Kondenzační kotel pro každého (VI)
Kolik vzniká kondenzátu při provozu kotle a co s ním?
Při kondenzaci spalin zemního plynu vzniká kondenzát, který musí být odváděn z kotle. Pro rozhodování o neutralizaci či o ředění kondenzátu musí být známo jednak průtokové množství kondenzátu, jednak jeho množství za vytápěcí období.
 Obr.1 Měrná zkondenzovaná vlhkost |
Množství vlhkosti, která zkondenzovala v kotli ze spalin, závisí na teplotě spalin a na součiniteli přebytku vzduchu λ. Hodnoty měrné zkondenzované vlhkosti, což je zkondenzovaná vlhkost v kg, vzniklá spálením 1 m3 zemního plynu (ZP), je vhodné vyjádřit graficky (obr.1). Na vlhkostním diagramu jsou také uvedeny stupnice účinnosti spalování vztažené k výhřevnosti ηr a stupně kondenzace. Z diagramu je patrné, že v ideálním případě po spálení 1 m3 ZP zkondenzuje až 1,36 kg vlhkosti. Děje se tak při ochlazení spalin o λ = 1 na teplotu 25 °C. Při větším ochlazení, např. na teplotu 15 °C, která je někdy referenční teplotou při definici spalného tepla, bude množství ještě větší. S rostoucí hodnotou l samozřejmě měrná zkondenzovaná vlhkost a stupeň kondenzace značně klesají.
Okamžitý průtok kondenzátu
Průtokové množství kondenzátu mk [kg.h-1] při určitém okamžitém příkonu kotle, který je dán průtokem plynu, se stanoví ze vztahu:
mk = mp. xk
kde:
| mp | průtokové množství plynu | [m3.h-1] |
| xk | měrná zkondenzovaná vlhkost | [kg.m-3 ZP] |
Příklad
Zadání:
V kotli je v určitém okamžiku spalován zemní plyn o průtoku 10 m3.h-1. Měřením spalin výstupujících z kotle byla zjištěna teplota t = 46 °C a součinitel přebytku vzduchu λ = 1,5. Máme stanovit průtokové množství kondenzátu, který vzniká v kotli.
Řešení:
Pro uvedené parametry spalin odečteme z vlhkostního diagramu (obr.1) hodnotu měrné zkondenzované vlhkosti xk = 0,34 kg.m-3 ZP.
Výpočtem určíme průtokové množství kondenzátu mk = 10. 0,34 = 3,4 kg.h-1.
Množství kondenzátu vzniklé za vytápěcí období
Množství kondenzátu vzniklé za vytápěcí období se určuje obtížněji, neboť se mění vytížení kotle, resp. průtok ZP, a s ním i teplota spalin a často i hodnota λ. Proto je vhodné použít graficko-početní řešení. Pro řešení jsou potřebné 3 diagramy s charakteristikami kotle (obr.2) a s charakteristikami klimatu (obr.3) a vlhkostní diagram (obr.1). Prvé dvě charakteristiky byly probrány již dříve. Sledujme nyní kolik vznikne kondenzátu za vytápěcí období, když výpočtový průtok plynu bude 1 m3.h-1. Tento průtok je samozřejmě pouze při vytížení q = 1.
 Obr.2 Charakteristika kondenzačního kotle (závislost účinnosti na vytížení) |
fk = Δηk. q
kde:
| Δηk | zvýšení účinnosti vlivem kondenzace = η - 1 | [-] |
| q | vytížení kotle (poměrný tepelný výkon) | [-] |
Zvýšení účinnosti vlivem kondenzace Δηk je vztaženo k účinnosti rovné 1. V kondenzačním faktoru je zohledněno to, že při nižším vytížení kotle není průtok ZP stálý, ale že klesá. Tím i klesá tvorba (průtok) kondenzátu.
Sestrojení průběhu kondenzačního faktoru si ukážeme přímo na příkladě. Vycházíme z charakteristiky určitého kotle s vytápěcí soustavou a z charakteristiky klimatu. Charakteristika kotle s vytápěcí soustavou 75/60 °C (křivka a) se vyznačuje tím, že kondenzace spalin se děje v rozsahu vytížení q = 0,250 až q = 0,785, takže Δq = 0,535.
Průběh sestrojíme tak (obr.2), že hodnotu svislé pořadnice AB, která představuje zvýšení účinnosti vlivem kondenzace Δηk čili rozdíl Δ - 1 = 1,08 - 1 = 0,08, ponásobíme příslušnou hodnotou vytížení kotle q = 0,25. Dostaneme pořadnici AC, což je kondenzační faktor fk = 0,02. Pokud tuto operaci provedeme postupně pro vytížení 0,4, 0,5, 0,6 a 0,7, získáme hledaný průběh kondenzačního faktoru fk (křivka b). Průměrnou hodnotu kondenzačního faktoru fkp = 0,02 (přímka c) získáme graficky pomocí ploch jednotlivých čtverečků pod křivkou b.
Dále stanovíme průměrnou kondenzační účinnost Δkp = 1 + fkp = 1 + 0,02 = 1,02.
 Obr.3 Charakteristika klimatu 20/-12/12 oC |
Ještě musíme zjistit poměrnou dobu poměrného výkonu Δu, čili pásmo kondenzace. Odečteme ji z charakteristiky klimatu (obr.3) po zanesení hodnoty Δq = 0,535. Dostáváme Δu = 0,94. Nakonec vypočítáme množství kondenzátu Mk [kg] za vytápěcí období ze vztahu - Mk = 24. do. Δu. xk
kde:
| do | počet dnů vytápěcího období | [-] |
| Δu | poměrná doba poměrného výkonu | [-] |
| xk | měrná zkondenzovaná vlhkost | [kg.m-3 ZP] |
Takže
Mk = 24. 220. 0,94. 0,25 = 1 241 kg.
Odvod kondenzátu
Při provozu kotle v kondenzačním režimu, tj. pod teplotou rosného bodu spalin, se uvolňuje z vodní páry ve spalinách kondenzát. Stéká po povrchu výměníků na dno kotlové spalovací komory. Z nejnižšího místa výměníku je pak odváděn. Množství kondenzátu je v průběhu roku proměnné. Kondenzát ze spalin je kyselý s hodnotou pH danou obsahem rozpuštěného oxidu uhličitého CO2. Běžně je stupeň kyselosti uváděn v rozsahu pH = 3,8 až 5,4.
Podle předpisu ze SRN se doporučuje upravit vypouštění kondenzátu do kanalizace tak, že u kondenzačních kotlů:
- s výkonem do 25 kW je napojení možné přímo na kanalizaci bez dalšího opatření,
- s výkonem od 25 kW do 200 kW je napojení možné bez neutralizace, je-li kondenzát během nočního provozu zachycován ve zdržovací nádrži a během dne pak pozvolna vypouštěn spolu s ostatními splaškovými vodami tak, aby bylo dosaženo menší, než limitní kyselosti,
- s výkonem nad 200 kW je napojení možné až po neutralizaci kondenzátu.
 Obr. 4 Schema neutralizačního zařízení |
Neutralizace (odkyselování) kondenzátu se provádí nejčastěji chemicky, kdy se snižuje obsah CO2 průtokem kondenzátu přes odkyselovací hmoty, na které se CO2 chemicky váže. Používají se mramor, magno, dolomit atd. Nejúčinnější je dávkování vápna Ca(OH)2, pokud lze zajistit pravidelnou manipulaci dávkování vápenného hydrátu.
Neutralizační zařízení tvoří nádoba nejčastěji z plastických hmot s náplní neutralizačního granulátu (obr.4). Nádoba umístěná poblíž kotle by měla mít malou výšku, aby výtok kondenzátu z kotle byl nad nádobou a nebyl nutný dodatečný základ pod kotel. Protože spaliny jsou většinou v kotli a často i ve spalinové cestě v přetlaku, je na odtokovém potrubí přetlaková vodní uzávěrka. Odtok do kanalizace je opařen zápachovou uzávěrkou.