KOTLE PRO VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMU

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE KOTLE PRO VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMU BOILERS FOR HOUSE HEATING BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MARTIN GREPL Ing. MAREK BALÁŠ, Ph.D. BRNO 2015

2 Vysoké učení technické v Bně, Fakulta stojního inženýství Enegetický ústav Akademický ok: 2014/2015 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): kteý/kteá studuje v bakalářském studijním pogamu obo: Základy stojního inženýství (2341R006) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Bně učuje následující téma bakalářské páce: v anglickém jazyce: Kotle po vytápění odinného domu Boiles fo house heating Stučná chaakteistika poblematiky úkolu: V ámci bakalářské páce bude povedena analýza současného thu s kotli po odinné domy. Bude poveden výpočet posouzení vhodnosti jednotlivých kotlů. Cíle bakalářské páce: 1/ ešeše duhů paliv vhodných po vytápění odinných domů, včetně posouzení ekologických dopadů spalování 2/ přehled typů kotlů do výkonu 35 kw 3/ poovnávací výpočet ekonomické vhodnosti aplikace vybaných typů kotlů

3 Seznam odboné liteatuy: Jandačka, J., Mikulík, M.: Technologie pe zvyšovanie enegetickeho potencialu biomasy. TU Žilina 2007, ISBN Baláš, M.: Kotle a výměníky tepla, Bno 2009, ISBN Vedoucí bakalářské páce: Ing. Maek Baláš, Ph.D. Temín odevzdání bakalářské páce je stanoven časovým plánem akademického oku 2014/2015. V Bně, dne L.S. doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. Ředitel ústavu doc. Ing. Jaoslav Katolický, Ph.D. Děkan fakulty

4 ABSTRAKT Tato bakalářská páce se zabývá poblematikou malých kotlů na pevná, kapalná a plynná paliva po vytápění odinných domů. V úvodní části jsou popsány duhy paliv a jejich základní ozdělení, vlastnosti a dopad na životní postředí během jejich spalování. Duhá část popisuje jednotlivé duhy kotlů vhodné po domácí vytápění. Znázoňuje jejich ozdělení podle duhu spalujícího paliva, výhody/nevýhody a základní paamety těchto kotlů. V poslední části je poveden výpočet vybaných kotlů z hlediska jejich paametů a pořizovacích nákladů. ABSTRACT This bachelo thesis deals with the issue of small boiles fo solid, liquid and gas fuels fo heating houses. Its intoductoy pat descibes types of fuels, thei basic classification, chaacteistics, and envionmental impact duing combustion. Vaious types of boiles suitable fo domestic heating ae descibed in its second pat. It shows classification accoding to the type of combustion fuel, advantages/ disadvantages, and also basic paametes of these boiles. The last pat of this thesis focuses on calculation of selected boiles in tems of thei paametes and cost. KLÍČOVÁ SLOVA Palivo, kotel, biomasa, uhlí, dřevo, plyn, vytápění KEYWORDS Fuel, boile, biomass, coil, wood, gas, heating

5 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE GREPL, M. Kotle po vytápění odinného domu. Bno: Vysoké učení technické v Bně, Fakulta stojního inženýství, s. Vedoucí bakalářské páce Ing. Maek Baláš, Ph.D..

6 PROHLÁŠENÍ Pohlašuji, že jsem tuto bakalářskou páci na téma Kotle po vytápění odinných domů vypacoval samostatně pod vedením mého vedoucího páce s užitím odboné liteatuy a podkladů. V Bně dne Podpis:.

7 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské páce Ing Maku Balášovi, Ph.D. za cenné připomínky a odboné ady při vypacování této bakalářské páce. Dále bych chtěl poděkovat odině za podpou během mého bakalářského studia.

8

9 OBSAH 1. Úvod Paliva Obecné ozdělení paliv Rozdělení podle skupenského stavu Rozdělení podle původu Rozdělení podle vzniku Tuhá paliva Základní složení a vlastnosti tuhých paliv Duhy tuhých paliv Kapalná paliva Vlastnosti kapalných paliv Duhy kapalných paliv Plynná paliva Vlastnosti plynných paliv Duhy plynných paliv Ekologické dopady spalování paliv Chaakteistika KOTLŮ Jednotlivé ozdělení kotlů Základní konstukční části a postoy kotle Popis základních částí kotle Účinnost kotle Účinnost kotle stanovená přímou metodou Účinnost stanovená nepřímou metodou Typy kotlů malých výkonů do 35 kw Kotle na tuhá paliva Kotle na kapalná paliva Kotle spalující plynná paliva Přehled kotlů dostupných na thu Kotle na pevná paliva Kotle na kapalná paliva Kotle na plynná paliva Ekonomické poovnání nákladů jednotlivých duhů kotlů Výpočet tepelné ztáty a pořizovacích nákladů modelového domu Výpočet vybaných kotlů

10 Kotel Etka LS Kotel Panthe 30 kw s automatickým přikládáním Pohořívací kotel Hecules U26 ECO Zplyňovací kotel Atmos C 20 S Olejový kotel Vitoladens 300-W Kondenzační kotel ADAX 25 kw Přehledné zobazení výsledků Gafické znázonění poovnávacího výpočtu Závě Liteatua Seznam použitých symbolů a zkatek

11 1. ÚVOD Vytápět odinný dům lze mnoha způsoby. Jedním z nich je vytápění pomocí kotle. Nejčastější využití v domácnostech mají kotle na pevná paliva (pelety, uhlí, dřevo, biomasa, dřevný odpad). Dále se využívají kotle spalující kapalná paliva (topné oleje) a kotle na plynná paliva nejčastěji zemní plyn. Po vytápění větších postoů se využívají stacionání kotle, kteé mají obecně velmi dlouhou životnost a jsou velmi dobře konstukčně řešeny. Po menší domy nebo byty jsou vhodnější závěsné kotle na plynná či kapalná paliva, kteé díky menším ozměům ušetří obytné místo a dají se zavěsit kamkoli, kde je silnější zdivo a možnost odvodu spalin. Při vytápění obytných domů pomocí kotlů nese sebou iziko znečišťování ovzduší. Toto iziko se sníží odboným a spávným výběem kotle. Nejšetnější k životnímu postředí jsou kotle kondenzační, kteé vypouští méně škodlivin, díky vhodně vyřešenému odvodu spalin. Vytápění pomocí kondenzačních kotlů je nejen šetné k životnímu postředí, ale přináší také menší spotřebu enegie a vyšší účinnost. Cílem této páce je znázonit jednoduchý přehled všech duhů paliv podle typu spalování, popsat jejich základní vlastnosti a jednotlivé duhy. Následně pak uvést ozdělení kotlů spalující pevná, kapalná a plynná paliva, jejich výhody a nevýhody a cenu na thu. Vhodnost vytápění těchto kotlů je pak sovnáno ekonomickým výpočtem. 8

12 2. PALIVA Palivo je všeobecně označováno jako chemická látka či směs, kteá má schopnost udžet chemickou eakci při spalování. Během spalování dochází k uvolnění a přeměně chemické enegie obsažené v palivu na enegii tepelnou, kteá se pak využívá na naše potřeby (topení, vaření, koupání). Paliva představují sluneční enegii nahomaděnou v pavěkých dobách nebo dobách nedávných [1] Obecné ozdělení paliv Paliva se ozdělují podle ůzných hledisek. Základním hlediskem je vznik paliva a jeho skupenský stav Rozdělení podle skupenského stavu Tuhá čené a hnědé uhlí, biomasa, dřevo atd., Kapalná opa, nafta, petolej, benzín atd., Plynná zemní plyn, dřevoplyn, vodní plyn atd., Rozdělení podle původu Fosilní těžené palivo, nemající schopnost obnovy (uhlí, opa, zemní plyn, ašelina, antacit) atd., obnovitelné biomasa, dřevní palivo atd., palivo z odpadů odpadní plyny, komunální odpady, kaly z čistíen atd., jadené palivo Rozdělení podle vzniku Příodní nachází se v příodě ve všech skupenstvích a lze jej použít ke všem účelům. Umělá podukty půmyslové technologie [2] Tuhá paliva Podle způsobu využití a požadavků daného technologického pocesu se ozdělují tuhá paliva v příodním stavu a zušlechtěné podobě. Mezi příodní tuhá paliva se řadí dřevo, hořlavé břidlice, ozokeit, příodní asfalt, hnědá a čená uhlí, ašelina apod. Kvalita příodních paliv je dána stupněm pouhelnění a také příměsemi neoganického původu. Mezi nejdůležitější tuhá paliva patří čené a hnědé uhlí. V naších zeměpisných podmínkách jsou základním palivem, kteé těžíme z vlastních dostupných zdojů. Umělá tuhá paliva jsou získávána z příodních paliv metodami fyzikálně mechanickými nebo fyzikálně chemickými. Z umělých paliv má největší význam koks vyáběný v koksáenských pecích vysokoteplotní kabonizací z čeného koksového a žíného uhlí. fyzikálně mechanické metody třídění, sušení, mletí a biketování fyzikálně chemické metody polokoksování, koksování [3] 9

13 Základní složení a vlastnosti tuhých paliv Při posouzení jakosti tuhého paliva je potřeba znát jeho chaakteizující vlastnosti. Jsou to především [4]: obsah vody v původním palivu W [% hm.]; obsah popele v původním palivu A [% hm.]; 1 spalné teplo Q [kj kg ]; 1 výhřevnost Q [kj kg ]; i s obsah veškeé síy v palivu [% hm.]; chaakteistické teploty popele teplota měknutí t A [ C], teplota tavení t B [ C], teplota tečení t c [ C]; spékavost popele; fyzikálně-mechanické vlastnosti. Téměř všechna tuhá paliva se vyskytují v suovém stavu, skládající se ze tří základních složek: z celkové vody, popeloviny a hořlaviny. Hořlavina je ta část paliva, kteou v palivu chceme, jelikož je nositelem enegie. Balast (voda W a popelovina A ) je v palivu nežádoucí. Nepřináší žádný enegetický zisk. Se snižujícím obsahem vody a popeloviny oste kvalita paliva, lépe se spaluje a obsahuje více enegie. Složení se vyjadřuje pomocí základního vztahu: W + C + H + O + S + N + A = 100% (1) kde: W, C, H, O, N, S, A jsou hmotnostní podíly veškeé vody, uhlíku, vodíku, kyslíku, síy, dusíku a popele v původním biopalivu [4]. Nehořlavou část paliva tvoří voda a popel, nebo-li balast či přítěž. Obě tyto složky snižují 1 výhřevnost paliva Q [kj kg ] a mají negativní dopad při povozu jako zdoj četných obtíží. i Hořlavá část paliva se skládá z uhlíku, vodíku, dusíku a síy. Z těchto pvků se účastní exotemických eakcí, tj. (vlastního spalování) se vzdušným kyslíkem, uhlík, sía a vodík. Kyslík z hořlaviny slouží jako okysličovadlo. Spalování se neúčastní jediná složka a tou je dusík Hubý ozbo, složení tuhých paliv Hubý ozbo je pomě mezi hořlavinou (h), popelovinou ( A ) a vodou ( W ), kteé jsou obsaženy v palivu. Hubým ozboem se učí výhřevnost paliva pchavá a nepchavá hořlavina. Tyto základní složky paliva (voda, popel, hořlavina) jsou velmi důležitými činiteli při spalování, kteé ovlivňují konstukci spalovacího zařízení a jeho povoz. Obecně platí: h + W + A = 100 [hm%] (2) kde index značí, že se jedná o hmotnostní obsah vody v suovém palivu [2]. 10

14 Obsah vody v tuhém palivu Obázek 1 Hubý ozbo tuhých paliv [2] Každé tuhé palivo obsahuje vodu. Její obsah je jedním ze základních palivářských chaakteistik. Jedná se o nehořlavou složku paliva, snižující jeho výhřevnost a tepelnou hodnotu, a poto je v palivu nežádoucí, ovšem malý obsah vody může v jisté míře působit pozitivně na ychlost hoření, teplotu v kotli apod. Vlhkost závisí na duhu paliva, místě těžby a jeho úpavě. Obsah vody v tuhých palivech se pohybuje v ozmezí 0 % do 60 %. U ašeliny může být obsah vody vyšší a přesahovat hodnotu až 90 %. Obecně platí, že čím je palivo mladší, tím více vody obsahuje. Voda odchází jako vodní páa se spalinami a zvětšuje tím objem spalin, snižuje spalovací teplotu a pohlcuje část uvolněného tepla. Při kondenzaci vodní páy může množství vody uychlovat koozi kotle ze stany spalin [2, 4]. Celková přimíšená hubá Volná zbytková okludovaná hydátová Tabulka 1: Jednoduchý přehled vody v palivu Voda přimíšená do paliva se dostává po těžbě, odstaňuje se jednoduše odkapáváním či odstředěním. Hubá voda voda, kteá se odpařuje při volném vysychání na vzduchu. Zbytková (kapiláně vázaná) voda nemůže se vysušit, uvolňuje se při spalování. Celková součet vody přimíšené, hubé a zbytkové. Volná voda je součet vody přimíšené a vody hubé. Okludovaná chemicky vázaná na hořlavinu, je zahnuta v pchavé hořlavině a uvolňuje se při teplotách ozkladu paliva. Hydátová voda chemicky vázaná na popeloviny, uvolní se při teplotách ozkladu paliva [4]. 11

15 Popelovina v palivu Podíl paliva, kteý je získán dokonalým spalováním při teplotě 800 ± 25 C v oxidační atmosféře za vzniku tuhého zbytku se nazývá popel. Za popeloviny se z větší části považují křemičitany, uhličitany a další sloučeniny před jejich spálením, směsi ůzně chemicky vázaných mateiálů (jílové mateiály, kabonáty, sulfidy, sulfáty apod.). Dalším zdojem popele jsou nečistoty přimíšené během těžby, tanspotu a skládkování paliva. Popel (tuhý zbytek) opouští kotel v podobě stusky, škváy, nebo popílku [2, 4] Chaakteistické teploty popele Po povoz ůzných topenišť je potřeba teploty, při kteé dochází k oztavení všech složek popele tzv. teplota tání popele. Tato změna skupenství je dána třemi teplotami [4]: teplota měknutí t A [ C], teplota tání t B [ C], teplota počátku tečení t c [ C] Hořlavina v palivu Hořlavinou se ozumí oganická složka paliva, skládající se z pěti základních pvků: uhlíku C, dusíku N, síy S, vodíku H a kyslíku O. Vodík, uhlík a kyslík zásadně ovlivňují spalovací poces. Sía a dusík ovlivňují spíše podukci znečišťujících látek (tvoba oxidů dusíku, oxidu siřičitého). Za aktivní pvky hořlaviny se považují uhlík, vodík a sía, jsou nositeli chemicky vázané enegie, kteá se při spalování uvolňuje. Kyslík a dusík jsou neaktivní pvky hořlaviny, neboť nemají žádnou enegetickou hodnotu. Další důležitou chaakteistikou je pchavá hořlavina z hlediska spalovacího pocesu. Pchavá hořlavina je součástí hořlaviny paliva a ozumí se tím množství plynné látky, kteá se uvolní z hořlaviny paliva při začátku spalování nad teplotou 250 C. Hoření pchavé hořlaviny se jeví jako plamen. Pchavá hořlavina napomáhá ke vzněcování paliva v ohništi a stabilizuje spalovací poces. Obsah pchavé hořlaviny učuje geologické stáří paliva. Čím je palivo mladší, tím větší obsah pchavé hořlaviny obsahuje a naopak. Nejméně pchavého podílu obsahuje antacit a čené uhlí. U hnědých uhlí a lignitů se obsah podílu pchavé hořlaviny zvětšuje a největší podíl pchavé hořlaviny má dřevo, či ašelina. Složení hořlaviny u paliv je nestálé. Na obázku 2. jsou znázoněny půměné hodnoty složení hořlaviny [2, 4, 5]. 12

16 Obázek 2 Sovnání pvkového složení hořlaviny paliv včetně jejich výhřevností [5] Obsah síy v tuhých palivech Sía se vyskytuje v tuhých palivech v ůzných podobách. Tato foma závisí především na složce paliva, na kteé je sía vázána. Podle této závislosti dělíme síu v tuhém palivu na oganicky či anoganicky vázanou. Při stanovení síy v tuhých palivech se zjišťuje tzv. veškeá sía, kteá je dána součtem síy spalitelné a nespalitelné. Oganická sía představuje síu spalitelnou, kteá je součástí hořlaviny paliva, dále sía pyitová a siníková. Při spalování tuhých paliv se spalitelná sía mění v oxid siřičitý SO 2, kteý má negativní dopad na životní postředí. Další chaakteistickou vlastností síy je schopnost zvyšovat osný bod spalin. Vyšší obsah síy je tedy v palivu nežádoucím činitelem. Při obsahu síy nad 1,8 % v tuhých palivech a nad 1,0 % v kapalných palivech může dojít k citelným škodám při povozu kotlů. Nespalitelná sía je epezentována síou síanovou [2, 4] Spalné teplo a výhřevnost tuhých paliv Základním a možná i nejdůležitějším paametem je spalné teplo a výhřevnost tuhých paliv. Při spalování dochází ke sloučení hořlavé látky paliva s kyslíkem a vznikají spaliny. Tento pochod je dopovázen uvolňováním učitého množství tepla. V technické paxi se uvolněné teplo vyjadřuje jako spalné teplo Q nebo jako výhřevnost s Q [4]. i Spalné teplo 1 Spalné teplo Qs (kj kg ) je takové množství tepla, kteé se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství paliva při ochlazení spalin na teplotu 20 C. Předpokladem spalného tepla je, že voda, kteá se uvolní spalováním, zkondenzuje, tj. zkapalní a není tím pádem třeba edukovat enegii chemické eakce o její skupenské teplo. 13

17 Výhřevnost Výhřevnost 1 Q (kj kg ) je vlastnost paliva, kteá udává, kolik enegie se uvolní i dokonalým spálením 1 kg paliva. Na ozdíl od spalného tepla nedochází u výhřevnosti ke zkondenzování vody a ta tak zůstane v plynném stavu, takže se neuvolní skupenské teplo vody [2]. Výhřevnost se učuje ze zjištěného spalného tepla výpočtem: Q i 1 Q W 8,94 H ) [ kj kg ] (3) s ( 2 kde W (-) obsah vody v palivu 1 [ kj kg ] výpané/kondenzační teplo vody = 2454 kj kg 1 H 2 (-) obsah vodíku v suovém palivu (z 1kg vodíku vznikne 8,94 kg vody) Výhřevnost paliva se dá zvýšit pomocí vysušení, jelikož dojde ke zvýšení podílu hořlaviny a záoveň k úbytku vody v palivu. Hodnoty výhřevnosti a spalného tepla se tedy přibližují. Pokud bude palivo obsahovat vodík nebo vodu, bude spalné teplo větší než výhřevnost. Obázek 3 Poovnání výhřevností a spalných tepel ůzných duhů paliv [5] Duhy tuhých paliv Nejvyužívanějším tuhým palivem ve světě je čené a hnědé uhlí, koks, dřevní a bylinná biomasa. Tyto mateiály se využívají po získávání tepla, ale i po ohřev užitkové vody [2, 7]. Uhlí Uhlí je honina, kteá je velmi často vstevnatá složená z ůzných duhů ozmanitých oganických látek v ůzných poměech. Mezi základní duhy uhlí se zahnuje čená a hnědá uhlí, antacit [1]. 14

18 Vznik uhlí Obázek 4 Časová osa Země zachycující období vzniku uhlí [8] Vznik uhlí je velmi časově náočný a jednotlivé mezipodukty vzniku uhlí lze ozdělit obvykle na ašelinu lignit hnědé uhlí čené uhlí antacit. Jednotlivá období zachycující vznik uhlí jsou zobazena na ob 4. Rašelina Rašelina ob. 5 je z enegetických zdojů geologicky nejmladší. Vzniká za vzniku aeobních a při poklesu do hloubek několika metů anaeobních bakteií. V této fázi unikne do okolí většina pchavých látek obsažených v biomase. Rašelina svou stuktuou připomíná tvay původního mateiálu [9]. Lignit a hnědé uhlí Hnědé uhlí ob. 5 je geologicky mladší než čené uhlí. Vzniká z ložiska ašeliny. Komě uhlíku obsahuje velké množství příměsí a to především ůzné duhy popelovin, síy a vody. Hnědé uhlí se dělí na tvdé a měkké. Mezi měkké uhlí se započítává lignit, mělné uhlí voskové a zemité. Lignit ob. 5 je nejmladší duh hnědého uhlí, na němž se dají dobře ozeznat suky, kořeny, kůa a větve. Jedná se o duh podřadné jakosti [1, 9]. Čené uhlí a antacit Obázek 5 Znázonění vzoku hnědého uhlí, ašeliny a lignitu [9] Jedná se o hořlavou suovinu. Majoitní částí čeného uhlí je uhlík, v menším množství voda, jílovité honiny a sloučeniny síy. Využívá se při přeměně na koks nebo v hutnictví či chemickém a tepláenském půmyslu [10]. 15

19 Čené uhlí ob 6. se dle vnějšího vzhledu dělí na lesklé, matné a vláknité. Často se všechny tyto duhy vyskytují v jednom kuse uhlí ve vstvách. Matné složce se říká duain, nebo duit. Vláknitá složka, vypadající jako dřevěné uhlí, se označuje jako fusain či fusit. Lesklá složka se nazývá vitain nebo vitit. Lesklé čené uhlí je nejozšířenější. Je křehké a údeem se ozpadá na hanolovité kusy. Tím se liší od antacitu, kteý se ozpadá lastuovitě. Matné uhlí se vyskytuje spolu s lesklým uhlím. Matné uhlí je jemnoznné a dost pevné. Nejkvalitnějším typem čeného uhlí je antacit ob. 6, kteý má nejvyšší výhřevnost a největší obsah uhlíku, přes 90 % [1]. Biomasa Obázek 6 Čené uhlí a antacit [10] Biomasa je oganická hmota živočišného či oganického původu. Na ozdíl od uhlí patří do kategoie obnovitelných zdojů enegie. Jedná se o využití odpadů ze zemědělské, potavinářské a lesní výoby, z komunálního hospodářství, z údžby kajiny a péče o ni. Nejčastěji se jedná o dřevo, dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské zbytky. Důležité je její ozdělení podle obsahu sušiny v biomase na vlhkou (kejda) a suchou biomasu (dřevo) [11]. Dřevo Biomasa v podobě dřeva je obecně nejpopulánějším palivem v domácnostech. Jedná se o suchou ostlinnou biomasu, kteá se k topení využívá v podobě polen, peletek, pilin, biket a hoblin [12]. Dřevo se podle tvdosti ozděluje na tvdé a měkké: Tvdé dřevo dub, buk, jasan, javo, bříza, třešeň, Měkké dřevo boovice, smk, lípa, olše, topol. Vlastnosti dřeva: Výhřevnost dřeva kolísá nejen v závislosti na jeho duhu, ale především na jeho vlhkosti. Dřevní hmota by neměla mít při spalování více než 20 % vlhkosti, potože suché dřevo lépe hoří. Čím menší je podíl vody ve dřevě, tím větší množství enegie se při spalování uvolní do vytápěného postou. Výhřevnost je přímo úměná obsahu vody ve dřevě. Výhřevnost dřeva v závislosti na jeho vlhkosti je znázoňuje tab

20 Pelety Dřevo 1 Výhřevnost dřeva Q (MJ kg ) při vlhkosti i 0% 15% 60% Smk 17,9 13,4 - Boovice 18,7 14,5 10,6 Bříza 19,9 15,8 - Dub 17,0 14,5 - Buk 17,6 15,4 - kůa - 19,0 10,5 Tabulka 2 Výhřevnost ůzných duhů dřeva a kůy v závislosti na vlhkosti [12] Pelety jsou zpavidla vysoce stlačené výlisky kuhového půřezu o půměu od 6 do 20 mm a délce 1 až 5 cm, kteé jsou vyobeny ze dřeva nebo dřevního odpadu (pilin, hoblin) vysokým stlačením (peletováním) bez chemických přísad a pojiv. 1 Dřevní pelety mají výhřevnost okolo MJ.kg, což se dá sovnat s výhřevností fosilních paliv. Na ozdíl od uhlí mají ovšem větší účinnost spalování a nižší pocento odpadu. U uhlí to činí 30 % pevného odpadu (popele), dřevní pelety pouze 0,5 1 %. Vlhkost pelet se pohybuje v ozmezí 8 10 % a zabezpečuje tak svými vlastnostmi delší životnost topenišť [4]. Podle výoby máme dva duhy pelet, pelety ze stébelnin a dřevní pelety ob. 7. Bikety Obázek 7 Pelety ze stébelnin a dřevní pelety [12, 13] Biketa je umělé tuhé palivo upavené lisováním sypkého mateiálu např. suchého dřevního pachu, dtě, pilin bez pojiv do fomy vhodné ke spalování. Při biketování dochází ke zmenšení tvau, kteý je vhodný po spalování. Zvyšuje se tím objemová hmotnost i využitelná enegie. Objemová hmotnost bikety závisí především na těchto paametech: tlaku při lisování, stuktuře mateiálu, vlhkosti mateiálu, duhu lisovacího mateiálu. 17

21 Pokud jsou bikety kuhového tvau, mají obvykle půmě v ozmezí 20 až 120 mm a délku 400 mm. Dřevní bikety jsou vhodné především po spalování v kotlích, kbech a zahadních gilech [4, 14] Kapalná paliva Obázek 8 Dřevěné bikety [14] Kapalná paliva se v dnešní době po své velmi dobé a výhodné vlastnosti ozšířily nejen v jednotlivých půmyslových odvětvích, ale také v domácnostech. Pojevují se především svými příznivými spalovacími vlastnostmi, vysokou výhřevností a ychlým náběhem spalovacích zařízení do povozního stavu. Základními výhodami těchto paliv jsou především velmi dobá výhřevnost, zajišťující vysoké tepelné příkony, dobé spalovací vlastnosti a jednoduchá dopava v potubích [3]. Základní suovinou po výobu kapalných paliv je opa. Ropa je převážně směs uhlovodíků, kteá je povázena sloučeninami kyslíku, dusíku, síy a ve vzácných případech taky sloučeninami fosfou [1]. Příodní kapalná paliva, jejichž představitelem je opa, se k topným účelům dnes už nepoužívají, neboť opa se nejdříve zpacovává v chemickém půmyslu, kde poskytuje základní suoviny v ůzných odvětvích tohoto půmyslu. Umělá kapalná paliva se získávají fakční destilací opy. Zařazujeme mezi ně benzín, petolej, dehet a plynový olej. K topným účelům se používají paliva jako je mazut označovaný jako těžký topný olej, lehký topný olej nebo topná nafta [3] Vlastnosti kapalných paliv Základní vlastnosti kapalných paliv [2]: kinematická viskozita [cm 2 s 1 ]; 1 1 spalné teplo Q [kj kg ] a výhřevnost Q [kj kg ]; s bod tuhnutí, bod vzplanutí; měná hmotnost; výpané teplo; povchové napětí; přítomnost aditiv; chaakteistické teploty kapalných paliv Kinematická viskozita Nejdůležitější vlastností kapalných paliv je jejich kinematická viskozita, jejíž hlavní jednotkou je [cm 2 s 1 ], případně stupeň Englea [ E], kteý udává kolikát je delší doba výtoku cm zkoušeného oleje z nomovaného otvou opoti výtoku čisté vody. i 18

22 Přepočet viskozity z [ E] na [m 2 s 1 ], se řídí podle vztahu [2]: 6,31 E 6 (7,31E ) 10 (4) Chaakteistické teploty kapalných paliv Bod tuhnutí teplota, při níž je pevná látka natolik pevná, že přestane téci. Stanovení bodu tuhnutí se povádí postupným snižováním teploty a opakovaně se zkoumá, zda je vzoek kapalný. Bod tuhnutí je významným paametem, kteý popisuje nízkoteplotní chování opy, topných olejů apod. Teplota tečení teplota, při kteém látka začíná téct. Tato teplota bývá zpavidla o 50 C vyšší, než bod tuhnutí. Bod vzplanutí teplota, pří níž koncentované páy nad zkoumaným vzokem při iniciaci se zkušebním plamínkem vzplanou. Stanovuje se postupným zvyšováním teploty a opakovaným zkoušením. Bod vzplanutí je základním paametem, kteý popisuje náchylnost opných poduktů ke vznícení. Teplota hoření teplota, kdy olej vzplane a dokáže hořet déle než 5 s. Teplota hoření je o 60 C vyšší než bod vzplanutí. Teplota zápalnosti teplota, kdy olej sám vzplane bez inteakce s ohněm. Teplota zápalnosti (samovznícení) se pohybuje v intevalu C [2] Duhy kapalných paliv Topné oleje V minulosti představovaly topné oleje téměř 50 % zpacované opy. Postupem času se podukce topných olejů snižoval z důvodu ozvoje plynofikace. V současné době tvoří podíl topných olejů na tuzemském thu okolo 10 % objemu motoových paliv. Celkový vývoj spotřeby oleje u nás do oku 2008 je znázoněn na ob. 9 [15]. Obázek 9 Vývoj spotřeby topných olejů v Č [16] Topné oleje se vyábějí v několika duzích, kteé se liší svými vlastnostmi, zejména viskozitou, bodem tuhnutí a obsahem síy. Podle hustoty se topné oleje dělí na exta lehké (TOEL), lehké (LTO) a těžké (TTO). Základní vlastnosti těchto olejů jsou v tab. 3 [15, 16]. 19

23 Topný olej exta lehký (TOEL, ETO) Exta lehký topný olej, neboli také topná nafta, čeveného zbavení, je středněvoucí směs uhlovodíků, kteá se získává z opy mísením z pimáních a sekundáních opných fakcí. Voucí směs má teplotu v ozmezí 150 až 370 C. Z hlediska nízkého obsahu síy se TOEL používá ve zvláště ekologicky zatížených a cháněných oblastech a po vytápění odinných domů. Exta lehký topný olej se přepavuje výhadně v autocistenách nebo železničních cistenách. Skladuje se tak aby nedošlo ke znehodnocení vodou či mechanickými nečistotami [16]. Výhody: vysoká výhřevnost; zachování stabilní kvality při dlouhodobém skladování; zanedbatelné množství síy; při spalování nevzniká popel ani jemné pachové částice [16]. Lehké topné oleje (LTO) Vyábějí se z atmosféických a vakuových plynných olejů. Tyto topné oleje mají nižší viskozitu. Obsahují bavivo a značkující látky, podle nichž se odlišují od motoové nafty [17]. Těžké topné oleje (TTO) Tvoří směs těžkých uhlovodíků. Jsou to převážně směsi vysokovoucích opných fakcí a zbytků. Na počátku představovaly atmosféický destilační zbytek neboli mazut, voucí nad teplotou 350 C. S dalším ozvojem a postupným pohlubováním zpacování opy, těžké oleje stále více představují složitější směs atmosféických a vakuových fakcí. Musí se namíchat tak, aby výsledný podukt vyhovoval kladeným požadavkům. Kvalita topných olejů je učována zejména požadavky spotřebitelů. Vzhledem k ůznoodosti zpacování a technologických pocesů neexistuje jednotná celosvětová noma řešící kvalitu topných olejů, poto mají jednotlivé státy svoji vlastní nomu, kteá musí splňovat především ekologické požadavky [16, 17]. Topné oleje na bázi odpadních olejů Topné oleje na bázi odpadních olejů se získávají egeneací odpadních olejů na topné oleje po vytápění. Musí být v souladu s vyhláškou, kteá stanovuje, jaké oleje je možno použít k přepacování. Nesmí obsahovat více jak 10 mg/kg polychomovaných aomatických uhlovodíků. Duhy topných olejů na bázi odpadních olejů: topný olej exta lehký (TOL-REG); topný olej těžký (TOT-REG) [16]. 20

24 Vlastnost Jednotky TOEL LTO TTO Hustota při 20 C 3 kg / m max Kinematická viskozita při 20 C Kinematická viskozita při 40 C Kinematická viskozita při 100 C 2 mm / s max. 6-2 mm / s - 3, mm / s max Obsah popela %hm. max. 0,01 0,02 0,14 Obsah mechanických nečistot %hm. max. 0,1 0,1 1,0 Bod vzplanutí C min Bod tuhnutí C max Výhřevnost MJ/kg min. 42, Obsah síy %hm. max. 0, Plynná paliva malosiný %hm. max. - 1,0 1,0 středněsiný %hm. max. - 2,0 2,0 vysokosiný %hm. max ,0 Tabulka 3 základní kvalitativní paamety topných olejů [15] Plynným palivem se ozumí všechny plyny, kteé obsahují hořlavé složky oxid uhelnatý, vodík a plynné uhlovodíky. Topné plyny mají po enegetickou bilanci hutního půmyslu stěžejní význam. Jejich použití je dáno vhodnými vlastnostmi, kteé jsou potřebné v hutnickém půmyslu. Mezi tyto vlastnosti se řadí zejména velmi dobé spalování s malým přebytkem vzduchu, ovnoměné ozložení teplot v kotli, možnost předehřátí někteých topných plynů a snadná dopava [3]. Topné plyny jsou podle výhřevnosti ozděleny do čtyř skupin: plyny málo výhřevné (s výhřevností do 8,35 MJ. ) 3 m n 3 plyny středně výhřevné (s výhřevností do 8,35 12,5 MJ. ) plyny velmi výhřevné (s výhřevností do 12,5-21,5 plyny vysoce výhřevné (s výhřevností nad 21,5 m n MJ. ) 3 m n 3 m n MJ. ) [2] V dnešním půmyslu se vyskytují příodní plynná paliva a umělá plynná paliva. Plynná paliva umělá vznikají zejména při technologických výobních pocesech základních hutních agegátů nebo se vyábějí zplyňováním tuhých paliv, štěpením kapalných paliv případně plynných. Přehled plynných paliv [3]: příodní plynná paliva zemní plyn nejozšířenější plynné palivo; odpadní plyny důlní plyn, vysokopecní plyn, koksáenský plyn; umělé plyny bioplyn, dřevoplyn, geneátoový plyn. 21

25 Vlastnosti plynných paliv Mezi základní vlastnosti plynných paliv patří [2]: 1 1 spalné teplo Q [kj kg ] a výhřevnost Q [kj kg ] ; s měná hmotnost (); tlak plynu (p); 3 1 střední měná tepelná kapacita topných plynů c [kj.m K ] ; hustota plynu (h); elativní vlhkost plynu [%]; honí a dolní mez výbušnosti; chaakteistické teploty plynných paliv Spalné teplo a výhřevnost Spalné teplo a výhřevnost má stejnou definici, jako je tomu u tuhých a kapalných paliv. U plynných paliv se liší pouze jednotkou. U plynů se nevztahuje spalné teplo a výhřevnost na kg, ale místo toho m při nomálním fyzikálním stavu. 3 n Přepočet mezi spalným teplem a výhřevností se učí podle vzoce [2]: kde K [kg] hmotnost kondenzované páy Q i K Qs 2453 (5) P P [m 3 ] objem spalného plynu během zkoušky Měná hmotnost Hustota je důležitým kitéiem po spalovací vlastnosti a po dopavu plynu. Je dána 3 složením topného plynu (např. po zemní plyn je to 650 kg m ) [2] Vlhkost plynu 3 Vlhkost plynu může být absolutní [g m ] nebo elativní [%]. Podpouje koozi, poto tvoří nežádoucí složku plynu. Relativní vlhkost se učí dle vzoce [2]: p p" 100 [%] (6) kde p [Pa] paciální tlak skutečně obsažených v plynu p" [Pa] paciální tlak nasycených vodních pa při dané teplotě Obsah nečistot v plynu Vyvolávají tvobu dehtových a pachových usazenin, koozi potubí, amatu a hořáků. Základními nečistotami jsou dehet, pach, naftalen, amoniak, kyanovodík oxidy dusíku a další látky [2]. i p 22

26 Honí a dolní mez výbušnosti Za dané teploty a podmínek existuje po každou hořlavou látku a plyn honí a dolní mez výbušnosti. Dolní mez výbušnosti je nejnižší koncentace směsí plynu ve vzduchu, při kteé může nastat výbuch. Honí mez výbušnosti je naopak nejvyšší koncentace směsí hořlavých plynů ve vzduchu, při kteé může dojít k explozi. Při překočení této koncentace už výbuch nenastane [2] Chaakteistické teploty zápalná teplota nejnižší teplota, při níž plyn samovolně hoří, hodnota závisí na H 2 teplota vznícení teplota, kdy dojde ke vznícení plynu teplota hoření nejvyšší dosažitelná hodnota plamene [2] Duhy plynných paliv Příodní plynná paliva Zemní plyn Zemní plyn je hořlavá směs příodních plynů s vysokým obsahem metanu CH 4 a paafínových uhlovodíků. Téměř neobsahuje nenasycené uhlovodíky. Může obsahovat dusík, oxid uhličitý, kyslík, hélium, v malém množství vodní páy a mechanické nečistoty [15]. Nachází se samostatně, společně s opou nebo čeným uhlím. Podle toho se zemní plyn ozlišuje na plyn opného nebo uhelného původu. Díky tomu, že obsahuje metan, má při spalování v poovnání s ostatními fosilními palivy nejmenší podíl CO 2. Je poto uvažován za ekologické palivo [2, 18]. Vlastnosti zemního plynu: Použitím zemního plynu se dosáhne vysokého tepelného výkonu a spalné teploty v pacovním postou kotle. Nevýhodou je, že při spalování nevzniká svítivý plamen, což má za následek menší přenos tepla zářením. Tento nedostatek se odstaňuje použitím zemního plynu s topným olejem [3]. Výhřevnost 34,08 MJ/m 3 Spalné teplo 37,82 MJ/m 3 Hustota 0,69 kg/m 3 Meze výbušnosti 5-15% Zápalná teplota 650 C Množství spalovacího vzduchu 9,56 m 3 vzduchu/m 3 ZP Teplota plamene 1957 C Tabulka 4 Vlastnosti zemního plynu [18] 23

27 Odpadní plyny Vysokopecní plyn Vzniká při výobě suového železa ve vysoké peci nedokonalým spalováním koksu a uvolněním oxidu uhličitého z vápence. Následkem eakcí je značně znečištěný plyn. Množství pachu na sazebně dosahuje g.m -3. Velké množství pachu by tak mohlo způsobit značné potíže při povozu. Výhřevnost tohoto plynu je poměně malá. Používá se k předehřívání vzduchu v cowpeech (ohřívač vzduchu). Ohřívaný vzduch se poté dmýchá do vysoké pece po paní kotle [2, 3]. Koksáenský plyn Vzniká v koksáenských pecích při výobě koksu z čeného uhlí při vysoké kabonizaci. Jeho vlastnosti závisí na duhu uhlí. Při spalování se příznivě pojevuje jeho vysoká výhřevnost, kteá umožňuje dosáhnout vysoké spalné teploty. Naopak nedostatkem je jeho nízká hustota, což způsobuje, že je plamen špatně přilnavý k ohřívané vsázce. Vzhledem k obsahu oxidu uhelnatého je pudce jedovatý. Obdobou koksáenského plynu je svítiplyn, kteý se získává jeho odsiřením a vyčištěním. Použití koksáenského plynu se využívá v chemické části koksovny k topným účelům [3]. Důlní plyn Je složen převážně z metanu, vyšších uhlovodíků a inetních plynů. Tento plyn vzniká zuhelňováním biologické hmoty během geologických pocesů. Během otevření ložisek a těžby uhlí dochází k jeho uvolnění a jeho výstupu do těžebních postoů i na zemský povch. Směs důlního plynu a vzduchu vytváří třaskavou směs, ale pouze v mezi výbušnosti. Významnou vlastností je jeho výhřevnost 35 MJ/m 3 [3, 18] Umělé plyny Bioplyn Základní suovinou jsou exkementy z živočišné výoby, ostlinná biomasa, kaly atd. Je to plyn podukovaný během anaeobní digesce oganických mateiálů zejména z methanu a oxidu uhličitého. Výhřevnost se pohybuje v ozmezí MJ.m [2]. 3 n Dřevoplyn Vzniká zplyňováním biomasy, při kteém uhlík eaguje za vysoké teploty s paou a kyslíkem, přičemž vzniká směs oxidu uhelnatého, methanu a oxidu uhličitého. Složení a výhřevnost jsou závislé na způsobu zplynování [2, 3]. Geneátoový plyn Zplynováním čeného nebo hnědého uhlí se směsí vzduchu a malého množství páy vzniká v geneátou geneátoový plyn. Obsahuje dehtové páy, kteé způsobují zvýšení výhřevnosti a svítivosti plamene. Stejně jako vysokopecní plyn je pudce jedovatý [3]. 24

28 2.5. Ekologické dopady spalování paliv Při neustálém náůstu těžby a úpavy paliv, dopavou na místo spotřeby a jejich konečným využitím nejčastěji spálením, dochází ke znečišťování životního postředí. Podukty spalování pocházející z kotle výazně přispívají k celkové emisní zátěži. Spalováním fosilních paliv vznikají emise znečišťujících látek oxid siřičitý SO 2, oxidy dusíku NO x, tuhé znečišťující látky, oxid uhličitý CO 2. Oxidy síy a dusíku v ovzduší eagují s vodní paou a vznikají kyseliny (kyselina síová H 2 SO 4, kyselina dusičná HNO 3 ), kteé se vacejí zpět na zemský povch v podobě kyselých dešťů, jenž ničí ekosystémy a především lidské zdaví. Oxidy dusíku NO, NO2 jsou souhnně nazývány NO x. Jejich podukty způsobují edukci ozonu a tím přispívají ke vzniku skleníkového efektu, kteý se podílí na změně klimatu [20, 8]. Emise jednotlivých paliv Uhlí, uhelné bikety spalováním hnědého a čeného uhlí vznikají emise CO 2, SO x a NO x. Spalováním hnědého uhlí vzniká značné množství těkavých látek (VOC), polycyklických aomatických uhlovodíků (PAU) a pašných částic (PM). Koks díky odstanění dusíku, síy a těkavých látek vznikají při spalování koksu nižší emise VOC, NO x, SO x než je tomu u uhlí. Zemní plyn při spalování vzniká CO 2 a malé množství NO x. Z hlediska emisí je zemní plyn mnohem příznivější než uhlí [21]. 3. CHARAKTERISTIKA KOTLŮ V dávné minulosti se pod pojmem kotel ozumělo, velká kovová nádoba učená k vaření jídla nad otevřeným ohněm. Kotel tedy dopovází lidstvo od pvopočátku lidské histoie. Kotle jsou nyní zařízení, kteá jsou uřčena k ohřevu teplonosných látek tepelnou enegií, získanou spalováním paliva tj. hmoty, ze kteé se uvolňuje chemickou eakcí teplo. Jsou zpavidla učeny ke spalování jen učitých duhů paliv (jedná se o paliva tuhá, kapalná nebo plynná). Teplosměnné plochy přijímají teplo ze spalin přestupem tepla sáláním (adiací) a pouděním (konvekcí), teplo dále pochází tloušťkou plochy vedením (kondukcí) a je předáno do pacovní látky (voda, páa) pouděním (konvekcí) [22]. V kotli dochází k tansfomaci chemické enegie paliva na tepelnou enegii spalin a k následnému přenosu tepla spalin do pacovního média (voda, páa). Výsledkem je páa (sytá nebo přehřátá), teplá voda (do 115 C) esp. hoká voda (nad 115 C) požadovaného tlaku. Tato kapitola se zabývá ozdělením kotlů do skupin dle spalování jednotlivých duhů paliv a zejména podle ceny, kteá je často jedním z ozhodujících faktoů po výbě kotle uživatelem. Hlavním tématem této kapitoly jsou kotle malých výkonů konkétně do 35 kw, výčet jejich jednotlivých výhod a nevýhod a znázonění jejich základního popisu. 25

29 3.1. Jednotlivé ozdělení kotlů Rozdělení kotlů je znázoněno podle dostupných intenetových zdojů [22, 23]. Podle použitého paliva kotle na tuhá paliva kotle na kapalná paliva kotle na plynná paliva kotle na směsi paliv Podle velikosti přetlaku kotle nízkotlaké (od (0 do 0,07) MPa přetlaku vyobené páy) kotle středotlaké (od (0,07 do 6,4) MPa přetlaku vyobené páy) kotle vysokotlaké (od 6,4 MPa a výše přetlaku vyobené páy) Podle pacovního (teplonosného média) kotle teplovodní (s teplotou do 115 C) kotle hokovodní (s teplotou nad 115 C) kotle paní (podle velikosti přetlaku) Podle způsobu možného použití kotle klasické (teplota zpětné vody do kotle nemá klesnout pod 60 C) kotle nízkoteplotní (teplota zpětné vody nesmí klesnout pod 50 C) kotle kondenzační (teplota vody na kotli může poklesnout pod 50 C) Podle způsobu umístění a upevnění kotle stacionání (umístěné pevně na zemi) kotle závěsné (umístěné na zdi) Podle typu hořáku kotle s tlakovými hořáky kotle s atmosféickými hořáky Podle užití v enegetické centále kotle elektáenské kotle tepláenské kotle výtopenské Podle poudění vody s velkým vodním obsahem kotle plamencové kotle žáotubné kombinované plamenco-žáotubné Podle poudění vody s malým vodním obsahem s přiozeným oběhem vody s povzbuzeným ohřevem vody půtočné s nadkitickým či podkitickým tlakem páy 26

30 3.2. Základní konstukční části a postoy kotle Popis základních částí kotle Obázek 10 Základní schéma a popis jednotlivých částí kotle [25] Kotlové těleso je základní část kotle, ve kteé se ohřívá teplonosná látka. Část, kde se ohřívá otopná voda. Násypka paliva slouží k dodávání paliva do kotle po spalování. Rošt je část kotle učená ke spalování paliva ve vstvě. Spalovací posto je vnitřní část kotle, kde pobíhá spalování paliva. Jedná se o posto nad oštem, kde pobíhá pimání hoření poháněné pimáním vzduchem. Do spalovacího postou je tedy vháněn sekundání vzduch, kteý podpouje lepší vyhoření. Popelníková zásuvka je část sloužící k zachycování popele. Spalinové cesty jsou postoy, kudy vedou spaliny ve vnitřní části kotle. Odtahové hdlo část kotle, kteá slouží k připojení kouřovodu. 27

31 Odtahová klapka slouží k přeměně půtočného půřezu odtahového hdla po egulaci tahových podmínek v kotli. Zatápěcí klapka část kotle, kteá umožňuje zkátit spalinovou cestu při povozu kotle. Pojistný výměník zařízení sloužící po odvedení přebytečného tepla z kotle, kteé omezí teplotu na požadovanou nejvyšší hodnotu. Ohniště část kotle, kteá se skládá z oštu a spalovacího postou. Hořák zajišťuje tvalé spalování paliv a umožňuje spalovací děje. Hořák umožňuje kontolu spalovacího pocesu řízeným přísunem spalovacího paliva a spalovacího vzduchu. Žáuvzdoná vyzdívka je vyobena převážně z keamických mateiálů s vysokou akumulační schopností. K vyzdívce spalovacího zařízení se využívá šamot, kteý je levnější a udžuje vhodnou teplotu po kvalitní spalování. Vnější izolace důležitá součást každého domácího kotle. Musí být odolná vůči mechanickým a tepelným namáháním. Je tvořena z nehořlavého mateiálu a nesmí uvolňovat zdaví škodlivé látky. Definice jednotlivých částí kotle jsou převzata z dostupného zdoje [25] Účinnost kotle Tepelnou účinnost lze vypočítat dvěma způsoby [2]: přímá metoda výpočet z enegie dodané a vyobené, nepřímá metoda výpočet pomocí tepelných ztát Účinnost kotle stanovená přímou metodou Po zjištění tepelné účinnosti kotle přímým způsobem se musí stanovit [26]: celkové teplo přivedené do ohniště, výobní teplo páy Teplo přivedené do ohniště Během topné zkoušky se měří množství přivedeného tepla do ohniště v palivu a množství tepla přivedeného spalovacím vzduchem. Teplo přivedené v palivu je dáno výhřevností paliva a množstvím paliva spáleného během topné zkoušky. Teplo dodané spalovacím vzduchem se stanovuje z celkové spotřeby spalovacího vzduchu během topné zkoušky [26]. Q dod M q M t c [k cal /h] (7) pv vz vz vz 28

32 kde M pv množství tepla spáleného za hodinu [kg/h] q výhřevnost paliva [k cal /kg] M vz množství spalovacího vzduchu za hodinu [Nm 3 /h] t vz teplota spalovacího vzduchu [ C] c vz měné teplo vzduchu [k cal /Nm 3 C] Výobní teplo páy Uvolněné teplo z paliva se částečně využije k výobě syté nebo přehřáté páy a částečně odchází z kotle v podobě ztát. Skládá se z tepla, kteé se spotřebuje k ohřátí studené vody na bod vau a z výpaného tepla vody. Celkové teplo k výobě páy je dáno ovnicí: [26] Q odv M i i ) [k cal /h] (8) pa ( pa v kde M pa množství páy vyobené v kotli za hodinu [k cal /kg] i pa výobní teplo páy [k cal /kg] i v výobní teplo vody [k cal /kg] Tepelná účinnost kotle se potom stanoví jako pomě mezi enegií vyobenou (využité teplo) k enegii přivedené [26]. Qodv 100 [%] (9) Q Účinnost stanovená nepřímou metodou dod Po stanovení účinnosti kotle nepřímým způsobem musíme změřit a sečíst všechny ztáty kotle. Účinnost se tedy stanoví z tepelných ztát podle ovnice (ČSN ) [2] 1 1 [-] (10) i mn cn f k sv kde i jsou tepelné ztáty kotle ve stacionáním stavu [-] U kotlů ozeznáváme pět základních ztát [2]: ztátu hořlavinou v tuhých zbytcích mn ztátu fyzickým teplem tuhých zbytků f ztátu hořlavinou ve spalinách cn ztátou fyzickým teplem spalin k ztátu sdílením tepla do okolí sáláním a vedením sv Kotle spalující topné oleje a zemní plyn mají mn = f = 0. 29

33 3.4. Typy kotlů malých výkonů do 35 kw Malé kotle slouží převážně po vytápění a přípavu teplé vody [2]. Nejdůležitější vlastností kotle je jeho samostatná schopnost spalovacího pocesu, tím je myšlena kontola paliva a spalovacího vzduchu do ohniště. Obecně platí, že čím více je kotel schopen optimálně řídit spalovací poces bez vnějšího zásahu obsluhy, tím vyšší má předpoklad po kvalitní spalování [25]. Součásti malých kotlů jsou [2]: spalovací komoa, výměník, odvod spalin, systém egulace a automatizace, bezpečnostní zařízení Kotle na tuhá paliva V malých kotlích na tuhá paliva se převážně spalují fosilní paliva (hnědé a čené uhlí, biomasa). Tato spalovací zařízení lze ozdělit na [2]: lokální kby, kbová kamna, kuchyňské spoáky atd., centální kotle po vytápění odinných a bytových domů. Podle způsobu přívodu paliva se centální kotle dělí na [27]: kotle s manuálním přikládáním, kotle s automatickým přikládáním, Typy kotlů na pevná paliva podle použité technologie[27]: pohořívací kotle, odhořívací kotle, zplyňovací kotle Kotle s manuálním přikládáním Palivo je dodáváno učně v intevalech závisejících na tepelném výkonu a ychlosti hoření individuálně u jednotlivých kotlů [26]. Tyto kotle jsou elativně levné a konstukčně jednoduché. Nejozšířenějším konstukčním řešením je velkoobjemové ohniště, do kteého lze po nejdelší peiody přikládání přiložit najednou co nejvíce množství paliva. Toto palivo se do kotle přidává honími nakládacími dvířky, kteá jsou umístěna na přední (čelní) staně kotle [27]. Čím více je paliva přiloženo, tím více se z ohniště odebee tepla z důvodu toho, že palivo se v pvním okamžiku nejpve ohřívá. Pokud se do ohniště přidá vlhké palivo, může se díky většímu odběu tepla po vysušení paliva odebat z ohniště tolik tepla, že se nauší stabilita hoření [26]. Ob. 11 popisuje fakta vyhořívání jedné dávky paliva (uhlí), kteé se do ohniště přidalo najednou. Zkouška byla povedena u pohořívacího kotle s učním přikládáním paliva. 30

34 Obázek 11 Časový půběh spalování přiložené dávky uhlí u pohořívacích kotlů [27] Kotle s uční obsluhou se v dnešní době vyábějí o malých výkonech. Nevýhodou těchto kotlů je, že není možné jejich tepelný výkon a poces spalování egulovat dodávkou paliva. Regulaci lze povést pouze přeozdělením množství pimáního a sekundáního spalovacího vzduchu [27] Kotle s automatickým přikládáním Palivo je dodáváno samočinně v závislosti na tepelném výkonu [26]. Tyto modení kotle využívají kontinuálního systému přívodu paliva do ohniště pomocí šnekových dopavníků a pomocí otočného válcového oštu. Automatická dopava paliva zajišťuje stabilitu spalovacího pocesu, stabilitu požadovaného výkonu a účinnosti spalování, nízkou podukci škodlivých látek a komfot majitele kotle. Nejdůležitější součástkou automatického kotle Ob. 12 je jeho řídící jednotka, kteá koodinuje a zajišťuje komunikaci kotle s uživatelem. Stupeň a peciznost automatizace udává ceny u kotlů stejné výkonové úovně [27]. Obázek 12 Schéma automatického kotle [27] 31

35 Zdoje tepla s automatickým řízením se mohou pyšnit ůznými typy konstukcí topenišť ob. 13: topeniště se spodním přívodem paliva, topeniště s příčným přívodem paliva, topeniště se shazováním paliva, topeniště s otočným válcovým oštem. Obázek 13 konstukce topenišť se spodním, příčným přívodem a se shazováním paliva[27] Pohořívací kotle Pohořívací kotle jsou kotle, ve kteých pobíhá postupné spalování, kde spaliny pocházejí vstvou paliva [26]. Představují jednoduchý a levný systém kotlů spalující pevná paliva. Pincip klasických pohořívacích kotlů znázoňuje ob. 14. Palivo se u těchto typů kotlů spaluje v celé dávce a ve stejnou dobu. Tyto kotle jsou vybaveny přívodem pimáního a sekundáního vzduchu. Přívod pimáního vzduchu je umístěn pod oštem. Přívod sekundáního vzduchu je v oblasti, kde dochází ke spalování paliva. Dřevo je dávkováno přes honí dveře a popel se odstaňuje spodními dveřmi. Vhodnost těchto kotlů tkví především v případech, kde spotřebitel není schopen zajistit požadovanou vlhkost dřeva. Pohořívací pincip spalování je důsledkem vyšší odolnosti kotle vůči koozi při topení vlhkým dřevem. Nevýhodou je nižší účinnost, než je tomu u ostatních typů kotlů. Nejpoužívanějším palivem po pohořívací kotle jsou dřevní polena. Používají se i dřevní bikety, koks a uhlí [27] Odhořívací kotle Pincip odhořívacích kotlů spočívá v postupném spalování paliva ve vstvě plynule doplňované, přičemž spaliny nepocházejí přes vstvu paliva [26]. U odhořívacích kotlů jsou plamen a spaliny vedeny dospod (spodní tah) nebo do boku (boční tah) topeniště. Zplyňování a spalování pobíhá v oddělených komoách, kteé zajišťují stabilitu spalování. Popel pochází skz ošt do popelníku. Nejčastějším palivem odhořívacích kotlů je kusové dřevo a uhlí. Časté jsou i dřevní bikety a bikety z ašeliny. Spalování u odhořívacích kotlů představuje stabilnější poces spalování než je tomu u pohořívacích kotlů, což má za následek menší podukce emisí ve sovnání s pohořívacím způsobem. Pincip odhořívacího kotle je znázoněn na ob. 14 [27]. 32

36 Zplyňovací kotle Obázek 14 Pincip spalování pohořívacího a odhořívacího kotle [26] Zplyňovací kotel je duh odhořívacího kotle s učním přikládáním, kteý se vyznačuje vyšší úovní spalování. Vyšší úovně spalování je docíleno řízeným přísunem spalovacího vzduchu [26]. Zplyňovací kotle jsou jedním z nejvíce účinných kotlů dostupných na thu. Účinnost se pohybuje v ozmezí %. Další výhodou těchto duhů kotlů je úspoa paliv, povozních nákladů a také menší podukce znečišťujících látek, jelikož plynné palivo se spaluje snáze než palivo pevné. Při zplyňování dochází k tepelnému ozkladu uhlíku z paliva. Do honí komoy, kteá funguje i jako zásobník paliva se přivádí vzduch. Dochází k uvolnění hořlavých plynů z temického ozkladu dřeva. Vzniklé spaliny a plyn jsou nasměovány do spalovací komoy, kam je přiveden další sekundání vzduch. Vzniklými spalinami se následně ohřívá voda [27]. I přes mnohé výhody musí uživatel počítat s mnohem vyššími pořizovacími náklady, než je tomu u tadičních pohořívacích a odhořivacích kotlů. Řez zplyňovacím kotlem je znázoněn na ob Kotle na kapalná paliva Obázek 15 Zplyňovací kotel na dřevo[27] Využití kapalných paliv po vytápění odinných domů není u nás příliš ozšířeno. Důvodem je elativně vysoká cena topného paliva a cena hořáku v poovnání s plynem. Výjimku představují kotle nižších výkonů spalující exta lehký topný olej. 33

37 Konstukčně jsou kotle řešené jako litinové článkové nebo ocelové svařované. Jsou osazeny tlakovým hořákem se vzduchovým ventilátoem a ozpašovací tyskou. Palivo není třeba po dobé ozpášení předehřívat, jako je tomu u spalování jiných duhů topných olejů. Kotle s předehříváním jsou výazně dažší, poto nacházejí uplatnění až u kotlů s vyššími výkony, kde se pozitivně pojevuje příznivá cena topného paliva [28]. Rozlišení kotlů na kapalná paliva: kondenzační kotle, nízkoteplotní topné kotle, hokovodní kotle. Hlavní výhody olejových kotlů [29]: hospodáné, plně automatické a bezobslužné, slouží k ohřívání užitkové vody, spolehlivé a bezpečné, ohleduplné k životnímu postředí Kotle spalující plynná paliva Obázek 16 Schéma olejového kotle [29] Malé kotle na plynná paliva po vytápění odinných domů a ohřevu teplé vody nacházejí v poslední době nejšiší uplatnění. Jejich hlavními výhodami jsou automatizace, dostupnost zemního plynu, jednoduchost, snadná obsluha, čistota povozu a nízká emise škodlivin. Plynové kotle jsou v povedení po zemní plyn, v případě upavených hořáků může být spalován i popan butan. Chaakteistické typy jednotlivých plynových kotlů jsou následující [2]: Podle způsobu a umístění kotle: stacionání pevně umístěné na zemi, závěsné zavěšené hoizontálně na pevné zdi. 34