Proč jsou některé komíny mokré, aneb kondenzace ve spalinové cestě
Pohled do komína odspodu dokumentuje závislost mezi ochlazováním spalin se zvyšováním vzniku kondenzátu směrem k ústí komína a růstem usazenin na stěnách komína. (Foto: Zbigniew Adamus)
Tato studie byla zaměřena na pozorování zděného komína s izostatickou vložkou, určeného pro odvod spalin ze spalovacího zařízení malého tepelného výkonu spalujícího pevná paliva, s ohledem na výskyt kondenzace.
Článek zahrnuje teoretický výpočet teploty počátku kondenzace vodních par obsažených ve spalinách pro různá paliva v závislosti na velikosti přebytku spalovacího vzduchu a popis praktických zkoušek stanovení průběhu teplot vnitřních stěn izostatické vložky 7,5 m vysokého komína v několika výškových úrovních, včetně ověření reálné teploty počátku kondenzace vodní páry obsažené ve spalinách. Informace o vzniku kondenzátu na vnitřní stěně izostatické vložky byly získávány pomocí nově navržených čidel pracujících na principu měření odporu mezi dvěma elektrodami.
Úvod
Na spalovací zdroje pro vytápění domácností jsou kladeny stále přísnější požadavky [1], z pohledu dosahovaných provozních účinností i z pohledu hmotnostních koncentrací některých znečišťujících látek obsažených ve spalinách. Staré, nevyhovující konstrukce kotlů na pevná paliva, jsou tak nahrazovány technologiemi moderními [2]. Při procesu výměny starého kotle za nový je však nutné vzít v úvahu skutečnost, že moderní kotel vyžaduje napojení na otopnou soustavu a spalinovou cestu, jejichž provedení odpovídá zvýšeným technickým požadavkům na jejich provoz.
Právě komín jako část spalinové cesty bývá často opomíjen, přičemž nevhodné spalovací zařízení, nebo nevhodný způsob provozu spalovacího zařízení mohou vést až k jeho trvalému poškození či destrukci. Pokud kotel pracuje správně, jeho nejvyšší tepelná ztráta je ztráta citelným teplem spalin, tzv. komínová ztráta. Pro zvýšení účinnosti kotle je nutné buďto snížit objem spalin snížením přebytku spalovacího vzduchu, nebo snížit teplotu spalin na jeho výstupu. První varianta má svá omezení na straně kvality spalování. Přísun vzduchu je možné omezit pouze na hranici plnění limitů hmotnostních koncentrací znečišťujících látek ve spalinách (především látek z nedokonalého spalování – CO a OGC). Výrobcům nezbývá než cíleně konstrukčně řešit snižování teploty spalin na velmi nízké hodnoty, což způsobuje zvýšení náchylnosti ke kondenzaci vodních par ve spalinách ve spalovacím zařízení ve spalinové cestě. [3], [4]. Tímto opatřením zároveň dochází ke snížení komínového tahu.
Teplota vstupující otopné vody značně ovlivňuje nejnižší teplotu spalin. Při správném zapojení spalovacího zařízení do otopné soustavy je tato teplota udržována nad požadovanou minimální hodnotou (cca 55 až 70 °C). Tímto opatřením lze předejít lokálnímu podchlazení spalin a tím i kondenzaci vodních par obsažených ve spalinách přímo ve spalovacím zařízení. [5] K nejrizikovějším stavům z pohledu tvorby kondenzátu ze spalin dochází především při provozu spalovacího zařízení na minimální tepelný výkon, kdy je teplota spalin podstatně nižší, než při jeho provozu na jmenovitý výkon.
Tato studie byla zaměřena na zděný komín s izostatickou vložkou, z pohledu kondenzace vodní páry obsažené ve spalinách.
Kondenzace
Kapalnění, neboli kondenzace, je pojmenování jevu, při kterém dochází ke skupenské přeměně látky v plynném skupenství na látku v kapalném skupenství. Tento výzkum je zaměřen na daný jev při přeměně vodní páry vyskytující se ve spalinách na vodu v kapalném skupenství ve spalinové cestě.
Iniciace pro kapalnění může být snížení teploty plynu, nebo zvýšení tlaku plynu (při kondenzaci vodní páry ve spalinách přichází v úvahu pouze první možnost). V praxi to znamená, že se přiblíží částice plynu na nižší vzájemnou vzdálenost.
Při kapalnění dochází k uvolňování tzv. skupenského tepla kondenzačního (je rovno skupenskému teplu výparnému), které podle typu látky nabývá různých hodnot. Pro vodu je skupenské teplo výparné lv = 2,51 MJ∙kg−1 při t = 0 °C. Měrné skupenské teplo výparné je funkcí teploty, a to tak, že s rostoucí teplotou klesá (lv = 2,26 MJ∙kg−1 při t = 100 °C). [6]
Dle definice rosného bodu, se jedná o teplotu, kdy je vzduch (nebo v tomto případě spaliny) maximálně nasycen vodními parami (tedy relativní vlhkost je rovna 100 %). Při dosažení teploty nižší dochází k počátku kondenzace. Významný je rovněž vliv kondenzačních jader, s jejichž pomocí přechází voda z plynného do kapalného skupenství.
Teoretický výpočet teploty počátku kondenzace vodních par obsažených ve spalinách
Obr. 1 Závislost teploty rosného bodu vodní páry ve spalinách při spalování různých pevných paliv na přebytku spalovacího vzduchu
Před zahájením samotného měření byl uskutečněn výpočet teoretické teploty počátku kondenzace vody obsažené ve spalinách, tzv. teploty rosného bodu spalin. Tento výpočet sloužil především pro přiblížení toho, v jakých teplotních hladinách by měla kondenzace v průběhu zkoušek probíhat. Výpočet byl vyhotoven pro několik typů paliv, přičemž některé z nich byly později použity při spalovacích zkouškách. Jejich prvkové složení je znázorněno v Tab. 1. Výsledné hodnoty teploty počátku kondenzace byly stanoveny dle parciálního tlaku vodní páry obsažené ve spalinách, který byl vypočítán ze spalovacích rovnic pro různé přebytky spalovacího vzduchu. Vzhledem k rozsahu výpočtu není jeho detailní popis součástí tohoto článku. Výsledky jsou zobrazeny na Obr. 1. V grafu je možné pozorovat vliv hmotnostního zlomku vody v palivu a vliv hmotnostního zlomku vodíku v palivu na konečnou teoretickou hodnotu teploty počátku kondenzace vodních par ve spalinách. Teoreticky by měla kondenzace začít probíhat při ochlazení spalin pod teplotu 70–53 °C (dle složení paliva) při stechiometrickém spalování. Ředění spalin vzduchem zapříčiňuje snížení této teploty a umožňuje jejich (bezpečné) ochlazení na teplotu nižší. Do výpočtu byl zahrnut pro všechna paliva stejný součinitel pro zvětšení objemu vzduchu vlivem vlhkosti υ = 1,02.
Tab. 1 Složení paliv pro teoretický výpočet teploty počátku kapalnění vodní páry ze spalin; Dřevo – Bukové dřevo; HU Bílina – Hnědé uhlí Bílina; HU MUS – Hnědé uhlí Mostecká uhelná společnost; Pelety – Dřevní pelety splňující standard A1
![Obr. 2 Závislost teploty vodního rosného bodu spalin při spalování různých pevných paliv na přebytku spalovacího vzduchu [8]](/docu/clanky/0215/021567o5.jpg)
Obr. 2 Závislost teploty vodního rosného bodu spalin při spalování různých pevných paliv na přebytku spalovacího vzduchu [8]
V rámci této práce byl zohledněn pouze tzv. vodní rosný bod. Tzv. kyselý rosný bod, charakterizující kondenzaci velmi koncentrované kyseliny sírové, nebyl při experimentální části zohledněn, a to především kvůli cíli této práce, a také s ohledem na omezenou citlivost sond, které nebyly schopné tento děj zaznamenat. Z Obr. 2 je patrné, že se tzv. kyselý rosný bod pohybuje dle sirnatosti paliva cca mezi teplotami 110–150 °C. Tyto hodnoty byly stanoveny dle empirických výpočtů na základě parciálních tlaků vodní páry a SO3 ve spalinách. Jako příklad byly uvedeny vzorce pro výpočet dle Verhoffa & Brancheroa (1) a dle Haaseho a Borbmanna (2). Bylo publikováno více empirických vztahů pro výpočet teploty tzv. kyselého rosného bodu (tkrb [°C]). [7]
(1)
[°C]
(2)
[°C]
Příprava měření
Stavba komína
Obr. 3 Schéma komína s rozměry a vyznačením nestandartních prvků
Stěžejním komponentem experimentální části byl samotný komín. Jednalo se o komín zděný s izostatickou vložkou s pojivem určeným pro mokrý provoz. Izostatická vložka je vyráběna lisováním téměř suchých keramických prášků za studena do formy a následným vypalováním. Tento výrobní proces zajišťuje dokonalou homogenitu a tvarovou přesnost. Průměr této vložky byl 180 mm. Tento rozměr byl zvolen na základě faktu, že je nejprodávanější pro daný segment spalovacích zdrojů a na základě zkušenosti produktového specialisty (v praxi při stavbě domu ve většině případů není předem známý typ spalovacího zařízení, které bude později v domě instalováno, proto dochází k volbě střední varianty, kterou je tento průměr vložky). Již při návrhu komína a jeho stavbě byl zohledněn účel jeho použití. Byly připraveny manipulační otvory v obvodových tvarovkách kolem vložky a otvory pro měření teplot spalin a komína, tlaku spalin a stavu kondenzace přímo v izostatické vložce. Manipulační otvory v obvodovém zdivu byly opatřeny odnímatelnou izolační výplní. Komín byl vybaven vymetacím otvorem ve výšce cca 4,5 m pro možnost dodatečných úprav v jeho vnitřní části. Tento otvor byl zaslepen ucpávkou dodanou výrobcem. Rozměry komína a s vyznačením nestandartních prvků potřebných pro měření jsou vyobrazeny na Obr. 3.
Spalovací zařízení bylo s komínem propojeno horizontálním plechovým kouřovodem o délce 65 cm. Toto místo je nejnáchylnější z hlediska rychlého chladnutí spalin před vstupem do komína, jelikož zde dochází k intenzivnímu přenosu tepla do okolí. Jedná se o tepelný zisk kotelny.
Měřicí zařízení
V průběhu spalovacích zkoušek byla monitorována teplota spalin na výstupu z kotle (Tsp) a následně 5 teplot ve třech výškových úrovních (teplota spalin uprostřed izostatické vložky, teplota vnitřní stěny izostatické vložky, teplota vnější stěny izostatické vložky, teplota vzduchové mezery mezi izostatickou vložkou a komínovou tvarovkou a vnější teplota komínové tvarovky.
Pro potřeby popsání zmíněné problematiky jsou stěžejní povrchové teploty vnitřní stěny izostatické vložky dále označované jako: T1, T2 a T3 (dle jednotlivých výškových úrovní). Tyto teploty byly měřeny kontinuálně pomocí termočlánků typu K, které byly zavedeny přímo do izostatické vložky. Tlak byl rovněž kontinuálně monitorován ve třech výškových úrovních (p1, p2 a p3) a to pomocí diferenčních tlakoměrů Cressto.
Samostatnou částí byly sondy signalizující, zdali dochází, nebo nedochází ke kondenzaci vodní páry ze spalin v komíně (rovněž ve třech výškových úrovních – K1, K2 a K3). Tyto sondy byly speciálně navrženy a vyrobeny pro tento typ měření. Jedná se o do sebe vložené kovové válce pracující jako elektrody, mezi kterými je prostor vyplněn dielektrikem. Při kondenzaci vodní páry ze spalin na čelní straně válců dochází k překlenutí dielektrika kapičkou vodivého kondenzátu. Tento stav byla sonda schopna zaznamenat a vyhodnotit na základě měření odporu mezi těmito elektrodami. Citlivost sondy neumožňovala zaznamenat tzv. kyselý rosný bod, protože množství zkondenzované kyseliny nebylo dostačující pro vytvoření vodivého filmu propojujícího elektrody. Měření odporu probíhalo v rozsahu 0–40 MΩ. Pro možnost kontinuálního záznamu byl odpor převeden na proud. Pro konečné vyhodnocení byl proud převeden na hodnotu 0/1 (toto zjednodušení bylo zavedeno pro větší přehlednost grafů), kdy 0 znamená, že nedocházelo ke kondenzaci a 1 znamená, že kapička kondenzátu překlenula dielektrikum, tedy dochází ke kondenzaci, nebo ke kondenzaci docházelo a kondenzát doposud nevyschl. Při vývoji bylo testováno několik typů dielektrik. Rozložená sonda se dvěma elektrodami je vyobrazená na Obr. 4, složená sonda se třemi elektrodami s různou tloušťkou dielektrika je vyobrazená na Obr. 5.
Obr. 4 Rozložená sonda stanovující stav kondenzace spalin v komíně
Obr. 5 Složená sonda stanovující stav kondenzace spalin v komíně
Spalovací zařízení
Důležitým krokem před samotným počátkem měření byla správná volba spalovacího zařízení, tak aby splňovalo:
- Kontinuální provoz se stálým tepelným výkonem, bez nutnosti zásahu obsluhy,
- Možnost nastavení různých tepelných výkonů jednoduchou regulací množství dávkovaného paliva a množství spalovacího vzduchu,
- Možnost provozu na hnědé uhlí i dřevní pelety.
Na základě těchto vstupních parametrů byl vybrán vhodný automatický teplovodní kotel s retortovým hořákem.
Spalovaná paliva
Pro měření byly použity dva druhy hnědého uhlí (HU Bílina a HU MUS) a jeden druh dřevních pelet. Jejich rozbory byly znázorněny v Tab. 1.
Průběh měření
Základem měření bylo plynulé najetí spalovacího zařízení ze studeného stavu do ustáleného provozního stavu dle požadovaného tepelného výkonu a jeho následné několikahodinové udržení tak, aby došlo k prohřátí komína na ustálenou teplotu. Otáčky vzduchového ventilátoru byly vždy nastaveny tak, aby se přebytky vzduchu mezi jednotlivými palivy při stejném tepelném výkonu pokud možno zásadně nelišily. Při najíždění a udržování stálého tepelného výkonu byly pozorovány měřené parametry, které byly dále vyhodnoceny. V průběhu měření byly vizuálně kontrolovány sondy pro stanovení stavu kondenzace spalin. V případě, že došlo k jejich zanesení, byly sondy mechanicky očištěny pomocí hadříku a pilníku. Tyto stavy byly pro každý experiment popsány.
Výsledky měření
Tepelný výkon kotle 7 kW
Režim při tepelném výkonu kotle P = 7 kW byl předmětem dvou měření, a to při spalování paliv HU Bílina (viz Obr. 6) a HU MUS (viz Obr. 9). Obě tato měření měla podobný průběh. Sondy byly vždy pár minut po zátopu umístěny na měřící pozice, načež byl povrch elektrod po velmi krátkém čase (do 20 minut) pokryt vrstvou kondenzátu. Tento stav byl kontrolován i vizuálně vytažením sond z komína. Vizuální kontrola byla důležitá z hlediska možného zaschnutí dehtu na dielektriku (dehet by trvale překlenul vrstvu dielektrika, čímž by sonda neustále signalizovala kondenzaci), což se nepotvrdilo. U paliva HU Bílina došlo v čase 3:45 [hh:mm] od počátku zkoušky k očištění sond hadříkem. Po jejich vložení zpět do komína se znovu orosily, přičemž tento stav setrval až do konce spalovací zkoušky. Komín byl po celou dobu zkoušky provozován v mokrém režimu. Teplota spalin na výstupu z kotle se pohybovala okolo Tsp = 60 °C, což znamenalo, že se teploty vnitřních stěn komína T1, T2, T3 pohybovaly okolo 40 °C. Komínový tah v nejnižší měřené úrovni komína činil při obou měřeních při ustáleném stavu cca p1 = 2 Pa. Průměrný objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách byl u obou měření cca φ[O2] = 11,6 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,23).
Tepelný výkon kotle 14 kW
Režim při tepelném výkonu kotle P = 14 kW byl předmětem tří měření, a to při spalování paliv HU Bílina (viz Obr. 7), HU MUS (viz Obr. 10) a dřevních pelet (viz Obr. 12). Při spalování obou druhů uhlí došlo vždy po několika minutách ke kondenzaci na povrchu všech sond. Cca 2 hod od zátopu byly všechny sondy očištěny a usušeny od kondenzátu a následně byly zpět vloženy do komína. Po zpětné instalaci sond došlo opět během několika minut k propojení elektrod kondenzátem, což znamenalo, že opět docházelo ke kondenzaci vody obsažené ve spalinách. Tento stav trval až do konce spalovací zkoušky. Po celou dobu zkoušky byl tedy komín provozován v mokrém režimu.
Při spalování dřevních pelet došlo téměř ihned po vložení sond do komína k orosení dvou z nich (K1 a K2). Cca po 2 hodinách od zátopu proběhlo očištění a osušení sond K1 a K2 (K1 byla téměř suchá – po orosení docházelo k postupnému vysychání, K2 byla zcela mokrá). Sonda K3 byla stále suchá pravděpodobně z důvodu naředění spalin okolním vzduchem v ústí komína. Tento stav byl ověřen analýzou spalin v tomto bodě (v 3. úrovni), která prokázala znatelný nárůst objemového zlomku kyslíku, a to z cca 9 % (v 1. úrovni) na cca 13 % při tepelném výkonu kotle 25 kW. Měřící bod ve 3. úrovni byl pouze 200 mm pod ústím komína.
Po tomto očištění došlo k opětovné kondenzaci na povrchu sond v úrovních K1 a K2. Po třech hodinách od zátopu došlo k orosení doposud suché sondy K3. V čase cca 3:50 [hh:mm] po zátopu byly všechny sondy znovu očištěny a osušeny (sonda K1 již byla suchá) a již znovu nedošlo ke kondenzaci spalin na jejich povrchu. Komín byl první cca 3–4 hodiny ze spalovací zkoušky provozován v mokrém režimu, zbylá část probíhala v suchém režimu po celé výšce komína. Hlavním důvodem, proč nedocházelo ke kondenzaci po celou dobu zkoušky, byl vyšší průměrný objemový zlomek kyslíku ve spalinách φ[O2] = 11,4 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,19). Při těchto podmínkách by měla kondenzace vodní páry obsažené ve spalinách teoreticky ustávat při teplotě vnitřní stěny kouřovodu nad 42 °C, což je potvrzeno sondou K2, která při dosažení této teploty na vnitřní stěně kouřovodu oschla. Sonda K1 signalizovala kondenzaci i při vyšší teplotě vnitřní stěny kouřovodu. Tento stav byl pravděpodobně způsoben stékáním kondenzátu z vyšších částí komína. Z detailního (nezjednodušeného) záznamu signálu sondy K1 je zřejmé, že ihned po druhém orosení sonda postupně osychala (odpor mezi elektrodami klesal). Sonda K3 oschla i při nižší teplotě z důvodu zmíněného naředění spalin okolním vzduchem v ústí komína. Po ukončení standartní zkoušky byly sníženy otáčky ventilátoru tak, aby průměrný objemový zlomek kyslíku ve spalinách klesl k cca φ[O2] = 7 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,5), což způsobilo opětovné orosení sond K1 a K2. Tato část již není vyobrazena v grafu.
Teplota spalin na výstupu z kotle se při všech zkouškách tohoto tepelného výkonu pohybovala v rozmezí cca Tsp = 90 ÷ 100 °C. Teplota vnitřní stěny izostatické vložky v první úrovni byla po ustálení vždy cca T1 = 60 °C, teploty vnitřní stěny izostatické vložky T2, T3 v druhé a třetí úrovni se ustálily mezi 40 ÷ 50 °C. Komínový tah v nejnižší měřené úrovni komína činil při všech třech měřeních při ustáleném stavu cca p1 = 4 Pa. Průměrný objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách byl během zkoušky s palivem HU Bílina cca φ[O2] = 7,9 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,6) a během zkoušky s palivem HU MUS cca φ[O2] = 6,5 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,45).
Tepelný výkon kotle 25 kW
Režim při tepelném výkonu kotle P = 25 kW byl předmětem dvou měření a to při spalování paliv HU Bílina (viz Obr. 8) a HU MUS (viz Obr. 12). I při jmenovitém tepelném výkonu, který zajišťoval znatelně vyšší teplotu spalin, než u předchozích spalovacích zkoušek, došlo ke kondenzaci spalin na povrchu sond (pouze v první fázi při zahřívání komína). Co se týče zkoušky s palivem HU Bílina, došlo po očištění sond a jejich vložení zpět do komína k opětovné kondenzaci spalin na jejich povrchu (tento jev byl dočasný a byl způsobený ochlazením sond při jejich čištění). Sondy byly dále ponechány v komíně, přičemž nejprve oschla sonda K1, dále sonda K3 a naposled sonda K2. Tato posloupnost je patrně dána nejvyšší teplotou spalin v úrovni sondy K1 a dále naředěním spalin okolním vzduchem (snížení parciálního tlaku vodní páry ve spalinách) v oblasti úrovni sondy K3 u ústí komína. Co se týče zkoušky s palivem HU MUS, sondy byly po prvotní kondenzaci vytaženy, očištěny a vloženy zpět do komína. Opětovně již ke kondenzaci vody na jejich povrchu nedošlo.
Teplota spalin na výstupu z kotle se při tomto tepelném výkonu pohybovala v rozmezí Tsp = 155 ÷ 160 °C. Teplota vnitřní stěny komína v první úrovni byla po ustálení cca T1 = 100 °C, teploty vnitřní stěny komína T2, T3 v druhé a třetí úrovni po ustálení byla mezi 60 ÷ 80 °C. Komínový tah v nejnižší měřené úrovni komína činil při obou měřeních při ustáleném stavu cca p1 = 9 ÷ 10 Pa. Průměrný objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách byl během zkoušky s palivem HU Bílina cca φ[O2] = 7 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,5) a během zkoušky s palivem HU MUS cca φ[O2] = 6 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,4).
Znázornění kondenzátu na právě vytažené sondě během spalovací zkoušky je vyobrazeno na Obr. 13.
Legenda pro následující grafy
![Obr. 6 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 7 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 2 Pa; p2 = 0 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU Bílina; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 11,6 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,23)](/docu/clanky/0215/021567o17.png)
Obr. 6 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 7 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 2 Pa; p2 = 0 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU Bílina; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 11,6 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,23)
![Obr. 7 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 14 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 4 Pa; p2 = 2 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU Bílina; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 7,9 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,6)](/docu/clanky/0215/021567o19.png)
Obr. 7 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 14 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 4 Pa; p2 = 2 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU Bílina; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 7,9 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,6)
![Obr. 8 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 25 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 9 Pa; p2 = 4 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU Bílina; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 7 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,5)](/docu/clanky/0215/021567o21.png)
Obr. 8 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 25 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 9 Pa; p2 = 4 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU Bílina; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 7 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,5)
![Obr. 9 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 7 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 2 Pa; p2 = 0 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU MUS; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 11,7 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,26)](/docu/clanky/0215/021567o23.png)
Obr. 9 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 7 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 2 Pa; p2 = 0 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU MUS; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 11,7 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,26)
![Obr. 10 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 14 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 4 Pa; p2 = 1 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU MUS; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 6,5 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,45)](/docu/clanky/0215/021567o25.png)
Obr. 10 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 14 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 4 Pa; p2 = 1 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU MUS; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 6,5 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,45)
![Obr. 11 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 25 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 10 Pa; p2 = 4 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU MUS; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 6 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,4)](/docu/clanky/0215/021567o27.png)
Obr. 11 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 25 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 10 Pa; p2 = 4 Pa; p3 = 0 Pa; palivo HU MUS; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 6 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 1,4)
![Obr. 12 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 14 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 4 Pa; p2 = 1 Pa; p3 = 0 Pa; palivo dřevní pelety; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 11,4 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,19)](/docu/clanky/0215/021567o29.png)
Obr. 12 Průběh měřených teplot a průběh signálu ze sond kondenzace spalin; tepelný výkon P = 14 kW; komínový tah dle výškových úrovní: p1 = 4 Pa; p2 = 1 Pa; p3 = 0 Pa; palivo dřevní pelety; objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách φ[O2] = 11,4 % (přebytek spalovacího vzduchu n = 2,19)
Obr. 13 Fotografie sondy stavu kondenzace spalin bezprostředně po vytažení z komína; v dolní části je viditelná kapka kondenzátu, která překlenuje dielektrikum a spojuje tak elektrody
Porovnání vypočtené teploty počátku kondenzace vodní páry ve spalinách s reálně naměřenými hodnotami
Vzhledem k měřenému přebytku vzduchu při měřeních je z výpočtu teploty počátku kondenzace vodní páry ze spalin zřejmé, že by měla kondenzace probíhat při teplotách nižších než cca 50 °C pro všechna tři paliva. Při zanedbání vlivu tepelné setrvačnosti komína z hlediska jeho prohřívání je z výsledků zřejmé, že ke kondenzaci docházelo do teploty vnitřní stěny izostatické vložky cca 60 °C pro všechna paliva. Nepřesnost oproti výpočtu mohl do měření zanést faktor stékání kapek kondenzátu po vnitřní stěně izostatické vložky.
Závěr
Významnou problematikou v oblasti lokálního vytápění pevnými palivy se v současnosti stává kondenzace spalin ve spalinové cestě. Tato problematika vzniká především legislativním tlakem (např. „ekodesign kotlů“) na co nejvyšší účinnost spalovacích zařízení, což má přímý dopad na snižující se výstupní teplotu spalin (snižující se komínová ztráta).
Dalšími faktory, které ovlivňují míru kondenzace vodní páry ve spalinách (teplotu vodního rosného bodu), jsou hmotnostní zlomek vody a vodíku v palivu a absolutní vlhkost vzduchu. Výzkumem byl popsán průběh kondenzace při různých tepelných výkonech automatického kotle při spalování různých paliv. Během provozu kotle na minimální tepelný výkon a na „střední“ tepelný výkon docházelo dlouhodobě ke kondenzaci spalin, a to i po několikahodinovém provozu, kdy by již měl být komín prohřátý spalinami na konečnou teplotu. Výjimkou byla spalovací zkouška s dřevními peletami, kde především z důvodu vyššího přebytku spalovacího vzduchu oproti srovnatelným zkouškám s uhlím došlo po cca 3 ÷ 4 hodinách k vysušení vnitřních stěn izostatické vložky. Při provozu kotle na jmenovitý tepelný výkon došlo po zátopu vždy ke krátkodobé kondenzaci spalin. Kondenzát byl však postupně okolo proudícími spalinami ohřát, vypařen a unášen ven z komína, čímž došlo k vysušení vnitřních stěn izostatické vložky.
Instalace testovacího komína uvnitř haly zapříčinila malý teplotní rozdíl mezi teplotou spalin a teplotou okolí, což mohlo nepříznivě ovlivnit naměřené hodnoty komínového tahu. Modelová situace tak mohla simulovat např. jarní či podzimní počasí. Právě při těchto venkovních podmínkách je kotel provozován na nižší tepelné výkony, než je tepelný výkon jmenovitý, tedy s nízkou teplotou spalin na výstupu z kotle. Při měřených podmínkách (mimo jmenovitý tepelný výkon kotle) nebyl komín schopný zajistit výrobcem požadovaný tah 8 ÷ 10 Pa (p1).
Vzhledem k razantnímu rozdílu mezi teplotou spalin na výstupu z kotle a teplotou spalin uprostřed izostatické vložky v měřené úrovni 1 (o cca 5–20 °C vyšší než teplota vnitřní stěny izostatické vložky dle režimu kotle) je zřejmé znatelné ochlazení spalin v úseku mezi kotlem a sopouchem komína. Pro zvýšení teploty spalin v komíně a snížení rizika kondenzace je vhodné tento úsek tepelně izolovat.
V některých zemích (např. Německo, Itálie) je pro získání dotace na automatický peletový kotel nutné instalovat do otopné soustavy také akumulační nádobu (min. 20 litrů na kW instalovaného jmenovitého výkonu zdroje). Cílem tohoto požadavku je prodloužení chodu kotle při jmenovitých podmínkách [9]. Ukazuje se, že toto je přínosné nejen z pohledu kvality spalování, ale také z pohledu snížení rizika kondenzace ve spalinové cestě.
Posunutá reakce sondy kondenzace spalin K3 ve 3. úrovni (pozdější orosení, dřívější oschnutí) byla způsobena naředěním spalin v horní části komína okolním vzduchem, což bylo ověřeno analýzou spalin v tomto místě.
Vzhledem k výsledkům měření je použití komína s nasákavou vnitřní vrstvou pro podobnou teplotu spalin nevhodné. Mokrým provozem (teplota spalin v komíně pod tzv. mokrým rosným bodem) může dojít k vlhnutí komína, což při následném promrznutí může vést až k jeho destrukci. Z hlediska možné devastace antikorozních materiálů v prostředí trvale vystaveném kyselému kondenzátu [10] (souvisí s tzv. kyselým rosným bodem popsaným v článku) se autorům jeví jako jediná vhodná varianta pro bezpečný odvod spalin při provozu spalovacího zařízení na pevná paliva v kondenzačním režimu komín s izostatickou vložkou.
Co se týče vzniku kondenzátu, norma pro kotle ČSN EN 303-5:2013 [11] uvádí (kap. 4.4.3.), že v případě, kdy je rozdíl, mezi teplotou spalin na výstupu ze spalovacího zařízení a teplotou okolního prostředí nižší, než 160 K, musí výrobce uvést doporučení pro instalaci kouřovodu tak, aby byl zajištěn dostatečný tah a zároveň, aby bylo zabráněno vzniku kondenzátu. Pokud to není technicky možné, bylo by korektní, aby výrobce kotle uvedl, že může ke kondenzaci vodní páry ve spalinové cestě dojít. Norma také stanovuje (kap. 8.2. bod u), že výrobce kotle musí v technické dokumentaci uvést, zda spotřebič k vytápění pracuje při podmínkách kondenzace nebo bez kondenzace. Zatím se tak v obou případech děje velmi sporadicky.
Požadavky na využití chemicky vázané energie v palivu ve spalovacích zařízeních vedou k minimalizaci teploty spalin na tak nízkou úroveň, že je dnes nutné komíny navrhovat pro tzv. mokrý provoz. Ze zkušeností členů SKČR (Společenstvo kominíků ČR) vyplývá, že teplota spalin nad úrovní mokrého rosného bodu v ústí komína je dnes spíše výjimkou.
Společným cílem výrobců spalovacích zařízení i kominíků je zajištění spolehlivého a bezpečného zdroje tepla koncovému zákazníkovi. Jedinou cestou k řešení výše popsané problematiky je hlubší konverzace mezi zmíněnými stranami.
Následující výzkum bude zaměřen na pozorování geometricky shodného komína, který bude mít na izostatické vložce izolaci z minerální vlny o tloušťce 2,5 cm.
Poděkování
Na problematiku kondenzace vodních par ve spalinové cestě upozornilo SKČR, které bylo rovněž iniciátorem provedených zkoušek. Materiál pro stavbu obou zkušebních komínů byl zajištěn společností HELUZ cihlářský průmysl v.o.s., která zajistila i jejich dopravu, postavení a montážní úpravy potřebné pro měření.
Tento článek byl vypracován v rámci dotačního programu „Podpora vědy a výzkumu v Moravskoslezském kraji 2018“ (RRC/10/2018) a financována z rozpočtu Moravskoslezského kraje, dále byl vypracován za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I a projektů specifických výzkumů SGS SP2020/80 „Stanovení vlivu katalyzátorů na složení spaliny z malých spalovacích zařízení a možnosti odstranění periodického průběhu tepelného výkonu biokrbů“ a zároveň byl vypracován v rámci OP VVV, projektu „Výzkum identifikace spalování nežádoucích látek a systémů autodiagnostiky kotlů na tuhá paliva pro vytápění domácností“, reg. č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/18_069/0010049, který je financován z Evropského fondu pro regionální rozvoj.
Poznámka redakce TZB-info:
Tento článek vyšel v časopise VVI 4/2020 pod názvem Kondenzace vodní páry ve spalinové cestě (Condensation of water vapour in the flue gas path).
Použité zdroje
- NAŘÍZENÍ KOMISE (EU) 2015/1189 ze dne 28. dubna 2015, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign kotlů na tuhá paliva. Brusel: Úřední věstník Evropské unie, 2015, L 193/101.
- RYŠAVÝ, J., HORÁK, J., HOPAN, F., KRPEC, K., KUBESA, P., KREMER, J. Komfort kotlů na tuhá/pevná paliva – část I. – jak dlouho vydrží teplo z jednoho přiložení či nabité akumulační nádoby?. TZB-info, 2018, roč. neuveden., č. 26. 3. 2018, s. 1–11.
- HRDLIČKA, J. Biomasa a uhlí v kotlích malých výkonů. Vytápění, větrání, instalace. 2014, ročník 23, č. 4, s. 108–112.
- LYČKA, Z. Kondenzační uhelné kotle – nechtěné dítě ekodesignu. TZB-info, 2017, roč. neuveden., č. 15. 5. 2017, s. 1–7.
- HORÁK, J., MARTINÍK, L., KRPEC, K., HOPAN, F., KUBESA, P., LACIOK, V. Ověření funkce a vlivu regulace teploty vratné vody u kotle na tuhá paliva v zapojení s akumulační nádobou. Vytápění, větrání, instalace. 2016, ročník 25, č. 2, s. 96–99.
- Vypařování a kondenzace. Fakulta pedagogická Oddělení fyziky [online]. Plzeň [cit. 2019-03-05]. Dostupné z: https://kof.zcu.cz/vusc/pg/termo09/termodynamics/phase/phase3.htm
- SONG, J., LI J., YUAN H., a REN, Z., Comparative Analysis of Estimation Formula of Acid Dew Point for Different Flue Gas. Proceedings of the 2017 Global Conference on Mechanics and Civil Engineering (GCMCE 2017). Paris, France: Atlantis Press, 2017, 2017, , -. DOI: 10.2991/gcmce-17.2017.73. ISBN 978-94-6252-383-8. Dostupné také z: https://www.atlantis-press.com/proceedings/gcmce-17/25882900
- ČERNÝ V., HRDLIČKA L., JANEBA B., KARTÁK J., PIKMAN M.: Parní kotle a spalovací zařízení, SNTL, Praha, 1975 2.
- LYČKA, Z. Požadavky na minimální velikost akumulační nádrže u kotlů na biomasu. Vytápění, větrání, instalace. 2020, ročník 29, č. 1, s. 6–8.
- BLAHETOVÁ, M., HORÁK, J., KUBESA, P., LASEK, S., OCHODEK, T. Hodnocení korozního napadení komínových vložek. Koroze a ochrana materiálů, 2016, roč. 2016/2, č. 60 (2), s. 50–58.
- ČSN EN 303-5:2013. Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční a samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 500 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení. ÚNMZ, Praha, 2013.
This study was focused on the observation of a brick chimney with an isostatic liner, intended for the removal of flue gases from a combustion plant of low heat output burning solid fuels, with regard to the occurrence of condensation.