Sekcyjny wymiennik ciepła

W kotłach c.o. typoszeregu OGNIWO EKO PLUS zastosowano sekcyjne wymienniki ciepła. Sekcja pierwsza to wypełnione wodą obiegową powłoki stalowe, otaczające palenisko (3) oraz komorę dopalania (5). W tej sekcji zainstalowany jest żeliwny ruszto-deflektor (4).Wymiana ciepła pomiędzy wodą a gorącymi spalinami, powstałymi wskutek spalania paliwa w palniku (2), zachodzi tu przede wszystkim przez promieniowanie. Udział wymiany konwekcyjnej (przez przewodzenie) jest tu niewielki, ze względu na znaczną objętość komory i – związaną z tym – małą prędkość przepływu spalin. Komora dopalania ograniczona jest od góry sklepieniem ceramicznym (6), będącym równocześnie dnem pierwszego poziomego kanału konwekcyjnego (7). Wskutek gwałtownej zmiany kierunku przepływu spalin, wytrąca się tu znaczna część pyłów, zawartych w gorących spalinach opuszczających komorę dopalania. Pyły te osiadają na górnej powierzchni płyty ceramicznej, która nie jest powierzchnią wymiany ciepła, a więc nie pogarszają efektywności wymiany ciepła. Gorąca płyta (wraz z pyłami nagromadzonymi na niej) oddaje skumulowane w niej ciepło poprzez promieniowanie do górnej przestrzeni wodnej. Spaliny przepływające tym kanałem oddają znaczną część ciepła zimniejszym ściankom powłoki wodnej przez wymianę konwekcyjną współbieżną.

Po opuszczeniu tego kanału spaliny zmieniają kierunek przepływu i przez dwie skrajnie umieszczone płomieniówki o przekroju kwadratowym (10) przepływają w dół do komory nawrotnej (12). Po drodze oddają konwekcyjnie ciepło do wody otaczającej płomieniówki. Prędkość spalin jest zwiększona przez umieszczone w rurach zawirowywacze strugi, wykonane z odpowiednio ukształtowanych wstęg blaszanych. W komorze nawrotnej spaliny zmieniają kierunek przepływu na przeciwny, co sprzyja wytrącaniu się pyłów wskutek działania grawitacji i sił odśrodkowych. Następnie spaliny przepływają do góry środkowymi płomieniówkami (8), również wykonanymi z rur o przekroju kwadratowym z zainstalowanymi zawirowywaczami strugi, przechodząc do dymnicy (9), skąd po zmianie kierunku przepływają do czopucha (11), opuszczając przestrzenie wymiany ciepła w kotle.

Nagromadzony w dolnej komorze nawrotnej pył usuwany jest poprzez popielnik (1) w trakcie jego czyszczenia. Zamknięcie otworu wyczystnego komory nawrotnej stanowi tylna ścianka kuwety popielnika.

Chłodna woda powrotna z układu c.o. dopływa do dolnej części kotła (strzałka niebieska). Strumień wody rozdziela się na trzy strugi. Dwie dopływają do ścian bocznych i ściany górnej sekcji pierwszej, a trzecia struga opływa meandrycznie płomieniówki. W przeważającej części konwekcyjnej wymiany ciepła w wymienniku występuje tzw. krzyżowy ruch strug – spalin i wody. Zastosowanie tej metody umożliwia znacząco lepszy, niż w metodzie współprądowej odbiór ciepła. Poszczególne strugi po ogrzaniu się ulegają zmieszaniu w górnej przestrzeni wodnej wymiennika, skąd króćcem wylotowym (strzałka czerwona) wypływają do instalacji c.o.

Walory eksploatacyjne wymiennika OGNIWO EKO PLUS

Kotły wodne małej mocy posiadają często wymienniki ciepła umieszczone zbyt blisko paleniska (ze względu na ograniczenia wymiarów zewnętrznych, dyktowane warunkami ich zabudowy), co skutkuje zaburzeniami procesu spalania i wymiany ciepła. Powierzchnie kontaktowe wymiennika ulegają wtedy szybkiemu zanieczyszczeniu osadami pyłowymi oraz związkami smołowymi i sadzą, wytrącającymi się z niedopalonych oparów i gazów palnych zbyt gwałtownie schłodzonych poniżej temperatury zapłonu. W kotle OGNIWO EKO PLUS palnik umieszczony jest w dużej komorze (pełniącej równocześnie funkcje komory paleniskowej i komory dopalania spalin), w odległości od ścianek powłoki wodnej wystarczającej do efektywnego dopalenia niespalonych substancji smołowych, które mogłyby kondensować na chłodnych powierzchniach wymiennika. W tej komorze wymiana ciepła zachodzi przede wszystkim przez promieniowanie, z niewielkim udziałem wymiany konwekcyjnej. Dzięki temu powierzchnie rurowe wymiennika nie są narażone na wykraplanie się substancji smołowych i negatywne konsekwencje tego zjawiska, w postaci strat sprawności i zmniejszenia żywotności kotła.

Wymiennik ciepła stanowi największą pozycję w kosztach wykonania kotła. W kotle OGNIWO EKO PLUS zastosowano wysoko efektywny pionowo-rurowy wymiennik ciepła o dużych prędkościach przepływu spalin, wymuszonych zastosowaniem w kanałach spalinowych zawirowywaczy spalin (turbulizatorów). Zawirowywacze służą przede wszystkim do wydłużenia drogi spalin w wymienniku, a tym samym do zwiększenia ich prędkości. Cała ilość spalin wytworzona w danym czasie w palniku musi w takim samym czasie opuścić kocioł, bo inaczej wzrastałoby w nim ciśnienie. Wydłużenie drogi spalin poprzez ich zawirowanie to zwiększenie ich prędkości, a zwiększenie prędkości spalin to zwiększenie intensywności wymiany ciepła w wymienniku. Dzięki temu wymienniki dla tej samej mocy mogą być mniejsze (mniejsze zużycie materiału) i tym samym tańsze. Mniejsze wymienniki – to także mniejsze i tym samym tańsze kotły (kolejne zmniejszenie zużycia materiału). Często można spotkać się ze stwierdzeniem, że cięższy kocioł jest lepszy, bo to oznacza, że ma grubsze blachy. W przypadku konstrukcji z wymiennikami pionowymi (a szczególnie rurowymi) to stwierdzenie nie ma racji bytu – ten kocioł jest lżejszy, choć zbudowany jest z blach o normatywnej grubości.

Wywoływane przez zawirowywacze gwałtowne zmiany kierunku spalin sprzyjają osadzaniu się pyłu na powierzchni zawirowywaczy, które nie są elementami przewodzącymi ciepło do wody (ciepło do wody przenoszą tylko ścianki wymiennika), toteż zalegająca na nich warstwa pyłu nie pogarsza wymiany ciepła od spalin do wody, a przy większej grubości warstwy – pył sam odpada i spada do komory nawrotnej. Duże prędkości spalin (wywołane przez zawirowywacze) utrudniają osiadanie pyłu na ściankach wymiennika, co powoduje, że wymienniki pionowe z zawirowywaczami można czyścić rzadziej niż wymienniki poziome. Pionowość kanałów sprzyja wytrącaniu się pyłów w komorach nawrotnych, otwory wyczystkowe nie muszą więc przechodzić przez przestrzenie wodne, co jest istotną zaletą konstrukcyjną.

W wymiennikach z kanałami poziomymi także występuje efekt gwałtownych zmian kierunku spalin (na poziomych półkach), sprzyjający osiadaniu pyłu. Pył ten jednak osiada tam na poziomych powierzchniach wymiany ciepła, zmniejszając drastycznie ich przewodnictwo cieplne (efektywność wymiany ciepła od spalin do wody). Kanały poziome sprzyjają osadzaniu się pyłu na powierzchniach wymiennika (poziomych), zmniejszając efektywność wymiany ciepła (warstwa pyłów jest dobrym izolatorem cieplnym), dlatego też trzeba je czyścić częściej.

Spaliny przyśpieszone przez zawirowywacze, wchodząc do komory nawrotnej u dołu kotła, gwałtownie zmieniają kierunek i zmniejszają prędkość (rozprężają się), co powoduje wytrącanie w tej komorze znacznej ilości pyłu ze spalin (taka sama zasada działania, jak w odpylaczach, np. wirowych). Można więc powiedzieć, że ubocznym działaniem zawirowywaczy jest także odpylanie spalin.

Czyszczenie wymiennika w kotle OGNIWO EKO PLUS odbywa się przez wyczystkę górną. Trwa kilka minut oraz jest łatwe i wygodne ze względu na małą wysokość kotła – OEPlus 10kW ma wysokość 1045mm, OEPlus 16kW ma wysokość 1100mm, a OEPlus 25kW ma wysokość 1300mm). Pył z czyszczenia spada do dolnej komory nawrotnej, z której usuwany jest przez popielnik w trakcie jego opróżniania. Pył zalegający na płycie ceramicznej nad komorą dopalania spalin usuwa się spychając go w kierunku przedniej strony kotła (w kierunku drzwiczek), gdzie przez szczelinę między płytą a ścianką przednią kotła spada do popielnika.

Specyficzna konstrukcja wymiennika pozwala – w razie potrzeby – na redukcję powierzchni wymiany ciepła i zwiększenie prędkości spalin w warunkach pracy kotła na niskich mocach (zwiększenie efektywności wymiany ciepła oraz podwyższenie temperatury spalin wylotowych powyżej wartości krytycznych). Operacja taka jest bardzo prosta – wymaga jedynie usunięcia zawirowywacza z kanału rurowego i, ewentualnie, przykrycia tego kanału stosowną zaślepką.

W 2010 roku przeprowadziliśmy badania rozkładu temperatury spalin w pięciu charakterystycznych punktach pomiarowych kotła OE+25 pracującego w zakresie mocy nominalnych. Na podstawie uśrednionych wyników z pomiarów stworzyliśmy poglądowy wykres rozkładu temperatur w tym kotle.

Cały układ konwekcyjnej wymiany ciepła (o łącznej długości 2500mm) został podzielony punktami pomiarowymi na 3 odcinki. W punktach pomiarowych umieszczone zostały termopary a ich wskazania były rejestrowane przez komputer.

ryc4

Na pionowym odcinku AB o długości 700mm (komora spalania – komora dopalania nad rusztodeflektorem) zarejestrowano średni spadek temperatury o ponad 220K.

Na pierwszym poziomym odcinku pomiarowym BC o długości 600mm  (I kanał konwekcyjny z dnem ceramicznym) zarejestrowano średni spadek temperatury o ponad 150K.

Na odcinku CD o długości 600mm (II kanał konwekcyjny – opadający w postaci rur z umieszczonymi w nich turbulizatorami wstęgowymi) zarejestrowano średni spadek temperatury spalin o ok.120K.

Na odcinku DE o długości 600mm (III kanał konwekcyjny – wznoszący w postaci rur z umieszczonymi w nich turbulizatorami wstęgowymi) zarejestrowano średni spadek temperatury spalin o ok.100K.

Badania wykonano również w układzie z usuniętymi turbulizatorami z II i III kanału konwekcyjnego. Charakterystyka rozkładu temperatur spalin na tych odcinkach pomiarowych przedstawiona jest w postaci odcinków CD’ i D’E’. Usunięcie elementów zmniejszających laminarną warstwę przyścienną skutkowało średnim wzrostem temperatury spalin wylotowych o ponad 40K.

Obserwuj

Otrzymuj każdy nowy wpis na swoją skrzynkę e-mail.

Join 68 other followers

%d bloggers like this: