envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










37Wydawałoby się, że technika kondensacyjna w ogrzewnictwie to dobrze rozpoznany temat, który zwłaszcza w ostatnich kilkunastu latach mocno ugruntował się na naszym rynku. Wciąż jednak w rozmowach z instalatorami, m.in. podczas szkoleń, które prowadzę, pojawiają się pytania i wątpliwości dotyczące zarówno samego procesu kondensacji i spalania w kotłach gazowych, jak i oceny parametrów pracy takich kotłów. Przyjrzyjmy się więc, o co w tym wszystkim faktycznie chodzi, nawiązując przy okazji do historii kondensacji.

Trochę historii i trochę geopolityki
Historii kotła kondensacyjnego nie da się opowiedzieć bez wspomnienia o początkach ogrzewnictwa w ogóle. A wszystko zaczęło się jakieś pół miliona lat temu od „oswojenia” ognia przez ludzi i wykorzystywania go do grzania się oraz do przygotowywania potraw. Najpierw do spalania używano paliw stałych, typu drewno, a później także węgla i koksu. Pierwszy grzejnik gazowy został wynaleziony w roku 1856, rok po wynalezieniu palnika Bunsena. Wtedy to firma Pettit and Smith zaadaptowała palnik Bunsena do ogrzewania pomieszczeń. Pierwszy kocioł gazowy powstał kilkanaście lat później, w 1868 r. Był to kocioł o nazwie Gejzer, który skonstruował niejaki Benjamin Waddy Maughan. Konstrukcja ta, mimo iż niedoskonała i niebezpieczna (brak komina i urządzeń zabezpieczających), cieszyła się w tamtych czasach stosunkowo dużym powodzeniem.

I tu nieuchronnie wkraczamy w geopolitykę, ponieważ kolejnym krokiem do powstania kondensacyjnego kotła gazowego był pierwszy kryzys energetyczny w 1973 r., wywołany embargiem na dostawy ropy do USA nałożonym przez państwa skupione w OAPEC (ang. Organization of Arab Petroleum Exporting Countries). Była to kara za pomaganie przez USA Izraelowi po wybuchu wojny Jom Kipur. To spowodowało aż 6-krotny wzrost cen ropy – do 35 dolarów za baryłkę (1 baryłka to 159 l)! Ten pierwszy kryzys energetyczny (w 1973 r.), a następnie także drugi, związany z Kryzysem Irańskim (1979 r.), zmusiły firmy z branży do poszukiwania bardziej sprawnych urządzeń zużywających paliwa kopalne. Tak właśnie geopolityka wpływa na technikę.

Dodatkowa porcja energii
Paliwo można scharakteryzować wieloma cechami, ale mówiąc o jego kaloryczności mamy na myśli wartość opałową Hi lub ciepło spalania Hs.
Wartość opałowa Hi to ilość energii, jaką możemy uzyskać z paliwa po schłodzeniu spalin do temperatury otoczenia, ale nie uwzględniając ciepła kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach. Ciepło spalania Hs uwzględnia już tę wartość. Jak można się domyślić, wartość ciepła spalania jest większa od wartości opałowej. I tak przykładowo dla gazu ziemnego E: 

  • ciepło spalania wynosi 38,15 MJ/Nm3 ,
  • a wartość opałowa 34,43 MJ/Nm3 .

Wartości te warto przeliczyć na bardziej praktyczne jednostki, czyli kWh/Nm3 , dzieląc je przez 3,6. I tak:

  • ciepło spalania 38,15 MJ/Nm3 : 3,6 = 10,6 kWh/Nm3,
  • wartość opałowa 34,43 MJ/Nm3 : 3,6 = 9,6 kWh/Nm3.

Taka jednostka bardziej przemawia do wyobraźni, gdy wiemy, że kocioł o mocy np. 24 kW przez 1 godzinę produkuje 24 kWh energii cieplnej.
Zasada działania kotłów kondensacyjnych opiera się na pozyskaniu tej dodatkowej porcji energii z ochłodzenia pary wodnej i jej skroplenia. Skąd para wodna w spalinach? Mała część pary wodnej dostaje się z powietrzem potrzebnym do spalania, ale największa jej ilość pochodzi z wodoru zawartego w paliwie.

38Idealne spalanie
A ile wodoru znajduje się w paliwie stosowanym zwykle w kotłach grzewczych? – W zależności od rodzaju tego paliwa na jeden atom węgla przypada mniej lub więcej atomów wodoru. Najkorzystniejszy stosunek zawartości atomów wodoru do węgla, wynoszący 4:1, występuje w gazie ziemnym, który w ponad 95% składa się właśnie z metanu. To z kolei przekłada się na „łatwość”, z jaką spaliny z kotła będą kondensowały. Trudniej zmusić do kondensacji spaliny pochodzące ze spalania propanu czy oleju opałowego, gdzie stosunek wodoru do węgla wynosi już tylko 2:1 (rys. 2).

Temperatura punktu rosy. Miarą „łatwości” kondensacji jest parametr określany jako temperatura punktu rosy. Dla różnych paliw wynosi ona odpowiednio:

  • gaz ziemny – około 57°C,
  • propan – około 50°C,
  • olej opałowy – około 46°C,
  • węgiel – około 40°C.

W idealnych warunkach stechiometrycznych, żeby zmusić kocioł kondensacyjny zasilany gazem ziemnym do kondensacji, trzeba zatem schłodzić spaliny do temperatury poniżej 57°C. W przypadku oleju opałowego musimy schłodzić spaliny do temperatury poniżej 46°C. Z punktu widzenia dzisiejszych nowych instalacji nie jest to oczywiście problemem. Jednak kondensacja spalin z kotła kondensacyjnego gazowego przy wyższych temperaturach powrotu ułatwia powszechne zastosowanie tej technologii.39Współczynnik nadmiaru powietrza. Napisałem powyżej o idealnych warunkach stechiometrycznych. Co się dzieje, gdy takie „idealne” warunki nie są spełnione?
Trzeba pamiętać, że w przypadku spalania ważny jest stosunek ilości powietrza do paliwa. Chodzi tu o współczynnik nadmiaru powietrza λ (lambda), który powinien być jak najbliższy jedności. W warunkach rzeczywistych ilość powietrza dostarczanego do spalania jest jednak większa niż 1, ponieważ proces spalania nie jest doskonały, a powinien być całkowity i zupełny. Dla kotłów gazowych współczynnik λ wynosi około 1,05. Dlaczego tak się dzieje? – Otóż, jeżeli wartość współczynnika λ spadnie poniżej jedności, oznaczać to będzie, że jest za mało tlenu do spalenia całej porcji paliwa i po procesie pozostaną niespalone cząstki paliwa (spalanie niecałkowite) lub nieprzereagowane do końca (spalanie niezupełne). Miarą takiego spalania jest wzrost ponad normę zawartości dwutlenku węgla w spalinach. Zwiększenie współczynnika λ powyżej wartości 1 minimalizuje niebezpieczeństwo spalania niezupełnego i niecałkowitego oraz powoduje rozrzedzanie spalin, co skutkuje spadkiem zawartości CO2 w spalinach, ale także obniżeniem temperatury punktu rosy. To natomiast oznacza większy kłopot ze zmuszeniem spalin do kondensacji.40! Jak zatem widzimy, współczynnik nadmiaru powietrza λ powinien mieć optymalną wartość dla danego paliwa. To wymusza z kolei odpowiednią budowę palników, w których przygotowywana jest mieszanka paliwowa.

W tańszych kotłach kondensacyjnych można jeszcze (choć coraz rzadziej) spotkać rozwiązanie, gdzie jednostopniowy, niemodulowany wentylator przez cały czas pracy palnika podaje niezmienną ilość powietrza, co przy zakresach mocy minimalnej powoduje wzrost współczynnika λ i zarazem spadek temperatury punktu rosy – pogarsza się więc efekt kondensacji.41

Tylko zamknięta komora spalania
Spaliny opuszczające kotły kondensacyjne mają znacznie niższą temperaturę (około 50°C) niż te z tradycyjnych kotłów niskotemperaturowych (około 140°C). Dodatkowo, para wodna zawarta w spalinach kotłów tradycyjnych powoduje, że spaliny te mają mniejszy ciężar właściwy niż spaliny z kotła kondensacyjnego. Dużo niższa temperatura i większy ciężar właściwy spalin z kotłów kondensacyjnych uniemożliwia powstanie naturalnego ciągu w kominie i wymusza zastosowanie wentylatorów wypychających spaliny z kotła. Dlatego nie ma kotłów kondensacyjnych z otwartą komorą spalania, tzn. bez wentylatora.42Warunek kondensacji
Aby doprowadzić do kondensacji w wymienniku ciepła kotła, temperatura wody na powrocie z instalacji musi być poniżej temperatury punktu rosy.
Jak widać na rys. 5, temperatura spalin w komorze spalania musi zostać obniżona do poziomu poniżej temperatury punktu rosy. Uwzględniając pewną „stratę” temperaturową na ściance wymiennika ciepła, wynoszącą zazwyczaj od 1 do 5 K, „powrót” z instalacji musi mieć jeszcze niższą temperaturę. Utrzymanie tak niskich wartości temperatury, rzędu 30°C, przez cały sezon grzewczy umożliwiają przede wszystkim płaszczyznowe instalacje ogrzewania podłogowego (rys. 6).43
Trzeba dodać, że instalacje tradycyjne, grzejnikowe, również pozwalają na osiągnięcie niskich wartości temperatury na powrocie, rzędu 30-50°C w zależności od pory roku i obciążenia kotła. I tutaj dobra wiadomość dla osób wymieniających stary, niekondensacyjny kocioł na nowy, kondensacyjny. Jeżeli instalacja centralnego ogrzewania jest w dobrym stanie, to nie trzeba jej wymieniać, ponieważ przy założeniu sterowania pogodowego i tak przez większość sezonu grzewczego (około 80%) kocioł kondensacyjny będzie kondensował. Automatyka pogodowa będzie czuwała nad tym, by instalacja była ogrzewana wodą o najniższej możliwej temperaturze (rys. 7).44

Problemy i wyzwania procesu kondensacji
Kondensacja niesie ze sobą pewne problemy. Produktami spalania gazu ziemnego jest woda H2O i dwutlenek węgla CO2. Ten ostatni łączy się częściowo z wodą i powstaje kwas węglowy (rys. 8), który powoduje korozję elementów wymiennika ciepła, w którym dochodzi do kondensacji. To destrukcyjne działanie kondensatu było głównym hamulcem rozwoju techniki kondensacyjnej. Jednak tutaj z pomocą przyszła inżynieria materiałowa.

Pierwszym materiałem odpornym na działanie kondensatu i zastosowanym na masową skalę w kotle kondensacyjnym (pierwszym takim kotle na świecie) był silumin, czyli stop aluminium z krzemem. Kocioł taki został wprowadzony do sprzedaży w Holandii w 1981 r. przez firmę Nefit. Aluminium, oprócz dobrej przewodności cieplnej, ma również możliwość pasywacji na powierzchni pod wpływem działania kwasu węglowego. Ta warstewka tlenków chroni materiał przed dalszą korozją.

45Kolejnym materiałem odpornym na działanie kondensatu jest stal szlachetna, która cechuje się lepszą wytrzymałością mechaniczną niż aluminium. W związku z różnymi cechami materiałów stosowanych do budowy kotłów kondensacyjnych, aluminium wykorzystywane jest do odlewania bloków wymienników spalania, natomiast ze stali szlachetnej budowane są wymienniki spawane. Warto również dodać, jako ciekawostkę, że były próby zastosowania do budowy kotłów kondensacyjnych żeliwa powlekanego warstwą ochronną.

Co z tą sprawnością?
Sprawdzając dane techniczne kotłów, widzimy, że podawane sprawności często przekraczają 100%. Perpetuum mobile? – Otóż nie. Wcześniej, przed wejściem w życie dyrektywy ErP, sprawność kotła była odnoszona do wartości opałowej Hi nieuwzględniającej utajonego ciepła kondensacji. Wtedy w bilansie kotła kondensacyjnego pojawiała się dodatkowa wartość energii (utajone ciepło kondensacji), która podwyższała licznik we wzorze sprawności i skutkowała wartościami powyżej 100%. Obecnie dyrektywa ErP zakłada obliczanie sprawności podawanych w kartach produktu względem ciepła spalania Hs, dlatego też sprawności liczone tą metodą nigdy nie przekroczą 100% (przynajmniej dla kotłów kondensacyjnych).

46Kamyczek do ogródka pomp ciepła
Według autora, obecnie w Polsce, w przypadku domów z przyłączem gazowym, kotły kondensacyjne to najlepsze rozwiązanie pod względem ekonomicznym i ekologicznym. Jeżeli chodzi o ekonomię, to wystarczy porównać koszt zakupu urządzeń i wykonania instalacji. Zyski z tytułu eksploatacji pomp ciepła mogą nie pokryć kosztów zakupu systemu takiego ogrzewania, zwłaszcza gdy współczynnik COP osiąga wartość 3, kiedy to koszt ogrzewania gazowym kotłem kondensacyjnym i pompą ciepła wyrównuje się. Przy COP poniżej 3 jest jeszcze gorzej.

Z kolei biorąc pod uwagę aspekt ekologiczny, należy zwrócić uwagę, że w Polsce pompy ciepła (jak na razie) przede wszystkim zasilane są energią ze spalania węgla. Miejmy zatem nadzieję, że rozsądna, tania i sprawdzona technologia kotłów kondensacyjnych jeszcze długi czas będzie służyła ogrzewaniu naszych domów.


PRZEGLĄD GAZOWYCH KOTŁÓW KONDENSACYJNYCH

47

 

48

 

53

 

54

 

51

 

52


 

pi