Izolace

Ztráty vedením a zářením vznikají teplotním rozdílem média v parních kotlích, potrubích a armaturách a okolního prostředí.

Výše tepelných ztrát je podstatně ovlivňována velikostí povrchu, teplotou média a okolního prostoru a provedením izolace.

Protože tyto ztráty nejsou závislé na výkonu a nastávají vždy, tedy i ve fázích odstávky, vznikají tak u neodstavených zařízení nebo částí zařízení 365 dní v roce. Zejména u zařízení, která jsou často provozována v částečném výkonu, mají negativní vliv na roční stupeň využití kotlového zařízení.

Roční stupeň využití - více informací

Vedle náročnějších šetření za pomoci termokamery mohou být většinou tzv. „Hot Spots“ s největšími tepelnými ztrátami rozpoznány i pouhým pocitem horkých ploch, vizuální kontrolou izolace nebo povrchovými či radiačními teploměry a na základě toho odstraněny.

Povrchová teplota je však měřítkem pro vysoké tepelné ztráty pouze podmíněně. Zejména tehdy, když se vzájemně porovnávají různé povrchové materiály, mluví nižší povrchová teplota kromě jiného pro vyšší tepelné ztráty.

Důvod spočívá v koeficientu záření povrchu izolace. Vysoký koeficient zvyšuje tepelné ztráty, snižuje však současně povrchovou teplotu. Výhodou proto je nasazení materiálu s nižším emisním koeficientem.

Příklad:
Zásobník napájecí vody	L = 3 600 mm, Ø = 1 700 mm
Izolace	D = 100 mm
Teplota média	103 °C

Povrchový materiál¹⁾	Emisní koeficient ε	Tepelné ztráty přes plášť zásobníku	Povrchová teplota
Hliník válcovaný bez úpravy	0,05	627,5 W	30,0 °C
Hliník oxidovaný	0,13	635,5 W	29,0 °C
Poznikovaný plech bez úpravy	0,26	645,5 W	27,6 °C
Poznikovaný plech práškově	0,44	655,5 W	26,3 °C
Austenitická ocell	0,15	637,2 W	28,7 °C
Al-Zn plech lehce oxidovaný	0,18	639,7 W	28,4 °C
Nekovový povrch	0,94	671,2 W	24,2 °C

Výčet emisních koeficientů, tepelných ztrát a povrchových teplot u různých povrchů
_{1) dle VDI 2055 list 1 příloha A8}

Ve stávajících zařízeních vznikají největší tepelné ztráty většinou neizolovanými armaturami, neobnovenými izolacemi částí zařízení po jejich revizi nebo opravě nebo tepelnými můstky tvořícími se při posunutí povrchu izolace.

Odstraněním těchto „Hot Spots“ ve stávajících zařízeních je možno zabránit již velké části ztrát vedením a sáláním, aniž by musela být prováděna kompletní nová izolace. Opatření na neizolovaných úsecích celého zařízení (např. kotli, potrubí páry a kondenzátu, armaturách, nádobách) představují jedno z nejekonomičtějších úsporných opatření ve stávajících systémech.

Tepelná ztráta samotného kotle může být zjištěna jednoduchým způsobem v klidovém stavu. Po odstavení kotle z provozu (např. o víkendu) může být zjištěn pokles tlaku při zavřených parních ventilech, ventilech odluhu a odkalu. Počínaje tlakem páry v kotli 10 bar by neměl pokles tlaku činit více než 0,2 bar/h. Je třeba dbát na to, že musí být zohledněny nejen ztráty sáláním a vedením, nýbrž také případné ventilační ztráty vznikající tahem komína. Stejně tak může být výsledek ovlivňován i ventily, které těsně nedovírají.

Tepelná ztráta naměřená nepřímo poklesem tlaku je však dána nezávisle na příčině a mělo by jí být zabráněno.

Efektivitu izolace je přitom možné zlepšit následujícími body.

Tloušťka a povrch izolace

Zvýšením tloušťky izolace mohou být povrchová teplota a tepelná ztráta redukovány. Zde však platí potřeba zvolit rozumnou a ekonomickou izolaci, neboť zdvojnásobení tloušťky izolace v žádém případě neznamená poloviční snížení povrchových ztrát.

Pro celkovou tepelnou ztrátu hraje vedle tloušťky izolace rozhodující roli i velikost povrchu. Zde jsou výhodou kompaktní konstrukce kotlů, např. v asymetrickém designu, jakož i integrované ekonomizéry a z toho vyplývající menší izolované povrchy.

Tepelné ztráty na izolovaném úseku povrchu nádob a kotle

	Teplota média: 250 °C (^{. . . . . .})			Teplota média: 150 °C (^_______)
	Teplota média: 200 °C (- - - -)			Teplota média: 100 °C (^_______)

Obrázek výše „Tepelné ztráty na izolovaném úseku povrchu nádob a kotle“ ukazuje, že při tloušťce izolace 100 mm a teplotě média 150 °C vzniká tepelná ztráta zhruba 57 W/m².

Při tloušťce izolace 150 mm se snižuje zhruba o 30 % na hodnotu okolo 40 W/m². Pokud se tloušťka izolace zvýší na 200 mm, redukuje se tepelná ztráta oproti 100 mm izolaci o 44 % na 32 W/m².

To platí vždy pouze pro izolované úseky bez tepelných můstků. Protože ztráty těchto tepelných můstků mohou rychle překročit ztráty v dobře izolovaném zylindrickém úseku, musí být stále posuzovány a pokud možno minimalizovány.

Izolace potrubí

Průběžná izolace potrubí s horkým médiem je v mezičase ve všech částech zařízení pro úsporu energie a bezpečnost práce závazně předepsaná (např. vyhláškou na úsporu energií). Při rozhodování pro určitou tloušťku izolace by však neměly být rozhodující pouze předpisy, nýbrž především hospodárnost.

Na základě následujícího grafu je možno v závislosti na teplotě média, průměru potrubí a tloušťce izolace určit jak absolutní tepelnou ztrátu na metr neizolovaného potrubí (levá souřadnice), tak i faktor úspory izolovaného potrubí (pravá souřadnice).

Faktor úspory izolací a tepelné ztráty na potrubí

	Teplota média: 250 °C (^{. . . . . .})
	Teplota média: 200 °C (- - - -)
	Teplota média: 150 °C (^_______)
	Teplota média: 100 °C (^_______)
	Tloušťka izolace s = 150 mm
	Tloušťka izolace s = 100 mm
	Tloušťka izolace s = 60 mm
	Tloušťka izolace s = 20 mm
	Tepelná ztráta v neizolovaném stavu
	Úspora díky izolaci
	Úspora díky izolaci

Výpočty pro graf na obr. 164 probíhají v návaznosti na VDI 2055 list 1: neizolovaná lakovaná ocelová trubka, izolace minerální vatou, izolační opláštění hliníkový válcovaný plech, horizontální potrubí, okolní prostorová teplota 20 °C.

Pro parní potrubí o délce 100 m vznikne zvýšením tloušťky izolace z 60 mm na 150 mm úspora okolo 920 € za rok (při předpokládaných 8 000 provozních hodinách a 4,5 ct/kWh energetických nákladů).

Každý metr neizolovaného potrubí zde stojí přes 300 € za rok.

Příklad	Tloušťka izolace [mm]	Tepelná ztráta potrubí [W/m]	Celková tepelná ztráta¹⁾ [kWh]	Úspora absolutně²⁾ [kWh]	Úspora procentuálně²⁾ [%]	Uspořené náklady²⁾ [€]
A	bez izolace	837,0	669 600	---	---
B	s = 60	66,4	53 120	---	---
C	s = 150	40,8	32 640	20 480	38,6	921,60

Potenciál úspor zvýšením tloušťky izolace na příkladu parního potrubí

_{1) Při 100 m délky potrubí a 8 000 provozních hodinách/ rok}

_{2) Ve vztahu k tloušťce izolace s = 60 mm}

Minimalizace tepelných můstků

Tepelné můstky nastávají vždy tehdy, když kovové spoje s velmi dobrou tepelnou vodivostí prostupují izolací. Tak tomu je například u hrdel, podpěr kotle nebo konzolí pochozích lávek.

Zejména v oblasti ochranného pláště izolace je třeba dbát na to, aby funkčně podmíněné prostupy neměly žádný přímý kontakt k plášti izolace, neboť jinak na těchto místech vznikají tepelné můstky a ty mohou vést ke ztrátě energie. Již jednoduché ovinutí hrdla izolační tkaninou tomu může spolehlivě zabránit. Prvky, které slouží k zlepšení statiky a tuhosti, by měly být uvnitř izolace a tak také neodvádět žádné teplo směrem ven k ochranému plášti izolace.

Stejně tak by neměly být u válcových plášťů používány žádné distanční držáky, neboť ty také působí jako tepelné můstky. Pokud tomu tak je, odvádění tepla z horkých bubnů kotle k ochrannému plášti izolace je zabráněno a tepelná izolace izolační rohože je celoplošně účinná.

Zabránění tepelným můstkům izolací bez distančních držáků na cylindrickém plášti kotle a zásobníků Zabránění tepelným můstkům izolací bez distančních držáků na cylindrickém plášti kotle a zásobníků

Izolované revizní otvory

Parní kotle podléhají periodickým vnitřním kontrolám a revizím příslušnými dozorovými orgány. K tomu jsou potřebné prostupy v izolačním plášti pro revizní otvory pro ruce, hlavu a průlezné otvory. Tyto prostupy se izolují a uzavírají odnímatelnými izolačními rohožemi.

I revizní a čisticí otvory na sběrných spalinových komorách a tělesech ekonomizérů jsou uzavírány stejnou izolační technikou tak, aby nedocházelo u revizních otvorů ke zvýšeným ztrátám sáláním tepla. Na revizní otvory nacházející se pod izolací odkazují popisky.

Zejména po revizích, nebo když bylo izolační víko odejmuto z jiných důvodů, je třeba dbát na to, aby byly revizní otvory také opět zaizolovány.

Tepelná ztráta opětovně nezaizolovaného revizního otvoru s plochou cca 0,5 m² znamená při provozním přetlaku 10 barů a teplotě 185 °C ztrátu energie zhruba 15 kWh za den.

Odnímatelné izolace na revizních otvorech (UL-S s integrovaným ekonomizérem)

Izolované armatury

U parních kotlů se nachází na mnoha místech armatury, které jsou nezbytné k obsluze a údržbě zařízení. Z důvodů montáže a z nákladových důvodů nebo z důvodů různých rozhraní dodávek jsou často i u nových zařízení stále ještě izolace armatur nebo přechodových přírub vynechávány. Stejně tak i u stávajících zařízení často najdeme nezaizolované armatury.

Tyto nezaizolované oblasti však zůsobují velmi vysokou ztrátu energie. K odhadu energetické ztráty neizolované armatury může sloužit následující tabulka.

Jmenovitá světlost potrubí		DN 50	DN 65	DN 80	DN 100	DN 125	DN 150	DN 200	DN 250
Délka dle EN 558 řada 1	[mm]	230	290	310	350	400	480	600	730
Tepelná ztráta bez izolace	[W]	224	343	419	586	795	1 119	1 800	2 728
Tepelná ztráta s izolací	[W]	21	27	29	33	43	58	88	127
Úspora	[W]	202	316	390	553	752	1 061	1 712	2 601
Tepelná ztráta při 8 000 Bh/a	[kWh/a]	1 619	2 527	3 117	4 425	6 018	8 489	13 693	20 810
Úspora při 4,5 Ct/kWh	[€/a]	73	114	140	199	270	382	616	936

Tepelné ztráty a provozní náklady neizolovaných armatur (teplota média 200 °C)

Upozornění k tabulce:

Teplota média 200 °C
Výpočet tepelných ztrát potrubí v návaznosti na VDI 2055 list 1
tepelných ztrát potrubí na tepelné ztráty armatur s délkovým faktorem 1,6 pro izolované armatury a faktorem délky 2 pro neizolované armatury. (Z toho vyplývají zřetelně konzervativnější tepelné ztráty pro neizolované armatury a nižší úspory než při výpočtu kompletně dle VDI 2055 list 1.)
Délky armatur dle DIN EN 558 řada 1

Redukce tepelných ztrát izolací armatur činí při teplotě média 200 °C a armatuře s jmenovitou světlostí DN 100 zruba 550 W. Při jmenovité světlosti DN 150 zhruba 1 060 W. Při nákladech na izolaci armatury 100 ... 200 € se tato izolace amortizuje do jednoho roku.

Protože jsou v kompletním parním systému armatury třeba na mnoha místech, činí celkový potenciál izolací armatur systému páry a kondenzátu průměrně zhruba 1 ... 5 % spotřeby paliva.

Příklad:
Průměr parního potrubí	DN 100
Teplota páry	200 °C

	Tepelná ztráta v neizolovaném stavu (levá souřadnice)

	Úspora díky izolaci (pravá souřadnice) (Tloušťka izolace s = 60 mm; f_iso = 12,6)

	Úspora díky izolaci (pravá souřadnice) (Tloušťka izolace s = 150 mm; f_iso = 20,5)