Nízkoteplotní koroze kotle

Na zajištění minimální teploty ve vratném potrubí, vzhledem k nízkoteplotní korozi kotle, je třeba dbát rovněž u moderních konstrukcí klasických kotlů. Setkáváme se tak s různými technickými opatřeními, která umožňují nízkou teplotu ve vratném potrubí ze spotřebitelských okruhů zvýšit, a tak dosáhnout směšováním či jiným opatřením, aby se na teplosměnné plochy kotle nedostala voda o teplotě, která zapříčiní nižší povrchovou teplotu teplosměnných ploch na straně spalin, než je teplota rosného bodu spalin.

Ve vytápění běžná zapojení pro zvýšení teploty ve vratném potrubí jsou prezentována na obr.1 a v tab.1. U zapojení podle obr.1 b) a c) je pro zvýšení teploty ve vratném potrubí použito čerpadlo v obtoku kotle. Pokud je minimální teplota ve vratném potrubí podkročena, pak regulátor spíná čerpadlo v obtoku kotle. Aby se zvedla teplota zpátečky na požadovanou hodnotu (např. při najíždění soustavy) a je-li nedostatečné dopravní množství čerpadla v obtoku kotle, pak musíme minimalizovat průtok spotřebitelskými okruhy. Plné ochrany kotle proti nízkoteplotní korozi se dosáhne zapojením podle obr.1d), neboť zde se reguluje teplota ve vratném potrubí do kotle trojcestným směšovacím ventilem. Obr.1e) ukazuje zapojení, které poskytuje dostatečnou ochranu kotle jen tehdy, pokud je použita speciální konstrukce kotle. Otopná voda musí kotlem proudit takovým způsobem, aby se část teplé výstupní vody přiměšovala v kotli k vstupní zpětné vodě ze soustavy, a tak na teplosměnné plochy proudila již smíšená teplejší voda než je teplota vody zpětné, jdoucí ze soustavy. Protože je však množství přiměšované vody v kotli omezeno, musí se při nízké teplotě zpátečky zmenšit množství protékající vody škrcením.

Obr.1 Hydraulická zapojení umožňující zvyšování teploty zpátečky vstupující do kotle

K	kotel	ZK	zpětná klapka
SP	spotřebiče	ČO	čerpadlo obtoku
ČPO	čerpadlo primárního okruhu	RV	regulační ventil
3-VS	trojcestný směšovací ventil	T	čidlo teploty

Zvýšení teploty ve vratném potrubí dosáhneme rovněž díky beztlakému či termohydraulickému rozdělovači tehdy, když regulátor dá povel k uzavření spotřebitelských okruhů. To vede ke stavu, kdy primární přívodní voda protéká zkratem beztlakého rozdělovače či termohydraulickým rozdělovačem zpět ke kotli (kotlům) jen s malým ochlazením. Totéž platí i pro stavy, kdy dochází k přenastavení trojcestných regulačních ventilů u spotřebitelské sítě, či uzavírání termostatických radiátorových ventilů, kdy se prostřednictvím beztlakého či termohydraulického rozdělovače zvyšuje teplota vody ve vratném potrubí proudící do kotle.

Tab.1 Hydraulická zapojení pro zvýšení teploty zpátečky

č.	Označení	obrázek	Funkce	Příznaky
1	Čerpadlo v obtoku kotle	1a)	Zapínání čerpadla v obtoku při podkročení minimální zadané teploty vody ve vratném potrubí.	Jednoduché zapojení a řízení; pro plnou ochranu kotle jsou potřebné velké průtoky čerpadla v obtoku kotle.
2	Čerpadlo v obtoku kotle s regulátorem spotřebitelských okruhů	1b)	Zapínání čerpadla v obtoku při podkročení minimální zadané teploty vody ve vratném potrubí a uzavření spotřebitelských okruhů.	Použito čerpadlo v obtoku kotle s menším dopravním množstvím; jednoduché zapojení; nutný řízený zásah u spotřebitelských okruhů.
3	Čerpadlo v obtoku kotle napojené na regulátor spotřebitelských okruhů	1c)	Zapínání čerpadla v obtoku při podkročení minimální zadané teploty vody ve vratném potrubí a uzavření okruhu rozdělovačů.	Jako č.2; když není možné přímé ovlivňování u spotřebitelských okruhů, je nutno doplnit trojcestný směšovací ventil.
4	Zapojení se směšovačem	1d)	Spojitá regulace teploty vody ve vratném potrubí přes trojcestný směšovací ventil v kotlovém okruhu.	Plná ochrana kotle bez použití čerpadla v obtoku kotle; nutný trojcestný směšovací ventil.
5	Speciální konstrukce kotle a průtočný škrtící ventil	1e)	Škrcení průtoku vody ve vratném potrubí při podkročení minimální zadané teploty.	Velice jednoduché zapojení; nutná speciální konstrukce kotle; nezvyšuje se teplota ve vratném potrubí.

Čerpadlo v obtoku kotle
Čerpadlo v obtoku kotle musí zajistit přiměšováním přívodní vody k vratné vodě ze soustavy dostatečně vysokou teplotu vody, vracející se do kotle. Podkročení teploty rosného bodu způsobí vznik kyselého kondenzátu ze spalin, což je příčinou nízkoteplotní koroze. V závislosti na mnoha veličinách (především palivu a konstrukci kotle) vyžadují mnohé kotle pro jmenovitý výkon minimální hodnotu teploty zpátečky. Pro bezsirná paliva se tyto hodnoty pohybují mezi 40 až 70^oC. Podle Schlapmanna jsou minimální hodnoty teploty zpátečky proudící do kotle následující:

Ocelový kotel s plynovým tlakovým hořákem		60 až 65 oC
Litinový kotel s plynovým tlakovým hořákem		50 až 55 oC
Ocelový kotel s olejovým rozprašovacím hořákem		50 až 55 oC
Litinový kotel s atmosférickým hořákem		40 až 45 oC
Litinový kotel s olejovým rozprašovacím hořákem		35 až 45 oC

Měli bychom však vždy zjistit přesné hodnoty udávané pro příslušný typ kotle jeho výrobcem.

Čerpadla v obtoku kotlů jsou použitelná i v případech, kdy výrobce kotle předepisuje minimální průtok vody kotlem, zejména tehdy, jestliže hořák běží, ale otopná soustava odebírá jen velmi malou část tepelného výkonu. U mnoha kotlů je požadován minimální průtok vody, aby bylo dosaženo dostatečného odvodu tepla (ochlazení) z teplosměnné plochy kotle a zabráněno výrazné tvorbě vodního kamene a nepřípustnému tepelnému pnutí materiálu kotle.

Tab.2 Minimální průtok vody kotlem vztažený na jednotku výkonu m_Q [kg/h.kW]

ΔtK,max mQ K kg/h.kW 5 171,4 10 85,7 15 57,1 20 42,9 25 34,3 30 28,6 35 24,5 40 21,4 45 19,0 50 17,1 50 15,6

Projektovaný průtok čerpadla v obtoku kotle se řídí tím, zda kotel vyžaduje zajištění minimálního průtoku vody, či minimální teploty zpátečky, nebo obojí.

V projekčních podkladech výrobců kotlů je buď minimální průtok udáván přímo, nebo ho lze určit z maximálního teplotního rozdílu (či přípustné oblasti rozdílů). V druhém případě lze použít hodnoty z tab.2.

V případě, kdy je u kotle vyžadováno zajištění minimální teploty zpátečky, jsou hydraulické poměry komplikovanější a potřebujeme znát teplotu ve vratném potrubí a průtok otopnou soustavou. Poté lze určit dopravní množství čerpadla v obtoku kotle (obr.2, směšovací bod B). Teplota vratné vody a průtok však závisí na druhu a způsobu provozování soustavy (resp. spotřebitelských okruhů), na projektovaných teplotách kotle a otopné soustavy a na okamžité potřebě tepla. Jak ukázaly výpočty, pohybuje se maximální hodnota přimíchávaného množství do trojcestného směšovacího ventilu, při určitém tepelném výkonu, mezi 40 až 100 % jmenovitého průtoku soustavou (obr.3). Z diagramu na obr.3 je patrné, že pro bezpečné dodržení požadované teploty ve vratném potrubí je potřebný průtok čerpadlem v obtoku kotle nutno určit při 60 % jmenovitého výkonu kotle. Za povšimnutí stojí, že tyto hodnoty platí jen za určitých předpokladů. Krom průběhů teplot v přívodním a vratném potrubí v závislosti na potřebě tepla (horní část obr.3) je zde i předpoklad konstantního průtoku soustavou (spotřebitelskými okruhy). Stejný předpoklad platí i pro obr.4, který ukazuje maxima průtoku čerpadlem v obtoku kotle pro různé minimální teploty zpátečky. Např. vidíme, že při požadovaném nepodkročení teploty ve vratném potrubí 50 ^oC a maximálním průtoku čerpadlem ve vratném potrubí, vychází tepelný výkon pod 50 % jmenovitého. A tak by se muselo stále hledat příslušné maximum, což by neúčelně prodlužovalo a komplikovalo výpočet.

Obr.2 Schéma zapojení čerpadla v obtoku kotle
ČO - čerpadlo obtoku OČ - oběhové čerpadlo A - směšování v armatuře	B - směšovací bod C - rozdělovací bod

Obr.3 Teoretické provozní charakteristiky teplovodního vytápění 70/55 oC s regulací směšováním a čerpadlem v obtoku (označení shodné se vztahem 1) Nahoře - křivky průběhů teplot. Dole - průtokové charakteristiky pro zpětnou vodu přimíchávanou směšovací armaturou (obr.2 bod A) a vodu dodávanou čerpadlem v obtoku (směšovací bod B) v závislosti na poměrném tepelném výkonu vztažené k průtoku otopnou soustavou.

Obr.4 Průtok zajišťovaný čerpadlem v obtoku vztažený na max. hodnotu, v závislosti na poměrném tepelném výkonu a min. požadované teplotě zpátečky tekoucí do kotle. Předpoklady: průtok soustavou, vstupní teplota do kotle (zpátečka) a výstupní teplota z kotle (přívod) jsou konstantní. Otopná soustava počítána pro 70/55/20 oC.

Rovnice určující dopravní množství čerpadla v obtoku kotle (viz obr.2) nabývá tvaru:



kde:
m_z = hmotnostní průtok dávaný čerpadlem v obtoku kotle
m_r = hmotnostní průtok ve vratném potrubí do směšovací armatury
m_os = hmotnostní průtok otopnou soustavou
m_K = hmotnostní průtok kotlem
t_w1 = teplota přívodní vody do soustavy
t_w2 = teplota vratné vody ze soustavy
t_1K = teplota vody proudící z kotle
t_2K = teplota vody proudící do kotle

Další komplikací, kterou je třeba zohlednit je, že u mnohých otopných soustav není konstantní průtok v otopných okruzích, a tudíž není splněn jeden z předpokladů. Je třeba provést vhodný výpočet s tím, že je průtok otopnou soustavou proměnný. Ten lze však uskutečnit za dalšího předpokladu, že teplota přívodní vody do soustavy je konstantní, a tak získat potřebné výsledky. Takovéto výpočty ukazují, že dříve uvedené výsledky za příslušných podmínek, včetně konstantního průtoku soustavou, leží pod nově získanými výsledky, resp. že u proměnného průtoku soustavou dostáváme větší požadované průtoky čerpadlem v obtoku kotle.

Otopné soustavy jsou však provozovány s proměnnou teplotou přívodní vody i proměnným průtokem. O vztahu mezi tepelným výkonem a teplotou přívodní vody, stejně jako o tepelném výkonu a průtoku soustavou, nelze napsat obecně platný a spolehlivý výpočet zohledňující všechny stavy. Proto se tudíž omezujeme na nejméně příznivý stav při konstantní vstupní teplotě, bez ohledu na to, zda se ve skutečnosti mění a podle výsledků dimenzujeme zkratovací čerpadlo.

Na základě výše popsaného přístupu a podmínek jsou vypočtené hodnoty průtoku vztažené na jednotkový jmenovitý výkon sestaveny do tab.3. S určitou obezřetností jsou tyto hodnoty dobře použitelné pro dimenzování zkratovacího čerpadla.

Tab.3 Hmotnostní průtok obtokem kotle vztažený na jednotku výkonu kotle m_Q [kg/h.kW]. Tabulka je stanovena za předpokladu konstantní teploty přívodní vody a konstantní teploty vody zpátečky proudící do kotle a proměnného průtoku otopnou soustavou.

Pokud je u kotle vyžadováno zajištění jak minimálního průtoku, tak minimální teploty ve vratném potrubí platí současně předpoklady určené u obou předchozích případů. Pokud akceptujeme přibližné řešení z druhého případu, pak je návrh velmi jednoduchý. Porovnáme výsledky z prozatímních předpokladů, tj. porovnáme výsledek pro zajištění minimálního průtoku a výsledek pro zajištění minimální teploty ve vratném potrubí a zvolíme větší hodnotu z obou výsledků.

Rovněž je třeba si uvědomit, že není zcela respektováno veškeré chování soustavy. Za kritický případ lze považovat náběh zařízení z chladného stavu (např. na začátku otopného období), kdy je teplota vratné vody přibližně rovna vnitřní teplotě v místnostech. Účinek na minimální přiměšovaný průtok obtokem kotle a dimenzování čerpadla v obtoku kotle ukazuje následující příklad podle obr.2:

Zadaná data:

tw1 = 70 oC

tw2 = 50 oC

t1K = 75 oC

t2K = 55 oC

Určíme poměr průtoků:



Za předpokladu, že je teplota zpátečky ze soustavy t_w2 = 20 ^oC, nabývá poměr hodnoty:

Dimenzování čerpadla v obtoku kotle na tuto nejvyšší hodnotu však není smysluplné. Smysluplnější je zajistit regulací, aby průtok z otopné soustavy (m_os - m_r) byl redukován tak, aby i při dimenzování čerpadla v obtoku kotle na jmenovité podmínky byla zaručena minimální přípustná hodnota teploty vody ve vratném potrubí tekoucí do kotle. To lze v praxi zajistit požadavkem na regulaci, která sníží požadovanou teplotu přívodní vody t_w1. Směšovací armatura se tak přestaví do polohy, kdy je mnohem větší podíl přiměšované vratné vody, a tak se dosáhne požadované snížení průtoku, který proudí od soustavy ke zdroji tepla. Obr.5 (levá část) ukazuje hodnoty z příkladu. Čerpadlo v obtoku kotle je dimenzováno na maximální průtok m_z / m_os = 1,6 a tak lze i při nejnižších teplotách zpátečky t_w2 zajistit ochranu proti nízkoteplotní korozi kotle. Pokud je však dopravní množství čerpadla v obtoku kotle menší (např. m_z / m_os = 0,6), klesá v tomto případě, při teplotě zpátečky t_w2 < 40 ^oC, i požadovaná teplota přívodní vody t_w1. Pro případ s regulovanou trojcestnou směšovací armaturou platí obr.5 (pravá část). Snížení teploty přívodní vody znamená pomalejší natápění soustavy. Čím větší je dimenzování čerpadla v obtoku kotle, tím rychlejší je natápění soustavy, ale pro normální provoz je pak čerpadlo předimenzováno. To vede k vyšším provozním nákladům soustavy (větší spotřeba elektrické energie). Vylepšení přinese aplikace čerpadla s plynulou změnou otáček, čímž snížíme i provozní náklady. Teplota zpětné vody jdoucí do kotle t_2K je zde regulovanou veličinou. Změnou otáček čerpadla v obtoku kotle, resp. směšovacím poměrem v bodě B (obr.2) se reguluje teplota zpátečky tak, aby byla zajištěna její minimální požadovaná hodnota.

Obr.5 Vliv dimenzování čerpadla a regulace při natápění soustavy na požadovanou hodnotu teploty přívodní vody a přiměšovaný průtok armaturou.

Obr.6 Schéma zapojení čerpadla v obtoku kotle k příkladu. ČO čerpadlo obtoku R regulátor B směšovací bod C rozdělovací bod Š šoupě ZK zpětná klapka T čidlo teploty d průměr potrubí tw2 teplota zpátečky t2K teplota zpátečky do kotle

Stanovení dopravního tlaku čerpadla v obtoku kotle

Zkratovací čerpadlo musí krýt tlakovou ztrátu od místa rozdělení proudů (bod C, obr.2 a 6) k místu spojení proudů (bod B, obr.2 a 6) včetně kotle. Tato úvaha vyplývá ze zapojení paralelních větví.

Určíme tedy tlakovou ztrátu úseku od rozdělení proudů ke spojení proudů, ve kterém bude čerpadlo v obtoku kotle. Ve výpočtu použijeme navržené jmenovité dopravní množství čerpadla v obtoku kotle. Z návrhového diagramu výrobce kotle určíme jeho tlakovou ztrátu pro průtok za jmenovitých teplot či pro minimální doporučený průtok, jestliže nabývá vyšší hodnoty. Výslednou hodnotu tlakových ztrát určuje suma. Pokud je ve zkratu regulační armatura určíme její ztrátu z k_vs hodnoty a rovněž přičteme.

Je vhodné volit čerpadlo s co možná nejvíce plochou charakteristikou, čímž se dosáhne při všech výkonech potřebné přiměšované množství. Ze stejného důvodu se potrubí obtoku kotle volí volně (bohatě dimenzováno). Rovněž důležité je použití T - kusu s plynulým náběhem. Aby se dosáhlo dobrého promíchání přívodní a zpětné vody, je žádoucí dodržet mezi přírubou kotle a směšovacím bodem B (obr.6) vzdálenost rovnu alespoň pěti průměrům potrubí.

Obr.7 Schéma zapojení s termohydraulickým (či beztlakým) rozdělovačem s trojcestným rozdělovacím ventilem, pro zajištění minimální požadované teploty zpětné vody do kotle.

Závěr
Hydraulické zapojení čerpadla v obtoku kotle lze řešit analyticky jen s určitými omezeními a ne zcela přesně. Optimální řešení vyhovující všem provozním stavům lze dosáhnout už jen s obtížemi. Pro nové soustavy tak doporučuji zvolit raději jiné, výhodnější a vhodnější řešení, které bez obtíží zvládá ochranu kotle za různých provozních stavů. Toto řešení představuje použití řízené trojcestné rozdělovací armatury v přívodní větvi kotlového okruhu (obr.7), či trojcestné směšovací armatury ve vratné větvi kotlového okruhu. Trojcestný rozdělovací ventil na obr.7 zajišťuje ochranu kotle proti nízkoteplotní korozi, či spolu s kotlovým čerpadlem ochranu proti podkročení minimálního přípustného průtoku kotlem. Pro řízení trojcestného rozdělovacího ventilu je jedinou regulovanou veličinou teplota zpětné vody proudící do kotle.

Literatura:
[1] Bašta, J., Brož, K., Cikhart, J., Štorkan, M., Valenta, V. a kol.: Topenářská příručka. GAS s.r.o., Praha 2001. 2393 s. ISBN 80-86176-82-7 (sv.1), ISBN 80-86176-83-5 (sv.2)
[2] Bašta, J., Kabele, K.: Otopné soustavy teplovodní - sešit projektanta. Druhé přepracované vydání. STP 2001, ISBN 80-02-01426-X, 77 s.
[3] Bašta, J.: Dimenzování směšovacích armatur a hydraulické propojení zdroje tepla s otopnou soustavou In: Vytápějme levně a bezpečně VI. - Pardubice: O.z. Hovorková, 2000. - s. 107 - 116.
[4] Roos, H.: Auslegung und Betriebsverhalten von Kesselbeimischpumpen. HLH, Bd. 41, Nr. 6, 1990.
[5] Bašta, J: Dimenzování směšovacích armatur a hydraulické propojení zdroje tepla s otopnou soustavou. In: Vytápění, větrání, instalace. 8, č.2 (1999), s. 84 - 88
[6] Burkhardt, W., Kraus, R.: Projektierung von Warmwasserheizungen. Oldenbourg Industrieverlag GmbH, München 2001. ISBN 3-486-26425-7
[7] VDMA 24770: Kesselfolgeschaltungen. Grundschaltungen, hydraulische Forderungen, Zu- und Abschaltkriterien. Hrsg.: Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., Frankfurt a. M. 1989.