Aluminiowe wymienniki ciepła w kotłach kondensacyjnych

Aluminium w technice grzewczej

Stopy aluminium i krzemu (AlSi) mają cechy szczególnie przydatne w technice grzewczej. Ich skład jest podobny do mieszaniny eutektycznej, co daje doskonałe własności odlewnicze. Mieszanina eutektyczna to połączenie dwóch czystych substancji, które topią się i krzepną w stałej temperaturze. Podczas topnienia stop zachowuje się w rzeczywistości jak czysta substancja o bardzo dobrych charakterystykach płynności. Łatwość odlewania tego materiału przydaje się szczególnie podczas wytwarzania korpusów kotłów o bardzo skomplikowanych kształtach, które zwiększają powierzchnię wymiany ciepła w niewielkiej objętości i poprawiają przepływ hydrauliczny.

Przewodzenie ciepła

Aluminium ma pięć razy lepszy współczynnik przewodzenia ciepła niż stal i aż siedem razy lepszy niż stal nierdzewna. Stosując ten metal, można zmniejszyć powierzchnię wymiany przy takiej samej wydajności przenoszenia ciepła do obiegu grzewczego. Korpusy grzewcze z aluminium mogą być zatem znacznie mniejsze niż wykonywane z innych materiałów.

Ciężar

Ponieważ aluminium jest bardzo lekkie, trzy razy lżejsze od stali nierdzewnej czy miedzi, często stosowane jest m.in. w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Również wymienniki aluminiowe mają zredukowany ciężar i umożliwiają projektowanie kotłów zajmujących mniej miejsca i mających mniejszy ciężar obciążający ściany i stropy, co daje większą swobodę konfigurowania instalacji kotłowni.

Odporność materiału

W konstrukcji korpusów grzewczych ze stali zwykłej lub nierdzewnej zespoły spawów, zgięcia i części tłoczone są obszarami podatnymi na obciążenia związane z pracą kotła, np. zmiany temperatury. Obciążenia te, występujące szczególnie w spawach i szwach zabezpieczających, osłabiają materiały.

Jednorodność i elastyczność AlSi pozwalają na zastosowanie tego materiału przy znacznych różnicach temperatur (do 30 K) między zasilaniem kotła i powrotem bez ryzyka uszkodzenia wykonanych z niego elementów. Różnica temperatur między zasilaniem i powrotem jest często wynikiem codziennej pracy instalacji, w której zmiana natężenia przepływu w obiegach wtórnych jest spowodowana przez ciągłe otwieranie i zamykanie zaworów trójdrogowych.

Zastosowanie aluminium umożliwia maksymalne wykorzystanie sprawności kotłów: ponieważ nie są one podatne na szok termiczny, wprowadzić można powroty niskotemperaturowe, które wzmacniają kondensację gazów spalinowych wewnątrz wymiennika, zwiększając odzysk ciepła.

Elementy kotła kondensacyjnego stykają się z kondensatami, które mają odczyn kwaśny, są zatem szczególnie korozyjne dla metali. Jednak w przypadku AlSi przy kontakcie z wodą lub tlenem na powierzchni tego materiału tworzy się nieporowata warstwa ochronna tlenku aluminium, tzw. warstwa pasywacyjna, niewrażliwa na korozję. Właściwość ta sprawia, że aluminium jest szczególnie przydatne w technice kondensacyjnej. Spływ kondensatu po powierzchni wymiany sprawia, że korpus z AlSi sam się oczyszcza i nie odkładają się na nim pozostałości niespalonych materiałów, które mogą zakłócić prawidłowy przepływ ciepła.

Jednocześnie wzmacniana jest warstwa samoochronna aluminium, co gwarantuje jego odporność na korozję. Ponadto aluminium nie jest szczególnie wrażliwe na korozję wżerową, związaną często z użyciem wody o wysokiej zawartości minerałów. Przykładowo stal nierdzewna jest podatna na stężenia chlorków większe niż 100 mg/l (w zależności od ich typu), a miedź szczególnie podatna na siarczany, które szybko prowadzą do perforacji. Aluminium również się nie utlenia – jest obojętne chemicznie w powietrzu.

Kotły ze stopu aluminiowo-krzemowego

Do optymalnej pracy kotła konieczna jest woda, której jakość pozwala na kontakt z metalem użytym w konstrukcji urządzenia. Dotyczy to wszystkich kotłów, w których woda jest czynnikiem przenoszącym ciepło, bez względu na ich zasadę działania (tradycyjne, wykorzystujące ciecz przegrzaną, parę czy kondensację) i materiał, z którego zostały wykonane (stal, stal nierdzewna, miedź, aluminium).

Jakość wody w instalacji grzewczej jest mierzona za pomocą określonych parametrów, takich jak m.in.: pH, twardość, przewodność właściwa (przybliżenie całkowitej zawartości minerałów), poziom chlorków, siarczanów itd. Różnią się one w zależności od regionu, źródła zaopatrzenia w wodę (publiczna sieć wodociągowa, studnia, deszczówka itd.) oraz materiałów i stanu rur, w których woda jest transportowana.

Niektóre parametry muszą być sprawdzane systematycznie, niezależnie od materiału, z którego wykonano kocioł (obecność ściernych cząsteczek zawieszonych w wodzie, twardość), natomiast dopuszczalne wartości pH wody różnią się w zależności od zastosowanego materiału. Aluminium jest jednym z metali najbardziej odpornych na korozję i jego zakres tolerancji pH jest bardzo szeroki.

Wytrzymuje kontakt z wodą, nawet jeśli nie została ona wcześniej uzdatniona. Jednak mocno zakorzenione w praktyce eksploatacyjnej zalecenie utrzymywania pH wody powyżej 9,7 (na przykład poprzez dodanie wodorotlenku sodu do wody wodociągowej) jest niekorzystne dla aluminium, gdyż jego warstwa pasywacji rozpuszcza się, kiedy pH przekracza 8,5. Staje się ono wtedy podatne na korozję i w środowisku alkalicznym szybko niszczeje. Zatem próba ochrony innych materiałów w instalacji grzewczej osłabia aluminium i prowadzi do jego perforacji. Na szczęście uzdatnianie wody w sieci grzewczej za pomocą wodorotlenku sodu i/lub garbników należy już do przeszłości.

Postęp techniczny objął także tę dziedzinę i obecnie stosuje się bardziej skuteczne dla stopów żelaza i miedzi inhibitory korozji, uwzględniając jednocześnie fakt, że we współczesnych instalacjach coraz częściej stosuje się różne materiały. Szeroko stosowane w dzisiejszych czasach fosforany i molibdeniany są nieszkodliwe dla korpusów grzewczych wykonanych z aluminium.

Stosując kocioł ze stopu aluminiowo-krzemowego, należy uwzględnić następujące zalecenia dotyczące uzdatniania wody:

• tak jak w przypadku wszystkich innych kotłów woda o małej twardości i przeciętnej zawartości minerałów zapobiegnie odkładaniu się osadów, które mogą zakłócić poprawną wymianę ciepła,

• aluminium może mieć kontakt z wodą nieuzdatnioną, jednak inne metale zastosowane w sieci będą w takim wypadku narażone na korozję, dlatego należy zastosować uzdatnianie nieszkodliwe dla tego materiału (niezwiększające pH wody),

• jeśli pH wody okaże się wyższe niż 8,5, należy opróżnić i oczyścić instalację – działanie to zalecane jest we wszystkich przypadkach, gdyż zapobiega zatkaniu nowego kotła przez cząstki i osady obecne w starej instalacji.

Wnioski

Do najważniejszych zalet stopu aluminiowo-krzemowego należą: niska gęstość, odporność mechaniczna, odporność na korozję, długa żywotność, łatwość formowania i dobre przewodnictwo ciepła, a także nieograniczone możliwości odzysku bez straty właściwości. Cechy te są szczególnie korzystne w procesie wymianie ciepła, w tym w technice kondensacyjnej, dlatego aluminium coraz powszechniej stosowane jest przez producentów gazowych kotłów kondensacyjnych.