poniedziałek, styczeń 21, 2019

    Najnowsze wydanie


 PI 7/2018
Okładka PI07

 

Co to właściwie ta kondensacja

30Kondensacja magiczne słowo powodujące, że nagle kotły mają sprawność 109%, czyli dają więcej niż dostały. Z fizyki na poziomie szkoły podstawowej wiadomo, że nie można zrobić perpetuum mobile, czyli urządzenia, które wytworzy więcej energii niż się do niego włożyło. Zatem czy producenci kotłów oszukują swoich klientów?

Zanim padnie odpowiedź na to pytanie cofnijmy się do podstaw. Co kryje się pod słowem kondensacja? Zgodnie z definicją, kondensacja jest to przejście substancji ze stanu lotnego w stan ciekły, czyli popularne skraplanie się gazu. W przypadku kotłów skraplającym się gazem jest para wodna zawarta w spalinach powstała ze spalenia paliwa.

Na przykładzie procesu spalania czystego metanu:

CH4 + O2 -> CO2 + H2O + ciepło

Do kotła dostarczamy paliwo oraz tlen (powietrze) a w wyniku spalania otrzymujemy mieszaninę gorących gazów: dwutlenku węgla i pary wodnej oraz to, co nas najbardziej interesuje, czyli ciepło. Dawno temu, gdy powstawały pierwsze konstrukcje kotłów, ich wymienniki ciepła konstruowane były ze stali, żeliwa i miedzi. Materiały tanie albo o dobrych właściwościach cieplnych niestety pokryte wilgocią ulegały korozji.


Piszący normy przyjęli niegdyś błędne założenie, że nigdy nie będzie można skonstruować kotła z materiału odpornego na działanie kondensatu (skroplonej pary) i w związku z tym wzory określające sprawność kotła nie uwzględniają energii kondensacji.

29

W tym samym czasie kominy do tych kotłów wykonywane były z czerwonej cegły. Produkt łatwo dostępny i tani, ale niestety odziaływanie wilgoci bardzo negatywnie wpływa na jego trwałość. Producenci kotłów, dbając o żywotność wymienników i kominów, tak sterowali pracą urządzeń, by spaliny wypływające na końcu komina miały na tyle wysoką temperaturę by para wodna się nie skraplała a była w postaci gazowej wyrzucana do atmosfery. Niestety im wyższa temperatura spalin opuszczających komin, tym oczywiście mniejsze ryzyko wykroplenia, ale i większa ilość ciepła bezpowrotnie traconego do atmosfery.
31I tu pojawia się błędne założenie, którego skutki odczuwamy do dziś. Obniżając temperaturę pary wodnej, odzyskujemy energię. W momencie, gdy dojdziemy do tzw. punktu rosy temperatura przestaje się zmieniać, mimo że nadal odzyskujemy energię. Ta energia to energia odzyskana z procesu skroplenia się pary wodnej. Dopiero po całkowitym skropleniu nastąpi dalsze obniżanie temperatury, ale już cieczy. Piszący normy przyjęli niegdyś błędne założenie, że nigdy nie będzie można skonstruować kotła z materiału odpornego na działanie kondensatu (skroplonej pary) i w związku z tym wzory określające sprawność kotła nie uwzględniają energii kondensacji. Obecnie materiały odporne na działanie kondensatu są na tyle tanie i popularne, że celem jak najbardziej racjonalnego wykorzystania paliw kopalnych, pojawił się nakaz konstruowania tylko kotłów kondensacyjnych. Czyli mamy urządzenia, które dostarczają nam energię, której nie uwzględniliśmy w obliczeniach, dzięki temu mamy sprawność powyżej 100%. Wystarczy jednakpo stronie energii włożonej do kotła uwzględnić ciepło parowania, a okaże się, że nawet najlepsze kotły mają sprawność nie większą niż 98%.
32A jak to się wszystko ma do instalacji c.o. w naszych domach? Analizując opisane powyżej zjawisko, trzeba tak zaprojektować instalację c.o., by pracujący w niej kocioł mógł schłodzić spaliny poniżej punktu rosy, dzięki czemu odzyska dodatkowe ciepło. Prosta odpowiedź, ale co to oznacza w rzeczywistości? Na początku musimy wiedzieć, że temperatura punktu rosy dla spalin z kotła gazowego wynosi około 56°C. Chcąc schłodzić spaliny do tej temperatury, musimy oczywiście mieć wodę instalacyjną, która będzie chłodniejsza i odbierze ciepło. Kiedyś często na szkoleniach z ust instalatorów padało stwierdzenie, że kocioł kondensacyjny to bardzo dobre rozwiązanie, ale tylko jeżeli jest on podłączony do instalacji c.o., która składa się jedynie z ogrzewania podłogowego. Obecnie coraz rzadziej trafiają się takie stwierdzenia, ale jednak wciąż trafiają. Oczywiście można zaprojektować instalację grzejnikową pracującą z temperaturą obliczeniową na zasilaniu 40°C, co będzie nam gwarantowało, że będzie się wykraplała para wodna, a sprawność kotła będzie bardzo wysoka. Niestety musimy się liczyć z tym, że tak zaprojektowane grzejniki będą bardzo duże, a to oznacza trudność z ich rozmieszczeniem a także bardzo duże nakłady inwestycyjne, jakie trzeba będzie na nie ponieść, jak również na rury o odpowiednio dużych średnicach.

33Kiedy kocioł kondensacyjny ma sens?
Zatem jak wysoko możemy podnieś temperaturę obliczeniową instalacji, aby zmniejszyć koszty instalacji, nie tracąc na „kondensacji"? Rozważmy instalację pracującą z temperaturą na zasilaniu wynoszącą 70°C. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że skoro będziemy mieli na kotle tak wysoką temperaturę, to spaliny będą musiały być jeszcze cieplejsze, czyli dużo powyżej punktu rosy, a co za tym kondensacji nie powinno być. I to oczywiście jest prawda, ale temperatura obliczeniowa jest wykorzystywana tylko wtedy, gdy potrzebujemy najwięcej ciepła, czyli gdy na zewnątrz panują największe mrozy (dla zdecydowanej większości naszego kraju jest to aż -20°C). Skrajne mrozy pojawiają się na szczęście niezmiernie rzadko i aby zmniejszyć ilość dostarczanej przez grzejnik energii możemy zmniejszyć jego temperaturę. Nowoczesne kotły wyposażone są w tzw. automatykę pogodową, która sama na podstawie temperatury zewnętrznej wylicza jaką temperaturę musi utrzymywać kocioł, by zagwarantować nam komfort w domu.
Czerwona linia na rysunku to temperatura wody instalacyjnej na wyjściu z kotła na instalację, zielona zaś to temperatura punktu rosy. Widać, że jeżeli na zewnątrz będzie cieplej niż około -9°C, to automatyka pogodowa tak obniży temperaturę na kotle, że będzie możliwość występowania kondensacji. Wielu instalatorów jest bardzo zaskoczonych jak się dowiadują, że przy mrozach przekraczających -10°C kocioł nadal będzie kondensował. Na pierwszy rzut oka wydaje się to niemożliwe, skoro na kotle jest temperatura, przy której kondensacja już nie powinna zachodzić. Aby wyjaśnić to „dziwne" zjawisko należy popatrzeć na kocioł trochę szerzej. Gorąca woda wypływająca z kotła płynie do grzejników, w których ulega schłodzeniu, by następnie wrócić do kotła. Na rysunku 2. widać, że jeżeli na zewnątrz będzie temperatura np. -10°C, to na wyjściu z kotła będzie około 58°C, ale na powrocie dostaniemy około 46°C. Dzięki temu większość powierzchni wymiennika ciepła będzie miała na tyle niską temperaturę, aby mogła na niej występować kondensacja.


Wielu instalatorów jest bardzo zaskoczonych jak się dowiadują, że przy mrozach przekraczających -10°C kocioł nadal będzie kondensował. Na pierwszy rzut oka wydaje się to niemożliwe, skoro na kotle jest temperatura, przy której kondensacja już nie powinna zachodzić.

34Analogicznie można przeanalizować instalacje o najwyższych spotykanych parametrach, czyli takie które były zaprojektowane do pracy z temperaturą obliczeniową wynoszącą 90°C.
Zgodnie z rysunkiem 3. dla instalacji pracującej w warunkach obliczeniowych z parametrami 90/70°C przy temperaturach zewnętrznych wyższych od -1°C zarówno temperatura na zasilaniu jak i na powrocie będą poniżej temperatury punktu rosy zatem kondensacja będzie występowała na całej powierzchni wymiennika. Gdy temperatura na zewnątrz zacznie spadać poniżej -1°C zacznie maleć powierzchnia wymiennika, która będzie miała na tyle niską temperaturę, aby kocioł mógł pracować z najwyższą sprawnością, aż do momentu, gdy na zewnątrz pojawią się mrozy większe niż -9°C i wtedy kondensacja praktycznie ustanie.

Podsumowanie
Śledząc wyniki badań, publikowane przez instytuty meteorologiczne w różnych krajach można zauważyć, że stolica naszego kraju znajduje się w pierwszej 15-tce najzimniejszych stolic świata, ale nawet taka informacja nie powinna nas odstraszać, gdyż średnia temperatura sezonu grzewczego wynosi obecnie około +3°C, a największe mrozy, jeśli się pojawiają, to rzadko i trwają nie więcej niż kilka dni w roku. Zatem nowoczesny kocioł kondensacyjny wyposażony w automatykę pogodową będzie idealnym rozwiązaniem zarówno dla nowobudowanego budynku wyposażonego w podłogową instalację c.o., jak również do modernizacji instalacji ogrzewania wysokoparametrowej w starych budynkach.

Autor: Marcin Ponarski 

homeWyszukiwarka

homeTagi

homeWydarzenia

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem