Komínový tah-výpočty

Komínový tah

Základním pojmem této problematiky je tzv. komínový efekt, což není totéž jako komínový tah, neboť jak bude popsáno dále, komínový tah nemusí být vyvolán pouze komínovým efektem.

Termínem komínový efekt se nazývá fyzikální jev, kdy vertikálně orientovanou dutinou začne proudit vzduch, přičemž toto proudění je vyvoláno pouze vlivem rozdílné teploty a tudíž i hmotnosti vzduchu na jednotlivých koncích dutiny. Vzhledem k tomu, že teplý vzduch je lehčí než studený, dochází ke stálému pohybu teplého vzduchu směrem nahoru. Tato definice ale platí obecně pro všechny svislé dutiny splňující podmínku rozdílných teplot na svém vstupu a výstupu (např.schodiště, výtahové šachty, větrací šachty apod.). Komínový efekt není plně vyvolán pouze u velmi malých a dlouhých dutin (je uváděn štíhlostní poměr 1:187).

Komínový efekt, tedy proudění vertikální dutinou přirozeně způsobuje tlakovou diferenci mezi vnějším prostředím a vnitřkem dutiny. Pokud je touto dutinou spalinová cesta (komín) používá se termín komínový tah. Pojmem komínový tah se potom označuje tlaková diference (rozdíl tlaků) mezi vnějším prostředím a vnitřním prostředím v komínovém průduchu.

tato tlaková diference nemusí být obecně způsobena pouze komínovým efektem, tedy čistě fyzikálním dějem, ale může být způsobena rovněž mechanicky, a to umělým vytvořením proudění nejčastěji pomocí elektrického větráku.

Podle toho, zda a případně kde je větrák osazen můžeme rozlišit tři základní principy vytvoření komínového tahu:

větrák není osazen – tzv. atmosférický provoz – v komíně je podtlak způsobený zejména vlivem komínového efektu – v tomto provozu pracuje absolutní většina spotřebičů na pevná paliva (krby, krbová kamna, kotle, atd.) a plynové spotřebiče v provedení B
větrák je osazen na spodním okraji spalinové cesty – tzv. „přetlakový provoz“ – v komíně je přetlak způsobený mechanickým vtlačováním spalin – v tomto provozu pracují plynové spotřebiče v provedení C (Turbo), ale i některé speciální spotřebiče na pevná paliva (některé typy peletkových kotlů, atd.)
větrák je osazen na vrchním okraji spalinové cesty – tzv. „podtlakový provoz“ – v komíně je podtlak způsobený mechanickým odsáváním spalin – tento provoz se používá jako alternativa pro spotřebiče využívající atmosférický provoz v případě, že spalinová cesta není schopna generovat sama o sobě dostatečný komínový tah (např. nízké nebo poddimenzované komíny, apod.).

Při přístupu k problematice komínového tahu můžeme uvažovat o tahu statickém vyvolaným pouze komínovým efektem, který se používá k základnímu výpočtu spalinové cesty, a o tahu dynamickém, který je ve spalinové cestě reálně změřitelný, a to bez ohledu na způsob svého vzniku.

Komínový tah statický -výpočty orientační pomůcka

Při podrobnějším studiu zjistíte,že :

Jedná se především o veličinu výpočtovou a lze ho uvažovat pouze u soustav pracujících principiálně v atmosférickém provozu. Jedná se v podstatě o výpočet tlakové diference způsobené v jinak stabilním prostředí o stejném (atmosférickém) tlaku pouze rozdílnou hustotou vzduchu (spalin) na vstupu a výstupu komínu. Výpočet nezohledňuje žádné další vlivy okolního prostředí a principiálně vychází ze „statických“ veličin.
Statický komínový tah je nejvíce ovlivněn účinnou výškou – s vyšší výškou stoupá
Statický komínový tah je při konstantní teplotě spalin ovlivněn teplotou okolí – s vyšší teplotou klesá
Statický komínový tah NENÍ ovlivněn průměrem komínu (plochou průduchu) – při jinak stejných parametrech bude stejný statický komínový tah vykazovat dutina jakékoliv půdorysné plochy.

Zdálo by se tedy, že při návrhu spalinové cesty stačí navrhnout dostatečně vysoký komín bez ohledu na průměr. Respektive použít co nejmenší průměr, který minimalizuje náklady. Podmínka dostatečného statického tahu by byla v tomto případě splněna.

Použijme praktický příklad:

výrobce krbových kamen požaduje minimální tah komínu 12 Pa a deklaruje teplotu spalin ve spalinovém hrdle 250 °C.
provedeme výpočet statického tahu pro komín účinné výšky 5 m, průměru 100 mm a teplotu okolí 10 °C
potom
h = 5 m = účinná výška komínu
g = 9,81 m/s2 = tíhové zrychlení
ρ250 = 0,675 kg/m3 = hustota vzduchu při 250 °C
ρ10 = 1,252 kg/m3 = hustota vzduchu při 10 °C
d = 100 mm = průměr komínu pro výpočet nepotřebujeme
Ps = 5 . 9,81 . (1,252 − 0,675) = 28,3 Pa – což požadavky výrobce vysoce překračuje

Z výše uvedeného je znovu jasné, že statický komínový tah nezávisí na průměru komínu a jeho výpočet tak může být (a také skutečně je) pouhou jednou ze součástí komplexního posouzení spalinové cesty.
Komíny průměru 100 mm a 200 mm vykazují sice při stejných vstupních teplotách a stejné výšce stejný statický komínový tah, nicméně rozdíl v průtoku (objemu procházejících spalin) je značný. Při uvažované rychlosti spalin 0,5 m/s je průtok komínem o průměru 200 mm zhruba 4násobný proti průměru 100 mm. Komín průměru 200 mm je tedy schopen odvést za stejný časový úsek 4násobně větší objem spalin.

Pro dostatečné ověření funkce spalinové cesty je tedy vždy třeba provést i výpočet průtoku. Nejjednodušší cestou je použít údaj o hmotnostním průtoku spalin uváděný výrobcem spotřebiče a ten pomocí hustoty přepočítat na objemový.

Statický komínový tah je v praxi v podstatě nerealizovatelný a nemřitelný.Na spalinovou cestu totiž působí množství dalších vlivů vyvolávajících další tlakové diference.

Pro praktický výpočet tlakové diference ve spalinové cestě se proto musí od vypočítaného statického komínového tahu odečíst tlakové diference způsobené dalšími spotřebiči, ztrátami na přívodu vzduchu, ztrátami ve spotřebiči, kouřovodu a komínu, působením větru, překážkami ve spalinové cestě apod. Výsledný vypočtený tah je tedy podstatně nižší než prostý tah statický a jeho výpočet je poměrně složitý a obsáhlý. 

Pro praktické pochopení komínového tahu je proto výhodnější pracovat s komínovým tahem dynamickým.

Jedná se v podstatě o výpočet tlakové diference způsobené prouděním vzduchu, bez ohledu na způsob vzniku tohoto proudění. Výpočet vychází z „dynamické“ a tudíž vnějšími vlivy ovlivněné veličiny, a to rychlosti proudění. Výsledky jsou tedy prakticky relevantní a měřitelné.

Pokud je tedy ve funkční spalinové cestě prakticky změřena hodnota komínového tahu, jedná se o tah dynamický, který můžeme vyjádřit základní rovnicí:

Pd =( v2 / 2) . ρstř . c [Pa]
kde je
v – rychlost proudění spalin ve spalinové cestě v m/s
ρstř – střední hustota spalin v kg/m3
c – součinitel místního odporu bez rozměru

Z rovnice nám vychází,že :

1. – dynamický komínový tah je exponenciálně závislý na rychlosti spalin

Pokud definujeme rychlost jako poměr v = Průtok [m3/s] / Plocha [m2], tedy objemové množství spalin procházejících plochou průduchu, můžeme učinit závěr, že

2. – ani dynamický komínový tah NENÍ závislý primárně na ploše průduchu, ale pouze na poměru průtoku a plochy.

Při praktickém výpočtu při použití hodnoty např. ρstř = 1,25 kg/m3 nám aplikací výše uvedeného vzorce vyjde, že stejná rychlost spalin a tudíž i skutečně naměřený dynamický komínový tah bude v komínu průměru 100 mm při průtoku spalin 20 m3/hod (tj. cca 7 g/s) a v komínu průměru 200 mm při průtoku spalin 80 m3/hod (tj. cca 28 g/s).

Komínový tah sám o sobě není dostatečně vypovídající veličinou pro ohodnocení stavu spalinové cesty.

Hodnota získaná změřením tahu diferenčním tlakoměrem (tahoměrem) je hodnota okamžitá a velmi málo vypovídající. Komínový tah sám o sobě veličinou provozní, v čase a provozních podmínkách proměnnou a zejména provozovatelem přímo a zásadně ovlivňovanou. Provozovatel může ovlivnit komínový tah v podstatě všemi vstupy (typem paliva, množstvím přivedeného vzduchu, použitím digestoří a větráků, apod.), provozním režimem spotřebiče (množství a kvalita paliva) a všemi výstupy (škrticí klapky, větrné nástavce, apod.). 

Naměřená hodnota komínového tahu by se v žádném případě neměla přeceňovat a tím méně sloužit jako jakési laické prověření funkčnosti spalinové cesty a její vhodnosti pro připojení konkrétního spotřebiče.

Měření komínového tahu bývá zneužito „odborníky“, kteří tímto způsobem dokážou provést „kontrolu“ komínu během několika desítek sekund aniž by si zašpinili ruce nebo lezli na střechu.

Komínový tah sám o sobě nemůže z výše uvedených důvodů sloužit jako etalon popisující spalinovou cestu (komín), ani nemůže obecně sloužit jako parametr spojující spotřebič se spalinovou cestou. Přesto je běžným např. požadavek typu: „postavte mi komín s tahem 12 Pa“, nebo prohlášení: „kominík mi změřil tah a řekl, že je komín v pořádku“ a podobně.

Revizní technik spalovacích cest natož pak kominík nemá čas ani ambici se ponořit do studia spalovacích rovnic a tápat v převodních jednotkách. K simulaci provozu spalinové cesty v dnešní době slouží výpočtové programy Kesa Aladin nebo Protech. Požadavek tepelně hydraulického výpočtu spalinové cesty je nově součástí ČSN 734201.

Je však nutno opustit představu,že tyto programy jsou samospasitelné samy o sobě. Zvláště zde platí,že pokud do programu zadáte blbost tak vám ve výsledku také vyjde blbost.Do výpočtu spalinové cesty musíte zahrnout podmínky,které spalinovou cestu nějak určují.

Minimálně si musíte opatřit technické listy ke spotřebičům,kde jsou stanoveny hodnoty:

  • střední teplota při jmenovitém výkonu
  • hmotnostní průtok
  • objemový průtok
  • obsah CO2 ve spalinách
  • průměr spalinové přípojky
  • potřebný tah při jmenovitém a minimálním výkonu
  • maximální přípustný tah
  • musíte vědět,že min rychlost proudění spalin dle ČSN 734201 je větší než 0,5 m/s
  • mít na paměti další omezující podmínky dle ČSN 734201

Pro ilustraci:

Statický tah -vstupní podmínky:

teplota při ústí – 0 °C

teplota okolí – 15 ° C

střední teplota- 15/2 = 7 °C

nadmořská výška – 200 nad mořem

výška komína = 5 m

střední teplota spalin dle technického listu- 160 °C

Statický komínový tah nám vyjde 20,18 Pa-je závislý pouze na rozdílu teplot,hustotách a výšce.

Toto je k posouzení spalinové cesty málo.

Přejděme tedy k Dynamickému komínovému tahu.

Z rovnice vyplývá,že již musíme vložit rychlost proudění spalin. Střední hustotu spalin vezmeme z předešlého – 0,82 kg/m3. Minimální rychlost proudění spalin dle ČSN 734201 je 0,5 m/s. Součinitel tření -je to bezrozměrné číslo-ale jak ho určit popř kde hledat.Začíná se to komplikovat.

Definujme si rychlost jako poměr v = Průtok [m3/s] / Plocha [m2], tedy objemové množství spalin procházejících plochou průduchu.Tím vnášíme do výpočtu řadu neznámých. Složitým výpočtem se zde nebudme zabývat. Nicméně např zjistíte,že při výpočtech které provedli jiní stejná rychlost spalin a tudíž i skutečně naměřený dynamický komínový tah bude v komínu průměru 100 mm při průtoku spalin 20 m3/hod (tj. cca 7 g/s) a v komínu průměru 200 mm při průtoku spalin 80 m3/hod (tj. cca 28 g/s). Toto nám při posouzení spalinové cesty nijak nepomůže.

Dojdeme tedy k poznání,že jednoduchou cestou komínový tah nestanovíme ani nezměříme. Vliv zde má spousta neznámých. Vždy se však vychází od spotřebiče a technických listů k němu.

Údaje které charakterizují spalinovou cestu:

  1. Hmotnostní průtok spalin při jmenovitém výkonu spotřebiče
  2. Odpovídající koncentrace CO2
  3. Hmotnostní průtok při nejnižším přípustném výkonu spotřebiče,pokud neznáme můžeme zvolit  1/3 hmotnostního toku při jmenovitém výkonu
  4. Teplota spalin v hrdle při jmenovitém výkonu spotřebiče
  5. Teplota spalin v hrdle při nejmenším výkonu spotřebiče,pokud neznáme můžeme zvolit 2/3 teploty spalin při jmenovitém výkonu
  6. Nejmenší hodnota tahu pro plynové spotřebiče by se měla získat od výrobce spotřebiče. Pro s
  7. Výpočet odpovídajícího tahu je závislý především na určení drsnosti povrchu komínového průduchu,kouřovodu a tepelného odporu stěny komína a kouřovodu
  8. Střední hodnoty drsnosti vniřního povrchu lze získat od výrobce komínových systémů
  9. Taktéž lze získat hodnoty tepelných odporů stěny komína a kouřovodů.
  10. Venkovní teplota – uvažuje se 15 °C
  11. Teplota v okolí komína pro kotelnu =  15°C
  12. Teplota pro vytápěný prostor budovy =20°C
  13. Teplota pro venkovní prostor u komínů se suchým provozem = 0°C
  14. Teplota pro venkovní prostor u komínů s mokrým provozem = 15°C
  15. Teplota pro nevytápění prostor uvnitř budovy = 0°C
  16. Pokud vnější plocha komína vedená venkovním prostorem a nevytápěnými místnostmi zaujímá menší plochu než 1/4 celkové vnější plochy komína ,lze uvažovat  teplotu okolí = 15 °C
  17. Tlak venkovního vzduchu je závislý na nadmořské výšce
  18. Účinný komínový tah v sopouchu komína je závislý na hmotnostním průtoku spalin,teplotě spalin,účinné výšce komína,průřezu průduchu komína a charakteristických hodnotách konstrukce komína(drsnosti,povrchu průduchu a tepelném odporu stěny komína).
  19. Účinný komínový tah v sopouchu komína se stanoví z rozdílu mezi statickým tahem komína a tlakovými ztrátami komínového průduchu a také tlakové ztrátě účinkem větru

Přetlakové komíny:

  1. Přetlak v sopouchu se porovnává s maximální povolenou hodnotou přetlaku v sopouchu
  2. Výpočet vnitřního průduchu musí zajistit,že přetlak v kouřovodu a v komíně nebude větší než je mezní přetlak na který je kouřovo(komín) zkoušen.
  3. Povrchová teplot komínového průduchu v ústí komína je větší než přípustná teplota na vnitřním povrchu komínového průduchu
  4. Hodnota nejvyššího přetlaku spotřebiče se získává od výrobce spotřebiče
  5. Teplota venkovního vzduchu= 15 °C
  6. Teplota okolí komína pro kotelnu=15°C
  7. Teplota okolí komína pro vytápěný prostor budovy=20°C
  8. Teplota okolí pro venkovní prostor u komínů s mokrým provozem = – 15°C
  9. Teplota okolí pro venkovní prostor u komínů se suchým provozem=0°C
  10. Teplota okolí pro nevytápěný vnitřní prostor uvnitř budovy=0°C
  11. U větrané vzduchové mezery souproudu při výšce komín tělesa nad 5 m =20°C
  12. Při protiproudu se volí 0°C
  13. Přetlak spalin v sopouchu komína je závislý na hmotnostním průtoku spalin,teplotě spalin,účinné výšce komína,průřezu průduchu komína a charakteristických hodnotách konstrukce komína(drsnosti,povrchu průduchu a tepelném odporu stěny komína).
  14.  

Zkusme  si např udělat výpočet pro zplyňovací kotel VITOLIGNO 150-S pomocí programu Kesa Aladin:

  • střední hrubá teplota při jm výkonu – 160 °C
  • hmotnostní průtok                            – 101 kg/hod
  • obsah CO 2 ve spalinách                   – 14 %
  • spalinová přípojka                             – DN 150
  • potřebný tah při plném výkonu         – 8 Pa
  • max přípustný tah                              –  15 Pa

Přiložený výpočet v Kesa Aladin slouží jako ilustrace a nečiní si nárok na úplnou správnost a technické detaily návrhu spalinové cesty. Zájemce si může,pokud vlastí výpočtové software, vyzkoušet jak se mění vlastnosti spalinové cesty při změně vstupních podmínek.