Gazowe kotły kondensacyjne dużej mocy – nowe materiały. Wymiana bez wżeru

Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf

Odkrycie aluminium przypisuje się Duńczykowi, Christianowi Oersted (XIX wiek). W 1827 r. Friedrich Wöhler (1800-1882) po raz pierwszy uzyskał czyste aluminium poprzez redukcję chloranu glinu z wykorzystaniem potasu. Aluminium, po wielu kolejnych korektach, zostało przedstawione jako „nowy metal” na Wystawie Światowej w Paryżu w roku 1855.

Stopy a ogrzewanie Stopy aluminium i krzemu posiadają cechy, które są szczególnie przydatne do zastosowania w technice grzewczej. Stopy te, z grupy AlSi (aluminium-krzem), mają skład podobny do mieszaniny eutektycznej, co daje im doskonałe własności odlewnicze.

Mieszanina eutektyczna to mieszanina dwóch czystych substancji, które topią się i krzepną w stałej temperaturze, w przeciwieństwie do innych mieszanin. Podczas topnienia stop ten zachowuje się w rzeczywistości jak czysta substancja, z bardzo dobrymi charakterystykami płynności. Ta zaleta odlewania pokazuje swój potencjał podczas wytwarzania korpusów kotłów o bardzo skomplikowanych kształtach, które zwiększają powierzchnie wymiany i poprawiają przepływ hydrauliczny. Celem tych zabiegów technologicznych jest zwiększenie wymiany ciepła w niewielkiej objętości.

Aluminium ma współczynnik przewodzenia ciepła pięć razy lepszy niż stal i siedem razy lepszy niż stal nierdzewna. Jako że aluminium przewodzi ciepło zdecydowanie lepiej, wybierając ten metal możemy zmniejszyć powierzchnie wymiany, aby osiągnąć taką samą wydajność przenoszenia ciepła do obiegu grzewczego. Przy takiej samej wydajności korpusy grzewcze z aluminium są zatem znacząco mniejsze.

Ponieważ aluminium jest bardzo lekkie, często wybiera się je w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym dla zmniejszenia masy końcowej produktu (jest ono trzy razy lżejsze niż stal nierdzewna lub miedź). Poza zwartą budową wymienników aluminiowych, połączoną z doskonałą przewodnością cieplną, możemy również skorzystać na znacznej redukcji masy, w porównaniu z wykorzystaniem innych materiałów. Staje się zatem możliwe projektowanie kotłów zajmujących znacznie mniej miejsca i o znacznie mniejszym ciężarze obciążającym ściany i stropy, co daje większą swobodę w konfiguracji instalacji kotłowni.

Niezrównana odporność fizyczna
* Brak słabych punktów gwarantujący długą żywotność korpusu grzewczego

W konstrukcji korpusów grzewczych ze stali lub stali nierdzewnej zespoły spawów, zgięcia, tłoczone części są obszarami wrażliwymi, podatnymi na obciążenia związane z pracą kotła. Zmiany temperatury, związane z pracą kotła, są główną przyczyną powstawania naprężeń w materiałach. Te fizyczne obciążenia, występujące szczególnie w spawach i szwach zabezpieczających, osłabiają konstrukcję.

Korpus kotła, zbudowany z elementów ze stopu aluminiowo-krzemowego o jednorodnej grubości, nie zawiera zgięć i spawów, a co za tym idzie – wykazuje cechy odporności na korozję, co jest szczególnie istotne w zastosowaniach kondensacyjnych (kondensat, ma kwaśny odczyn i z tego powodu jest szczególnie żrący dla metali, zwłaszcza jeśli są one poddane naprężeniom lub osłabione).

* Idealna odporność mechaniczna przy optymalizacji zasady powrotu niskotemperaturowego

Jednorodność i elastyczność stopu AlSi pozwalają na jego zastosowanie przy znaczących różnicach temperatur (do 30 K) między zasilaniem kotła i powrotem, bez ryzyka zmęczenia metalu spowodowanego powtarzającymi się przez cały sezon grzewczy nagłymi zmianami temperatury.

Różnica temperatur między zasilaniem i powrotem jest wynikiem codziennej pracy instalacji, w której zmiana natężenia przepływu w obiegach wtórnych jest spowodowana przez ciągłe otwieranie i zamykanie zaworów trójdrogowych. Umożliwia to maksymalne wykorzystanie sprawności kotłów: ponieważ nie są one podatne na szok termiczny, możemy wprowadzić niskotemperaturowe powroty, które poprawiają kondensację gazów spalinowych wewnątrz wymiennika i co za tym idzie – efekt odzyskiwania ciepła.

* Odporność chemiczna idealna dla kondensacji

Poszczególne elementy kotła kondensacyjnego są wystawione na działanie niesprzyjających czynników, gdyż stykają się z produktami kondensacji, które, mają odczyn kwaśny (sprzyjają zjawisku korozji).

Dobrą odporność na korozję aluminium zawdzięcza swojej zdolności do pasywacji na powierzchni. Przy kontakcie z wodą lub tlenem w naturalny sposób tworzy się nieporowata warstwa ochronna tlenku aluminium, nazywana „warstwą pasywacji”. To jest właśnie ta właściwość aluminium, która chroni powierzchnie wymiany korpusu grzewczego, stykające się z gazami spalinowymi, przed agresywnym działaniem kondensatów i czyni ten metal szczególnie odpowiednim dla zastosowania w technice kondensacyjnej. W fazie kondensacji spływ kondensatu po powierzchni wymiany zapewnia samooczyszczanie korpusu wymiennika wykonanego z AlSi (zapobieganie odkładaniu się pozostałości i niespalonych cząstek, które mogą zakłócić prawidłowy przepływ ciepła). Jednocześnie wzmacniana jest warstwa ochronna aluminium, gwarantując jego odporność na korozję. Ponadto aluminium nie jest szczególnie wrażliwe na korozję wżerową, często powiązaną z użyciem wody o wysokiej zawartości minerałów. Przykładowo stal nierdzewna jest podatna na stężenia chlorków większe niż 100 mg/l (w zależności od ich typu). Miedź natomiast jest szczególnie podatna na siarczany, które szybko prowadzą do powstawania perforacji. Aluminium jest także chemicznie obojętne w powietrzu i warstwa tlenku aluminium skutecznie chroni je przed utlenianiem.

Kocioł i jakość wody W celu zapewnienia optymalnej pracy, kocioł z wymiennikiem ze stopu aluminiowo-krzemowego wymaga czystej wody, o jakości pozwalającej na kontakt z metalem użytym w jego konstrukcji. Jest to ważne dla wszystkich kotłów wykorzystujących wodę jako czynnik przenoszenia ciepła, bez względu na ich zasadę działania (tradycyjne, ciecz przegrzana, para, kondensacja itd.) i materiał z jakiego zostały wykonane (stal, stal nierdzewna, miedź, aluminium…).

Jakość wody w instalacji grzewczej jest mierzona za pomocą określonych parametrów, takich jak (między innymi):

* pH (poziom kwasowości lub zasadowości wody);

* twardość (zawartość rozpuszczonego wapienia);

* przewodność właściwa (przybliżenie całkowitej zawartości minerałów);

* poziom chlorków, siarczanów, itd.

Parametry te mogą różnić się zależnie od regionu, źródła zaopatrzenia w wodę (publiczna sieć wodociągowa, studnia, deszczówka, itd.) oraz materiałów i stanu rur, w których jest ona transportowana.

Niektóre parametry muszą być sprawdzane systematycznie, niezależnie od materiału z jakiego wykonano kocioł (żadnych ściernych cząsteczek zawieszonych w wodzie, unikanie wody o zbyt dużej zawartości wapienia itd.). Inaczej wygląda sprawa z testem pH. Jest on istotny, ale wartości które mają być obserwowane różnią się. Ogólnie mówiąc, metale korodują w obecności kwasów, ale każdy metal ma właściwą sobie odporność i aby uniknąć szybkiej i nieodwracalnej korozji kotła (jako całości), należy obserwować określony zakres pH.

Inaczej wygląda to w przypadku aluminium. Przedstawia ono dobrą odporność na neutralne lub nawet kwaśne pH. Jest ono jednym z najbardziej odpornych na korozję metali. Jego zakres tolerancji pH jest bardzo szeroki. Może z łatwością wytrzymać kontakt z wodą, nawet jeśli nie została ona uzdatniona.

Wykorzystanie aluminium i zasada odzyskiwania ciepła dzięki kondensacji są bardzo zaawansowanymi i w sumie nowymi technologiami. Zalecenia odnośnie wysokich poziomów pH, mocno zakorzenione w nawykach eksploatacyjnych, zostały ustalone jeszcze przed jej pojawieniem się, więc siłą rzeczy nie mogły brać jej pod uwagę. Zalecenie pH wyższego niż 9,7 – kryterium łatwe w sprawdzeniu i realizacji (na przykład poprzez dodanie wodorotlenku sodu do wody wodociągowej) – jest niekorzystne dla aluminium. Warstwa pasywacji rozpuszcza się, gdy pH przekracza 8,5! Aluminium się wtedy podatne na korozję i w środowisku alkalicznym degraduje się jeszcze szybciej. Zatem chęć ochrony innych materiałów w instalacji grzewczej osłabia aluminium i z czasem prowadzi do jego perforacji.

Na szczęście stara dobra metoda uzdatniania wody w sieci grzewczej, za pomocą wodorotlenku sodu i/lub garbników, należy już do rzadkości. Postęp techniczny w dziedzinie uzdatniania wody przyniósł znacznie bardziej skuteczne inhibitory korozji dla stopów żelaza (żeliwo, stal itd.) i miedzi. Poza tym współczesne instalacje są coraz bardziej „wielomateriałowe” i uzdatnianie odpowiednio się rozwinęło i dostosowało do tych materiałów. Obecne dodatki (takie jak fosforany i molibdeniany), aktualnie szeroko stosowane, dobrze współpracują z korpusem grzewczym wykonanym z aluminium.

Zalecenia w zakresie uzdatniania wody w kotle ze stopu aluminiowo-krzemowego są zatem kwestią zdrowego rozsądku:

* Woda o małej twardości i przeciętnej zawartości minerałów, tak jak dla wszystkich innych kotłów, zapobiegnie odkładaniu się osadów, które mogą zakłócić poprawną wymianę ciepła.

* Jeśli chodzi o korozję, ten typ urządzenia poradzi sobie z nieuzdatnioną wodą, ale inne metale użyte w sieci ucierpią z tego powodu. Konieczne jest zatem wybranie uzdatniania kompatybilnego z aluminium (które nie zwiększy pH wody).

* W celu zainstalowania urządzenia w istniejącej sieci należy sprawdzić sposób uzdatniania wody (prosty pomiar pH). Gdyby pH okazało się wyższe niż 8,5, wystarczy opróżnienie i oczyszczenie, które jest zalecane we wszystkich przypadkach, w celu zapobiegania zatkaniu nowego kotła przez cząstki i osady obecne w starej instalacji.

Wnioski Główne cechy, dzięki którym stop aluminiowo-krzemowy jest w stanie konkurować z innymi materiałami używanymi do budowy wymienników kotłów to jego niska gęstość, odporność mechaniczna, odporność na korozję, długa żywotność, łatwość formowania i jego przewodnictwo.

Warta podkreślania jest też możliwość praktycznie nieograniczonego odzysku materiału do powtórnego wykorzystania bez straty „oryginalnych” właściwości.

George Flick

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