Wymienniki ciepła

Konstrukcja wymiennika

Dokonując wyboru kotła użytkownik w praktyce kieruje się czynnikiem ekonomicznym oraz spodziewanym komfortem obsługi. Wymiennik ciepła stanowi największą pozycję w kosztach wykonania kotła, a równocześnie jest elementem wymagającym systematycznej obsługi (oczyszczenia z narostów pyłu, sadzy i związków smołowych, które obniżają jego efektywność). Żywotność kotła w praktyce jest determinowana żywotnością wymiennika ciepła. Jednakże – pomimo tak istotnego znaczenia – konstrukcje wymienników ciepła nie są najmocniejszą stroną krajowych kotłów małej mocy zasilanych paliwem stałym.

Kotły wodne małej mocy, ze względu na ograniczenia wymiarów zewnętrznych dyktowane warunkami ich zabudowy, posiadają często wymienniki ciepła umieszczone zbyt blisko nad paleniskiem, co skutkuje zaburzeniami procesu spalania i wymiany ciepła. Powierzchnie kontaktowe wymiennika ulegają szybkiemu zanieczyszczeniu osadami pyłowymi oraz związkami smołowymi i sadzą, wytrącającymi się z niedopalonych oparów i gazów palnych zbyt gwałtownie schłodzonych poniżej temperatury zapłonu.

W kotłach obecnych na rynku występuje ogromna różnorodność konstrukcji wymienników ciepła – od bardzo prostych do mocno skomplikowanych. Dyskusje o wyższości jednych nad drugimi są – szczerze mówiąc – bezsensowne z punktu widzenia użytkownika. Naszym zdaniem – dla użytkownika najważniejsze powinno być, czy kocioł rzeczywiście posiada podaną przez producenta moc (musi to być udokumentowane stosownym świadectwem z badań) oraz czy konstrukcja wymiennika  zapewnia możliwość łatwego czyszczenia (nie czyszczony wymiennik już po kilku tygodniach może stracić kilkadziesiąt procent nominalnej wydajności cieplnej).

Stałym tematem w dyskusjach o wymiennikach jest porównanie wymienników z kanałami poziomymi i pionowymi. Obecnie wydają się przeważać opinie na korzyść wymienników z kanałami pionowymi, jednakże jednoznaczne zakończenie tych dyskusji nie nastąpi chyba prędko.

Kanały poziome sprzyjają osadzaniu się pyłu na powierzchniach (poziomych) wymiennika, zwiększając opory przepływu spalin i zmniejszając efektywność wymiany ciepła (warstwa pyłów jest dobrym izolatorem cieplnym). Konstrukcje z kanałami poziomymi wymagają częstszego pracochłonnego czyszczenia kanałów. Na każdym poziomie muszą być zabudowane otwory wyczystkowe, przechodzące przez przestrzenie wodne, co zwiększa koszty wykonawcze urządzenia. Zaletą jest generalnie niższa zawartość pyłów w spalinach z kotłów z takimi wymiennikami.

W kanałach pionowych osadzanie się pyłu na powierzchniach wymiany ciepła jest niewielkie, szczególnie w przypadku dobrej pracy paleniska (braku w spalinach niespalonych substancji smołowych, kondensujących na chłodnych powierzchniach wymiennika). Efektywność wymiany ciepła w wymiennikach z kanałami pionowymi może być istotnie zwiększona poprzez zastosowanie turbulizatorów (zawirowywaczy strugi), które ułatwiają również wytrącanie pyłów ze strumienia spalin. Pionowość kanałów sprzyja wytrącaniu się pyłów w komorach nawrotnych, otwory wyczystkowe nie muszą przechodzić przez przestrzenie wodne, co jest istotną zaletą konstrukcyjną. Zawirowywacze spalin (turbulizatory) zwiększają „burzliwość” przepływu spalin. Uzyskane tą drogą efekty mogą być znaczące. Na wykresach poniżej pokazujemy parametry pracy kotła z wymiennikiem ciepła bez zawirowywaczy spalin (wykres górny) oraz tego samego kotła po zabudowaniu turbulizatorów w kanale spalinowym (wykres dolny). Jak widać – dzięki zawirowywaczom uzyskano obniżenie temperatury spalin wylotowych o około 40°C, co odpowiada wzrostowi sprawności kotła o około 3%.

bez_turboliz

z_turboliz

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).

Jeśli ktoś uważa, że cięższy kocioł jest lepszy, bo to oznacza, że ma grubsze blachy – to w przypadku konstrukcji z wymiennikami pionowymi (a szczególnie rurowymi) nie ma racji. One są lżejsze, choć ich blachy są takiej samej 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 właśnie powoduje, że wymienniki pionowe z zawirowywaczami można czyścić rzadziej niż wymienniki poziome.

Spaliny przyśpieszone przez zawirowywacze, wchodząc do komory nawrotnej (u dołu kotła, tam gdzie są wyczystki dolne) gwałtownie 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.

W wymiennikach z kanałami poziomymi także występuje efekt gwałtownych zmian kierunku spalin (na poziomych półkach), sprzyjający osiadaniu pyłu. Pył ten jednak osiada na poziomych powierzchniach wymiany ciepła, zmniejszając drastycznie ich przewodnictwo cieplne (efektywność wymiany ciepła od spalin do wody). Dlatego trzeba je czyścić częściej.

Jak więc widać – różnica między wymiennikiem pionowym i poziomym polega nie tylko na odmiennym sposobie czyszczenia, ale ma przede wszystkim istotne znaczenie technologiczne.

Powierzchnia wymiany ciepła

Częstym tematem dyskusji jest zależność mocy kotła od powierzchni wymiany ciepła zainstalowanej w wymienniku. Często jeszcze zamiast pojęciem mocy nominalnej kotła operuje się pojęciem powierzchni wymiany ciepła w kotle, traktując te pojęcia równocennie, co – niestety – w przypadku małych kotłów jest poważnym błędem. Oczywiście wielkość powierzchni wymiany ciepła ma znaczenie podstawowe, ale znaczący wpływ na efektywność wymiany ciepła mają także prędkości przepływu mediów – wody i spalin – w wymienniku.

W kanale spalinowym mamy do czynienia z przepływem spalin burzliwym (w środku strugi) oraz laminarnym, zwanym także warstwowym (w strefie przyściennej). Warstwa laminarna ma duży opór cieplny (np. nieruchome powietrze między szybami okna jest dobrym izolatorem cieplnym). Im grubsza warstwa laminarna – tym mniejsza efektywność wymiany ciepła od spalin do wody. Im większa prędkość przepływu spalin – tym cieńsza warstwa laminarna – tym większa efektywność wymiany ciepła od spalin do wody. Takie same reguły obowiązują w kanale wodnym – po drugiej stronie tej samej ścianki stalowej. Im większa powierzchnia przekroju, tym proporcjonalnie mniejsza jest prędkość przepływu medium przez ten przekrój i mniejsza efektywność wymiany ciepła.

Zmniejszenie powierzchni przekroju kanałów spalinowych (oczywiście w rozsądnych granicach, aby nie wejść w strefę zbyt wysokich oporów przepływu) powoduje, że przy tej samej powierzchni czynnej wymiennika (takiego samego zużycia blachy) uzyskuje się większą efektywność wymiany ciepła. Toteż taka sama powierzchnia czynna wymiennika w różnych konstrukcjach kotłów może odpowiadać różnej mocy nominalnej.

Producent ma obowiązek zweryfikowania mocy nominalnej, którą podaje w dokumentacji kotła. Taką weryfikację mocy nominalnej przeprowadza się podczas badania kotła na stanowisku atestacyjnym. Producent lub sprzedawca kotła powinien udostępnić klientowi wyniki tych badań.

zawijan_2 pisze:

Stal kwasoodporna w konstrukcji kotłów – czy warto?

Od pewnego czasu pojawiają się w różnych miejscach pytania i sugestie, że może dobrze by było wykonywać przynajmniej część kotła węglowego ze stali kwasoodpornej. Uzasadniają to tym, że taka konstrukcja miałaby większą trwałość, bo powinna być znacznie odporniejsza na zjawiska korozyjne, niż wykonana ze stali węglowych.

W ramach udzielenia odpowiedzi na takie pytania należy (zdaniem autora) przywołać najpierw konkretne sprawdzone dane i przeprowadzić analizę, celem potwierdzenia lub zaprzeczenia: CZY WARTO?

Kwasoodporność stali uzyskiwana jest poprzez wprowadzenie do jej struktur dodatków w postaci niklu, chromu, manganu, molibdenu, miedzi, tytanu w różnych konfiguracjach ilościowych w zależności od przeznaczenia takiej stali.

Ponieważ w wysokich temperaturach dodatki stopowe potrafią tworzyć z węglem twarde węgliki, dlatego po spawaniu takich blach stopowych wymagana jest obróbka cieplna lub stosowanie stali stabilizowanych tytanem, zapobiegającym w znacznym stopniu powstawaniu węglików.

Ilość dodatków ma znaczący wpływ na ceny takich stali oraz na skomplikowanie procesu przygotowania formatek do spawania i samego procesu spajania termicznego.

Do konstrukcji kotłów najbardziej przydatne byłyby stale austenityczne o zawartości 18- 20% Cr, 8 – 14% Ni i dodatkami, co najmniej Mo i Ti.

Rozpatrując zastosowanie stali nierdzewnej na elementy kotła należałoby brać pod uwagę pewne własności stali: rozszerzalność cieplną, przewodność cieplną, moduł Younga, wytrzymałość na rozciąganie.

Austenityczne stale nierdzewne wraz ze wzrostem temperatury tracą znacznie na wytrzymałości w stosunku do tej z temperatury otoczenia. Spada również granica plastyczności i moduł Younga.

Ponieważ przestrzenie małego kotła na paliwa stałe chłodzone są wodą, zatem istnieje małe prawdopodobieństwo takiego podwyższenia temperatury elementów wykonanych ze stali kwasoodpornych, aby w znaczący sposób uległy obniżeniu parametry wytrzymałościowe.

Znacznie ważniejszym są właściwości cieplne stali nierdzewnych, które w sposób znaczący różnią się od właściwości cieplnych stali węglowych.
W temperaturach do ok. 200 st. C współczynnik przewodności cieplnej stali kwasoodpornej jest ponad 2 razy niższy, niż ten dla stali węglowych.

Proces spawania stali kwasoodpornych jest bardziej skomplikowany niż stali węglowych. Normą są wyższe wymagania kwalifikacyjne wobec personelu spawalniczego oraz specjalistycznego sprzętu spawalniczego. Wzrasta również częstość występowania wad spawalniczych w szczelnych spoinach i kosztowność prowadzenia robót poprawkowych.
Jeszcze trudniejszym procesem może być trwałe łączenie za pomocą metod spawalniczych stali kwasoodpornych z elementami wykonanymi ze stali węglowych.

Wiemy już, że z blach kwasoodpornych da się zbudować kocioł węglowy.

Czas na odpowiedź, CZY WARTO?

Jak wynika z informacji zawartych w powyższym tekście, kocioł wykonany ze stali kwasoodpornych musiałby posiadać inna konstrukcję, ze względu na potrzebę rozwinięcia powierzchni wymiany ciepła. Zatem znacznie większe gabaryty. Z nich wynika znacznie większa masa kotła oraz koszt: materiały plus robocizna.
Orientacyjnie cena takiego kotła przekroczyłaby 2–3 krotnie cenę kotła wykonanego ze stali węglowych.
A zwiększona żywotność? Nie jest argumentem przemawiającym za, ponieważ niekontrolowane wystąpienie np. zwiększonej emisji chloru w spalinach w szybkim tempie degraduje takie stale. Przykładem mogą być np. wkłady kominowe ze stali kwasoodpornych, które w temperaturach bliskich temperaturze otoczenia potrafią ulec perforacji skrośnej w ciągu 2–3 lat.

Uważam, że w tej krótkiej wypowiedzi uzasadniłem w sposób wystarczający, że jednak nie warto.

Pozdrawiam – zawijan_2

Follow

Otrzymuj każdy nowy wpis na swoją skrzynkę e-mail.

Join 68 other followers

%d bloggers like this: