Tepelně technické parametry plynových spotřebičů (I)

Datum: 2.9.2004  |  Autor: Ing. Josef Fík

Tepelně technické parametry plynových spotřebičů jsou souborem konstrukčních a provozních vlastností plynových spotřebičů a stanovují se výpočtem, případně měřením v provozu a slouží jako výchozí projekční podklady pro vývoj, konstrukci a provoz plynových spotřebičů.

Základní tepelně technické parametry všech typů plynových spotřebičů jsou:

  • Příkon spotřebiče
  • Výkon spotřebiče
  • Spotřeba zemního plynu
  • Spotřeba spalovacího vzduchu
  • Množství spalin, odcházejících ze spotřebiče
  • Tepelné ztráty spotřebiče
  • Účinnost spotřebiče

1. Příkon plynového spotřebiče

Příkon plynového spotřebiče je množství tepla, které je za hodinu dodáno spotřebiči spalováním zemního plynu:

Příkon spotřebiče v kJ.h-1:

Příkon spotřebiče v kW:

Vph - hodinová spotřeba zemního plynu (0°C, 101 325 Pa) [m3.h-1]
Hoi(kJ) - výhřevnost zemního plynu při 0°C, 101 325 Pa [kJ.m-3] (Spalovací vlastnosti ZP I.- tab. 9)
Hoi(kWh)- výhřevnost zemního plynu při 0°C, 101 325 Pa [kWh.m-3] (Spalovací vlastnosti ZP I.- tab. 9)

2. Výkon plynového spotřebiče

Výkon (tepelný výkon) plynového spotřebiče je množství tepla, které spotřebič za jednotku času předá teplonosné látce, vsázce nebo vytápěnému prostoru. Tepelný výkon spotřebiče je nižší než příkon spotřebiče o ztráty výkonu:
Qv = Qp - Σ Qz

Výkon plynového spotřebiče v kJ.h-1:

Výkon plynového spotřebiče v kW:

Mh - množství látky ohřáté ve spotřebiči za hodinu [kg.h-1]
cs - střední měrná tepelná kapacita ohřívané látky [kJ.kg-1.°C-1]
t2 - konečná teplota ohřívané látky [°C]
t1 - počáteční teplota ohřívané látky [°C]

Poznámka: Měrné tepelné kapacity látek a plynů jsou v literatuře uváděny v závislosti na teplotě ve °C (J.kg-1.°C-1,kJ.kg-1.°C-1,kJ.m-3.°C-1). Z toho důvodu jsou teploty v rovnicích 3,4 a dalších rovněž ve °C.

3. Spotřeba zemního plynu

Spotřeba zemního plynu je množství plynu, které je nutno přivést za jednu hodinu spotřebiči pro daný příkon Qp, resp. Pp.

Hodinová spotřeba zemního plynu z příkonu Qp (kJ.m-3):

Hodinová spotřeba zemního plynu z příkonu Pp (kW):

4. Spotřeba spalovacího vzduchu

Spotřeba spalovacího vzduchu je množství vzduchu, které je nutno přivést za jednu hodinu spotřebiči pro úplné spálení množství zemního plynu Vph,odpovídajícího příkonu Qp,resp. Pp.

Hodinová spotřeba spalovacího vzduchu z příkonu Qp (kJ.m-3):

Hodinová spotřeba spalovacího vzduchu z příkonu Pp (kW):

Vv = n .VvT - skutečný objem spalovacího vzduchu (0°C, 101 325 Pa) [m3.m-3]
n - násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu [-]
VvT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu [m3.m-3] (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 13)

5. Množství spalin odcházejících ze spotřebiče

Množství spalin odcházejících ze spotřebiče je objem spalin, který vznikne ve spotřebiči spalováním zemního plynu, při daném příkonu spotřebiče Qp, resp. Pp za jednu hodinu.

Množství spalin odcházejících ze spotřebiče z příkonu Qp (kJ.m-3):

Množství spalin odcházejících ze spotřebiče z příkonu Pp (kW):

Vvs = VvsT + (n-1).VVT - skutečný objem vlhkých spalin [m3.m-3] (0°C, 101 325 Pa)
VvsT - stechiometrický objem vlhkých spalin [m3.m-3] (0°C, 101 325 Pa) (Spalovací vlastnosti ZP I. - tab. 15)

Příklad 1

Stanovit příkon a výkon plynového kotle s těmito parametry:

Hodinová spotřeba zemního plynu Vph = 3,1 m3.h-1 (0°C, 101 325 Pa)
Výhřevnost tranzitního zemního plynu: Hoi (kJ) = 35 870 kJ.m-3, Hoi (kWh) = 9,964 kWh.m-3
Hodinové množství topné vody: Mh = 1203,8 kg.h-1
Teplota výstupní vody: t2 = 90 °C
Teplota vratné vody: t1 = 70 °C
Střední měrná tepelná kapacita vody: cs = 4,1868 kJ.kg-1

Řešení: Použijí se rovnice 1, 2, 3 a 4.

Příkon kotle z rovnice 1:
Qp = Vph . Hoi (kJ) = 3,1 . 35 870 = 111 197 kJ.h-1

Příkon kotle z rovnice 2:
Pp = Vph . Hoi (kWh) = 3,1 . 9,964 = 30,89 kW

Výkon kotle z rovnice 3:
Qv = Mh . cs . (t2 - t1) = 1203,8 . 4,1868 . (90 - 70) = 100 801,4 kJ.h-1

Výkon kotle z rovnice 4:

Příklad 2

Stanovit hodinovou spotřebu zemního plynu, spotřebu spalovacího vzduchu a množství spalin za jednu hodinu pro plynový kotel s příkonem Pp = 30,89 kW (viz příklad 1), při násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n = 1,25

(Veličiny VvT, VsT,Hoi a rovnice 15* a 16* viz Spalovací vlastnosti ZP I.)

VvT = 9,555 m3.m-3 - z tab. 13 - Spalovací vlastnosti ZP I.

VvsT = 10,4689 m3.m-3 - z tab. 15 - Spalovací vlastnosti ZP I.

Hoi (kWh) = 9,964 kWh.m-3 (0°C, 101 325 Pa) - z tab. 9 - Spalovací vlastnosti ZP I.

Skutečný objem spalovacího vzduchu při n = 1,25 (z rovnice 15*):
Vv = n . VvT = 1,25 . 9,555 = 11,94 m3.m-3

Skutečný objem spalin při n = 1,25 (z rovnice 16*):
Vvs = VvsT + (n - 1) . VvT = 10,4689 + (1,25 - 1) . 9,555 = 12,86 m3.m-3

Spotřeba zemního plynu z rovnice 6 :

Spotřeba spalovacího vzduchu z rovnice 8:

Množství spalin z rovnice 10:

6. Ztráty výkonu (ztráty tepla) plynových spotřebičů

Ztráty výkonu plynových spotřebičů představují část tepla dodaného za hodinu spotřebiči spalováním zemního plynu, která není ve spotřebiči efektivně využita.

V praxi i v odborné literatuře je dosud všeobecně vžitým termínem pro ztráty výkonu plynových spotřebičů výraz "tepelné ztráty".
Fyzikální význam této veličiny je však ztráta výkonu, neboť se jedná o množství tepla za jednotku času (obvykle za hodinu).


Obr. 1

Hlavními položkami ztrát výkonu všech typů plynových spotřebičů jsou (obr. 1):

  • Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče (komínová ztráta) Qk, Pk       [kJ.h-1], [kW]
  • Ztráta výkonu stěnami spotřebiče Qst, Pst      [kJ.h-1], [kW]
  • Ztráta výkonu akumulací ve spotřebiči Qa, Pa      [kJ.h-1], [kW]
  • Ztráta výkonu sáláním z pracovních otvorů spotřebiče Qo, Po       [kJ.h-1], [kW]

Další, méně podstatné ztráty, jsou např. ztráty neúplným spalováním zemního plynu nebo ztráty, které vznikají při provozu plynových pecí (ztráty chladicí vodou, ztráty tepla okujemi) aj.

Celková ztráta výkonu plynového spotřebiče v kJ.h-1:
Σ Qz = Qk + Qst + Qa + Qo [kJ.h-1]       11

Celková ztráta výkonu plynového spotřebiče v kW:
Σ Pz = Pk + Pst + Pa + Po [kW]       12

6.1 Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebičů

Ztráta výkonu spalinami (v odborné literatuře také nazývaná "komínová ztráta") je nejvýznamnější tepelnou ztrátou všech typů plynových spotřebičů a je to množství tepla obsažené ve spalinách odcházejících za hodinu ze spotřebiče do komína:

Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče za hodinu v kJ.h-1:
Qk = Vsh . cssp . (tsp - tv) [kJ.h-1]       13

Ztráta výkonu spalinami odcházejícími ze spotřebiče za hodinu v kW:

Vsh - hodinové množství spalin (rovnice 9, 10)      [m3.h-1]
tsp - teplota spalin odcházejících ze spotřebiče      [°C]
tv - teplota vzduchu v okolí spotřebiče      [°C]
cssp - střední měrná tepelná kapacita spalin      [kJ.m-3.°C-1]

V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty středních měrných tepelných kapacit spalin tranzitního zemního plynu cssp [kJ.m-3.°C-1] pro oblast teplot spalin odcházejících z plynových kotlů a pro praktické hodnoty násobků stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n.

Teplota spalin
tsp°C
n
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 2,0
50 1,371 1,365 1,361 1,357 1,354 1,342
100 1,377 1,371 1,367 1,362 1,359 1,347
200 1,388 1,382 1,377 1,372 1,368 1,355
300 1,404 1,397 1,392 1,387 1,383 1,369
Tab. 1

V diagramu na obr. 2 je znázorněna závislost ztráty výkonu spalinami plynových kotlů qk (v % příkonu Qp, Pp) v závislosti na rozdílu teplot spalin tsp a vzduchu tv a na obsahu CO2 ve spalinách.


Obr. 2

V diagramu na obr. 3 je znázorněna závislost ztráty výkonu spalinami qk (v % příkonu Qp, Pp) na teplotě spalin tsp odcházejících z plynových pecí a na násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n.


Obr. 3

Příklad 3

Stanovit ztrátu výkonu a celkovou denní ztrátu tepla spalinami odcházejícími z plynového kotle (viz příklady 1 a 2):

Výkon kotle: Pv = 28 kW
Příkon kotle: Pp = 30,89 kW
Množství spalin odcházejících z kotle za hodinu (příklad 2): Vsh = 39,87 m3.h-1
Součet provozních přestávek za 1 den: 6 hodin
Doba topení za den: τo = 18 hodin
Střední měrná tepelná kapacita spalin cssp = 1,376 kJ.m-3.°C-1
Teplota spalin na výstupu z kotle: tsp = 165°C
Teplota vzduchu v kotelně: tv = 16°C

Ztráta výkonu odcházejícími spalinami z rovnice 13:
Qk = Vsh . cssp . (tsp - tv) = 39,87 . 1,376 . (165 - 16) = 8 174,3 kJ.h-1

Ztráta výkonu odcházejícími spalinami z rovnice 14:

Denní ztráta tepla odcházejícími spalinami:
Qk den = Qk . τo = 8 174,3 . 18 = 147 137,5 kJ/den = 37 kWh/den

Příklad 4

Stanovit ztrátu výkonu spalinami odcházejícími z průběžné plynové ohřívací pece s teplotu tsp = 1 100°C, v procentech příkonu Qp, Pp, při spalování tranzitního zemního plynu s násobkem stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n = 1,1.

Řešení:
Použije diagramu na obr. 3. Pro zadané parametry tsp = 1 100°C a n = 1,1 se odečte velikost ztráty tepla odcházejícími spalinami qk ve výši cca 60 % příkonu pece Qp, Pp.

6.2 Ztráta výkonu stěnami spotřebiče

Ztráta výkonu stěnami spotřebiče je ztráta způsobená prostupem tepla stěnami spotřebiče a je závislá na teplotách ve spotřebiči a jeho okolí a na druhu a tlouštce materiálů stěn.

Ztráta výkonu stěnami spotřebiče pracujícího v ustáleném teplotním režimu v kJ.h-1:
Qst = k .(tsp - tv) . S      [kJ.h-1]     15

Ztráta výkonu stěnami spotřebiče v kW:

k - součinitel prostupu tepla stěnou spotřebiče      [kJ.m-2.h-1.°C-1]
S - plocha vnějšího povrchu stěn spotřebiče      [ m2]
ts - teplota v pracovním prostoru spotřebiče      [°C]
tv - teplota vzduchu v okolí spotřebiče      [°C]

6.3 Ztráta výkonu akumulací tepla ve spotřebičích

Ztráta výkonu akumulací tepla ve spotřebiči je ztráta, která vzniká vychladnutím hmoty spotřebiče při provozních přestávkách nebo po ukončení provozu spotřebiče a je typická zejména pro periodicky pracující spotřebiče s velkou hmotností vyzdívek a s vysokými pracovními teplotami.

Ztráta výkonu akumulací ve spotřebiči v kJ.h-1:

Ztráta výkonu akumulací ve spotřebiči v kW:

Mi - hmotnost příslušné části spotřebiče     [kg]
csi - měrná tepelná kapacita materiálu příslušné části spotřebiče      [kJ.kg-1.°C-1]
t1i - teplota příslušné části spotřebiče při ukončení provozu spotřebiče      [°C]
t2i - konečná teplota příslušné části spotřebiče po vychladnutí      [°C]
τo - celková doba topení ve spotřebiči      [h]

U spotřebičů s dlouhodobě stálým teplotním režimem (kotle, průběžné pece aj.) nemá tato ztráta vzhledem k ostatním ztrátám v celkové tepelné bilanci spotřebiče podstatný význam, neboť k vychladnutí hmoty spotřebiče dochází po dlouhé době tepelně ustáleného režimu.

Příklad 5

Stanovit ztrátu tepla při vychladnutí vody v zásobníkovém ohřívači vody a potřebné množství zemního plynu pro její ohřátí na původní teplotu.

Množství vody v ohřívači: Mv = 250 litrů (kg)
Počáteční teplota vody: t1 = 55°C
Teplota vody po vychladnutí: t2 = 20°C
Střední měrná tepelná kapacita vody: cs = 4,1868 kJ.kg-1
Účinnost ohřívače vody: η = 88%

Výhřevnost zemního plynu:
Hoi (kJ) = 35 870 kJ.m-3 (0°C, 101 325 Pa)

Ztráta tepla vychladnutím vody z upravené rovnice 17:
Qa = [Mv . csv . (t1 - t2)] = 250 . 4,1868 . (55-20) = 36 635 kJ
Qa = 10,1 kWh

Poznámka:
Ztráta tepla vychlazením hmoty ohřívače a jeho izolace není pro zjednodušení výpočtu uvažována.

Množství zemního plynu potřebné pro ohřátí vody v ohřívači na původní teplotu 55°C:

 

Hodnotit:  

Datum: 2.9.2004
Autor: Ing. Josef Fík



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Projekty 2017

Partneři - Vytápíme plynem

logo ENBRA
logo THERMONA
logo BAXI
logo JUNKERS
logo PROTHERM

Partneři - Vytápění

logo FV PLAST
logo ENBRA
logo DANFOSS
logo THERMONA
logo GEMINOX
logo FENIX
 
 

Aktuální články na ESTAV.czKarlovy Vary začnou s přístavbou a rekonstrukcí domu pro senioryV noci ze soboty na neděli bude uzavřená část dálnice D1Čína staví letiště pro ptáky na bývalé skládce odpaduSmíchovská zákoutí na výstavě v Galerii Portheimka