Efektivní a bezpečné provádění měření na otopných zařízeních

Požadavky na měřicí techniku pro analýzu spalin plynových kotlů nutí výrobce vyvíjet malé, lehké a snadno ovladatelné přístroje, které musí umožňovat rychlé vyhodnocení požadovaných hodnot při nízké spotřebě energie a malých nárocích na údržbu a zároveň stoupajících nárocích různých norem a certifikací. Pro tyto účely jsou používány převážně analyzátory spalin s tzv. „elektrochemickými senzory, jejichž hlavní výhodou jsou malé rozměry a nízká spotřeba energie.

Popis zařízení

Kontaktním komponentem každého analyzátoru spalin je pak odběrová sonda, která se umísťuje přímo do kouřového tělesa, a musí proto být odolná proti teplotě, kondenzátu a dalším eventuálním nečistotám. Kromě odběru vzorku plynu navíc měří teplotu spalin, která je důležitá pro některé výpočty. Odběrové sondy se rozdělují podle požadavků při měření, jednak podle délky trubice a hadic, dále pak podle teplotní odolnosti.

U analyzátorů spalin s elektrochemickými senzory je naprostou nutností jímka kondenzátu, protože kondenzát, hlavně u nízkoteplotních a kondenzačních kotlů, může tyto senzory nenávratně poškodit. Vlastní jímka se umísťuje za odběrovou sondu, buď ještě na hadici sondy, nebo až po vstupu do analyzátoru spalin. Kvůli malým rozměrům cesty plynu v odběrové hadici a vlastnímu přístroji je pak kladen důraz i na filtrování odebíraného vzorku spalin od různých částic, prachu a sazí. Filtry se umísťují přímo do odběrové sondy, na vstup a výstup jímky kondenzátu, nebo i do těla analyzátoru spalin. Čerpadla používaná v těchto přístrojích jsou půllitrového až litrového výkonu. Pohodlně zajistí odebírání vzorku spalin i z mírně podtlakových odkouření.

Obr. 1 Při konstrukci takového přenosného analyzátoru spalin je kladen nevětší důraz na uspořádání cesty plynu. Protože netěsnosti zkreslují výsledek, musejí být spoje v trasách absolutně těsné.

Srdcem každého analyzátoru spalin jsou již zmiňované elektrochemické senzory pracující na principu iontově selektivní potenciometrie. Senzory jsou naplněny roztokem elektrolytu, do kterého jsou ponořeny dvě (případně tři – podle měřené složky) elektrody, na které je přivedeno elektrické napětí. Senzory jsou spojeny s okolím membránou, která je průchozí pro plyny.

Obr. 2 Odběrová sonda, která se umísťuje přímo do kouřového tělesa, a musí proto být odolná proti teplotě, kondenzátu a dalším eventuálním nečistotám.

Základní vlastností elektrochemických senzorů je jejich daná životnost. Navíc mají některé senzory tzv. křížovou citlivost nejen na danou složku, ale reagují také na jiné složky plynu, což způsobuje ovlivnění výsledné hodnoty. Tento efekt je nutné kompenzovat, aby bylo možné získat spolehlivé a správné hodnoty koncentrací. Jako příklad můžeme použít senzor CO (oxid uhelnatý), který má křížovou citlivost na vodík (H₂). Zde jsou kladeny jiné nároky na přístroje určené pro servis plynových zařízení (kde takový senzor není tak důležitý) a pro „úřední měření“, kde je podmínkou příslušných zákonů a prováděcích vyhlášek.

Přímo měřené a vypočítané veličiny analyzátorů spalin

Mezi přímo měřené veličiny patří u analyzátorů spalin teplota spalin (TS), měřená v jádru proudu spalin, tedy v místě s nejvyšší teplotou, kde je nejvyšší koncentrace oxidu uhličitého současně s nejnižší koncentrací kyslíku. Následující měřená teplota (TV) je v nasávacím otvoru hořáku nebo na vhodném místě přívodního potrubí a to pokud možno současně s teplotou spalin. Dalšími měřenými veličinami jsou tah komína a tlak plynu. Nejdůležitější pak samozřejmě jsou koncentrace plynů – v drtivé většině se měří hlavně podíl nespáleného kyslíku (O₂) a oxid uhelnatý (CO), který ukazuje na kvalitu spalovacího procesu. Třetím nejběžnějším senzorem je oxid dusnatý (NO).

Ob&r. 3

Cílem ekologicky šetrného provozu soustavy je dokonalé (stechiometrické, tedy λ = 1) spalování paliva a nejvyšší možné využití soustavy. Rozhodující veličinou pro optimální provoz je nastavení množství vzduchu přiváděného pro spalování.

Teorie versus praxe

V praxi se jako optimální ukázal mírný přebytek vzduchu – do topeniště je přiváděno více vzduchu, než kolik je teoreticky zapotřebí. Maximální účinnosti spalování je dosaženo jen tehdy, je-li při mírném přebytku vzduchu minimalizována komínová ztráta – tedy ztráta odváděná spalinami. Tato ztráta se určí z podílu kyslíku a rozdílu mezi teplotou spalin a vzduchu přiváděného ke spalování a konstantami závislými na použitém palivu (A2, B).

Hlavní vypočítávanou veličinou u těchto typů analyzátorů spalin je oxid uhličitý (CO₂). Z obsahu oxidu uhličitého ve spalinách lze usuzovat na kvalitu (účinnost) spalování. Pokud je při malém přebytku vzduchu (dokonalé spalování) dosaženo nejvyšší možné koncentrace CO₂, jsou ztráty způsobené spalinami (při stejné teplotě spalin) minimální. Pro každé palivo existuje maximálně dosažitelný podíl CO₂ (tzv. CO₂max) ve spalinách, který je dán prvkovým složením hořlaviny paliva. Tato hodnota je ovšem u skutečných zařízení nedosažitelná.

a) ideální průběh spalování	b) skutečný průběh spalování

Obr. 4 Průběh spalování

Kyslík potřebný pro spalování je do kotle přiváděn jako součást spalovacího procesu. Pro dosažení dokonalého spalování je nezbytné k místu hoření přivést více vzduchu, než je zapotřebí. Poměr mezi množstvím vzduchu přivedeného ke spalování vůči teoretické spotřebě se nazývá součinitel přebytku vzduchu λ. Součinitel přebytku vzduchu se počítá z koncentrace CO, CO₂ a O₂. Jejich závislosti jsou znázorněny v diagramu spalování (obr. 5). Koncentrace CO₂ je během spalování závislá na koncentraci CO (nedostatek vzduchu/λ < 1) nebo O₂ (při přebytku vzduchu/λ > 1).

Obr. 5 Diagram spalování

Účinnost spalování (η) standardního otopného zařízení se zjistí, když odečteme od celkové přivedené energie (výhřevnost HU = 100 % přivedené energie) komínovou ztrátu (qA). Protože se ale u moderních kondenzačních kotlů zpětně využívá kondenzační teplo, byla u firmy Testo pro správný výpočet zavedena dodatečná hodnota XK, která obsahuje využití kondenzačního tepla vztaženého na výhřevnost. Při ochlazování spalin pod jejich teplotu rosného bodu, jehož teoretická hodnota je specificky dle paliva uložena v analyzátorech spalin testo, udává koeficient XK zpětně využívané skupenské výparné teplo kondenzující vody jako zápornou hodnotu. Tím se komínová ztráta sníží, případně se může stát negativní. Činnost vztažená na výhřevnost proto může akceptovat hodnoty nad 100 %.

Martin Dragoun
Autor je produktovým manažerem analyzátorů spalin u společnosti Testo, s. r. o.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2017.