Projektowanie przewodów spalinowych w kotłowni

Podstawowe definicje

Przewody spalinowe to instalacje odprowadzające produkty spalania z kotłów lub innych urządzeń, np. z wymienników od odzyskiwania ciepła ze spalin w układach kogeneracyjnych. W odniesieniu do kotłowni można mówić o przewodach spalinowych jako instalacjach odprowadzających spaliny do otoczenia zewnętrznego.

Do spalania paliw niezbędny jest tlen zawarty w powietrzu. Powietrze zewnętrzne należy doprowadzić do komory spalania w kotle. Powietrze może być doprowadzone bezpośrednio do palnika lub komory paleniskowej lub pośrednio – przez pomieszczenia kotłowni. W obecnych rozwiązaniach kotłowni nie są stosowane urządzenia odprowadzające spaliny do pomieszczenia (typu A, jak np. kuchnie gazowe). Mamy zatem do czynienia z urządzeniami typu [2, 4]:

• B – z otwartą komorą spalania – powietrze doprowadzone jest z pomieszczenia kotłowni, spaliny są usuwane na zewnątrz pomieszczenia,
• C – z zamkniętą komorą spalania – powietrze jest doprowadzone bezpośrednio do komory spalania, spaliny są odprowadzone na zewnątrz. Jeśli przewody spalin i powietrza są zblokowane, takie instalacje nazywane są powietrzno-spalinowymi.

Powietrze do spalania może być doprowadzone do komory spalania bez pomocy wentylatora (palniki atmosferyczne) i z jego pomocą (jako części palnika nadmuchowego). Nie należy utożsamiać kotła z palnikiem nadmuchowym z kotłem z zamkniętą komorą spalania. W przypadku urządzeń typu B powietrze może być doprowadzone do kotłowni systemem nawiewnej wentylacji naturalnej lub mechanicznej (w kotłowniach o dużej mocy).

Wentylacja wywiewna w kotłowni może być tylko naturalna. Elementy wentylacji nawiewno-wywiewnej są stosowane w kotłowniach o dużej mocy, np. w kotłowniach węglowych z kotłami WR lub podobnymi.

Spaliny mogą być odprowadzone bez użycia wentylatora – tzw. ciąg naturalny albo z użyciem wentylatora – ciąg sztuczny. Ciąg sztuczny jest wymagany przy stosowaniu urządzeń oczyszczających spaliny (ze względu na stratę ciśnienia w przewodach i urządzeniach) i w przypadku kotłów kondensacyjnych (zbyt niska temperatura spalin do wywołania ciągu naturalnego).

Przewody spalinowe mogą przebiegać pionowo – są to kominy. Natomiast poziome przewody spalinowe mają historyczną nazwę „czopuch”, ale jest ona zwykle używana w odniesieniu do kotłów na paliwo stałe.

Przewody spalinowe kotłów z palnikami atmosferycznymi mogą być łączone we wspólne odcinki, a przewody spalinowe kotłów z palnikami nadmuchowymi muszą być indywidualne do każdego kotła. Przy ciągu naturalnym zalecane jest stosowanie odrębnych przewodów spalinowych do kotłów z palnikiem atmosferycznym ze względu na niewielką prędkość spalin i duże schłodzenie przy działaniu pojedynczego kotła (zwłaszcza przy niskim obciążeniu cieplnym).

Obliczanie strumienia powietrza niezbędnego do spalania

Podstawowym parametrem do projektowania układów spalinowych kotłowni jest moc kotła. Strumień paliwa (gazowego lub ciekłego) oblicza się zgodnie z zasadami podanymi w szóstej części cyklu „Projektowanie kotłowni wodnych” (RI 6/2013). Przewody spalinowe oblicza się w warunkach nominalnego obciążenia kotłów.

Rzeczywisty strumień objętości powietrza zależy od rodzaju paliwa i rodzaju paleniska (kotła). Teoretyczne zapotrzebowanie na powietrze do spalania zależy od składu chemicznego paliwa.

Przyjmując przeciętne stężenie objętościowe tlenu w powietrzu jako 21%, można podać zapotrzebowanie na powietrze przy spalaniu jednostki masy (paliwa stałe i ciekłe) i jednostki objętości pierwiastka lub związku chemicznego będącego palnym składnikiem paliwa. Zawartość tlenu w paliwie zmniejsza zapotrzebowanie na powietrze. Dane podano w tabeli 1 i 2 [5, 8].

Obliczając odpowiednie współczynniki, można otrzymać wzór określający zapotrzebowanie na powietrze do spalania paliw stałych i ciekłych [5]:

gdzie małe litery oznaczają udział masowy pierwiastków w paliwie.

Wyliczając odpowiednie współczynniki, można otrzymać również wzór określający zapotrzebowanie na powietrze do spalania paliw gazowych [5]:

gdzie u z odpowiednim indeksem oznacza udział objętościowy danego składnika ­paliwa.

W tabeli 3 podano przeciętny skład oleju opałowego lekkiego [2, 5], a w tabeli 4 przeciętny skład gazu 2E i 2Ls.

Składniki niepalne nie wymagają dostarczenia powietrza.

Rzeczywiste zapotrzebowanie na powietrze oblicza się jako teoretyczne z uwzględnieniem nadmiaru wymaganego do prawidłowego przebiegu reakcji spalania. W nowoczesnych kotłach gazowych i olejowych przyjmuje się, że współczynnik nadmiaru powietrza jest równy 1,2. Zatem:

gdzie:

L_rz – rzeczywiste zapotrzebowanie na powietrze [m³/kg] lub [m³/m³],
l – współczynnik nadmiaru powietrza równy 1,2.

Strumień objętości powietrza oblicza się ze wzoru:

gdzie:
V_a – strumień objętości powietrza do spalania [m³/s],
B – strumień paliwa [kg/s] lub [m³/s].

Przy naturalnym doprowadzeniu powietrza do spalania przez pomieszczenie należy obliczyć opory przepływu powietrza przez elementy nawiewne. Wymagany przepisami przekrój przewodu nawiewnego (patrz kolejny artykuł z cyklu) w przypadku kotła o mocy powyżej 60 kW wynosi 5 cm² na jednostkę mocy kotła.

Przyjmując przeciętną efektywność kotła 95% i rodzaj gazu 2E, można wyznaczyć prędkość przepływu powietrza w przewodzie (lub w otworze, jeśli układ doprowadzenia powietrze nie zawiera odcinka przewodu). Jest to 0,69 m/s przy temperaturze 20°C i 0,6 m/s przy temperaturze –20°C.

W tabeli 5 przedstawiono wyniki obliczeń strat ciśnienia w przewodzie powietrznym w kotłowni z kotłem o mocy 100 kW. Symbole w nagłówku tabeli obliczeń hydraulicznych wyjaśnione zostały w poprzednich artykułach z cyklu (np. cz. 6, RI 6/2013).

Strata ciśnienia wynosi ok. 1 Pa. Autor proponuje przyjęcie 1 Pa jako granicznej straty ciśnienia w układach naturalnego doprowadzenia powietrza. Przy układach krótszych można przyjąć mniejszy przekrój przewodu nawiewnego, wówczas autor projektu powinien wykazać na podstawie obliczeń, że strata ciśnienia nie przekracza 1 Pa. Wymiary przewodów powietrznych w urządzeniach typu C należy przyjmować na podstawie danych producenta [9, 10].

Obliczanie strumienia objętości spalin

Teoretyczna objętość spalin przypadająca na jednostkę masy lub objętości spalonego paliwa może zostać określona na podstawie znanych współczynników stechiometrycznych w reakcjach spalania [5].

Wygodnie jest operować jedną formułą obliczeniową do określenia rzeczywistej i teoretycznej objętości spalin. Objętość teoretyczna odpowiada wartości współczynnika nadmiaru powietrza l = 1,0.

W tabeli 6 [5] zestawiono odpowiednie formuły obliczeniowe do określenia objętości poszczególnych składników spalin w przypadku paliw stałych i ciekłych, a w tabeli 7 w przypadku paliw gazowych. Objętość spalin przyjęto dla warunków odniesienia (t = 0°C i p = 1,01325 bar).

Założono stężenie objętościowe pary wodnej w powietrzu doprowadzonym do spalania równe 0,1% (obliczenia przy ekstremalnej temperaturze powietrza zewnętrznego). W drugim wierszu podano źródło powstawania składnika spalin.

Po obliczeniu współczynników liczbowych otrzymamy wzór określający rzeczywistą objętość spalin powstających przy spalaniu paliw stałych i ciekłych:

gdzie:
V_1sp – jednostkowa objętość spalin (w warunkach odniesienia) [m³/kg].

Przyjmując współczynniki podane w tabeli, otrzymamy wzór określający rzeczywistą objętość spalin powstających ze spalania paliw gazowych:

gdzie:
V_1sp – jednostkowa objętość spalin (w warunkach odniesienia) [m³/m³].

Strumień objętości spalin w warunkach odniesienia oblicza się ze wzoru:

gdzie:
V_sp – strumień objętości spalin (w warunkach odniesienia) [m³/s],
B – strumień masy paliwa [kg/s] lub [m³/s].

Strumień objętości spalin w warunkach rzeczywistych (przy temperaturze rzeczywistej) oblicza się ze wzoru:

gdzie:
V_spT – strumień objętości spalin (w warunkach temperatury rzeczywistej) [m³/s],
T_sp – temperatura spalin [K],
T_o – temperatura odniesienia równa 273 K.

W obliczeniach pomija się zmianę ciśnienia statycznego.

Dobór średnicy przewodu spalinowego

Poniżej przedstawiono procedurę obliczeń przewodu spalinowego jednego kotła niekondensacyjnego z paleniskiem typu B. W przypadku kotłów kondensacyjnych lub kotłów z zamkniętą komorą spalania wymiary przewodów spalinowych należy przyjmować na podstawie danych producentów [9, 10].

Przepływ spalin w przewodach jest procesem połączonym z wymianą ciepła między spalinami i otoczeniem. W cylindrycznych przewodach spalinowych liniowy współczynnik przenikania ciepła oblicza się ze wzoru:

gdzie:
U_L – liniowy współczynnik przenikania ciepła [W/(m K)],
h_i – współczynnik przejmowania ciepła po stronie spalin [W/(m² K)],
h_e – współczynnik przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej (powietrze otoczenia) [W/(m² K)],
l_m – współczynnik przewodzenia ciepła warstwy [W/m K)] w warunkach średniej temperatury,
d_m, d_m–1 – średnica zewnętrzna i wewnętrzna warstwy [m],
d_e – średnica zewnętrzna (od strony powietrza) [m],
d_i – średnica wewnętrzna (od strony spalin) [m].

Współczynnik przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej może być przyjęty jako 23 W/(m² K), współczynnik przejmowania ciepła od strony spalin można obliczyć ze wzoru Schacka [5]:

gdzie:
w_o – prędkość spalin w warunkach odniesie-nia [m/s],
d_h – średnica hydrauliczna przewodu [m].

Początkowa temperatura spalin jest przyjmowana na podstawie danych katalogowych udostępnionych przez producenta kotła. Końcową temperaturę spalin oblicza się ze wzoru [5]:

gdzie:
T₁ – temperatura początkowa spalin [K],
T₂ – temperatura końcowa spalin [K],
T_o – temperatura otoczenia [K],
L – długość przewodu spalinowego [m].

W przypadku krótkiego przewodu poziomego jako długość można przyjąć wysokość komina.

Stratę ciśnienia przy przepływie spalin przez przewód spalinowy oblicza się na podstawie ogólnych zasad obliczeń hydraulicznych (wzór Darcy–Weisbacha, Colebrooka–White’a, Hagena–Poisseuille’a – patrz poprzednie artykuły z cyklu), przy średniej logarytmicznej temperaturze spalin:

gdzie:
T_log – średnia logarytmiczna temperatura spalin [K],
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (11).

Czynnikiem wywołującym przepływ spalin w przewodach spalinowych w przypadku ciągu naturalnego jest tzw. ciąg kominowy określony wzorem:

gdzie:
p_H – ciąg kominowy [Pa],
r_sp – gęstość spalin przy średniej (arytmetycznej) temperaturze spalin [kg/m³],
r_p – gęstość powietrza w temperaturze otoczenia (minimalnej w warunkach pełnego obciążenia kotła) [kg/m³],
H – wysokość komina mierzona od wlotu do wylotu spalin [m],
g – przyspieszenie ziemskie równe 9,80665 m/s².

Warunek prawidłowego doboru średnicy przewodu spalinowego określa nierówność [4, 5]:

gdzie:
Dp_N – straty ciśnienia przy przepływie powietrza do pomieszczenia kotłowni [Pa],
Dp_K – straty ciśnienia przy przepływie spalin przez kocioł [Pa],
Dp_PP – straty ciśnienia przy przepływie spalin przez przewód przyłączeniowy (poziomy) [Pa],
Dp_H – straty ciśnienia przy przepływie spalin przez komin [Pa].

W przypadku kotłów z palnikiem nadmuchowym strata ciśnienia przy przepływie przez kocioł jest równoważona przez spręż wentylatora i nie jest uwzględniona w obliczeniach. Wylot z komina nie powinien mieć ograniczenia w postaci tzw. „czapki” i powinien być ukształtowany w sposób całkowicie eliminujący wpływ ciśnienia dynamicznego wiatru (wiatr o prędkości 3 m/s lub wyższej może istotnie zakłócić działanie naturalnego ciągu).  

Tabela 8 przedstawia obliczenie przewodu odprowadzającego spaliny z kotła o mocy 345 kW z palnikiem nadmuchowym dla gazu 2E.

Literatura

1. Bąkowski K., Sieci i instalacje gazowe, WN-T, Warszawa 2002.
2. Nantka M., Ogrzewnictwo i ciepłownictwo, Gliwice 2006.
3. Warunki techniczne wykonania i odbioru kotłowni na paliwa gazowe i olejowe, PKTSiG, Warszawa 1995.
4. Zaborowska E., Projektowanie kotłowni na paliwo ciekłe i gazowe, Gdańsk 2012.
5. Żarski K., Termodynamika. Zagadnienia praktyczne w ogrzewnictwie i klimatyzacji, Warszawa 2005.
6. Żarski K., Obiegi wodne i parowe w kotłowniach, Warszawa 2000.
7. PN-EN 13384-1+A2: 2008 Kominy. Metody obliczeń cieplnych i przepływowych. Cz. 1. Kominy z podłączonym jednym paleniskiem.
8. PN-C-04750 Paliwa gazowe. Klasyfikacja, oznaczenia i wymagania.
9. Buderus – katalog produktów.
10. Viessmann – katalog produktów.