Společné komíny: Výpočet přetlakových kondenzačních komínů – 4. část

Autor popisuje obecné tlakové závislosti při provoz přetlakových komínů. Text je zaměřen univerzálně a je možné základní fyzikální podstatu provozu přetlakových komínů aplikovat na libovolný spotřebič. Příspěvek detailně uvádí výpočtové parametry a zásady hydraulického výpočtu včetně grafického znázornění.

Recenzent: Roman Vavřička

1. Úvod

V předchozí části byla uvedena charakteristika spalin jako výchozí parametr pro návrh spalinové cesty. Bylo zdůvodněno, proč u současných kondenzačních plynových spotřebičů je charakteristika spalin dána přetlakem spalin při předpokládané nízké teplotě pod rosným bodem spalin.

2. Obecné zásady výpočtu komína

Obecným pravidlem pro stanovení rozměru průřezu komína a kouřovodu je porovnání dispozičního tlaku s tlakovou ztrátou vzniklou při požadovaném proudění spalin. Uvažované výpočtové tlakové parametry jsou vlastně rozdíly tlaků. U dispozičních tlaků jsou vztažené k hodnotě relativně konstantního atmosférického tlaku (podle počasí a výšky nad terénem), a tou je tlak označený obvykle symbolem p_b s referenční hodnotou 101 325 Pa a teplotou 0 °C.

Všechny tlakové podmínky, které se nám ve výpočtech vyskytnou, jsou tlakové rozdíly mezi vyšším tlakem a nižším tlakem. U dispozičního tlaku je rozdíl od hodnoty atmosférického tlaku směrem vyšším, označovaný jako přetlak a směrem nižším jako podtlak. Jako podtlak se uvažuje i přirozený tah komína z rozdílu hustot spalin a vzduchu. Nucený přetlak v komíně, způsobený ventilátorem hořáku spotřebiče, je v případě vyšší teploty spalin než je teplota vzduchu ve svislé části spalinové cesty, doplněn o přirozený tah (tzv. statický tah p_H). Ten je samozřejmě v případě kondenzujících spalin v komíně podstatně nižší než u standardních teplot spalin nad rosným bodem. Přirozený tah spolupůsobí vždy, ať je jeho velikost jakákoliv a je pouze na nás, započítáme-li ho do vztahu pro dispoziční tlak ventilátoru.

Přívod spalovacího vzduchu k hořáku kondenzačního kotle je řízen ventilátorem, který přizpůsobuje průtok přiváděného vzduchu podle výkonu, resp. průtoku přiváděného plynu do hořáku. Ventilátor kotle pracuje pro proměnný výkon spotřebiče při požadavku zachovat co nejnižší přebytek spalovacího vzduchu, zejména při požadavku nejvyšší účinnosti. Proto by vliv změny tlakové ztráty v komíně na spalovací proces, při proměnném výkonu spotřebiče, měl být co nejvíce eliminován. Často se to děje souběžným použitím regulačních armatur a ventilů pro krytí tlakové ztráty při používání ventilátorů s proměnnými otáčkami pro změnu dynamického tlaku dle potřeb hořáku. Nejméně je tlaková proměna na spalinové cestě řešena při použití svislého kouřovodu s funkcí komína, jak je uvedeno na obr. 3.

3. Funkce a tlaková kritéria přetlakového komína podle ČSN EN 13384-1

Výpočet průřezu komínového průduchu u mokrého přetlakového komína se provádí z následujících dvou kritérií:

• přetlak v sopouchu komína p_ZO musí být stejný nebo menší než je nejvyšší tlakový rozdíl v sopouchu P_Zoe,
• přetlak v kouřovodu a komíně nesmí být větší než je přípustný přetlak pro kouřovod a komín P_Z excess.

Pro mokré přetlakové komíny musí platit následující vztah:

kde je:

• P_WO nejvyšší tlakový rozdíl hořáku spotřebiče [Pa]
• P_ZO nejvyšší přetlak v sopouchu komína [Pa]
• P_ZOe nejvyšší požadovaný přetlak v sopouchu komína [Pa]
• P_FV tlaková ztráta v kouřovodu [Pa]
• P_L tlaková ztráta účinkem větru [Pa]
• P_R tlaková ztráta v komíně [Pa]
• P_B tlaková ztráta z nasávání vzduchu [Pa]
• P_Z excess nejvyšší přípustný přetlak [Pa]

a) Charakteristika funkce

Spotřebiče s přetlakem od hořáku jsou spotřebiče, u kterých přetlak od ventilátoru hořáku je vyšší než tlaková ztráta ve spotřebiči a v místě spalinového hrdla tak vytvářejí přetlak.

Podle ČSN EN 13384-1 je třeba nejvyšší přetlak ve spalinovém hrdle spotřebiče p_WO chápat jako dispoziční přetlak ventilátoru po odečtení tlakových ztrát ve spotřebiči. Při započítání přetlaku ve spalinovém hrdle p_WO, tvořeného spotřebičem, se proto započítává do rovnice rovnováhy i tlaková ztráta z nasávání vzduchu p_B.

b) Tlaková ztráta z nasávání vzduchu p_B

Za negativní tlakovou ztrátu z nasávání vzduchu, která se odečítá od dispozičního tlaku ventilátoru, uvažujeme případ, pokud přívod vzduchu je:

• otvorem, štěrbinou, spárou z venkovního prostoru do místnosti,
• horizontálním nebo vertikálním průduchem z venkovního prostoru do místnosti,
• horizontálním nebo vertikálním průduchem z venkovního prostoru k hořáku uzavřeného spotřebiče (u plynového spotřebiče v provedení C).

Tato tlaková ztráta dosahuje jmenovité hodnoty u průduchu s přívodem vzduchu k uzavřenému spotřebiči.

Pozitivní tlaková ztráta p_B, která se přičítá k tlakovému účinku ventilátoru hořáku p_WO vzniká v případě, že přívod vzduchu na spalování je nucený přetlakový:

• otvorem do místnosti,
• průduchem do místnosti,
• průduchem k ventilátoru hořáku u uzavřeného plynového spotřebiče (v provedení C).

c) Účinek tlakové ztráty od větru p_L

U přetlakových komínů se vzhledem k zajištění přetlaku od ventilátoru, nevytváří nebezpečí zpětného pronikání spalin do místnosti od účinku větru na ústí komína. Přetlak ventilátoru obvykle vytváří vyšší tlakové hodnoty, než jsou hodnoty tlakové ztráty od větru na ústí komína. Tlaková rezerva při volbě p_WO je dostatečná, aby eliminovala účinek větru p_L na ústí komína.

4. Dělená a nedělená spalinová cesta

Spalinová cesta v klasickém pojetí je tvořena kouřovodem a komínem. Zvláštní forma spalinové cesty je tvořena od plynových spotřebičů v provedení C. V tomto případě je kouřovod s funkcí komína, odvádějící spaliny od spotřebičů vytváří tzv. uzavřený plynový spotřebič. V současné době je centricky řešený vzduchový průduch pro přívod spalovacího vzduchu využíván jako průduch tvořící ochranu přetlakového spalinového průduchu. Kouřovod s funkcí komína je zobrazen na obr. 3.

U nového pojetí kondenzačních spotřebičů zajišťuje podstatnou část dispozičního tlaku k odvodu spalin ventilátor. Průduch je tvořen nepřerušovanou plynotěsnou a vodovzdornou ohebnou nebo pevnou trubkou, odolnou tlaku spalin, vzdorující volně stékajícímu kondenzátu do spotřebiče. Nabízí se tak řešení s pojetím jednoho materiálově i tvarově použitého potrubního průduchu bez nutnosti napojování na jiný průduch v místě sopouchu.

Rozdělení spalinové cesty na kouřovod a komín vychází z klasického pojetí, že spotřebič s kouřovodem dovoluje změnu vzducho-spalinového systému v prostoru místnosti, kdežto komín je součástí stavební konstrukce, která zůstává stálá, zabudovaná a pouze se může přizpůsobovat různým úpravám. Komín podléhá zásadám, platným v celé budově a okolí, s požárními, hygienickými, estetickými, tepelně technickými požadavky apod.

Kouřovod se spotřebičem se řeší samostatně podle individuálních požadavků pro prostor místnosti, do kterého je třeba zajistit přívod spalovacího vzduchu, tlakovou hladinu vzduchu, požární ochranu trubních rozvodů, tahové, resp. tlakové podmínky spotřebiče atd.

Z toho důvodu byl sopouch komína dělicím místem, oddělujícím i výpočtově připojování spotřebiče od odvodu spalin komínem. Bylo tak z praktických důvodů učiněno i při hydraulickém a rovněž tepelně technickém návrhu. V neposlední řadě je komín ošetřen řadou legislativních nařízení z hlediska stavební konstrukce, bezpečnosti, požární ochrany i samotné funkce, která podléhá nejen schvalovacímu procesu, ale také kontrole a měření parametrů, které jsou na komíně prováděny např. kominíkem.

Podle obr. 1 je toto pojetí stále uvedené v technické legislativě i v normových výpočtových zásadách.

O odvodu spalin však stále více z hlediska funkce rozhodují parametry přetlakového hořáku, který spalinami vytváří individuální parametry tlaku, teploty, vlhkosti, oddělené od charakteristických vlastností klasického komína. Výrobce spotřebiče většinou neudává charakteristiku spalin ve spalinovém hrdle ani regulaci průběhu výkonu. Často je návrh pro odvod spalin udáván výrobcem jen pomocí náhradní délky kouřovodu s funkcí komína, která může být řešena např. až do několika desítek metrů. Zde je nutné, ale upozornit na to, že jakákoli změna směru proudění spalin (např. koleno, oblouk apod.) výrazně zkracuje tuto tzv. náhradní délku kouřovodu. Stejně tomu tak je u zakončení koncentrického systému odvodu spalin, který je většinou zakončen speciálním konstrukčním dílem. Stejně tak toto platí v případě speciální tvarovky na hrdlech kotlů, která odděluje potrubí pro spaliny a přívod spalovacího vzduchu. V případě vedení kouřovodu ve vyšších budovách je nutné zvážit, zda pro splnění podmínky náhradní délky kouřovodu není lepší použít samostatné potrubí pro přívod spalovacího vzduchu (tj. nasávat např. z fasády) a samostatné potrubí pro odvod spalin.

Případ kouřovodu s funkcí komína pro plynový spotřebič v provedení B (tj. otevřený plynový spotřebič) při vložení dvou kolen na spalinovou cestu je řešen na obr. 4.

Svislá část kouřovodu s funkcí komína od plynových spotřebičů v provedení B, procházející budovou, je proto vložena do vzduchového průduchu. Velmi často při záměně standardních kotlů za kondenzační se využívají stávající plášťové tvarovky, např. od keramických komínů systémů Schiedel a vkládají se do nich kouřovody s funkcí komína od kondenzačních spotřebičů, neboť spalinový průduch pro nový plynový spotřebič je podstatně menšího průřezu. V případě plynových spotřebičů v provedení B je ovšem nutné připomenout nutnost zajištění přívodu spalovacího vzduchu, který musí být řešen výpočtem dle konkrétní situace na místě instalace.

5. Grafické zobrazení průběhu tlaků

Pro hydraulický výpočet komína je přetlak hořáku vstupním teoretickým dispozičním tlakem, který se spotřebuje na tlakové ztráty. Tlakové ztráty zahrnují pak tlakové ztráty třením, tlakové ztráty místní a také dynamickým tlakem.

Pro popis tlakových ztrát, které vzniknou pouze při proudění tekutiny potrubím, musíme znát tvar průduchu: průřez, změnu směru, drsnost povrchu apod.

Obr. 5 • Průběh tlakové čáry ve svislém spalinovém průduchu;
Stav 0 – přetlak v komíně pv = p_E + p_G,
Stav 1 – tlak v komíně p_b = 0, p_H = p_E a p_V = p_G,
Stav 2 – přetlak v komíně (p_H < p_E, p_V > p_G).
Legenda: p_H – statický tah, p_V – dispoziční přetlak ventilátoru v patě komína, p_E – tlakové ztráty třením, p_G – dynamická ztráta, p_b – barometrický tlak (na stupnici tlaku p_b = 0),
r_m – střední hustota spalin, r_e – hustota vzduchu.
Mezní křivky A a B – křivky vymezující průběh tlaku po výšce komína (křivka A – podtlak, křivka B – přetlak).

5.1 Tlakové ztráty

Tlakové ztráty třením

U svislého komína, který má výšku H, proudí spaliny při přetlaku ve spalinovém hrdle p_V a vytvoří tlakovou ztrátu třením (drsnost, součinitel tření l, hydraulický průměr d_h) danou vztahem:

Pozn.: Spaliny proudí střední rychlostí v_m při střední hustotě spalin r_m.

Místní tlaková ztráta

Velikost místní tlakové ztráty je přibližně vyjádřena součinitelem místní ztráty z např. kolen, tvarovek, zakončení potrubí apod., která je stanovena vztahem:

Dynamický tlak

Dynamický tlak je definován vztahem:

kde je:

• v_m střední rychlost proudění spalin v průduchu [m·s^–1]
• r_m střední hustota spalin v průduchu [kg·m^–3]

Čím větší bude dynamická tlak p_G, tím větší bude rychlost proudění spalin a tím více spalin, při daném průřezu průduchu, odvedeme komínem.

Představíme-li si teoreticky stav, že průduch (komín) nemá žádnou drsnost povrchu, je přímý a nedojde k žádné tlakové ztrátě při proudění, a necháme průduchem proudit spaliny s konstantní hustotou r_m, pak veškerý dispoziční tlak se spotřebuje na dynamický tlak.

5.2 Vznik přetlaku ve svislém průduchu

(obr. 5, stav 0)

Představa vzniku přetlaku ve svislém průduchu může být např. simulována ventilátorem osazeným do paty svislého průduchu. Z charakteristiky ventilátoru vyplývá průběh dispozičního tlaku p_v v závislosti na objemovém průtoku – pro naši potřebu je lépe uvažovat závislost na hmotnostním průtoku. Dispoziční tlak ventilátoru se spotřebuje na tlakové ztráty (třením a místní) a na dynamickou ztrátu p_G.

V případě malé účinné výšky komína, u chladných spalin, je tento výpočet běžným řešením, které odpovídá zásadám pro návrh vzduchovodů. Přetlak je na vstupu do průduchu a celý průduch bude pod přetlakem vzhledem k atmosférickému tlaku okolního prostředí. Od místa vstupu se bude měřený přetlak při proudění spalin snižovat až do jeho ústí tak, jak je vyznačováno čarou průběhu tlakových ztrát (v ústí 0 na vstupu nejvyšší hodnota).

Na obr. 5 je u stavu 0 zobrazena zjednodušeně tato představa přetlakového komína, kterým proudí spaliny se stejnou hustotou, jakou má vzduch v okolí komína (r_e) a s vyznačením atmosférického tlaku p_b = 0. Dispoziční přetlak ventilátoru je na vstupu do průduchu označen +p_v.

5.3 Spolupůsobení nuceného přetlaku a přirozeného tahu

(obr. 5, stav 1, 2)

Přetlak vytvořený v patě komína má hodnotu p_v, statický tah má hodnotu –p_H v patě komína a +p_H v jeho ústí. Účinek přetlaku v patě komína vyznačme opět na přetlakové kladné části tlakové stupnice vpravo a statický tah na záporné části stupnice vlevo. Součtem účinků statického tahu p_H a dispozičního přetlaku p_V v patě komína se vytvoří teoretické mezní křivky (zjednodušeně přímky) průběhu nejvyšší hodnoty tlakových ztrát, které v komíně mohou vzniknout.

U zcela teoretického případu podle obr. 5, stav 1, kdy p_H = p_E a p_V = p_G, veškerou dynamickou ztrátu kryje dispoziční tlak ventilátoru a statický tah se spotřebuje na tlakové ztráty třením. Průběh měřeného tlaku po výšce komína je na hodnotě atmosférického tlaku. To se kryje rovněž s představou, že komín má nulovou výšku H, tedy nulové ztráty třením a veškerý dispoziční přetlak ventilátoru se spotřebuje na dynamický tlak p_G.

Klasický přetlakový kouřovod s funkcí komína podle obr. 5, stav 2, jak jej většinou uvažujeme, je vyjádřen přetlakem po celé výšce průduchu. Účinný tah komína p_H kryje pouze částečně tlakové ztráty třením p_E, zbytek spolu s dynamickým tlakem zajišťuje dispoziční přetlak ventilátoru p_V. Komín tedy bude v přetlaku, je-li p_E > p_H.

5.4 Svislý průduch s místními ztrátami Z1 a Z2

(obr. 6, stav 1, 2)

Obr. 6 • Průběh tlakové čáry v přetlakovém svislém průduchu;
Stav 1 – Komínový průduch v úseku 0 až 1 v přetlaku, v úseku 1 až 2 – atmosférický tlak, v úseku 1 až 3 v podtlaku. Platí: (p_Ei + p_Zi) = p_H a p_G = p_V
Stav 2 – Komínový průduch v úseku 0 až 2 v přetlaku, v úseku 2 až 3 v podtlaku blízkému atmosférickému tlaku. Platí: (p_Ei + p_Zi) > p_H a p_G
Legenda: p_Ei – součet tlakových ztrát třením v i–tém úseku, p  – součet místních ztrát v bodě 1 a 2

Shodně s obr. 5 sledujme případ rozložení tlakové čáry svislého průduchu, konstantního průřezu, s přetlakem v patě komína p_V, jsou-li v průduchu jeho tvarem vytvořené místní ztráty Z₁ a Z₂, např. uhnutím průduchu. Průduchem proudí konstantní množství spalin a dynamický tlak p_G je proto konstantní. Podobně jako u předchozího obrázku uvažujme dva stavy průběhu tlakové čáry.

Je-li teoreticky součet tlakových ztrát (p_Ei + p_Zi) stejný jako je statický tah komína podle obr. 6, stav 1, je spodní část komínového průduchu (od bodu 0 do Z₁) v přetlaku a horní část komína (od Z₂ do bodu 3) v podtlaku. Střední část komína (od Z₁ do Z₂) je buď v přetlaku, nebo v podtlaku (limitně, jsou-li Z₁ a Z₂ v třetinách výšky a p_Z1 = p_Z2, je naměřen v této části průduchu atmosférický tlak p_b = 0).

Při statickém tahu menším, než jsou tlakové ztráty v průduchu (p_H < (p_Ei + p_Zi)) podle obr. 6, stav 2 bude spodní část průduchu v přetlaku (od bodu 0 do Z₂) a horní část (od Z₂ do bodu 3) v mírném podtlaku, limitně bude naměřen atmosférický tlak p_b = 0.

6. Závěr

Jak bylo uvedeno i v předchozích příspěvcích, hydraulický návrh odvodu spalin od přetlakového spotřebiče přestává být ovlivňován klimatickými podmínkami. Od kondenzačního plynového spotřebiče s nuceným odtahem spalin není třeba kompletně posuzovat komín na tepelně technické parametry komínového pláště, protože výrobce většinou dodává konkrétní typ spalinové cesty určený pro provoz daného spotřebiče. O výpočtech spalinové cesty stále tak více rozhoduje výrobce kotle, resp. hořáku s proměnným výkonem během provozu i s ohledem na účinnost spalovacího procesu.

Literatura

1. ČSN EN 13384-1 Komíny – Tepelně technické a hydraulické výpočtové metody – Část 1: Samostatné komíny. 2016-9.

---

Chimneys serving more than one heating appliance – Part 4: Calculation of condensing pressure chimneys

The author describes general pressure dependencies during operation of pressure chimneys.

The text is universal and it is possible to apply the basic physical principle of pressure chimneys operation to any appliance. The paper presents in detail calculation parameters and principles of hydraulic calculation including graphical representation.

Keywords: connecting flue pipe, chimney, flue gas path design, chimney design