Innost kotle: vzorec pro účinnost teplovodního zařízení

Při stavbě vlastního venkovského domu je třeba věnovat zvláštní pozornost topnému systému, který do vašeho domova přinese teplo a pohodlí. Důležitým kritériem pro efektivní topný systém je topné zařízení, zejména topný kotel. Výběr teplovodního kotle závisí na mnoha parametrech, mezi ty hlavní patří použité palivo a účinnost zařízení na vaše podmínky.

Topný kotel je základem efektivního topného systému pro teplo a pohodlí.

Hlavním ukazatelem účinnosti topného kotle je koeficient výkonu (COP). Účinnost kotle je dána poměrem užitečně využitého tepla k veškerému teplu uvolněnému při spalování paliva. V ideálním případě se výpočet účinnosti provádí pomocí vzorce:

η = (Q1/ Qri)100 %, kde Q1 je teplo použité pro užitečné účely a Qri je celkové teplo.

Závislost účinnosti zařízení na ohřev vody na zatížení

Schéma moderní topné jednotky pro domácí použití.

Zvyšování tepelné zátěže, tedy zvyšování množství spáleného paliva, nevede vždy k pozitivním výsledkům. Současně se zvyšováním tepelného výkonu samotného kotle rostou i ztráty tepla, které odchází se spalinami, neboť jejich teplota je úměrná teplotní bilanci zařízení. Účinnost topných zařízení klesá. Totéž se děje, když je ohřívač provozován na snížený výkon. Je-li výkon o více než 15 % nižší než provozní výkon, dojde k nedokonalému spalování palivové látky, a tím k přímému zvýšení objemu spalin, což také sníží účinnost topného zařízení. Proto je důležité přesně udržovat výkon kotle, aby byl provozován v optimálním stavu s co největší účinností.

Účinnost kotlů na různé druhy paliva

Výše uvedený výpočet účinnosti kotle je použitelný pouze pro hrubé výpočty a při návrhu topného systému se používá zřídka. Není použitelný pro přesné výpočty, protože ne všechno teplo získané během spalování se spotřebuje na ohřev chladicí kapaliny. Část tepla se ztrácí. Proto se přesnější výpočet účinnosti zařízení na ohřev vody provádí pomocí vzorce:

η=100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), kde q2 je tepelná ztráta s odcházejícími produkty spalování; q3 – ztráty nedopalováním hořlavých plynů; q4 – ztráty spojené s mechanickým nedopalováním a tvorbou popela; q5 – ztráty externím chlazením; q6 – tepelné ztráty struskou při čištění pece.

Tepelné ztráty v ohřívači

Tepelné ztráty výfukovými plyny

Nejvýznamnější jsou tepelné ztráty odcházejícími produkty spalování (q2). Teplota spalin přímo ovlivňuje účinnost topného kotle.

Normální teplotní tlak na studeném konci ohřívače vzduchu je zajištěn při teplotě 70-110°C.

Hlavní zdroje tepelných ztrát.

Při poklesu teploty spalin o 12-15°C se účinnost kotle zvýší přibližně o 1%. Chlazení výfukových plynů však vyžaduje zvětšení topných ploch, čímž se zvětší velikost celé konstrukce. Při poklesu teploty výfukových plynů navíc hrozí nízkoteplotní koroze.

Tato teplota závisí na teplotě přiváděného vzduchu a druhu paliva. Doporučené hodnoty teploty spalin pro různé druhy spalovaného paliva a různé teploty vstupního vzduchu jsou uvedeny v tabulce níže.

Pro výpočet tepelných ztrát spojených s odcházejícími produkty spalování se používá následující vzorec:

q₂ = (T1 – T3) (A2/(21 – O2) + B), kde T1 je teplota vystupujících spalin v regulačním bodě za přehřívačem; T3 – teplota nasávaného vzduchu; 21 – koncentrace kyslíku ve vzduchu; O2 – koncentrace kyslíku v odcházejících spalinách, k jejímu stanovení dochází v kontrolním bodě; A2 a B jsou koeficienty, které závisí na spáleném palivu a jsou uvedeny v tabulce níže.

Tepelné ztráty v důsledku chemického podpálení

Spalování topného oleje má za následek tepelné ztráty v důsledku chemického nedopalování.

Tento typ ztráty (q3) se bere v úvahu, pokud se jako palivo používají plynné látky nebo topný olej. U moderních plynových kotlů je to 0,1-0,2 %. Pokud k procesu spalování dochází s malým přebytkem vzduchu, pak ztráta by měla být brána jako rovna 0,15% a s velkým přebytkem vzduchu – rovna nule. Pokud se použije směs plynů s různými teplotami spalování, pak q3=0,4-0,5%.

Tento typ ztráty (q4) je typický pro pevná paliva. Například u antracitu je to 4–6 %, u poloantracitu – 3–4 % a u černého uhlí – 1,5–2 %. Nízkoreaktivní druhy uhlí je nutné spalovat s kapalným odstraňováním strusky, pak bude q4 minimální z uvedených hodnot, zatímco u pevné strusky se bere horní hranice tepelných ztrát.

Zpět na obsah

Tepelné ztráty z vnějšího chlazení

Tento typ ztráty (q5) je velmi malý (méně než 0,5 %) a klesá s rostoucím výkonem topné jednotky. Tyto ztráty odpovídají přímému výpočtu parního výkonu kotle:

• při parní kapacitě D od 42 do 25 kg/s se ztráty rovnají q5=(60/D) 0,5 /lgD;
• při parní kapacitě D větší než 250 kg/s se ztráty považují za rovné 0,2 %.

Tepelné ztráty při odstraňování strusky

Ztráty spojené s fyzikálním teplem strusek (q6) se berou v úvahu při odstraňování kapalné strusky. Pokud se struska odebírá z pece pevnou metodou, pak se tepelná ztráta bere v úvahu pouze v případě, že je větší než 2,5Q.

Výpočet účinnosti kotle na tuhá paliva

Jakýkoli topný kotel by byl ideální, kdyby jeho účinnost byla 100%, ale jak již bylo zmíněno dříve, je to nemožné kvůli různým druhům tepelných ztrát, v závislosti jak na spalovaném palivu, tak na okolních podmínkách. Uveďme příklad výpočtu účinnosti topného zařízení na tuhá paliva:

Schéma zapojení pro kotle na tuhá paliva.

• ztráty spojené s fyzikálním odstraňováním strusky q6 = (Ashl*Zl*Ar)/Qri, kde Ashl je podíl strusky, který je určen bilancí odstranění popela z pece vzhledem k objemu paliva. Za předpokladu, že podíl popela odváděného při správně organizovaném spalovacím procesu je obvykle 5-20 %, pak podíl strusky je od 80 do 95 %;
• Зл – entalpie popela při teplotě 600°С. Zl se rovná 133,8 kcal/kg s normálním tepelným výpočtem;
• Ar – obsah popela vypočtený na základě pracovní hmotnosti. V závislosti na typu paliva se Ar pohybuje od 5 do 45 %;
• Qri – minimální množství tepla uvolněného při spalování. Tento parametr závisí na typu paliva a pohybuje se od 2500 do 5400 kcal/kg.

Na základě výše uvedených parametrů se q6 pohybuje mezi 0,1 a 2,3 %.

Ztráty q5 závisí na jmenovitém výkonu kotle a vyrobeném výkonu. U moderních nízkopříkonových topných kotlů, které se používají k vytápění soukromých domů, dosahují tepelné ztráty z vnějšího chlazení 2,5–3,5 %.

Ztráty z mechanického nedopalování (q4) závisí do značné míry na konstrukci samotného kotle a použitém palivu. Tepelné ztráty se v tomto případě pohybují od 3 do 11 %. Ztráty chemickým nedopalováním (q3) závisí na úplnosti smíchání paliva s přiváděným vzduchem. Za normálních podmínek jsou takové ztráty 0,5-1%.

Hlavní typ tepelných ztrát (q2), spojený s teplotou výfukových plynů, závisí na použitém palivu, teplotě produktů spalování výfukových plynů, organizaci spalovacího procesu a konstrukčních vlastnostech zařízení. Pro dosažení tepelného konstrukčního standardu 150°C by minimální doporučená teplota spalin při spalování uhlí měla být 280°C. Tepelné ztráty v tomto případě dosahují 9-22%.

Optimální parametry zátěže zajišťují vysoký výkon topného systému.

Sečtením všech ztrát získáme maximální koeficient, který lze v moderním topném kotli získat, rovný 100-(9+0,5+3+2,5+0,1)=84,9 %. Dosažení takového ukazatele lze dosáhnout pouze správnou instalací topného zařízení, nastavením nejvyšší účinnosti v závislosti na okolních podmínkách a výběrem optimálního paliva. Účinnost topného systému závisí na optimální zátěži doporučené výrobcem. Provoz zařízení by měl být organizován tak, aby většinu času fungoval v režimu ekonomické zátěže.

Základní pravidla pro provoz kotlů pro dosažení maximální účinnosti:

• kontrola stability spalování a maximální úplnosti spalování;
• sledování stavu topné plochy a čištění kotle;
• výpočet optimálního tahu a tlaku přiváděného vzduchu;
• Výpočet obsahu popela.

Správný výpočet tahu, odpovídající rovnováze tlaku nasávaného vzduchu a rychlosti odcházejících plynů, má pozitivní vliv na úplnost spalování. Nadměrné zvýšení tlaku nasávaného vzduchu však ovlivňuje zvýšení tepelných ztrát výfukovými plyny. Pokud je naopak přiváděný vzduch omezen, povede to k nedostatku kyslíku, a tím ke snížení spalovacího procesu a zvýšení tvorby popela.

Dodržování těchto doporučení vám umožní provozovat topný kotel v optimálním režimu s maximální účinností, což sníží náklady na vytápění. Teplo do vašeho domova!