Při zjišťování nezbytného parního výkonu parního kotlového zařízení musí být všechny parní spotřebiče v parní síti nejlépe shrnuty do tabulky se svým minimálním a maximálním výkonem a poté musí být výkon všech spotřebičů sečten.
Přitom je třeba rozlišovat mezi následujícími spotřebiči:
Přímé spotřebiče
ṁD,dV [kg/h] = množství páry pro přímé spotřebiče
U přímých parních spotřebičů je pára uváděna do přímého kontaktu s ohřívanými médii a tam kondenzuje. Vznikající kondenzát je odváděn s produktem (nebo zůstává na produktu) a není parnímu okruhu již k dispozici. Tato spotřeba vody musí být v parním okruhu jako přídavná voda zařízením na úpravu vody opět nahrazena.
Úprava vody - více informací
Přídavná voda musí být k odplynění zahřáta v nádrži napájecí vody, čímž se zvyšuje vlastní potřeba parního kotlového zařízení.
Přímé spotřebiče se nacházejí například u sušicích procesů, u zvlhčování vzduchu, u zahřívání varných lázní nebo u sterilizace.
Parní výkon potřebný u přímých spotřebičů páry je v potřebné formě uváděn jako hmotnostní proud ṁD,dV (množství páry pro přímé spotřebiče) v [kg/h]. Pokud je pro tyto parní spotřebiče uváděn tepelný výkon, pak platí stejné vzorce pro přepočet tepelného výkonu na parní výkon jako u nepřímých spotřebičů.
Nepřímé spotřebiče
Nepřímé parní spotřebiče jsou tepelné výměníky všeho druhu, v nichž pára při odevzdávání tepla kondenzuje a naproti tomu se médium (např. voda) ohřívá. Vznikající kondenzát má přitom nejprve teplotu varu, způsobem odpovídajícím tlaku páry na vstupu do tepelného výměníku, může však být v důsledku protiproudého média ještě dále ochlazován pod teplotu varu. Takový kondenzát je pak označován jako podchlazený kondenzát. Kondenzát je dopraven zpět do nádrže napájecí vody přes odplyňovák.
Tepelný výkon tepelného výměníku je většinou uváděn v [kW] nebo [MW]. Aby byl zjištěn potřebný parní výkon syté páry v [kg/h], musí být tepelný výkon tepelného výměníku přepočítán na výkon syté páry.
Pro první rychlé evidování potřeby syté páry na tepelném výměníku je možno počítat s následujícím jednoduchým vzorcem:
Vzorec k orientačnímu výpočtu potřeby syté páry u nepřímých spotřebičů
ṁD,iV = Q·WT ∙ 1,8
Příklad výpočtu pro orientační výpočet potřeby syté páry u nepřímých spotřebičů
ṁD,iV
množství páry pro nepřímé spotřebiče [kg/h]
Q·WT
tepelný výkon tepelného výměníku [kW]
1,8
faktor odhadu pro přepočet
Pro tlak páry 5 ... 18 barů činí rozdíl vůči skutečnému parnímu výkonu < 5 %. Možné podchlazení kondenzátu přitom není zohledněno.
K přesnému zjištění parního výkonu z tepelného výkonu tepelného výměníku musí být zjištěna entalpie odparu při skutečném provozním přetlaku tepelného výměníku z tabulky syté páry.
Tabulka voda – pára - více informací
Tepelný výkon tepelného výměníku může být následujícím způsobem přepočten na výkon syté páry:
Vzorec k přepočtu tepelného výkonu na parní výkon
Příklad k přepočtu tepelného výkonu na parní výkon
Množství páry pro nepřímé spotřebiče [kg/h]
Tepelný výkon tepelného výměníku [kW]
r
Entalpie odparu při příslušném tlaku [kJ/kg]
Pokud je vznikající kondenzát ve všech provozních stavech podchlazován, tedy zchlazován pod teplotu varu, pak je možno se zohledněním tepelného výkonu pro podchlazení kondenzátu parní výkon vypočítat následujícím vzorcem:
Vzorec ke zjištění množství páry pro nepřímé spotřebiče včetně podchlazení kondenzátu
Množství páry pro nepřímé spotřebiče [kg/h] Q
cp
Specifická tepelná kapacita vody [kJ/kgK]
(do 250 °C je možno s minimální chybou počítat s konstantní cp = 4,19 [kJ/kgK])
ΔT
Podchlazení kondenzátu, teplotní rozdíl TS – TKo,Aus [K]
h"
Entalpie syté páry [kJ/kg]
hKo,Aus
Entalpie kondenzátu přímo před výstupem na tepelném výměníku
Ztráty expandované páry
ṁD,ED [kg/h] = expandované množství páry
Expandovaná pára vzniká, když horký kondenzát pod tlakem expanduje na tlak pod bodem varu. To je např. i při proudění skrz odváděče kondenzátu nebo ventily a při proudění kondenzátu do otevřené sběrné nádrže kondenzátu, která je pod atmosférickým tlakem. Čím vyšší je teplota kondenzátu, tím více expandované páry vzniká.
Množství vznikající expandované páry je možno vyčíst z diagramu nebo vypočíst z tabulky voda-pára.
Přitom musí být zohledněno, že podchlazením kondenzátu již může být zredukováno expandované množství páry. Pokud je expandovaná pára předávána do okolí, musí být parní ztráta kotlového zařízení opět doplněna jako přídavná voda, analogicky tak, jako tomu je u vodních ztrát u přímých spotřebičů.
Expandovaná pára může být také využívána opatřeními na zpětné získávání tepla a vracena přímo zpět do vodního okruhu.
Ekonomizér - více informací
Tepelné ztráty v parních potrubích
ṁD,vR [kg/h] = Množství páry k vyrovnání tepelných ztrát ve parních potrubích
Pro vyrovnání parního výkonu musí být zohledněna i tepelná ztráta v parních potrubích. Pokud je k dispozici dobře izolovaná potrubní síť, pak může být odhadována potřeba tepla se zhruba 10 kg páry za hodinu a potrubí (10 kgD / (h · 100 m)).
Pro přesnější výpočet tepelných ztrát musí být pro každou potrubní větev proveden výpočet na základě jmenovité světlosti, délky potrubí a tloušťky izolace.
Stejně tak musí být odpovídajícím způsobem zohledněny tepelné ztráty na armaturách, přírubových spojích a zásobnících/ nádržích. Orientační směrné hodnoty k tomu naleznete v kapitole Efektivita.
Izolace - více informací
Bohužel jsou tepelné ztráty přes špatně nebo pouze částečně izolovaná potrubí, zásobníky a armatury stále ještě podceňovány. Především i během trvání provozu příslušných částí zařízení jsou izolace k účelům revize a kontroly často odstraňovány a nejsou vraceny zpět. Izolace potrubí (jak v systému páry, tak i kondenzátu) představuje jedno z nejekonomičtěji úsporných opatření na stávajících zařízeních.
Pokud je tepelná ztráta prostřednictvím potrubí přímo vypočtena, pak musí být potřeba páry pro tyto ztráty určena jako potřeba páry pro nepřímý spotřebič.
Vzorec pro výpočet tepelného výkonu v potrubích
Příklad výpočtu k vypočtení tepelného výkonu v potrubích
ṁD,vR
Množství páry pro tepelné ztráty v potrubích [kg/h]
Q·vR
Tepelný výkon potrubních ztrát [kW]
Odhadovaný faktor pro přepočet
Základní principy ve vztahu voda – pára - více informací
Vlastní spotřeba parního kotlového zařízení
Pro provoz parního kotlového zařízení je nezbytný i podíl vlastní spotřeby na parním výkonu. Skutečný parní výkon potřebný pro vlastní spotřebu může být zjištěn pouze s přesnou znalostí způsobu provozu kompletního zařízení parního kotle. Rozhodující je vlastní potřeba páry ohřívacího množství páry určená pro nádrž napájecí vody.
Pára ohřevu na nádrži napájecí vody je zase závislá na množství vratného kondenzátu z parních spotřebičů s příslušnými teplotami kondenzátu, na spotřebě přídavné vody a vodních ztrátách na kotli na odluh a odkal.
Množství páry pro vlastní spotřebu je nutné určit proto, aby byly obslouženy následující spotřebiče tepla. Pro získání přibližné orientační hodnoty k prvnímu nadimenzování parního výkonu je možno vlastní spotřebu páry odhadnout následovně:
ṁEB [kg/h] = vlastní spotřeba kotlového zařízení:
Jako vlastní spotřeba páry musí tedy být použito 6 ... 16 % celkového parního výkonu kotle.
K přesnému výpočtu vlastní spotřeby páry musí být k dispozici přesná data o potřebě přídavné vody, způsobu úpravy a chemickém způsobu provozu kotle, vratu kondenzátu s teplotami kondenzátu a popř. o předehřevu paliva.
Vlastní spotřebu páry je však možné značně zredukovat opatřeními na zpětné získávání tepla jako chladičem brýdových pár, expandérem odluhu, chladičem odluhu a chladičem napájecí vody a provozem s demineralizovanou vodou upravenou osmózou.
Pro přesný výpočet množství vlastní spotřeby páry musí být vypočtena následující množství pro ohřev páry. Společně dávají dohromady množství páry pro ohřev nádrže napájecí vody.
Ohřev přídavné vody
Aby byly vyrovnány parní ztráty v parním okruhu, např. prostřednictvím přímých spotřebičů, musí být doplňována přídavná voda.
V odplynění musí být zahřívána studená přídavná voda z cca 10 °C na 103 °C. Tepelný výkon, který je k tomu nezbytný jako vlastní spotřeba páry, je odebírán přímo z parního výkonu kotle.
Vzorec pro výpočet vlastní spotřeby páry pro ohřev přídavné vody
ṁEB,ZW
Vlastní spotřeba páry k ohřevu přídavné vody [kg/h]
ṁZW
Přídavná voda k úpravě napájecí vody [kg/h]
Teplotní rozdíl mezi teplotou napájecí vody a teplotou přídavné vody TEntg – TZW [K]
Potřebu přídavné vody je přitom možno vypočítat z parního výkonu, odluhu, brýdové páry a vratu kondenzátu:
Vzorec pro výpočet potřeby přídavné vody
ṁZW = ṁD,Anl + ṁAS + ṁBD – ṁKo,ges
ṁZW = ṁD,Anl ∙ z
ṁZW ≈ ṁD,Anl ∙ (1 + a + 0,5 % – c)
Potřeba přídavné vody [kg/h]
ṁ̇D,Anl
Parní výkon zařízení [kg/h]
ṁAS
Hmotnostní proud odluh [kg/h]
ṁBD
Hmotnostní proud brýdové páry [kg/h]
ṁKo,ges
Hmotnostní proud kondenzátu celkem [kg/h]
a
Míra odluhu = ṁAS / ṁD,Kes [kg/kg]
c
Míra kondenzátu = ṁKo,ges / ṁD,Anl [kg/kg]
z
Míra přídavné vody = ṁZW / ṁD,Anl [kg/kg]
Ohřev kondenzátu s obsahem kyslíku
Vedle ohřevu přídavné vody musí být i kondenzát s obsahem kyslíku, který se shromažďuje v otevřených nádržích kondenzátu a tím je studenější než 103 °C, opět ohříván na teplotu napájecí vody. Teplota kondenzátu s obsahem kyslíku je často mezi 50 ... 90 °C.
Tepelný výkon, který je k tomu nutný, je odebírán jako vlastní spotřeba páry přímo z parního výkonu kotle.
Vzorec k výpočtu vlastní spotřeby páry k ohřevu kondenzátu
ṁEB,hKo
Vlastní spotřeba páry k ohřevu kondenzátu [kg/h]
ṁhKo
Množství kondenzátu s obsahem kyslíku [kg/h]
(do 250 °C je možno s minimální chybou počítat s konstantní cp = 4,19 [kJ/kgK] gerechnet werden)
Teplotní rozdíl mezi teplotou napájecí vody a teplotou kondenzátu TEntg – ThKo [K]
Brýdová pára při odplynění
Aby bylo možné odplyňovákem odvádět z přídavné vody a kondenzátu obsahující kyslík uvolněné plyny, jako kyslík a CO2, musí být přibližně 0,5 % hmotnostního toku přídavné vody a kondenzátu odvedeno ve formě brýdových pár do volného prostoru. Brýdové páry přitom přepravují kyslík, dusík a vyloučenou kyselinu uhličitou z vody ven do volného prostoru.
ṁBD ≈ (ṁhKo + ṁZW) ∙ 0,5 %
Spotřeba přídavné vody [kg/h]
Jako opatření na zpětné získávání tepla může být teplo obsažené v brýdové páře kondenzované chladičem brýdy a příslušná vznikající tepelná energie může být používána k ohřevu přídavné vody.
Brýdové páry - více informací
Množství páry k ohřevu pro nádrž napájecí vody
Vlastní spotřeba páry k ohřevu nádrže napájecí vody může být shrnuta do následujícího vzorce:
Vzorec pro výpočet vlastní spotřeby páry k ohřevu nádrže napájecí vody
ṁAD = ṁEB = ṁEB,ZW + ṁhKo + ṁBD
ṁAD
Množství páry ohřevu [kg/h]
ṁEB
Vlastní spotřeba páry [kg/h]
Jmenovitá spotřeba páry při dimenzování kotlového zařízení
Aby byla zjištěna celková spotřeba páry zařízení, musí být spotřebiče páry sečteny:
Vzorec k výpočtu celkové spotřeby páry daného zařízení
ṁD,K = ṁD,Anl + ṁEB = ṁD,dV + ṁD,iV + ṁD,vR + ṁEB
ṁD,K
Parní výkon kotle [kg/h]
ṁD,Anl
ṁD,dV
Množství páry pro přímé spotřebiče [kg/h]
Množství páry k vyrovnání tepelných ztrát v potrubích [kg/h]
Vlastní spotřeba kotlového zařízení [kg/h]
Příklad výpočtu hmotnostních/ objemových a energetických bilancí
Následně představíme hmotnostní a energetické bilance zařízení parního kotle na jednoduchém příkladu s malým počtem komponentů.
Příklady pracují se změnou vratného množství kondenzátu a způsobu úpravy vody, aby byla pokud možno zachována jeho přehlednost. Účinnost je ve všech třech případech okolo cca 95 %.
Příklad B1
Příklad B2
Příklad B3
Parní zařízení zejména s nepřímými spotřebiči (c = 90 %) a s malým podílem přímých spotřebičů (10 %).
Přídavná voda se doplňuje z úpravy vody pomocí osmózy a kotel jede v režimu s nízkým obsahem solí.
Parní zařízení zejména s přímými spotřebiči (90 %) a s malým podílem nepřímých spotřebičů (c = 10 %), takže se téměř nevrací kondenzát s obsahem kyslíku.
Přídavná voda se, stejně jako je tomu v příkladu č. 1, doplňuje z úpravy vody pomocí osmózy a kotel jede v režimu s nízkým obsahem solí.
Parní zařízení s přímými (60 %) a nepřímými spotřebiči (c = 40 %).
Přídavná voda je doplňována ze změkčovacího zařízení a kotel jede v režimu s obsahem solí.
Příklad pro zařízení, v nichž je pára použita do tepelných výměníků, ale pouze malá část kondenzátu se vrací zpět (např. z důvodu velmi dlouhých tras potrubí ke spotřebičům).
Příklad pro zařízení, ve kterých je pára třeba výhradně pro přímé spotřebiče, jako např. při výrobě zvířecích krmiv nebo v autoklávech.
Kondenzát je odváděn zpět pouze z odvodnění potrubí a z některých vedlejších agregátů.
Příklad pro zařízení, ve kterých je odváděna, resp. může být odváděna, pouze část kondenzátu, jako např. v nápojovém průmyslu s přímými spotřebiči (čištění lahví).
Shrnutí:
Díky vysoce kvalitní úpravě vody a velmi vysoké míře kondenzace je třeba pouze velmi málo ohřívací páry. Tak může být téměř celá pára vyrobená kotlem využita ve spotřebičích. Specifická potřeba paliva je nízká.
Díky vysoce kvalitní úpravě vody zůstává množství odluhu i přes nízké množství kondenzátu velmi nízké. Protože je ovšem třeba ohřát velmi mnoho přídavné vody, je specifická spotřeba paliva zřetelně vyšší.
Díky vyšší míře odluhu a vysokým tepelným ztrátám (bez zpětného získávání tepla z odluhu), jakož i značnému množství přídavné vody taktéž vzniká vyšší specifická spotřeba paliva.
Potřebná energie paliva na kg páry ke spotřebiči:
0,724 [kWh/kg]
0,793 [kWh/kg] (+ 9,5 %)
0,755 [kWh/kg] (+ 4,3 % )
Příklad výpočtu hmotnostní a energetické bilance různých parních zařízení
Znázornění hmotnostní a energetické bilance ve zjednodušeném schématu (znázornění silně zjednodušené)
Palivo
Vzduch
Odluh
Sytá pára
Kondenzát s obsahem kyslíku
Brýdová pára
Přídavná voda
Parní kotel
Parní rozvaděč
Modul tepel. úpravy vody
Komín
voda
pára
palivo
vzduch
spaliny
Tok látky
Tlak
Teplota
