Společné komíny: Vliv charakteristiky spalin spotřebiče na odvod spalin – 3. část

Autor ve třetím díle článku shrnuje základní fyzikální parametry, které jsou využívány při návrhu a provozu spalinové cesty. Zvláštní pozornost je věnována otázce kondenzační techniky a současně také provozních podmínek spotřebičů, které požaduje Nařízení komise EU č. 813/2013. Článek prezentuje provozní podmínky, které ve spalinové cestě při provozu spotřebiče mohou nastat.

Recenzent: Roman Vavřička

Příspěvek uvádí, vysvětluje a stanovuje, jaké jsou parametry spalin od současných plynových kondenzačních spotřebičů, resp. kotlů, které jsou používané od přijetí Nařízení komise EU č. 813/2013[1].

1. Úvod

V první části příspěvku byly popisovány plynové spotřebiče podle možných způsobů spalování paliv. Byl tak naznačen pozitivní nebo negativní tlak komína na spalování paliv, resp. byl zdůvodněn vliv komína na spalovací proces a často i přívod vzduchu.

V předchozí části příspěvku (část 2) bylo pojednáno o principiálních parametrech, podle kterých se společné komíny třídí, většinou podle normativních zásad. Podle vývoje konstrukce plynových spotřebičů se vytvořil i systém používání společných komínů, které současná legislativa umožňuje. Další část příspěvku se věnuje výchozím parametrům spalin, které určují a ovlivňují společný komín. Pro návrh spalinové cesty kouřovodem a komínem je nutné stanovit spalinovou charakteristiku spotřebiče, která je základem pro vstupní parametry spalin do sopouchu komína.

2. Spalinová charakteristika spotřebiče

Základním parametrem pro návrh odvodu spalin je znalost spalinové charakteristiky spotřebiče, která je dána stávajícími veličinami spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče. Charakteristiku spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče tvoří:

• teplota spalin T_sp [K],
• měrná vlhkost spalin x_ssp [kg·kg_ssp^–1],
• hmotnostní průtok spalin m_sp [kg·s^–1],
• tlak při proudění spalin spalinovým hrdlem p_sp [Pa] (kde znaménko + znamená přetlak, – podtlak a p_b barometrický tlak).

a) Teplota spalin T_sp

Vyšší teplota spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče, než je teplota okolního vzduchu, spolu s napojením kouřovodu na svislý průduch, vede k vytvoření přirozeného tahu komína, který je základním principem odvodu spalin. Obecně platí, že snížením teploty spalin se snižuje přirozený tah, podtlak a při snížení teploty spalin pod jejich rosný bod dochází ke kondenzaci vodní páry ve spalinách.

b) Vlhkost spalin x_ssp

Vlhkost spalin je závislá na chemickém složení paliva a tedy velikosti podílu vodíku k ostatním složkám paliva. Vysoký podíl vodíku v po­užitém palivu, např. u zemního plynu v podobě metanu CH₄, vede při spalovacím procesu k vysokému potenciálu vzniku vodní páry ve spalinách. Což je pak možné využít právě u kondenzační techniky snahou o ochlazení spalin a uvolnění latentního tepla spalin.

c) Přebytek vzduchu l

Obsah vody ve spalinách závisí i na přebytku vzduchu při spalování paliva. Zvýšeným množstvím přiváděného vzduchu do spalovacího procesu se snižuje obsah vodní páry ve spalinách – spaliny jsou sušší a více odolávají kondenzaci. Na druhou stranu je nutné si uvědomit, že palivo má konečný počet molekul vodíku a stejně tak i přiváděný spalovací vzduch má konečný počet molekul kyslíku, které pak mohou vytvořit vodní páru ve spalinách. Je tak jasné že každý spalovací proces má dle složení použitého paliva tzv. maximální množství vodní páry ve spalinách.

Obecně také platí, že vlhkost spalin v plynném stavu přispívá ke vztlaku spalin. To proto, že při srovnatelné teplotě spalin a vzduchu jsou vlhké spaliny lehčí než vzduch.

d) Hmotnostní průtok spalin m_sp

Při výpočtech např. ve vzduchotechnice se uvažuje s objemovým průtokem vzduchu, neboť se jedná vesměs o výpočet při konstantní teplotě vzduchu. Při průtoku spalin spalinovou cestou se mění teplota spalin a tím i hustota spalin, proto se ve výpočtu odvodu spalin používá hmotnostní průtok, který zahrnuje změnu hustoty při jiných teplotních změnách.

e) Tlak proudících spalin p_sp

Jak bylo uvedeno v první části příspěvku, jsou spotřebiče, podle tlaku ve spalovací komoře, řazeny do kategorie přetlakové, atmosférické a podtlakové. Tlak ve spalinovém hrdle spotřebiče je dán tlakem potřebným, resp. použitelným při spalování (obecně tlakem ve spotřebiči) a následně tlakem požadovaným na spalinové cestě pro přirozený nebo umělý tah odváděných spalin komínem.

Spalinové hrdlo spotřebiče je místem pro tlakové vyrovnání mezi tlakovým požadavkem při spalování paliva ve spotřebiči a potřebným tlakem pro odvod spalin komínem. Zjednodušíme-li nebo zanedbáme- li vliv kouřovodu na změnu stavových veličin spalin, dá se charakteristika spotřebiče ve spalinovém hrdle (index w) transformovat na vstupní hodnoty spalin v sopouchu (index e) společného komína (obr. 1).

f) Entalpie spalin ve spalinovém hrdle

Spaliny vystupující ze spotřebiče mají v závislosti na složení paliva, teplotě a měrné vlhkosti daný tepelný obsah, který nebyl předán ve spotřebiči, např. otopné vodě a odchází ve spalinách jako komínová ztráta. Např. u kondenzačních plynových kotlů s dobře tepelně izolovaným pláštěm kotle rozhoduje komínová ztráta v podstatě o celkové energetické účinnosti spotřebiče (z pohledu nepřímé metody stanovení účinnosti).

Entalpie (tepelný obsah) je množství tepla, které je obsaženo v každém kilogramu suché části odcházejících spalin. Obecně platí, že entalpie je vyšší, čím vyšší je teplota spalin a čím vyšší je obsah vodní páry ve spalinách.

3. Grafické zobrazení ochlazování spalin

Na obr. 2 je princip závislosti měrné vlhkosti, teploty a entalpie spalin. Tento stav spalin je vyznačen v bodě 1 a je určen:

• teplotou spalin podle souřadnice na ose y pro bod 1 vyznačená číselnou hodnotou 180 °C,
• měrnou vlhkostí spalin na ose x vyznačená číselnou hodnotou 0,65 kg·kg_ssp^–1.

Při tomto stavu spalin je entalpie spalin dána, podle šikmé osy, označující stupnici entalpie, číselnou hodnotou h₁ = 378,4 kJ·kg_ssp^–1.

Teoretické ochlazení spalin na nulovou hodnotu entalpie (bod 0) je dáno přeponou pravoúhlého troj­úhelníka (tj. úsečkou mezi body 1 až 0), který je tvořen:

• ze svislé odvěsny, představující ochlazení na 0 °C suché plynné části spalin, v našem případě s hodnotou h_s1 = 184 kJ·kg_ssp^–1 (bod 2 na obr. 2),
• z vodorovné odvěsny trojúhelníka, představující ve stupnici na ose x vyznačení měrné vlhkosti spalin, kde od nulové hodnoty doprava měrná vlhkost roste je uvolněno teplo o entalpii s hodnotou h_v1 = 194,4 kJ·kg_ssp^–1.

4. Zobrazení stavových hodnot různých spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče

Obr. 3 • Přibližný h-x diagram pro spaliny a schéma ochlazování spalin z teplot 200 °C na rosný bod (RB) od různých paliv (1 – Metan l = 1,0; 2 – Zemní plyn l = 1,3; 3 – Dřevo l =  ,7 (25 % vlhkosti); 4 – LTO l = 1,15; 5 – Koks l = 1,6; 6 – Spalovací vzduch (při 25 °C, j = 55 %)

Odcházející spaliny ve spalinovém hrdle spotřebiče mají různou hodnotu teploty a měrné vlhkosti a z toho následně i entalpii, která je energetickým hodnocením spotřebiče.

Na obr. 3 jsou v h-x diagramu vzduchu přibližně uvedeny příklady stavu spalin v bodě 1 až 6 pro spaliny různých paliv a to pro konstantní teplotu 200 °C. Tato teplota, zde uvedená jako referenční, byla v minulosti dlouho předepsána jako minimální teplota ve spalinovém hrdle spotřebiče pro všechny spaliny od fosilních paliv. Bylo tomu také proto, že komín byl uvažován jako komín s přirozeným tahem, a proto byla nutná dostatečně vysoká teplota spalin ve spalinovém hrdle, tak aby byla vyloučena možnost vzniku kondenzace vodních par ve spalinách.

Obr. 3 prezentuje číslem 1 až 5 polohu určitého typu spalin podle složení paliva. Palivo s větším podílem vodíku vykazuje větší podíl vlhkosti ve spalinách. Zároveň je i vyšší měrná vlhkost spalin dosažená při nízkém přebytku spalovacího vzduchu. Při spalování metanu, resp. zemního plynu (bod 1) s přebytkem vzduchu l = 1, mají spaliny nejvyšší měrnou vlhkost a zároveň také nejvyšší teplotu rosného bodu 59,5 °C. Naproti tomu zemní plyn spalovaný s přebytkem spalovacího vzduchu l = 1,3 (bod 2) má nižší měrnou vlhkost a také i nižší teplotu rosného bodu a to 54,7 °C. Pro zajímavost suché spaliny na uvedeném příkladu od spalování koksu, se stavem spalin v bodě 5, mají teplotu rosného bodu pouze 28,3 °C.

Obr. 3 zároveň poskytuje informaci o rozdílnosti entalpií spalin při srovnatelné teplotě u vlhkých a suchých spalin od různých paliv. V daném případě můžeme porovnávat mezi entalpií spalin od metanu (v bodě 1) s číselnou hodnotou h = 630 kJ·kg_ssp^–1 a entalpií spalin od spalování koksu s číselnou hodnotou h =v230 kJ·kg_ssp^–1 při stejné teplotě spalin.

Z uvedeného diagramu vyplývá, že snižování teploty spalin z důvodů využití kondenzace vodní páry ve spalinách má smysl pouze u vlhkých spalin, kde u relativně vysoké teploty rosného bodu lze významně využít latentního tepla ze zkondenzované vodní páry. Naopak zcela nesmyslné jsou tendence posledních let snižovat teplotu spalin od tuhých paliv, jednak se nedosáhne potřebné zvýšení účinnosti a navíc se zhorší funkční vlastnosti odvodů spalin, které vedou pak k častým závadám.

5. Stacionární a nestacionární stav spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče

Spotřebič podle využívání, resp. napojení na systém může být provozován s konstantními nebo proměnnými parametry spalinové charakteristiky ve spalinovém hrdle spotřebiče. Proměnnost parametrů je dána proměnným výkonem spotřebiče. Spotřebič s konstantním výkonem je např. ohřívač pro přípravu teplé vody nebo kotel s konstantním výkonem, připojený na zásobník tepla.

Plynové přímotopné kotle jsou pro vytápění však nejčastěji provozovány v rozmezí výkonu od 100 do 20 %, přičemž při nižším výkonu je sníženou teplotou otopné vody vyvolaná i nejintenzivnější kondenzace spalin. U všech kotlů minulého období bylo sledováno, ale i požadováno, aby byla nejvyšší účinnost při jmenovitém výkonu spotřebiče. Od přijetí Nařízení komise EU č. 813/2013 je naopak požadováno, aby kotle dosahovaly největší účinnosti při 30 % jmenovitého výkonu, kdy kondenzace spalin je intenzivnější, než při teplotách otopné vody s nejvyšším výkonem, který zahrnuje krátké otopné období.

6. Vliv přebytku vzduchu na kondenzaci spalin

Podle typu plynového hořáku se řídí i přebytek vzduchu při spalování. U spotřebičů provozovaných v režimu spalin nad rosným bodem se větší přívod vzduchu na spalování projeví jen ochlazováním spalin z přimíchaného vzduchu s nižší teplotou, např. 20 °C. Přebytek vzduchu při spalování má však mnohem nepříznivější vliv na účinnost spotřebičů při kondenzačním režimu spotřebiče. Na obr. 4 je u h-x diagramu porovnáván režim ochlazování:

• u stavu spalin od spalování metanu (resp. ZP) při l = 1 (stav v bodě 1),
• s režimem při spalování zemního plynu s přebytkem vzduchu l = 1,3 (stav v bodě 2).

Ochlazování spalin je dáno teplotou vratné otopné vody (lidově zpátečky). V obr. 4 je uvažováno s teplotou vratné otopné vody 35 °C a s teplotou spalin ve výměníku 40 °C, což je společná teplota spalin pro oba stavy 1 a 2. Ve srovnávacím diagramu je:

• ochlazování suché části spalin (svislé úsečky nad rosnými body) u obou stavů spalin 1 a 2 – vyjádřeno graficky úsečkami C1 a C2 (rozdílem entalpií Dh), které mají prakticky stejné hodnoty u obou stavů,
• ochlazování spalin v kondenzačním režimu od rosných bodů s teplotou 59,5 °C (pod bodem 1) při l = 1 a od rosného bodu s teplotou 54,7 °C (pod bodem 2) při l = 1,3 až do teploty spalin 40 °C (bod K).

Ve spalinovém hrdle spotřebiče se vytváří jasný rozdíl entalpií S₁ a S₂ u obou stavů spalin. Rozdíl entalpií S₁ [kJ·kg_ssp^–1] u spalin s nulovým přebytkem vzduchu l = 1 je mnohem vyšší než rozdíl entalpií S₂ u spalin od spalování zemního plynu s přebytkem vzduchu l = 1,3. Obecně lze z diagramu na obr. 4 odvodit, že u nízkoteplotních kotlů má při ochlazování spalin přebytek vzduchu malý entalpický rozdíl a hodnoty jsou prakticky shodné. U kondenzačních kotlů se tak ukazuje, že přebytek spalovacího vzduchu má podstatný vliv na účinnost spotřebiče.

Obr. 4 • Zobrazení části zjevného (z plynné části spalin) a latentního (kondenzačního) tepelného obsahu při teoretickém průběhu ochlazování spalin z 200 na 40 °C v kondenzačním výměníku kotle C₁, resp. C₂ – tepelný obsah plynné části spalin od spalování metanu (1), resp. zemního plynu (2), S₁, resp. S₂ – tepelný obsah z kondenzace vodní páry spalin od spalování metanu (1), resp. zemního plynu (2), K – referenční teplota spalin pro výstup spalin ze spalovacího hrdla kondenzačního výměníku

7. Parametry kondenzačního spotřebiče připojeného na společný komín

Kondenzační spotřebič, nejčastěji teplovodní kotel, v průběhu otopné sezony, může být v kondenzačním nebo krátkodobě i v mimo kondenzačním režimu s teplotou vratné vody na vyšší hodnotě než je určena rosným bodem pro vznik kondenzace vodních par ve spalinách.

Výpočtově se předpokládá teplota odváděných spalin nižší, než je rosný bod spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče. S účinným přirozeným tahem se u společných komínů neuvažuje. Lze tedy odvod spalin uvažovat pouze s nuceným odvodem spalin. Hmotnostní průtok spalin pak závisí na výkonu spotřebiče.

Podstata spalovacího procesu vede výrobce kotlů nutně k přetlakovému spalování, neboť pak je splněn požadavek na nejvyšší účinnost při 30 % jmenovitého výkonu spotřebiče dle Nařízení komise EU č. 813/2013, které stanovuje požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů se jmenovitým výkonem pod 400 kW. Dosáhnout požadavku vyšší účinnosti spotřebiče při nižším výkonu než je při jmenovitém výkonu, může být řešeno pouze tak, že směs plynu a spalovacího vzduchu s nejnižším přebytkem spalovacího vzduchu lzajistí regulace ventilátoru. Ten většinou řídí i plynový hořák s plynulým výkonem a vytváří tak přetlak spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče. Této podmínce se musí přizpůsobit i komín. Odvody spalin od kondenzačních spotřebičů tohoto typu jsou tedy přetlakové s parametry, kde je uveden pouze jeden typ společného komína, který byl popsán v druhé části příspěvku.

Použitá literatura

1. NAŘÍZENÍ KOMISE (EU)č. 813/2013 ze dne 2. srpna 2013, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů a kombinovaných ohřívačů.

---

Chimneys serving more than one heating appliance – Part 3: Influence of Appliance Flue Gas Characteristics on Flue Gas Exhaust

The author in the third part of the article summarizes the basic physical parameters that are used in the design and operation of the flue gas path. Particular attention is paid to the issue of condensing technology and, at the same time, to the operating conditions of appliances required by EU Commission Regulation No. 813/2013.

The paper presents operating conditions that can occur in the flue gas path during operation of the appliance.

Keywords: flue gas, flue gas temperature, specific flue gas humidity, coefficient of excess combustion air, shared chimney