Tepeln vlhkostní posouzení komín – výpo tové metody
P ednáška . 9
Základní výpo tové teploty
Teplota v okolí komína 1
Teplota okolí komína 2
Teplota okolí komína 3
Teplota okolí komína 4
Teplota okolí komína 5
Teplota spalin v komín 1
Teplota spalin v komín 2
Teplota spalin v komín 3
Teplota spalin v komín 4
Teplota spalin v komín 5
Teplota spalin v komín 6
Povrchová teplota v pr duchu 1
Povrchová teplota v pr duchu 2
Povrchová teplota v pr duchu 3
Povrchová teplota v pr duchu 4
Teplota kondenzace
Stanovení opravných sou initel
Parametry spalin a vzduchu pro difúzi vodní páry 1 Charakteristické parametry vzduchu Obsah vodní páry ve vzduchu je nej ast ji vyjad ován relativní vlhkostí vzduchu, p edstavující procentní vyjád ení obsahu vodní páry k hodnot nasycení vzduchu vodní parou. Pro stanovení vlhkostního stavu vzduchu je u relativní vlhkosti nutno ur ovat vždy teplotu vzduchu. Obsah vodní páry p i atmosférickém tlaku suchého vzduchu vytvá í tlak, který nazýváme parciální tlak. M rná vlhkost vzduchu, kterou je vyjád en obsah vody (v kg) vztažený na jeden kilogram suchého vzduchu, je p ímo úm rná parciálnímu tlaku vodní páry ve vzduchu.
Parametry spalin a vzduchu pro difúzi vodní páry 2 Venkovní vzduch • Ve vztahu k difúzi vodní páry venkovních a p istav ných komín jsou parametry venkovního vzduchu limitujícími pro stanovení pr b hu vlhkostního toku st nou komína. • P i nízkých teplotách venkovního vzduchu jsou spot ebi e provozovány na nejvyšší výkon a spaliny protékající komínem odpovídají obvykle jmenovitým výkon m kotl , resp. obecn spot ebi . Výpo tové parametry spalin v tomto období odpovídají jmenovitým hodnotám teploty, tlaku i vlhkosti spalin. • Na stran vzduchové jsou p i nízkých teplotách venkovního vzduchu hodnoty relativní vlhkosti vysoké, nap . 80 až 90 %, ale m rná vlhkost vzduchu je velmi nízká (nap . 5 g/kg suchého vzduchu). Parciální tlak vodní páry obsažené ve vzduchu p i t chto nízkých teplotách je rovn ž nízký (nap . pd = 0,5 kPa). • Parciální tlak vodní páry na mezi sytosti pd“ je pouze nepatrn vyšší než parciální tlak sledovaného stavu vzduchu pd. Na venkovním líci plášt p i t chto podmínkách venkovního vzduchu se oba parciální tlaky vodní páry k sob zna n p ibližují.
Parametry spalin a vzduchu pro difúzi vodní páry 3 Vnit ní vzduch U vnit ních komín je okolí komína s teplotami vzduchu, odpovídajícími vytáp ným nebo nevytáp ným místnostem, tj. výpo tov okolo 15 až 25 °C s relativní vlhkostí p ibližn v mezi 50 až 60 %. Pro tyto hodnoty vychází pak parciální tlak vodní páry okolo 1,1 až 1,7 kPa. Pro uvedené teploty (15 až 25 °C) vychází parciální tlak syté vodní páry ve vzduchu pd“mezi mezi 1,7 1 7 až 3,1 3 1 kPa. kPa Z uvedeného vyplývá, že parciální tlak vodní páry je: • u vzduchu vždy nižší než u spalin, • u venkovního vzduchu v zimním období podstatn nižší oproti vnit nímu vzduchu, resp. vzduchu venkovnímu v letním období, • u venkovního vzduchu v zimním období v hodnotách blízkých hodnotám tlaku syté vodní páry ve vzduchu.
Parametry spalin a vzduchu pro difúzi vodní páry 4 P íklady parametr vzduchu Pro p íklady parametr vzduchu pot ebných pro výpo et difúze vodní páry jsou uvedeny dva p íklady jako kritéria pro období zimní a období letní. Pro zimní období m žeme uvažovat: • venkovní teplotu vzduchu te = -21 °C, • venkovní povrchovou teplotu tep = -15 °C, • relativní vlhkost vzduchu rh = 80 %, • parciální tlak vodní páry pd = 0,096 kPa, • parciální tlak syté vodní páry pd“ = 0,12 kPa. Pro letní období, resp. pro vnit ní prostor m žeme zvolit: • vnit ní teplotu vzduchu ti = 20 °C, • vnit ní povrchovou teplotu tip = 35 °C, • relativní vlhkost vzduchu rh = 60 %, • parciální tlak vodní páry pd = 1,39 kPa, • parciální tlak syté vodní páry pd“ = 2,337 kPa
Obecná charakteristika spalin 1 Vlhkost spalin Vlhkost spalin závisí od složení a vlhkosti paliva a od pot eby vzduchu na spalování. Palivo, obsahující více složek vodíku oproti ostatním složkám, vytvá í vlh í spaliny, nebo spalováním vodíku, resp. jeho složek v palivu, vzniká voda. P i spalování uhlíku nebo jeho složek s podílem uhlíku v palivu vznikají suché spaliny obsahující CO2 spolu s N2, který je obsažený ve spalovacím vzduchu a neú astní se ho ení. Ho lavé složky paliva vytvá í tedy: • suché spaliny z uhlíkatých složek nebo z uhlíku obsažených v palivu, • vodu, resp. vodní páru u vodíku, resp. vodíkatých složek obsažených v palivu. P • • • •
ibližn lze složky vodíku a uhlíku u n kterých paliv vyjád it: pro uhlí je pom r H:C ..........0,5 : 1 pro TTO je pom r H:C ..........1,8:1 pro LTO, naftu je pom r H:C ....... 2:1 pro zemní plyn je pom r H:C ........4:1.
Obecná charakteristika spalin 2 Vlhkost paliva P i spalování mokrého paliva vzniká ve spalinách vodní pára z vody, která je obsažená v palivu. Nejv tší možný obsah vody v palivu vykazuje d evní hmota, u které zárove je zvýšenou vlhkostí snižována výh evnost paliva a zvyšuje se i rosný bod spalin. Vyšší vlhkostí paliva se zvyšuje i parciální tlak vodní páry ve spalinách, která vznikne spalováním tohoto paliva.
Obecná charakteristika spalin 3 P ebytek vzduchu p i spalování • Všechny spaliny mají vyšší m rnou vlhkost než jaká je u spalovacího vzduchu. Smícháním spalin se vzduchem se vlhkost sm si vzduch – spaliny snižuje. Spaliny jsou p imíchávaným vzduchem sušeny. • V tší p ebytek vzduchu, jež je pot ebný na spalování podle rovnic ho ení, snižuje u dané vlhkosti spalin ze spáleného paliva obsah vlhkosti ve spalinách. Zjednodušen platí, že p i nuceném p ívodu vzduchu k ho áku, resp. do ohništ , je nízký p ebytek vzduchu, d h nap . u p etlakových l k ý hh ho ák . • Vyšší p ebytek vzduchu je u ho ák atmosférických, p i atmosférickém spalování a nejvyšší bývá u podtlakových spot ebi s ízeným spalováním podle tahu komína. • U atmosférických ho ák , nap . u plynových spot ebi , je p ebytek vzduchu v mezích od 1,4 do 1,6. Spaliny jsou odvád ny v závislosti na komínovém tahu s v tším nebo menším objemem p isávaného vzduchu na p erušova i tahu.
T ísložkový komín bez vzduchové mezery 1 Prostup tepla (obr. 1) • Na obr. 1 je zobrazen prostup tepla vyjád ený pr b hem teplot ve st n komína. V komínovém pr duchu protékají spaliny p i teplot ti. P estupem tepla na povrchu komínového pr duchu se snižuje teplota povrchu oproti teplot spalin na teplotu tip. K v tšímu p estupu tepla dochází p i zvýšení rychlosti proudících spalin okolo povrchu pr duchu, nap . u vysokých komín . • V komínové tenkost nné vložce (3), která je z kompaktního materiálu s odolností proti tlaku, tlaku vlhkosti a vysoké teplot spalin spalin, je p i prostupu tepla nízká hodnota teplotního spádu. Tomu odpovídá nízký tepelný odpor v d sledku malé tlouš ky vrstvy a asto v tší tepelné vodivosti materiálu. • Ve vrstv tepelné izolace se v tšinou uplatní nízký sou initel tepelné vodivosti (nap . = 0,05 W/mK). P i vedení tepla tepeln izola ní vrstvou se významn sníží teplota na vstupu do plášt komína (1). Tepelný odpor tepeln izola ní vrstvy zásadn rozhoduje o velikosti tepelné ztráty p i prostupu tepla st nou komína. • Pláš ové tvarovky komína jsou v tšinou z leh eného betonu s nižší tepelnou vodivostí než jaká je u komínové vložky.
T ísložkový komín bez vzduchové mezery 2 Obr. 1 Pr b h teplot st nou t ívrstvého komína
T ísložkový komín bez vzduchové mezery 3 Prostup vlhkosti bez kondenzace (obr. 2) • Z pr b hu parciálního tlaku pd vyplývá podle obr. 2, že komínová vložka (3) má vysoký difúzní odpor, kterým je podstatn snížen parciální tlak vodní páry na vstupu do tepeln izola ní vrstvy (2). U tepeln izola ní vrstvy má difúzní odpor nízkou, prakticky nulovou hodnotu a ára pr b hu parciálního tlaku vodní páry tepeln izola ní vrstvou je prakticky vodorovná. • V pláš ové tvarovce, která je z materiálu kompaktn jšího než tepelná izolace, je difúzní odpor oproti tepelné izolaci vyšší a pr b h parciálního tlaku ve vrstv plášt láš jje zárove á strm jší jší. • Na obr. 2 je árkovan vykreslen pr b h parciálního tlaku vodní páry na mezi sytosti a plnou arou je vykreslen parciální tlak vodní páry pd u sledovaného stavu. Pr b h parciálního tlaku syté vodní páry pd“ je ve všech polohách nad pr b hem parciálního tlaku vodní páry pd. Nejv tší p iblížení obou pr b h nastává na rozhraní vrstev 1 a 2. • Ke kondenzaci ve st n komína, p i tomto posuzovaném stavu obou parciálních tlak vodní páry, nedochází.
T ísložkový komín bez vzduchové mezery 4 Obr. 2 Pr b h tlaku vodní páry st nou t ívrstvého komína – stav bez kondenzace
T ísložkový komín bez vzduchové mezery 5 Prostup vlhkosti s kondenzací (obr. 3) • V p ípad sníženého difúzního odporu komínové vložky 3 a p i vyšším difúzním odporu pláš ové vrstvy komína (1) se ára pr b hu tlaku syté vodní páry dostává pod pr b h parciálního tlaku vodní páry, odpovídajících podmínek pro spaliny a okolní vzduch. Hypotetické pásmo kondenzace je na obr. 3 mezi vrstvou 2 a 3, tj. v izolaci p pr duchu a ásti p plášt komína. Zkondenzovaná voda stéká po p vnit ním líci komínového plášt . V reálných podmínkách nemohou hodnoty parciálního tlaku vodní páry pd, p i prostupu vlhkosti st nou, nabývat vyšší hodnoty než jaký je tlak syté vodní páry pd“. Reáln lze proto pr b h áry parciálního tlaku vodní páry pro sledovaný stav teploty a vlhkosti vzduchu a spalin, p iblížit do bodu 4, místa dotyku obou pr b h parciálních tlak , jak je uvedeno na obr. 3.
T ísložkový komín bez vzduchové mezery 6 Obr. 3 Pr b h tlaku vodní páry st nou t ívrstvého komína – stav s kondenzací
T ísložkový komín se vzduchovou mezerou 1 Prostup vlhkosti p i v trané vzduchové meze e (obr. 1) • Na obr. 1 je místem kondenzace vodní páry oblast okolo p echodu z vrstvy tepelné izolace (2) do vrstvy pláš ové tvarovky (1) t ísložkového komína. U venkovních komín , u kterých je materiálové složení v pláš ové vrstv s vyšším difúzním odporem (nap . obkladem cihelnou nebo dlaždicovou vrstvou), je ú inným ešením vytvo ení proudícího vzduchu absorbujícího ve vrstv okolo p echodové plochy izolace do plášt komína. • Ve v trané vzduchové meze e se vytvo í p ibližn stejné podmínky, jaké jsou u venkovního vzduchu z hlediska teploty, tlaku, v etn tlaku vodní páry. Na obr. 1 je instruktivn zobrazeno, že na hranici mezi vrstvami 1 a 2 se parciální tlaky nenasycené a nasycené vodní páry dostávají do vodorovného pr b hu. Pláš komína z hlediska difúze vodní páry je mimo jakékoliv p sobení difúze vodní páry. Rozdíl parciálních tlak mezi vnit ním a vn jším povrchem plášt je prakticky nulový.
T ísložkový komín se vzduchovou mezerou 2 Obr. 1 Pr b h tlaku vodní páry st nou – stav bez kondenzace
T ísložkový komín se vzduchovou mezerou 3 Prostup tepla p i v trané vzduchové meze e (obr. 2) Prostup tepla st nou s v tranou vzduchovou mezerou je zobrazen na obr. 2 pomocí áry pr b hu teploty, v závislosti na tepelném odporu materiálu jednotlivých vrstev. Prostup tepla ze spalin p es st nu komína do okolního ovzduší je ízen teplotním rozdílem (Ti - Te). U p ípadu t ísložkového komína bez v trané vzduchové mezery se na celkovém tepelném odporu st ny komína podílel i pláš komína. komína U st ny komína s v tranou vzduchovou mezerou je pro prostup tepla využit tepelný odpor pouze od vrstev 2 a 3. V traná vzduchová mezera s parametry okolního vzduchového prost edí musí zajistit v tracím vzduchem: • odvod tepla z povrchu tepelné izolace a z osálaného vnit ního povrchu plášt komína, • odvod vodní páry z p estupu od povrchu tepelné izolace do proudícího vzduchu.
T ísložkový komín se vzduchovou mezerou 4 Obr. 2 Pr b h teplot st nou t ívrstvého komína s v tranou vzduchovou mezerou
V traná vzduchová mezera t ísložkového komína 1 Konstrukce vzduchové mezery Konvekcí vzduchu bude z povrchu tepelné izolace odvád no teplo a zárove pro uchování standardní úrovn parciálního tlaku vodní páry pd bude odvád na i vodní páry v p íslušném množství. Vzduchová mezera, vytvo ená mezi plášt m komína a tepeln izola ním obalem komínového pr duchu, je v pat komína a pod jeho ústím otev ena do venkovního prostoru. Spodním otvorem v pat komína se nasává vztlakem vzduchu v meze e okolní vzduch a v ústí komína je do venkovního prostoru vyveden v trací vzduch p es protideš ovou žaluzii. P irozené proud ní vzduchu je zp sobené vztlakem oh ívaného a vlh eného vzduchu ve vzduchové meze e. Teplota povrchu tepelné izolace Tp bude vždy v tší než je teplota vzduchu v okolí komína. Teplota proudícího vzduchu v meze e, v d sledku vlh ení a oh ívání vzduchu, po výšce H, má exponenciální pr b h s nar stáním teploty ve sm ru proud ní. Tak jak se m ní teplota a vlhkost proudícího vzduchu, tak se m ní i hustota vzduchu ve vzduchové meze e. Výpo tov uvažujeme st ední hodnotu teploty proudícího vzduchu Tm a tomu pak odpovídá st ední hodnota hustoty vzduchu m, která je vstupní hodnotou pro výpo et statického tahu.
V traná vzduchová mezera t ísložkového komína 2 Dispozi ním tlakem proudícího vzduchu, podle výpo tového schématu na obr. 10.12, je statický tah, který stanovíme podle vztahu: pH = H . g . (
e
– i)
Pro navrženou sv tlou pr ezovou plochu v tracího pr duchu A se stanoví rychlost proud ní vm. Objemový pr tok vzduchu vzduchovou mezerou (vzduch p ijímá vlhkost a teplo p ivád né do vzduchové mezery) se v ustáleném stavu stanoví podle vztahu: Vv = A . vm Zm na teploty vzduchu venkovního prostoru, zm na teploty v okolí komína, ale i zm na teploty spalin vyvolá prom nné tahové podmínky ve v trané dutin st ny komína. Maximálních hodnot statického tahu je dosahováno v zimním období, kdy zárove podmínky pro kondenzaci vodní páry jsou kulminující. V letním období, kdy hustota vzduchu je vysoká, dochází ke sníženému proud ní vzduchu. Je to však v ase, kdy rozdíl mezi hodnotami parciálního tlaku nasycené a nenasycené vodní páry je dostate ný a ke kondenzaci v konstrukci komína tak nedochází.
V traná vzduchová mezera t ísložkového komína 3 Obr. 1 Výpo tové schéma pro návrh v trané vzduchové mezery
