1. DIEL : VYKUROVANIE, VETRANIE A PRÍPRAVA TÚV

Strana
Potreba vykurovať2
Tepelná ochrana vykurovaných budov                                                                              2
Spôsoby vykurovania4
Zdroje tepla8
Vývoj kotlov8
Súčasné kotly11
Fluidný kotol11
Čo sa deje v kotle?12
Účinnosť kotla13
Horák - kotol - komín14
Vetranie kotolne18
Ochranna a bezpečnosť kotla a komína18
Expanzia vody19
Odplynenie vody (vodnej sústavy)20
Riadenie výrobne tepla21
Rozvod ÚK22
Armatúry23
Materiál armatúr24
Dilatácia (oceľového) rozvodu25
Spotrebiče tepla25
Príprava TÚV27
Meranie spotreby29

POTREBA VYKUROVAŤ

Pod vykurovaním miestností, domu rozumieme ohrev vzduchu v miestnosti na teplotu, danú druhom činnosti človeka v nej, alebo určenú účelom miestnosti. Tak napríklad pre obývacie miestnosti sa predpisuje 20 oC, kúpeľne 24 oC, schodisko 10 oC, telocvične 15 oC, dielne 16 až 18 oC, montážne haly (hrubá montáž) 12 až 14 oC, garáže 5 oC (STN 060310 – zrušená aj STN EN 12831).

Potreba vykurovať obytné miestnosti vyplýva z toho, že človek (pri bežnom oblečení) je schopný kompenzovať stratu tepla svojho tela len do vonkajšej teploty asi 15 oC až 20 oC. Teplota povrchu ľudského tela je 32 až 37 oC – podľa hrúbky podkožného tuku. Teplotu si organizmus udržuje okysličovaním potravy za sprievodného vývinu tepla (ako pri horení paliva), úmernému výške tepelných strát ochladzovaním z povrchu tela do prostredia – ale len do teploty okolia asi 15 oC; ak straty tepla sú vyššie (teplota okolia pod 15 oC) nastáva subjektívny pocit chladu.

Množstvo tepla produkované ľudským telom závisí od činnosti človeka: dospelý človek pri ťažkej práci vydá asi 0,30 kW, pri stredne ťažkej práci vydá asi 0,17 kW, dospelý človek v pokoji 0,12 kW, (a produkuje 60 gramov vlhkosti za hodinu aj viac), dieťa do 10 rokov 0,06 kW – v pokoji.

Aby sme výdaj tepla udržali v uvedených medziach, vypomáhame organizmu teplým oblekom a vykurovaním miestnosti, aby teplota vnútorného povrchu stien neklesla v obývacích miestnostiach pod 15 oC, a aby sa dosiahli predpísané teploty vnútorného vzduchu v miestnostiach [L1 a citované normy]. Preto je aktuálne hovoriť o tepelnej ochrane vykurovaných budov.

Ak odbočíme do živočíšnej ríše uveďme aspoň jeden údaj: Dospelá krava produkuje asi 1,0 kW tepelného výkonu. Táto okolnosť môže zohrať pozitívnu úlohu pri zvažovaní vetrania kravínov v záujme zvýšenia zdravia zvierat. Tieto údaje zároveň predstavujú vnútorné zdroje tepla vykurovaného objektu. Je potrebné ku nim ešte pridať príkony osvetľovacích telies a domácich spotrebičov, [L11].

TEPELNÁ OCHRANA VYKUROVANÝCH BUDOV

Tepelnou ochranou sa rozumie zhotovenie plášťa budovy z materiálov a hrúbky vykazujúceho tepelný odpor aspoň rovný normatívnej hodnote v zmysle STN 730540-2; z marca 2002 (Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov ...), a to pre obnovované a nové budovy. Porovnaním týchto hodnôt odporu s platnými do tohto termínu plynie, že došlo k radikálnemu zvýšeniu tepelnej ochrany budov. (viď stať: Zateplenie vykurovaných budov, str.60).

S tepelnou ochranou budovy sa musí vysporiadať už projektant jej stavebnej časti – teda stavbár a to v súlade s citovanou normou tak, aby sa dosiahli aspoň normatívne hodnoty tepelných odporov. V tejto veci projektant konzultuje s investorom, lebo úrovni tepelnej ochrany je priamoúmerná finančná náročnosť stavby, ale súčasne sa zhodnocuje jej spoločenské ocenenie formou certifikácie (táto je pre nové stavby povinná).

Okrem zabezpečenia dostatočného tepelného odporu plášťa budovy – stavebný projektant posúdi šírenie tepla konštrukciou budovy, t.j. najnižšiu teplotu vnútorných povrchov miestností, ďalej posúdišírenie vlhkosti a vzduchu konštrukciou, všetko toto aj v záujme predchádzania vzniku plesní v budove.

Stanovenie projektovaného výkonu pre tepelný zdroj

Spravidla až po tomto všetkom prichádza projektant – kúrenár, aby navrhol (po dohode s investorom) spôsob vykurovania (viď str. 10), t.j. zdroja a ostatné zariadenia, aby tak dosiahol odsúhlasenú úroveň tepelného komfortu, t.j. predovšetkým dosiahnutie predpokladaných teplôt vnútorného vzduchu miestností. K tomuto potrebuje poznať výšku projektovaného tepelného príkonu zdroja. V bežnom prípade ide o 3 položky príkonu: na vykurovanie, vetranie a prípravu teplej úžitkovej vody (dnes sa hovorí len o teplej vode). Ale je možné, že projektant ÚK sa zúčastní už úvodných rokovaní s investorom a tu sa rozhodne aj o spôsobe vykurovania.

Pre stanovenie projektovaného tepelného príkonu na vykurovanie je potrebné poznať tepelné straty plášťom budovy a straty vetraním. Tieto sa v minulosti kalkulovali podľa STN 060210 (Výpočet tepelných strát budov ...), dnes to je STN EN 12 831 (Vykurovacie systémy v budovách ....). Táto európska norma je ďaleko podrobnejšia a komplexnejšia než citovaná stará norma (060210).

Obe normy vychádzajú z rovnakých predpokladov rovnomernosti rozdelenia teplôt vzduchu v miestnosti a časovo ustáleného tepelného režimu. Konštruujú potrebu tepla ako súčet tepelných strát prechodom plášťa budovy, strát vetraním a uznávajú prirážku na zakúrenie.

Pre stanovenie strát tepla a projektovaného tepelného výkonu nová norma (NN) definuje tzv. operatívnu teplotu (OT) ako aritmetický priemer teploty vnútorného vzduchu a strednej radiačnej teploty. V základných prípadoch všetky tri teploty sú rovnaké. Úloha: dokážte toto tvrdenie (vyjdite z definície OT).

Do osobitných prípadov patrí budova nad 8 m (stará norma) a 5 m výšky (NN). Tu pri výpočte tepelných strát je potrebné rešpektovať teplotový gradient po výške budovy v zmysle NN.

Druhý osobitný prípad sa týka stavu, keď je značný rozdiel medzi teplotou vnútorného vzduchu a strednou radiačnou teplotou. Vtedy straty prechodom tepla sa vypočítajú s operatívnou teplotou a pri výpočte strát vetraním žiada sa použiť teplotu vnútorného vzduchu v miestnosti.

NN prichádza s definíciou operatívnej teploty (OT) v závislosti od metabolizmu a kvality odevu človeka. Pre tri kvalitatívne rozdielne kategórie vnútorného tepelného prostredia dovolené odchýlky od OT sú : ± 2, ± 4, ± 6° C. Zaujímavé je, že tieto odchýlky sa vzťahujú na tri skupiny nespokojencov s úrovňou vykurovania : pod 6 % (A), pod 10% (B), pod 15 % (C). Číselné rozsahy OT pre typické budovy (resp. miestnosti) sú obsahom NN. Konkrétne hodnoty sú v podstate rovnaké ako v starej norme, len sú tu zdôvodnené (metabolizmom a odevom človeka) a okrem toho sú tu 3 kvalitatívne kategórie.

Vnútorná výpočtová teplota (pre projektanta ÚK) má byť rovná spodnej hodnote rozsahu zvolenej kategórie vnútorného prostredia (A, B, C). Tento postup je nezáväzný a súvisí s hodnotením budovy v certifikácii.

Do kritérií hodnotiacich kvalitu vykurovania patrí aj rozdelenie teplôt vzduchu po výške budovy ; vyžaduje sa, aby rozdiel teploty vzduchu pod stropom a pri podlahe bol pod 3 K. Toto súvisí s podielom sálavej zložky z celkového vykurovania miestnosti, viď nasledujúcu stať : Spôsoby vykurovania.

Kvalita vnútorného prostredia

Vnútornú klímu v budovách ovplyvňuje teplota, vlhkosť a čerstvosť vzduchu. Ide teda o techniku vykurovania, chladenia, vlhčenia (sušenia) a výmeny (vetrania) vzduchu. Kvalita vykurovania už bola popísaná; pojednajme v stručnosti o jej zostávajúcich aspektoch.

Chladiť obytné miestnosti je nutné v horúcom lete pri vysokej teplote suchého vzduchu; jeho schladením na prijateľnú teplotu (pod 25°C) vzrastie v miestnosti jeho relatívna vlhkosť, ale nevybočí z pásma pre vlhkostnú pohodu človeka : 30-70 %.

Vzime pri nízkej teplote a vysokej relatívnej vlhkosti vonkajšieho vzduchu nad 70 % jeho ohrevom na obývaciu teplotu 20°C poklesne jeho vlhkosť pod 25 %. Teoreticky by sa vzduch mal zvlhčovať, obecne v panelákoch sa to nerobí, okrem miestnych sporadických zvlhčovačov, lebo pocitový dopad na človeka nie je výrazný.

Toto, čo bolo povedané, neplatí pre prípady vysokých nárokov na vnútornú klímu budov, a najmä nie pre zhromažďovacie miestnosti. V týchto prípadoch sa vnútorný vzduch v zime zvlhčuje a v lete vysušuje [L5] .

Pre chladenie miestností v lete sa začína uplatňovať použitie plastových rúrok stropného a podlahového vykurovania. Toto znamená značnú úsporu IN nákladov na chladenie vzduchu, [L41]. Ale rozsah takéhoto chladenia je veľmi obmedzený, lebo je sprevádzaný rastom relatívnej vlhkosti vzduchu, keďže tento sa nesuší, len chladí.

Vetranie je vlastne výmena skazeného vzduchu za čerstvý. Dlho sa nevedelo ustáliť, čo je príčinou (a meradlom) skazenosti, t.j. jeho nevhodnosti pre pobyt ľudí. Pripisovalo sa to úbytku kyslíka vo vzduchu. Za ďalšiu príčinu sa označovali pachy človeka (pot človeka, obsahujúci mastné kyseliny). Dokázalo sa, že zhoršenie kvality vnútornej klímy je sprevádzané prírastkom teploty a vlhkosti vnútorného vzduchu. Ako mierka pre jeho kvalitu sa zaužívala koncentrácia CO2 vo vzduchu. Tak za nezávadný označujeme vzduch do 0,07 % a ako závadný nad 0,1 % CO2 v obytnom priestore.

Potreba tepla pre TÚV sa stanoví pomocou platnej „starej“ STN 060320 – Ohrev TÚV (viď kapitolu Príprava TÚV, str. 33). Pre existujúce objekty je lepšie postupovať na základe týždennej snímky spotreby teplej vody.

SPÔSOBY VYKUROVANIA

Spôsobov, foriem aj prostriedkov vykurovania je veľká paleta v členení podľa rôznych hľadísk: podľa rozsahu tepelnej siete rozoznávame miestne vykurovanie miestností – s nulovou dĺžkou siete, ústredné vykurovanie rodinného domu, obytného domu s kotolňou v dome – tu ide o domovú kotolňu – rozvod tepla je len v rámci domu; vyšší stupeň centralizácie predstavuje sídlisková (okrsková) kotolňa a najvyšší stupeň centralizácie je diaľkové vykurovanie sídlisk a mestských častí – či aj sólo situovaných občianskych objektov a to z veľkého centrálneho zdroja: horúcovodnej(alebo len teplovodnej) výhrevne, teplárne alebo aj elektrárne.

Podľa hľadiska vykurovacieho média rozoznávame vykurovanie vodné, parné, teplovzdušné a elektrické. Ako ukážeme v ďalšom, parné vykurovanie je všeobecne nevhodné (okrem zvláštnych prípadov), lebo para prenesie rovnakým potrubím menej tepla než horúca voda a aj z iných (prevádzkových) dôvodov: jej vysoká teplota spaľuje prach usadený na radiátoroch, je zle regulovateľná a merateľná; používa sa najmä pri prerušovanom vykurovaní ľahkých stavieb v noci. Jej ranný štart je často sprevádzaný vodnými rázmi (viď stať O parnom a kondenzátnom hospodárstve, str. 39).

Použitie vzduchu ako teplonosného média má výhodu v pohotovosti : vnútorný vzduch sa ohrieva okamžite a  vykurovanie možno kombinovať s vetraním. Nevýhodami tohto média je, že neexistuje sálavá zložka prenosu tepla, ďalej možné vírenie prachu v miestnosti a nepriaznivé rozloženie teplôt vzduchu po výške miestnosti. Toto vykurovanie je doménou hál. Použitie teplovzdušných jednotiek – sahár – je investične najlacnejší spôsob vykurovania, lebo jednotka môže dosiahnuť výkon aj 100 kW.

Je možné vidieť aj kombinovaný spôsob vykurovania : vykurovacie telesá sú rozmiestnené na podlahe po obvode miestnosti a teplý vzduch spod stropu je tlačený axiálnymi ventilátormi (rozpätie vrtule dosahuje aj niekoľko metrov) k podlahe; toto je použiteľné v priemyselnej hale.

Vodné vykurovanie je doménou obytných domov, teplota vody do vykurovacích telies sa drží pod 90 oC, aby sa nespaľoval prach usadzovaný na povrchu telies a nevdychoval sa. Prednosťou vody je jej veľká merná tepelná kapacita (asi 4,2 kJ/kg.K) v porovnaní so vzduchom asi 4-násobná. Týmto sú určené jej malé prietokové prierezy transportu tepla voči vzduchu. Ďalšia významná vlastnosť vody ako teplonosného média je jej veľká tepelná zotrvačnosť; toto je výhoda pri neprerušovanom, či tlmenom režime vykurovania a naopak. Nevýhodou vody je jej teplotová rozťažnosť, túto je nutno umožniť a nie potlačiť, ako sa to niekedy chybne vysvetľuje.

Výhodou vody ako média je dobrá regulovateľnosť jej výkonu a jej merateľnosť; nevýhodou vody je jej zamŕzanie.

Pokiaľ ide o konštrukčné zhotovenie vodného vykurovania, poznáme klasické usporiadanie s vykurovacími telesami na podlahe, rozmiestnenými pozdĺž obvodových stien miestnosti. Pri rozsiahlych pôdorysoch sa uplatňuje Tichelmanov spôsob zapojenia telies voči rozvodu. Pri ňom telesá majú rovnomernejšiu dispozičnú tlakovú diferenciu. Významnou vlastnosťou klasického usporiadania vodných vykurovacích telies na podlahe je využitie ich konvektívneho spôsobu prenosu tepla: jeho intenzita je úmerná teplotovému rozdielu povrchu telesa a okolitému vzduchu v miestnosti (t.j. rýchlosti samovoľného prúdenia vzduchu nahor pozdĺž výšky telesa).

Iným usporiadaním výhrevnej plochy je podlahové vykurovanie: voda prúdiaca dnu v polyetylénových hadiciach s klasickým spádom 40/30 oC a menej, ohrieva vrchnú vrstvu podlahy zhotovenú najlepšie z tepelne vodivého materiálu (napr. z dlažby). Teplo z hadíc z povrchu podlahy sa šíri do miestnosti konvekciou, t.j. priamym ohrevom pohybujúceho sa vzduchu a sálaním (radiáciou) smerom nahor do protiľahlého stropu bez sprievodného ohrevu vzduchu. Intenzita prechodu tepla nahor nesmie prekročiť povrchové teploty podlahy : 29°C pre obytné budovy (v stoji len 27°C), kúpeľne do 33 °C (DIN 1264). Týmito obmedzeniami súčasne je obmedzený aj výkon podlahového vykurovania.

Podiel konvekcie a radiácie je asi rovnaký. Menej konvekcie znamená menšiu cirkuláciu vzduchu, to je dobré najmä pre alergikov. Dôležité : Podlahové vykurovanie automaticky znamená úsporu tepla voči radiátorovému spôsobu vykurovaniu 3-6 % v ročnej relácii, lebo pocit komfortu sa prejaví pri nižšej vykurovacej teplote. Podlaha pod vykurovacími hadmi musí byť naopak dobre tepelne izolovaná. Podlahové vykurovanie je komfortné s malým vírením vzduchu a veľkou zotrvačnosťou (toto je známa nevýhoda nemocničných pavilónov s podlahovým vykurovaním pri náhlej zmene počasia); ide o investične nákladný spôsob vykurovania (s veľkým podielom prác stavbárskej povahy).

Pri použití plastových hadíc pre podlahové vykurovanie sa vyskytuje pojem: kyslíková bariéra. Ide o schopnosť materiálov odolávať difúzii vzdušného kyslíka do vody cez stenu plastovej hadice. V Nemecku najvyššia dovolená priepustnosť O2 plast. rúrkami udáva DIN 4726/98 vo forme difúzneho toku pre O2 v hodnote najviac 0,1 g/1m3 vodného obsahu sústavy za deň. Je potrebné pri kúpe hadice žiadať certifikát maximálnej difúzie.

Plastová (polyetylénová) hadica môže byť kombinovaná s hliníkovou vložkou, v záujme eliminácie kyslíkovej difúzie, [L22,41].

Ďalším typom veľkoplošného sálavého vykurovania je stropné vykurovanie, pri ňom prebieha šírenie tepla sálaním tak zo 75 %, zvyšok (25 %) je konvekcia. Teplota vody je o niečo vyššia než pri podlahovom type. Ak ide o zhotovenie so zabetónovanými rúrkami, tak aj tu existuje veľká tepelná zotrvačnosť. Pružnejší systém používa nezabetónované rebrované, lamelové rúrky, čo sa vcelku nehodí do prerušovaného vykurovania, ani do ľahkých stavebných konštrukcií; typicky vhodné je uplatnenie tohto spôsobu v zdravotníctve. Významná vlastnosť oboch typov sálavého vykurovania (podlahového a stropného sa zabudovanými rúrkami) je skutočnosť, že teplota stien je vyššia než teplota vzduchu (asi o 3 K), je tu malé prúdenie vzduchu – to všetko je priaznivé z hľadiska tepelnej pohody človeka a aj po zdravotnej stránke. Podobné vlastnosti vykazuje aj ďalší typ vykurovania so závesnými sálavými panelmi [L5].

Osobitným typom vykurovania je sálavé infražiaričové vykurovanie. Zdrojom sálavej energie je plynom alebo elektrinou rozžeravená keramická doštička (až na 900 oC a viac), nasmerovaná zo stropu do podlahy vyznačujúcej sa dobrou tepelnou pohltivosťou a zospodu tepelne izolovanou. Plyn je spaľovaný bezplamenným spôsobom, viď obr. č. 1



Plyn prúdiaci pod tlakom prisáva v injektore vzduch na spaľovanie, vzniknutá zmes stráca svoj tlak expanziou v difuzóre, následne sa spaľuje v spaľovacej komore a prechodom cez otvory v keramickej doštičke túto ohrieva a uniká zo žiariča. Energia, vyžarovaná žiaričom, je vlastne elektromagnetické vlnenie; toto prechádza vrstvou vzduchu zo stropu do podlahy bez toho, aby ho ohrialo. Energia sa premení na teplo až dopadom lúčov na prekážku : na podlahu haly – či na hlavu človeka (minimálna výška zavesenia žiariča voči hlave obsluhy závisí aj na osálaní okolitých stien a výkone žiaričov). Najnižšia prípustná výška je 4 m.

Podobne ako pri iných sálavých plochách aj tu platí, že pocitová teplota človeka je vyššia než je skutočná teplota vzduchu vo vykurovanej miestnosti a to aj o 3K a viac v porovnaní s inými druhmi (konvenčnými) vykurovania, teda je možno vykurovať na nižšiu teplotu vzduchu.

Infražiariče nevyžadujú takmer žiadnu dobu nábehu a účinkujú v hale aj po sekciách – t.z. ďalšie možné úspory energie. Toto vykurovanie je vhodné do občasne používaných priestorov, napr. telocviční, priemyselných hál, skladov a pod. [L5].

Tieto prednosti infražiaričov vyvážia aj tú základnú negatívnu vlastnosť, že ich účinnosť voči teplu v palive je pod 50% (plynových, pri elektrických je to nad touto hodnotou). Hlavná tepelná strata je konvekčné teplo vzduchu zhromažďujúce sa pod stropom haly. Jeho využitím, priamym či rekuperáciou možno celkovú účinnosť infražiaričov zvýšiť. Zvyšok tepelných strát tvorí komínová strata spalín zo žiariča ústiacich do atmosféry (pri tmavých žiaričoch).

Ďalším možným typom je elektrické vykurovanie. Ide o komfortné vykurovanie aj z prevádzkového hľadiska – nehrozí netesnosť systému únikom vody. Zdravotnou závadou je spaľovanie prachu na priamovykurovacích typoch výhrevných telies, [L5].

Zo spoločenského hľadiska je opodstatnené akumulačné vykurovanie využívajúce len časové odľahčenie elektrizačnej sústavy, lebo elektrina sa všeobecne veľmi nákladne a komplikovane vyrába vo vysokotlakových kotloch a v točivých strojoch – parných turbínach, distribuuje sa rozsiahlou sieťou na veľké vzdialenosti, je schopná konať mechanickú prácu, a takto ušľachtilá sa nakoniec znehodnocuje vo vykurovaní na prostý ohmický ohrev. Ide o najdrahšiu formu vykurovania. Ak napríklad 1 kWh v zníženej tarife stojí 0,1 € , toto je o 70 % viac než cena tepla zo ZP (keď počítame 0,5 €/m3 ZP).

Ústredné vykurovanie

Obráťme pozornosť v ďalšom texte na ústredné vykurovanie. Jeho principiálna schéma je dolu na obrázku č. 2. Všetko okrem miestneho vykurovania je viac-menej ústredné vykurovanie s rôznou úrovňou centralizácie. Najnižší stupeň centralizácie predstavuje vykurovanie rodinného domu, najvyšší stupeň je systém centrálneho zásobovania teplom (SCZT), t.j. diaľkové vykurovanie.



Prvkami ústredného vykurovania sú: zdroj tepla (Z), rozvod tepla (R) s čerpadlom (Č) a spotrebič tepla (S). V rodinnom dome zdroj je kotol umiestnený napr. v suteréne, spotrebiče sú vykurovacie telesá a oba prvky sú spojené rozvodom. Pri SCZT je zdrojom napr. mestská tepláreň a bezprostredným spotrebičom pre tepláreň sú odovzdávacie stanice tepla (OST, VS). V nich je aj meranie tepla; konečnými spotrebičmi sú vykurovacie telesá v budovách.

ZDROJE TEPLA

Pod týmto označením sa myslia aj kotly, napr. na vykurovanie, ide len o zvyk, lebo kotol sám nemôže byť zdrojom tepla, len akýmsi transformátorom chemickej energie paliva na tepelnú energiu , a to spaľovaním (oxidáciou) paliva. Existuje veľa kotlov zatriedených a pomenovaných podľa rôznych hľadísk. Tak napríklad rozoznávame:

kotly na pevné, tekuté a plynné palivo – podľa paliva
kotly vodné a parné – podľa nosiča tepla
kotly parné nízkotlakové (do 0,5 bar pretlaku), stredotlakové (do 60 bar), vysokotlakové (do 160 bar) a nad to super vysokotlakové
kotly kondenzačné a nekondenzačné, podľa toho, či kotol využíva skupenské teplo pary spalín alebo nie
kotly valcové, plamencové, vodorúrové, žiarorúrové, skriňové, atď., podľa ich konštrukcie. Pochopeniu podstaty kotla môže pomôcť krátka exkurzia do histórie vývoja kotla, lebo smer vývoja a jeho etapy neboli samoúčelné.

VÝVOJ KOTLOV

Za prototyp všetkých kotlov možno označiť valcový kotol, viď obr. č. 3 :

Valcový tvar tlakovej nádoby bol zvolený z výrobných a pevnostných dôvodov, lebo tento tvar sa najjednoduchšie zhotoví a znesie najväčší pretlak média (najviac znesú jeho dná - asi dvojnásobok voči plášťu). Vodorys označuje najnižšiu dovolenú hladinu vody a žiarorys zasa najvyššiu dovolenú úroveň plameňa, aby sa kotol neprepálil.

Nedostatky: nízky výkon, lebo plocha styku plameňa s vodou je malá; nízka účinnosť, lebo ochladzovaná plocha valca je veľká; pomalosť tvorby pary, lebo pomer objemu vody k plášťu valca je veľký, t.j. veľká zotrvačnosť výkonu (výhoda aj nevýhoda); nízka regulovateľnosť výkonu (len prerušením prívodu vzduchu a vyhrabaním paliva z roštu); nízky tlak pary vzhľadom na veľký priemer valca, produkcia len sýtej pary a prípadne ešte iné nedostatky.

Ďalší vývojový typ: Plamencový kotol, obr. č. 4 :



Veľký ideový a technologický pokrok znamenalo uvedenie plamencového kotla. Palivo je spaľované v plamenci vloženom dnu do vodného priestoru kotla valcového tvaru. Tým sa straty tepla ohniska zredukovali len na straty tepla v popole. Kotol je pružnejší, lebo pomer sálavej plochy plamenca voči objemu vody je vyšší, zotrvačnosť je nižšia; výkon je viac regulovateľný. Parné lokomotívy mali účinnosť voči teplu paliva len 10 ÷ 12 %, lebo para sa z parného stroja vyfukovala do voľnej atmosféry a toto teplo bolo stratené vrátane nevyužitia skupenského tepla pary (vyfukovala sa sýta para). Plamencové ohnisko majú aj súčasné kotly parné a vodné stredného výkonu aj v komunálnej energetike.

Kotol rúrkový, obr. č. 5



Ešte viac zvýšiť výkon, pružnosť výroby a parametre pary nebolo možné dosiahnuť vo veľkopriestorových kotloch. Rozdelením vody do veľkého počtu rúrok malého priemeru sa dosiahol prenikavý skok hádam vo všetkých rozhodujúcich ukazovateľoch technickej úrovne kotla. Konštrukčne sa oddelil priestor ohniska od teplovymieňajúcej plochy.

Naznačená škica znázorňuje súčasný vodný kotol (aj komunálnej energetiky). V plamenci obklopenom vodou prebieha spaľovanie paliva: pevného na rošte, plynného a tekutého vo vznose emitovaného horákom. Teplovymieňajúca plocha tvorí batériu rúrok malého priemeru (cca O 60 mm svetlosti). Dnu v rúrkach prúdia spaliny – ide o žiarorúrový typ plochy. Spaliny sú ochladzované vodou okupujúcou medzirúrkový priestor. Ak ide o plynový kotol, plyn po zmiešaní so vzduchom horí v plamenci dlhým plameňom; splodiny horenia po opustení plamenca menia svoj smer o 180o (aj dva razy) a ochladené (ale ešte stále nad rosným bodom) opúšťajú kotol cez dymovod do komína. Prenos tepla medzi spalinami v rúrkach batérie a okolitou vodou medzirúrkového priestoru sa deje v podstate konvekciou.

Táto škica charakterizuje stredotlakový, vodný, rúrkový kotol s plamencom s výkonom aj niekoľko stoviek kW. Možno ho vidieť v okrskových kotolniach sídlisk aj od renomovaných firiem.

Voda vteká do kotla zo spodku a účinkom obehového (sieťového) čerpadla je po ohriatí v kotle hnaná späť do vykurovacieho systému sídliska. Ohrev vody (?T) je limitovaný výrobcom spravidla do 40 K – z pevnostných dôvodov. Voda doplnková aj obehová musí spĺňať požiadavky výrobcu aj STN 07 7401 (bližšie viď stať venovanú úprave vody pre kotly, 2. diel). Výrobca často požaduje, aby prevádzkovaným kotlom vždy tieklo isté minimálne percento vody (z menovitej hodnoty), napríklad: 20%.

SÚČASNÉ KOTLY

Vďaka krátkej exkurzii do vývoja kotlov môžeme teraz pohodlnejšie posudzovať ľubovoľný súčasný kotol bez zreteľa na jeho výkon, ani či ide o parný alebo vodný kotol. O všetkých kotloch možno povedať, že ich ohnisko je umiestnené dnu v kotle obklopené vodou (vlastnosť plamenca) a voda je rozdelená do čiastkových prietokov okolo rúrok (ak dnu v rúrach idú spaliny ide o žiarorúrový typ) alebo voda je dnu v rúrkach – to je prípad vodorúrkového typu kotla, typického pre spaľovacie komory kotlov veľkej energetiky [L4].

Malé kotly ústredného vykurovania – stacionárne umiestnené na podlahe (napr. RD, BD) - sú skriňového typu. Plášť skrine má medzipriestor, cez ktorý prúdi vykurovacia vody malou rýchlosťou (pod 1 m/s); dnu v skrini je ohnisko roštové – pre pevné palivo alebo vybavené plynovým horákom, obyčajne atmosférickým, no už sú na trhu kotlíky s pretlakovým horákom umožňujúcim riadené spaľovanie, lebo aj množstvo spaľovacieho vzduchu je dávkované ventilátorom ovládaným cez frekvenčný menič obrátok; prenos tepla je prevažne sálaním plameňa do vnútorných stien plášťa. Ventilátor je dosť hlučný a zle je, ak kotolňa je situovaná pod spálňou.

Kotlíky závesného typu majú inštalovaný miniatúrny výmenník tepla typu spaliny – voda so ZP ako palivom. Teplovymieňajúca plocha na strane spalín je intenzifikovaná rebrami.

Rádovo väčšie kotly pre obytné domy a okrskové kotolne okrem plamenca majú inštalovaný konvekčný výmenník spaliny – voda, viď obr. č. 5.

FLUIDNÝ KOTOL

Celkom osobitným a netradičným je tzv. fluidný kotol. Technika fluidizácie bola do energetiky prevzatá z chémie, tam slúžila na sušenie sypkého (zrnitého) materiálu. Princíp je jednoduchý:

Palivo (obyčajne menej hodnotné) leží na rošte v spaľovacej komore kotla alebo mimo nej v tzv. reaktore. Pod rošt sa fúka spaľovací vzduch takým spôsobom, že zdvihne vrstvu paliva do vznosu, tým ju homogenizuje a premieša a zmes sa zapáli napríklad horákmi. Palivo spracované týmto spôsobom dobre vyhorí pri minimálnom prebytku vzduchu a pri nízkej teplote spaľovania (do 900 oC) – toto zasa znamená nízku tvorbu oxidov dusíka ; teda spaľovanie podradného energetického uhlia je veľmi ekologické. Splodiny horenia odnášajú spaliny do separátorov: odlučovačov mechanických (odlúči sa hrubá frakcia) a do elektroodlučovačov (v nich sa odlúči jemná frakcia od prúdu spalín), spaliny napokon vyústia do atmosféry.

Týmto spôsobom sa môže spaľovať aj biomasa, len na stabilizáciu horenia môže vrstva paliva byť premiešaná stabilizačnou masou, napríklad vápenným pieskom; ten súčasne neutralizuje spaliny splodín síry (ak existujú, napríklad z kôry stromov). Účinnosť spaľovania je nad 90 % .

[L www.ses. sk].

Otázka: Ktorý strojársky podnik u nás sa zaoberá vývojom a výrobou fluidných kotlov?

ČO SA DEJE V KOTLE?

Pri vodných kotloch po fyzikálnej stránke dochádza k ohrevu vody z teploty spiatočky na teplotu výstupu; max. dovolené ohriatie vody sa dosahuje pri horúcovodných kotloch a je limitované výrobcom asi do 40 K z ohľadu na tepelno-mechanické namáhanie kotla.

Pri parných kotloch dochádza k ohrevu kondenzátu plus doplnkovej vody na teplotu jej sýtosti a ďalším ohrevom k jej  odparovaniu. Parné kotly komunálnej energetiky sú bez prehrievača, a teda vyrábajú neprehriatu, t.j. len sýtu paru. Toto je zdrojom problémov spojených s kondenzáciou vyrobenej pary na jej ceste do vzdialených výmenníkových staníc (VS, OST) aj vinou nedostatočnej izolácie potrubia.

Po chemickej stránke dochádza v kotle k okysličovaniu paliva vzdušným kyslíkom prúdiacim do kotla samotiažou (malé kotly) alebo ventilátorom pri tlakových horákoch spaľujúcich ušľachtilé palivo (tekuté a plynné). Pri uhlíkatých palivách (pevné palivá) – spaľovanie charakterizujú rovnice: [L4]:

C + O2 = CO2 + asi 32 MJ/kg - pri dokonalom spaľovaní;
2C + O2 = 2CO + asi 10 MJ/kg – pri nedokonalom spaľovaní.

Je zrejmé, že starostlivosťou prevádzkovateľa je zabezpečiť, aby spaľovanie charakterizovala horná rovnica. Škodlivý je aj druhý extrém, ak vzduchu je zbytočne veľa a ten bez toho, aby sa zúčastňoval spaľovania, opúšťa kotol cez komín do atmosféry a predstavuje komínovú stratu. V praxi sa volí kompromis, t.j. pripúšťa sa istý prebytok vzduchu: pri pevných palivách asi 20 %, tekutých 10 % a plynných 5 %. Pri malých kotloch s neriadeným spaľovaním prebytok vzduchu môže dosiahnuť aj dvojnásobok stechiometrickej hodnoty. Prebytok vzduchu pri pevných palivách závisí aj od spôsobu spaľovania; najnižšie prebytky vzduchu okrem spomínaného fluidného spaľovania vykazujú tzv. výtavné ohništia, pri nich popol a škvára opúšťajú nístej kotla v tekutom stave (následne po schladení vodou granulujú späť do pevnej formy).

Pri spaľovaní uhľovodíkových palív (ZP, nafta, ĽVO, ŤVO) hlavným nositeľom výhrevnosti je vodík - jeho dokonalé spaľovanie charakterizuje rovnica:

H +O2 = H2O + 116 MJ/kg.

Teda dokonalým spálením 1 kg vodíka sa uvoľní skoro štvornásobok tepla voči spaľovaniu uhlíka (tento je hlavný nosič výhrevnosti uhlíkatých, t.j. pevných palív) a vzniknutá voda vo forme pary v spalinách.

Analogicky spaľovaniu uhlikatých palív sa vynára otázka – ako to je pri nedokonalom spaľovaní uhľovodíkových palív. Toto spaľovanie je oveľa komplikovanejšie než pri uhlíkatých palivách. V dôsledku nedostatku vzdušného kyslíka a nežiaducim ochladením plameňa, či krátkej dobe horenia vznikajú okrem vodnej pary (táto je vždy prejavom dokonalého spaľovania) najmä: kysličník uhoľnatý (lebo palivo obsahuje aj uhlík) a formaldehyd – (CH2O). Oba tieto komponenty sú zdraviu človeka veľmi škodlivé; pritom môže ešte unikať neokysličený vodík a aj elementárny uhlík vo forme sadzí. Pokles množstva uvoľneného užitočného tepla pri horení (voči dokonalému spaľovaniu) je úmerný množstvu týchto vzniknutých škodlivín [L3].

Optimalizácia prebytku vzduchu sa môže diať napr. kyslíkovou sondou, umiestnenou v zadných ťahoch kotla, alebo aj spalinovou sondou, merajúcou skutočný obsah CO2. Prebytok vzduchu (?) je daný vzťahmi :
(CO2)max                21
?= ––––––––– ­­­­­­­­­­­­= ––––––
CO2                    21 – O2

(CO2)max prislúcha stechiometrickému (dokonalému) spaľovaniu, (? = 1) a CO2 - skutočnému spaľovaniu. Každému druhu paliva prislúcha istá hodnota (CO2)max; hnedému uhliu cca 19 %, drevu 20 %, zemnému plynu 12 %. Ak sonda spalín pri spaľovaní dreva namerala napr. 17,4 % CO2, potom prebytok vzduchu je 1,15, t.j. 15 %. Aby sa vylúčila druhá možnosť (že vzduchu je vlastne nedostatok), urobí sa ešte sonda na CO; ak táto nenamerala žiadnu pozitívnu hodnotu, tak naozaj ide o prebytok vzduchu 15 % (voči ideálnemu spaľovaniu), [L4]. Druhý v poradí zlomok vychádza z poznatku, že objemové množstvo kyslíka v atmosfére je 21 %. Teda pre stechiometrické spaľovanie (? = 1) vychádza O2 v spalinách = 0 a prebytku napr. vzduchu 15 % (v predchádzajúcom príklade) prislúcha 2,74 % O2, [L4].

Pre malé kondenzačné kotly sa prebytok vzduchu udržuje a monitoruje pomocou technológie prevzatej z automobilového priemyslu – lambda systém. Lambda sonda ukazuje priamo hodnotu prebytku vzduchu, [L21].

ÚČINNOSŤ KOTLA

Účinnosť kotla vyjadruje pomer tepla odovzdaného pare, či vode v kotle k teplu v palive. Je zrejmé, že účinnosť kotla je nepriamo úmerná tepelným stratám kotla. V plynovom kotle prichádzajú prakticky do úvahy dve straty:
1. V prvom rade je to tzv. strata komínová, spôsobená tým, že spaliny nemožno ochladiť až na teplotu okolia (pri konečnej hodnote plochy kotla).
2. Druhá významná tepelná strata kotla je strata chemickou nedokonalosťou spaľovania: ak je vzduchu nedostatok – nezhorí všetka horľavina paliva, ak ho je prebytok, dochádza k zbytočnému ohrievaniu nadbytku vzduchu (nad stechiometrickú hodnotu).

Pri spaľovaní pevných palív je potrebné vziať do úvahy ešte aj stratu tepla v popole a škváre a vo všetkých kotloch uvažovať (neveľkú) stratu sálaním povrchu kotla do priestoru.

Praktické hodnoty účinnosti kotlov:
na zemný plyn, kondenzačný typ: aj nad 100 %
ZP klasický typ: 90 – 95 %
na tekuté palivo o 5 % menej
na pevné palivo: min. o ďalších 5 % menej (orientačne)

Účinnosť daného kotla je najvyššia v oblasti jeho menovitého výkonu, lebo vtedy pomer strát kotla k výkonu je najnižší. Preto ročná priemerná účinnosť kotla je nižšia než pri jeho menovitom výkone

Otázky:
Kto zabezpečuje tepelnú ochranu budov?
Existuje pri teplovzdušnom vykurovaní sálavá zložka šírenia tepla?
Z čoho vyplýva značné obmedzenie možnosti chladenia vzduchu v miestnosti pri použití systému podlahového vykurovania?
Ohrieva sálavé teleso vykurovania priamo vzduch?
K čomu slúži difúzor v plynovom infražiariči?
Do akej hodnoty tlaku média pracuje nízkotlakový parný kotol?
Čo bolo hlavným prínosom zavedenia plamenca v kotle?
Čím sa vyznačujú rúrkové kotly?
Ako sa určí prebytok vzduchu kotla?

HORÁK

Súčasťou kotlov na ušľachtilé palivo (plyn, nafta, vykurovacie oleje) je vždy palivový horák. Pri pevných palivách existujú kotlové horáky len vo veľkých kotloch (veľkej energetiky), spaľované uhlie je zomleté na prášok; kotly sú teda práškové a práškové je aj ich spaľovanie. Mletie uhlia obstarávajú mlynské okruhy – ich hlavnou súčasťou je mlyn: napr. guľový, tlkadlový a iný typ.

Úlohou horáka je:
1. Premiešať palivo so spaľovacím vzduchom.
2. Zabezpečiť optimálne spaľovanie horľaviny paliva, t.j. C na CO2, H na H2O (vo forme vodnej pary).
3. Spolupôsobiť na zníženie emisií dusíkatých zlúčenín NOx.

Niekoľko slov ku konštrukcii horákov :
1. Horáky na pevné palivo pracujú najmä s menej hodnotným, energetickým uhlím s výhrevnosťou okolo 10 MJ/kg, majú veľa vody a popola (t.j. balastu) aj do 50 % z celkového množstva paliva; sú to mladé palivá s veľkým podielom prchavých látok – dobre sa zapaľujú. Ak spaľujú vysokokalorické uhlie (napríklad antracit), naopak- zapaľujú sa zle, lebo majú málo prchavých látok a musia mať stabilizáciu, napríklad zemným plynom.
2. Horáky na tekuté palivá, obr. č. 6, majú okrem miešania so vzduchom ešte úlohu - rozprášiť kvapky paliva a tým zväčšiť ich reakčný povrch. Toto sa dosahuje pomocou zubového olejového čerpadla a palivovej dýzy. Palivo, rozprášené do jemnej hmly, sa zmieša so spaľovacím vzduchom a prúdiaca zmes vytvára podtlak, umožňujúci prisávať časť splodín horenia späť do horáka na ich opätovné okysličenie. Toto je sprevádzané vývinom dodatočného tepla a modrým plameňom. Dôsledkom je nižší prebytok vzduchu, vyššia účinnosť spaľovania a nižšie emisie NOx



3. Na obrázku č. 7 je zobrazený princíp plynového atmosférického horáka. K miešaniu plynu so vzduchom dochádza ešte pred jeho vniknutím do ohniska. 4. Špeciálny pretlakový plynový horák na zníženie dusíkatých emisií je napríklad sálavý typ MATRIX. Podstata úspechu je drôtená tkanina z ušľachtilej žiarupevnej ocele, na nej sa palivová zmes spaľuje pri teplote pod 900 oC nízkym plameňom. Tkanina sa rozžeraví a vývin tepla za týchto podmienok je prevažne sálaním – toto spôsobuje významné potlačenie vzniku NOx; dusíky vznikajú hlavne zo spaľovacieho vzduchu (t.j. nie za účasti kyslíka z paliva). Okrem tohto mechanizmu vzniká časť NOx ako plod oxidácie dusíka z paliva na okrajoch plameňa, ale je ho málo [L3].

KOTOL

Kotol je druhý v poradí zoskupenia: horák – kotol - komín. Po stavebnej stránke je potrebné kotol umiestniť tak, aby bola umožnená jeho obsluha, prehliadka a úniková cesta pre prípad mimoriadnej udalosti. Základy pod kotol musia vyhovovať zaťaženiu zavodneného kotla. Svetlá výška kotolne musí umožniť normálnu montáž, obsluhu a vetranie kotolne.

Kotol možno plniť len upravenou vodou podľa požiadaviek výrobcu. Kotol odstavený do studenej rezervy sa ponecháva zavodnený.

Inštalácia príslušenstva kotla a pomocného zariadenia horákov, plyn. regulačnej rady, násypníkov a výsypok popola musí byť uskutočnená v súlade so stanoviskom výrobcu, pripojovacie potrubia nesmú zaťažovať kotol ani ho tepelno – dilatačne namáhať. Vývod spalín nemusí byť nevyhnutne totožný s dimenziou pripojovacej príruby kotla.

Odfuky parnej a odvody tekutej fáze média z poistných armatúr treba uskutočniť v súlade s výrobcom a situovať ich tak, aby neohrozovali obsluhu, t.j. odvody zviesť do zberného potrubia (minimálne ku podlahe) a podľa potreby vychladiť vo vychladzovacej jame.

Obsluha kotla musí spĺňať kvalifikačné kritéria dané Vyhláškou č. 508/2009 Zb. a obsluhovať kotol v súlade s miestnymi prevádzkovými predpismi. Obsluha sa zameriava najmä na dodržiavanie ekvitermického ohrevu vykurovacej vody, resp. na dodržiavanie tlaku pary, na teplotovú diferenciu výstupu a spiatočky  HV kotla, na minimálnu teplotu vratu vody do kotla, na tlak vody vo vodnom kotle, na hladinu vody ( parného kotla) a na teplotu spalín. Neobvykle vysoká teplota spalín svedčí o zanesení kotla. Kurič dbá na predpísaný odluh parného kotla a na odkalovanie spodných komôr kotla. Pri plamencových kotloch si kurič všíma farbu a tvar plameňa, pozoruje kotol po stránke mechanickej a teplotovej stability (chvenie kotla) a hluku kotla.



Obsluha vykonáva ostatné povinnosti v rámci celej kotolne (napríklad kontroluje prívod vetracieho vzduchu, priechodnosť nasávacích otvorov, expanzné zariadenie, činnosť čerpadiel atď.) v zmysle MPP.

KOMÍN

Komín s dymovodom je posledný člen technologického reťazca: horák – kotol – komín. Jeho účelom je:
1. vytvoriť podtlak v kúrenisku,
2. rozptýliť spaliny a splodiny horenia do atmosféry.

Pre protipožiarnu ochranu komínov platí Vyhláška č. 401/2007 Z.z. Pre navrhovanie komínov a dymovodov platí STN 73 4201 a pre ich zhotovovanie a pripojovanie spotrebičov palív platí STN 73 4210. Citovaná vyhláška nariaďuje, že komín musí byť viacvrstvový, vybavený vložkou tepelne a dilatačne oddelenou od komínového plášťa. Výnimka platí pre kotly na pevné palivo v občasnom bývaní.

Charakteristika STN 73 4201

Norma definuje základné pojmy kominárskej techniky ako: dymová cesta, dymovod, sopúch, komínový prieduch, komínová vložka, komínový ťah, prirodzený a umelý ťah komína, spotrebič (paliva) uzatvorený (gamatka, turbo kotol), uzavierateľný (domáce izbové pece, kuchynský sporák), otvorený (plynový kotol s prerušovačom ťahu), spotrebiče podľa umiestnenia: lokálne a ústredné tepelné zdroje (takisto sú spotrebiče), prerušovač ťahu atď.

Hlavná zásada: Dymová cesta musí byť navrhnutá tak, aby dymovod a komín spoľahlivo odvádzali spaliny do voľného ovzdušia a umožňovali hospodárnu a bezpečnú prevádzku kotla.

Predpokladom splnenia tejto zásady je požiadavka, aby transport spalín celým traktom sa dial účinkom prirodzeného ťahu komína. Obsahom tejto normy je : 1. dimenzovanie plynovej cesty, t.j. výpočet komína, 2. charakteristika materiálov pre stavu komína : materiály musia byť teplotovo, vlhkostne a chemicky odolné voči ovzdušiu a spalinám (najmä kyslosti kondenzátu). Tepelný odpor plášťa komína musí dosahovať minimálne hodnotu 0,55 m2.K/W po celej výške komína (v odôvodnených prípadoch, napr. pri rekonštrukciách objektov – možno pripustiť vytvorenie ťahu spalín umelo – pomocou spalinového ventilátora).

Schéma usporiadania elementov dymovodu a kotla, viď obr. č. 8 :



Charakteristika STN 73 4210

Obsahové ťažisko tejto normy je najmä v dvoch bodoch : 1. v technológii, t.j. v spôsobe zhotovenia komínov a ich elementov : plášťa, sopúcha, čistiacich otvorov, dvierok, lavičiek a pod. 2. v zásadách pripojovania spotrebičov na komín.

Platí zásada: Otvorené spotrebiče palív (bez zreteľa na druh spaľovaného paliva) sa pripájajú samostatným dymovodom do samostatného komína (komínového prieduchu) – okrem zvláštnych prípadov v tejto norme uvedených. Toto sa týka spotrebičov paliva lokálnych aj centrálnych. Kominárske normy zostávajú naďalej záväzné.

V otázke získania povolenia na tepelnú prevádzku spotrebičov má výpočet komína pre všetky možné prevádzkové stavy prednosť pred (tabuľkovými) odporučeniami tejto normy.

V minulosti sa komínové vložky robili dokonca nafúknutím plastového „rukávu“ do prieduchu komína. Toto je kategoricky zakázané. Hliníkovú vložku je možné použiť pri atmosférickom horáku s teplotou spalín do 120 °C. Odvod spalín od kondenzačného kotla je možné uskutočniť dokonca z polypropylénového materiálu (s atestom do 150 ° C).

Citovaná vyhláška a obe normy neplatia pre samostatne stojace komíny a to bez ohľadu na ich zhotovenie, teda či sú murované, železobetónové alebo oceľové.

Otázky:
Ako sa horákmi dosahuje zníženie NOx v spalinách?
Ktoré predpisy sa týkajú obsluhy kotlov?
Čo je úlohou komína?
Vysvetlite pojmy: dymovod, sopúch, komínový prieduch!
Uveďte príklady otvoreného spotrebiča paliva!

VETRANIE KOTOLNE

Výrobne tepla (kotolne, výhrevne) musia byť vetrané. V malých kotolniach ( RD, BD) je vetranie často len prirodzené vetracími otvormi do vonkajšieho priestoru. Množstvo vzduchu musí stačiť na prevetranie priestoru kotolne a na spaľovanie paliva. Na vetranie sa normálne žiada 3-násobná výmena vzduchu priestoru kotolne za hodinu.

Je dobré, ak kotolňa má vetrací komínový prieduch na odvedenie vzduchu (a plynu) spod stropu kotolne lebo ZP súc ľahší než vzduch, sa zhromažďuje práve pod stropom. Naproti tomu kysličník uhoľnatý, CO – je ťažší než vzduch a tak sa zdržuje pri podlahe, preto sa zachránili tí kuriči, čo oddychovali na hornej plošine kotla a nie na podlahe.

Vetranie rozsiahlejších výrobní tepla je nútené, t.j. ventilátormi. Vetranie často býva spojené s vykurovaním napr. vzduchotechnickými jednotkami – saharami.

Ak rozvod plynu vo výrobni má (pre)tlak nad 100 kPa (t.j. 1 bar a viac), je predpísaná 6-násobná výmena vzduchu. Tomuto sa predchádza inštaláciou vnútorného plynovodu do tejto úrovne, t.j. pod 1 bar pretlaku plynu – toto ale často vedie k potrebe postaviť regulačnú stanicu plynu.

Vetranie plynových kotolní upravuje STN 07 0703 s názvom: Plynové kotolne (norma je záväzná pre výrobňu, v ktorej aspoň jeden z inštalovaných kotlov má tepelný výkon nad 50 kW.

OCHRANA A BEZPEČNOSŤ KOTLA A KOMÍNA

Kotol a celý spalinový trakt je potrebné chrániť pred nízkoteplotovou koróziou spôsobenou kondenzátom vodnej pary v spalinách, lebo tento je kyslej povahy a napáda kovové časti zariadenia. Vodná para vzniká odparením vody paliva a vody vzniknutej dokonalým spaľovaním vodíka v palive. Ku kondenzácii pary dochádza vtedy, keď teplota spalín podkročí istú hodnotu; hovoríme jej rosný bod spalín (R.B.S.).

Rosný bod spalín – ide o významný pojem kotlárskej a kominárskej techniky, lebo R.B.S. ovplyvňuje účinnosť kotla zásadným spôsobom. Ak rosný bod je nízky (napr. pri ZP), je možné hlbšie ochladiť spaliny bez toho, aby kondenzovali; takto je nutné prevádzkovať normálne všetky kotly. Ak ale ide o tzv. kondenzačné kotly (zhotovené z drahého nehrdzavejúceho materiálu), žiada sa naopak, aby kondenzácia spalín nastala už pri vyššej teplote spiatočky vody klasického systému ÚK; veď skvapalnením 1 kg pary v spalinách sa získa asi 2 000 kJ. Je zrejmé, že kondenzačné kotly je vhodné použiť pri podlahovom vykurovaní (40/30 oC a menej), gravitačnom vykurovaní domov s mohutnými rozvodmi a predimenzovanými radiátormi s nízkym celoročným pomerom teplôt systému ÚK (60/50 oC a menej) a podobne. Účinnosť kondenzačných kotlov je vyššia voči klasickým o 3 až 6 % a viac. Kondenzát vzniknutý podchladením spalín pod ich rosný bod je nutné odviesť do odpadu po jeho neutralizácii, napr. prechodom cez vrstvu vápencového piesku.

Keď je R.B.S. taký dôležitý – je na mieste otázka : Na čom závisí jeho hodnota?

Bez dlhých výkladov povedzme: úroveň R.B.S. je priamoúmerná vlhkosti paliva (lebo ona zvyšuje parciálny tlak pár v spalinách, a tým sa automaticky dvíha bod sýtosti pár, t.j. R.B.S.), ďalej, úroveň rosného bodu je dvíhaná obsahom síry v palive. (Síra oxiduje normálne v kotle na kysličník siričitý, SO2, tento neovplyvňuje R.B.S., ale časť z neho, asi 1 % sa premieňa na kysličník sírový SO3 a tento vo forme pár je zodpovedný za prenikavý nárast R.B.S. o niekoľko desiatok oC, [L23].



Okrem doteraz uvedených dvoch závislostí rosného bodu (závislosti na vlhkosti paliva a na obsahu síry v palive), R.B.S. závisí ešte dosť podstatne na prebytku vzduchu pri spaľovaní, ale nepriamoúmerne, teda čím väčší prebytok vzduchu, tým nižšia hodnota rosného bodu spalín.

Táto závislosť je vehementnejšia smerom ku kaloricky podradným palivám s vyššou vlhkosťou, [L24]. Pre bezsírnaté palivá možno urobiť čiastkový uzáver, že ich rosný bod má hodnotu pod 70 oC (plynné palivá a drevo dokonca pod 60 oC), a to bez ohľadu na druh paliva a prebytok spaľovacieho vzduchu, (lebo tento znižuje R.B.S.).

Keďže už bolo konštatované, že prebytok vzduchu pri spaľovaní sa volí podľa kvality paliva (plynné palivá prebytok do 5 %, tekuté do 10 % a pevné palivá nad 20 %), možno prijať názor, že rosný bod spalín závisí v podstate na druhu spaľovaného paliva a pri pevných palivách ešte na spôsobe spaľovania (t.j. či spaľovanie pevného paliva prebieha vo výtavnom, granulačnom, či roštovom ohnisku), [L4].

Sírnaté palivá je potrebné neutralizovať zásaditým vápencom, a to mokrou alebo suchou cestou (prvá je účinnejšia a nákladnejšia). Vyhláška MŽP 706/2002 Z.z. stanovuje emisný limit (EM) pre zlúčeniny síry v kotloch v rozpätí od 0,3 do 50 MW tepelného výkonu  vo výške 2 500 mg z 1 kg spaľovaného pevného paliva. Pri plynových kotloch je to len 35 mg/kg. Toto rozpätie pokrýva značnú časť výkonov kotlov v komunálnej energetike, v súčastnosti toto výkonové pásmo je diverzifikované, viď kapitolu: Ochrana ovzdušia.

Ďalšia ochrana kotla ÚK (najmä liatinového) sa týka nebezpečia pre materiál kotla jeho tepelným prehriatím od nedostatočného chladenia, zapríčineného slabou cirkuláciou obehovej vody kotla. Výrobcovia kotlov spravidla požadujú, aby prietok v prevádzkovanom kotle nikdy nepoklesol pod 20 % z menovitej hodnoty. Toto sa zabezpečuje zviazaním chodu horáka so stýkačom el.pohonu obehového čerpadla, prípadne ešte aj s istením od mechanického čidla prietoku vody – (switch flow).

EXPANZIA VODY

Kotol je normálne istený voči pretlaku inštaláciou expanznej nádrže a povinnou výbavou (poistným ventilom a manometrom); pre bezpečnosť vykurovacieho systému platí naďalej STN 060 830 (zabezpečovacie zariadenie ... spolu s STN EN 12 828 – pre vykurovacie systémy v budovách). Tieto normy nie sú záväzné.

Dnes sú na trhu sofistikované zariadenia na minimalizáciu rozmerov expanzných zariadení. Tieto oddeľujú vakom plynový expanzný vankúš od styku s vodou vykurovacej sústavy a sú dosť nákladné, napríklad pre sústavu horúcovodu obsahu 200 m3 so zdrojom 12 MW dodávka expanzného zariadenia bola ponúknutá za 60 tis.€ v tomto konkrétnom projekte.

Ponuka nebola akceptovaná a expanzia bola zabezpečená prostým odpúšťaním prebytočnej vody počas jej ohrevu a naopak dotláčaním vyexpandovanej vody naspäť do vykurovacieho systému v dobe jeho chladnutia. Styk vody so vzduchom chráni dusíková, chemicky neutrálna atmosféra, tlak dusíka udržuje miniatúrny kompresor. Realizačné náklady nedosiahli ani polovicu ponuky zariadenia s vakom. Námietka dodávateľa expanzie s vakom, že dusík sa rozpúšťa vo vode (v nádrži) je teoreticky opodstatnená, ale intenzita tohto rozpúšťania je malá, lebo pretlak dusíka v nádrži voči hladine vody v tejto nádrži je len 5 - 10 kPa a dusík je chemicky neutrálny prvok.

Ďalšia námietka: Neodplynený dusík z vodného obsahu vykurovacieho systému môže spôsobovať poruchy v cirkulácii vody – obstojí, ale len v zle navrhnutých príslušných zariadeniach, najmä v zle spádovaných a zle odplynených rozvodoch. Je nutné použiť dvojúrovňové odplynenie väčšieho výkonu (ručné) pre nábeh a druhé pre automatické odplynenie v normálnej prevádzke vykurovacej sústavy.

ODPLYNENIE VODY (VODNEJ SÚSTAVY)

Dnes existuje na trhu aj kontinuálne odplynenie vodnej sústavy, a to na princípe vákua. Vákuum vytvára čerpadlo v nádržke; je nízkeho odplyňovacieho výkonu (asi 0,5 m3 vody za hodinu) a neznámeho účinku.

Odplynenie vody najväčších výkonov sa používa vo veľkej energetike: napájacia voda pre parné kotly sa nechá padať gravitačne systémom kaskád do napájacej nádrže (aj 100 m3 obsahu) v odplyňovači proti prúdu pary. Táto sa nasycuje plynmi uvoľnenými padaním vody nadol kaskádami odplyňovača a odnáša ich výfukom do atmosféry. Odplyňovací výkon je rádovo aj v tonách vody za hodinu. Ide bezo sporu o najúčinnejšie odplynenie, ale vo vodných kotolniach a výhrevniach nie je k dispozícii para, preto ho v nich nemožno uskutočniť, [L18], viď obr. č. 9.



Otázky:
Čo je rosný bod spalín?
Čo predovšetkým určuje hodnotu potrebného prebytku vzduchu pri spaľovaní paliva v kotle?
K čomu slúži switch flow v kotle?
Je dusík rozpustený vo vode škodlivý voči kovu?
Prečo sa fyzikálne odplynenie vody parou neuplatňuje vo vodnom systéme ústredného vykurovania?
Kedy je predpísaná 6-násobná výmena vzduchu v plynovej kotolni?

RIADENIE VÝROBNE TEPLA

Malé plynové kotly sú regulované ručným nastavením výšky výkonu podľa teploty vonkajšieho vzduchu. Niektoré kotly sú vystrojené 2-stupňovým horákom pre prechodné obdobie a pre tuhú zimu.

Existujú liatinové kotly (závesné), vystrojené tzv. modulovaným plynovým horákom, vypínajúce prívod plynu do kotla ešte pred dosiahnutím ručne nastavenej žiadanej teploty vody (napr. o 7 oC). Kotol dôjde na žiadanú teplotu využívajúc akumuláciu tepla v liatine kotla.

Na trhu sú tiež kotly menšieho výkonu, ktoré majú regulačný plynový horák pre výkonové pásmo 65 -100 % menovitého výkonu, prípadne ešte väčší rozsah.

Rozsiahlosť a podrobnosť inštalácie riadiaceho systému (RS) má byť úmerná veľkosti, dôležitosti (z hľadiska parametrov teplonosného média) a miery ohrozenia bezpečnosti zariadenia. Typické členenie nákladov v praxi: 12 MW výhrevňa na horúcu vodu vykazuje toto delenie investičných nákladov: 1,4 mil.€, z toho: 30 % stavebná časť novopostaveného jednoúčelového objektu, 50 % strojná technológia vrátane plynu, 15 % elektro + MaR a RS; projekt + inžinierska činnosť 5 %. Merné investičné náklady 117 €/kW; bez stavby: 82 €/kW – dajú sa považovať za primerané.

Malé kotolne, rodinné domy a individuálne bytové domy môžu byť združené do obsluhy s občasným dozorom a ostatné väčšie kotolne môžu zostať bezobslužné; pochôdzkar tu prijíma do svojho mobilu informácie od vysielačiek jednotlivých miest o ich prevádzke a o prípadných vykonaných zásahoch autonómnych riadiacich systémov (RS).

Nákladovosť na RS je priamoúmerná dosiahnutému komfortu a zníženiu stavu obsluhy.

Pri racionalizácii starých zdrojov tepla pochopiteľne jej najlacnejšia etapa (jej prvý krok) je zníženie osobných výdavkov na obsluhu s najnižšou návratnosťou vynaložených finančných prostriedkov. Parné kotly nebolo donedávna možné ponechať bez stálej obsluhy z dôvodu akútneho nebezpečia straty hladiny vody (v bubne) kotla. Existuje už zariadenie na stráženie hladiny vody v parnom kotle, nahradzujúce stálu obsluhu a redukujúcu túto do úlohy občasnej kontroly na mieste, a to raz za 6, 12, 24 hodín – podľa zvoleného modulu a ceny regulátora.

Tradičné regulačné okruhy RS tepelnej výrobne:
Ekvitermická regulácia ohrevu vykurovacej vody: toto sa uskutočňuje miešaním vody spiatočky s jej výstupom z kotolne; často to znamená použitie mixu veľkého DN. Racionálnejší variant je využitie rozsahu modulovaného plynového horáka plus RV na vodu malého DN. Pri malých kotloch (RD) a radovej zástavbe sa lepšie uplatňuje regulácia výkonu vykurovania od izbového termostatu (pokiaľ je možno vybrať vhodnú referenčnú miestnosť); pri bytových domoch, veľkých budovách, okrskových kotolniach do úvahy prichádza len regulácia (vlečná) podľa vonkajšej teploty ovzdušia, [L21].
Metóda riadenia kotla od izbového termostatu má tú systémovú závadu, že zmena teploty vzduchu nastáva až po zmene teploty povrchu vnútorných stien miestnosti. Odstránenie, či len zmiernenie tejto dynamickej disproporcie medzi výkonom vykurovacích telies a skutočnou potrebou tepla miestnosti môže priniesť značné úspory tepla, [L21].

Pri HV zdroji limitovanie ?T vody kotla do 40 oC sa realizuje cez RV v obtoku kotla, respektíve čerpadlom s frekvenčným meničom; je potrebné preveriť pracovný rozsah meniča s jeho výrobcom (a aj okolnosť, či prístup k softvéru čerpadla je zahrnutý do ponukovej ceny).
Regulácia teploty vody (HV) do výhrevne pred vtokom do kotlov podľa požiadavky výrobcu kotlov (napr. minimálne 50 oC) sa dosiahne skratom medzi výstupom a spiatočkou vody do výrobne. Skrat sa využije aj pri studenom štarte výrobne na začiatku vykurovania.
Regulácia statického tlaku siete: pri HV ide o reguláciu neutrálnej úrovne tlakového diagramu siete (dnes je rozšírený spôsob celú expanziu zabezpečiť komplexnou dodávkou  expanzného zariadenia s oddelením vzduchového vankúša vakom) s pripojením na spiatočku HV.
Automatické dávkovanie chemikálií (fosforečnanu sodného od čidla prietoku doplnkovej vody na jej domäkčenie a kysličníka siričitého na potlačenie účinkov kyslíka  kotlovej vody, a to priamo do kotlov).
Úprava tlakovej diferencie vonkajšej siete: buď ovládaním RV tlakovej diferencie, alebo je to čoraz častejšie zmenou obrátok motora sieťového čerpadla cez frekvenčný menič. Menič môže prakticky zmeniť obrátky v rozmedzí 35/50, t.j. o 30 % - toto obyčajne postačuje pre potreby siete. Zmyslom tohto opatrenia je zamedziť interferencie siete (napr. pri ohreve J – fasád domov privretím TRV) do kotlov. Ak je kotolňa oddelená hydraulickým anuloidom, tak FM pre tento účel nie je potrebný.

Blokády: Mimo blokády kotla od výrobcu sú tradičné blokády chodu horákov kotlov: od výskytu plynu (nevratné), od teploty na výstupe vody kotlov, tlaku vody kotlov, teploty spiatočky vody do kotlov, tlaku vody v sieti (vratné),atď. napríklad: oddelenie výhrevne od vonkajšej siete (dvomi uzávierkami s motorickým pohonom), a to vtedy, keď množstvo prídavnej vody je neprimerane veľké, a ešte iné blokády.

Otázky:
Je v súčasnosti možná prevádzka parnej kotolne len s občasnou obsluhou?
Je racionálne uplatniť plynový, modulovaný horák v súvislosti s ekvitermickou reguláciou?
Aký je účel inštalácie frekvenčného meniča el. pohonu sieťového čerpadla?
Ako sa môže fyzicky prejaviť hrubá netesnosť HV rozvodu v jeho výhrevni?
Čo je nedostatkom riadenia vykurovania zapínaním/vypínaním kotla len v závislosti od izbového termostatu referenčnej miestnosti?

ROZVOD ÚSTREDNÉHO VYKUROVANIA

Teplonosným médiom v systéme UK môže byť voda alebo para. Pracovné parametre vody spravidla nepresiahnu 16 bar a 150 oC, a pary 16 bar pretlaku a 250 oC – ani pri diaľkovom vykurovaní. Preto pre rozvod oboch médií uvedených parametrov (bohato) vyhovuje potrubie zhotovené z oceľových rúrok triedy 11, t.j. z konštrukčnej ocele (uhlíkatej) so zaručenou zvariteľnosťou do pevnosti 40 bar a do 200 oC. (Pre teplotu pary 300 oC sa medza pracovného pretlaku média znižuje na 32 bar); rozvod do 3“ môže byť zhotovený aj z rúrok závitových bezšvíkových alebo z oceľových rúrok hladkých bez obmedzenia dimenzie.

Pokiaľ ide o vnútorné rozvody v budovách – rozmáhajú sa medené rúrky (zatiaľ do DN 20) tenkostenné, ťahané za studena, spájajú sa cínovou spájkou alebo medenými tvarovkami (fitingami). Spájkovanie zanecháva stopy (fľaky) na medenom povrchu, a tým sa znehodnocuje estetický dojem z medi. Rozvod z tvaroviek je krajší (nemá fľaky), ale drahší. Spájajú sa lisovaním a tesnosť má ešte zvýšiť O-krúžok umiestnený v žliabku spojenia. Životnosť krúžku zvyšuje jeho zhotovenie z elastomeru – EPDM.

Okrem tohto sa ponúkajú na trhu ešte plastové rúrky a hadice aj v kombinácii s hliníkom. Ťažko robiť hodnotiace komentáre k tomuto, lebo doba používania u nás je krátka a referencií je málo. Je isté, že tieto materiály podstatne skracujú montáž. Stojí za zmienku poznamenať, že farebným kovom vyhovuje (z hľadiska životnosti) iná chemická povaha vody v rúrkach než oceli: oceľ vyžaduje pH vody nad 8,5 (bez obmedzenia), meď žiada vodu s povahou pod pH 9, hliník žiada vodu s pH pod 7,5; [L20], preto sa volí pH vody princípom spoločného menovateľa jednotlivých – pH – hodnôt všetkých použitých materiálov.

ARMATÚRY

Súčasťou rozvodu sú armatúry a prírubové spoje. Z armatúr sú najbežnejšie uzatváracie: ventil, posúvač – (šupátko) a kohút, viď obr. č. 10 (v dnešnej dobe sa používajú aj uzatváracie klapky, v ktorých ale nemožno dosiahnuť vyššiu tesnosť a zhotovujú sa spravidla do tlaku PN10).



Ventil vykazuje dobrú tesnosť voči prietoku média, má však veľkú tlakovú stratu spôsobenú dvojnásobnou náhlou zmenou smeru prúdenia o 90o; vo ventile nejde o škrtenie prietoku, keďže pri jeho plnom otvorení prietočný prierez sedlom (a ventilom) je rovnaký ako pripojeného potrubia. Pre tesnosť ventila je rozhodujúce, že kuželka s vretenom smerujú kolmo do sedla – na rozdiel od posúvača. Ventil vľavo na obrázku č. 10 je uzatvárací, priamy, prírubový, strmeňový na vodu a paru do tlaku 16 bar a 200 °C. Vpravo na tomto obrázku je zobrazený posúvač (šupátko) uzatvárací, priamy, prírubový, bez strmeňa na vodu do tlaku 10 bar. Okolnosť či uzávierka má strmeň, určuje, či vreteno pri otváraní stúpa. V tepelných a plynových diaľkovodoch sa používajú posúvače so stúpajúcim vretenom, pritom ich ovládací mechanizmus, napr. ručné koleso, nestúpa. Je to preto, aby aj zďaleka bolo vidieť, či je armatúra otvorená alebo zatvorená.

posúvači, pokiaľ ide o jeho tesnosť, je to naopak voči ventilu : je tu malá tlaková strata a menšia tesnosť. Tu sa srdce zasúva do medzery medzi dve takmer rovnobežné steny telesa opatrené po obvode tesniacimi plôškami. Pri posúvači je nevýhodný jeho veľký zdvih a existuje nebezpečenstvo zadretia srdca do telesa. Netesnosť srdca (klinu) sa snaží potlačiť konštrukcia šupátka s poddajným klinom. Táto konštrukcia sa uplatňuje pri vyšších parametroch média (nad 100 bar tlaku).

Kohút je najtesnejší typ uzatváracej armatúry, otvára a zatvára prietočný prierez pootočením klinu o 90o voči telesu, vyrába sa v menších dimenziách pre malé prietoky (do DN 100), napríklad na výpust vody z kotlov, rozvodov a podobne; a je typickým uzatváracím prvkom plynárenskej techniky – v plynotesnom zhotovení. Tesnosť kohúta treba vidieť v jeho kužeľovitom tvare a dá sa zvýšiť pritiahnutím skrutky klina, t.j. jeho tesnejším zasunutím do telesa.

Okrem týchto 3 základných typov uzatváracej armatúry existuje ešte celá škála armatúr so špecifickou funkciou: spätná uzávierka (ventil, klapka) nedovoľuje spätné prúdenie média, poistná armatúra – poistný ventil je bezpečnostná armatúra voči prekročeniu tlaku média nad nastavenú hodnotu. PV sa identifikuje svetlosťou (DN), pevnosťou (PN), pracovným stupňom (podľa prípustnej teploty média – do 200 oC – ide o I. pracovný stupeň, do 300 oC – ide o II. pracovný stupeň) a otváracím tlakom – po jeho dosiahnutí médiom – PV začína prepúšťať médium do prostredia s nižším tlakom, spravidla do vonkajšej atmosféry (v súčasnosti sa označenie pracovný stupeň už dlhšiu dobu nepoužíva).

Špeciálna armatúra je regulačný ventil (RV), jeho kuželka má zvláštny tvar zabezpečujúci určitý charakter závislosti prietoku tekutiny (kvapaliny, plynu) na zdvihu kuželky. Táto závislosť môže byť lineárna alebo rovnopercentná (ekvipercentná), viď stať: Návrh regulačného ventila, [L8].

MATERIÁL ARMATÚR

Materiál armatúr sa volí podľa povahy pracovnej látky, jej parametrov a prostredia. Tak pre paru výhradne sa používa liatina a to šedá do tlaku 16bar a 200 oC teploty, nad to ide o oceľ na odliatky. Pre najvyššie parametre pary sa uplatňuje oceľ zliatinová, austenitickej štruktúry.

Pre oblasť UK- na vodu do 16bar a do teploty 200oC tiež možno použiť šedú liatinu ale v interiéroch objektov prevažuje použitie armatúr z farebných kovov. Drobné armatúry (fitingy) ako závitové, väčšie dimenzie ako prírubové. Hádam najbežnejšou súčasnou armatúrou v oblasti UK je uzávierka guľového typu.

Drobné armatúry na paru pre vysoké parametre sa zhotovujú kovaním v zápustke, najmä ak ide o sériovú výrobu.

Neodvodnená parná armatúra môže prasknúť nielen od mrazu ale aj pri uvádzaní zariadenia do prevádzky lebo je nerovnomerne ohrievaná.

Armatúram škodia nečistoty média, bočné tlaky na teleso a veľký tlakový spád ponechaný medzi prívodným a spiatočným potrubím a tento rozdiel musí armatúra prekonávať. Toto je obvyklá situácia armatúr (regulačných) pred výmenníkom v OST, umiestnených bližšie k centrálnemu zdroju (HV výhrevne, či teplárne) v ňom je zdroj – tlaku – obehové (sieťové) čerpadlo vody; preto je nutné aspoň jednorázovo (staticky) sieť vyregulovať a tlakovo odľahčiť regulačnému ventilu neprimerane namáhanému, a to použitím škrtiacich armatúr, napríklad nastavovacích ventilov [L2, 17]. K materiálu sa viaže ešte kapitola: Plynárenstvo, 2. diel.

Dilatácia (oceľového) rozvodu

Potrubie nahriate teplonosnou látkou sa prirodzene rozťahuje. Ohriatím oceľového potrubia o  100 oC sa toto roztiahne o 1,2 mm na bežný meter dĺžky, už pri 10 m dĺžke priamej trasy to činí 12 mm. Toto rozťahovanie musí byť umožnené, nie potlačené. Preto sa rozvodné potrubie (prívod plus spiatočka) trasuje tak, aby sa využila prirodzená schopnosť potrubia kompenzovať dilatáciu zmenou smeru trasy (v ohyboch, kolenách); tam kde nie sú tieto možnosti, musia sa inštalovať umelé kompenzátory. Sú zásadne axiálne (umožňujú osový posun potrubia), radiálne (pohyb kolmo na os potrubia) a laterálne (bočné) a ich kombinácie.

Pevné body trasy rozvodu sú zariadenia ako: kotly, výmenníky, čerpadlá vradené do rozvodu. Nedostatok týchto pevných bodov v prípade potreby nahradzujú umelé pevné body – fixné kotvenie potrubia.

Je dobré inštalovať umelé axiálne kompenzátory pre pripojenie obehového čerpadla (aspoň na jeho výstupnú stranu), aby sa zamedzilo šíreniu chvenia z čerpadla ďalej do potrubia. Najjednoduchšie je trasovať potrubie a voliť pevné body tak, aby vznikli voľné úseky tvaru „L“, matematickou formulou sa stanoví potrebná dĺžka kratšieho ramena, aby táto vykompenzovala svoje dlhšie rameno.

Otázky:
Guľový uzáver je svojimi vlastnosťami typ skôr kohútový, šupátkový, či ventilový?
V čom je podstata tesnosti ventilu?
Aké je najčastejšie zhotovenie armatúr (PN) vo vykurovacej technike?
Akou technológiou sa zhotovujú drobné armatúry (do DN 100) pre vysoké parametre (na 100 bar)?
Čo je laterálny kompenzátor dilatácie potrubia?
Podľa čoho sa rozozná, či pri otváraní armatúry jej vreteno bude stúpať?

SPOTREBIČE TEPLA

Najbežnejším spotrebičom tepla vo vykurovaní je vykurovacie teleso a z rôznych typov telies je dosiaľ najbežnejší článkový typ. To, že články sú vo výrobe predmontované v istých blokoch (1, 3, 5, 10) je možné skompletizovať teleso s ľubovoľným počtom článkov. Typizáciou a normalizáciou rozmerov článkov sa dosiahlo značné zlacnenie výroby a montáže telies.

Vykurovacie teleso má byť umiestené pod oknom alebo popri najchladnejšej stene a s dostatočnou medzerou od zvislej steny a podlahy. Článkové telesá majú teplovýmennú plochu článkov usporiadanú kolmo voči priľahlej stene; toto zabezpečuje minimálnu potrebnú dĺžku telesa, ale na druhej strane vyžaduje jeho istú hĺbku, t.j. zmenšenie úžitkovej pôdorysnej plochy miestnosti.

Podľa materiálu sú článkové telesá oceľové a liatinové, oceľové sú zhotovené z oceľového plechu (hrúbky 1,0 – 1,5 mm) a liatinové zo šedej liatiny. Liatinové sú materiálovo a technologicky náročnejšie na výrobu a sú 4-násobne ťažšie než plechové – majúc tak väčšiu zotrvačnosť. Vodný obsah oboch druhov článkov je približne rovnaký; pre ilustráciu uvedieme parametre najčastejšie použitého telesa v panelákoch: výška 500 mm, hĺbka 150 mm, 1 článok má obsah asi 1 l vody, výhrevnú plochu cca 0,2 m2 a pokiaľ ide o tepelný výkon článku, ten činí asi 90 W (pri oceli aj liatine) – pri vodnej sústave 90/70 oC a 20 oC teplote vykurovanej miestnosti. Do 1 m dĺžky telesa pripadne asi 16 článkov liatinových a 20 oceľových.

Pokiaľ ide o panelový (doskový) typ radiátora – tento sa robí len v oceľovom zhotovení a jeho prednosťou je malá hĺbka telesa, ale nevýhodou je veľká potrebná dĺžka telesa. Intenzita sálania je zrovnateľná s konvekciou telesa, [L25].

Tabuľkové výkony vykurovacích telies sa viažu na strednú teplotu vody v telese a na (požadovanú) teplotu vzduchu v miestnosti, t.j. na teplotový spád. Ak skutočný spád je iný, tak prichodí katalógový tepelný výkon korigovať. Podobne je potrebné korigovať odchýlku od skutočného prietoku telesom voči katalógovému. Z výsledku korekcie plynie, že zmena tepelného výkonu telesa je miernejšia než lineárna zmena teplotového spádu. Tú istú tendenciu možno pozorovať aj pri hodnotení vplyvu prietoku vody telesom.

Prichodí ešte sa zamyslieť nad tvarovými podmienkami, ovplyvňujúcimi hodnotu súčiniteľa prechodu tepla, v stručnosti : výška, hĺbka a hladkosť povrchu telesa znižujú hodnotu tohto súčiniteľa, ale nie rovnakým dielom.

Ak porovnáme dva extrémne prípady tvaru a materiálu radiátora: nízkeho, úzkeho, liatinového článku s článkom vysokým, širokým, oceľovým – konštatujeme, že liatinový radiátor dosahuje vyššiu hodnotu súčiniteľa prechodu tepla, a to až o 28 %. Teda : pre požadovaný výkon stačí inštalovať o  28 % menšiu plochu voči oceľovému variantu telesa. Toto z čisto teplotechnického hľadiska je pozoruhodné, ale nie v plnej miere využiteľné, lebo o počte, tvare a umiestnení telies v miestnosti rozhodujú predovšetkým stavebno-dispozičné a architektonické ohľady. Najefektívnejším článkovým telesom po stránke jeho tvaru je nízke a súčasne štíhle teleso (napríklad 300/100mm prípadne ešte menšej hĺbky).

Z toho istého literárneho prameňa plynie, že nízke a dlhšie telesá vykazujú priaznivejší priebeh teploty vzduchu po výške miestnosti.

Je pozoruhodné, ako súvisí náter (farba) povrchu telesa s jeho tepelným výkonom: Ak výkon nenatretého telesa označíme ako 100 %, potom hliníkový náter dosahuje 75 %, bronzový 76 %, email biely 104 % výkonu, toto súvisí s obsahom kovov vo farbe, [L1,5].

Aby vykurovacie teleso riadne fungovalo, musí byť postarané o jeho riadne odvzdušnenie počas plnenia vykurovacej sústavy vodou (zdola sústavy) a v prevádzke.

V poslednom desaťročí sa prienikom zahraničnej technológie rozšírila inštalácia individuálneho odvodnenia každého vykurovacieho telesa na spiatočke spolu s možnosťou doregulovania prietoku vody telesom; toto sa uplatňuje najmä v telesách situovaných blízko obehového čerpadla, t.j. s veľkým prebytkom dynamického tlaku a aj z obavy hlučnosti TRV.

V úvode tejto kapitoly sa uvádza, že najčastejšie panelákové vykurovacie teleso je článkový radiátor (prednostne liatinový v družstevnej bytovej výstavbe), 500/150; toto konštatovanie plno platí pre minulosť. V súčasnosti: už dávnejšie prebralo prím doskové, plechové, smaltované, biele teleso s vnútorným rebrovaním (KORAD). Vnútorné usporiadanie vytvára komínový efekt. Tento je priaznivý pre zvýšenie hodnoty koeficienta prestupu tepla z povrchu telesa do vzduchu a intenzifikáciu výkonu telesa.

Po stránke tepelnej techniky vykurovacie teleso predstavuje výmenník tepla voda-vzduch.

Ešte poznámka k voľbe dĺžky a výkonu telesa: Podľa súčasných zásad dĺžka vykurovacieho telesa, umiestneného pod oknom, má byť (aspoň) rovná šírke okna a okrem toho: výkon fiktívnej plochy danej obrysom čelného pohľadu na teleso (zo strany miestnosti) má byť aspoň rovný tepelnej strate okna a parapetu. Toto sa robí v záujme eliminácie chladného povrchu okna a parapetu, [L5].

Pokiaľ ide o vykurovanie priemyselných hál, tam sa uplatňujú vykurovacie telesá 2 – 3 druhov: rebrovaná rúrková plocha (rúrky nad DN 50) zváraná do robustných registrov. Efekt rebra vyjadruje jeho účinnosť, bežne sa berie 70 %: t.j. súčin rebrovej plochy x 0,7 je rovnocenný teplovymieňajúcej ploche základnej rúry, na ktorú je rebro navinuté. Táto účinnosť je úmerná hrúbke a nepriamo úmerná výške rebra, [L15]. Najbežnejším vykurovacím telesom v priemyselných halách je vzduchotechnická jednotka – sahara. Ide o krížový výmenník vzduch – voda; vzduch prúdi nútene cez rebrovaný výmenník (oceľ, Cu), je nasávaný z vonku ( pri vetraní haly až do -5 oC vonkajšej teploty), alebo z interiéru haly – toto je nesporná výhoda sahár, nevýhodou je nerovnomerný ohrev haly po jej pôdoryse a tiež únik tepla do podstrešných partií haly a neexistencia sálavej zložky vykurovania, lebo dochádza len k priamemu ohrevu vzduchu. Ide ale o najčastejší a investične asi najlacnejší spôsob vykurovania veľkých priestorov (v priemysle).

Tieto nevýhody vykurovania priemyselných hál saharami môže odstrániť, či len zmierniť, použitie infražiaričov, viď strana 12 .

Ak hovoríme o spotrebičoch tepla všeobecne, nemôžeme skončiť len pri vykurovaní a vykurovacích telesách, ale treba zahrnúť aj spotreby technologické – veľmi vítané pre ekonomický život každého centrálneho zdroja.

Otázky:
Prečo farebný náter vykurovacieho telesa vplýva na jeho tepelný výkon?
Najmä v ktorých prípadoch sa uplatní doregulácia spiatočky vykurovacieho telesa?
Dá sa vplyv rozmerov telesa na jeho merný výkon charakterizovať len jeho výškou?

PRÍPRAVA TEPLEJ ÚŽITKOVEJ VODY

Pod týmto označením u nás sa myslí ohrev pitnej vody z vodovodu alebo zo studne pre humánne, sanitárne účely. Teda nejde o úžitkovú vodu a názov TÚV – je nesprávny, v krajinách EÚ sa používa označenie – teplá voda(TV), ale u nás je široko zaužívaný.

Pre plánovacie a projekčné účely sa zatiaľ používa „stará“ norma STN 060320 – Ohrievanie teplej úžitkovej vody, lebo pre novú výstavbu niet zatiaľ náhrady za túto nezáväznú normu. Pre existujúce objekty je spoľahlivejšie pre projektanta obstarať si snímok spotreby teplej vody, napr. v týždennej relácii. V bytovom sektore sa ukazuje špička (s)potreby teplej vody v dňoch víkendu vo večerných hodinách. Vcelku voči minulosti došlo k radikálnej úspore teplej vody – toto sa pripisuje zdraženiu tepla a vody a zavedením jej merania. V súčasnosti je už povinné meranie studenej aj teplej vody konečného spotrebiteľa a aj na pätách obytných domov.

V podstate sú dva spôsoby prípravy TV: najmä v rodinných domoch sa ohrev TV môže diať priamo v kotle ÚK: čidlo prietoku TV prepne kotol na ohrev vody spravidla na plný výkon kotla (nástenné kotly s výkonom 24, resp. 29 kW), teda ohrev TV má prioritu pred vykurovaním. Týmto sa netvrdí, že v RD neexistuje ohrev vody zásobníkovým spôsobom, dokonca aj priamy ohrev vody v kotle RD má mať aspoň malý zásobník vody (40 l), aby nedochádzalo k častému prepínaniu kotla na ohrev vody. Zásobníkový spôsob je sprevádzaný vyššou energetickou náročnosťou v dôsledku tepelných strát plášťom zásobníka.

Ohrev vody v zásobníku v RD môže byť aj len vykurovacou vodou, a to buď gravitačným alebo čerpadlovým spôsobom, čerpadlový je pochopiteľne pružnejší – na sprchovanie je potrebný prietok TV aspoň 13 ÷ 15 l/min. a spotreba nad 40 l/osobu. Ohrev zásobníka môže byť hybridný: ÚK plyn, TV – elektricky. Toto je prijateľné pri zriadení lacnejšej tarify za odber elektriny, ďalší hybrid môže byť: ÚK – voda, TV – plyn v plynovom zásobníku.

Keď sme už pri zásobníkoch TV, upozorňujeme na pasáž venovanú tejto téme v kapitole: Parné a kondenzátne hospodárstvo, týkajúce sa zariadenia na podstatnú redukciu počtu veľkopriestorových ohrievačov TV v kotolniach, výhrevniach a OST, str.41.

Zvláštnosťou ohrevu TV je tzv. cirkulácia, cirkulačné potrubie TV. Ide o to, že najmä v nočnom čase je potreba teplej vody takmer nulová, ale predtým ohriata voda chladne v prívodnej sieti ku kuchynským a kúpeľňovým batériám. Na elimináciu tohto javu sa zavádza cirkulačné potrubie, v ňom nespotrebovaná TV sa vracia spred batérií naspäť do zásobníka na dohriatie. Voda v potrubí sa ochladzuje, a toto teda znamená istú tepelnú stratu. Táto strata je úmerná priemeru a dĺžke cirkulačného okruhu a nepriamo úmerná kvalite tepelnej izolácie. Takáto inštalácia je bežná v bytových domoch (ale nebola vždy), aj medzi OST a bytovkami, záleží preto veľmi na kvalite izolácie. Stačí si uvedomiť, že na ohrev 1 kg vody je teoreticky potrebné asi 1 800 kJ, ale skutočná spotreba (priemerná behom roka) môže byť aj dvojnásobná. Preto správcovia domov, či dodávatelia tepla stoja pred dilemou: obnovovať prežité (predimenzované a zle zaizolované) rozvody TV (medzi OST. a bytovkami), alebo zriadiť ohrev TV priamo v obytných domoch. Rozhodnutie vyžaduje vecnú a nestrannú úvahu. V RD sa spravidla cirkulácia TV nezriaďuje, preto je dobré, ak kúpeľňa a kuchyňa sú situované blízko kotolne (alebo blízko plynových, či elektrických ohrievačov) pre zníženie, či elimináciu strát tepla vody stagnujúcej v jej prívodnom potrubí k batériám. Dôvodom na zriadenie cirkulácie TV je hlavne pohotovosť jej dodávky.

Na stanovenie cirkulačných tepelných strát (medzi OST a bytovkami) stačí inštalovať meraciu súpravu pozostávajúcu z prietokomera, z 2 čidiel a integrátora, pritom prietokomer je nutné osadiť do cirk. potrubia.

Citovaná STN 060 320 stanovuje ohrev TV tak, aby jej odberateľ mal k dispozícii vodu s teplotou od 50 do 55 oC (krátkodobo v čase špičiek odberu min. 45 oC).

TV pre humánne, zdravotné účely (umývanie, sprchovanie, kúpanie) musí byť zdravotne nezávadná, t.j. musí spĺňať kritériá bakteriologické, biologické a chemické, [L21]; v chemických kritériách je čiastočne obsiahnutá aj ochrana zariadenia slúžiaceho príprave TV (alkalita pH <8,8; limitovanie obsahu chloridov, koncentrácie vápnika, horčíka a voľného CO2). Ani dodržaním týchto limitov nemožno vylúčiť koróziu zariadenia a tvorbu nánosov – inkrustov solí vápnika a horčíka.

Proti vzniku inkrustov sa do ohrevu predraďuje fyzikálna úprava vody: magnetická alebo vysokonapäťová. Prejdením vody magnetickým alebo napäťovým poľom sa pevná kryštalická štruktúra nánosov mení na rozpustný kal, teda tvrdosť vody sa neodstraňuje, len mení fyzikálnu povahu. Je preto nutné vzniknutý kal odviesť mimo technologický reťazec TV, napríklad tak, že TV po zmäkčení sa vedie do ustaľovacej nádrže s malou rýchlosťou vody a z dna nádrže sa kal odvedie von, mimo reťazec. Ustaľovacou nádržou môže byť samotný ohrievač TV (t.j. je v ňom aj inštalovaný vyhrievací had s horúcou vodou, či parou, elektrická špirála, atď.); je potrebné dbať na pravidelné odkalovanie zásobníka, v opačnom prípade sa kal môže vrátiť do formy inkrustov.

Teoreticky tento „zmäkčovací“ proces nie je zatiaľ uspokojivo vysvetlený. Niekedy a niekde to funguje, niekde nie. Voľba zmäkčovača len podľa prietoku vody je iba orientačná.

V [L23] je popis, kedy možno očakávať priaznivé výsledky uplatnenia magnetického zmäkčovania TV. Podmienky sú dve:
1. karbonátová tvrdosť vody (prevažne spôsobená uhličitanom vápenatým CaCO3 a horečnatým MgCO3) je vyššia než 7 oN (= 1,25 mmol/l),
2. tzv. index stability vody viac ako 6,5.

Je preto žiadúce preskúmať surovú vodu, z ktorej sa má TV upravovať do akej miery hrozí nebezpečenstvo inkrustácie a do akej miery sa táto dá potlačiť.

Meranie spotreby TV

Meranie spotreby TV konečného spotrebiteľa nie je problémom, sú na to vhodné vodomery. Meranie TV na päte, či vo VS je problémom.

Zdalo by sa, že pre určenie spotreby TV stačí odmerať vstup vody do budovy a výstup (cirkuláciu) z budovy – teda ako rozdiel údajov dvoch vodomerov. Problém je v tom, že cirkulujúcej vody je oveľa viac (aj 10-násobne) než spotreba vody a táto je daná malým rozdielom dvoch veľkých čísiel. Preto sa hľadalo iné riešenie.

Na päte budov v ich interiéri sa zriaďuje oddeľovací výmenník (vytvárajúci samostatný interný okruh TV medzi ním a bytovými batériami); voda vchádza do interného okruhu z vodovodu po otvorení batériových uzáverov, meria sa teda vodomerom vstup studenej vody.

Nevýhody: potreba zriadiť výmenník, čerpadlo do interného okruhu, osadiť vodomer, výmenník sa zanáša soľami napriek magnetickej úprave, potrebná je elektroinštalácia, stavebné úpravy.

Alternatívou k tomuto predsa len je meranie dvomi vodomermi, osadenými v prívodnom a cirkulačnom potrubí s korekciou na nepresnosť merania prietoku 2 spárovaných vodomerov (český výrobca). Problémom je, že táto spárovanosť vodomerov, preukázaná pri ich ciachovaní, sa časom v prevádzke môže stratiť a tento súbor merania už nesplňuje metrologickú podmienku na presnosť meranej veličiny ± 3% menovitej hodnoty.

Otázky:
Prečo je vhodné čisto prietočný spôsob prípravy TV kombinovať s minizásobníkom?
Koľko vody je min. potrebné na dobrú sprchu?
Čo všetko ovplyvňuje cirkulačné tepelné straty TV?
Ako možno technicky zriadiť minimálnu cirkuláciu TV?
Čo podporuje koróziu zariadenia TV?
Odstraňuje magnetická úprava vody obsah solí Ca, Mg v zariadení TV?
Prečo nestačí merať spotrebu TV na päte domu ako prostý rozdiel údajov dvoch vodomerov?