Czym się charakteryzują kondensacyjne kotły olejowe, jakie mają zalety i wady eksploatacyjne w porównaniu do kondensacyjnych kotłów gazowych? Przy tym porównaniu napotkamy na pewne trudności natury formalnej, dotyczące oceny sprawności energetycznych obu typów kotłów.

Technika kondensacyjna spalania paliw umożliwia praktyczne wykorzystanie większej ilości ciepła ze spalania paliw węglowodorowych. Miarą wykorzystania ciepła jest współczynnik sprawności, którym charakteryzuje się każde urządzenie grzewcze, i który w przypadku kotłów kondensacyjnych wynosi ponad 100%. Ten ewenement wynika z przyjętej w teorii spalania skali sprawności dla urządzeń kondensacyjnych, która zawiera się od 0% do 111% dla gazu ziemnego i od 0% do 106% dla oleju opałowego. Mamy pierwszą różnicę obu rodzajów kotłów kondensacyjnych – różne miary sprawności eksploatacyjnej. Jak widać, skale kondensacyjnej sprawności są nienaturalnie wydłużone i różnią się w zależności od paliwa. Dlaczego?

Paliwa zawierające wodór (metan CH₄, propan C₃H₈, butan C₄H₁₀, olej opałowy C₁₄H₂₈ … C₂0H₄₀ i inne) charakteryzują się dwoma parametrami energetycznymi o różnej wielkości: wartością opałową (Hu, Hi, Wu) i ciepłem spalania (Ho, Hs, Wt). W wartości opałowej nie uwzględnia się ciepła zawartego w parze wodnej (H₂O) powstającej w procesie spalania paliw węglowodorowych, która wraz z dwutlenkiem węgla (CO₂) uchodzi kominem na zewnątrz niosąc ze sobą ciepło. Mimo to, w teorii spalania, przyjmuje się tę umniejszoną ilość wytworzonego ciepła jako 100%. Jeśli zostanie uwzględnione ciepło zawarte w parze wodnej, otrzymujemy kolejny parametr energetyczny paliwa, ciepło spalania, który względem wartości opalowej jest powiększony o odpowiednią wartość procentową i uzyskuje wartość powyżej 100%.Dla przykładu i uzupełnienia powyższego opisu, poniżej podaję równanie reakcji chemicznej spalania gazu ziemnego (metanu CH₄), uwzględniające powstałe ciepło:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2 H₂O + Q + q

gdzie:

Q – wartość opałowa (100%),

q – ciepło zawarte w parze wodnej w spalinach (11%),

(Q+q) – ciepło spalania.

Ilość dodatkowego ciepła q będzie zależeć od stosunku ilościowego wodoru względem węgla zawartego w paliwie. Im jest więcej wodoru, tym więcej powstaje pary wodnej i tym więcej ciepła uzyskuje się poprzez jej skroplenie. Poniżej w tabeli zamieszczono zestawienie orientacyjnych parametrów energetycznych dla wybranych paliw.

Dane w tabeli dla gazu ziemnego G20 i G410 podano dla warunków normalnych wg PN-87/C-96001. Objętość została określona dla gazu suchego w temperaturze 0°C i pod ciśnieniem 101,3 kPa (760 mm Hg). Pozostałe dane podano wg zestawienia Uniwersytetu Birmingham, Wielka Brytania. Każde źródło podaje inne parametry energetyczne paliw. Rozbieżności wynikają z różnego składu chemicznego badanych paliw, różnych warunków i metod badań. Niezależnie od tych różnic, ostateczny wynik w postaci dodatkowego ciepła ze skroplenia pary wodnej dla każdego paliwa jest zgodny. Podano go w tabeli w kolumnie (Ho/Hu)x100%, jako procentowy iloraz ciepła spalania do wartości opałowej.

Jak z powyższego wynika, gazowy kocioł kondensacyjny wytworzy więcej dodatkowego ciepła (ciepła skroplenia) niż kondensacyjny kocioł olejowy. Dlatego w charakterystykach kondensacyjnych kotłów gazowych różnych producentów przeczytamy, że maksymalna sprawność kotła wynosi, np. 108%. Taka najwyższa sprawność podawana jest dla najkorzystniejszych parametrów pracy kotła; dla niskiej temperatury zasilania centralnego ogrzewania, np. 40°C i niskiej temperatury powrotu, np. 30°C, a więc dla warunków największego skroplenia pary wodnej ze spalin. Jednakże nie będzie to 111%, ponieważ około 2% ciepła ujdzie do komina z nieskroploną do końca parą wodną i niewychłodzonym dwutlenkiem węgla – jako że nie ma w przyrodzie procesów fizycznych i chemicznych zachodzących – ze 100% sprawnością.

Kondensacyjny kocioł olejowy będzie miał, z podobnych powodów, praktyczną sprawność ok. 105%. W przypadku tych kotłów straty będą nieco mniejsze, tzn. ok. 1%. Tak jest w istocie, ze względu na schładzanie spalin do niższej temperatury niż w kotłach gazowych. Dzieje się tak dzięki stosowaniu w kotłach olejowych jeszcze większych powierzchniowo wymienników ciepła niż w kotłach gazowych. Relacje sprawności energetycznej obu rodzajów kotłów kondensacyjnych podano na rys. 1.

Jeśli jednak odłożymy na bok prawidła dyktowane przez osobliwą, w tym rozdziale, teorię spalania i przyjmiemy jako parametr energetyczny paliwa tylko ciepło spalania, a więc najwyższą (i wielu doda „jedynie słuszną” ) wartość, to otrzymamy zupełnie inny wynik porównania obu kotłów. Mamy w tym przypadku 100% całkowitej energii w gazie ziemnym i 100% całkowitej energii w oleju opałowym. Jeśli straty kominowe w obu przypadkach będą takie same i wyniosą np. 2%, to zarówno kondensacyjny kocioł gazowy, jak i kondensacyjny kocioł olejowy będą miały identyczną sprawność energetyczną, wynoszącą 98%. Opisane wyżej relacje przedstawiono na rys. 2.

...pełna wersja artykułu w PI 12/12