Vliv přerušovače tahu na velikost naměřené komínové ztráty

kotle a kotelny

otopné soustavy

spalinové cesty

Článek v úvodu vysvětluje, co skutečně skrývá pojem komínová ztráta a možné způsoby jejího stanovení.
Je zde srozumitelně vysvětleno, jak lze komínovou ztrátu stanovit, jednak způsobem preciznějším – detailní analýzou vstupujících složek, jednak způsobem zjednodušeným ale reálně užívaným – pomocí přenosných analyzátorů spalin.
Taktéž se dozvíme, co nám komínová ztráta vypovídá o chování a stavu spalovacího zařízení. Dále je objasněno, jak se bude projevovat vlastní naředění, tedy reálná funkce přerušovače. Konkrétní příklad realizovaného skutečného měření a stanovení komínové ztráty ukáže, že i takzvaná zjednodušená metoda má spolehlivý vypovídací efekt při znatelné změně stupně naředění spalin.
V závěru se již jen ujistíme, že měření a stanovení komínové ztráty za přerušovačem tahu má prakticky využitelnou vypovídací hodnotu.

Recenzent: Milan Holomek

Stále častěji se setkávám s otázkou, na kolik se liší účinnost kotle změřená před a za přerušovačem tahu. Za přerušovačem je nižší teplota spalin a nižší koncentrace CO₂, vyrovnají se nějakým způsobem ty efekty? V následujících řádcích provedu krátkou analýzu problému a pokusím se najít na zmíněnou otázku rozumnou odpověď.

Měření účinnosti spalovacího zdroje analýzou spalin odebraných ze spalinových cest za zdrojem bude vždy metodou více či méně nepřesnou. Především se nezjišťuje celková účinnost zdroje, ale účinnost zahrnující pouze tzv. ztrátu citelným teplem spalin (komínovou ztrátu). Na přesnost stanovení této ztráty má samozřejmě vliv také účel jejího zjišťování. Přesné, avšak technicky náročné metody, je využíváno v případě garančních měření (například certifikace kotlů na pevná paliva). Méně přesné metody ověřování pomocí přenosných analyzátorů spalin je využíváno ke zjišťování technického stavu již provozovaného zdroje, popřípadě při seřízení zdroje nově uváděného do provozu. Velikost ztráty hovoří především o nastavení spalovacího procesu a čistotě spalinových cest.

Na úvod je potřeba zmínit, že pro garanční ověřování celkové účinnosti spalovacího zdroje (hodnoty ověřované při certifikaci a deklarované výrobcem) je využíváno tzv. přímé metody, kdy celková účinnost zdroje je dána poměrem energie předané teplonosné látce k energii dodané palivem. Způsob odběru vzorků spalin v této metodě nehraje žádnou roli. Nepřímé metody, kdy jsou i díky odběru vzorků spalin zjišťovány jednotlivé složky ztrát (plynný nedopal, komínová ztráta, mechanický nedopal, ztráta sdílením tepla do okolí), je využíváno jako metody doplňkové především u kotlů na pevná paliva. Pro výrobce má stanovení jednotlivých složek ztrát význam v tom, že ukazuje na konkrétní oblasti možného zlepšení.

Komínová ztráta deklaruje ztrátu způsobenou únikem tepla spalinami. Přesněji řečeno, je to rozdíl mezi entalpií (uloženým teplem) spalin a entalpií spalovacího vzduchu, vztažený na výhřevnost paliva. Pro její přesné určení musíme tedy znát vedle teplot spalovacího vzduchu (t_v) a spalin (t_s) také výhřevnost paliva (Q_v), jeho složení i složení spalin. Z toho se stanoví objem vlhkých spalin vzniklý spálením 1 kg (1 m³) paliva při konkrétním obsahu O₂ ve spalinách (V_vs) a střední měrná tepelná kapacita oněch vlhkých spalin (c_vs). Z těchto hodnot pak získáme zmiňovanou komínovou ztrátu

Z výše popsaného je zřejmé, že přesné stanovení ztráty je možné pouze v laboratorních podmínkách, a proto se využívá především při počátečních zkouškách (certifikaci). Pro běžné kontroly zdrojů přímo v „terénu“ postačují o něco méně přesné metody ověřování komínové ztráty přenosnými analyzátory spalin. Ty pro její výpočet vy­užívají tzv. Siegertova vztahu

nebo

kde

• O₂, CO₂ jsou naměřené koncentrace ve spalinách v odběrném místě v %
• A₁, A₂ a B jsou koeficienty rozdílné pro různá paliva.

Siegertův výpočet vychází z principu, že při dokonalém spálení konkrétního paliva může vzniknout jisté maximální množství CO_2max, které je dané chemickým složením paliva. Se snižujícím se obsahem CO₂ ve spalinách (oproti CO_2max) se zvyšuje komínová ztráta pro danou teplotu spalin. Přesný rozbor paliva (výhřevnost a prvkové složení důležité i pro výpočet objemu spalin) je pro základní druhy paliv nahrazen koeficienty A, B, což jsou jakési střední hodnoty typické pro daný druh paliva. Volbou paliva (např. zemní plyn) jsou analyzá­torem zvoleny konkrétní hodnoty koeficientů A, B a CO_2max. Většina analyzátorů není vybavena senzorem pro měření CO₂, proto se jeho obsah vypočítává pomocí naměřeného obsahu O₂ podle vztahu

Pokud má být zjištěná komínová ztráta přesná, je vhodné odebrat spaliny co nejblíže za výměníkem tepla v místě s ustáleným (neturbulentním) proudem spalin. Jakékoliv naředění spalin vzduchem z vnějšího prostředí má samozřejmě vliv na koncentraci měřených složek i snížení teploty spalin. Jaký vliv to má na výpočet komínové ztráty nám napoví pohled na výše uvedený Siegertův vztah. Naředěním spalin se sníží jejich teplota. Sníží se tedy činitel z první poloviny násobku (rozdíl teplot v první závorce). Naopak se zvýší koncentrace O₂ (resp. sníží koncentrace CO₂), což znamená, že se zvýší činitel z druhé poloviny násobku (druhá závorka). Tudíž ke kompenzaci jistě dochází. Napsat k jak velké kompenzaci by bylo dost spekulativní, nicméně trochu nám může napovědět následující příklad. Vezměme plynový závěsný kotel. V provozu bez usměrňovače tahu má rozdíl teplot spalin a spalovacího vzduchu Dt = 95 °C a ve spalinách 3 % O₂. Pro zemní plyn jsou nejužívanějšími hodnotami koefi­cientů A₁ = 0,66 a B = 0,009, což vše po dosazení do Sigertovy rovnice dává komínovou ztrátu 4,3 %. Nyní uvažujme stejný kotel s usměrňovačem tahu. Naředěním spalin vzduchem nasátým přes usměrňovač dojde ke zvýšení koncentrace O₂ a naopak k snížení Dt. V tabulce níže jsou uvedeny hodnoty Dt, které by odpovídaly různým koncentracím O₂ v případě, že by byla plně kompenzována změna naředěním, tedy že by zůstala stejná komínová ztráta 4,3 %.

Tab • Změna teplotního rozdílu Dt v závislosti na změně koncentrace O₂ při konstantní q_A = 4,3 %

Při pohledu na tabulku je zřejmé, že dochází k výrazné kompenzaci. „Naředění“ spalin z ideálního přebytku vzduchu 1,17 na stále ještě reálný přebytek 1,75 (9 % O₂) by mělo být kompenzováno snížením teploty spalin o 27 °C, což nevypadá vůbec nereálně. Při pohledu na konec tabulky pak 18 % O₂ odpovídá téměř koncentraci ve venkovním vzduchu, čemuž odpovídá i teplota spalin vyšší o necelých 20 °C oproti teplotě prostředí. Navíc je třeba si uvědomit, že změna teploty spalin o 10 °C při konstantní koncentraci O₂ znamená změnu ztráty o přibližně 0,5 %, tedy pokud by reálná změna teploty spalin byla v toleranci ±10 °C oproti teplotě uvedené v tabulce, stále se pohybujeme v relativně solidní oblasti přesnosti.

Pro ověření výše uvedených skutečností jsem provedl měření u automatického kotle na hnědé uhlí s retortovým hořákem, u kterého byl na kouřovodu mezi kotlem a komínovým sopouchem umístěn běžný omezovač tahu. Kotel byl provozován na snížený výkon 8 kW, čemuž odpovídal také vyšší přebytek vzduchu ve spalinách. Z odběrného místa za přerušovačem tahu jsem po dobu 30 minut odebíral spaliny přenosným analyzátorem spalin MRU Spectra 1600GL. Prvních 12 minut probíhal odběr spalin při uzavřeném omezovači tahu, poté jsem na 14 minut omezovač otevřel a na poslední 4 minuty měření omezovač uzavřel na 90 %. Výsledek měření je zachycen na přiloženém grafu. Okamžik otevření a poté i přivření omezovače je velice pěkně zvýrazněn změnou koncentrace O₂ a CO₂ ve spalinách a stejně tak změnou teploty spalin (T-Spal). Naopak křivka účinnosti (ETA) je po celou dobu měření prakticky konstantní, což potvrzuje výše popsanou úvahu o kompenzaci změny přebytku vzduchu ve spalinách změnou teploty spalin.

Jistotu přesného určení komínové ztráty ručním analyzátorem spalin máme samozřejmě v případě odběru neředěných spalin. U kotlů na pevná paliva by to neměl být problém. U těch se instalují tzv. omezovače tahu komína, které mají eliminovat tah vyšší, než doporučuje výrobce kotle a které se, vzhledem k bezpečnosti provozu, musí instalovat v bezpečné vzdálenosti od spalinového hrdla. Takže zde by neměl být problém najít mezi omezovačem a spalinovým hrdlem vhodné místo pro odběr neředěných spalin. U plynových kotlů v provedení B to naopak problém je. Usměrňovače spalin u nich slouží k eliminaci vlivu komínového tahu na stabilitu spalovacího procesu a ve většině případů je tento usměrňovač součástí kotle (je umístěn přímo nad výměník), takže najít vhodné místo pro „neředěný“ odběr není možné. Na určení koncentrace CO ve spalinách to vliv nemá, protože ta se přepočítává na neředěné spaliny (l = 1), popřípadě na referenční obsah O₂ = 3 %. Pokud je kotel provozován v přiměřeném režimu a především za rozumných tahových podmínek, dá se s velkou pravděpodobností předpokládat, že vliv naředění spalin na stanovení komínové ztráty je také minimální. Rozhodně není pravdou tvrzení, že měření komínové ztráty (účinnosti plynového kotle) za usměrňovačem tahu je zcela nesmyslné a nemožné. Je nutné si uvědomit, že měření ručním analyzátorem spalin bude vždy do jisté míry nepřesné, nicméně pro běžnou kontrolu spalovacího zdroje je i tato metoda postačující.

Diverter flue draft diverter Influence on the size of the measured chimney losses

The author explains what is meant by the term chimney losses and methods for determining the chimney losses.