Kotły na biopaliwa stałe. Bezpieczny powrót

Wszystkie kotły gazowe, olejowe, jak i na paliwa stałe wymagają zabezpieczenia wymiennika ciepła kotła przed zbyt niską temperaturą czynnika grzewczego odbierającego ciepło od spalin. Wyjątkiem są kotły kondensacyjne, w których celowo doprowadza się do wykroplenia pary wodnej zawartej w spalinach na powierzchni wymiennika ciepła. Wykroplenie pary wodnej pozwala na wykorzystanie do celów grzewczych ciepła kondensacji pary wodnej, co prowadzi do podniesienia efektywności kotła. W takim przypadku wymiennik ciepła wykonany jest ze specjalnych materiałów oraz posiada specjalną konstrukcję. W każdym innym przypadku wymagane są specjalne zabezpieczenia wymiennika ciepła przed zbyt niską temperaturą czynnika powracającego z instalacji do kotła. Istnieje cała gama zabezpieczeń w tym względzie. Kotły na biopaliwa stałe bardzo często jako formę zabezpieczenia mają zawory trójdrogowe (a właściwie dwudrogowe), zabudowane na powrocie czynnika grzewczego do kotła, wraz z dodatkowa pompą cyrkulacyjną.

 

Podstawa to…  Podstawowymi elementami zabezpieczającymi są zawór trójdrogowy, pompa cyrkulacyjna oraz system sterowania pracą zaworu oraz pompy. Zazwyczaj są to zintegrowane zestawy zabezpieczające, oferowane przez producentów kotłów lub producentów armatury kotłowej. Zestawy takie zawierają oprócz zaworu trójdrogowego i pompy dodatkowe wyposażenie pożądane w instalacji kotłowej. Bogato wyposażony zestaw zabezpieczający posiada dodatkowo zawory odcinające, zawór zwrotny, termometry, grupę bezpieczeństwa w postaci zaworu bezpieczeństwa oraz naczynia wzbiorczego. Na budowę takie zestawy przychodzą zmontowane, po próbie szczelności, okablowane, jako gotowe do zabudowy, z oznaczonymi kolorem czerwonym i niebieskim odpowiednimi przyłączami do rur zasilających i powrotnych. Średnica i przepustowość zastosowanej armatury, wydajność i wysokość podnoszenia pompy, pojemność naczynia wzbiorczego są dopasowane do mocy grzewczej kotła. Oferowane typoszeregi zestawów są przeznaczone do określonego zakresu mocy grzewczej kotłów. W zakresie sterowania stosuje się sterowanie bezpośrednie lub pośrednie. Sterowanie bezpośrednie oznacza, że zawór trójdrogowy wyposażony jest w siłownik termiczny zintegrowany, wbudowany w zawór (fot. 1).

Zawór z siłownikiem pełni funkcję regulatora proporcjonalnego bezpośredniego działania. Zazwyczaj są to zawory z fabryczną, stałą nastawą. Jako wyposażenie kotła małej mocy stosuje się także zawór trójdrogowy typu Calis z głowicą termostatyczną z kapilarą i czujnikiem przylgowym. Taki zestaw ma zazwyczaj możliwość zmiany nastawy regulowanej temperatury w zakresie od 40 do 70oC.

Sterowanie pośrednie stosuje się w przypadku zastosowania zaworu trójdrogowego z napędem silnikowym (siłownikiem), w układzie regulacji trójpunktowej. Wówczas układ regulacji wyposażony jest w zewnętrzny elektroniczny regulator oraz przylgowy czujnik temperatury. Zazwyczaj sterowanie pracą zaworu trójdrogowego odbywa się poprzez regulator sterujący pracą kotła.

Warianty zestawów  Zestawy zabezpieczające w wersji standard zawierają podstawowe wyposażenie, ponadto mogą się różnić między sobą zastosowaną armaturą i systemem sterowania. W skład najprostszego zestawu (schemat 1, fot. 2) wchodzą: 1 – zawór mieszający z wbudowanym siłownikiem termicznym bezpośredniego działania typu Teplomix; 2 – przyłącza rurowe; 3 – zawór kulowy; 4 – pompa cyrkulacyjna; 5 – pompowy zawór kulowy zawierający wkładkę zwrotną.

Takie zestawy stosuje się do tanich, prostych kotłów stałopalnych, bez zaawansowanej automatyki. Ze względu na brak siłownika napędzanego energią zewnętrzną, zestawy tego typu stosuje się do kotłów o maksymalnej mocy grzewczej do ok. 70 kW. Pompa zasilana i sterowana jest z układu automatyki kotła. Pompa pracuje w trybie on/off, analogicznie jak kocioł. Zaletą tego układu jest prostota, duża niezawodność, brak dodatkowego wyposażenia i okablowania elektrycznego oraz taniość. Zasadniczą wadą tych zestawów jest ograniczenie do kotłów o małej mocy oraz brak możliwości zmiany nastawy temperatury pracy.

W skład bardziej zaawansowanego zestawu regulacyjnego (schemat 2, fot. 3) wchodzi: 1 – zawór kulowy trójdrogowy (klapowy lub motylkowy); 2 – napęd silnikowy (siłownik obrotowy); 3 – zawór kulowy; 4 – pompa cyrkulacyjna; 5 – pompowy zawór kulowy zawierający wkładkę zwrotną.

Tego typu zestawy stosuje się do kotłów o jednostkowej mocy grzewczej do 300 kW. Siłownik zaworu wymaga sterowania elektronicznego, dlatego ma zastosowanie w kotłach z bogatszą automatyką. Z układu automatyki sterowana jest także pompa cyrkulacyjna. Moc kotła ograniczona jest przepustowością armatury regulacyjnej. Zestawy takie charakteryzują się niskimi oporami przepływu czynnika grzewczego i dużą niezawodnością. Możliwa jest nastawa temperatury powracającego czynnika grzewczego do kotła. Zestawy wymagają dodatkowego wyposażenia elektrycznego wraz z okablowaniem. Wadą tych zestawów jest nieduża dokładność regulacji, ograniczona właściwościami regulacyjnymi zaworu trójdrogowego.

Trzecią grupę zestawów stanowią zestawy regulacyjne (schemat 3, fot. 4), które zawierają: 1 – zawór trójdrogowy grzybkowy; 2 – napęd silnikowy (skok); 3 – przyłącza rurowe; 4 – zawór kulowy; 5 – pompa cyrkulacyjna; 6 – pompowy zawór kulowy zawierający wkładkę zwrotną.

Zestawy z zaworem trójdrogowym grzybkowym posiadają wszystkie zalety rozwiązania poprzedniego. Mogą być stosowane do kotłów o jednostkowej mocy grzewczej do 300 kW. Siłownik zaworu wymaga sterowania elektronicznego, dlatego ma zastosowanie w kotłach z rozbudowaną automatyką. Z układu automatyki sterowana jest także pompa cyrkulacyjna. Moc kotła ograniczona jest przepustowością armatury regulacyjnej. Zestawy takie charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami regulacyjnymi, dużą niezawodnością, odpornością na zapieczenia. Możliwa jest nastawa temperatury powracającego czynnika grzewczego do kotła. Wymagają dodatkowego wyposażenia elektrycznego wraz z okablowaniem. Siłowniki zaworów mogą być sterowane przez regulatory w standardzie regulacji 3-punktowej lub ciągłej (0-10 V, 4-20 mA, 0-20 mA). Wadą tych zestawów może być wysoka cena zakupu.

Jak to działa?  W systemie ochrony jest pompa obiegowa i zawór trójdrogowy w układzie mieszającym. W momencie startu kotła (gdy kocioł jest zimny, jego temperatura nie przekracza 60oC), pompa obiegowa jest wyłączona, zaś zawór trójdrogowy ustawiony na 100% obejściu (by-pass). W momencie osiągnięcia temperatury czynnika roboczego w kotle na poziomie 60oC uruchamiana jest pompa obiegowa, dla wymuszenia cyrkulacji czynnika grzewczego, przy niezmienionej pozycji zaworu trójdrogowego. Po pewnym czasie, gdy temperatura w kotle się ustabilizuje na poziomie ok. 60oC przy włączonej pompie obiegowej, układ automatyki powoli zmienia położenie zaworu trójdrogowego z pozycji 100% obejście (by-pass) w kierunku otwarcia, z jednoczesną kontrolą temperatury czynnika powracającego do kotła w taki sposób, aby temperatura powrotu nie była mniejsza niż ok. 60oC. Taki system regulacji oraz zabezpieczenia minimalnej temperatury powrotu czynnika chłodzącego wymiennik kotła działa bardzo precyzyjnie, ograniczając do minimum czas pracy kotła w tzw. obszarze kondensacji. Jest to ważna kwestia dla każdego kotła niekondensacyjnego, szczególnie istotna dla kotłów na biopaliwa stałe. Wynika to z kilku powodów. Podstawowym jest fakt, iż nowoczesne i profesjonalne kotły na biomasę są kotłami stalowymi, spawanymi, co sprawia, iż są szczególnie wrażliwe na kwaśne skropliny na wymienniku ciepła. W kotłach na biopaliwo w spalinach znajduje się pewna ilość frakcji stałej, unoszonej ze spalinami, są to drobne pyły, stanowiące lotną część popiołu. Zawilgocona część spalinowa wymiennika ciepła powoduje naturalne wydzielanie się frakcji stałej, zawartej w spalinach. Zjawisko zachodzi na zwilżonej części wymiany ciepła, co powoduje doskonałe odpylanie spalin na mokro. Niestety, ma to katastrofalny wpływ na sam wymiennik oraz wymianę ciepła pomiędzy spalinami i czynnikiem roboczym w kotle. W ten sposób blokowane jest także przekazywanie ciepła od spalin do wody obiegowej, czego efektem jest podnoszenie się temperatury spalin uchodzących z kotła i wzrost tzw. straty kominowej. Wówczas kocioł pracuje z niższą sprawnością. Dla zabezpieczenia wymiennika ciepła kotła przed nadmiernym osadzaniem się pyłów na powierzchni wymiany ciepła, nowoczesne kotły wyposażone są w mechaniczne układy do usuwania pyłów, które okresowo są uruchamia.

Niestety, są one skuteczne tylko wtedy, gdy osadzony pył jest suchy, w przypadku wydzielania się wilgoci pył zmienia się w szlam, który się zapieka i mechanicznie blokuje pracę systemów oczyszczania wymiennika. Kolejnym powodem, dla którego powinna być precyzyjna regulacja temperatury powrotu, jest fakt, iż kotły na biopaliwa stałe mają dużą masę i relatywnie dużą pojemność wodną, a więc czas ich podgrzewania do osiągnięcia temperatury roboczej jest zdecydowanie dłuższy niż tradycyjnych kotłów na gaz i olej, a zatem ryzyko pracy na mokro jest większe.

Nie bez znaczenia jest fakt podwyższonej zawartości wilgoci w spalinach za sprawą zastosowanego paliwa, a więc wyższej temperatury, przy której następuje proces kondensacji wilgoci pochodzącej ze spalin na powierzchni wymiany ciepła wymiennika w kotle. Podwyższona zawartość wilgoci może pochodzić nie tylko z samego procesu spalania paliwa, ale także z procesu suszenia paliwa. Samo paliwo poddane spalaniu posiada pewną wilgotność, która może być wysoka w przypadku zrębki pozyskanej w warunkach naturalnych. Niejednokrotnie zdarza się spalanie zrębki, której wilgotność może wynosić nawet 40% i więcej.

Trwałość podstawowego elementu kotła, jakim jest wymiennik, w dużym stopniu zależy od poprawnego działania systemu zabezpieczającego przed zbyt niską temperaturą czynnika powracającego. Tematem następnego artykułu będą kolejne rozwiązania, specyficzne dla kotłów na biopaliwa stałe.

Grzegorz Ojczyk

 

Fot. 1. Zawór Teplomix.

Fot. 2. Zestaw z zaworem trójdrogowym bezpośredniego działania.

Fot. 3. Zestaw z zaworem trójdrogowym kulowym.

Fot. 4. Zestaw z zaworem trójdrogowym grzybkowym.

Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf  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