Plynové kotelny - zajištění spalovacího a větracího vzduchu
1. Úvod
Obr. 1. Schéma pro přívod spalovacího vzduchu
Pro provoz plynových spotřebičů je třeba zajistit přívod spalovacího vzduchu a v místě osazení spotřebičů musí být také zajištěno dostatečné větrání prostoru. V tomto příspěvku budou uvedeny vztahy pro určování průtoku spalovacího i větracího vzduchu pro plynové spotřebiče typu B.
U tohoto typu spotřebičů, což jsou většinou teplovodní kotle a ohřívače vody s atmosférickými hořáky, je odebírán spalovací vzduch pro kotel z prostoru místnosti (obr. 1). Do místnosti se spalovací vzduch dostává tahem spalinové cesty, tj. spalinovodem a komínem, která vytváří v místnosti podtlak. Při dimenzování spalinové cesty se nesmí zapomenout, že část jejího tahu musí být rezervována pro přívod spalovacího vzduchu. I proto se celá cesta nazývá vzduchospalinová cesta.
Při klidu spotřebiče musí být zajištěno větrání místnosti nejlépe přirozeným tahem tzv. aerací. Při ní je průtok větracího vzduchu způsobován rozdílem hustot venkovního a vnitřního vzduchu o rozdílných teplotách a výškou mezi horním otvorem pro odvod vzduchu a dolním otvorem pro přívod vzduchu.
Při chodu spotřebiče je do místnosti nasáván spalovací vzduch, který samozřejmě zajišťuje v tu dobu i větrání místnosti. Pro přívod spalovacího vzduchu se využívají otvory a vzduchovody určené pro větrání.
2. Výpočtové vztahy a podklady
Dimenzování otvorů, vzduchovodů a šachet se provádí s ohledem na nižší přirozený tah nejprve pro větrání, poté se dimenze kontrolují zda vyhovují i pro spalování, při kterém bývá tah značně vyšší.
2.1 Spalovací vzduch
Potřebný průtok spalovacího vzduchu (m3 . h-1) pro plynový spotřebič je dán vztahem
| Vp | - objemový průtok plynu (m3 . h-1) |
| na | - poměrné teoretické objemové množství vzduchu vztažené k objemovému množství plynu = 10 (-) |
| λs | - součinitel přebytku vzduchu ve spalinách (-) |
| Q1 | - tepelný příkon spotřebiče (kW) |
| bh | - spalné teplo plynu = 11 (kWh . m-3) |
Pro spálení 1 m3 plynu je totiž zapotřebí objemové množství kyslíku O2 (m3) ve výši OO2 = 2 m3, což představuje přibližně 10 m3 vzduchu, protože podíl objemu kyslíku ve vzduchu je přibližně pětinový. Součinitel přebytku vzduchu λs = 1 platí pro tzv. teoretické spalování, tj. bez přebytku vzduchu. Pro spotřebiče typu B s atmosférickými hořáky je λs = 1,6 až 2,2.
V dalších výpočtech se musí používat přepočítaný průtok spalovacího vzduchu na jednotku (m3 . s-1). Tento průtok získáme takto: Vas (m3 . s-1) = Vas (m3 . h-1) / 3600.
Ze vztahu (1) je patrné, že s hodnotou součinitele přebytku vzduchu ve spalinách musíme počítat, protože silně ovlivňuje potřebu spalovacího vzduchu. Hodnotu součinitele přebytku vzduchu λs (-) výrobci spotřebičů přímo v podkladech neuvádějí. Proto ji musíme stanovit ze vztahu
| fco2max | - maximální objemová koncentrace CO2 ve spalinách zemního plynu = 12 (%) |
| fco2 | - objemová koncentrace CO2 ve spalinách, uváděná v podkladech spotřebiče (%). |
Protože se pro přívod spalovacího vzduchu využívají otvory pro přívod a odvod spalovacího vzduchu, případně vzduchovod pro přívod větracího vzduchu, bude kontrola jejich použití pro přívod spalovacího vzduchu provedena až po dimenzování přívodu a odvodu větracího vzduchu.
2.2 Větrací vzduch
V prostoru s plynovým spotřebičem je třeba zajistit dostatečné větrání, protože do prostoru dochází jednak obsluha, jednak servisní technik. Při běhu spotřebiče je místnost provětrávána spalovacím vzduchem. Při klidu spotřebiče musí být větrání také zajištěno, a to nejčastěji přirozeným tahem.
Obr. 2. Způsoby přirozeného větrání
Pro zajištění přirozeného větrání musí být v prostoru proveden jednak přívod větracího vzduchu z vnějšího prostředí vyústěný k podlaze, jednak odvod větracího vzduchu zpět do vnějšího prostředí začínající pod stropem. Přívod a odvod větracího vzduchu (obr. 2) je nejčastěji prováděn větracími otvory v plášti prostoru (obr. 2a). V případech, kdy je podlaha prostoru pod úrovní terénu, provádí se přívod a odvod větracího vzduchu vzduchovody (obr. 2b), případně šachtami nebo volnými komínovými průduchy (obr. 2c). Shodné průřezy přívodu a odvodu větracího vzduchu budou stanoveny podle následujících vztahů. Potřebný průtok větracího vzduchu (m3 . s-1) pro prostor s plynovým spotřebičem je dán vztahem
| Om | - objem prostoru (m3) |
| nm | - intenzita výměny vzduchu v místnosti = 0,5 (h-1). |
Předběžný průřez větracích otvorů, vzduchovodů, šachet či průduchů (dále jen větracích otvorů) (m2) se vypočítá ze vztahu
| Vav | - požadovaný objemový průtok větracího vzduchu (m3 . s-1) |
| vav | - předběžná rychlost větracího vzduchu ve větracích otvorech; volí se ve výši 0,5 (m . s-1). |
Dynamický tlak větracího vzduchu (Pa) při rychlosti vav = 0,5 m . s-1 bude
| ρs | - střední hustota vzduchu = 1,16 (kg . m-3). |
Přirozený tah (Pa) je dán vztahem
| h | - svislá vzdálenost mezi středy větracích otvorů (m) |
| g | - zemské zrychlení = 9,81 (m . s-2) |
| Δρ | - rozdíl hustot vzduchu = (ρe - ρi) = 0,04 (kg . m-3) |
| ρe | - hustota vnějšího vzduchu při 15 °C = 1,18 (kg . m-3) |
| ρi | hustota vnitřního vzduchu při 25 °C = 1,14 (kg . m-3). |
Poznámka: Dále budou uvedeny vztahy pro stanovení tlakových ztrát při proudění vzduchu větracími otvory, vzduchovody, šachtami a průduchy. Tlaková ztráta celé větrací cesty je potom dána součtem obou částí cesty, tj. částí vstupní a výstupní. Pokud z výsledků výpočtů vyplývá, že tah je větší nebo roven tlakové ztrátě, jsou průřezy větracích otvorů dostatečné. Jinak musí být průřezy větracích otvorů zvětšeny a výpočet tlakové ztráty musí být opakován.
Samotný větrací otvor
Tlaková ztráta (Pa) samotného vstupního větracího otvoru je dána vztahem
do kterého byly dosazeny hodnoty těchto veličin: celkový součinitel místních odporů ζc = 1, dynamický tlak větracího vzduchu pdv = 0,145 Pa ze vztahu (5).
Dvojice větracích otvorů
Tlaková ztráta (Pa) při proudění větracího vzduchu
| ζc | - součet součinitelů místních odporů = 3 (-). |
Z běžných topenářských vztahů lze odvodit následující vztah pro přímý výpočet průměru větracího otvoru (m)
po dosazení hodnot pro konstanty a pro ζc = 3, ρs = 1,16 a pro Δρ = 0,04 Pa, dostaneme vztah
Pokud otvory, vzduchovod nebo šachta nemají kruhový, ale mají obdélníkový průřez, provádějí se výpočty pomocí ekvivalentního průměru (m), který je dán vztahem
| a | - jedna strana obdélníkového průřezu (m) |
| b | - druhá strana obdélníkového průřezu (m). |
Vzduchovod
Tlaková ztráta (Pa) vzduchovodu z pozinkovaného plechu je dána obecným vztahem
| λ | - součinitel tření ve vzduchovodu (-) |
| l | - součinitel tření ve vzduchovodu (-). |
Do vztahu (12) se dosazuje hodnota λ = 0,03, která platí pro rychlost vzduchu vav = 1 m . s-1, pro průměr vzduchovodu d = 0,3 m a pro poměrnou drsnost vzduchovodu k/d = 10-3. Za celkový součinitel místních odporů se dosazuje hodnota ζc = 3 a za dynamický tlak větracího vzduchu pdv = 0,145 Pa ze vztahu (5).
Zděná šachta
Tlaková ztráta Δpz4 (Pa) zděné šachty či průduchu je dána také vztahem (12), do kterého se dosazuje hodnota λ = = 0,06, která platí pro rychlost vzduchu vav = 1 m . s-1, pro průměr šachty d = 0,3 m a pro poměrnou drsnost šachty k/d = 0,033. Za celkový součinitel místních odporů se opět dosazuje hodnota ζc = 3 a za dynamický tlak větracího vzduchu pdv = 0,145 Pa ze vztahu (5).
Kontrola přívodu spalovacího vzduchu
V prostorech s plynovým spotřebičem je pro potřebu přirozeného větrání proveden vstup a výstup do vnějšího prostředí třemi způsoby (obr. 2):
a - se 2 otvory, při kterém se pro přívod spalovacího vzduchu uvažují oba otvory,
b - se vzduchovodem a otvorem, při kterém se pro přívod spalovacího vzduchu uvažuje pouze vzduchovod,
c - se vzduchovodem a šachtou, při kterém se pro přívod spalovacího vzduchu uvažuje pouze vzduchovod.
Princip kontroly spočívá v určení tlakové ztráty přívodu spalovacího vzduchu danými prvky. Tu lze stanovit jednoduše na základě úměrnosti s tlakovou ztrátou větráním. Součinitelem úměrnosti je podíl druhých mocnin průtoků spalovacího a větracího vzduchu. Vypočítaná tlaková ztráta musí být menší než část tahu spalinové cesty vyhrazeného pro přívod spalovacího vzduchu.
Způsob a se 2 otvory
Tlaková ztráta (Pa) při průtoku spalovacího vzduchu paralelně oběma otvory je s ohledem na poloviční hodnotu z průtoku Vas dána vztahem
| Vas | - průtok spalovacího vzduchu (m3 . s-1) |
| Vav | - průtok větracího vzduchu (m3 . s-1) |
| Δpzv1 | - tlaková ztráta větracího vzduchu v 1 otvoru (Pa). |
Způsoby b a c se vzduchovodem
Tlakovou ztrátu (Pa) při průtoku spalovacího vzduchu vzduchovodem z pozinkovaného plechu stanovíme ze vztahu
| Δpzv3 | - tlaková ztráta vzduchovodu při větrání (Pa). |
3. Příklady
3.1 Příklad 1
Zadání
Má být určen průřez větracích otvorů pro prostor s plynovým spotřebičem o příkonu Q1 = 100 kW, který má součinitel přebytku vzduchu λs = 1,8. Prostor o objemu O = 80 m3 má být větrán přirozeným tahem. Svislá vzdálenost mezi středy větracích otvorů h = 2 m. Dále má být zkontrolováno, zda větrací otvory mohou sloužit i pro přívod spalovacího vzduchu, když vyhrazená část tahu vzduchospalinové cesty Δpts = 4 Pa.
Řešení
Nejprve stanovíme potřebný průtok větracího vzduchu ze vztahu (3)
Potom průměr větracího otvoru vypočítáme ze vztahu (10)
Tlaková ztráta samotného větracího otvoru je podle vztahu (7) Δpzv1 = 0,145 Pa.
Potřebný průtok spalovacího vzduchu bude podle vztahu (1)
Tlaková ztráta při proudění spalovacího vzduchu vstupními otvory je dána vztahem (13)
Z výsledku je patrné, že tlaková ztráta při proudění spalovacího vzduchu Δpzs = 0,61 Pa je menší než vyhrazená část tahu vzduchospalinové cesty Δpts = 4 Pa. Takže větrací otvory mohou sloužit pro přívod spalovacího vzduchu.
3.2 Příklad 2
Zadání
Má být určen průřez vzduchovodu a šachty pro prostor s plynovým spotřebičem o příkonu Q1 = 200 kW, který má součinitel přebytku vzduchu λs = 1,8. Prostor o objemu Om = 100 m3 má být větrán přirozeným tahem. Svislá vzdálenost mezi středy větracích otvorů h = 12 m. Rozvinutá délka vzduchovodu l = 3 m, výška šachty l = 10 m.
Dále má být zkontrolováno, zda větrací otvory mohou sloužit i pro přívod spalovacího vzduchu, když vyhrazená část tahu vzduchospalinové cesty Δpts = 22 Pa.
Řešení
Potřebný průtok větracího vzduchu je dán vztahem (3)
Předběžný průřez větracího vzduchovodu a šachty (m2) se pro zvolenou rychlost vav = 0,5 m . s-1 vypočítá ze vztahu (4)
Protože vzduchovod i šachta budou mít obdélníkový průřez, volíme strany a . b = 0,20 × 0,14 m.
Ekvivalentního průměr vzduchovodu i šachty je dán vztahem (11)
Tlaková ztráta větracího vzduchu ve vzduchovodu z pozinkovaného plechu je dána vztahem (12)
Tlaková ztráta větracího vzduchu ve zděné šachtě je dána také vztahem (12)
Tlaková ztráta celé větrací cesty je
Přirozený tah pro větrání (Pa) je dán vztahem (6)
Protože tlaková ztráta celé větrací cesty Δpzv = 1,47 Pa je menší než přirozený tah pro větrání Δptv = 4,7 Pa, průřez vzduchovodu i šachty vyhovuje pro větrání.
Potřebný průtok spalovacího vzduchu pro plynový spotřebič je dán vztahem (1)
Tlakovou ztrátu při průtoku spalovacího vzduchu vzduchovodem z pozinkovaného plechu stanovíme ze vztahu (14)
Z výsledku je patrné, že tlaková ztráta při průtoku spalovacího vzduchu vzduchovodem Δpzs3 = 21,5 Pa je menší než vyhrazená část tahu vzduchospalinové cesty Δpts = 22 Pa. Tím je zkontrolováno, že vzduchovod může sloužit i pro přívod spalovacího vzduchu.