Kondenzační kotel pro každého (II)

Jak probíhá spalování a kondenzace spalin?

Spalování zemního plynu
Zemní plyn dodávaný v ČR sítí Transgas obsahuje 98,4 % metanu CH₄. Proto můžeme považovat spalování zemního plynu za totožné se spalováním metanu. Spalování probíhá podle tohoto stechiometrického vztahu:

CH₄ + 2 O₂ + (N₂) = CO₂ + 2 H₂O + (N₂).

Pro spálení 1 m³ CH₄ jsou zapotřebí 2 m³ kyslíku O₂. Spálením vznikne 1 m³ oxidu uhličitého CO₂ a 2 m³ vlhkosti ve formě vodní páry H₂O. Protože kyslík pro spalování je do kotlů dodáván jako součást vzduchu, musíme do bilance započítat i další složku vzduchu, kterou tvoří dusík N₂. Kyslíku je ve vzduchu přibližně 21 %, dusíku 78 % celkového objemu. Na 2 m³ kyslíku O₂ připadá přibližně 8 m³ N₂.

Pokud provedeme hmotnostní bilanci [kg], dostaneme:

0,72 + 2,86 + 10 = 1,98 + 1,60 + 10 = 13,58
1 + 3,97 + 13,89 = 2,75 + 2,22 + 13,89 = 18,86.

Bilance byla vytvořena vynásobením objemů hustotou složek při teplotě 0 ^oC a tlaku 101,3 kPa pro 1 m³ CH₄ (první řádek) a pro 1 kg CH₄ (druhý řádek). Z uvedených bilancí vyplývají následující závěry.

Pro spálení 1 m³ CH₄ je zapotřebí (2 + 8) = 10 m³ vzduchu. Spálením vznikne 1 m³ CO₂ a 2 m³ vlhkosti. Objem suchých spalin je 1 + 8 = 9 m³, objem vlhkých spalin je 11 m³. Vše při teplotě 0 °C a tlaku 101,3 kPa.

Pro spálení 1 kg CH₄ je zapotřebí 3,97 + 13,89 = 17,86 kg vzduchu. Spálením vznikne 2,75 kg CO₂ a 2,22 kg vlhkosti. Hmotnost suchých spalin je 2,75 + 13,89 = 16,64 kg, hmotnost vlhkých spalin je 18,86 kg.

Měrná vlhkost spalin = 2,22 / (2,75 + 13,89) = 0,133 kg / kg teoretických suchých spalin (dále jen kg.kg^-1 t.s.s.).

Hustota suchých spalin = (1,98 + 10) / 9 = 1,33 kg.m^-3, hustota mokrých spalin = 13,58/11, což je 1,23 kg.m.

Spalné teplo plynu je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství plynu a stechiometrického množství kyslíku. Obě složky mají počáteční teplotu 25 °C. Spaliny se ochlazujíí opět na teplotu 25 °C. Často má tato referenční teplota hodnotu 15 °C.

Výhřevnost plynu je rovna spalnému teplu, zmenšenému o teplo uvolněné kondenzací vodní páry ze spalin.

Při teplotě 25 °C a při absolutním tlaku 101,3 kPa je hustota CH₄ = 0,66 kg.m^-3.
Spalné teplo = 39,82 MJ.m^-3 = 55,31 MJ.kg^-1 = 11,06 kWh.m^-3 = 15,36 kWh.kg^-1.
Výhřevnost = 35,88 MJ.m^-3 = 49,83 MJ.kg^-1 = 09,97 kWh.m^-3 = 13,84 kWh.kg^-1.
Rozdíly = 03,94 MJ.m^-3 = 05,48 MJ.kg^-1 = 01,09 kWh.m^-3 = 01,52 kWh.kg^-1.
Podíl 55,31 / 49,83 = 1,11.

Obr. 4.1 Schema toku tepla

Kondenzace vlhkosti ze spalin

Pokud se spaliny zemního plynu ochlazují pod teplotu rosného bodu, začne z vodní páry obsažené ve spalinách kondenzovat voda, kondenzát. Pokud se toto ochlazení děje v kotli, na jeho teplosměnných plochách, uvolňuje se latentní (jakési skryté) teplo, obsažené v plynu ve formě tepla skupenského (vypařovacího). Takto využité teplo se převádí oběhovou vodou do tepelné soustavy, čímž se zvyšuje využití energetického obsahu zemního plynu. Následně se zásadně sníží jeho spotřeba.

Představu o využití energetického obsahu zemního plynu si uděláme nejlépe podle schematu tepelného toku při spalování a kondenzaci (obr. 4.1). Plyn vstupuje do kotle s plným energetickým obsahem daným spalným teplem, které je o latentní teplo (11 %) vyšší než jeho výhřevnost. Po spálení plynu dochází ke ztrátám tepla, které odchází z kotle jednak spalinami, jednak sdílením tepla z povrchu kotle při jeho běhu i při pohotovostním (teplém) stavu. Při pohotovostním stavu dochází někdy i ke ztrátám uvnitř kotle nežádoucím prouděním vzduchu.

Pokud se spaluje zemní plyn v nízkoteplotním kotli, využívá se pouze teplo dané výhřevností snížené o uvedené ztráty. Účinnost je limitována hodnotou 94 %.

Při spalování zemního plynu v kondenzačním kotli, využívá se spalné teplo snížené o uvedené ztráty. Ty jsou však s ohledem na nízkou teplotu spalin podstatně nižší. Účinnost je potom limitována hodnotou 106 %.

Literatura:
1) Firemní literatura Viessmann Praha