Výpočet objemu spalovacího vzduchu a objemu spalin
© Fotolia.com
Objem spalovacího vzduchu určuje požadavky na jeho přívod. Objem spalin je základem pro přesný výpočet spalinové cesty, komínu.
Pro potřeby výpočtů objemů spotřebovaného spalovacího vzduchu a vzniklého objemu spalin po spálení jednotkového množství paliva jsou udávány jednak:
- objemy minimální za normálních podmínek, tj. teoretická nejmenší spotřeba spalovacího vzduchu a teoretický (nejmenší) objem vzniklých spalin,
- objemy skutečné za normálních podmínek, tj. objem spalovacího vzduchu při součiniteli přebytku spalovacího vzduchu α a objem vzniklých spalin při součiniteli přebytku spalovacího vzduchu α.
Součinitel přebytku spalovacího vzduchu je zjednodušeně odvozen pro dokonalé spalování z objemu volného kyslíku ve spalinách ωO2, který lze stanovit měřením této hodnoty vhodným kyslíkovým analyzátorem spalin. Mezi α a ωO2 platí jednoduchý vztah:
(8)
Při výpočtu objemů spotřebovaného spalovacího vzduchu a vzniklého objemu spalin po spálení jednotkového množství paliva se pracuje s následujícími objemy vzduchu a spalin:
- Vvs min [m3/kg] minimální objem suchého vzduchu potřebný pro spálení 1 kg paliva,
- Vvv min [m3/kg] minimální objem vlhkého vzduchu potřebný pro spálení 1 kg paliva,
- Vss min [m3/kg] minimální objem suchých spalin vzniklých spálením 1 kg paliva,
- Vsv min [m3/kg] minimální objem vlhkých spalin vzniklých spálením 1 kg paliva.
Pro přepočet minimálního objemu suchého vzduchu na vlhký vzduch lze použít vztah:
kde součinitel ø je přibližně 1,016 (pro vzduch s relativní vlhkostí 60 % a teplotou 20 °C).
Dále obecně platí:
kde značí
- VN2
- objem N2 ve spalinách [m3.kg−1, nebo m3.m−3],
- VH2O
- objem vodních par ve spalinách [m3.kg−1, nebo m3.m−3],
- VCO2
- maximální objem CO2 ve spalinách [m3.kg−1, nebo m3.m−3],
- VSO2
- maximální objem SO2 ve spalinách [m3.kg−1, nebo m3.m−3],
- VAr
- objem Ar ve spalinách [m3.kg−1, nebo m3.m−3].
K přesnému stanovení minimálních objemů suchých a vlhkých spalin dle vztahů (10) a (11), ale i výpočtu minimálního objemu suchého vzduchu potřebného ke spálení 1 kg paliva, je nutná znalost prvkového složení paliva a výpočet jednotlivých složek vychází z příslušných rovnic pro spalování prvků hořlaviny a ze složení vzduchu pro spalování.
Pro objem vlhkého a suchého vzduchu Vvv a Vvs při spalování s přebytkem vzduchu α platí:
a obdobně:
Skutečný objem vlhkých spalin při teplotě spalin tS [°C] a absolutním tlaku pS [Pa] a při dokonalém spalování s přebytkem vzduchu α můžeme určit dle vztahu:
(14)
[m3.kg−1, nebo m3.m−3]
Pro objem suchých spalin za normálních podmínek a při dokonalém spalování s přebytkem vzduchu α platí vztah:
Vztahy pro přibližné určení spotřeby spalovacího vzduchu a množství spalin
V mnoha případech neznáme přesné složení paliva, pro které chceme přibližně určit spotřebu spalovacího vzduchu a množství vzniklých spalin. Pokud známe výhřevnost paliva, můžeme použít přibližných vztahů.
Všechny dále uváděné vztahy pro výpočet spotřeby spalovacího vzduchu a pro výpočet objemu vzniklých spalin jsou přibližné, protože jsou odvozeny pro výhřevnost paliva o průměrném prvkovém složení a průměrném obsahu vody a popelovin v palivu. Výsledné vztahy jsou tedy platné pro 1 kg paliva (1 m3 plynného paliva za normálních podmínek) a udávané objemy jsou všechny platné pro normální podmínky.
Pro paliva s výhřevností QN [MJ.kg−1 pro pevná a kapalná paliva nebo MJ.m−3 pro plynná paliva] můžeme použít pro α = 1 a dokonalé spalování Rosin–Fehlingovy vztahy:
(16)
[m3.kg−1, nebo m3.m−3]
(17)
[m3.kg−1, nebo m3.m−3]
kde jsou K1 až K4 konstanty, jejichž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 16.
| Paliva | K1 | K2 | K3 | K4 |
|---|---|---|---|---|
| všechna pevná paliva s výjimkou odpadů | 1,012 | 0,5 | 0,95 | 1,375 |
| kapalná paliva | 0,85 | 2,0 | 1,11 | 0 |
| plynná paliva s QN < 12,6 MJ.m−3 | 0,92 | −0,08 | 0,76 | 0,87 |
| plynná paliva s QN > 12,6 MJ.m−3 | 1,07 | 0 | 1,09 | 0,47 |
Pro uhlí platí přibližný vztah:
Pro ropné lehké topné oleje platí přibližná hodnota:
Pro metanový zemní plyn platí přibližná hodnota:
Uvedené vztahy umožňují přibližné stanovení objemu suchých spalin za normálních podmínek při dokonalém spalování s přebytkem vzduchu α, tj. hodnoty Vss [m3.kg−1, nebo m3.m−3] dle vztahu (15). Postup při výpočtu je následující.
Pro kapalná a plynná paliva se hodnota Vvs min [m3.kg−1, nebo m3.m−3] stanoví dle vztahu (16) a hodnota Vss min [m3.kg−1, nebo m3.m−3] podle druhu paliva dle vztahu (19) nebo (20). Hodnota Vsv min [m3.kg−1, nebo m3.m−3] v těchto vztazích se stanoví dle vztahu (17).
U spalování tuhých paliv je postup stanovení hodnoty Vss [m3.kg−1] dle vztahu (15) poněkud odlišný. Nejprve se stanoví hodnota Vvs min [m3.kg−1] dle vztahu (16) a hodnota Vss min [m3.kg−1] dle přibližného vztahu (18) jako Vvv min [m3.kg−1]. Hodnota Vvv min [m3.kg−1] se pak stanoví s použitím vztahů (9) a opět (16). Další postup je stejný jako u kapalných a plynných paliv. S ohledem na použití vztahu (18) ke stanovení objemu Vss min [m3.kg−1] je uvedený postup velmi přibližný.
Pro česká hnědá i černá tržní uhlí lze s výhodou použít pro výpočet objemu spalovacího vzduchu a vzniklých spalin s dostatečnou přesností vztahy dle Dlouhého [L2]. Tyto vztahy lze použít i pro dokonalé spalování s přebytkem vzduchu α. Pro všechny teoretické objemy vzduchu a spalin (suché i vlhké) platí jediný regresní vztah:
kde konstanty a a b mají hodnoty uvedené v tab. 17.
| Vxx min | a | b | průměrná chyba [%] |
|---|---|---|---|
| suchý vzduch Vvs min [m3.kg−1] | 0,2607 | 0,1380 | 3,42 |
| vlhký vzduch Vvv min [m3.kg−1] | 0,2649 | 0,1402 | 3,42 |
| suché spaliny Vss min [m3.kg−1] | 0,2533 | 0,1474 | 3,26 |
| vlhké spaliny Vsv min [m3.kg−1] | 0,2500 | 0,9190 | 3,18 |
S využitím vztahů dle (21) lze úpravou vztahů (15) a (14) odvodit pro objem suchých a vlhkých spalin při součiniteli přebytku spalovacího vzduchu α pro česká uhlí aproximační vztahy:
a
Literatura
- [L2] Dlouhý, T: Výpočet objemů vzduchu a spalin z výhřevnosti uhlí. Energetika, 2000, roč. 50, č. 10, str. 320–321.
Pozn. Tento článek je vybranou částí z článku Emise z kotelen a ochrana ovzduší (III)