ABC ogrzewania. Wymienniki w kotłach (1)

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf         

W kotłach obecnych na rynku występuje ogromna różnorodność konstrukcji wymienników ciepła – od bardzo prostych do mocno skomplikowanych. Dyskusje o wyższości jednych nad drugimi są nieustannie obecne na każdym forum dyskusyjnym, zaś sprzeczne opinie i uzasadnienia dyskutantów wprowadzają duże zamieszanie, potęgowane jeszcze przez wyrafinowane argumenty marketingowe producentów kotłów.

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.

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.

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.

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 podrażają kocioł.

dr inż. Jacek Zawistowski, Sławomir Janiszewski

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