HARTMANN-RENDEMIX

Systemy kondensacyjne – Konieczność ekonomiczna

Z jakiego powodu obniżenie temperatury powrotu kotła z 45ºC na 30ºC podnosi sprawność systemu kondensacyjnego ze 100 % na 105 %ś

Punkt rosy spalin kotłowych ze swoją temp ok. 57ºC leży znacznie powyżej. temp 45ºC.  Zimny powrót musiałby w obu przypadkach odebrać kompletne ciepło parowania spalinom o temp 57ºC i doprowadzić je do zasilania kotła, ale jednak tak się nie dzieje. Dlaczegoś

Z popularnych opisów dotyczących techniki kondensacyjnej wynika w skrócie :

„Im zimniejsza jest woda dopływająca do powrotu kotła tym więcej ciepła może zostać odebrane spalinom i tym większe jest wykorzystanie stopnia kondensacji”.

U podstaw tego stwierdzenia leży znane zjawisko polegające na tym, iż gorące spaliny – podobnie jak i gorące powietrze - zatrzymuje w sobie więcej wody w porównaniu do zimnych spalin/zimnego powietrza . Decydującą wielkością jest tutaj punkt rosy. Określa on zależność   ilości wody uwiezionej w spalinach od  temp spalin (jeżeli utrzymywały by one stały poziom tej temperatury).

Punkt rosy oznacza zatem stan nasycenia pary wodnej w spalinach a tym samym 100% ich względnej wilgotności. Powyżej tego punktu następuje skraplanie się tylko tego nadmiaru  pary wodnej, który przekracza stan nasycenia. Utajona energia, uwolniona w wyniku skroplenia tej części pary zostaje wykorzystana w kotlach kondensacyjnych i powiększa ich sprawność. Całą energię parowania ze spalin możemy wykorzystamy dopiero przy temperaturze zera absolutnego (-273ºK). Wraz ze wzrostem temperatury powietrze nabiera w sposób ponadproporcjonalny wodę. Zależności te dla warunku 100% wilgotności względnej obrazuje znany wykres Molliera (rys.1)

Spojrzenie na wykres Molliera

Rys1. Wykres h-x, Molliera (oś pozioma – krzywe Molliera dla wilgotnego powietrza – ciśnienie 1013bar, 0,00m/ 20ºC, oś pionowa – temperatura)

Powietrze przy temperaturze 25ºC, oraz przy 100% wilgotności względnej (punkt 1 na wykresie) może zatrzymać 20g wody na kilogram jego masy, natomiast przy temperaturze 32ºC i 100% wilgotności względnej,  może zatrzymać maksymalnie 30g wody (punkt 2). Jeżeli nastąpi oziębienie powietrza z 32ºC na 25ºC  to powietrze „odda” 10g wody. Przy powtórnym nagrzaniu powietrza do 32ºC względna wilgotność powietrza zmaleje i będzie wynosić tylko 70 % ( punkt 3).                                                                                          Innymi słowy, przy względnej wilgotności powietrza lub spalin mniejszej od 100% nie ma zjawiska kondensacji i utajona energia (energia parowania) jeszcze – jak na razie, nie może zostać odzyskana w wymienniku ciepła.

Na punkt rosy spalin mają wpływ jeszcze istotniejsze czynniki niż temperatura. W pierwszej kolejności jest to współczynnik λ nadmiaru powietrza podczas procesu spalania.  

Współczesne palniki z podmieszaniem wstępnym zadawalają się 30 % nadmiarem powietrza,  czyli pracują przy współczynniku λ=1.3.  Przy typowym ciśnieniu powietrza wynoszącym 1013 mbar  i względnej wilgotności powietrza 50%, temperatura punktu rosy wynosi 55ºC.  Dla 100% nadmiaru powietrza, tzn. dla współczynnika λ=2,  wartość temperatury punktu rosy obniża się do 47ºC.  Rysunek 2 obrazuje przebieg tych zależności i uzmysławia nam, iż należy stosować palniki pracujące z niskim współczynnikiem  λ , tak by uzyskiwać możliwie wysokie temperatury punktu rosy. Gwarantują one wtedy przy wyższych temperaturach wody powrotnej do kotła, jeszcze częściową możliwość wykorzystania zjawiska kondensacji.         Na wykresie 3 przedstawiono zależność ilości kondensatu i sprawności od temperatury powrotu kotła dla określonego współczynnika λ=1,1. Odpowiada to punktowi rosy 57ºC (rys.2)

Rys.2 Temperatura punktu rosy spalin kotła gazowego w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza λ. (oś pozioma – współczynnik   λ, oś pionowa – temperatura punktu rosy w ºC, ramka na wykresie – ciśnienie powietrza = 1013 mbar, wilgotność względna = 50%, gaz ziemny GZ50)

. Mimo stosunkowo wysokiej temperatury punktu rosy z rysunku trzeciego wynika, że przy temperaturze powrotu wynoszącej 45ºC uzyskamy 30g kondensatu. Dopiero dla temperatury powrotu 20ºC następuje wykondensowanie 95% wody co odpowiada120g na 1kg spalin. Przy 30ºC jest to już tylko 105g. Wartości współczynnika sprawności zmieniają się proporcjonalnie do zmian temperatury powrotu kotła (rys.3). Temperaturze powrotu 45ºC odpowiada zatem 100% sprawności, a temperaturze 30ºC odpowiada 105%.

Rys.3 Ilość kondensatu oraz sprawność w funkcji temperatury powrotu (oś pozioma – temperatura powrotu w ºC, oś pionowa – sprawność kotła w %, ramka na wykresie – gaz ziemny GZ50, współczynnik λ)

Spaliny kotłów kondensacyjnych składają się z 72% azotu, 16% pary wodnej, 8% dwutlenku węgla oraz 3% tlenu. Jeżeli spaliny będą zawierały więcej niż 16% wody w postaci pary (120g/kWh – rys. 3), to proces kondensacji wystąpi przy temperaturach kilka stopni wyższych. Równocześnie uwolni się mała cześć energii utajonej. Kilka kropli kondensatu wystarcza, aby wilgotność względna spadła z 100% na 99% i tym samym punkt rosy z 57 na 56ºC. Proces kondensacji zostaje zatrzymany. Aby utrzymać zjawisko kondensacji należałoby o kilka stopni oziębić spaliny w celu podwyższenia względnej wilgotności znowu do poziomu100%. Z rysunku 3 wynikają różne ilości wykondensowanej pary wodnej dla różnych temperatur powrotu. I tak dla temp. 45ºC mamy 40g kondensatu/kWh, dla 40ºC mamy 68g/kWh a dla 30ºC spaliny przekazują większą część swojej entalpii w formie 105g kondensatu/ kWh do zasilania kotła. Zdecydowanie wygrywają te układy, które dostarczają wodę powrotną z systemu grzewczego o możliwie najniższej temperaturze. W praktyce wysoki współczynnik sprawności kotła kondensacyjnego daje się uzyskać dopiero w systemach zawierających dwa niezależne obiegi grzewcze o różnych temperaturach pracy np. obieg grzejnikowy i obieg ogrzewania podłogowego. Ponieważ zwyczajowo obieg grzejnikowy posiada wyższą temperaturę pracy niż obieg ogrzewania podłogowego, następuje podbicie temperatury powrotu do kotła i tym samym bezpowrotna utrata części energii utajonej. Nowatorski rozdzielacz z mieszaczem wielodrogowym HARTMANN QUATRO MIX (RENDEMIX – BAUNACH) przełącza powrót wysokotemperaturowego obiegu grzejnikowego do zasilania obiegu niskotemperaturowego (rys. 4 i 5). Pozwala to na uzyskiwanie temperatury powrotu z systemu grzewczego na poziomie 30ºC zamiast 42 lub 45ºC zwiększając tym samym sprawność systemu o 5%.

Rys.4 System grzewczy z obiegiem wysoko i niskotemperaturowym 70/50 ºC oraz 40/30 ºC. Mieszacz wielodrogowy HARTMANN QUATRO-MIX przełącza pomiędzy gałęziami RV1 i RV2  powrót obiegu grzejnikowego R do zasilania obiegu ogrzewania podłogowego F i utrzymuje temperaturę powrotu kotła na stałym poziomie 30ºC (rys. H.G.Baunach).

Rys.5 Rozdzielacz z mieszaczem wielodrogowym HARTMANN QUATRO MIX jako  kompaktowa jednostka o wymiarach 45x45cm (2 obiegi grzewcze + kocioł) dla systemów o mocach do 50 kW.