Základní pojmy a definice k tématu teplovodní kotle na pevná paliva
Pro porozumění problematice je vždy nutné vyjasnění základních pojmů a definic, v tomto případě spojených s konstrukcí kotlů na pevná paliva a jejich provozem. Pokud to bylo možné, autor využil definice citované v některé z norem platných pro tento typ zdrojů.
Základním faktorem, který určuje kvalitu teplovodního kotle, je vedle optimální konstrukce ohniště také úroveň řízení spalovacího procesu tak, aby bylo z energetického potenciálu paliva přivedeného do ohniště uvolněno co nejvíce tepla.
Druhým je schopnost v maximální míře předat uvolněné teplo otopné vodě. Třetím faktorem je dosažitelnost této vysoké úrovně v běžném provozu, tedy nikoliv pouze v laboratorních podmínkách certifikačního orgánu.
S tím vším se v základních rysech seznámíme. Než ale začneme, je důležité objasnit si některé základní pojmy a definice spojené s konstrukcí kotlů a jejich provozem. Pokud to bylo možné, uvádím normalizované definice, tedy definice citované v některé z norem platných pro tento typ zdrojů, tedy ČSN 07 0240 [1], evropské normy ČSN EN 303-5 [2] i její novelizace [3]. Kurzívou uvedený text je přesná citace normy.
Obecné pojmy
- Pevná paliva nebo tuhá paliva? Označení tuhá paliva používá především velká energetika a všechny normy týkající kvality paliv. Naproti tomu normy, zabývající se malými zdroji tepla (lokální spotřebiče paliv, kotle pro ústřední vytápění) hovoří o pevných palivech.
- Tepelný příkon je množství tepla přivedeného do spalovací komory kotle palivem za jednotku času [3]. Je to tedy teplo vyjádřené výhřevností paliva. U malých teplovodních kotlů se tepelný příkon a tepelný výkon udávají v kilowattech. [kW]
- Tepelný výkon je množství tepla předaného teplonosné látce (vodě) za jednotku času [2]. [kW]
- Jmenovitý tepelný výkon je nejvyšší trvalý tepelný výkon stanovený výrobcem pro určitý druh paliva [3]. [kW]
- Maximální tepelný výkon je nejvyšší nastavitelný tepelný výkon při podmínkách stanovených výrobcem [1]. Někteří výrobci udávají vedle jmenovitého výkonu také tento výkon, který lze krátkodobě nastavit na kotli a při kterém již nemusí být dosaženo výrobcem garantovaných parametrů pro dlouhodobý provoz (účinnost). [kW]
- Nejmenší tepelný výkon je nejmenší trvalý tepelný výkon stanovený výrobcem pro dané palivo [2]. Rozdíl mezi jmenovitým a nejmenším tepelným výkonem udává rozsah tepelných výkonů. [kW]
- Provozní teplota je teplotní rozsah, při kterém může být kotel provozován při běžných provozních podmínkách podle nastavení regulátoru teploty a podle specifikací výrobce [3]. Je míněna teplota otopné vody na výstupu z kotlového tělesa. [°C]
- Provozní tah je rozdíl mezi statickým tlakem spalovacího vzduchu v místě jeho vstupu a statickým tlakem spalin [1]. Výrobci většinou udávají požadovaný tah komína, který by měl být minimálně rovný provoznímu tahu. Jedině tak lze zajistit dostatečný odvod spalin z ohniště přes odtahové hrdlo a kouřovod ven z kotle. Pokud je tah nižší, ohniště se zahlcuje spalinami a znemožňuje plynulé hoření nového paliva, kotel se dusí a dehtuje. Normativní jednotkou pro tah jsou milibary [mba].
- Nejvyšší přípustný provozní přetlak je nejvyšší přetlak otopné vody, při kterém může být kotle provozován [2]. Dle normy se tato veličina vyjadřuje v barech [ba].
- Provozní stav je stav kotle, při kterém probíhá spalovací proces v souladu s předepsanými podmínkami [1]. Příkladem provozního stavu je například provoz kotle na jmenovitý výkon.
- Ustálený provozní stav je provozní stav, daný rovnováhou mezi uvolňovaným a sdíleným tepelným tokem, při kterém se teplota teplonosné látky v °C nemění během 30 minut více než o 3 % [1].
- Pohotovostní provoz je provozní stav bez jakékoliv potřeby tepla, při němž se systém okamžitě spustí v požadovaném provozním stavu, jakmile nastane potřeba tepla [3]. Poněkud krkolomná definice jinak také nazývaného útlumového režimu. Tedy stavu kotle, kdy je uzavřen přívod spalovacího vzduchu, popřípadě i přívod paliva (u hořáků).
- Základní vrstva paliva je nejnižší vrstva hořícího paliva, umožňující spolehlivé a bezpečné zapálení dalšího přivedeného paliva [1].
- Doba hoření u kotlů s ruční dodávkou paliva je doba potřebná k vyhoření maximální náplně paliva až do dosažení základní vrstvy paliva specifikované výrobcem [3]. Je to tedy nejdelší možná doba hoření náplně paliva, po které se nově přiloženém palivo bezpečně zapálí od zbylé základní vrstvy.
Základní konstrukční části a prostory kotle
Pojďme si popsat nejdůležitější konstrukční části kotle, které rozhodující měrou ovlivňují kvalitu spalování.
- Kotlové těleso je součást kotle, v níž se ohřívá teplonosná látka [1]. Je to tedy základní část (ocelový nebo litinový skelet kotle), ve které proudí otopná voda. Dimenzování a konstrukce kotlového tělesa do značné míry předurčuje jeho celkové užitné vlastnosti.
- Násypka paliva je část kotle, z níž se dodává palivo pro spalování; prostor s nezbytnou zásobou paliva zajišťující předepsanou dobu hoření [2]. Pro tento prostor se používá také označení palivová šachta, přikládací prostor. Je to konstrukční prostor u kotlů s ruční dodávkou paliva, do kterého se po otevření přikládacích dvířek ručně přiloží palivo určené pro provoz kotle na dobu v řadu několika hodin. Objem násypky je proto důležitý pro komfort obsluhy.
- Zabudovaný zásobník paliva je zásobník přímo spojený s kotlem na samočinnou dodávku paliva [3]. Je to tedy prostor pro palivo umístěný mimo samotné kotlové těleso, ve kterém je množství paliva i na několikadenní provoz a ze kterého je palivo samočinně (pomoci podávacího zařízení bez zásahu obsluhy) dávkováno na rošt.
- Rošt je část kotle určená ke spalování paliva ve vrstvě [1]. Je to konstrukční část, na které leží základní vrstva paliva. Dochází zde k primárnímu hoření pevné „odplyněné“ části paliva pod rošt se tedy musí přivádět primární spalovací vzduch.
- Spalovací prostor je část vnitřního prostoru kotle, v níž probíhá spalování paliva [1]. Je to celý prostor kotle nad roštem, ve kterém dochází k primárnímu hoření pevné hořlaviny i sekundárnímu vyhořívání prchavé hořlaviny. Proto se do části tohoto prostoru přivádí sekundární spalovací vzduch, který se směšuje s uvolněnou prchavou hořlavinou a podporuje tak její lepší vyhoření. Spalovací komora je konstrukční část kotle, která pevně vymezuje spalovací prostor stěnami kotlového tělesa. U kotlů s ručním přikládáním paliva se spalovací prostor často prolíná s násypkou paliva, protože ta je umístěna nad roštem a palivo postupně nahořívá do její hloubky.
- Ohniště je část kotle skládající se z roštu a spalovacího prostoru [1].
- Popelník (popelníkový prostor) je část určená k zachycování pevných zbytků spalování (popel/škvára) [2]. Uvnitř popelníku bývá popelníková zásuvka – vyjímatelná nádoba určená k odstraňování pevných zbytků spalování z popelníku [1].
- Spalinové cesty jsou prostory uvnitř kotle, kterými proudí spaliny [1]. Navazují tedy na spalovací prostor. Teplota zde by měla být již tak nízká, že je ukončeno spalování a v tomto prostoru dochází pouze k přenosu tepla z horkých spalin přes teplosměnnou plochu do otopné vody. Konstrukční část kotlového tělesa, která vymezuje spalinové cesty, se nazývá výměník tepla.
- Odtahové hrdlo je část kotle, určená k připojení kouřovodu [1]. Poté, co byly spaliny ochlazeny ve výměníku, „odcházejí“ z kotle přes odtahové hrdlo do komína. Spojení mezi tímto hrdlem a komínovým sopouchem (vstup do komína) obstarává kouřovod, ten již není součástí kotle.
- Odtahová klapka (hradítko) je zařízení, kterým lze měnit průtočný průřez odtahového hrdla za účelem regulace tahových podmínek v kotli [1]. Je to klapka, kterou lze jejím otočením zmenšit průřez odtahového hrdla, tedy jej „přiškrtit“ v případě velkého komínového tahu. Každý kotel je konstruován pro určitou maximální hranici komínového tahu. Pokud je tato hranice překročena, může docházet k zásadnímu ovlivnění kvality spalovacího procesu přisáváním nadměrně velkého množství spalovacího vzduchu a rovněž i kvality přenosu tepla, protože spaliny jsou extrémně rychle „vysáty“ z kotle do komína. Jedním z nejjednodušších řešení u kotlů s ruční dodávkou paliva je regulace tahu odtahovou klapkou.
- Zatápěcí klapka je zařízení, kterým lze zkrátit spalinové cesty, například při uvádění do provozu [1]. Provoz zejména odhořívacích kotlů s ruční dodávkou paliva (viz dále) je do značné míry závislý na tahu komína a vytvoření dostatečně velké základní vrstvy nahořelého paliva na roštu. Studený komín má při zátopu minimální tah a proto je nutné co nejvíce snížit veškeré překážky kladené volnému proudění spalovacího vzduchu do kotle a následně spalin z něj. Pokud jsou spalinové cesty dlouhé a komplikované, což je pro dokonalé vyhoření hořlaviny zpravidla nutné, je v této fázi nejlepším řešením zkrátit cestu spalin ze spalovací komory přímo do odtahového hrdla. K tomu slouží právě zatápěcí klapka, která usměrní spaliny nejčastěji zcela mimo výměník.
- Regulátor teploty je zařízení, které zajišťuje a reguluje teplotu vody v kotli [3]. U kotlů bez ventilátoru se jedná o mechanické zařízení, které reguluje přívod spalovacího vzduchu do ohniště na základě snímání teploty otopné vody na výstupu z kotle. Čím měně vzduchu se přivádí, tím nižší je intenzita hoření a tedy tím méně tepla se při spalování uvolňuje a předává otopné vodě. U mechanické regulace je v jímce v horní části kotle umístěn tzv. regulátor tahu (výkonu, spalování), který snímá teplotu otopné vody a podle nastavení mechanicky (pomocí páček, řetízku a klapek – dusivek) „přiškrcuje“ otvory pro přisávání spalovacího vzduchu. U elektronické regulace spalování je spalovací vzduch dopravován do ohniště pomocí ventilátoru, takže lze jeho množství regulovat přiškrcováním sání ventilátoru, měněním jeho otáček, popřípadě jeho úplným odstavením. Tuto regulaci zajišťuje provozní (regulační) termostat, který podle snímané teploty vody reguluje chod ventilátoru. Běžná je i kombinace mechanické a elektronické regulace, kdy regulátor tahu mechanicky škrtí sání ventilátoru a provozní termostat ventilátor vypíná v případě dosažení požadované teploty vody v kotli. Běžná provozní teplota kotlů se pohybuje v rozmezí 60–90 °C a to je zpravidla i rozsah teplot, které lze nastavit na provozním termostatu. Po dosažení nastavené teploty se přívod vzduchu (i paliva u kotlů se samočinnou dodávkou paliva) přeruší. Obnoví se automaticky v okamžiku, kdy teplota vody poklesne o určitou hodnotu, které se říká hystereze.
- Omezovač teploty (s ručním obnovením provozu) je přístroj se samočinným řízením, který při dosažení nejvyšší mezní teploty vody vyvolá přerušení toku paliva nebo přívod spalovacího vzduchu; přívod může být obnoven po ručním zásahu obsluhy pouze tehdy, když teplota vody klesne pod mezní hodnotu [2]. Je to součást kotlů s elektronickou regulací, jejíž běžnější označení je havarijní termostat. Provozního termostat dohlíží na to, aby teplota vody v kotli nepřekročila maximální provozní hodnotu (zpravidla 90 °C). Pokud teplota přesto vzrůstá, „nastupuje“ havarijní termostat, který se aktivuje v okamžiku, kdy je překročena havarijní teplota vody, která zpravidla bývá 95 °C. K tomuto havarijnímu stavu by v běžném provozu nemělo dojít. Jedná se zpravidla o vážnou závadu, proto lze tento termostat odblokovat pouze mechanicky obsluhou kotle, která musí přijít ke kotli a odstranit závadu (například pootevřená dvířka, která umožňují přisávání spalovacího vzduchu i po vypnutí ventilátoru).
- Pojistný výměník tepla je zařízení pro odvedení přebytečného tepla z kotle, které omezí teplotu kotle na požadovanou nejvyšší hodnotu [2]. Jinak také tzv. dochlazovací smyčka má zabránit tomu, aby nemohlo dojít k přetopení kotle nad kritickou hranici 110 °C. Zpravidla jde o malý výměník tepla (nejčastěji trubkový) umístěný v horní části kotlového tělesa, přes termostatický ventil napojený na zdroj chladicí vody. Protože musí fungovat bez jakýchkoliv doplňkových zařízení a vnější energie, připadá jako zdroj chladicí vody prakticky jen vodovodní řad. Malé domácí vodárny jako zdroj chladicí vody jsou ohroženy možným přerušením činnosti při výpadku elektřiny. Termostatický ventil spustí ochlazování v okamžiku, kdy je překročena kritická teplota (> 95 °C). Smyčkou musí být vybaveny všechny kotle s ruční dodávkou paliva s uzavřenou otopnou soustavou.
- Hořák je zařízení, zajišťující trvalé spalování pevného paliva a umožňující řízení spalovacího děje [1]. Jak tato definice naznačuje, kotle s hořákem představují nejvyšší stupeň spalování pevných paliv, protože hořák umožňuje kontrolu spalovacího procesu řízeným přísunem paliva i spalovacího vzduchu.
- Žáruvzdorná vyzdívka (tvarovky, trysky). Jedná se o části vyrobené z keramických materiálů s vysokou akumulační schopností. Jako vyzdívky spalovací komory se zpravidla používá levnější šamot, který udržuje v ohništi vysokou teplotu nutnou pro kvalitní průběh spalování. Pokud se plamen „dotkne“ vodou chlazených stěn kotlového tělesa, ihned se ochladí a spalovací proces se přeruší, proto se vyzdívka používá k „odclonění“ studených stěn kotlového tělesa od spalovacího prostoru. U moderních konstrukcí se používá žárobetonových dílů různých tvarů k usměrnění plamene nebo přímo ke konstrukci roštů či spalovacích a dohořívacích komor. V tomto případě je nutné použít speciálních hutných žárobetonů s vysokou pevností a vysokou pracovní teplotou (> 1300 °C).
- Vnější izolace kotle. Každý kotel musí mít tepelnou izolaci, která musí být odolná běžným mechanickým a tepelným namáháním. Musí být zhotovena z nehořlavého materiálu a při běžných podmínkách nesmějí uvolňovat zdraví škodlivé látky [2].
- Kotel s ruční dodávkou paliva – palivo je dodáváno ručně v intervalech závisejících na rychlosti hoření nebo tepelném výkonu [3].
- Kotel se samočinnou dodávkou paliva – palivo je dodáváno samočinně v závislosti na tepelném výkonu [3].
- Prohořívací kotel – kotel, v němž probíhá postupné spalování, a spaliny procházejí přes vrstvu paliva [1].
- Odhořívací kotel – kotel, v němž probíhá postupné spalování paliva ve vrstvě plynule doplňované, přičemž spaliny neprocházejí přes vrstvu paliva [1].
- Zplyňovací kotel – druh odhořívacího kotle s ručním přikládáním, ve kterém je vyšší úrovně spalování docíleno řízeným přísunem spalovacího vzduchu ventilátorem.
- Automatický kotel – kotel se samočinnou dodávkou paliva a ventilátorem řízeným přísunem spalovacího vzduchu.
Zdroje
- [1] ČSN 07 0240 Teplovodní a nízkotlaké parní kotle – Základní ustanovení, FÚNM, Praha, 2003.
- [2] ČSN EN 303-5:2000 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení, ČNI, Praha, 2000.
- [3] ČSN EN 303-5:2012 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení, ČNI, Praha, 2012.
Basic concepts and definitions on hot water boilers for solid fuels
For understanding the issue it is always necessary to clarify the basic concepts and definitions, in this case associated with the construction of solid fuel boilers and their operation. Where possible, the author used the definition quoted in some of the standards for this type of resource.
