20 mm borrats genom rökkanalen, sedan har en gängad fästplatta svetsats på rökkanalen där sensorerna skruvats fast. Sensorerna placerades i slutet av rökkanalen på pannan precis där skorstenen började. Sensorernas placering ses i figur 10 och i nedre högra hörnet skymtas ett av de två termoelementen, samt gasmätutrustningens probe som suger ut rökgaserna. 4.3 Försöksplanering Figur 10. Gassensorernas placering Försöken genomfördes genom att först köra brännaren på tre olika konstanta effektlägen (12, 15 och 18kW) där fläkten varierades i styrka. Sedan kördes brännaren med konstant fläkthastighet på 30 %, 50 % och 70 % av maximal fläkthastighet där effekten varierades för varje fläkthastighet. Syftet med denna modell på försöken är att undersöka hur rökgasernas sammansättning förändras vid varierande fläktstyrka respektive effekt. Försöken pågick under ca 30 minuter i varje läge efter att brännaren uppnått steady-state. När brännaren uppnått steady-state läge avgjordes av när termoelementen som placerats i pannan stabiliserats vid en temperatur. Under hela tiden mäts och loggas parametrarna CO, CO2, O2,NOX, Lambdasond samt sensorerna för att mäta oförbränt (SGAS220 och Carbosen 1000). s. 26 (91)

Försök 4.3.1 Konstant effekt med varierande fläktstyrka De olika fläktstyrkor som användes var 60 %, 80 %, 120 % av originalvärdet, samt originalinställning på vald effekt. Försöken med konstant effekt med varierade fläktstyrka visas i tabell 5. Tabell 5. Konstant effekt med varierad fläktstyrka Fläktstyrka (% av max) Effekt (kw) Nr 1. Nr 2. Nr 3. Nr 4. 12 22 % 29 % 36 % 43 % 15 34 % 45 % 56 % 67 % 18 43 % 58 % 72 % 86 % Nr 1: 60 % av normal fläktstyrka Nr 2: 80 % av normal fläktstyrka Nr 3: Normal fläktstyrka Nr 4: 120 % av normal fläktstyrka 4.3.2 Konstant fläktstyrka med varierande effekt Brännaren kördes med konstant fläkthastighet på 30 %, 50 % och 70 % av maximal fläkthastighet där effekten varierades för varje fläkthastighet, se tabell 6. Tabell 6. Konstant fläktstyrka med varierande effekt Fläktstyrka (% av max) Effekt (kw) 30 % 9 12 15 18 50 % 9 12 15 18 70 % 12 15 18 23 s. 27 (91)

Resultat 5 Resultat 5.1 Emissioner För att få jämförbara värden har emissionerna normaliseras till en syrekoncentration på 13 volymprocent. Normalisering görs för att eliminera de utspädningseffekter som uppstår när luftöverskottet ändras. Ekvation [5.1] visar hur värdena normaliseras. [5.1] 5.1.1 Fasta effektlägen med varierad fläktstyrka I figur 11 och 12 visas CO-koncentrationerna respektive NOXkoncentrationerna som en funktion av tiden. Detta är för 12 kw effektläge på brännaren samt originalläge på fläkten. 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 Figur 11. CO emissioner som funktion av tiden på 12 kw med originalinställning på fläkten. [O2] = 13 %. s. 28 (91)

Resultat 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 Figur 12. NOX emissioner som funktion av tiden vid effekten 12 kw och originalläge på fläkten. [O2] = 13 %. Under de 30 minuter som mätningen utfördes var medelvärdet för CO och NOX 614 ppm respektive 40 ppm. Standardavvikelsen blev 148 ppm för CO och 2,6 ppm för NOX. I tabell 7 visas koncentrationerna av CO vid olika fläktlägen när brännaren körs på 12 kw. Lägre styrka på fläkten resulterar i lägre utsläpp av oförbränt. Standardavvikelsen i förhållande till medelvärdet ökar med sänkt fläktstyrka, vilket tyder på en ojämnare förbränning. Tabell 7. Medelvärden och standardavvikelser för CO (12 kw). [O2] = 13 %. Medelvärde Standardavvikelse Fläktnivå [%] 22 315 112 29 465 137 36 614 148 43 653 166 s. 29 (91)

Resultat I tabell 8 visas koncentrationerna av NOX vid samma inställningar på brännaren som i tabell 7. Lägre styrka på fläkten resulterar till skillnad mot för CO i en ökning av NOX-utsläppen. Standardavvikelsen minskar i förhållande till medelvärdet vilket tyder på en jämnare förbränning när fläktstyrkan sänks. Tabell 8. Medelvärden och standardavvikelser för NOX (12 kw). [O2] = 13 %. [NOX] Medelvärde Standardavvikelse Fläktnivå [%] 22 44 2,3 29 42 2,2 36 40 2,6 43 41 3,0 I figur 13 och 14 visas emissionerna av CO och NOX när brännaren kördes på 15 kw. Detta är för 15 kw läge på brännaren samt originalläge på fläkten. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Figur 13. CO emissioner som funktion av tiden (15kW) [O2] = 13 %. s. 30 (91)

Resultat 49 47 45 43 41 39 37 Figur 14. NOX emissioner som funktion av tiden (15kW) [O2] = 13 %. Medelvärdet för CO och NOX var 493 ppm respektive 46 ppm. Standardavvikelsen blev 109 ppm för CO och 1,8 ppm för NOX. Samtliga medelvärden och standardavvikelser från övriga körningar på olika fläktlägen i 15 kw effektläge redovisas i tabell 9 för CO och tabell 10 för NOX. Tabell 9. Medelvärden och standardavvikelser för CO (15 kw). [O2] = 13 %. Medelvärde Standardavvikelse Fläktnivå [%] 34 241 86 45 353 132 56 493 109 67 706 200 s. 31 (91)

Resultat Tabell 10. Medelvärden och standardavvikelser för NOX (15 kw). [O2] = 13 %. [NOX] Medelvärde Standardavvikelse Fläktnivå [%] 34 49 1,6 45 48 1,9 56 46 1,8 67 46 2,9 I tabellerna 9 och 10 ses tydligt trenden att utsläppen av CO reduceras kraftigt vid en lägre fläktnivå, dvs. mindre luftöverskott i förbränningen. Standardavvikelsen minskar också vilket tyder på en jämnare förbränning med mindre variationer (lägre toppar och dalar). Utsläppen av NOX ökar däremot något vid minskat luftöverskott, standardavvikelsen minskar däremot vid lägre luftöverskott. I figur 15 och 16 visas emissionerna av CO och NOX när brännaren kördes på 18 kw. Detta är för 18 kw läge på brännaren samt original läge på fläkten. 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Figur 15. CO emissioner som funktion av tiden (18kW). [O2] = 13 %. s. 32 (91)

Resultat 88 86 84 82 80 78 76 Figur 16. NOX emissioner som funktion av tiden (18kW) [O2] = 13 %. Medelvärdet för CO och NOX var 641 ppm respektive 82 ppm. Standardavvikelsen blev 160 ppm för CO och 1,7 ppm för NOX. Samtliga medelvärden och standardavvikelser från övriga körningar på olika fläktlägen i 18kW effektläge redovisas i tabell 11 och 12. Tabell 11. Medelvärden och standardavvikelser för CO (18 kw). [O2] = 13 %. Medelvärde Standardavvikelse Fläktnivå [%] 43 176 54 58 338 84 72 641 160 86 947 185 s. 33 (91)

Resultat Tabell 12. Medelvärden och standardavvikelser för NOX (18 kw). [O2] = 13 %. [NOX] Medelvärde Standardavvikelse Fläktnivå [%] 43 50 1,2 58 76 1,0 72 82 1,7 86 80 1,4 I tabellerna 11 och 12 ses tydligt trenden med minskade utsläpp av CO vid lägre luftöverskott gäller även i det här fallet. Till skillnad mot tidigare försök på 12 och 15 kw minskar utsläppen av NOX i det här försöket när fläktstyrkan minskas. Diagram från övriga försök med fast effekt och varierad fläkt återfinns i Appendix A. 5.1.2 Fasta fläktlägen med varierad effekt 450 400 350 300 250 200 150 Figur 17. 30 % fläktnivå och 15 kw, CO-utsläpp som funktion av tiden. [O2] = 13 % s. 34 (91)

Resultat 81 80 79 78 77 76 75 74 Figur 18. 30 % fläktnivå och 15 kw. NOx-utsläpp som funktion av tiden. [O2] = 13 % Medelvärdet för CO och NOX var 264 ppm respektive 77 ppm. Standardavvikelsen blev 59 ppm för CO och 1,3 ppm för NOX. Samtliga medelvärden och standardavvikelser från övriga körningar på olika effektlägen på 30 % fläktläge redovisas i tabell 13 och 14. Tabell 13. Medelvärden och standardavvikelser för CO (30 %). [O2] = 13 % Medelvärde Standardavvikelse Effektnivå [%] 9 570 195 12 238 107 15 264 59 18 70 16 s. 35 (91)

Resultat Tabell 14. Medelvärden och standardavvikelser för NOX (30 %). [O2] = 13 % [NOX] Medelvärde Standardavvikelse Effektnivå [%] 9 77 1,8 12 73 1,3 15 77 1,3 18 67 0,8 Tabellerna 13 och 14 visar en tydlig trend att CO-utsläppen minskar med stigande nivå på effekten. För NOX-utsläppen saknas en tydlig trend för hur utsläppen ändras när effekten varieras. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 Figur 19. 50 % fläktnivå och 15 kw, CO-utsläpp som funktion av tiden. [O2] = 13 % s. 36 (91)

Resultat 81 80 79 78 77 76 75 74 Figur 20. 50 % fläktnivå och 15 kw. NOx-utsläpp som funktion av tiden. [O2] = 13 % Tabell 15. Medelvärden och standardavvikelser för CO (50 %). [O2] = 13 % Medelvärde Standardavvikelse Effektnivå [%] 9 1537 511 12 944 249 15 529 133 18 294 104 Tabell 16. Medelvärden och standardavvikelser för NOX (50 %). [O2] = 13 % [NOX] Medelvärde Standardavvikelse Effektnivå [%] 9 88 4,6 12 82 2,3 15 77 1,4 18 74 0,9 s. 37 (91)

Resultat Tabellerna 15 och 16 visar en tydlig trend att både CO- och NOX-utsläppen minskar med stigande nivå på effekten. 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 Figur 21. 70 % fläktnivå och 15 kw, CO- utsläpp som funktion av tiden. [O2] = 13 % 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 Figur 22. 70 % fläktnivå och 15 kw. NOx-utsläpp som funktion av tiden. [O2] = 13 % s. 38 (91)

Resultat Tabell 17. Medelvärden och standardavvikelser för CO (70 %). [O2] = 13 % Medelvärde Standardavvikelse Effektnivå [kw] 12 1485 290 15 1209 223 18 709 175 23 161 42 Tabell 18. Medelvärden och standardavvikelser för NOX (70 %). [O2] = 13 % [NOX] Medelvärde Standardavvikelse Effektnivå [kw] 12 81 3,2 15 48 3,2 18 49 2,3 23 72 0,7 Tabellerna 17 och 18 visar även här en tydlig trend att CO- emissionerna minskar med stigande nivå på effekten. NOX- emissionerna är som högst vid den lägsta (12 kw) och högsta (23 kw) effekten. På effektnivåerna däremellan är utsläppen av NOX betydligt lägre. Diagram från övriga försök med fast fläkt och varierad effekt återfinns i Appendix B. s. 39 (91)

Resultat 5.2 Sensorer För att utvärdera de olika gassensorerna så plottades värdena från sensorerna mot värdena från gasmätutrustningen som används som referens. Sedan utfördes en regressionsanalys och en funktion erhölls, samt ett R 2 -värde. Funktionen användes sedan för att plotta sensorernas signaler mot absoluta värden. Sedan kunde standardavvikelsen av skillnaden mellan gasmätutrustningen och sensorerna räknas fram, detta ger en indikation på hur bra sensorerna följer gaskoncentrationen. Testserierna som data är hämtad från är 18 kw effekt med 30 % fläkt, 9 kw med 30 % fläkt samt originalinställning på 18 kw. Detta för att visa hur sensorerna följer uppmätta värden vid låga och höga koncentrationer av respektive gas. 5.2.1 Bosch lambdasond LSU 4.9 I figur 23 visas korrelationen mellan lambdasondens signal och uppmätt syrehalt vid 30 % fläktläge och 18 kw effekt. Syrehalt [vol %] 16,5 R² = 0,994 16 15,5 15 14,5 14 13,5 13 9 10 11 12 13 14 Uppmätt syrehalt [vol %] Figur 23. Korrelation mellan lambdasondens signal och uppmätt syrehalt (30 % fläkt 18kW). Regressionsanalysen gav ett R 2 -värde på 0,9944 där värde 1 betyder att alla värden ligger exakt på regressionslinjen och 0 betyder att inget samband finns. Värdet 0,9944 som erhölls betyder att syrehalten förklaras till 99,44 % av funktionen. I figur 24 plottas funktionen av lambdasondens signal samt uppmätt syrehalt. s. 40 (91)

Resultat [Vol %] 16 15,5 15 14,5 14 13,5 [O2] [Lambdasond] 13 Figur 24. Syrehalt och lambdasondens funktion som funktion av tiden (30 % fläkt 18kW). I samtliga figurer för lambdasonden kan ses att signalen ligger något före gasmätutrustningens uppmätta syrehalt. Detta är för att sonden skickar signalen direkt vid mättillfället och gasmätutrustningen blir något fördröjd eftersom gasen först sugs ut från skorstenen, går igenom gasbehandlingsystemet (kylning, filtrering, etc.) för att sedan analyseras. Eftersom lambdasonden och gasmätutrustningen följer varandra så väl så har ingen korrigering för fördröjningen gjorts eftersom då skulle inte lambdasondens kurva synas i figuren. s. 41 (91)

Resultat Syrehalt [Vol %] 17,5 R² = 0,981 16,5 15,5 14,5 13,5 14 15 16 17 18 Uppmätt syrehalt [vol %] Figur 25. Korrelation mellan lambdasondens signal och uppmätt syrehalt (30 % fläkt 9kW). I figur 25 visas syrehalt och uppmätt signal på lambdasonden vid 30 % fläktläge och 9 kw effektläge. I detta fall har syrekoncentrationerna i rökgaserna ökat jämfört med figur 24. R 2 -värdet blev här 0,981 vilket betyder att sondens signal följer syrekoncentrationen mycket väl. Resultatet när sondens signal och syrekoncentrationen plottades som funktion av tiden i figur 26. [Vol %] 17 16,5 16 15,5 15 14,5 14 13,5 [O2] [Lambdasond] Figur 26. Syrehalt och lambdasondens utsignal som funktion av tiden (30 % fläkt 9kW). s. 42 (91)

Resultat I figur 27 visas syrekoncentrationen vid 18 kw effekt och 72 % fläktstyrka. Detta är brännarens original inställning av fläktstyrka på 18 kw effekt. Syrehalt [Vol %] 17 16,5 16 R² = 0,965 15,5 15 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 Uppmätt syrehalt [Vol %] Figur 27. Korrelation mellan lambdasondens signal och uppmätt syrehalt (72% fläkt 18kW). [Vol %] 17,5 17 16,5 16 15,5 15 [O2] [Lambdasond] 14,5 Figur 28. Syrehalt och lambdasondens funktion som funktion av tiden (72 % fläkt 18kW). Även här erhölls ett mycket högt R 2 -värde på 0,965 vilket ger en signal som stämmer mycket väl med den uppmätta syrekoncentrationen som visas i figur 28. s. 43 (91)

Resultat För att utvärdera lambdasonden har medelvärdet av syrekoncentrationen för respektive serie räknats ut samt medelvärdet av differensen mellan sonden och referensvärdet. Sedan har standardavvikelsen av differensen räknats ut, detta ger ett spridningsmått på hur mycket sensorn normalt avviker från referensvärdet. Standardavvikelsen anges i absoluta tal, detta betyder att eftersom syrehalten varierat beroende på mätserie så är de icke jämförbara med varandra. För att kunna jämföra standardavvikelserna har därför kvoten mellan standardavvikelserna och medelvärdet räknats ut. På detta sätt tas hänsyn till de olika syrekoncentrationerna. Sammanställningen för de tre olika mätserierna som valts att presenteras visas i tabell 19. Tabell 19. Utvärdering av lambdasond 30 % fläkt 9kW 30 % fläkt 18kW 72 % 18kW Medelvärde[Vol%] 15,3 14,3 15,8 Differens [Vol%] 0,068 0,034 0,050 Std Av. 0,051 0,027 0,035 Förklaringsgrad [R 2 ] Std Av./Medelvärde 0,98 0,99 0,97 0,0033 0,0019 0,0020 Genom att göra utvärderingen på detta sätt ges möjlighet att jämföra sensorerna mellan varandra på ett objektivt sätt. Diagram från övriga försök med lambdasonden återfinns i Appendix C. s. 44 (91)

Resultat 5.2.2 Carbosen 1000 I figur 29 visas korrelationen mellan sensorn Carbosen 1000 och gasmätutrustningen. Denna givare skall mäta koncentrationer från 0-1000 ppm. 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 5,7 5,8 5,9 [ma] 6,0 6,1 R² = 0,751 Figur 29. Korrelation mellan Carbosen 1000 signal och uppmätt CO koncentration (30 % fläkt 18 kw). I detta försök erhölls ett R 2 -värde på 0,7519. Carbosen 1000 signal plottas med uppmätt referenshalt på CO från gasmätutrustningen vilket kan ses i figur 30. s. 45 (91)

Resultat 140 130 [Carbosen 1000] 120 110 100 90 80 70 60 50 40 Figur 30. CO- koncentration och Carbosen 1000 signal som funktion av tiden (30 % fläkt 18 kw). Medelvärdet av syrekoncentrationen under testet var 14 vol%. I figur 30 har sensorns signal förskjutits för att kompensera för gasmätutrustningens fördröjning. Detta gäller för alla tester med CO- sensorerna. 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 5,5 6 6,5 7 7,5 [ma] R² = 0,797 Figur 31. Korrelation mellan Carbosen 1000 signal och uppmätt CO koncentration (30 % fläkt 9 kw). I detta försök erhölls ett R 2 -värde på 0,7975. Sensorns signal plottas med uppmätt referenshalt på CO från gasmätutrustningen vilket kan ses i figur 32. s. 46 (91)

Resultat 600 550 [Carbosen 1000] 500 450 400 350 300 250 200 150 0 500 1000 1500 Figur 32. CO- koncentration och Carbosen 1000 signal som funktion av tiden (30 % fläkt 9kW). Medelvärdet av syrekoncentrationen under testet var 15 vol%. Carbosen 1000-sensorn följer generellt gasmätutrustningens kurva väl. Den största skillnaden hittas i topparna där sensorn inte alltid följer kurvan. 375 R² = 0,799 325 275 225 175 125 75 5,8 6,3 6,8 7,3 [ma] Figur 33. Korrelation mellan Carbosen 1000 signal och uppmätt CO koncentration (72% fläkt 18 kw). I detta försök erhölls ett R 2 -värde på 0,799 vilket betyder att till 80 % beskriver sensorns signal CO-koncentrationen. Signalen plottas med uppmätt referenshalt på CO från gasmätutrustningen vilket kan ses i figur 34. s. 47 (91)

Resultat 450 [Carbosen 1000] 400 350 300 250 200 150 100 Figur 34. CO- koncentration och Carbosen 1000 signal som funktion av tiden 72 % fläkt 18kW). Medelvärdet av syrekoncentrationen under testet var 16 vol% För att utvärdera Carbosen 1000 har medelvärdet av CO- koncentrationen för respektive serie räknats ut samt medelvärdet av differensen mellan sensorn och referensvärdet. Sedan har standardavvikelsen av differensen räknats ut, detta ger ett spridningsmått på hur mycket sensorn normalt avviker från referensvärdet. Tabell 20. Utvärdering av Carbosen 1000 30 % fläkt 9kW 30 % fläkt 18kW 72 % 18kW Medelvärde 345 67 189 Differens 27,8 5,4 17,1 Std Av. 24,1 5,1 13,8 Förklaringsgrad [R 2 ] Std Av./Medelvärde 0,80 0,75 0,80 0,070 0,077 0,073 Standardavvikelsen anges i absoluta tal, detta betyder att eftersom COkoncentrationen varierat beroende på mätserie så är de icke jämförbara med varandra. För att kunna jämföra standardavvikelserna har därför kvoten s. 48 (91)

Resultat mellan standardavvikelserna och medelvärdet räknats ut. På detta sätt tas hänsyn till de olika koncentrationerna. Sammanställningen för de tre olika mätserierna som valts att presenteras visas i tabell 20. Diagram från övriga försök med Carbosen 1000 återfinns i Appendix D. 5.2.3 SGAS 220 I det här testet har SGAS 220 svagare korrelation med den halt som gasmätutrustningen visar jämfört med Carbosen 1000. Endast cirka 50 % av de värden som gasmätutrustningen mäter upp kan förklaras av regressionsanalysen i figur 35. 180 R² = 0,522 160 140 120 100 80 60 40 0,0045 0,0047 0,0049 0,0051 0,0053 0,0055 [1/mV] Figur 35. Korrelation mellan SGAS 220 signal och uppmätt CO koncentration (30 % fläkt 18 kw). s. 49 (91)

Resultat 180 160 140 120 100 80 60 40 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 CO [SGAS220] Figur 36. CO- koncentration och SGAS 220 signal som funktion av tiden 30 % fläkt 18kW). Medelvärdet av syrekoncentrationen under testet var 10 vol% I figur 36 syns att SGAS 220 inte helt följer med i uppgångar och nedgångar. Sensorn följer tendensen när koncentrationen förändras men ger inte fullt utslag. Anledningen till detta är att SGAS 220 inte är avsedd att mäta absoluta koncentrationer av CO utan registrera förändringarna i koncentration. Dessutom är det i det här testet mycket låga koncentrationer av CO vilket gör att förändringarna är små och svårare att registrera. 850 R² = 0,834 750 650 550 450 350 250 150 0,0045 0,005 0,0055 0,006 0,0065 0,007 0,0075 [1/mV] Figur 37. Korrelation mellan SGAS 220 signal och uppmätt CO koncentration (30 % fläkt 9 kw). I det här testet med 30 % fläktstyrka och effekten 9 kw är korrelationen bättre med ett R 2 -värde på 0,8345. En förklaring till den stora skillnaden mellan det s. 50 (91)

Resultat här testet och det föregående kan vara att koncentrationerna av CO är betydligt högre nu. 900 800 [SGAS220] 700 600 500 400 300 200 100 0 Figur 38. CO- koncentration och SGAS 220 signal som funktion av tiden 30 % fläkt 9kW). Medelvärdet av syrekoncentrationen under testet var 16 vol% I figur 38 syns också att sensorns signal följer den uppmätta CO-halten bättre med bra följsamhet vid upp och nedgångar i CO-koncentrationen. I figur 39 visas försök med 72 % fläkt och 18kW. I detta försök erhölls ett R 2 - värde på 0,755 vilket tyder på en god följsamhet även i det här testet. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 0,005 0,0055 0,006 0,0065 0,007 [1/mV] R² = 0,755 Figur 39. Korrelation mellan SGAS 220 signal och uppmätt CO koncentration (72% fläkt 18 kw). s. 51 (91)

Resultat I figur 40 följer kurvan från SGAS 220 som förväntat den kurva som fås från gasmätutrustningen mycket väl. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 [SGAS220] 2000 Figur 40. CO- koncentration och SGAS 220 signal som funktion av tiden 72 % fläkt 18 kw). Medelvärdet av syrekoncentrationen under testet var 15 vol% Tabell 21. Utvärdering av SGAS220 30 % fläkt 9kW 30 % fläkt 18kW 72 % 18kW Medelvärde 357 97 496 Differens 30 12 34 Std Av. 26,9 9,6 28,1 Förklaringsgrad [R 2 ] Std Av./Medelvärde 0,83 0,52 0,76 0,075 0,098 0,057 Utvärderingen av SGAS220 som visas i tabell 21 har skett på samma sätt som för Carbosen 1000. Diagram från övriga försök med SGAS 220 återfinns i Appendix E. s. 52 (91)

Slutsats 6 Slutsats 6.1 Emissioner Efter utvärdering av experimentella data så visar den tydligt att det finns potential att sänka emissionerna av oförbrända gaser kraftigt genom att reglera lufttillförseln i förbränningsprocessen med hjälp av att styra fläkten. Lägre utsläpp av oförbrända gaser med lägre lufttillförsel skulle resultera i en högre verkningsgrad. Eldningsexperimenten visade att originalinställningen på brännaren inte gav de bästa värdena med avseende på emissioner av oförbränt. Vid experimentet med 30 % fläktstyrka och 18 kw blev medelvärdet av CO- emissionerna 70 ppm. Detta kan jämföras med originalinställningen med 72 % fläktstyrka på 18 kw där medelvärdet blev 641 ppm. I absoluta tal kan detta ses som en ringa reduktion, men utsläppen har reducerats ned till en tredjedel. Detta betyder att ett styrsystem som själv reglerar lufttillförsel eller bränsletillförsel har stor potential att optimera förbränningen och minska emissionerna. 6.2 Sensorer Utvärderingen av de olika gassensorerna visar att lambdasonden följer syrekoncentrationen mycket väl. Lambdasonden kan helt klart användas för att mäta syrekoncentrationer med stor noggrannhet även vid snabba förändringar. Det är stor skillnad i exakthet mellan lambdasonden och sensorerna som mäter oförbränt. Detta beror förmodligen på att koncentrationerna av syre är i storleksordning 1000 gånger högre än för CO. Carbosen 1000 är den sensor som mäter CO- koncentrationen mest noggrant. Carbosen 1000 mätte CO- koncentrationen mycket väl överensstämmande med låg och jämn spridning över mätintervallet 0-1000 ppm. Skillnaderna mot SGAS220 är små och det var bara vid mycket låga koncentrationer som Carbosen 1000 var mer noggrann. SGAS 220 mätte CO- koncentrationerna bra, dock var spridningen över lag något större än för Carbosen. Värt att nämna är att SGAS220 inte är tänkt som en sensor som ska mäta absolutbelopp av CO- koncentrationer utan reagera på förändringar i CO- halt. SGAS 220 fungerar så att resistansen i sensorn ändras beroende på bl.a. CO- halt. Detta gör den känslig för andra parametrar såsom luftfuktighet vilket gör att man måste kalibrera den vid en viss referensnivå och sedan kan förändringen i CO- halt härledas till förändringen hos resistansen hos sensorn. s. 53 (91)