Dobór kotłów w kotłowniach wodnych małej i średniej mocy

Dobór kotłów

Doboru kotła dokonuje się na podstawie obliczeń bilansu cieplnego (patrz cz. 1 – RI 12/2012). Przy więcej niż jednym kotle wymaganą moc cieplną dzielimy na poszczególne jednostki, zaokrąglając wynik w górę. Przy niewielkim niedomiarze mocy (1−3%) możemy podjąć decyzję o zaokrągleniu w dół.

Należy pamiętać, że kotły o różnej mocy mogą być stosowane jedynie w kotłowniach z pompami kotłowymi. Wielkość kotła wybieramy z katalogu producenta. Jest to moc deklarowana będąca strumieniem ciepła przekazanym do nośnika ciepła. Nie jest wymagany żaden współczynnik zwiększający – jak w dawnych konstrukcjach jednostek kotłowych [1].

Najistotniejsze parametry doboru kotła to [10, 11]:

• moc [kW] – parametr wejściowy,
• sprawność (efektywność),
• ciśnienie dopuszczalne [bar],
• temperatura dopuszczalna [°C],
• temperatura spalin przy pełnym obciążeniu [°C],
• wymiary geometryczne: szerokość, długość, wysokość [m] (wraz z palnikiem),
• wymiary przewodu spalinowego [m] (niekoniecznie tożsame z wymiarami komina),
• wymiary przewodu spalinowo-powietrznego przy kotłach z zamkniętą komorą spalania [m],
• rozmieszczenie króćców przyłączeniowych: zasilenia, powrotu, zaworu bezpieczeństwa,
• wymiary fundamentu [m] (jeżeli jest to kocioł stojący).

Opory przepływu spalin w kotłach z palnikami nadmuchowymi są pokonywane przez spręż wentylatora palnika – nie są składową bilansu ciśnienia przy obliczaniu wymiarów przewodów odprowadzających spaliny.

W przypadku kotłów atmosferycznych ciąg kominowy musi pokonać opory przepływu spalin przez kocioł. Należy pamiętać o przekazaniu danych projektantowi instalacji elektrycznej, który w projekcie powinien doprowadzić zasilanie do skrzynki przyłączeniowej kotła.

Przeczytaj: Schematy ideowe kotłowni wodnych małej i średniej mocy – kotłownie z pompami kotłowymi >>

Palnik kotła i regulator obiegów kotłowych są zasilane ze skrzynki przyłączeniowej. Przy większych kotłach, gdy palnik jest dobierany oddzielnie, wymagane może być wykonanie osobnego elektrycznego zasilania palnika.

Pojęcie sprawności kotła, zwłaszcza w kontekście kotłów kondensacyjnych, wymaga komentarza. Zgodnie z normą [6] producenci podają sprawność w odniesieniu do ciepła spalania (H_s [kJ/kg]) i wartości opałowej paliwa (H_i [kJ/kg]) przy temperaturze obiegu grzejnego 75/60°C. Ciepło spalania zawiera składową będącą ciepłem skraplania pary wodnej zawartej w spalinach przy ochłodzeniu produktów spalania do temperatury odniesienia.

Sprawnością urządzenia (systemu) w odniesieniu do efektu nazywamy stosunek efektu (skutku) rzeczywistego do efektu teoretycznego, największego z możliwych [3]:

gdzie:
Ef_r – efekt rzeczywisty,
Ef_t – efekt teoretyczny.

Obydwie wielkości muszą być wyrażone w tych samych jednostkach. Sprawność odniesiona do nakładu ma inny wzór definicyjny [3]. Urządzenie działające bez strat (ciepła lub energii) jest doskonałe i ma sprawność 1 (100%). Sprawność nie może być większa od jedności.

Efektem w przypadku kotła jest moc cieplna – strumień ciepła przekazany do nośnika ciepła. Efektem doskonałym byłaby całkowita zamiana energii chemicznej spalania paliwa w ciepło, bez strat na zewnątrz układu (do otoczenia). Maksymalna (teoretyczna) moc kotła jest równa strumieniowi energii chemicznej reakcji spalania:

• w przypadku odniesienia do wartości opałowej:

• w przypadku odniesienia do ciepła spalania:

gdzie:
B – strumień masy (objętości) paliwa [kg/s, (m³/s)].

W przypadku paliw gazowych do wzoru podstawiany jest strumień objętości gazu oraz wartość opałowa lub ciepło spalania w przeliczeniu na jednostkę objętości (m³) w warunkach odniesienia (np. temperatury 0°C i ciśnienia 1 bar). Wartości obliczone ze wzorów (2) i (3) są teoretycznie możliwymi strumieniami ciepła przekazanego do nośnika ciepła w kotle.

Zatem sprawność w odniesieniu do kotła niekondensacyjnego możemy zdefiniować jako:

gdzie:
h_nk – sprawność kotła niekondensacyjnego, pozostałe oznaczenia jw.,
F_k – moc cieplna kotła [kW].

Sprawność w odniesieniu do kotła kondensacyjnego to:

gdzie:
h_k – sprawność kotła kondensacyjnego, pozostałe oznaczenia jw.

Innym pojęciem, nietożsamym z pojęciem sprawności, jest efektywność, a właściwie współczynnik efektywności (e) [3]. Jest to stosunek efektu (Ef) do nakładu (N).

Efektywność może mieć aspekt techniczny lub ekonomiczny. Może być efektywnością teoretyczną, gdy efekt i nakład są teoretyczne, i rzeczywistą, gdy obydwie wielkości odpowiadają wartościom rzeczywistym. Jest pojęciem bardziej pojemnym niż sprawność.

Nie jest wymagane, aby efekt i nakład były liczone w tych samych jednostkach. Można sobie wyobrazić efektywność liczoną w jednostkach pieniężnych na jednostkę o charakterze technicznym, w kilowatogodzinach na gigadżul itp.

Przeczytaj: Schematy ideowe kotłowni wodnych małej i średniej mocy – kotłownie bez pomp kotłowych >>

W literaturze często mylone są pojęcia sprawności i efektywności, nagminnie w odniesieniu do prawobieżnych (np. obieg silnika gazowego) i lewobieżnych (np. obieg chłodziarki lub pompy ciepła) obiegów termodynamicznych. W kotle kondensacyjnym możemy zdefiniować współczynnik efektywności jako:

gdzie:
e_k – współczynnik efektywności kotła kondensacyjnego, pozostałe oznaczenia jw.

Proszę zwrócić uwagę na różnicę w mianowniku wzoru (5) i (7). Podobnie „sprawność” kotła niekondensacyjnego obliczona zgodnie z [6] odniesiona do ciepła spalania jest w istocie efektywnością (współczynnikiem efektywności).

Przeczytaj: Kotły kondensacyjne – oszczędność czy marketing? >>

Są to subtelne, choć niezbędne rozróżnienia pojęć prowadzące do uporządkowania terminologii. Współczynnik efektywności może być większy od jedności, w przeciwieństwie do sprawności.

Obliczanie strumienia masy nośnika ciepła w obiegach kotłowni

Strumień masy nośnika ciepła jest obliczany w oparciu o obliczenia bilansu cieplnego i wyniki doboru kotłów. W tekście uwypuklone zostaną różnice w procedurach obliczeniowych wynikające z odmiennych schematów kotłowni: z pompami kotłowymi i bez pomp kotłowych. Wskazane jest, aby przy tej części cyklu Czytelnik śledził schematy ideowe kotłowni [2, 4].

Strumień masy w obiegu pojedynczego kotła

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu pojedynczego kotła można obliczyć ze wzoru [2, 4]:

gdzie:
m_k1 – strumień masy nośnika ciepła w obiegu pojedynczego kotła [kg/s],
F_k – moc cieplna kotła (katalogowa) [kW],
c_p – ciepło właściwe wody, zależne od temperatury [kJ/(kgK)],
t_kzo – temperatura zasilania w obiegu kotłów w warunkach obliczeniowych [°C],
t_kpo – temperatura powrotu w obiegu kotłów w warunkach obliczeniowych [°C].

W przypadku schematu kotłowni bez pomp kotłowych oraz kotłowni z kotłami kondensacyjnymi, pompami kotłowymi i zbiornikiem buforowym parametry obiegu kotła można przyjąć takie same jak obiegów grzewczych centralnego ogrzewania, np. 70/50°C.

Składowa gorącego mieszania pojawia się przy wyższej temperaturze powietrza zewnętrznego, co oznacza, że w obiegu kotła płynie mniejszy od obliczeniowego strumień masy nośnika ciepła. Przy bardzo niskich parametrach obliczeniowych instalacji ogrzewania, np. 50/30°C, powinno się stosować wyłącznie kotły kondensacyjne.

Przy schemacie kotłowni ze sprzęgłem hydraulicznym i kotłami niekondensacyjnymi należy uwzględnić stałą składową gorącego mieszania płynącą przez sprzęgło hydrauliczne. Składowa ta stanowi 40–50% strumienia masy wody w obiegu kotła, zatem temperatura wody powrotnej w obiegu kotłów powinna wynosić:

gdzie:
t_po – temperatura powrotu w obiegach grzewczych ogrzewania w warunkach obliczeniowych [°C].

Temperaturę zasilania obiegów grzewczych centralnego ogrzewania przyjmuje się identyczną z temperaturą zasilania w obiegu kotła (kotłów). Strumień masy nośnika ciepła jest obliczany ze wzoru (8).

Przeczytaj także: Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem >>

W przypadku kotłowni z kilkoma kotłami (bez pomp kotłowych) wyłącznie do celów centralnego ogrzewania (ewentualnie wentylacji), z funkcją regulacji temperatury zasilania w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego (tzw. regulacją pogodową) w obiegu kotłów strumień masy płynący przez obieg pojedynczego kotła jest równy:

gdzie:
m_k1 – strumień masy nośnika ciepła w obiegu pojedynczego kotła [kg/s],
SF_k – suma mocy cieplnej (katalogowej) wszystkich kotłów [kW].

Strumień masy w obiegu wspólnym kotłów

Strumień masy nośnika ciepła we wspólnym obiegu kotłów jest liczony jako suma strumieni masy w poszczególnych obiegach kotłów w przypadku [2, 4]:

• kotłów z pompami kotłowymi, bez względu na różnice w schemacie ideowym,
• kotłów bez pomp kotłowych ze stałą temperaturą wody zasilającej w obiegach kotłów, np. 70°C.

Strumień masy nośnika ciepła we wspólnym obiegu kotłów w przypadku opisanym wytłuszczonym drukiem w komentarzu do wzoru (10) jest równy strumieniowi masy w obiegu każdego kotła.

Strumień masy nośnika ciepła w obiegach ogrzewania

Strumień masy nośnika ciepła w obiegach ogrzewania można obliczyć ze wzoru [2, 4]:

gdzie:
m_coj – strumień masy wody instalacyjnej do c.o. w obiegu „j” [kg/s],
F_coj – moc cieplna do c.o. w obiegu „j” [kW],
c_p – ciepło właściwe wody zależne od temperatury [kJ/(kg K)],
t_zoj – temperatura zasilania w instalacji c.o. w obiegu „j” w warunkach obliczeniowych [°C],
t_poj – temperatura powrotu w instalacji c.o. w obiegu „j” w warunkach obliczeniowych [°C].

Strumień masy nośnika ciepła w obiegach wentylacji

Strumień masy nośnika ciepła w obiegach wentylacji (podgrzewania powietrza wentylacyjnego) można obliczyć ze wzoru [2, 4]:

gdzie:
mwj – strumień masy wody instalacyjnej w obiegu „j” wentylacji [kg/s],
F_wj – moc cieplna obiegu „j” wentylacji [kW],
c_p – ciepło właściwe wody zależne od temperatury [kJ/(kgK)],
t_zowj – temperatura zasilania w obiegu „j” wentylacji w warunkach obliczeniowych [°C],
t_powj – temperatura powrotu w instalacji c.o. w obiegu „j” w warunkach obliczeniowych [°C].

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu grzewczym ciepłej wody

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu grzewczym przygotowania ciepłej wody oblicza się ze wzoru [2, 4]:

gdzie:
m_gcw – strumień masy w obiegu grzewczym ciepłej wody [kg/s],
F_cw – moc cieplna do przygotowania ciepłej wody [kW],
c_p – ciepło właściwe wody grzejnej zależne od temperatury [kJ/(kgK)] w obiegu grzewczym ciepłej wody,
t_kzo – temperatura zasilania w obiegu kotłów, najczęściej przyjmowana jako 70°C,t
p_cw – temperatura powrotu w obiegu grzewczym ciepłej wody, najczęściej przyjmowana w przedziale 25–35°C.

Przy zastosowaniu kilku wymienników do przygotowania ciepłej wody strumień masy nośnika ciepła w obiegu każdego wymiennika należy przyjąć jako łączny strumień podzielony przez liczbę wymienników.

Przeczytaj: Projektowanie kotłowni wodnej. Bilans cieplny kotłowni wodnej >>

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym ciepłej wody

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym przygotowania ciepłej wody przyjmuje się jako maksymalny strumień wyznaczony za pomocą procedur PN-EN 806 [7]:

gdzie:
m_max cw – maksymalny strumień masy ciepłej wody [kg/s],
q – chwilowy strumień objętości ciepłej wody wyznaczony z [6] [dm³/s],
r − gęstość ciepłej wody zależna od temperatury [kg/dm³].

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym cyrkulacji ciepłej wody

Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym cyrkulacji ciepłej wody przyjmuje się na podstawie obliczeń układów cyrkulacji z założeniem dopuszczalnego schłodzenia wody w instalacji c.w. [5]. Z doświadczeń autora wynika zależność:

gdzie:
m_ccw – strumień masy w obiegu cyrkulacji ciepłej wody [kg/s].

Przy większej niż 3 liczbie wymienników zaleca się łączenie wymienników w układzie Tichelmanna, zarówno w obiegu wody grzejnej, jak i wody instalacyjnej. Układ wraz z zaznaczonymi strumieniami masy w obiegu grzewczym pokazano na rys. 1. Uwaga dotyczy strumienia masy nośnika ciepła w obiegu grzewczym i instalacyjnym ciepłej wody oraz w obiegu instalacyjnym cyrkulacji ciepłej wody.

Literatura

1. Nantka M., Ogrzewnictwo i ciepłownictwo, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006.
2. Zaborowska E., Projektowanie kotłowni na paliwo ciekłe i gazowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2012.
3. Żarski K., Termodynamika. Zagadnienia praktyczne w ogrzewnictwie i klimatyzacji, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2005.
4. Żarski K., Obiegi wodne i parowe w kotłowniach, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2000.
5. Żarski K., Komputerowe wspomaganie obliczeń układów cyrkulacyjnych ciepłej wody, „Instal” nr 5/2008.
6. PN-EN 303:2000/A1:2005 Kotły grzewcze z palnikami nadmuchowymi. Terminologia, ogólne wymagania, badania i oznaczenie.
7. PN-EN 806-3 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi; Arkusz 2. Projektowanie, Arkusz 3. Wymiarowanie przewodów.
8. DT-UC-90/WO Warunki techniczne dozoru technicznego. Urządzenia ciśnieniowe. Wymagania ogólne.
9. DT-UC-90/KW Warunki techniczne dozoru technicznego. Urządzenia ciśnieniowe. Kotły wodne.
10. Katalog produktów Viessmann.
11. Katalog produktów Buderus.
12. N258, program do określania właściwości pary ­wodnej.
13. PN-EN 12828 Instalacje grzewcze w budynkach. Projektowanie wodnych systemów instalacji ogrzewczych.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!