Kocioł kondensacyjny

Kotły kondensacyjne to podgrzewacze wody, zwykle stosowane w systemach grzewczych opalanych gazem lub olejem. System grzewczy pracujący w odpowiednich warunkach może osiągnąć wysoką sprawność (powyżej 90% przy wyższej wartości opałowej ) poprzez skraplanie pary wodnej znajdującej się w spalinach w wymienniku ciepła w celu wstępnego podgrzania wody obiegowej. Odzyskuje to utajone ciepło parowania , które w przeciwnym razie zostałoby zmarnowane. Kondensat jest odprowadzany do odpływu. W wielu krajach stosowanie kotłów kondensacyjnych jest obowiązkowe lub zachęcane zachętami finansowymi.

Aby proces skraplania przebiegał prawidłowo, temperatura powracającej wody obiegowej musi wynosić około 55°C (131°F) lub mniej, dlatego kotły kondensacyjne często pracują w niższych temperaturach, około 70°C (158°F) lub poniżej , które mogą wymagać większych rur i grzejników niż kotły niekondensacyjne. Niemniej jednak, nawet częściowa kondensacja jest bardziej wydajna niż tradycyjny kocioł bezkondensacyjny.

Zasada działania

W konwencjonalnym kotle paliwo jest spalane, a wytworzone gorące gazy przechodzą przez wymiennik ciepła, gdzie większość ich ciepła jest przekazywana do wody, podnosząc w ten sposób temperaturę wody.

Jednym z gorących gazów powstających w procesie spalania jest para wodna (para wodna), która powstaje w wyniku spalania wodoru zawartego w paliwie. Kocioł kondensacyjny wydobywa dodatkowe ciepło z gazów odlotowych poprzez skraplanie tej pary wodnej do ciekłej wody, odzyskując w ten sposób utajone ciepło parowania. Typowy wzrost wydajności może wynieść nawet 10-12%. [ potrzebne źródło ] Chociaż efektywność procesu skraplania zmienia się w zależności od temperatury wody powracającej do kotła, zawsze jest on co najmniej tak wydajny jak kocioł bezkondensacyjny.

Powstający kondensat jest lekko kwaśny (pH 3-5), dlatego w obszarach, w których występuje ciecz, należy stosować odpowiednie materiały. Stopy aluminium i stal nierdzewna są najczęściej stosowane w wysokich temperaturach. W obszarach o niskich temperaturach tworzywa sztuczne są najbardziej opłacalne (np. uPVC i polipropylen ). Produkcja kondensatu wymaga również zainstalowania systemu odprowadzania skroplin wymiennika ciepła. W typowej instalacji jest to jedyna różnica między kotłem kondensacyjnym a niekondensacyjnym.

Aby ekonomicznie wyprodukować wymiennik ciepła kotła kondensacyjnego (i aby urządzenie było łatwe w instalacji), preferowany jest najmniejszy praktyczny rozmiar jego mocy. Takie podejście zaowocowało wymiennikami ciepła o dużym oporze po stronie spalania, często wymagającym zastosowania wentylatora spalania do przemieszczania produktów przez wąskie przejścia. Miało to również tę zaletę, że dostarczało energię do układu spalinowego, ponieważ wydalane gazy spalinowe mają zwykle temperaturę poniżej 100 ° C (212 ° F) i jako takie mają gęstość zbliżoną do powietrza, przy niewielkiej wyporności. Wentylator spalania pomaga pompować spaliny na zewnątrz.

Stosowanie

Kotły kondensacyjne obecnie w dużej mierze zastępują wcześniejsze, konwencjonalne konstrukcje w zasilaniu domowych systemów centralnego ogrzewania w Europie iw mniejszym stopniu w Ameryce Północnej . Holandia była pierwszym krajem, który je szeroko przyjął . W Europie ich instalacja jest zdecydowanie popierana przez grupy nacisku i organy rządowe zajmujące się redukcją zużycia energii. Na przykład w Zjednoczonym Królestwie wszystkie nowe gazowe kotły centralnego ogrzewania montowane w Anglii i Walii od 2005 r. muszą być wysokowydajnymi kotłami kondensacyjnymi, chyba że zachodzą wyjątkowe okoliczności [ potrzebne źródło ] ; te same przepisy dotyczą kotłów olejowych od kwietnia 2007 r. ( centralnego ogrzewania ciepłym powietrzem są zwolnione z tych przepisów). W Stanach Zjednoczonych istnieje federalna ulga podatkowa na instalację kotłów kondensacyjnych oraz dodatkowe rabaty od firm energetycznych w niektórych stanach. W zachodniej Kanadzie dostawcy energii oferują teraz rabaty na energię, gdy systemy te są instalowane w domach wielorodzinnych. Spadek cen gazu ziemnego w Ameryce Północnej spowodował [ potrzebne źródło ] zwiększoną modernizację istniejących instalacji kotłowych w urządzenia skraplające.

Efektywność

można osiągnąć sprawność cieplną do 98% , w porównaniu do 70%-80% przy konwencjonalnych konstrukcjach (bazując na wyższej wartości opałowej paliw). Typowe modele oferują sprawność około 90%, co stawia większość marek kondensacyjnych kotłów gazowych w najwyższych dostępnych kategoriach efektywności energetycznej. W Wielkiej Brytanii jest to klasa sprawności SEDBUK (Seasonal Efficiency of Domestic Boilers in the UK) Band A, podczas gdy w Ameryce Północnej zazwyczaj otrzymują logo Eco i/lub certyfikat Energy Star .

Wydajność kotła opiera się na sprawności wymiany ciepła iw dużym stopniu zależy od wielkości/wydajności kotła oraz wielkości/wydajności emitera. Projektowanie i instalacja systemu mają kluczowe znaczenie. Dopasowanie promieniowania do mocy wyjściowej Btu/Hr kotła i uwzględnienie projektowych temperatur emitera/grzejnika określa ogólną wydajność systemu ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej.

Jednym z powodów spadku wydajności jest to, że projekt i/lub wykonanie systemu grzewczego zapewnia temperaturę wody powrotnej (płynu grzewczego) w kotle powyżej 55°C (131°F), co zapobiega znacznej kondensacji w wymienniku ciepła. Można oczekiwać, że lepsza edukacja zarówno instalatorów, jak i właścicieli podniesie efektywność w stosunku do zgłaszanych wartości laboratoryjnych. Natural Resources Canada sugeruje również sposoby lepszego wykorzystania tych kotłów, takie jak łączenie systemów ogrzewania pomieszczeń i wody. Niektóre kotły (np. Potterton) można przełączać między dwiema temperaturami zasilania, takimi jak 63 °C (145 °F) i 84 °C (183 °F), przy czym tylko ta pierwsza umożliwia „pełne skraplanie”. Jednak bojlery są zwykle instalowane z wyższą temperaturą zasilania, ponieważ zasobnik ciepłej wody użytkowej jest zwykle podgrzewany do 60°C (140°F), co przy temperaturze zasilania wyższej tylko o trzy stopnie zajmuje zbyt dużo czasu. Niemniej jednak nawet częściowe skraplanie jest bardziej wydajne niż tradycyjny kocioł.

Większość kotłów niekondensacyjnych można zmusić do skraplania poprzez proste zmiany sterowania. Takie postępowanie znacznie obniżyłoby zużycie paliwa, ale szybko zniszczyłoby wszelkie elementy ze stali miękkiej lub żeliwa konwencjonalnego kotła wysokotemperaturowego z powodu korozyjnego charakteru kondensatu. Z tego powodu większość wymienników ciepła kotłów kondensacyjnych jest wykonana ze stali nierdzewnej lub stopu aluminium/krzemu. Zewnętrzne ekonomizery ze stali nierdzewnej można zamontować w kotłach niekondensacyjnych, aby umożliwić im osiągnięcie wydajności skraplania. Zawory regulacyjne temperatury służą do mieszania gorącej wody zasilającej z powrotem w celu uniknięcia szoku termicznego lub skraplania wewnątrz kotła.

Im niższa temperatura powrotu do kotła, tym bardziej prawdopodobne jest, że będzie on pracował w trybie skraplania. Jeśli temperatura powrotu jest utrzymywana poniżej około 55°C (131°F), kocioł powinien nadal pracować w trybie skraplania, dzięki czemu zastosowania niskotemperaturowe, takie jak promienniki podłogowe, a nawet stare grzejniki żeliwne, dobrze pasują do tej technologii.

Większość producentów nowych domowych kotłów kondensacyjnych produkuje podstawowy system sterowania typu „fit all”, który powoduje, że kocioł pracuje w trybie kondensacyjnym tylko podczas wstępnego rozgrzewania, po czym sprawność spada. To podejście powinno nadal przewyższać podejście stosowane w starszych modelach (patrz następujące trzy dokumenty opublikowane przez Building Research Establishment: Information Papers 10-88 and 19-94; General Information Leaflet 74; Digest 339. Patrz także Application Manual AM3 1989: Condensing Boilers by Dyplomowany Instytut Inżynierów Usług Budowlanych). Dla kontrastu kompensacji pogodowej są przeznaczone do regulacji systemu w oparciu o temperatury wewnętrzne, zewnętrzne, na wlocie i wylocie z kotła.

Kontrola

Sterowanie domowym kotłem kondensacyjnym ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia jego najbardziej ekonomicznej i paliwowej pracy. Palniki są zwykle sterowane przez wbudowany system z wbudowaną logiką do sterowania mocą wyjściową palnika w celu dopasowania do obciążenia i zapewnienia najlepszej wydajności.

Prawie wszystkie mają modulowane palniki. Umożliwiają one zmniejszenie mocy w celu dopasowania do zapotrzebowania. Kotły mają współczynnik ograniczenia mocy , który jest stosunkiem maksymalnej mocy wyjściowej do minimalnej mocy wyjściowej, przy której można utrzymać spalanie. Jeżeli układ sterowania stwierdzi, że zapotrzebowanie spada poniżej mocy minimalnej, to kocioł wyłączy się do czasu spadku temperatury wody, a następnie ponownie się rozpali i podgrzeje wodę.

Niezawodność

Uważa się, że kotły kondensacyjne mają reputację mniej niezawodnych i mogą również ucierpieć, jeśli są obsługiwane przez instalatorów i hydraulików , którzy mogą nie rozumieć ich działania. Twierdzenia o nierzetelności zostały obalone przez badania przeprowadzone przez brytyjski Building Research Establishment (patrz Building Research Establishment ).

W szczególności problem „smugowania” pojawił się w przypadku wczesnych instalacji kotłów kondensacyjnych, w których biała smuga skondensowanej pary (w postaci maleńkich kropelek) staje się widoczna na wylocie przewodu kominowego. Chociaż nieistotne dla działania kotła, widoczne pióropusze były problemem estetycznym, który powodował duży sprzeciw wobec kotłów kondensacyjnych.

Bardziej istotnym problemem jest niewielka (pH 3-4) kwasowość kondensatu. W przypadku bezpośredniego kontaktu z wymiennikiem ciepła kotła, szczególnie w przypadku cienkiej blachy aluminiowej, może dojść do szybszej korozji niż w przypadku tradycyjnych kotłów bezkondensacyjnych. Starsze kotły mogły również wykorzystywać wymienniki ciepła z grubego odlewu zamiast blachy, które miały wolniejsze stałe czasowe reakcji, ale były również odporne, ze względu na swoją masę, na jakąkolwiek korozję. Kwasowość kondensatu oznacza, że ​​można stosować tylko niektóre materiały: stal nierdzewna i aluminium są odpowiednie, stal miękka, miedź lub żeliwo nie. Złe standardy projektowe lub konstrukcyjne mogły spowodować, że wymienniki ciepła niektórych wczesnych kotłów kondensacyjnych były mniej trwałe.

W przypadku kotłów kondensacyjnych z wymiennikami ciepła z aluminium lub stali nierdzewnej zdecydowanie zaleca się wstępną kontrolę i coroczną kontrolę płynu przenoszącego ciepło. Utrzymanie lekko zasadowej (pH 8 do 9) cieczy ze środkami antykorozyjnymi i buforującymi zmniejsza korozję aluminiowego wymiennika ciepła. Niektórzy specjaliści uważają, że kondensat powstający po stronie spalania wymiennika ciepła może powodować korozję aluminiowego wymiennika ciepła i skracać żywotność kotła. Dowody statystyczne nie są jeszcze dostępne, ponieważ kotły kondensacyjne z aluminiowymi wymiennikami ciepła nie były używane wystarczająco długo.

Zakład Badań Budowlanych

Building Research Establishment , który jest głównym brytyjskim organem badawczym w branży budowlanej, wydał ulotkę na temat domowych kotłów kondensacyjnych. Według Building Research Establishment:

  • nowoczesne kotły kondensacyjne są równie niezawodne jak kotły standardowe
  • kotły kondensacyjne nie są trudniejsze w obsłudze ani nie wymagają częstszego serwisowania
  • serwisowanie nie jest drogie; jedynym (mniejszym) zadaniem dodatkowym jest sprawdzenie poprawności działania odpływu kondensatu
  • kotły kondensacyjne nie są trudne do zainstalowania
  • w każdych warunkach pracy kotły kondensacyjne są zawsze bardziej wydajne niż kotły standardowe

Wydechowy

Kondensat wydobywający się z kotła kondensacyjnego ma odczyn kwaśny i ma pH między 3 a 4. Kotły kondensacyjne wymagają rury odprowadzającej kondensat powstający podczas pracy. Składa się z krótkiej rurki polimerowej z pułapką parową, która zapobiega wydostawaniu się spalin do budynku. Kwaśny charakter kondensatu może powodować korozję żeliwnych rur kanalizacyjnych, rur kanalizacyjnych i betonowych podłóg, ale nie stanowi zagrożenia dla zdrowia mieszkańców. W celu podniesienia pH do akceptowalnego poziomu można zainstalować neutralizator, zwykle składający się z plastikowego pojemnika wypełnionego kruszywem marmurowym lub wapiennym lub „wiórami” (zasadowymi). Jeśli odpływ grawitacyjny nie jest dostępny, należy również zainstalować małą pompkę kondensatu, aby podnieść go do odpowiedniego odpływu.

Pierwotny i wtórny wymiennik ciepła są zbudowane z materiałów odpornych na tę kwasowość, zazwyczaj z aluminium lub stali nierdzewnej. Ponieważ końcowe spaliny z kotła kondensacyjnego mają niższą temperaturę niż spaliny z kotła atmosferycznego 38°C (100°F) w porównaniu z 204°C (400°F), do ich usunięcia zawsze wymagany jest wentylator mechaniczny z dodatkowym korzyść polegająca na umożliwieniu stosowania niskotemperaturowych rur wydechowych (zwykle PVC w zastosowaniach domowych) bez izolacji lub wymagań konwencjonalnego komina. Rzeczywiście, użycie konwencjonalnego komina murowanego lub metalowego przewodu kominowego jest szczególnie zabronione ze względu na korozyjny charakter produktów kominowych, z godnym uwagi wyjątkiem specjalnej stali nierdzewnej i aluminium w niektórych modelach. Preferowanym/powszechnym materiałem wentylacyjnym dla większości kotłów kondensacyjnych dostępnych w Ameryce Północnej jest PVC, a następnie ABS i CPVC. Wentylacja polimerowa zapewnia dodatkową korzyść w postaci elastyczności miejsca instalacji, w tym wentylacji ścian bocznych, co pozwala uniknąć niepotrzebnych penetracji dachu.

Koszt

Kotły kondensacyjne są do 50% droższe w zakupie i instalacji niż konwencjonalne kotły w Wielkiej Brytanii i USA. Jednak od 2006 r., w cenach brytyjskich, dodatkowy koszt instalacji kotła kondensacyjnego zamiast konwencjonalnego powinien zwrócić się w ciągu około 2–5 lat dzięki mniejszemu zużyciu paliwa (w celu weryfikacji patrz następujące trzy dokumenty opublikowane przez Building Research Establishment: Information Artykuły 10-88 i 19-94; Ulotka informacyjna 74; Przegląd 339; zob. również studia przypadków w Application Manual AM3 1989: Condensing Boilers by Chartered Institute of Building Services Engineers) oraz 2–5 lat [ potrzebne źródło ] w cenach amerykańskich . Dokładne wartości będą zależeć od wydajności pierwotnej instalacji kotłowej, wzorców wykorzystania kotła, kosztów związanych z nową instalacją kotłową oraz częstotliwości użytkowania systemu. Koszt tych kotłów spada, ponieważ masowy popyt wymuszony przez rząd zaczyna obowiązywać, a producenci wycofują starsze, mniej wydajne modele, ale koszt produkcji jest wyższy niż starszych typów, ponieważ kotły kondensacyjne są bardziej złożone.

Zwiększona złożoność kotłów kondensacyjnych jest następująca:

  • zwiększenie rozmiaru wymiennika ciepła lub dodanie drugiego wymiennika ciepła (ważne jest, aby wymienniki ciepła były zaprojektowane tak, aby były odporne na działanie kwasów z „mokrych” spalin)
  • Konieczność komina wspomaganego wentylatorem (ponieważ chłodniejsze gazy spalinowe mają mniejszą wyporność). Jednak wiele kotłów bezkondensacyjnych ma również tę funkcję
  • ponieważ chłodniejsze gazy spalinowe wytwarzają kondensat, należy go odprowadzić, dlatego kotły są podłączane do odpływu lub odpływu

W odniesieniu do nowoczesnych kotłów nie ma innych różnic między kotłami kondensacyjnymi i niekondensacyjnymi.

Niezawodność, a także początkowy koszt i wydajność wpływają na całkowity koszt posiadania. Jedna z dużych niezależnych brytyjskich firm hydraulicznych stwierdziła w 2005 r., że wykonała tysiące wezwań do naprawy kotłów kondensacyjnych i że emisje gazów cieplarnianych z jej samochodów dostawczych były prawdopodobnie większe niż oszczędności poczynione dzięki przejściu na kotły ekologiczne. Jednak ten sam artykuł zwraca uwagę, że Rada Informacji o Ciepłownictwie i Ciepłej Wody wraz z niektórymi instalatorami stwierdziła, że ​​nowoczesne kotły kondensacyjne są tak samo niezawodne jak kotły standardowe.

Galeria

  • Condensing boiler

    Kocioł kondensacyjny

  • Condensing boiler exhaust vapour

    Opary spalin z kotła kondensacyjnego

  • Condensing boiler

    Kocioł kondensacyjny

  • Stainless steel exhaust with condensate

    Wydech ze stali nierdzewnej z kondensatem

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Condensing_boiler&oldid=1134123929 ”