Czas zimowy, wielu z nas ogrzewa swoje domy różnego rodzaju urządzeniami kotłowymi. Urządzenia te mogą pobierać powietrze niezbędne do procesu spalania poprzez przewód poprowadzony z zewnątrz budynku lub bezpośrednio z pomieszczenia, w którym te kotły są zainstalowane. Niezależnie od rodzaju kotła zainstalowanego w pomieszczeniu, pomieszczenie takie powinno posiadać dwa otwory wentylacyjne, nawiew i wywiew oraz kanał wylotu spalin. Układ wentylacji nawiewno-wywiewnej ma za zadanie wymieniać powietrze w pomieszczeniu w celach higienicznych. W wypadku kiedy w pomieszczeniu mamy kocioł gazowy lub olejowy z otwartą komorą spalania albo piec zasilany paliwem stałym, kanał wentylacji nawiewnej nabiera tu szczególnego znaczenia. Musi on zaopatrzyć kocioł w powietrze w ilości niezbędnej do procesu spalania paliwa.

Jak ważne jest zadanie tego niepozornego otworu w ścianie możemy się przekonać obliczając ilość powietrza jaką powinien on dostarczyć do naszego kotła. Do naszych rozważań przyjmijmy kocioł gazowy o mocy 15 kW pracujący z nominalną wartością mocy.

Gaz ziemny składa się w 97-98% z metanu (CH4). Dla uproszczenia pominiemy azot, propan, butan, dwutlenek węgla i inne związki, które występujących w gazie ziemnym w ilościach 2 – 3%, ponieważ dla naszych rozważań nie będą maiły znaczenia. Możemy też używać zamiennie określeń gaz ziemny i metan.

Reakcja spalania gazu ziemnego to reakcja metanu z tlenem zawartym w powietrzu. Jej przebieg zapisujemy w następujący sposób:

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O

Spalanie metanu

Reakcja spalania metanu

Należy pamiętać, że skład powietrza to 21% tlenu (O2) i 78% azotu, pozostałe 1% to miedzy innymi argon, dwutlenek węgla, wodór.

Spoglądając na powyższy zapis reakcji chemicznej spalania można zobaczyć, że do spalenia jednego metra sześciennego metanu (CH4) potrzeba dwóch metrów sześciennych tlenu (2O2). Jeżeli przyjąć, że te dwa metry sześcienne tlenu stanowią 21% objętościowego składu powietrza, to dodając te 79% pozostałych gazów składających się na powietrze, otrzymamy 9,52 metrów sześciennych powietrza. Obliczyliśmy ilość powietrza jaką musimy dostarczyć aby spalić 1 m3 gazu ziemnego.

Ale czy aby na pewno? Powyżej omówione zjawisko to zapis chemicznej reakcji spalania gazu ziemnego, ale w praktyce, nie wszystko przebiega w sposób zgodny z wzorami teoretycznymi. Pomimo dostarczenia pożądanej ilości tlenu, nie cały tlen weźmie udział w spalaniu. Dzieje się tak dlatego, że wymieszanie metanu z tlenem zazwyczaj nie będzie idealne. Dlatego aby proces spalania przebiegł optymalnie potrzebny jest pewien nadmiar tlenu. Badając zjawisko spalania paliw, naukowcy określili współczynniki nadmiaru powietrza I dla spalania różnych paliw. Okazuje się, że do procesu spalania gazu ziemnego należy dostarczyć od 5 do 20% więcej powietrza niż wynika to z zapisu reakcji spalania.

Przyjmijmy więc, że ilość powietrza niezbędnego do spalenia gazu ziemnego musimy powiększyć o 15%, (współczynnik nadmiaru powietrza l = 1,15). Obliczamy rzeczywistą ilość powietrza jaką potrzebujemy do spalenia 1 m3 metanu:

9,52 x 1,15 = 10,95 m3

Powróćmy teraz do naszego kotła, który ma moc maksymalną 15 kW. Jeżeli w mroźny dzień kocioł ten ma pracować z pełną mocą to w ciągu godziny musimy dostarczyć do niego energię powstałą ze spalenia gazu o wartości 15 kWh. Właściwie to gazu musimy dostarczyć więcej ponieważ każde urządzenie przetwarzające paliwo na energię (a właściwie energię chemiczną na energię cieplną) generuje podczas tego procesu pewne straty energii. Czyli urządzenie to posiada współczynnik sprawności, który jest mniejszy od jedności. Przyjmijmy, że dla naszego kotła będzie to h = 0,85. Natomiast ilość energii jaką możemy uzyskać ze spalenia jednego metra sześciennego metanu czyli wartość opałowa metanu wynosi 37 MJ/m3. Przeliczmy jeszcze szybko jednostki energii: 1 kWh jest równa 3,6 MJ.

Obliczmy zatem ilość gazu jaką musimy w ciągu jednej godziny dostarczyć do kotła, który pracuje z mocą 15 kW:

Q = (15 x 3,6) / (37 x 0,85) = 1,72 m3/h

Wiemy teraz jaką ilością gazu musimy zasilić kocioł, znamy też ilość powietrza niezbędną do spalenia 1 m3 metanu. Obliczmy więc jaką objętość powietrza musimy dostarczyć do kotła w przeciągu jednej godziny aby mógł on ogrzewać pomieszczenia z mocą 15 kW:

1,72 x 10,95 = 18,83 m3/h

Bez mała 19 m3 powietrza musi w ciągu godziny dopłynąć do kotła aby mógł on wydajnie ogrzewać nasz dom. Oto dlaczego tak ważny jest w pomieszczeniu kotłowni kanał wlotu powietrza. Nie zasłaniajmy go więc kiedy przez niego wieje, bo musi wiać. Paradoksalnie, kotłownia często jest najzimniejszym miejscem w całym domu z powodu panujących w niej przeciągów.

Możemy jeszcze rozważyć co się stanie jeżeli podczas spalania gazu ziemnego ilość dostarczonego powietrza będzie mniejsza niż wymagana. Spójrzmy jeszcze raz na zapis chemicznej reakcji spalania. Produktami reakcji są dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Niedostateczna ilość tlenu spowoduje pojawianie się w produktach spalania obok dwutlenku węgla, tlenku węgla (CO). Będzie go tym więcej im mniejsza ilość tlenu będzie dostępna podczas reakcji spalania. Nie będę się tu rozpisywał o tym, że tlenek węgla jest silnie trującym gazem i proces spalania powinien mieć zawsze zapewniony dostateczny dostęp powietrza.

Natomiast nadmiar powietrza przy spalaniu nie powoduje powstawania niebezpiecznej atmosfery. Mimo to w ogrzewnictwie jest zjawiskiem niepożądanym ponieważ nadwyżka tlenu, która nie bierze udziału w spalaniu pobiera ciepło wydzielane podczas tej reakcji i unosi je do komina. Taka sytuacja ma miejsce kiedy występuje zbyt duży ciąg kominowy.

j