Prečo v teplovodnom kozube nič nekondenzuje?

Jednou z nespochybniteľných axióm vykurovania je už niekoľko desaťročí tvrdenie, že z hľadiska životnosti všetkých teplovodných kotlov je celkom nevyhnutné zamedziť ich nízkoteplotnej korózii (od skondenzovaných kyselín z paliva). A to tak, že sa udržiava teplota vratnej vody do kotla na teplote s minimálnou hodnotou 65 °C, aby nedochádzalo ku kondenzácii. Na to sa používali regulačné, zvyčajne termostatické, trojcestné ventily. Pre teplovodné kozuby (a tiež kotly s akumuláciou), ktoré sa prevádzkujú na svoj menovitý výkon, to však vôbec neplatí.

Na úvod musím povedať, že pri svojom kozube som emisie ešte nemeral a λ (udáva prebytok spaľovacieho vzduchu, ktorý ovplyvňuje začiatok kondenzácie spalín) som sa počas uplynulých 20 rokov zaoberal najmä v súvislosti so spaľovacími motormi. Aj keď s rovnakým cieľom – zvýšiť ich účinnosť. Hoci je v tejto oblasti táto otázka už dokonale prepracovaná (vďaka výskumu všetkých významných automobiliek, pre ktoré je vecou prežitia), aj tu sa verejnosti neustále poskytujú zavádzajúce informácie, napr. o tom, že tieto motory, v ktorých sa využíva priame vstrekovanie na vrstvenie paliva (preto sa označujú ako FSI), sú úspornejšie.

Podľa tabuliek to s použitím metodiky EHK (mesto, 90 km/h a 110 km/h) platí, dokonca až o 1 l na 100 km – ale iba pre toho, kto tak v praxi skutočne jazdí. To znamená asi s polovičným výkonom motora. Ten, kto jazdí ako ja – skôr na plný plyn, takže na spaľovanie vy­užíva celý objem valca – neušetrí vrstvením ani gram paliva.

Pokojne sa teda zaobíde aj bez vstrekovania, t. j. len so starým dobrým karburátorom. Uvádzam to tu preto, lebo situácia pri motoroch sa podobá tej pri teplovodných kotloch a kozuboch. Kým domáce kotly kúria zväčša len na čiastočný výkon, teplovodné kozuby kúria neustále naplno, takže je nevyhnutné počítať s absolútne rozdielnymi výsledkami. A to nielen vo vzťahu k ich reálnej účinnosti, ale aj vo vzťahu k platnosti niektorých zásad vykurovania. Výsledkom niektorých chybných interpretácií potom je, že podobne ako pri kotloch si aj v tomto prípade väčšina ľudí kupuje vlastne niečo celkom iné, ako pôvodne chceli.

Žiaľ, obrovské skúsenosti automobiliek s výskumom λ pri spaľovacích motoroch nemožno využiť pri kotloch na drevo, aj keď v oboch prípadoch ide o zvyšovanie účinnosti či znižovanie emisií. Zatiaľ čo pri motoroch sa palivo dávkuje do vzduchu, pri bežných kotloch je to naopak a, navyše, drevené palivo nie je homogénne s trvalo presne definovanými parametrami, aké má benzín. Celkom slušne je síce spracovaný aj vplyv λ na teplotu začiatku kondenzácie spalín v plynových kondenzačných kotloch (lebo práve od nej závisí), ale aj tu treba príslušné tabuľky a grafy, ktoré sa týkajú zemného plynu brať, s dostatočnou rezervou, lebo neviete, pre ktorý plyn boli vyrobené – či z Ruska, alebo z Nórska…

Ak ide o zloženie a výhrevnosť, oba sa dosť významne odlišujú (okrem toho sa podľa aktuálnych zásob rozlične miešajú, preto museli distribútori plynu u nás prestať uvádzať jeho spotrebu v metroch kubických a prejsť na kilowathodiny). To znamená, že určite odlišujú aj z hľadiska závislosti kondenzačnej teploty jeho spalín od λ. A teraz si to porovnajte so spalnými plynmi z dreva, ktorých zloženie navyše ovplyvňujú druh dreva, obsah živíc v ňom, jeho vlhkosť, ako aj geometria spaľovacej komory, dĺžka plameňa, teplota spaľovania a určite ešte množstvo ďalších parametrov.

Preto tu akákoľvek teória platí iba za určitých špecifických podmienok a pre určité drevo, ktoré ste práve spaľovali. Treba pripustiť, že v bežnej praxi môže byť situácia úplne iná. Spaľovanie v kozuboch okrem toho donedávna ani nikoho nezaujímalo, takže do tohto výskumu sa investovalo ozaj málo finančných prostriedkov. Preto sa o ňom všeobecne vie iba to, čo sa viac-menej prevzalo z toho mála skúseností so spaľovaním dreva v bežných kotloch. Oveľa viac sa nedozviete ani z odbornej literatúry, ani od odborníkov, pretože na spaľovanie v kozuboch ich je naozaj málo.

Čo ukázala prax
Vzhľadom na iba všeobecnú a nejednoznačne spracovanú teóriu opieram svoje tvrdenia predovšetkým o svoje štvorročné praktické skúsenosti získané v rozličných podmienkach.

Pochopiteľne, že som si vopred všetko dôkladne naštudoval, 20 rokov som navštevoval odborné výstavy u nás aj v zahraničí a často som všetko konzultoval s odborníkmi – buď s výrobcami kotlov, výmenníkov, alebo AKU nádrží či expanzných nádrží. Takisto som svoj teplovodný kozub využíval pri rozličných zapojeniach, teplotách a prietokoch vykurovacej vody a veľakrát som dotykovým teplomerom opakovane meral aj teplotu na vstupoch a výstupoch pri všetkých troch výmenníkoch. Vďaka tomu, že som si v spolupráci s firmou Elektro-Šimčák navrhol vlastnú elektronickú reguláciu so štyrmi displejmi, mohol som celú zimu kedykoľvek pozorne sledovať teploty zo 7 snímačov a riadiť niekoľko elektroventilov a čerpadiel. Stačil som vykonať určite vyše 1 000 meraní a až na ich základe, vychádzajúc z výpočtov a vyhodnotení, som napísal tento príspevok.

Na začiatku som ani ja vôbec nepochyboval o tom, že teplota vratnej vody nesmie byť nižšia ako 65 °C. Preto som (hoci mi z pôvodného zapojenia firmy Solarpower, s ktorou som sa po prvom roku prevádzky musel rozlúčiť, nič neostalo) ponechal v novom zapojení trojcestný ventil, ktorým sa teplota vratnej vody do kotla udržiava na 65 °C. Kedysi, keď som prikladal do kotlov na uhlie, niekoľkokrát som na nich videl kvapky skondenzovanej vody, a tak som ich s obavami hľadal aj na stenách teplovodného kozuba, keď v ňom pri zakúrení bola voda s teplotou iba 30 °C.

Pretože som ich – aj napriek tomu, že oproti kotlom je výborne vidieť – nemohol objaviť, snažil som sa pomôcť im aj tým, že som otvoril zimnú záhradu, vychladil zozadu vodu v kozube na iba 5 °C a zakúril. A zasa nič! Až potom som dal vymontovať ten trojcestný ventil, a keď som videl, ako mi klesla spotreba dreva a nádrž sa rýchlejšie vykurovala, dal som si vyrobiť aj prvý rúrkový výmenník (6 bm rúrky). Keď som si odmeral, že ušetrím asi 15 % paliva, dal som si vyrobiť nad neho ešte druhý (tiež 6 bm rúrky), ktorým ušetrím ďalších 15 % paliva. Keď sa dnes pozriem na rúrky výmenníka, nijaké stopy po korózii tam v dôsledku neobyčajne agresívnej kyseliny octovej, o ktorej hovoria odborníci, zatiaľ nevidím (a to som kúril ako mäkkým, tak aj tvrdým drevom a rozličnými pilinovými briketami). Ako je to teda možné, keď podľa teórie to možné nie je a bezpodmienečne musí nastať masová kondenzácia so všetkými z nej vyplývajúcimi negatívnymi dôsledkami?

Teoretické zdôvodnenie
Pokúsim sa to vysvetliť aj teoreticky. Kondenzácia spalín totiž závisí okrem λ, ktorá udáva prebytok spaľovacieho vzduchu, predovšetkým od teploty stien výmenníkov, a aj tá závisí (pri porovnateľnom palive) najmä od veľkosti tepelného príkonu (zo spalín) a od „tepelnej izolácie“ výmenníkov (teploty vody v nich). Tepelný príkon týchto stien (resp. výmenníkov) je však pri kozuboch vyšší ako pri kotloch, najmä vďaka tomu, že ich aj v priebehu prechodného obdobia vykurovacej sezóny prevádzkujú na konštantne vyšší výkon, než pri akom sa začína kondenzácia v bežných kotloch v dôsledku ich prevádzky počas polovice vykurovacej sezóny s výkonom aj okolo 20 % ich nominálneho výkonu.

A keď k tomuto horšiemu spaľovaniu ešte pripočítame vplyv paliva s vyššou vlhkosťou a nedostatku vzduchu v bežných kotloch (teda λ dokonca nižšiu ako 1!), sú podmienky na zamedzenie kondenzácie pri teplovodných kozuboch až o triedu lepšie ako pri kotloch. Ak znížime teplotu vratnej vody v kotloch pod 65 °C (teda znížime ich „tepelnú izoláciu“), môže v nich ľahko dôjsť k nebezpečnej kondenzácii, a to najmä v prechodnom období jar – jeseň, keď sa v nich kombinujú všetky uvedené nepriaznivé účinky. To však vôbec nemusí automaticky znamenať, a ako napokon v mojom prípade potvrdzuje aj prax, ani to neznamená, že to isté platí aj pre teplovodné kozuby, pri ktorých sa uvedené nepriaznivé podmienky spôsobujúce kondenzáciu nielen že nekombinujú, ale ani sa neprejavujú.

Obr. 2: Rosný bod spalín pri spaľovaní zemného plynu v závislosti od prebytku vzduchu (ZP)

Ostáva teda iba otázka, kam až možno zájsť pri znižovaní teploty vratnej vody v kozuboch (vďaka ktorému možno podstatne zvýšiť ich účinnosť, ako sa uvádzalo v mojom článku v TZB Haustechnik č. 4/2008), aby nenastal záporný vplyv prípadnej kondenzácie spalín. Jedna cesta vedie cez skúsenosť – v mojom kozube nenastala viditeľná kondenzácia ani pri zakurovaní po predchádzajúcom vychladnutí jeho výmenníka (teplovodného plášťa) iba na 5 °C, ale všeobecne to zatiaľ nikde nie je overené. Napriek tomu som však pokojný, pretože v súlade s uvedenými zásadami si myslím, že na mojej strane je aj teória a iba potvrdzuje moje praktické poznatky:

• AKU nádrž pri použití bežných radiátorov ústredného vykurovania som nedokázal vychladiť na menej ako 29 °C a pri dochladení v zimnej záhrade a garáži na menej ako 15 °C (ani prípadné podlahové vykurovanie by teplotu nedokázalo ešte viac znížiť).
• Vodu s takouto teplotou púšťam najprv do horného výmenníka z hrubostennej antikorovej rúrky, kde sa ohreje o 15 %, z nej potom do ďalšieho, kde sa ohreje o ďalších 15 %, a až potom do kozubového (spodného) výmenníka z bežnej kotlovej ocele. Vtedy však už máva minimálne 40 °C pri vstupe a nijakú kondenzáciu som nespozoroval. Toto rozloženie zodpovedá priškrtenému chodu kozubového čerpadla na 1. stupeň (alebo lepšie elektronicky spojito riadenému kozubovému čerpadlu), pri čom sa zaistí teplota 95 °C na výstupe z kozuba. S pravdepodobnosťou, ktorá hraničí s istotou, možno teda tvrdiť, že pri tomto zapojení nebude vzhľadom na uvedené okolnosti v kozubovom (dolnom) výmenníku nijaká kondenzácia spalín.
• A ak sú však horné výmenníky (ako v mojom prípade) zhotovené z hrubostennej antikorovej ocele, netreba sa obávať prípadnej kondenzácie ani pri nich.

Týmito výpočtami a úsudkami sa jednoznačne preukázalo, že nebezpečenstvo kondenzácie nehrozí vďaka trvalému vysokému žiaru ani teplovodným kozubom s 95 % účinnosťou, teda s podstatne zníženou teplotou vratnej vody pod 65 °C (a už vôbec nie tým horším, s nižšou účinnosťou), čo sa, naopak, vôbec nedá tvrdiť ani o tých najlepších kotloch na drevo. Ich výrobcovia určite veľmi dobre vedia, prečo pri nich tak nekompromisne lipnú na minimálnej teplote vratnej vody 65 °C.

A že skutočne nie som výnimkou, môžem potvrdiť tým, že najväčší európsky výrobca kozubov, taliansky Acquatondo, po mojom upozornení potvrdil, že do jeho kozubov možno bez problémov privádzať vratnú vodu s teplotou iba 35 °C (na nižšiu som sa nepýtal) a že možno úplne vynechať trojcestný regulačný ventil, ktorý doteraz udržiaval teplotu vratnej vody na minimálnej teplote 65 °C!

Prečo spaliny z teplovodného kozuba nekondenzujú ani v komíne?
Názor odborníkov bol jednoznačný – aj keby mi spaliny nejakým zázrakom nekondenzovali už v kozube, tak mi predsa musia kondenzovať aspoň v komíne, kde sa ešte viac ochladia. To je predsa logické. Vysvetlíme si to preto podrobnejšie.

Vznik kondenzácie spalín v komíne je závislý od teploty vnútorných stien komínového prieduchu. Teplota zasa (pri porovnateľnom palive) závisí predovšetkým od veľkosti tepelného príkonu (zo spalín) a od tepelnej izolácie komína. Aby sa pri znižovaní teploty spalín (na zvýšenie účinnosti) zabránilo kondenzácii, doteraz sa zväčša postupovalo osvedčeným spôsobom zlepšenia tepelnej izolácie komínového prieduchu.

Ani ja som spočiatku nepochyboval o tom, že to platí všeobecne pre všetky kotly, kým som si nepripustil myšlienku, že pri teplovodných kozuboch môže byť situácia zásadne odlišná, a dokým som si to nepotvrdil presným výpočtom. Pre názornosť budem pri ňom vychádzať z projektu môjho domčeka, ktorý má podľa výpočtov tepelné straty asi 8 kW a pôvodne bol vybavený plynovým kotlom s výkonom 20 kW, takže sa nijako nevymyká z priemeru. Na zjednodušenie budem predpokladať, že polovicu dní vykurovacej sezóny sa kúri so skutočným výkonom 0 až 4 kW a druhú polovicu s výkonom 4 až 8 kW.

Kotol na drevo s výkonom 20 kW tak polovicu vykurovacej sezóny (na jar a na jeseň, teda počas 100 až 150 dní v roku) kúri s výkonom max. 4 kW, čo je najviac 20 % menovitého výkonu tohto kotla (v číselnom vyjadrení 4 : 20 = 0,2, v percentách 20 %). Účinnosť tohto kotla pri jeho zaťažení pod 20 % bude určite menšia ako pod 50 %, to znamená výkon nižší ako 2 kW (ak počítame 4 × 0,5 = 2), zvyšok, t. j. maximálne 2 kW (ak neberiem do úvahy straty pri nezhorenom palive), sú komínové straty. Ak tento výkon rozrátame na m²  plochy komínového prieduchu (teda presne na to, čo vlastne ohrievame) s priemerom 160 mm (napr. pri kotloch Verner) a dĺžkou 8,5 m (od pivnice až nad hrebeň strechy, s vyústením kotla do komína pre istotu vo výške 1 400 mm nad podlahou), zistíme, že jeho tepelný výkon do komína je maximálne 0,47 kW/m² (v číselnom vyjadrení 2 : (π × 0,16 × 8,5) = 0,47). A to by som ešte vlastne mal rátať aj s menovitým výkonom tohto kotla 25 kW, ktorý zodpovedá výkonu plynového kotla 20 kW a ten nemusí mať prirážku na prerušované vykurovanie, čo by výslednú hodnotu ešte znížilo.

Teraz urobíme rovnaký výpočet pre môj kozub ACQUATONDO 29 s menovitým príkonom 34,3 kW. Na rozdiel od kotla na drevo môj kozub celú sezónu kúri na plný menovitý výkon (hoci od 12 hodín raz za dva dni až po 8 hodín raz za päť dní). Ak predpokladám, že má účinnosť až 95 % (pokiaľ sa niektorým odborníkom bude táto hodnota zdať nadsadená, tým lepšie pre tento výpočet), na komínové straty pripadá asi 5 %, čo je 1,72 kW (v číselnom vyjadrení 34,3 × 0,05 = 1,72). Ak tento výkon rozpočítame na m² plochy komínového prieduchu, ktorý má v tomto prípade síce väčší priemer 200 mm, ale zasa oveľa kratšiu dĺžku iba 5,5 m (o jedno poschodie, pretože nie je v pivnici, ale na prízemí, navyše, zaústenie kozuba býva na rozdiel od kotla minimálne 2 m nad podlahou), zistíme, že jeho tepelný výkon do jeho komína má hodnotu 0,5 kW/m² – v číselnom vyjadrení 1,72 : (π × 0,2 × 5,5) = 0,5.

Ak teda porovnáme kotol na drevo a teplovodný kozub z hľadiska vyhrievania komína (a práve o to nám v tomto prípade ide), môžeme s úplnou istotou konštatovať, že počas väčšej časti vykurovacieho obdobia má teplovodný kozub vyšší výkon pre ohrievanie komína než obyčajný klasický kotol (kozub dosiahol 0,5, kým kotol dosiahol 0,47, t. j. o 3,1 % viac). Pritom však zdôrazňujem, že som pri týchto výpočtoch vždy stál na strane vyššej bezpečnosti. V skutočnosti býva totiž pivnica vyššia ako 2,2 m, ako som vo výpočte predpokladal, a takisto zaústenie kotla nižšie než uvedených 1 400 mm, takže dĺžka komína pre kotol sa potom zvýši minimálne na 9 m. Navyše, kotol na drevo by mal mať správne projektovaný výkon ešte viac ako 20 kW pre prirážky, a teda ešte menší stupeň využitia; jeho tepelný výkon do komína sa tu uvádza ako maximálny, v skutočnosti sa však pohybuje v intervale minimálne asi od 0,2 kW/m² (pri nižšom výkone sa aj kotol odstavuje).

V tomto prípade totiž výpočtom dostaneme pri kotle údaj od 0,2 do 0,44 kW/m², kým pri kozube konštantnú hodnotu 0,5 kW/m² počas celého obdobia jeho prevádzky. Z toho vyplýva, že kozub v porovnaní s kotlom ohrieva komínový prieduch v najhoršom prípade minimálne o 10 % viac, bežne je to však aj viac ako o 100 % (možno si to napokon ľahko overiť priložením ruky na komín). Takže kondenzácii spalín v komíne možno zabrániť nielen jeho izoláciou, ale napríklad aj používaním teplovodných kozubov namiesto teplovodných kotlov, aj keď, žiaľ, tento spôsob ešte vôbec nie je rozšírený.

Po zlých skúsenostiach z prvej zimy, keď mi kozub pri prikladaní čmudil aj do obývačky, som na radu odborníkov-kúrenárov kúpil komínový ventilátor (zn. Exhausto). Podľa ich názoru sa totiž táto situácia mohla ešte zhoršiť po vychladení spalín na podstatne nižšie teploty a následným znížením ťahu v komíne. Napriek všetkým varovaniam som nakoniec tento ventilátor vôbec nemusel nainštalovať, keďže mi v obývačke už nič nedymí, a to ani napriek montáži dvoch ďalších výmenníkov a užšiemu priemeru komína, ako sa odporúča. Svoju úlohu tu pravdepodobne zohral znížený objem spalín a ich vychladenie na polovičnú teplotu, čím sa uľahčil ich transport komínom aj pri menších rýchlostiach, pri ktorých stačia dostatočne účinne odovzdávať svoju tepelnú energiu plášťu komína.

Na základe týchto výpočtov sa jasne preukázalo, že nebezpečenstvo kondenzácie či zníženie ťahu v komíne neohrozuje ani tak teplovodné kozuby s 95 % účinnosťou (a už vôbec nie menej účinné), ako skôr tie najlepšie kotly na drevo, a to minimálne polovicu vykurovacej sezóny. Môj teplovodný kozub to jednoznačne dokazuje v praxi, pretože po niekoľkoročnom používaní je na dne môjho komína iba vrstvička úplne suchých sadzí a popola.

JUDr. Ing. Ing. Mgr. Petr Měchura

Autor sa zaoberá ekonomickými otázkami životného prostredia a úsporami energií. V súčasnosti pracuje ako výkonný riaditeľ Českej asociácie odpadového hospodárstva a Združenia na udeľovanie certifikátu Odborný podnik pre nakladanie s odpadmi a je podpredsedom európskej spoločnosti EVGE pre certifikácie v odpadovom hospodárstve.

Foto a obrázky: archív autora, archív vydavateľstva JAGA

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.