Využití kondenzace spalin u energetických zdrojů

Společnost SLOVENSKÉ ENRGETICKÉ STROJÁRNE, a.s. – organizační jednotka Brno společně s VUT Brno získali v roce 2023 dotační projekt s názvem TK05020094 Využití kondenzace spalin ke zvýšení účinnosti energetických zařízení.

Cílem projektu byl vývoj technologie kombinující proces kondenzace ve spalinách z tuhých alternativních paliv a biomasy s tepelným čerpadlem pro zhodnocení nízkopotenciálního tepla. Technologie slouží ke zvýšení účinnosti energetických zařízení a ke zhodnocení nízkopotenciální tepelné energie na energii s vyšším teplotním potenciálem. Hlavním výstupem výzkumného projektu je poloprovozní technologie sestávající se z navrženého spalinového kondenzačního výměníku a tepelného čerpadla. Dílčími cíli projektu jsou: návrh metodiky vypočtu kondenzace spalin (včetně vývoje výpočtového softwaru) a laboratorní kondenzátor spalin. V tomto článku se však pouze zabývá hlavním cílem projektu, a tím je odzkoušení a potvrzení si výpočtových modelů na prototypovém zařízení.

Na základě rozsáhle rešerše byla vytvořena metodika výpočtu kondenzace vodní páry ve spalinách jakožto nekondenzovatelného plynu. Metodika je založena na základech difuzní teorie plynů a Nusseltovy blánové kondenzace. Ukázalo se, že pro danou problematiku bude nejlepší využít teorie difúzní vrstvy, která je v současnosti pravděpodobně nejrozpracovanější teorií popisující proces kondenzace. 

Součástí výpočtové metodiky pro výpočet spalinového kondenzátoru, je i výpočet přestupu tepla pro nucenou konvekci pro svazkový tepelný výměník včetně tlakových ztrát. Tepelný výpočet je nutný zejména pro určení chlazení na straně pláště. Je zde použit klasický výpočet s korelačními koeficienty pro zkratové proudy v plášti. Pro tlakové ztráty byla využita metoda Bell-Delaware. Součástí metodiky je také návrh stanovení termomechanických vlastností paroplynové směsi, a to před zastříknutím spalin, na vstupu do kondenzátoru a po výstupu z kondenzátoru. 

POPIS PROTOTYPOVÉHO ZAŘÍZENÍ
Na základě vytvořených matematických modelů a výpočtovému softwaru byl počátkem roku 2025 finalizován konstrukční návrh kondenzačního výměníku a následně vyroben. Jedná se o vertikální protiproudý výměník typu „shell and tube“ (trubkový svazek v plášti), u kterého spaliny proudí uvnitř trubkového svazku směrem shora dolů, zatímco chladicí voda protéká pláštěm mezi trubkami křížově zespoda nahoru, což je zajištěno systémem přepážek. Celá konstrukce byla navržena s primárním důrazem na dosažení ideálního teplotního spádu ΔT mezi teplotou chladicího média a cílovou výstupní teplotou spalin, čímž je maximalizována kondenzace a efektivita.

Sestava svislého válcovitého výměníku je stabilně usazena do nosné ocelové konstrukce. Výměník je z důvodu korozní odolnosti vyroben z nerezové oceli X6CrNiTi18-10. Pro omezení úniku tepla a zajištění ochrany proti náhodnému dotyku byla provedena izolace minerální vatou včetně finálního opláštění. Celková hmotnost výměníku je přibližně 2 500 kg, z toho cca 460 kg tvoří ocelová konstrukce. Sestava výměníku s nosnou ocelovou konstrukcí byla ukotvena do stávající ocelové konstrukce podlaží kotelny, konkrétně ve výšce +23,5 m, a to vedle výstupního spalinovodu biomasového kotle K6. Z tohoto spalinovodu bylo provedeno napojení vstupních a výstupních spalin na samotný výměník.

Na Obr. 1 je možné vidět sestavený kondenzační výměník ve výrobě.

Aby bylo možné kondenzaci spalin odzkoušet, bylo zapotřebí nalézt lokalitu s vhodným tepelným zdrojem (kotlem) se zaměřením na spalování dřevní štěpky. Po několika jednáních a prezentaci instalace prototypového zařízení bylo společně s provozovatelem zdroje domluvena spolupráce. Instalace a odzkoušení kondenzace spalin byla domluvena v areálu Teplárny Komořany, společnost United Energy, a.s. a bude využito spalin z kotle K6, který spaluje 100% dřevní biomasu.

Byl nainstalován nový rozvaděč řídicího systému RMD (viz Obr. 3). Ten je napájen pomocí kabelu CYKY 4Jx25 (uloženého v plastové trubce) ze silového rozvaděče kotle K6. Kabelové rozvody jsou uloženy v kabelových žlabech a plastových trubkách. Rozvaděč ŘS RMD je oceloplechová skříň se soklem, s krytím IP54/20 a osvětlením. Celý systém je řízen ŘS Simatic, který je se všemi moduly umístěn v rozvaděči RMD. V rozvaděči jsou všechny silové prvky pro napájení a ovládání silových prvků  - čerpadel, ventilátorů, klapek. Obě čerpadla i spalinový ventilátor jsou regulovány pomocí frekvenčních měničů. Klapky spalinovodů na vstupu a výstupu jsou ovládány servopohony. Dále je v rozvaděči umístěn zdroj 230V AC/24V DC sloužící pro napájení slaboproudých částí – karet řídicího systému, snímačů atd. Na dveřích rozvaděče jsou signalizovány jednotlivé stavy, poruchy a zapnutí zařízení. Systém Simatic automaticky ovládá jednotlivé silové prvky dle příslušného programu a hodnot získaných od příslušných snímačů teploty, tlaku, průtoku. Pro měření průtoku mokrých spalin je použita Venturiho trubice s diferenčním snímačem. Místo pro instalaci sestavy výměníku bylo zvoleno v prostorách strojovny na plošině ve výšce +23,5 m, konkrétně vedle výstupního spalinovodu za biomasovým kotlem K6. Na stejném podlaží jsou umístěny také napájecí nádrže. Z důvodu této výškové polohy musel být výměník na místo dopraven jeřábem přes střechu kotelny. Umístění výměníku je zdokumentováno na Obr. 4.

Toto umístění bylo výhodné také z hlediska přístupu k chladicí vodě odebírané ze stávajícího chladicího řádu, který slouží pro chlazení provozovaných kompresorů a nachází se přímo pod plošinou, na které je umístěna sestava výměníku (přibližně ve výšce +20 m). Napojení na chladicí řád bylo zrealizováno pomocí nové trasy potrubí DN100.

Potrubí vstupu spalin bylo navrženo jako ocelové potrubí dimenze DN500, které se v místě vstřiku rozšiřuje na DN700, a je napojeno na stávající spalinovod za kotlem K6. Na výstupní hrdlo výměníku bylo napojeno ocelové potrubí výstupního spalinovodu DN500. Spaliny vystupující z výměníku proudí nejprve přes odlučovač kapek, kde dochází k částečnému odloučení vlhkosti, aby nedocházelo ke kondenzaci spalin při smísení spalin z kondenzátoru a teplých spalin kotle K6. Za odlučovačem je zařazen spalinový ventilátor, jehož funkcí je odvod spalin do hlavního spalinovodu kotle K6 při stejném tlaku. 

Potrubí vstřiku bylo také napojeno z trasy chlazení kompresorů pomocí nového potrubí DN100. Potrubí vstřiku muselo být doplněno o zvyšovací čerpadlo, které bylo umístěno a kotveno do stávající ocelové konstrukce pod kompresory v prostoru u výměníku. Veškerý vzniklý kondenzát je shromažďován v záchytné jímce o objemu 1 m3. Pro zajištění filtrace a neutralizace byla do jímky vložena vrstva křemičitého písku o tloušťce cca 100 mm. V případě potřeby je jímka gravitačně vypouštěna do stávající výlevky, která se nachází v prostoru demontované části technologie kompresoru.

ZKOUŠKY
Pro dodržení plánovaného termínu dokončení projektu (konec roku 2025) byl pilotní provoz (PP) optimalizován a pro zvýšení efektivity rozdělen do dvou etap, mezi kterými proběhlo vyhodnocení naměřených dat a realizace drobných úprav systému.

Zásadním bodem sledování v obou etapách byla analýza vlhkosti spalin a efektivity jejich nasycení v sekci zástřiku. Tento parametr je klíčový pro dosažení rosného bodu, při kterém dochází k uvolnění latentního tepla. Protože fázová přeměna vodní páry ve spalinách na kondenzát představuje majoritní podíl na celkovém tepelném výkonu výměníku, bylo dosažení vysokého stupně nasycení hlavním předpokladem pro validaci projektovaných parametrů. Měření tak sloužilo nejen k ověření výkonu, ale i k posouzení účinnosti instalovaných trysek a jejich vlivu na pracovní bod zařízení.

První etapa PP proběhla v listopadu 2025 s hlavním cílem ověřit funkčnost všech komponent a nově vzniklých technologických vazeb v reálném provozu. Průběh měření byl monitorován pomocí rozhraní programu cMT Viewer na notebooku připojeném k řídicímu rozvaděči.

Detailní náhled na grafické rozhraní monitorovacího systému s aktuálními provozními daty je zobrazen na Obr. 5. V úvodu této fáze byl systém postupně uveden do provozu až na jmenovité parametry všech médií. Následně probíhalo měření při různých provozních stavech, které zahrnovaly variabilní průtok spalin pro sledování vlivu na celkový výkon výměníku a změnu množství vstřikované vody pro ověření vlivu na vstupní teplotu spalin. Dále byla regulována chladicí voda, čímž se sledovala změna teplotního spádu na straně chladicího média. Součástí testování byl rovněž provoz v režimu bez vstřiku. Souběžně s těmito stavy bylo prováděno měření množství tuhých znečišťujících látek (TZL) ve spalinách před a za výměníkem a sledována relativní vlhkost spalin.

Druhá etapa PP se uskutečnila v první polovině prosince 2025 a sloužila k ověření provedených úprav a k finálnímu měření po optimalizaci systému. Díky analýze dat z první etapy bylo možné měřicí protokoly zefektivnit a vynechat některé kombinace měřených stavů; například průtok chladicí vody byl po celou dobu ponechán již na konstantní jmenovité hodnotě. Program této etapy byl rozdělen do dvou tematických bloků. V první části byl udržován konstantní jmenovitý průtok vstřikované vody a měnil se pouze průtok spalin, čímž se zjišťovala ideální rychlost proudění spalin skrze kondenzační výměník. Druhá část měření probíhala v režimu zcela bez vstřiku, avšak při zachování identických hodnot průtoku spalin jako v předchozím bloku, což vytvořilo základ pro následné srovnání obou provozních režimů. Během této etapy byly rovněž realizovány opakované odběry vzorků kondenzátu pro následnou laboratorní analýzu.

VYHODNOCENÍ
V rámci první etapy byla realizována měření i při objemových průtocích spalin nižších než 50 % jmenovité hodnoty. Následná verifikace naměřených dat pomocí výpočtového modelu však ukázala, že výsledky v této oblasti vykazují vysokou chybovost a neodpovídají fyzikální realitě sledovaného děje. Tento nesoulad je způsoben technickým omezením použité Venturiho trubice, jejíž přesnost pod touto hranicí výrazně klesá, čímž se měření stává nespolehlivým. Z tohoto důvodu byly tyto provozní stavy z dalšího vyhodnocení vyřazeny a v druhé etapě již s nimi nebylo uvažováno.

Při porovnání naměřených dat s původními bilančními výpočty byl identifikován výrazný nesoulad v provozních parametrech na vstupu do výměníku. Vlivem nízké účinnosti odparu vstřiku (okolo 15 %) nedocházelo k dostatečnému nasycení spalin, což potvrdilo i měření množství kondenzátu odvedeného bezprostředně za sekcí vstřiku. Značná část vstřikované vody se totiž neodpařila a zůstala v kapalném stavu, kvůli čemuž vstupovaly spaliny do samotného kondenzačního výměníku s vyšší teplotou, než předpokládal bilanční výpočet. Tento stav jasně prokázal, že pro dosažení projektovaných parametrů nasycení bude v další fázi nezbytné technicky upravit vstřikovací sekci.

Další odchylkou od bilančního předpokladu byla teplota spalin na vstupu do systému. Zatímco projekt počítal s konstantní teplotou 150 °C, reálné hodnoty během měření kolísaly v rozmezí 130–142 °C v závislosti na aktuálním provozním stavu kotle. Provozní teplota chladicí vody byla po většinu doby stabilizována v rozmezí 21–23,5 °C, nicméně okrajové stavy měření vykazovaly v extrémních případech širší rozptyl od 19,1 °C až po 30,7 °C. Pro zajištění objektivity výsledků bylo nutné tyto odchylky při vyhodnocování zohlednit. Srovnání odchylek vstupních parametrů oproti bilančním předpokladům uvádí Tab. 1.

V rámci druhé etapy byla v první řadě v rámci optimalizace systému realizována instalace trysek s menším průřezem, které výrazně zlepšily kvalitu rozstřikování a jemnost vodní mlhy. Tato úprava vedla k nárůstu účinnosti odpařování z původních přibližně 15 % na rozmezí 25–30 %. Užší profil trysek však s sebou přinesl vyšší tlakovou ztrátu v okruhu vstřiku, což zásadně změnilo pracovní bod oběhového čerpadla. I přes nastavení čerpadla na maximální výkon došlo vlivem zvýšeného hydraulického odporu k poklesu průtoku vstřikované vody. Tento kapacitní limit v celkové dodávce vody pak přímo omezil maximální dosažitelnou relativní vlhkost spalin na vstupu do výměníku a zároveň zapříčinil vyšší vstupní teplotu spalin oproti bilančním předpokladům, neboť nedošlo k dostatečnému odběru citelného tepla procesem odpařování.

Zlepšení kvality rozstřiku se přesto pozitivně projevilo i při porovnání provozních režimů; měření potvrdilo, že provoz bez zástřiku vykazuje celkový tepelný výkon přibližně o 10–15 % nižší ve srovnání s režimem se zástřikem, přičemž provozní maximum bez vstřiku se pohybovalo na úrovni 415 kW. V provozu bez zástřiku dochází k posunu poměru výkonových složek: snižuje se podíl kondenzačního výkonu ve prospěch přenosu citelného tepla při chlazení spalin.

Dále byl sledován vliv rychlosti proudění spalin na celkovou efektivitu. Cílem bylo definovat optimální provozní stav, ve kterém výměník vykazuje nejvyšší podíl kondenzačního tepla vůči teplu citelnému. Srovnání výkonových parametrů obou režimů a jejich chování při změně průtoku spalin je shrnuto v Tab 2. Právě data v tabulce pro 110% jmenovitý průtok prokazují klíčový limit systému. Zatímco v režimu se zástřikem zůstal výkon prakticky konstantní na hodnotě 485 kW (což ve shodě s výstupy z výpočtového modelu potvrzuje dosažení limitu teplosměnné plochy přibližně již při 105 % průtoku), v režimu bez zástřiku došlo k dalšímu nárůstu výkonu. To bylo umožněno využitím rezervy teplosměnné plochy výměníku pro přenos citelného tepla. Na základě komplexního vyhodnocení lze konstatovat vysokou shodu mezi bilančním výkonem 475 kW a naměřenou hodnotou 485 kW, což potvrzuje správnost technického návrhu. Drobné odchylky jsou pravděpodobně způsobeny souběhem několika provozních faktorů, z nichž nejvýznamnějším je nejistota měření, zejména u teploty chladicí vody (tolerance ± 0,5 °C). Vzhledem k průměrnému teplotnímu spádu 5,4 °C může tato odchylka vnést do výpočtu výkonu určitou nejistotu, nicméně vzhledem k vysoké míře shody s projektovanými daty lze měřicí systém považovat za dostatečně přesný.

I přes technické limity vstřiku byla měření úspěšná. Významný vliv na výsledky měla zvýšená vlhkost paliva způsobená klimatickými podmínkami, která zajistila vyšší nasycení spalin vodní párou a nárůst teploty rosného bodu. Tato dodatečná vlhkost efektivně kompenzovala nižší účinnost systému zástřiku a umožnila dosáhnout projektovaných parametrů. Stabilizačním prvkem pak byla mírná rezerva v teplosměnné ploše výměníku, která systému umožnila flexibilně reagovat na odchylky od nominálních provozních stavů a podpořila udržení optimálního pracovního bodu po celou dobu měření.

Na základě pozitivně vyhodnocených výsledků z provozu prototypového zařízení určeného pro kondenzaci spalin, bude toto zařízení nebo tato technologie zařazena do portfolia společnosti SLOVENSKÉ ENERGETICKÉ STROJÁRNE, a.s. a bude komerčně využívána na projektech.

Ing. Přemysl Kól, Ph.D., Ředitel pobočky Brno
SLOVENSKÉ ENERGETICKÉ STROJÁRNE, a.s. – organizační jednotka