9. PLYN V OBJEKTU

RYCHLÝ NÁHLED DO PROBLEMATIKY KAPITOLY

Kapitola je charakteristická teoretickými poznatky o plynech a jejich vlastnostech. Víte, že plyn má své spalitelné a nespalitelné složky?

Cíle kapitoly

  1. 1. Seznámíte se se základními vlastnostmi plynů.
  2. 2. Uvědomíte si důležitost této a následujících kapitol pro váš další profesní život.
  3. 3. Naučíte se meze výbušnosti plynů.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU

Pro získání kvalitních vědomostí počítejte s cca 60 minutami.

KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY

Plyn, vlastnosti plynu, meze výbušnosti plynu, jedovatost plynu.


Masový rozvoj českého plynárenství začal po 2. světové válce výstavbou plynovodů a rozvody plynu do objektů. K vytápění se využíval především svítiplyn. Ten byl však u nás od 60. let do 90. let minulého století postupně nahrazován zemním plynem. Severočeské město Bílina bylo posledním místem v naší zemi, které bylo přepojeno na zemní plyn. V roce 1996 ukončila výrobu svítiplynu tlaková plynárna Vřesová na Sokolovsku.

Důležité!

Pro rozvod plynu v objektu platí zejména následující normy a technická pravidla: ČSN EN 1775 včetně jejich změn A 1 a A 2, TPG 704 01, TPG 800 01, ČSN EN ISO 6976, ČSN EN 12 405 – 1.


9.1 Topné plyny a jejich základní vlastnosti


Plyny dělíme:

Podle vzniku:
– přírodní ( např. zemní plyn )

- vyráběné ( koksárenský plyn )


Všechna plynná paliva jsou směsí základních složek, vzniklých složitými pochody. Základní složky jsou jednak spalitelné, hořlavé, které jsou vlastními nositeli kalorické hodnoty plynového paliva a jednak nespalitelné, které se neúčastní hoření, procházejí tedy spalovacím procesem beze změny a jsou pak v nezměněné formě obsaženy ve spalinách. Tyto podíly plynných paliv jsou nežádoucí, protože jsou ředící složkou, která snižuje výslednou kalorickou hodnotu celé směsi a jednotlivých složek. Proto se jejich obsah snažíme při jednotlivých výrobních pochodech co nejvíce omezit.


9.1.1 Spalitelné a nespalitelné složky

Spalitelné složky : jsou zastoupeny vodíkem, kysličníkem uhelnatým a řadou uhlovodíků.

Vodík H 2 : je nejlehčí složkou plynných paliv (14x lehčí než vzduch), má výborné spalovací vlastnosti, (výbornou spalovací rychlost a ostrý plamen) a jeho obsah ve směsích je proto vždy žádoucí. Ve značném procentu je obsažen zejména ve svítiplynu, vodnímu plynu a dvojplynu.

Kysličník uhelnatý CO : patří ke specificky těžším složkám, jeho spalovací vlastnosti jsou vzhledem k vodíku značně horší. Je jednou z hlavních složek generátorových plynů. Jeho přítomnost v topném plynu vytváří jedovatost - při větším obsahu jako 0,02% CO ve vzduchu.

Uhlovodíky : jsou v plynných palivech zastoupeny prvními členy alifatické řady (nasycené i nenasycené) i aromatické a přitom na rozdíl od vodíku a CO, které jsou obsaženy skoro ve všech plynných palivech, je přítomnost jednotlivých uhlovodíků zpravidla charakteristická zápachem pro každý druh plynného paliva.

Methan CH4 : je hlavní součástí zemních plynů, kromě toho je obsažena ve větší míře ve svítiplynu, částečně i v generátorových plynech. Pro své vysoké spalné teplo je složkou žádoucí. Jeho homolog ethan C2 H5 bývá součástí některých zemních plynů.

Propan C3 H8 a butan C4 H10 : jsou členové methanové složky a jsou v zemních plynech. Jsou podstatou kapalného plynu, jsou vedlejším produktem při výrobě umělého benzínu a při stabilizaci některých druhů ropy.

Ethylen C2 H4 a Acetylen C2 H2 : jsou nenasycené uhlovodíky, bývají pro jednoduchost shrnovány spolu s benzenem C6 H6 a jeho homology pod souhrnný pojem tzv.těžkých uhlovodíků, značených v palivářské praxi CnHm. Mezi spalitelné složky náležejí i nežádoucí složky vedlejší, zejména sirovodík a amoniak.


Nespalitelné složky : jsou zastoupeny kysličníkem uhličitým a dusíkem.

Kysličník uhličitý CO 2: v menší míře obsažen ve svítiplynu, ve větší v generátorových plynech, je produktem nedokonalého průběhu redukčních pochodů ( CO 2 + C= CO). Je specificky těžký a je příčinou korozí.

Dusík N 2 : typická složka plynů, nejvíce ho obsahují generátorové plyny, do nichž přechází ze vzduchu, přidávaného při zplyňování paliva. Je přítomen i ve svítiplynu a zemních plynech. Zvyšuje specifickou váhu plynných směsí a kaloricky je ředí.

Kyslík O 2 : patří do této skupiny z hlediska kalorického, sám o sobě nehoří, není výhřevný, jako složka paliv se účastní hoření spolu s přidávaným kyslíkem vzdušným. V plynných palivech je jeho obsah nežádoucí pro korozivní účinky, pohybuje se zpravidla v desetinách procenta.



9.1.2 Základní vlastnosti

  • fyzikální a chemické vlastnosti

  • energetické vlastnosti

  • pyrotechnické vlastnosti

  • spalovací vlastnosti


Fyzikální a chemické vlastnosti

Plynná paliva jsou plyny případně směsi plynů, jež jsou při spalování se vzduchem či kyslíkem používány zejména pro topné účely.

absorpce – schopnost kapaliny pohlcovat molekuly plynu. V praxi se tohoto jevu využívá při zjišťování obsahu CO2 ve spalinách tzv. Orsatovým přístrojem.

difúze – Daltnův zákon, vzájemné prolínání plynů v důsledku jejich rozpínavosti.

adsorpce – pohlcování molekul plynu na povrchu tuhých látek. V praxi se toho využívá např. při vysušování plynů nebo k oddělování jednotlivých částí směsných plynů.

toxicita – jedovatost plynu.

relativní hustota – poměr hmotnosti určitého objemu plynu ke hmotnosti stejného objemu vzduchu.

tlak plynu – jedna se základních veličin, v praxi se setkáváme s pojmy přetlak, podtlak, absolutní tlak a atmosférický tlak.

teplota plynu – velmi důležitá hodnota. Většinou se uvádí ve 0C, může se však použít i stupnice Fahrenheita nebo Réamura.


0 0 C= 273 K = 32 0 F | 100 0 C = 373 K = 240 0 F


Objem plynu – základní veličina, jednotka ( l ) nebo ( m3 )


Tabulka 9.1.1 – 1: Vlastnosti plynných paliv Tabulka 9.1.1 – 1: Vlastnosti plynných paliv

9.2 Použitelnost jednotlivých plynů

  • Plyny z kamenného uhlí – vyrábí se karbonizací, zplyňováním nebo štěpením. Karbonizace je tepelný rozklad organických látek za nepřístupu vzduchu při teplotách do 1350 0C. Výsledným plynem je kysličník uhelnatý CO a vodík H2.

  • Vodní plyn – vyráběl se v generátorech vháněním vodní páry do vrstvy rozžhaveného koksu bez přístupu vzduchu při cca 1100 0C. Z chemického hlediska jde o směs oxidu uhelnatého CO a vodíku H2. Další úpravou se vodík přeměňoval na metan CH4. Pro své vysoké výrobní náklady se prakticky nepoužívá.

  • Svítiplyn, koksárenský plyn – vyráběl se karbonizací nebo štěpením. Svítiplyn se dnes již v České republice nepoužívá. Koksárenský plyn je vzhledem k vysokému obsahu CO prudce jedovatý.

  • Generátorový plyn – vzniká zplyňováním hnědého uhlí. Podobně jako koksárenský plyn je díky vysokému obsahu CO velmi jedovatý.

  • Kychtový plyn – má obdobné vlastnosti jako svítiplyn s větším počtem nečistot, síry a dalších plynů. Vyráběl se v ocelárnách, které jej také využívaly pro svou spotřebu.

  • štěpný plyn – vzniká ve štěpných zařízeních ( rafinerie olejů ), v nichž dochází k fyzikálně – chemickému rozkladu benzínu a lehkého topného oleje.

  • Metanizace – přeměna svítiplynu CO působením vodíku H2 na metan CH4.

  • Zemní plyn CH4 – především jej získáváme z přírodních ložisek. Karbonský plyn je název pro zemní plyn, který vznikl v souvislosti s uhlím, ropný plyn je název pro zemní plyn vzniklý v ložiscích s ropou. Na základě svého vzniku a složení rozlišujeme 2 typy zemních plynů dle výhřevnosti, typ H (high – vysoká výhřevnost ) a typ L (low – nízká výhřevnost ).

  • Degazační plyn – přírodní plyn vzniklý odplyňováním vytěžených uhelných ložisek během těžby. Oproti karbonskému nebo ropnému plynu má nižší a kolísavou výhřevnost.

  • Bioplyn – jedná se o směs plynů vznikajících při vyhnívání organických látek (anaerobní metanová fermentace). Je složen především z metanu, oxidu uhličitého, sirovodíku, dusíku a vody, přičemž procentuální zastoupení jednotlivých složek je odvislé od použitého zdroje.

    • Dle vzniku – skládkový plyn (vyhnívací procesy na skládkách odpadů).

  • Kalový plyn - ( ve vyhnívacích nádržích biologických čistíren odpadních vod při teplotách cca 32 0C ). Kalový plyn může též vzniknout z dřevního odpadu, slámy, hnoje a kejdy. Obsah metanu může být až 85% objemu plynu.


9.3 Výhřevnost plynů, spalné teplo, výbušnost plynů


Podle velikosti spalného tepla:

1) plyny nízko výhřevné s Q s < 16,8 ( MJ.m-3 )

  • generátorové
  • vysokopecní

2) plyny středně výhřevné 16,8 < Q s > 20 ( MJ.m-3 )

  • svítiplyn
  • koksárenský plyn

3) plyny velmi výhřevné 20 < Q s > 50 ( MJ.m-3 )

  • karbonský plyn
  • zemní plyn
  • bioplyny

4) plyny vysoce výhřevné 50 < Q s > 80 ( MJ.m-3 )

  • propan-butan a jejich směsi

  • spalné teplo – množství tepla, které se uvolní dokonalým spalováním jedné váhové ( kg ) nebo objemové ( m 3 ) jednotky paliva při 0 0C, za normálního tlaku vzduchu tj.101 325 ( Pa )( 760 mm Hg ) a s ochlazením zplodin hoření na výchozí teplotu. Spalné teplo se stanoví v kalolimetru, kde se ochlazením kouřových plynů získá i kondenzační teplo obsažené ve spalinách ( vodních parách ).

V praxi lze ochladit kouřové plyny tak hluboko, aby se mohlo využít i kondenzačního tepla ve vodních parách. Každý kilogram vodní páry odnáší tzv. latentní teplo, které se rovná výparnému teplu vody:

1 kg vody 100 0C teplé má výparné teplo 2 260 ( kJ )

1 kg vody 20 0C teplé má výparné teplo 2 453 ( kJ )

V praxi proto počítáme s pojmem výhřevnosti paliva. Měrnou jednotkou spalného tepla objemového je kJ.m-3, MJ.m-3 nebo kWh.m -3.


  • výhřevnost paliva - množství tepla, které se uvolní spálením jedné váhové nebo objemové jednotky paliva, aniž by se kouřové plyny ochladily pod rosný bod. Spalné teplo i výhřevnost vyjadřujeme v ( kJ/kg ) nebo ( kJ/m3 ). Měrnou jednotkou výhřevnosti objemové je kJ.m -3, MJ.m -3 nebo kWh.m -3.

  • spalovací rychlost - každé plynné palivo zahřáté na zápalnou teplotu hoří plamenem, který postupuje určitou rychlostí. Této rychlosti dosahuje za určitých podmínek svého maxima – mluvíme potom o maximální spalovací rychlosti, jejíž hodnota závisí na složení směsi plynu se vzduchem, nebo plynu s kyslíkem a na teplotě. Maximální spalovací rychlosti se obvykle dosáhne tehdy, obsahuje-li směs o něco více paliva, než vychází ze stechiometrického výpočtu (směs, při které bude výbuch nejsilnější). Metan a ostatní nasycené uhlovodíky však mají výjimečně největší spalovací rychlost, když jsou smíšeny s teoretickým množstvím vzduchu, potřebným ke spálení. Spalovací rychlost můžeme ovlivnit ubíráním nebo přidáváním vzduchu ( kyslíku ). Dosáhneme-li u hořáku vyšší spalovací rychlosti, než kterou proudí plyn do hořáku, vskočí plamen do trubice, naopak při nižší spalovací rychlosti odlétne plamen od trubice, popř. zhasne. Hoří-li plyn velkou spalovací rychlostí, projevuje se to krátkým ostrým plamenem. Ve všech případech roste rychlost hoření se stoupající teplotou i se zvyšujícím tlakem, protože s teplotou se zrychluje pohyb molekul, s tlakem se zmenšují jejich vzdálenosti.

  • spalování - jde o prudké okysličování hořlavých látek, při kterém se vyvíjí teplo a zpravidla i světlo. Dobré spalování je závislé na vlastnostech hořlavé látky, množství spalovacího vzduchu, konstrukci hořáků a velikostí spalovacího prostoru. Množství a složení spalin závisí na složení spalovacího plynu a kvalitě spalování.

  • Wobeho index – vztahuje se ke spalnému teplu i k výhřevnosti daného paliva. Wobeho číslo vyšší hodnoty Ws je poměr spalného tepla ke druhé odmocnině relativní hustoty a Wobeho číslo nižší hodnoty Wi je poměr výhřevnosti ke druhé odmocnině relativní hustoty daného paliva. V obou případech je jednotka kJ.m -3, MJ.m -3.

  • entalpie – je množství tepla obsaženého v 1 kg nebo 1 m3 plynu.


Obrázek 9.3 – 1: Složení topných plynů Obrázek 9.3 – 1: Složení topných plynů

Tabulka 9.3 – 1: Meze výbušnosti plynů Tabulka 9.3 – 1: Meze výbušnosti plynů

9.4 Třídy plynů, značení plynů na spotřebičích


Zkušební plyn – plyn sloužící k ověřování provozních vlastností spotřebičů.

Mezní zkušební plyny – zkušební plyny pro ověřování extrémních provozních podmínek.

Zkušební přetlak – zkušební přetlak paliva pro ověřování provozních podmínek.

Jmenovitý přetlak – přetlak, při kterém je spotřebič provozován při jmenovitém výkonu.

Jmenovitý tepelný příkon – hodnota příkonu stanovená výrobcem.

Hmotnostní průtok – hmotnost paliva za časovou jednotku při nepřetržitém provozu.

Objemový průtok – objem plynného paliva za časovou jednotku při nepřetržitém provozu.


Tabulka 9.4. – 1: Třídění plynných paliv Tabulka 9.4. – 1: Třídění plynných paliv


Plynové spotřebiče jsou tříděny do 3 kategorií :

  1. I. kategorie – jsou konstruovány výlučně pro použití plynných paliv jedné třídy, nebo jedné skupiny, např.I 2H.

  2. II. kategorie - jsou konstruovány pro použití plynných paliv dvou tříd, např. II 2H3P.

  3. III. kategorie - jsou konstruovány pro použití plynných paliv tří tříd, v naší zemi se tato kategorie prakticky nepoužívá.

shrnutí kapitoly

Máte za sebou úvod do další velmi důležité oblasti a tou je plyn v objektu. Už víte, který plyn je jedovatý a který nikoliv. Znáte kategorie plynových spotřebičů a víte který plyn je vhodný k danému procesu.

Vytisknout | Nahoru  ↑