Wymienniki ciepła w kotłach małej mocy zasilanych paliwem stałym – fakty i mity

Często, zamiast pojęciem mocy nominalnej kotła, operuje się pojęciem powierzchni wymiany ciepła w kotle, traktując te pojęcia równorzędnie, co – niestety – w przypadku małych kotłów jest poważnym błędem. Oczywiście, wielkość powierzchni wymiany ciepła ma znaczenie podstawowe, ale znaczący wpływ na efektywność wymiany ciepła mają także prędkości przepływu mediów (wody i spalin) w wymienniku.

W kanale spalinowym mamy do czynienia z przepływem spalin burzliwym (w środku strugi) oraz laminarnym, zwanym także warstwowym (w strefie przyściennej). Warstwa laminarna ma duży opór cieplny (np. nieruchome powietrze między szybami okna jest dobrym izolatorem cieplnym). Im grubsza warstwa laminarna – tym mniejsza efektywność wymiany ciepła od spalin do wody. Im większa prędkość przepływu spalin – tym cieńsza warstwa laminarna – tym większa efektywność wymiany ciepła od spalin do wody. Takie same reguły obowiązują w kanale wodnym – po drugiej stronie tej samej ścianki stalowej.

Powierzchnia przekroju Przeanalizujmy teraz różne przekroje o jednakowym obwodzie równym np. 1000 mm – prostokątny o wymiarach 30 x 470 mm ma powierzchnię przekroju równą 141 cm², prostokątny o wymiarach 100 x 400 mm – 400 cm², kwadratowy o wymiarach 250 x 250 mm – 625 cm², a kołowy o średnicy 318 mm – 794 cm². Im większa powierzchnia przekroju, tym proporcjonalnie mniejsza jest prędkość przepływu medium przez ten przekrój i mniejsza efektywność wymiany ciepła.

Ta króciutka analiza wyjaśnia, dlaczego tak popularne stały się wymienniki z panelami płaskimi – po prostu przy tej samej powierzchni przekroju kanałów spalinowych wymiennika (takim samym zużyciu blachy) uzyskuje się większą efektywność wymiany ciepła. Wyjaśnia ona również fakt, że taka sama powierzchnia wymiennika w różnych konstrukcjach kotłów odpowiada różnej mocy nominalnej. Zależność mocy nominalnej kotła od powierzchni wymiany ciepła może być ustalana tylko dla kotłów o tej samej konstrukcji.

Pion albo poziom Stałym tematem w dyskusjach o wymiennikach ciepła jest porównanie wymienników z kanałami poziomymi i pionowymi. Wybór między nimi może opierać się tylko na subiektywnej ocenie dyskutanta, gdyż obie konstrukcje mają swoje wady i zalety, których nie da się porównać za pomocą wymiernych kryteriów. Jednakże oczekiwaną efektywność wymiany ciepła można uzyskać w obu przypadkach.

Kanały poziome sprzyjają osadzaniu się pyłu na powierzchniach (poziomych) wymiennika, zwiększając opory przepływu spalin i zmniejszając efektywność wymiany ciepła (warstwa pyłów jest dobrym izolatorem cieplnym). Konstrukcje z kanałami poziomymi wymagają częstszego pracochłonnego czyszczenia kanałów. Na każdym poziomie muszą być zabudowane otwory wyczystkowe, przechodzące przez przestrzenie wodne, co zwiększa koszty wykonawcze urządzenia. Zaletą jest generalnie niższa zawartość pyłów w spalinach wylotowych z kotłów z takimi wymiennikami (pyły zostają na półkach wymiennika ciepła).

W kanałach pionowych osadzanie się pyłu na powierzchniach wymiany ciepła jest niewielkie, szczególnie w przypadku dobrej pracy paleniska (braku w spalinach niespalonych substancji smołowych, kondensujących na chłodnych powierzchniach wymiennika). Efektywność wymiany ciepła w wymiennikach z kanałami pionowymi może być istotnie zwiększona poprzez zastosowanie turbulizatorów (zawirowywaczy strugi), które ułatwiają również wytrącanie pyłów ze strumienia spalin. Pionowość kanałów sprzyja wytrącaniu się pyłów w komorach nawrotnych, otwory wyczystkowe nie muszą przechodzić przez przestrzenie wodne, co jest istotną zaletą konstrukcyjną.

Grubość ścianki Na forach internetowych, bardzo licznie odwiedzanych przez dyskutantów, spotyka się szczególnie dużo argumentów mających pozory prawdy. Wynika to ze skromnej wiedzy technologicznej dyskutantów i zamętu marketingowego wprowadzanego przez producentów i handlowców. Zacytujemy tu niektóre z nich: „Sprzedawca mówił, że płomienice są robione z cieńszych rurek ciśnieniowych, więc sprawność kotła powinna być lepsza”. „Grubsza ścianka wymiennika ciepła pogarsza wymianę ciepła i obniża sprawność kotła”.

Jest to typowa „prawda marketingowa”. Pocienienie przegrody stalowej pomiędzy spalinami a wodą rzeczywiście zwiększa wymianę ciepła, a tym samym sprawność. Jednakże zmiana tej grubości o 1 mm skutkuje zmianą sprawności o niecały 1%. O sprawności kotła nie decydują grubości blach, tylko konstrukcja wymiennika – wielkość powierzchni wymiany ciepła i prędkości przepływu spalin w kanałach spalinowych. Poza tym minimalne grubości ścianek w kotłach są normowane i nie można ich przekraczać – dla ścianek mających kontakt z płomieniem jest to 5 mm, dla kanałów spalinowych (bez płomienia) 4 mm dla ścianek płaskich i 3,2 mm dla rurek o przekroju kołowym. Te wymiary dotyczą ścianek ze stali węglowej. Dla stali stopowych grubości mogą być mniejsze, ale stale stopowe mają gorszy współczynnik przewodzenia ciepła, więc nie przyniosłoby to poprawy sprawności.

Grubości ścianek są natomiast bardzo ważne z punktu widzenia żywotności kotła – im grubsza, tym dłużej musi ją „zżerać” korozja. Jednakże w konstrukcjach spawanych z grubszych blach występują większe naprężenia „pospawalnicze”, które osłabiają wytrzymałość i zwiększają podatność na korozję. W dodatku grubsze ścianki wymagają istotnych zmian w technologii spawania, które znacznie podrożają kocioł.

Jaka stal? Bardzo chwytliwym argumentem marketingowym jest informacja o wymiennikach wykonanych ze stali kotłowej zamiast stali węglowej. Natomiast stal kotłowa to jest po prostu stal węglowa modyfikowana tak, że ma wyższą wytrzymałość (przede wszystkim zwiększoną odporność na działanie naprężeń termicznych) w wysokich temperaturach. Stale kotłowe wykazują swoją wyższość nad stalami konstrukcyjnymi dopiero w temperaturach przekraczających 400OC (patrz: Rudnik S., „Metaloznawstwo”, PWN, Warszawa, 1983). Przeznaczone są one dla kotłów parowych oraz elementów urządzeń pracujących w tak wysokich temperaturach.

W kotle wodnym na powierzchni ścianki wymiennika nie mogą wystąpić temperatury wyższe niż 150°C, gdyż z drugiej strony ścianki jest przecież woda o temperaturze poniżej 100°C. Nie jest to poziom wartości, przy których parametry wytrzymałościowe (granica pełzania, wytrzymałość na pełzanie, granica plastyczności) stali węglowej konstrukcyjnej i stali węglowej przeznaczonej do pracy w podwyższonych temperaturach (stali kotłowej) różnią się w sposób pozwalający na jednoznaczne określenie wyższości jednego rodzaju materiału nad drugim. W takich warunkach walory stali kotłowej są bezużyteczne.

Stale kotłowe są droższe i wymagają utrzymania ostrzejszych reżimów w technologii ich spawania, co w sposób znaczący podwyższa koszty produkcji (patrz: Jakubiec M., Lesiński K., Czajkowski H., „Technologia konstrukcji spawanych”, WNT, Warszawa, 1987). Konkurentem materiałowym stali węglowej może być w takim przypadku tylko żeliwo, które wykazuje istotnie lepsze własności w tych warunkach (patrz: „Wymienniki ciepła w kotłach małej mocy zasilanych paliwem stałym – Stal czy żeliwo”, Magazyn Instalatora, nr 1(125)/2009, s.32-34).

Rodzaj materiału W dyskusjach porównujących wymienniki stalowe i żeliwne często krytykuje się żeliwo jako materiał mało odporny na szoki termiczne – błędnie twierdząc, że nagły dopływ zimnej wody może spowodować jego pęknięcie. W rzeczywistości odlewy żeliwne nie tracą swoich właściwości, dopóki temperatura ich pracy nie przekroczy 400ºC. W warunkach pracy wymiennika w kotle wodnym nie ma możliwości, aby temperatura jego ścianki przekroczyła tę wartość (pod warunkiem, że w wymienniku jest woda). Przy grubości ścianki żeliwnej 5-6 mm, różnica temperatur po obu jej stronach nie przekracza 60ºC – nie ma więc możliwości, aby temperatura ścianki od strony spalin osiągnęła 400ºC. Nagły dopływ zimnej wody niczym w takim przypadku nie grozi. Co innego, jeśli kocioł „pracowałby” bez wody – wtedy rzeczywiście przekroczenie temperatury 400ºC na powierzchni ścianki wymiennika jest możliwe. Podwyższona temperatura na ściance wymiennika może też wystąpić w przypadku silnego zanieczyszczenia przestrzeni wodnych złogami osadów – wtedy po drugiej stronie ścianki nie ma wody, która mogłaby odebrać od niej ciepło.

Remonty Mocno przesadzone są również argumenty o mniejszych kosztach i większej łatwości remontu uszkodzonych wymienników stalowych od żeliwnych. Remonty wymienników stalowych nie są ani tanie, ani łatwe. W przypadku potrzeby naruszenia powłok kotła wykonanego ze stali – najczęściej należy go zdemontować i przetransportować do miejsca naprawy. Aby usunąć uszkodzony fragment powłok wewnętrznych, niezbędne jest wycięcie odpowiedniego kształtu i wielkości otworu w powłoce zewnętrznej, usunięcie nalotów korozyjnych i wspawanie tzw. łaty, a następnie zamknięcie powłoki zewnętrznej nakładką blaszaną przyspawaną do istniejących powłok. W trakcie prowadzenia takich prac bardzo często okazuje się, że nie ma możliwości wykonania prawidłowej spoiny, ponieważ warstwa skorodowana jest zbyt rozległa. Całkowity koszt naprawy przekracza często realną wartość kotła.

W wymiennikach stalowych niezbędne są elementy zwiększające odporność powłok płaszcza wodnego na jego odkształcenia spowodowane ciśnieniem wody – tzw. ankry (prawidłowa nazwa to elementy stężające lub kotwy profilowe), czyli łączniki leżących naprzeciw siebie powłok (blach). Aby można je było zastosować zgodnie z prawidłami dobrej techniki, trzeba nimi trwale połączyć oba płaszcze. Wymaga to najczęściej wykonania wielu otworów i położenia wielu spoin. Każde takie miejsce to potencjalne źródło korozji wywołanej niejednorodnością materiału, zwiększonym naprężeniem mechanicznym itp. Aby powłoki kotła wodnego wykonanego z blach stalowych wytrzymały normatywne ciśnienie badawcze 4 barów, stężenia te muszą być wykonane co ok. 150-250 mm, w zależności od grubości blachy. Nakłady pracy na taką konstrukcję i poziom jej korozyjności są znaczne, a każda dodatkowa spoina jest jej realnym źródłem.

Wymiennik ciepła prawidłowo wykonany z członów żeliwnych jest wytrzymalszy od stalowego spawanego (musi wytrzymać normatywną próbę ciśnieniową 8 barów), a jego rzetelna naprawa przez fachowca kosztuje mniej. W przypadku wystąpienia uszkodzenia powłoki przestrzeni wodnych kotła, wykonanego w technice odlewanych członów żeliwnych, wymienia się uszkodzone elementy na nowe, tego samego typu. Prace te można bez problemu wykonać w miejscu posadowienia kotła.

Forum dyskusyjne, które doskonale służy wymianie informacji i doświadczeń użytkowników, nie zawsze jest – jak widać – dobrym miejscem do zdobywania wiedzy technologicznej. Polecamy raczej poradniki popularno-techniczne, np. internetowy poradnik „kotły co – poradnik użytkownika”. Dyskusje na forum na temat konstrukcji wymienników ciepła są zresztą – z punktu widzenia użytkownika – mało przydatne. Najważniejszą dla użytkownika informacją jest – czy kocioł rzeczywiście posiada podaną przez producenta moc (musi to być udokumentowane stosownym świadectwem z badań) oraz czy konstrukcja wymiennika zapewnia możliwość łatwego czyszczenia (nieczyszczony wymiennik już po kilku tygodniach może stracić kilkadziesiąt procent nominalnej wydajności cieplnej). Żywotność kotła natomiast w znacznie większym stopniu zależy od użytych materiałów i jakości wykonania przez producenta oraz jakości eksploatacji przez użytkownika niż od przyjętych rozwiązań konstrukcyjnych.

dr inż. Jacek Zawistowski, Sławomir Janiszewski
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij