Zjišťování tepelné účinnosti plynových kotlů a kotelen - III. díl

Energetická bilance kotelny v teplotně ustáleném provozu

Tato bilance (obr. 1) je obdobná jako energetická bilance kotle. Liší se ale v těchto bodech:

• namístě tepelného příkonu do kotle obsaženém ve spalovacím vzduchu je tepelný příkon kotelny obsažený v přiváděném vzduchu, který tvoří spalovací vzduch pro kotel o hmotnostním průtoku m_as a větrací vzduch přisávaný komínem mimo kotel přes přerušovač tahu o hmotnostním průtoku m_av,
• namístě tepelné ztráty kotle sdílením tepla z jeho povrchu do kotelny je tepelná ztráta kotelny prostupem tepla jejím pláštěm do okolí.

Do kotelny vstupují příkony (kW):

Q1	- tepelný příkon kotelny v dodávaném plynu,
Qap	- tepelný příkon kotelny v přiváděném vzduchu.

Z kotelny vystupují výkony (kW):

Q2	- užitečný tepelný výkon kotelny odváděný oběhovou vodu na výstupu z kotelny,
Qs	- tepelná ztráta kotelny odcházejícími spalinami,
Qk	- tepelná ztráta kotelny prostupem tepla jejím pláštěm do okolí.

V kotelně se sdílejí ještě tepla, popsaná těmito výkony (kW):

Qz	- tepelná ztráta přestupem tepla z teplého povrchu zařízení kotelny do jejího prostoru,
Qav	- tepelná ztráta větráním v kotelně.

Jednotlivé složky výkonů lze stanovit z následujících vztahů:

kde

mc	-	hmotnostní průtok plynu (kg.h-1)
Vc	-	objemový průtok plynu při jeho skutečné teplotě a tlaku (m3.h-1)
bc	-	spalné teplo zemního plynu = 15,36 při referenční teplotě 25 °C (kWh.kg-1)
ρc0	-	hustota zemního plynu při teplotě 0 °C a tlaku 101,3 kPa = 0,72 (kg.m-3)
pc	-	skutečný tlak plynu (kPa)
pco	-	standardní tlak plynu = 101,3 (kPa)
Tc	-	skutečná teplota plynu (K)
Tc0	-	teplota plynu při teplotě 0 °C = 273 (K)
map	-	hmotnostní průtok přiváděného vzduchu (kg.h-1)
mav	-	hmotnostní průtok větracího vzduchu (kg.h-1)
ms	-	hmotnostní průtok spalin (kg.h-1)
mv	-	hmotnostní průtok oběhové vody (kg.h-1)
ha	-	entalpie spalovacího vzduchu při teplotě te (Wh.kg-1)
hs	-	entalpie spalin při jejich skutečné teplotě (Wh.kg-1)
c	-	měrná tepelná kapacita vody = 1,163 (Wh.kg-1.K-1)
ca	-	měrná tepelná kapacita vzduchu = 0,28 (Wh.kg-1.K-1)
Uk	-	součinitel prostupu tepla pláštěm kotelny do okolí (W.m-2.K-1)
αz	-	součinitel přestupu tepla z teplého povrchu zařízení kotelny do jejího prostoru = 12 (W.m-2.K-1)
Sk	-	plocha pláště kotelny (m2)
Sz	-	plocha teplého povrchu zařízení kotelny (m2)
t1	-	teplota vody vystupující z kotelny (přívod) (°C)
t2	-	teplota vody vstupující do kotelny (zpátečka) (°C)
tz	-	průměrná teplota teplého povrchu zařízení kotelny (°C)
ti	-	vnitřní teplota kotelny (°C)
te	-	venkovní teplota (°C).

Uváděné entalpie h jsou vztahovány k teplotě 0 °C.

Tepelná ztráta kotelny odcházejícími spalinami Q_s se určuje pro skutečný přebytek vzduchu ve spalinách za přerušovačem tahu, který bývá zvýšen o vzduch přisávaný komínem mimo kotel přes přerušovač tahu.

Protože z tepelné bilance kotelny platí, že

lze potom absolutní tepelnou účinnost kotelny (-) vyjádřit vztahem

Tepelný příkon kotelny v dodávaném plynu Q₁ se zjistí výpočtem ze vztahu (1) pomocí změřeného objemového průtoku plynu V_p (m³.h^-1) plynoměrem při skutečné teplotě a tlaku plynu. Užitečný tepelný výkon kotelny odváděný oběhovou vodu na výstupu z kotelny Q₂ se změří přímo měřičem tepla v teplovodním potrubí na výstupu z kotelny. Tepelný příkon kotelny v přiváděném vzduchu Q_ap je nutno stanovit výpočtem ze vztahu (2), přičemž hmotnostní průtok vzduchu se stanoví z naměřené rychlosti a teploty přívodního vzduchu, z hustoty přívodního vzduchu a z průřezu přívodního otvoru.

Množství vzduchu přivedené do kotelny (kg.h^-1) je také možno určit nepřímo z koncentrace kyslíku ve spalinách v komíně za přerušovačem tahu ze vztahu

kde

λ	- součinitel přebytku spalovacího vzduchu = 21 / (21 - fO2) (-)
fO2	- naměřená objemová koncentrace kyslíku O2 ve spalinách (%)
u	- poměrné teoretické množství spalovacího vzduchu vzhledem k plynu = 17,03 (kg.kg-1).

Pokud kotel v kotelně neběží stále o příkonu Q₁, ale vypíná, musíme při výpočtu účinnosti kotelny pracovat s tzv. redukovanými výkony, ve kterých je zohledněna doba běhu kotle τ_b (h) a doba klidu kotle τ_o (h). V klidovém stavu kotle budou tepelné ztráty kotelny dány veličinou Q_k a veličinou Q_s, která však bude vyjadřovat ztrátu tepla ve větracím vzduchu, který bude do kotelny vstupovat s teplotou t_e a kotelnu bude opouštět s teplotou t_i nebo vyšší podle toho, zda se ohřeje teplem akumulovaným v odstaveném kotli a v komíně.

Vztah (9) potom přejde do tvaru pro redukovanou účinnost (-)

kde

ω	- poměr doby běhu kotle k době periody běhu = τb / (τb +τo) (-).

Při klidu kotle dosahují veličiny Q₁, Q₂, a Q_s nulových hodnot, veličina Q_ap = Q_av. Toto platí pro případ, že kotel má spalinovou klapku. Pokud kotel nemá klapku, větrací vzduch prochází částečně i kotlem, ochlazuje jej a tím zvětšuje ztrátu do okolí.

Cílem prvních tří dílů seriálu bylo poskytnout zjednodušený návod, jak správně vyjadřovat účinnost kotlů a kotelen, a to i v případě, že jsou osazeny kondenzačními kotli. Proto bylo pro vyjádření příkonu použito spalné teplo plynu a odpovídajícím způsobem bylo upraveno vyjádření entalpie spalin. Tím se podařilo eliminovat termodynamicky nesmyslné hodnoty účinnosti větší než 100 %, které u kondenzačních kotlů vycházejí při aplikaci standardní metodiky, která používá pro vyjádření účinnosti kotle výhřevnost plynu. Uvedená metodika pak ve výsledku dává hodnoty účinnosti o několik procent nižší.

Je třeba zdůraznit, že účinnost kotle i kotelny není parametr fixní nýbrž proměnný závislý na celé řadě konkrétních podmínek. Účinnost bude ovlivňovat např. výkon kotle, kvalita paliva, konkrétní přebytek spalovacího vzduchu, teplota zpětné a výstupní vody, teplota nasávaného vzduchu, čistota výhřevných ploch kotle ap. Proto je třeba ke každé z hodnot určených účinností připojit informaci o podmínkách, pro které platí. Pokud se účinnost používá v ročních bilancích, např. spotřeby paliva nebo produkce emisí, je třeba použít průměrnou roční účinnost, do níž se promítají nestacionární provozní režimy jako je výkonová regulace, najíždění a odstavování kotle ap. Průměrná roční účinnost pak obvykle vychází o 1 až 5 % horší než je účinnost určená při optimalizovaném ustáleném jmenovitém režimu.