Kondensacyjne kotły gazowe - zasada działania, zalety i wady

Rosnące koszty energii zmusiły naukowców i inżynierów do stworzenia nowego typu generatora ciepła - kotła kondensacyjnego. W przypadku instalacji w niskotemperaturowym systemie grzewczym kondensator może wykazywać sprawność powyżej 100%. Jak ci się to udało? Jaka jest zasada działania kondensacyjnego kotła gazowego? Jakie są jego zalety i wady? Po przeczytaniu naszego artykułu dowiesz się wszystkiego lub prawie wszystkiego.

Zasada działania kotła kondensacyjnego

Kocioł kondensacyjny jest młodszym bratem najbardziej konwencjonalnego gazowego kotła konwekcyjnego. Zasada działania tego ostatniego jest niezwykle prosta, a zatem zrozumiała nawet dla osób słabo zaznajomionych z fizyką i technologią. Paliwo do kotła gazowego, jak sama nazwa wskazuje, jest gazem naturalnym (głównym) lub skroplonym (balonem). Podczas spalania niebieskiego paliwa, a także wszelkich innych substancji organicznych, powstaje dwutlenek węgla i woda i uwalnia się duża ilość energii. Wytworzone ciepło jest wykorzystywane do podgrzewania chłodziwa - wody przemysłowej krążącej w systemie ogrzewania domu.

Sprawność gazowego kotła konwekcyjnego wynosi ~ 90%. Nie jest to takie złe, przynajmniej wyższe niż generatory ciepła na paliwo płynne i stałe. Jednak ludzie zawsze starali się, aby ten wskaźnik był jak najbardziej zbliżony do cenionego 100%. W związku z tym powstaje pytanie: dokąd zmierza pozostałe 10%? Odpowiedź jest niestety prozaiczna: wlatują do rury. Rzeczywiście, produkty spalania gazu opuszczające system przez komin są podgrzewane do bardzo wysokiej temperatury (150–250 ° C), co oznacza, że ​​10% utraconej energii przeznaczamy na ogrzewanie powietrza na zewnątrz domu.

Naukowcy i inżynierowie od dawna szukają możliwości pełniejszego odzysku ciepła, jednak metodę technologicznego wykonania ich teoretycznych osiągnięć odkryto dopiero 10 lat temu, kiedy powstał kocioł kondensacyjny.

Jaka jest podstawowa różnica w stosunku do tradycyjnego generatora konwekcyjnego paliwa gazowego? Po zakończeniu głównego procesu spalania paliwa i przeniesieniu znacznej części ciepła uwolnionego podczas tego procesu do wymiennika ciepła skraplacz osiąga gazy spalinowe do 50-60 ° C, tj. do punktu, w którym rozpoczyna się proces kondensacji. Już to wystarczy, aby znacznie zwiększyć wydajność, w tym przypadku ilość ciepła przenoszonego do chłodziwa. To jednak nie wszystko.

W temperaturze 56 ° C - w tak zwanym punkcie rosy - woda przepływa ze stanu pary do stanu ciekłego, innymi słowy, para wodna skrapla się. W tym przypadku uwalniana jest dodatkowa energia, która w odpowiednim czasie została wydana na odparowanie wody i w zwykłych kotłach gazowych utraconych wraz z lotną mieszaniną pary i gazu. Kocioł kondensacyjny jest w stanie „odebrać” ciepło wytworzone podczas kondensacji pary wodnej i przekazać je do nośnika ciepła.

Producenci generatorów ciepła typu kondensacyjnego niezmiennie zwracają uwagę potencjalnych klientów na niezwykle wysoką sprawność swoich urządzeń - ponad 100%. Jak to mozliwe W rzeczywistości nie ma sprzeczności z kanonami fizyki klasycznej. W tym przypadku używają innego systemu rozliczeń.

Często oceniając wydajność kotłów grzewczych, obliczają, ile uwolnionego ciepła jest przenoszone do chłodziwa. Ciepło „pobierane” w konwencjonalnym kotle oraz ciepło z głębokiego chłodzenia gazów spalinowych daje w sumie 100% wydajność.Ale jeśli dodamy tutaj również ciepło uwalniane podczas kondensacji pary, otrzymujemy ~ 108-110%.

Z punktu widzenia fizyki takie obliczenia nie są do końca prawdziwe. Przy obliczaniu wydajności należy wziąć pod uwagę nie uwolnione ciepło, ale całkowitą energię uwolnioną podczas spalania mieszaniny węglowodorów o danym składzie. Obejmie to energię zużytą na konwersję wody w stan gazowy (następnie uwalnianą podczas procesu kondensacji).

Wynika z tego, że współczynnik wydajności większy niż 100% jest po prostu trudnym posunięciem przez marketerów, którzy wykorzystują niedoskonałość przestarzałej formuły obliczeniowej. Niemniej jednak należy zauważyć, że skraplacz, w przeciwieństwie do konwencjonalnego kotła konwekcyjnego, „wyciska” cały lub prawie cały proces spalania paliwa. Pozytywne aspekty są oczywiste - wyższa wydajność i mniejsze zużycie zasobów kopalnych.

Urządzenie głównych elementów kotła kondensacyjnego

Z konstrukcyjnego punktu widzenia kocioł kondensacyjny nie jest duży, ale wciąż różni się od zwykłego kotła gazowego. Jego głównymi elementami są:

• komora spalania wyposażona w palnik, układ zasilania paliwem i wentylator do pompowania powietrza;
• wymiennik ciepła nr 1 (pierwotny wymiennik ciepła);
• komora do dalszego chłodzenia mieszaniny gazowo-parowej do temperatury możliwie zbliżonej do 56–57 ° C;
• wymiennik ciepła nr 2 (kondensacyjny wymiennik ciepła);
• zbiornik na skropliny;
• komin do usuwania zimnych spalin;
• pompa do cyrkulacji wody w systemie.

W pierwotnym wymienniku ciepła połączonym z komorą spalania wydzielone gazy są schładzane do temperatury znacznie wyższej od punktu rosy (w rzeczywistości tak wyglądają konwencjonalne konwekcyjne kotły gazowe). Następnie mieszanina spalinowa jest siłą wysyłana do kondensacyjnego wymiennika ciepła, gdzie jest schładzana do temperatury poniżej punktu rosy, tj. Poniżej 56 ° C. W takim przypadku para wodna skrapla się na ściankach wymiennika ciepła, „dając ostatnią”. Kondensat jest gromadzony w specjalnym zbiorniku, skąd spływa rurą spustową do kanalizacji.

Woda, która działa jak czynnik chłodzący, porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu mieszanki oparów i gazów. Zimna woda (woda powrotna z instalacji grzewczej) jest podgrzewana w kondensacyjnym wymienniku ciepła. Następnie wchodzi do pierwotnego wymiennika ciepła, gdzie jest podgrzewany do wyższej temperatury określonej przez użytkownika.

Kondensat - niestety, nie czysta woda, jak wielu uważa, ale mieszanina rozcieńczonych kwasów nieorganicznych. Stężenie kwasów w kondensacie jest niskie, ale biorąc pod uwagę fakt, że temperatura w układzie jest zawsze podwyższona, można go uznać za agresywną ciecz. Dlatego do produkcji takich kotłów (a przede wszystkim kondensacyjnych wymienników ciepła) stosuje się materiały kwasoodporne - stal nierdzewna lub silumin (stop aluminium-krzem). Wymiennik ciepła z reguły jest odlewany, ponieważ spoiny są wrażliwym miejscem - w tym miejscu rozpoczyna się proces niszczenia materiału przez korozję.

Para powinna być skraplana dokładnie na kondensacyjnym wymienniku ciepła. Wszystko, co poszło dalej do komina, z jednej strony jest tracone na ogrzewanie, az drugiej strony destrukcyjnie wpływa na materiał komina. Z tego ostatniego powodu komin jest wykonany z kwasoodpornej stali nierdzewnej lub tworzywa sztucznego, a jego przekroje poziome są lekko nachylone, tak że woda powstająca podczas kondensacji niewielkich ilości pary, która mimo to wpada do komina, jest odprowadzana z powrotem do kotła. Należy wziąć pod uwagę, że gazy spalinowe opuszczające skraplacz są bardzo chłodzone, a wszystko, co nie skropliło się w kotle, musi koniecznie skroplić się w kominie.

O różnych porach dnia kocioł grzewczy wymaga innej ilości ciepła, którą można regulować za pomocą palnika. Palnik na kotle kondensacyjnym może być modulowany, tj. z możliwością płynnej zmiany mocy podczas pracy lub bez symulacji - ze stałą mocą. W tym drugim przypadku kocioł dostosowuje się do wymagań właściciela, zmieniając częstotliwość palnika. W większości nowoczesnych kotłów zaprojektowanych do ogrzewania domów prywatnych zainstalowane są symulowane palniki.

Mamy więc nadzieję, że masz ogólne pojęcie o tym, czym jest kocioł kondensacyjny, jak jest zbudowany i na jakiej zasadzie działa. Jednak najprawdopodobniej te informacje nie wystarczą, aby zrozumieć, czy należy osobiście kupić taki sprzęt. Aby pomóc Ci podjąć tę lub inną decyzję, opowiemy ci o wszystkich zaletach i wadach, plusów i minusów kotła kondensacyjnego, porównując go z tradycyjnym konwekcyjnym.

Zalety kotła kondensacyjnego

Lista zalet kotła kondensacyjnego jest imponująca, co ostatecznie tłumaczy rosnącą popularność tego rodzaju urządzeń grzewczych:

• Oszczędność paliwa w porównaniu do konwencjonalnego kotła konwekcyjnego może osiągnąć 35%.
• Redukcja emisji przy przejściu z tradycyjnych modeli gazowych na modele kondensacyjne szacuje się średnio na 70%.
• Niska temperatura spalin umożliwia montaż plastikowych kominów, które są znacznie tańsze niż klasyczna stal.
• Niski poziom hałasu podnosi poziom komfortu ludzi mieszkających w domu.

Porozmawiajmy bardziej szczegółowo o niektórych z wymienionych zalet kotłów kondensacyjnych.

Oszczędność paliwa przy zastosowaniu w układach niskotemperaturowych

Zużycie paliwa zależy bezpośrednio od mocy urządzenia i obciążenia przypisanego do systemu grzewczego. Do ogrzewania domu o powierzchni 250 m² wystarczy 28-kilowatowy kocioł kondensacyjny o maksymalnym zużyciu gazu 2,85 m³/ h Klasyczny kocioł o tej samej mocy zużyje 3,25 m³/ h Pod warunkiem, że kocioł pracuje przez sześć miesięcy z dwunastu, zaoszczędzisz około 3000 rubli rocznie. (przy istniejących cenach głównego gazu dla rosyjskich konsumentów). Prawdopodobnie trudno jest nazwać taką oszczędność znaczącą - nie pokryje ona nawet różnic w kosztach rocznej konserwacji kotłów.

Spójrzmy jednak na sytuację oczami przeciętnego konsumenta w Europie, który kosztuje cztery do pięciu (a nawet więcej) razy więcej niż cena gazu ziemnego. Oszczędności w tym przypadku wynoszą już około 300 euro i warto o nie walczyć.

Zużycie gazu w kotłach kondensacyjnych o różnych pojemnościach:

Redukcja emisji

Podczas spalania paliw kopalnych powstaje dwutlenek węgla, który w reakcji z wodą daje dwutlenek węgla. Ponadto w każdym paliwie zawsze znajdują się zanieczyszczenia siarki, fosforu, azotu i niektórych innych pierwiastków. W procesie spalania powstają z nich odpowiednie tlenki, które w połączeniu z wodą wytwarzają również kwasy.

W konwencjonalnych kotłach konwekcyjnych para wodna z domieszką kwasów (węglowa, siarkowa, azotowa, fosforowa) jest uwalniana do atmosfery. Kotły kondensacyjne nie mają tej wady: kwasy pozostają w kondensacie. Biorąc jednak pod uwagę problemy z wykorzystaniem kondensatu, można zakwestionować notoryczną przyjazność dla środowiska tego sprzętu.

Wady kotła kondensacyjnego

Kocioł kondensacyjny, pomimo wszystkich swoich zalet, nie może być nazwany idealnym urządzeniem grzewczym, ponieważ nie jest pozbawiony wad:

• wysoka cena;
• wysoki koszt wymiennika ciepła (i w konsekwencji tego potrzeba uważnego monitorowania stanu całego systemu grzewczego);
• niewydolność stosowania w systemach wysokotemperaturowych;
• trudności w odzyskiwaniu kondensatu;
• wrażliwość na jakość powietrza.

Cena

Za dodatkowy procent energii cieplnej trzeba zapłacić. Technicznie kocioł kondensacyjny jest bardziej skomplikowany, a zatem droższy. Koszt dobrego domowego kondensatora od znanego producenta jest kilkakrotnie wyższy niż koszt klasycznej jednostki o tej samej mocy. Oczywiście taki sprzęt jest kupowany na więcej niż jedną dekadę, co oznacza, że ​​preferowane są innowacyjne technologie zwiększające komfort obsługi.

Konwencjonalnie wszystkie modele kotłów kondensacyjnych można podzielić na trzy kategorie cenowe - premium, średnią i ekonomiczną:

1. Klasa premium przeznaczona jest dla kilku nabywców. Do Premium kotłów kondensacyjnych należą na przykład modele niemieckich marek. To urządzenie jest wydajne i wygodne w obsłudze, spełnia europejskie normy środowiskowe, wykonane z materiałów wysokiej jakości. Kotły „Premium” mają wiele przydatnych funkcji, które znacznie zwiększają poziom komfortu podczas ich pracy: programowanie trybów pracy (na przykład utrzymywanie temperatury pokojowej na minimalnym poziomie przy braku hostów lub niewielki spadek temperatury w nocy), regulacja zależna od pogody, inteligentna interakcja z innymi generatorami ciepła , zdalne sterowanie za pomocą specjalnego programu w telefonie komórkowym itp. Jedynym minusem jest wysoka cena.

2. Klasa średnia obejmuje tańsze towary, ale o nieco skromniejszych cechach konsumenckich. Są to ekonomiczne i przyjazne dla środowiska urządzenia, które spełniają wszystkie wymagania i zapewniają wysoką wydajność. Wyróżnia je szeroki zakres funkcji, wyposażony w automatyczny system sterowania, który niezależnie zmienia parametry w zależności od temperatury chłodziwa i powietrza w pomieszczeniu.

3. Klasa ekonomiczna jest przeznaczona dla tych, którzy ze względu na oszczędność są gotowi pogodzić się z niższym poziomem komfortu. Towar masowy zawsze prowadzi do sprzedaży. Wiodące pozycje na rynku ekonomicznych kotłów kondensacyjnych należą do firm koreańskich i słowackich. Ich produkty są dwa lub więcej razy tańsze niż modele premium. Kolejną zaletą tego sprzętu jest jego możliwość dostosowania do rosyjskich warunków pracy. Niedrogie kondensatory o prostej funkcjonalności spokojnie znoszą przerwy w dostawie prądu i spadki ciśnienia, gdy przestaje działać droga automatyzacja.

Oceniając swoje możliwości finansowe, musisz wziąć pod uwagę nieuniknione koszty instalacji i uruchomienia sprzętu, które również będą Cię bardzo kosztowały.

Nie należy zapominać, że podczas pracy kocioł kondensacyjny zapewnia oszczędność gazu. Oszczędności te są jednak tak widmowe, że inwestycja wkrótce się nie zwróci. Oznacza to, że przed zakupem ciepła kondensacyjnego warto dokonać wstępnej oceny: czy koszt zaoszczędzonego paliwa uzasadni wysoką cenę urządzenia.

Pozytywnego efektu ekonomicznego zakupu takiego kotła należy oczekiwać tylko pod pewnymi warunkami - jeśli zostanie on zainstalowany w nowym (czytaj „w budowie”) domu przeznaczonym na stały pobyt z zorganizowanym niskotemperaturowym systemem ogrzewania podłogowego. Co więcej, wielkość efektu zależy bezpośrednio od średniej temperatury zimowej, tj. Od regionu, w którym znajduje się dom (zasada jest prosta: im więcej ciepła jest potrzebne, tym więcej sensu ma taka technika).

Wysoki koszt zastosowanego wymiennika ciepła

Wymiennik ciepła jest technicznie złożonym i kosztownym elementem. W przypadku jego niepowodzenia, jak mówią, „wejdź na główkę”. Za pieniądze, które wydasz na zakup nowego wymiennika ciepła i opłacenie pracy związanej z jego wymianą, możesz łatwo kupić nowy kocioł konwekcyjny o tej samej pojemności.

Z tego wynika, że ​​należy dokładnie monitorować stan wymiennika ciepła. Bardzo trudno będzie go spłukać, gdy się zatka.Podczas instalowania kotła kondensacyjnego należy skontrolować cały system grzewczy - nie powinno być w nim zardzewiałych rur i grzejników.

Bezpieczeństwo wymiennika ciepła zależy również od jakości zastosowanego chłodziwa. Woda powinna być miękka, w przeciwnym razie rurki szybko zarosną od wewnątrz szumowiną. Obecność rdzy w wodzie, obcych zawiesin, soli wapnia i żelaza jest niedopuszczalna.

Ponieważ kondensat zawiera kwasy, wymiennik ciepła musi być w stanie wytrzymać ich działanie. Najczęściej wymienniki ciepła są wykonane z siluminu i wysokiej jakości stali nierdzewnej. Siluminowy wymiennik ciepła jest wytwarzany przez odlewanie metolu. Ze względu na niższy koszt materiału i technologii produkcji wymienniki te są tańsze niż wymienniki ze stali nierdzewnej. Jednak wymienniki ciepła mają wadę - są mniej odporne na agresywne kwaśne środowiska.

Wymienniki ciepła ze stali nierdzewnej są wytwarzane przez spawanie poszczególnych części. Ostateczny koszt takich wymienników ciepła jest wyższy niż silumin. Lepiej jednak są odporne na kwaśne środowiska i zwiększają niezawodność sprzętu.

Niewłaściwe użycie w systemach wysokotemperaturowych

Nie zawsze można uzyskać obiecaną wydajność na poziomie 108–110% - rzeczywista liczba zależy od systemu grzewczego. Istnieją dwa zasadniczo różne rodzaje systemów grzewczych - wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Różnią się one zakresem temperatur chłodziwa na wlocie i wylocie generatora ciepła.

W konwencjonalnych wysokotemperaturowych systemach grzewczych stosunek temperatury dostarczanej wody do wody powrotnej wynosi zwykle 75–80 ° C do 55–60 ° C. Układ z kotłem kondensacyjnym działa tylko w trybie niskiej temperatury, tj. gdy stosunek temperatur zasilania i powrotu wynosi 50–55 ° C do 30–35 ° C Ten współczynnik jest idealny, jeśli ogrzewanie domu odbywa się za pomocą ogrzewania podłogowego. W przeciwnym razie, aby ogrzać pomieszczenie, konieczne będzie zainstalowanie dodatkowych grzejników o 2,5-3-krotnym zwiększeniu użytecznej powierzchni, zaprojektowanych dla temperatury chłodziwa nie wyższej niż 50 ° C.

Wydajność kotła kondensacyjnego zależy przede wszystkim od temperatury chłodziwa na wlocie. Wyjaśnia to po prostu: im niższa temperatura wody w obiegu powrotnym, tym intensywniejsza kondensacja. Sprawność kotła w niskotemperaturowym systemie grzewczym (temperatura na wlocie / wylocie wynosi około 30/50 ° C) może osiągnąć te same 108-110%. Jeśli taki kocioł ma działać w systemie wysokotemperaturowym (60/80 ° C), wówczas nie będzie kondensacji, a wydajność spadnie do 98-99% - to więcej niż konwencjonalne kotły konwekcyjne, ale mniej niż mogłoby być.

Tak więc, jeśli chcesz czerpać maksymalne korzyści z kondensatora, decyzja o jego zainstalowaniu musi zostać podjęta na etapie projektowania domu. Jeśli kupisz taki kocioł dla istniejącego domu z istniejącym systemem grzewczym, oznacza to nieuniknioną przebudowę budynku z wymianą wysokotemperaturowego systemu ogrzewania grzejnikowego na niskotemperaturowy system ogrzewania podłogowego (i taka wielkoskalowa naprawa ponownie jest znacznym wydatkiem, a efekt ekonomiczny całego przedsięwzięcia zostaje utracony).

Trudność z odzyskiwaniem kondensatu

Zastosowanie kotła kondensacyjnego wiąże się z usuwaniem kondensatu. Co więcej, ten ostatni powstaje w znacznych ilościach - jeden litr sześciennego spalonego gazu. Na przykład: kocioł o wydajności 25 kW na godzinę zużywa około 2,8 m³ gaz, tj. w ciągu zaledwie godziny jego działania, zostanie uwolnionych nieco mniej niż 3 litry kondensatu dziennie - 70 litrów.

Przypomnijmy, że kondensat jest roztworem kwasów, co oznacza, że ​​pytanie, gdzie go umieścić, wcale nie jest bezczynne. Dobrze, jeśli Twój dom jest podłączony do scentralizowanego systemu kanalizacyjnego. Nawet zgodnie z surowymi normami europejskimi kotły o mocy do 28 kW nie wymagają specjalnego usuwania kondensatu.Zakłada się, że taka ilość kondensatu jest wystarczająco rozcieńczona ściekami bytowymi, aby nie uszkodzić rur kanalizacyjnych.

Ale co robią właściciele prywatnych domów z autonomiczną kanalizacją? Nie można wlać do szamba - pożyteczne (i drogie) bakterie umrą. Wylewanie na ziemię jest niedopuszczalne - nastąpi zasolenie gleby, az czasem nic nie będzie rosło w tym miejscu. Niezwykle trudno jest transportować 70 litrów dziennie w celu utylizacji. Jest tylko jedno wyjście - zapewnić własny oddzielny system neutralizujący kwasy zawarte w kondensacie. Na Zachodzie, gdzie wymagania dotyczące zgodności z normami środowiskowymi są bardziej rygorystyczne niż nasze, katalizator jest kupowany automatycznie po zainstalowaniu kotła kondensacyjnego.

Wrażliwość na jakość powietrza

Ważną kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jeśli chcesz, aby kocioł działał normalnie, jest usuwanie produktów spalania i dostęp powietrza do spalania.

Jedną z różnic między kotłami kondensacyjnymi a konwekcyjnymi jest zastosowanie zamkniętej komory spalania. Kotły konwekcyjne pobierają powietrze z pomieszczenia, kotły kondensacyjne z ulicy. W pierwszym z nich stosuje się naturalny obieg powietrza (konwekcję) w celu nasycenia mieszanki paliwowo-powietrznej tlenem, aw drugim zastosowano wentylator, który pompuje powietrze do palnika. Nawiasem mówiąc, również usuwanie produktów spalania w nich odbywa się siłą. Masy powietrza cyrkulowane są z reguły przez koncentryczny komin, który jest konstrukcją typu rura w rurze. Powietrze wlotowe przepływa przez zewnętrzną wnękę komina, produkty spalinowe spalania - przez wnętrze.

Z powyższego wynika, że ​​kondensatory muszą być bardzo wrażliwe na jakość powietrza dolotowego. Obecność zauważalnej ilości pyłu w powietrzu prowadzi do szybkiego zużycia turbiny (wentylatora).

Duże znaczenie dla normalnego funkcjonowania kotła kondensacyjnego ma nie tylko czystość, ale także temperatura zewnętrzna. Jeśli powietrze dostanie się do systemu przez współosiową rurę kominową, wówczas, jak pokazuje praktyka, kanał powietrza wlotowego zimą, w mrozie, może zamarznąć, ponieważ temperatura spalin jest dość niska i nie są w stanie ogrzać ścian komina. Prowadzi to do zmniejszenia dopływu tlenu niezbędnego do spalania paliwa, a w konsekwencji do zmniejszenia wydajności sprzętu.

Aby temu zapobiec i nie trzeba okresowo podgrzewać rur, aby uwolnić je od lodu, obliczenia systemu, jego instalacji, uruchomienia i konfiguracji powinny być wykonywane przez certyfikowanych specjalistów serwisowych. Aby wyregulować parametr odpowiedzialny za pobór powietrza w ilości niezbędnej do spalania paliwa w kotle o danej mocy, używają analizatora gazu. Bez takiego specjalnego wyposażenia nie można osiągnąć wymaganej wydajności z kotła. Ponadto mieszkańcy obszarów o trudnych warunkach klimatycznych, decydując się na instalację kotła kondensacyjnego, powinni uzyskać wyjaśnienia od przedstawicieli producenta dotyczące możliwości działania takiego sprzętu przy danym zakresie lokalnych temperatur zewnętrznych.