Gazowe kotły kondensacyjne – kierunki rozwoju

Warto przypomnieć, że podawanie sprawności kotła kondensacyjnego na poziomie powyżej 100% wynika stąd, że sprawność klasycznych kotłów gazowych lub olejowych podawana jest najczęściej w odniesieniu do wartości opałowej, czyli nieuwzględniającej ciepła traconego wraz z parą wodną zawartą w spalinach. Natomiast ciepło spalania to całkowita ilość energii powstająca podczas spalania danego paliwa i jeśli produktem spalania jest też para wodna, to uwzględnia się ciepło kondensacji pary wodnej.

Wysoką sprawność kotłów kondensacyjnych uzyskano dzięki nowoczesnym konstrukcjom wymienników ciepła oraz materiałom, z których zostały one wykonane. Warunki, w których pracują wymienniki, są bardzo trudne, gdyż ich powierzchnie są stale wilgotne, a kondensat bardzo agresywny. Mogą się o tym przekonać użytkownicy kotłów klasycznych, w których nie zapewniono utrzymywania się temperatur powyżej temperatury kondensacji. 

Nowe wymienniki ciepła

Konstruktorzy kotłów prześcigają się w poszukiwaniu nowych rozwiązań wymienników ciepła. Muszą one przejmować ciepło od spalin, nie może też być utrudnione odprowadzanie z ich powierzchni kondensatu. Przykładem mogą być wymienniki Inox-Radial ze stali nierdzewnej o szczelinach między żebrami szerokości 0,8 mm (rys. 1), którymi spływać może kondensat, co zapewnia dodatkowo samooczyszczanie powierzchni wymiennika. Materiał, z którego wykonuje się wymienniki ciepła, musi być odporny na działanie kwasów powstających podczas kondensacji zawartej w spalinach pary wodnej.

Wielu producentów zaczęło stosować wymienniki ciepła ze stopów aluminium. Właściwości stopów alu-krzemowych pozwalają konstruować skomplikowane powierzchnie wymiany ciepła, które bardzo zwiększają sprawność gazowych kotłów kondensacyjnych. Jednak gdy po raz pierwszy zastosowano takie wymienniki, okazało się, że ich powierzchnie pokrywa proszek stopniowo wypełniający przestrzenie między żebrami i blokujący w ten sposób przepływ spalin.

Kotły wymagały zatem częstego czyszczenia. Konstruktorzy próbowali ustalić przyczynę powstawania tego proszku (do tej pory toczą się na ten temat dyskusje) i starali się wyeliminować to niepożądane zjawisko. Jednym z rozwiązań jest polimeryzacja powierzchni stykających się ze spalinami.

Optymalizacja spalania

Innym sposobem uzyskiwania wysokich sprawności kotłów jest regulowanie ilości powietrza dostarczanego do spalania gazu i oleju. Układy sterowania wentylatorem dostarczającym powietrze są tak skonstruowane, że same dopasowują wartość lambda do aktualnej mocy kotła (dla przypomnienia: współczynnik nadmiaru powietrza lambda to ilość powietrza dostarczonego do gazu w stosunku do teoretycznej ilości powietrza potrzebnej do całkowitego spalania). Uzyskuje się w ten sposób optymalną kondensację pary wodnej i najwyższą sprawność kotła.

Układy kontrolujące wartość lambda wykorzystują elektrodę jonizacyjną, nadzorującą prawidłowe spalanie gazu i mierzącą elektryczną przewodność płomienia. Pomiar ten informuje o zawartości tlenu w płomieniu lub aktualnej wartości liczby lambda. Gdy zmienia się jakość gazu, zmienia się także lambda, otwierany jest wtedy lub przymykany zawór gazowy (rys. 2). Ilość gazu zależy od mocy palnika i odpowiednich obrotów wentylatora. Systemy optymalizujące jakość spalania zapewniają optymalną sprawność kotła bez względu na jakość dostarczanego gazu.

Zastosowanie układów tego typu ma jeszcze inne zalety: 

• przy rozruchu kotła nie jest konieczne ustawianie ilości gazu,
• zmiana gazu z E (GZ-50) na Ls (GZ-35) nie powoduje zmiany dysz,
• przejście na gaz płynny wymaga niewielkiej zmiany w regulatorze, bez konieczności otwierania przewodów gazowych,
• układ dopasowuje się automatycznie do ciśnienia w instalacji gazowej,
• instalacja układu nie wymaga żadnych dodatkowych elementów, gdyż wykorzystuje się istniejącą elektrodę jonizacyjną.

Systemy zintegrowane

Konstrukcje kotłów kondensacyjnych są już na tak zaawansowanym poziomie, że trudno przewidzieć, co jeszcze ich projektanci mogliby nowego wymyślić. W jakim kierunku pójdą, by jeszcze lepiej (jeśli to w ogóle możliwe) wykorzystywać paliwo? Tegoroczne targi ISH we Frankfurcie pokazały, że producenci kotłów nie tylko szukają nowych kształtów wymienników, ale pracują również nad zintegrowaniem różnych systemów produkcji ciepła.

Kojarzenie kotłów kondensacyjnych z kolektorami słonecznymi staje się już właściwie regułą. Na przykład w urządzeniach wytwarzających jednocześnie prąd i ciepło łączy się silnik Stirlinga1) z gazowym kotłem kondensacyjnym (rys. 3). Oba urządzenia znajdują się w jednej naściennej obudowie, a sprawność całego układu wynosi 96% (w odniesieniu do ciepła spalania).

W jednej obudowie łączy się także gazowy kocioł kondensacyjny z adsorpcyjną pompą ciepła. W tym rozwiązaniu pompa ciepła pokrywa podstawowe zapotrzebowanie na ciepło, pobierając je z dolnego źródła (ciepło powietrza, ziemi), a kondensacyjny kocioł gazowy – zapotrzebowanie szczytowe (rys. 4). Istnieje także wersja na olej. 

W urządzeniu wykorzystuje się zdolność mineralnego zeolitu2) do pochłaniania pary wodnej i wiązania jej przy jednoczesnym uwalnianiu energii cieplnej. Naturalne ciepło pozwala na odparowanie wody pod bardzo niskim ciśnieniem, a para wodna jest ostatecznie pochłaniana przez zeolit. Powstające w ten sposób ciepło oddawane jest do układu grzewczego. Poprzez doprowadzenie ciepła powstającego ze spalania gazu lub oleju woda związana z zeolitem jest „wypychana” i upłynniona, a proces ten jest cyklicznie powtarzany. 

Urządzenie wytwarza o 17% mniej dwutlenku węgla niż zwykły kocioł kondensacyjny, a sprawność odniesiona do ciepła spalania rośnie w tym wypadku do 125%. Nowoczesne rozwiązania, do których należą m.in. urządzenia opisywane powyżej, stanowią przyszłość techniki grzewczej, jednak minie jeszcze trochę czasu, zanim znajdą się w powszechnym użyciu.

Literatura

1. Rogatty W., Stand und Zukunftsperspektiven der Brennwerttechnik, „Heizungsjournal” nr 3/2011.
2. Materiały techniczne firm: Viessmann, Buderus i Wolf Technika Grzewcza.

1) Silnik Stirlinga przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, jednak bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, ale na skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła. Źródłem ciepła może być w szczególności proces spalania jakiegoś paliwa, nie jest to jednak konieczne.
2) Zeolity to krystaliczne alumosilikaty występujące w naturze, ale także wytwarzane syntetycznie. Mogą pochłaniać wodę i po podgrzaniu oddawać ją bez zmiany struktury krystalicznej.