Možnosti využívání odpadního tepla spalin

25. listopadu 2008

Partneři sekce:

Jednou z možností úspor energie je využívání odpadního tepla spalin při spalování zemního plynu. Lze využít spalné a latentní teplo obsažené ve spalinách u klasických kotlů a při kondenzaci spalin.

Snaha o dosažení úspor energie, využívání odpadního tepla a netradičních energetických zdrojů je celosvětově aktuální otázkou prakticky od dob světové energetické krize. Vyžaduje nejen optimální využívání surovin, materiálů a energií, ale i racionálních technologií.

K optimalizaci všech tepelných procesů je nutno přistupovat s patřičnou zodpovědností a náročností s cílem minimalizovat ztráty. Týká se to nejen nových zařízení, ale i existujících, u nichž je třeba kontrolovat hospodárnost jejich provozní činnosti.

Přitom je důležité si všímat, jak kvalitně a efektivně pracuje zařízení tepelného procesu, zda je možná úspora energie nebo zpětné získávání tepla, případně zda by bylo pro zkoumaný tepelný proces hospodárnější použít novou technologii.

Ochrana životního prostředí
Technické prostředky k využívání spalného tepla ve spalovací technice představují důležitý podíl v úspoře energie a při ochraně životního prostředí. V posledních dvou desetiletích se ve světě vyvinula, postupně uvedla do provozu a zdokonalila zařízení, která tento proces využívání spalného tepla zaručují. Jsou to prostředky, které zabezpečí vysoký stupeň využití energie a sníží emise škodlivých látek do ovzduší. V této souvislosti musíme podotknout, že se téměř výlučně aplikují na plynofikované zdroje tepla.

Využívání spalného tepla
Termodynamickým základem využívání spalného tepla je proces kondenzace ve spalinách. Proto hovoříme o kondenzačním teple, resp. o kondenzačních plochách a zařízeních. Stupeň využití energie dosahovaný v provozu kondenzačních zařízení ovlivňuje mnoho parametrů, které se odlišují účinkem a velikostí. Jsou to například druh paliva, množství spalovacího vzduchu a teplota rosného bodu, ztráty spalinami, ztráty sáláním a provozní teploty systému vytápění. Právě uvedené teploty systému vytápění jsou velmi důležité především v našich podmínkách při modernizaci zdrojů tepla a jejich napojení na existující systémy.

Paliva vzhledem k obsahu energie charakterizují dva parametry:

výhřevnost (H_i) – množství tepla vztahující se na jednotkové množství paliva, které se uvolní při úplném spálení, kdy spaliny ochladíme na referenční teplotu (20 °C), voda ve spalinách je však ve formě páry,
spalné teplo (H_s) – množství tepla vztahující se na jednotkové množství paliva, které se uvolní při úplném spálení, kdy spaliny ochladíme na referenční teplotu (20 °C), přičemž vodní pára vznikající ve spalovacím procesu odevzdává své kondenzační teplo kondenzováním na teplosměnných plochách.

Přehled vlastností paliv, které jsou důležité pro využívání spalného tepla, je uveden v tabulce.

Energetický obsah v palivech

¹⁾ vzhledem k množství oleje
²⁾ u topného oleje se údaje vztahují na jednotku litr

Výparné teplo ve vztahu k výhřevnosti
Výparné teplo se v minulosti nedalo využívat, protože pro to nebyly vytvořeny technické předpoklady. Pro všechny výpočty stupně využití se jako vztažná veličina vždy uvažovala výhřevnost (H_i). Dodatečným využitím výparného tepla a ve vztahu k výhřevnosti H_i lze dosáhnout stupně využití, který převyšuje 100 %. Vzhledem k směrnicím se však stupně využití energie v otopné technice nadále vztahují na výhřevnost.

Rozhodujícím faktorem pro efektivnost kondenzace spalin je poměr spalného tepla k výhřevnosti (H_s/H_i). Čím je tento poměr větší, tím více tepla získáme v důsledku kondenzace spalin.

Kondenzační technika je účinná technika proměny zemního plynu nebo topného oleje v užitečné teplo prostřednictvím spalovacího procesu. Podobně jako nízkoteplotní technika se i ona zakládá na myšlence provozovat vytápěcí kotel pouze s teplotou nezbytnou k pokrytí aktuální potřeby tepla.

Využití latentní tepelné energie
Zatímco v nízkoteplotních kotlích je třeba zabránit kondenzaci topných plynů, a tím i zvlhčení otopných ploch, u kondenzační techniky je tomu úplně jinak. Kondenzování topných plynů je tu vysloveně žádoucí a sleduje se jím využití latentní (skryté) tepelné energie, která je obsažena ve vodní páře, vzhledem k citelnému teplu spalin. Kromě toho se zbytkové teplo, odváděné přes spalinové zařízení, výrazně redukuje, protože teplota spalin je proti nízkoteplotním vytápěcím kotlům výrazně nižší.

Při spalování topného oleje nebo zemního plynu, tvořených převážně se sloučením uhlíku (C) a vodíku (H), vzniká s reakcí s kyslíkem (O₂), který je součástí vzduchu, oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O). Pro zemní plyn (metan CH₄) vypadá jednoduchý spalovací vzorec takto:

CH₄ + 2 O₂ → 2 H₂O + CO₂ + teplo

Energetický zisk kondenzace
Při spalování zemního plynu vzniká značné množství vody – z 1 m³ plynu je to dokonce víc než 1,5 l vody. V horkých spalinách obyčejných kotlů odchází tato voda z kotle bez využití ve formě vodní páry. Jsou to peníze doslova vyhozené komínem, protože tato pára má v sobě až 11 % tepla získaného z výhřevnosti plynu. Kondenzační kotle mohou vodní páru ochladit, zkondenzovat ji a využít z ní toto tzv. kondenzační teplo. K tomu je třeba snížit teplotu kotle vodou vracející se ze systému. Když teplota na stěnách otopných ploch na straně topného plynu klesne pod teplotu rosného bodu, vzniká z vodní páry v topném plynu kondenzát.

U nízkoteplotních systémů vytápění je kondenzace v kotlích trvalá. Výrazným ochlazením spalin, což umožňují pouze kondenzační kotle, získáme další teplo. V porovnání s nekondenzačním kotlem mohou být tedy úspory značné. Nevýhodou je, že kondenzační kotle se musejí vyrobit z dražších materiálů odolávajících agresivnímu prostředí.

Z různého chemického složení zemního plynu a topného oleje vyplývají i různé teploty, při kterých vodní pára kondenzuje. V stechiometrické oblasti je teplota rosného bodu v případě zemního plynu přibližně 57 °C, v případě extra lehkého topného oleje je to asi 47 °C. Teoretický tepelný zisk proti nízkoteplotní technice představuje v případě zemního plynu 11 %. U topného oleje lze dosáhnout maximálně šestiprocentního zisku kondenzačního tepla.

Praktické využití spalného tepla
Problematika hospodárného využívání tepla se týká každého z nás, protože za energii platíme – ať už ve formě odebraného tepla nebo ve formě energie skryté v poskytovaných službách, kupovaných výrobcích apod. Na zdrojích tepla jsou u nás instalovány různé druhy kotlů – od moderních kondenzačních až po klasické kotle dvou- a třítahové s nižší účinností. Právě tento faktor a skutečnost, že v naší republice je zavedený vysoký stupeň plynofikace, nás nutí zaměřit se na využívání odpadního tepla spalin.

U kotlů na ústřední vytápění středního a většího výkonu spalujících zemní plyn je výhodné využívat teplo obsažené ve spalinách i zařazováním výměníků tepla za kotel. Tyto výměníky tepla rozdělujeme na ekonomizéry a termokondenzátory.

Ekonomizéry jsou výměníky tepla, které využívají odpadní teplo spalin jejich ochlazováním nad teplotu rosného bodu na úroveň přibližně 100 °C. Jsou zhotoveny z běžných kotlových trubek a mají přijatelnou cenu. Používají se za parními i za teplovodními kotli.

Termokondenzátory mají stejnou funkci, jsou z ušlechtilé oceli, která je odolná proti korozi. Bývají sice dražší, ale využití tepla ve spalinách je podstatně vyšší.

Klasické teplovodní kotle a kondenzace spalin
U těchto kotlů se udržuje zkratovým propojením teplota vratné vody 60 °C. Je to z toho důvodu, aby nedocházelo ke kondenzaci na stěnách kotlů a aby se zabránilo nízkoteplotní korozi. Spaliny se odvádějí s teplotou 170 až 200 °C. Při těchto teplotách jsou u citelného tepla ztráty asi 10 % a u latentního tepla asi 11 %. Účinnost spalování u spodní hranice výhřevnosti plynu je (100 – 10)/100, tj. 90 %, přičemž ztráty u latentního tepla se neberou v úvahu.

Snížíme-li teplotu spalin (např. ekonomizérem) na přibližně 90 až 100 °C, jsou ztráty u citelného tepla asi 6 % a účinnost spalování je (100 – 6)/100, tj. 94 %.

Pokud využívání odpadního tepla spalin aplikujeme na kondenzaci vodních par, tedy využíváme i latentní teplo spalin, zvyšuje se účinnost spalování a k hodnocení takového procesu používáme tzv. normovaný stupeň využití (NSV). Při aplikaci termokondenzátoru závisí NSV na teplotě vody, která se vrací do kotle. NSV narůstá, když se teplota vratné vody snižuje až na hodnotu, při níž dochází ke kondenzaci největšího množství vody. Při teplotě vratné vody 60 °C je obvykle výstupní teplota kouřových spalin přibližně 45 °C. To odpovídá asi dvouprocentní ztrátě citelným teplem a přibližně pětiprocentní ztrátě latentním teplem. Potom je NSV (100 – 2 + (11 – 5))/100 = 0,98 + 0,06 = 1,04 ~ 104 %.

Z termodynamického hlediska souvisejí latentní teplo i kondenzační teplo se spalným teplem.
Čím je teplota spalin nižší, tím je množství zkondenzované vody vyšší. Současně se prostřednictvím nižší teploty spalin (např. proti nízkoteplotním kotlům) dosahuje i nižších ztrát spalinami. To znamená, že u kondenzačních kotlů se kromě zisku kondenzačního tepla dosahuje i lepšího energetického využití v důsledku nižších ztrát spalinami.

Komínová technika
Pro moderní, nízkoteplotní a kondenzační kotle a kotle se zařazeným termokondenzátorem, případně ekonomizérem se musejí navrhovat komíny, které bez problému zvládnou kondenzaci vodní páry v kouřovodu a komíně. Čím má být výroba tepelné energie hospodárnější, tím důležitější je, aby všechny části spalovacího zařízení a odvodu spalin (hořák – kotel – kouřovody – komín) byly správně velikostně dimenzovány.

Také se musí dbát na to, aby existoval soulad mezi automatickými regulacemi. Respektovat je třeba i skutečnost, že nerovnoměrná kondenzace způsobuje různé kyselé kondenzáty, kterým musí materiál odolávat a které se musejí správným způsobem odvádět do kanalizace. Z toho vyplývá, že při navrhování kouřovodů a komínů je nutné úzce spolupracovat s profesionálními firmami, které se touto problematikou zabývají a poskytují dostatečné záruky na bezporuchový chod zařízení.

K neutralizaci odcházejícího kondenzátu se používají minerální látky nebo přímo alkalické roztoky. Mezi minerály patří například vápenec a dolomit, mezi alkalické roztoky louh sodný (NaOH) apod. Jde o běžně dostupné a levné suroviny. Granuláty z vápencových a dolomitových materiálů se používají u menších zařízení, u větších zařízení se výhodně používají silné zásady (NaOH). U nás se o této problematice vypouštění a neutralizace kondenzátu v odborných kruzích již diskutuje, protože realizace kondenzačních kotlů a termokondenzátorů v kotelnách jsou velmi aktuální.

Praktické využití ekonomizérů a termokondenzátorů
Ekonomizéry a termokondenzátory jsou v současnosti středem pozornosti provozovatelů kotelen, protože zvyšováním cen paliv a energií se jejich aplikace stává velmi výhodnou. Snižují se provozní náklady, a tím i ceny za teplo. Snižováním teploty odcházejících spalin se výrazně zvyšuje účinnost kotlů, resp. NSV, a tedy i ekonomika provozu, což se projevuje snížením spotřeby paliva. Návratnost investice je různá, pohybuje se v rozpětí několika měsíců až let, maximálně jsou to asi tři roky. Záleží přitom na:

zvýšení účinnosti,
stupni ročního využití jmenovitého výkonu kotle,
vývoji cen paliv a energií.

Ekonomizéry a termokondenzátory se používají:

jako ohřívače napájecí vody u středotlakých a nízkotlakých parních kotlů,
k ohřívání vratné vody u teplovodních a horkovodních kotlů,
k předehřívání studené vody na přípravu teplé vody,
k předehřívání vody na externí technologické procesy,
k předehřívání napájecí vody před napájecí nádrží apod.


Závěsný kondenzační kotel Lev s PREMIX hořákem, plynulou modulací výkonu a stupněm využití 108 %		Kompaktní nástěnný kondenzační kotel Vitodens 222-W s výhřevnou plochou Inox-Radial a cylindrickým hořákem MatriX s výkonem 4,8 až 35,0 kW