Technika kondensacyjna. Ciepło odzyskane

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

CH4 +2O2 => CO2 + 2H2O. 
Wynika z niego, że z 1 m3 gazu (metan CH4) i 2 m3 tlenu (O2), powstaje w przybliżeniu około 1 m3 dwutlenku węgla (CO2) oraz 2 m3 pary wodnej (H2O). Tak więc spaliny powstające w gazowym kotle grzewczym składają się w dużej części z pary wodnej. Ma ona temperaturę przekraczającą 100oC i zawiera z związku z tym dużą porcję energii cieplnej.

Zasadę kondensacji wykorzystano w technice grzewczej. W kotłach kondensacyjnych para wodna jest schładzana do poziomu poniżej tzw. punktu rosy, dzięki czemu powstają płynne skropliny, a przemianie tej towarzyszy uwalnianie się ciepła (zmiana stanu skupienia), teoretycznie aż do 11% w zależności od rodzaju paliwa, a ta energia cieplna jest oddawana wodzie grzewczej. W kotłach konwencjonalnych energia ta jest bezpowrotnie tracona, ponieważ ciepła para wodna uchodzi wraz ze spalinami przez komin. Dzięki odzyskanej dodatkowej energii ciepła skraplania kotły kondensacyjne mają o wiele wyższą sprawność w stosunku do kotłów konwencjonalnych.

Wartość opałowa i ciepło spalania

  • Hs – ciepło spalania paliwa jest to ilość ciepła, jakie wydziela się po całkowitym i zupełnym spalaniu jednostki masy paliwa i ochłodzeniu produktów spalania (spalin) do temperatury początkowej substratów, przy czym para wodna zawarta w spalinach ulega całkowitemu wykropleniu.
  • Hi – wartość opałowa paliwa jest to ilość ciepła, jaka wydziela się po całkowitym i zupełnym spalaniu jednostki masy paliwa i ochłodzeniu produktów spalania (spalin) do temperatury początkowej substratów, przy założeniu, że zawarta w spalinach para wodna nie ulega wykropleniu.

Wartości ciepła spalania i opałową oraz ich wzajemny stosunek (Hs/Hi) w zależności od rodzaju paliwa pokazano w tabeli. Porównując stosunki Hs/Hi, można zauważyć, że najwyższy jest on dla gazów ziemnych, trochę niższy dla propanu, a najniższy korzystny dla oleju opałowego. Wynika to z tego, że w skład gazu ziemnego wchodzi głównie metan CH4, zawierający wodór, zatem udział pary wodnej w spalinach uzyskiwanych przy spalaniu gazu ziemnego jest największy w porównaniu do innych paliw, a tym samym podczas ich spalania powstaje większa ilość ciepła kondensacji.

Lambda i konstrukcja palnika Bardzo ważną rolę odgrywa w procesie spalanie współczynnik nadmiaru powietrza l, który powinien być utrzymany w przedziale 1,09-1,30. Charakteryzuje się on bezpośrednim wpływem na zawartość CO2 oraz punkt rosy. Im l niższe, tym wyższa zawartość CO2 oraz wyższy punkt rosy. Plusem tego jest zwiększenie efektu techniki kondensacyjnej. Dla kotłów kondensacyjnych gazowych współczynnik (zawiera się w granicach 1,15-1,20 – wykres 1). Temperatura powrotu z instalacji c.o. poniżej 57°C gwarantuje pracę kotła w trybie kondensacji.

Sposób kondensacji W nowoczesnych kotłach kondensacja zachodzi w wymiennikach aluminiowo-krzemowych (z dodatkiem magnezu) lub stalowych. Przykładowo: po stronie spalin w wymienniku znajduje się duża ilość wypukłości („guzków”), co prowadzi do otrzymania dodatkowej powierzchni grzewczej. Na palniku znajdującym się w górnej części wymiennika spalania znajduje się mieszanka gazowo-powietrzna, a powstające spaliny transportowane są w dół przez wymiennik aluminiowo-krzemowy, „przeciwprądowo”, do napływającej od dołu wody z powrotu instalacji c.o. Energia cieplna przekazywana jest wodzie grzewczej, a spaliny są schładzane prawie do minimalnej temperatury powrotu instalacji c.o.

Powstały kondensat (skropliny) odprowadzany jest poprzez syfon do sieci kanalizacyjnej bezpośrednio lub poprzez neutralizator. Wartość współczynnika pH skroplin mieści się w zakresie kwaśnym.

Dla temperatury spalin wynoszącej 30oC z 28 kW może powstać 2,3 dm3/h skroplin. Jednak trzeba wziąć pod uwagę to, że w zasadzie żaden kocioł nie pracuje 24 h/dobę z pełnym obciążeniem. Dlatego dla przeciętnego domu jednorodzinnego, budowanego w nowym standardzie izolacji, dzienna ilość kondensatu nie przekracza 10 dm3. Przyjmuje się, że 1 osoba w gospodarstwie domowym zużywa wody ciepłej i zimnej razem w ilości około 150-200 dm3/d.

Szczególnie istotne dla osiągnięcia wysokich sprawności pracy kotłów kondensacyjnych jest zapewnienie niskich temperatur wody grzewczej. Kocioł pracujący w niskoparametrowej instalacji 40/30oC może przynieść oszczędności sięgające nawet ponad 20%. Jednak nie zawsze można sobie pozwolić na takie oszczędności ze względu na to, że najczęściej stosowana w Polsce w przeciętnym budynku jest instalacja grzejnikowa, która dla wyżej wymienionych parametrów zasilania i powrotu musiałaby być na tyle duża, że wyglądałaby nieestetycznie. Korzystnym rozwiązaniem jest wykorzystanie ogrzewania podłogowego, jak również zaprojektowanie instalacji jednoparametrowej dla ogrzewania grzejnikowego i podłogowego w nowym, dobrze zaizolowanym budynku dla parametrów pracy instalacji grzewczej 50/40oC. Jest to dobre rozwiązanie ze względu na to, że pozwoli na dość duże oszczędności w nakładzie inwestycyjnym – uniknięcie dodatkowego obiegu c.o. na ogrzewanie podłogowe z droższą automatyką, dodatkową pompą i zaworem mieszającym z siłownikiem oraz ewentualne elementy rozdziału hydraulicznego. Idą również za tym oszczędności eksploatacyjne ze względu na osiągnięcie wysokich sprawności średniorocznych. Moc kotła dobiera się na podstawie zapotrzebowania budynku na ciepło. Dla kotła jednofunkcyjnego moc ta powinna pokryć 90% zapotrzebowania, pozostałe 10% pochodzą z tzw. zysków bytowych, np. z ciepła ciała ludzkiego, emisji z urządzeń elektrycznych. Odpowiednio dobrana moc ważna jest również ze względów ekonomicznych. Jeśli kocioł grzewczy ma za małą moc, dom jest źle ogrzany, zużycie paliwa większe niż zakładane, a czas eksploatacji kotła jest krótszy. Kocioł o zbyt dużej mocy jest przeinwestowany, pracuje z obniżoną mocą, nie wykorzystując swych możliwości. Zbyt duża moc wymusza częste włączanie się i wyłączanie palnika – szybciej zużywają się elementy kotła.

Kilka przykładów

  • I wariant: temperatura czynnika grzewczego 40/30°C – wykres 2.
    Temperatura zasilania i powrotu znajduje się stale poniżej punktu rosy, co pozwala na pełne wykorzystanie ciepła spalania paliwa, wymaga to dużych powierzchni grzejnych, np. ogrzewanie podłogowe lub ścienne bądź duże powierzchnie grzejników.
  • II Wariant: temperatura czynnika grzewczego 75/60°C – wykres 3.
    W tym przypadku wykorzystanie ciepła spalania jest częściowo ograniczone, przy niskich temperaturach otoczenia (-11,5°C) temperatura powrotu c.o. przekracza punkt rosy, co wiąże się z zanikiem kondensacji (jednakże udział procentowy tak chłodnych dni w sezonie grzewczym jest niewielki!).
  • III Wariant: temperatura czynnika grzewczego 90/70°C – wykres 4.
    W tym przypadku kondensacja zaczyna zanikać już przy temperaturze otoczenia wynoszącej -2,5°C; temperatura powrotu c.o. przekracza punkt rosy – obecnie tak wysokie parametry nie są w zasadzie projektowane, choćby ze względu na niekorzystną (dodatnią) jonizację powietrza w pomieszczeniach.

Na wykresie 5 przedstawiona jest sprawność w odniesieniu do temperatury powrotu instalacji c.o. Przy dokładnej analizie pamiętajmy, iż z temperaturami najwyższymi (na które dobrane są grzejniki), w przypadku zastosowania regulacji pogodowej, kocioł będzie pracował jedynie kilka dni w roku. Zatem i sprawność średnioroczna instalacji będzie wyższa niż to wynika z prostego przełożenia temperatury obliczeniowej powrotu na oś sprawności.

Jerzy Grabek

Ilustracje z arch. Junkers.

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