Účinnost spalovacích zařízení

Transkript

1 Účnnost saloacích zařízení o ředmět Saloání a saloací zařízení of. Ing. ael Noskeč, CSc Saloací zařízení slouží k tansfomac chemcky ázané enege al na teelnou eneg méda, hodného k žádoucí dstbuc tela o ytáění (kotle o ytáění, lokální toenště), nebo o další tansfomac na jné fomy enege (aní kotle). aconím médem je e ětšně říadů oda (šechny duhy kotlů), nebo zduch (lokální toenště). Účnnost tansfomace enege je nejýznamnějším techncko-ekonomckým aametem uedených zařízení, neboť udáá míu yužtí enege ala a je logcké, že neyužtá enege ředstauje ztáty, ať už e fomě tela, nebo nesáleného ala. Obecně je defnoána účnnost jako omě ýkonu ku říkonu, lze tedy zasat η = ýkon = [-] () říkon a uažoaných říadech bude říkonem ždy množstí enege, dodané do zařízení alu, zatímco ýkonem bude množstí tela, obsaženého e yobené áře, hoké odě, nebo ohřátém zduchu. Stanoení účnnost kotle, č kamen zdaleka není jednoduchou záležtostí. Vyžaduje oedení náočných měření a analýz a otože musí být získané ýsledky nazájem sonatelné, také oužtí jednotné metodky ýočtu. Celý ostu je odobně stanoen říslušných nomách a řestože mají nomy obecně chaakte dooučení, je ýhodné a užtečné nomatní metodku oužíat. o kotle je to noma ČSN Hodnocení kotloých ztát a o lokální toenště nař. ČSN EN 3229 Vestané sotřebče k ytáění a kboé ložky na ená ala ožadaky a zkušení metody. Další ýklad má za cíl objasnt a ysětlt oužíaný zůsob stanoení účnnost a je oto oněkud zjednodušený. Tam, kde to bylo zaotřebí, jsou jednotlá zjednodušení zdůazněna a objasněna tak, aby bylo snazší ochot ostu nomatního ýočtu. oužjeme-l ke stanoení účnnost defnčního ýazu (), musíme znát říkon alu a teelný ýkon zařízení, zoll jsme zdánlě nejjednodušší (a oto také nejřesnější) ostu. Hooříme tomto říadě o římé metodě stanoení účnnost. říkon alu bude dán množstím a ýhřeností ala, takže = m. Q [kw], (2) al okud bude yjádřeno množstí ala m al [kg.s - ] a jeho ýhřenost Q [kj.kg - ]. V říadě kotlů bude teelný ýkon snadné yjádřt jako množstí tela, obsaženého e yobené hoké odě, nebo áře. Je šak nutné zít na ědomí, že oda jž ř stuu do kotle obsahuje jsté množstí tela a očítat oto s telotním ozdílem stu-ýstu. Teelný ýkon hokoodního kotle jednoduše učíme ztahem = m. c. t [kw], (3)

2 když yjádříme množstí ody m [kg.s - ], měnou telotou kaactu c [kj.kg -. C - ] a říslušné teloty (t 2 t ) = t e [ C]. V říadě aního kotle je samozřejmě aktčtější yjádřt telený obsah áy entalí a bude = m. [kw]. (4) řtom yjádříme množstí áy m [kg.s - ] a říslušné entale stuní ody a ýstuní áy ( 2 ) = [kj.kg - ]. Z uedeného je zřejmé, že osaný ostu nelze oužít o stanoení účnnost lokálních toenšť, otože není eálně možné učt teelný ýkon, tj. množstí tela ředáaného do místnost. Stejně tak je často obtížné učt, zejména ř aloání tuhých al, sotřebu ala o stanoení teelného říkonu alu. Učt účnnost zařízení z defnčního ztahu (), tj. římou metodou, tedy na ní ohled yadá jako nejjednodušší ostu, nelze ho šak ždy oužít a naíc, což je nejdůležtější, nemá takoý ostu dostatečnou yoídací hodnotu. Zjstíme sce hodnotu účnnost, ale neíme na říklad oč je tak nízká, kde se enege ztácí. oto byla ynuta metoda stanoení účnnost ze ztát, tz. metoda neřímá. Ta ychází z jednoznačné skutečnost, yjádřené blancí říkon = ýkon + ztáty a jestlže označíme jednotlé ztáty jako Z, můžeme zasat ztah = + Z [kw]. (5) S oužtím defnce účnnost () lze snadno yjádřt Z Z η = = = [-] (6) a otože zlomek Z ředstauje oměné ztáty, řadající na jednotku říkonu, yjadřujeme jednoduše účnnost ztahem η = ξ [-] (6a) Nejjednodušším a také neaktčtějším zůsobem, jak yjádřt jednotku říkonu e jmenoatel zlomku ztahem (6), je zolt říkon, odoídající jednomu klogamu ala, tedy jeho ýhřenost. Je to jednoduché a naíc se šechny blanční ýočty saloání oněž ždy oádí o klogam ala. 2

3 Nomatní ýočet také olí jako jednotku říkonu množstí enege, ředené jedním klogamem ala, nemůže šak oomenout současně s ním řáděné fyzcké telo ala, an fyzcké telo říslušného množstí saloacího zduchu. Jak jž bylo řečeno, jsou ztáty zůsobeny nedokonalostí saloání a nemožností yužít eškeé saloáním ala uolněné telo. Základní ozdělení kotloých ztát ředstauje následující ýčet: - ztáta komínoá (ztáta ctelným telem saln), kteá yjadřuje ztátu tela e salnách za kotlem (řesněj za oslední telosměnnou lochou), kteé jž není dále yužto a odchází komínem do ozduší, - ztáta nedoalem (ztáta nesálenou hořlanou), udáající jakou část z ůodní hořlany se neodařlo sált a tato část ůodní hořlany oouští kotel e fomě tuhých a lynných hořlaých složek, - ztáta fyzckým telem tuhých zbytků, esektující skutečnost, že také zbytky o saloání ( deálním říadě oelona) oouštějí kotel s nezanedbatelnou telotou a odádějí tak značné množstí neyužtého tela, - ztáta sdílením tela do okolí, yjadřující množstí tela, ředaného do okolí z nějšího ochu kotle. V zjednodušeném, a tedy méně řesném, ýkladu lze yjádřt zůsob stanoení jednotlých ztát oměně snadno a sozumtelně. Chceme-l yjádřt komínoou ztátu, musíme stanot množstí tela e salnách za kotlem, což je fomálně snadné Q = V. c. t [J] (7) s s s s a oonat ho s množstím enege, ředeným alem. A otože ztahujeme ýočet k jednomu klogamu ala, abychom ředenou eneg mohl yjádřt ýhřeností, musí množstí saln yjadřoat takoé množstí, kteé znkne sálením jednoho klogamu ala. Tedy skutečné množstí saln V s,sk [m 3.kg - ]. Je také zaotřebí zít do úahy stuní telotu saloacího zduchu, ze kteého salny znkly, tedy telotu okolí t z a očítat s telotním ozdílem. Komínoou ztátu ak yjádříme K ( t t ) Vs, sk. C. z ξ = [-] (8) s s Q ř stanoení ztáty nedoalem je nutné s uědomt, že nesálené zbytky e fomě uhlíku se yskytují oelu, kteý oouští kotel dílem jako škáa (stuska) a dílem jako oílek. Toto ozdělení je nezbytné znát. Naíc se nesálená hořlana objeuje e salnách také lynné fáz, ředeším jako oxd uhelnatý odukt nedokonalého saloání uhlíku. Musíme tedy ozlšoat mez tuhým a lynným nedoalem a dále ještě mez tuhým nedoalem e stusce (škáře) a úletu. V tuhých zbytcích o saloání nalezneme jako odukt nedokonalého saloání ouze uhlík, otože další saltelné složky hořlany (sía a odík) obykle úsěšně shoří. Tento uhlík je obsažen oelu, jehož obsah jednom klogamu ala známe jako obsah oelony A [kg.kg - ]. Z laboatoního ozbou oela, oedeného zlášť o stusku a o oílek (úlet), známe obsah uhlíku jednotlých tuhých zbytcích a íme-l jaká část oela oadne oštem a jaká část uletí komínem, snadno učíme tomu odoídající množstí neyužté enege. 3

4 Není ošem snadné učt ozdělení oela na škáu a úlet. Lze s sce ředstat oozní měření, kteým by bylo možné toto ozdělení učt, nejčastěj se šak ychází z dlouhodobých zkušeností. Udáá se tz. stuněm zachycení říslušné složky, tj. stueň zachycení škáy X s a stueň zachycení úletu X u a samozřejmě latí, že X X =. [-] (9) s + u Ztátu tuhým nedoalem e stusce (škáře) můžeme yjádřt jednoduchým a logckým ztahem A. X. C. Q s s c ξ NS = [-], (0) Q kteý čtatel říká, že jedním klogamem ala bylo do kotle ředeno A kg oelony, z tohoto množstí část X s oadla oštem a bylo ní C s uhlíku, kteý má ýhřenost Q c. Analogcky se ostuuje ř stanoení ztáty tuhým nedoalem úletu ξ NU. odobně snadno lze yjádřt ztátu lynným nedoalem. Za ředokladu, že jednou hořlaou složkou e salnách bude oxd uhelnatý a jeho koncentace e salnách bude C co bude tato ztáta dána ýazem V s, sk. C. Qco ξ Nl = [-], () Q co kteý odobně jako (0) uádí, že e salnách V s,sk znklých sálením jednoho klogamu ala je obsaženo C co oxdu uhelnatého, kteý má ýhřenost Q co a ýaz čtatel udáá množstí enege neyužté oto, že tento oxd uhelnatý neshořel. Celkoá ztáta nedoalem je ak učena součtem dílčích ztát ξ = ξ + ξ + ξ [-] (2) N NS NU Nl odobně jako u stanoení ztáty tuhým nedoalem lze ostuoat ř yjádření ztáty fyzckým telem tuhých zbytků. S yužtím znalost ozdělení oela do stusky a úletu (stueň zachycení) je snadné yjádřt množstí tela, odedeného z kotle hokou stuskou a úletoým oílkem. K ýočtu je nutné znát měnou teelnou kaactu c říslušného tuhého zbytku a jeho telotu t, se kteou oouští kotel. Ztátu fyzckým telem stusky ak učíme ztahem A. X c. t s s s ξ fs = Q [-] (3) obdobně ztátu fyzckým telem úletu a celkoá ztáta fyzckým telem tuhých zbytků bude ξ = ξ + ξ [-]. (4) f fs fu Zbýá už jen ztáta sdílením tela do okolí ( ) o ξ. Telo je z ochu kotle ředááno do okolí šem známým mechansmy řenosu tela a římým měřením, dostatečně řesným 4

5 a solehlým, není možné tuto ztátu učt. Využíá se oto zkušeností a dlouhodobých oznatků. o učení šech eleantních dílčích ztát je snadné yočíst účnnost kotle, otože odle (6a) latí ( ξ + ξ + ξ ) η = ξ = K N f + ξo [-] (5) Naznačený ostu stanoení účnnost je zjednodušením nomatního ýočtu a má sloužt k jeho snazšímu ochoení. Je nutné uozont, že zájmu objektního hodnocení jednotlých ztát uřesňuje nomatní ýočet jednotlé ztáty tím, že bee do úahy množstí skutečně sálení hořlany (z členy tyu (00 - C ), (00 - ξ ) a další). Uedený ostu ýočtu je obecně oužtelný o šechny tyy kotlů a šechny duhy ala. V jednotlých říadech je nutné ýočet řzůsobt odmínkám. Naříklad u lynoých kotlů ztácí ýznam ztáta nedoalem tuhých zbytcích, stejně jako ztáta fyzckým telem tuhých zbytků. ř stanoení účnnost lokálního toenště (kamen) je sdílení tela do okolí základní funkcí zařízení a nelze jej samozřejmě hodnott jako ztátu. Vždy šak bude mít nejětší l na účnnost komínoá ztáta. Je domnantní a o řblžné stanoení účnnost lze oužít ztahu η ξ K. [-] (6) Z uedeného lyne, že ř hledání možností zýšení účnnost kotlů je nejefektnější zaměřt se na snížení komínoé ztáty. Vztah (8) ukazuje, že snížt hodnotu čtatele uedeného ýazu je možné snížením množstí saln V s,sk a snížením teloty saln t s. otože je skutečné množstí saln jednoznačně dáno složením ala, kteé učuje teoetcké množstí saln a součntelem řebytku zduchu n, V ( n ) V, s, sk Vs, t + z, t = [m 3. kg - ] (7) lze snížt množstí saln snížením řebytku zduchu. Takoé oatření je šak dost omezené, otože snžoání řebytku zduchu ede k nedokonalému saloání, odukc oxdu uhelnatého a ůstu ztáty nedoalem. aktčtějším řešením je snížení teloty saln za kotlem. I toto oatření má sůj lmt: telota saln musí být solehlě yšší, než telota osného bodu, aby nedošlo ke kondenzac ody e salnách. Ne šak za kotlem, ale na celé tase kouřoodu, četně komína. Telota osného bodu je záslá na duhu a složení ala a také na kaltě saloacího ocesu. Ve salnách, znklých saloáním zemního lynu je to cca 40 C, říadě saloání uhlí zhuba 20 C. Uedené hodnoty naznačují, že jž z tohoto důodu nemůže soutěž o nejyšší účnnost zítězt uhelný kotel. Většna oozoaných kotlů esektuje telotu osného bodu s elkou ezeou, což často sádí k úahám o dodatečném ýměníku o snížení teloty saln. Každé takoé řešení, jakkol je žádoucí, musí ycházet z kalfkoané analýzy oozních odmínek, aby skutečně řneslo užtek. Je řozené, že nejnžší kotloé ztáty nabízí kotle, salující zemní lyn. Ztáta fyzckým telem tuhých zbytků neexstuje, ztáta nedoalem se edukuje na ztátu 5

6 nesáleným oxdem uhelnatým, kteou lze úsěšně mnmalzoat kaltně edeným saloacím ocesem a oněž ztátu sdílením tela do okolí lze mnmalzoat hodnou teelnou zolací stěn kotle. oslední, komínoá ztáta nebude také řílš ysoká, díky nízké telotě osného bodu t s. Ta je záslá na řebytku zduchu ohnšt a s ostoucím součntelem řebytku zduchu n klesá. Oentačně tuto záslost naznačují údaje Tab.. Součntel řebytku zduchu n [-] Telota osného bodu t s [ C] Tab. Telota osného bodu e salnách Z otože je zemní lyn elm čstým alem s mnmem nežádoucích složek a jeho hořlana je tořena uhloodíky, domnantně metanem, jsou oduktem saloání oxd uhlčtý a oda. Salny ak budou naíc obsahoat dusík (79 % saloacího zduchu) a neyužtý řebytek saloacího zduchu. Složení a čstota saln nabídly ojednělou říležtost extémního ochlazení saln od telotu osného bodu. Vnkly tak kondenzační kotle. Jejch konstukční řešení musí zajstt ntenzní ochlazoání saln a ředání salnám odebaného tela telé odě toném systému. Výměník tela salny/oda musí být odolný ot kooz a musí zajstt odod kyselého kondenzátu do kanalzace. (U ýkonů nad 200 kw je nutná neutalzace kondenzátu.) otože jsou salny extémně ychlazené, ytáří se tah komíně zduchoým, nebo salnoým entlátoem. Výhody kondenzačního kotle lze yužít ouze tehdy, je-l oužt nízkotelotní systém ytáění. otože je chladícím médem toná oda, musí být její atná telota (řed stuem do kolte) dostatečně nžší, než telota osného bodu. Současné zkušenost otzují, že celém eguloaném ozsahu ýkonu kotle lze teoetcky dosáhnout kondenzačního oozu ř telotách toné ody 55/45 C a nžším a nad hodnotam 70/60 C jž acuje kotel zcela bez kondenzace. Je samozřejmé, že se ooz takoého systému bude měnt odle telotních oměů a ndduálních ožadaků, stejně tak se bude měnt telota saln, telota atné ody a také množstí kondenzátu. Sálením m 3 zemního lynu a ochlazením znklých saln (n = ) na 25 C zkondenzuje,36 kg ody. Takoý oozní ežm není ošem eálný, ale můžeme ho oažoat za deální lmt. Oačným lmtem je ooz bez kondenzace, tj. ooz s telotou saln nad telotou osného bodu. oozní ežm kondenzačního kotle lze dobře chaaktezoat tz. stuněm kondenzace, kteý udáá jaká část z celkoého obsahu ody zkondenzoala a stueň kondenzace se odle okamžtých oozních odmínek mění. oužjeme-l ke stanoení účnnost kotle běžně oužíané ztahy (), (2), (3), čeká nás řekaení, otože u kaltních dobře oozoaných kondenzačních kotlů bude účnnost ětší než jedna. Je to řekaení zajímaé, ne šak zneokojé. Výkon kotle se zýšl o uolněné kondenzační telo odní áy e salnách, kteá zkondenzoala. Množstí kondenzačního tela je možné zahnout do celkoé blance zaedením dalšího členu kondenzačního ýkonu k, kteý lze snadno yjádřt ztahem 6

7 K = m.l, [kw] (8) K e kteém ředstauje m K množstí kondenzátu [kg.s - ] a l kondenzační telo [kj.kg - ]. Defnční ztah () ak získá ta K η = [-] (a) a šechno bude ořádku. aktčtějším a běžně užíaným ostuem je yjádření říkonu (2) nkol ýhřeností, ale salným telem, kteé jž kondenzační telo obsahuje (z defnce ýhřenost a salného tela). Skutečnost, že oužtí běžně oužíaného ostuu ýočtu účnnost ede u kondenzačních kotlů k hodnotám, řesahujícím sto ocent, yužíají dodnes ýobc jako osědčeného eklamního tku. V seózních odboných ublkacích by tam, kde mohou znknout ochybnost mělo být ždy uedeno, zda byla účnnost stanoena z ýhřenost, nebo ze salného tela. Jak jž bylo řečeno, lze účnnost lokálních toenšť stanot ouze s oužtím neřímé metody, otože římé měření teelného ýkonu není možné. Nomatní ýočet ychází ze ztahu (5), odlšně šak defnuje jednotlé ztáty. Domnantní ztátou je oět ztáta komínoá, kteou lze jednoduše yjádřt ztahem (8). Vyjádření ztáty nedoalem se omezuje na nesálenou hořlanu e škáře (oelu) a oxd uhelnatý e salnách. Další ztáty není nutné bát úahu, takže latí ( ξ + ξ ) η K = ξ = K NS + ξ Nl [-] (9) Stojí za ozonost, že říadě saloání dřea, kteé osahuje zhuba jedno ocento oelony sušně, bude ztáta nedoalem tuhých zbytcích zanedbatelně malá (e ýazu (0) bude A <0,0), zláště když se oel ze dna ohnště adelně neodstaňuje a zbytkoý uhlík má dostatek času na yhoření. Modení kamna na saloání dřea jsou schoná dosáhnout emsní koncentace oxdu uhelnatého e salnách od 0, %, takže an ztáta lynným nedoalem není ýznamná a tak o účnnost ozhoduje ouze hodnota komínoé ztáty. Zatímco říadě ýočtu účnnost kotlů je osaná zjednodušená metodka elce blízká metodce nomatní je nomatní ostu ýočtu o lokální toenště méně sozumtelný a jeho ochoení yžaduje ětší úslí. V odobných říadech jako je tento je hodné řomenout, že žádná noma není záazná, ale je ouze dooučením. Ncméně jsou zde osané ncy ýočtu zachoány. Účnnost enegetce je ždy zajímaé a ýznamné téma. Zyšoání účnnost snžuje sotřebu al, snžuje enonmentální zátěž a odlužuje žotnost aloých zásob. Hooříme-l o účnnost, nestačí ěnoat ozonost ouze technckým asektům, ale je nutné mít na zřetel také asekty ekonomcké. ouze tak je možné dobat se užtečných záěů. Celkoá účnnost enegetckého systému je yjádřena součnem účnností jednotlých článků řetězce. Můžeme začít účnností (stuněm) yužtí ložsek foslních al a okačoat řes účnnost doay, účnnost kotle, bloku, elektány až o účnnost celého enegetckého systému. Stále íce budeme cítt nedostatečnost čstě technckého ohledu 7

8 (účnnost je omě ýkonu a říkonu) a stále íce budeme ostádat nějakou další eleantní elčnu. Tou elčnou je kouna. A oto okud hodnotíme enegetcký systém státu, neoužíáme jako kteum hodnocení účnnost, ale učujeme enegetckou náočnost ekonomky EN, kteou yjadřujeme jako odíl sotřeby máních enegetckých zdojů EZ a hubého domácího oduktu HD: EZ EN = [J.Kč - ] (20) HD 8