PODSTAWY

Ta część przeznaczona jest dla wszystkich użytkowników kotłów. Znajdziecie tu informacje ogólne, do wykorzystania praktycznie przy eksploatacji kotła jako takiego.

W każdym kotle wodnym dla instalacji centralnego ogrzewania – niezależnie od rodzaju i typu kotła – można wyróżnić te same podstawowe elementy konstrukcyjne:

Zasobnik paliwa – służy do zmagazynowania operacyjnej porcji paliwa, stwarzając użytkownikowi możliwość jak najrzadszego uzupełniania paliwa dla zabezpieczenia ciągłości procesu spalania.

Palenisko – służy do przekształcenia energii chemicznej zawartej w paliwie na ciepło, z możliwie maksymalnym wykorzystaniem paliwa (minimalną zawartością części palnych w popiele).

Komora spalania – służy do dopalenia gazowych produktów spalania wytworzonych w palenisku, w celu minimalizacji zawartości części palnych w spalinach oraz – przede wszystkim – zabezpieczenia powierzchni wymiennika ciepła przed zanieczyszczeniem substancjami smołowymi, pogarszającymi efektywność wymiany ciepła.

Wymiennik ciepła – służy do przekazania wytworzonego ciepła czynnikowi pośredniemu (wodzie), transportującemu ciepło do ogrzewanych obiektów.

Z tych samych elementów można złożyć tak różne konstrukcje, jak kotły zasypowe ręczne czy kotły automatyczne. W kotłach o bardziej prymitywnych rozwiązaniach konstrukcyjnych poszczególne elementy często nie są wyraźnie wyodrębnione (np. w kotle ze spalaniem w całej objętości złoża), dzięki czemu konstrukcja kotła jest prostsza i tańsza, niestety kosztem efektywności realizowanych w kotle procesów chemicznych i termodynamicznych.

Zacznijmy od rzeczy oczywistych. Podstawowym procesem realizowanym w kotle jest spalanie paliwa. Bez spalenia paliwa nie ma produkcji ciepła. Do spalania potrzebne jest powietrze (ściślej – tlen znajdujący się w powietrzu). Reakcja spalania wymaga kontaktu powietrza z substancją palną. Jednak sam fakt kontaktu nie wystarcza. Niezbędna jest równocześnie odpowiednia temperatura – wyższa od temperatury zapłonu substancji palnej.

Procesy spalania paliw stałych są dużo bardziej złożone od spalania paliw gazowych czy ciekłych. Jednocześnie ze zjawiskiem spalania, w palenisku węglowym występuje szereg innych zjawisk termochemicznych, związanych ze wzrostem temperatury – odparowanie wilgoci (powyżej 100ºC), odgazowanie węgla (350-550ºC) połączone ze spalaniem lotnych produktów odgazowania oraz spalanie stałej pozostałości po odgazowaniu (koksu). Zjawiska te dodatkowo komplikują przebieg procesu spalania węgla, o czym dokładniej piszemy w rozdziale Jak spala się węgiel?

Bardzo upraszczając – węgiel spala się 2-stopniowo. Po przekroczeniu 300°C z węgla zaczynają się wydzielać gazowe produkty rozkładu termicznego – węglowodory gazowe oraz opary węglowodorów ciekłych (substancji smołowych), które szybko uchodzą z paleniska, spalając się w nim tylko częściowo. Po osiągnięciu temperatury 600°C pozostaje już tylko stała pozostałość – koks, który spala się powierzchniowo (tylko powierzchnia ziaren ma kontakt z powietrzem). Czas spalania poszczególnych ziaren węgla (koksu) zależy od ich wielkości.

Nie wolno zapominać, że reakcje spalania zachodzące w palenisku nie są nieodwracalne. W każdej chwili przebiegają tam równocześnie reakcje spalania węgla do dwutlenku węgla (C+O2=CO2) i rozkładu dwutlenku węgla do tlenku węgla na rozżarzonym koksie (CO2+C=2CO) oraz spalania wodoru do pary wodnej (2H2+O2=2H2O) i rozkładu wody do wodoru i tlenku węgla na rozżarzonym koksie (H2O+C=H2+CO).

W wyniku powyższych procesów, spaliny uchodzące z paleniska zawsze zawierają niedopalone substancje palne (gazy i opary smół), toteż proces spalania nie kończy się w palenisku, ale przebiega jeszcze przez pewien czas w przestrzeni nad paleniskiem (nazywanej komorą spalania lub komorą dopalania). Spalanie gazowych substancji palnych w komorze spalania wymaga dotrzymania takich samych warunków, jak przedstawiono wcześniej –kontaktu substancji palnych z powietrzem (dobrego wymieszania spalin z powietrzem) oraz temperatury wyższej od temperatury zapłonu niedopalonych substancji palnych. Jeśli temperatura środowiska, w którym przebiega proces spalania, spadnie poniżej temperatury zapłonu substancji palnej – spalanie zostanie przerwane.

Spaliny, wytworzone w palenisku i dopalone w komorze spalania, przechodzą do wymiennika ciepła, gdzie przez ściankę stalową lub żeliwną oddają ciepło wodzie obiegowej, podgrzewając ją. Temperaturę wody podgrzanej (wychodzącej z kotła) nazywa się potocznie „temperaturą kotła”.

Wydajności paleniska i wymiennika ciepła decydują o maksymalnej mocy, jaką może uzyskać kocioł. Wydajność paleniska ogranicza możliwości wytwarzania ciepła ze spalania paliwa, wydajność wymiennika ogranicza możliwości przekazania wytworzonego ciepła wodzie.

Zadaniem kotła jest wytwarzanie na bieżąco takiej ilości ciepła (w postaci wody podgrzanej), jakiej potrzebują ogrzewane obiekty. Ponieważ w rzeczywistych warunkach zapotrzebowanie (odbiór) ciepła przez ogrzewane obiekty jest zmienne w czasie – w zależności od warunków pogodowych oraz trybu życia i upodobań użytkowników ogrzewanych obiektów – kocioł musi pracować ze zmienną mocą.

W kotłach z podajnikiem automatycznym – gdzie paliwo spala się w sposób ciągły w małym palniku zasilanym niewielkimi porcjami paliwa, podawanymi automatycznie z częstotliwością od kilku do kilkudziesięciu sekund – zwiększanie mocy kotła uzyskuje się przez zwiększanie ilości spalanego paliwa, z proporcjonalnym zwiększeniem ilości powietrza doprowadzanego do procesu spalania. Zmniejszanie mocy realizowane jest oczywiście odwrotnie.

Powietrze musi być dostarczone w odpowiedniej ilości. Zbyt mała ilość dostarczanego powietrza skutkuje niedopalaniem paliwa (zbyt duża ilość stałych substancji palnych w popiele – tzw. strata niecałkowitego spalania oraz zbyt duża ilość gazowych substancji palnych w spalinach – tzw. strata niezupełnego spalania). Zbyt duża ilość dostarczanego powietrza powoduje, że powietrze nadmiarowe („fałszywe”), nie biorące udziału w procesie spalania, wyprowadza część ciepła wytworzonego w kotle przez komin (tzw. strata kominowa), bo uchodzi z kotła z temperaturą taką, jak spaliny wylotowe (powietrze ogrzewa się w kotle). Także powietrze, które nie zetknie się z substancją palną (w wyniku np. złej konstrukcji palnika lub komory spalania) lub zetknie się z nią w temperaturze niższej od temperatury jej zapłonu (w wyniku np. zbyt wczesnego kontaktu niedopalonych spalin z zimną powierzchnią powłok wodnych), staje się powietrzem „fałszywym”.

W kotłach komorowych zasypowych – gdzie na ruszcie stałym spala się duża porcja paliwa, uzupełniana okresowo, co kilka (do kilkunastu) godzin – możliwości modulacji mocy kotła ograniczone są do manipulowania tylko ilością powietrza dostarczanego do spalania.

Regulacja mocy kotła i efektywności spalania paliwa jest najtrudniejszym procesem realizowanym w kotle. To właśnie w palenisku rozpoczynają się straty energii dostarczonej do kotła w paliwie. Ich źródłem są zarówno niedoskonałe rozwiązania konstrukcyjne, jak i błędy operatora kotła. Tak naprawdę – od pierwszego rozpalenia kotła prowadzimy nieprzerwaną walkę ze stratami jego sprawności cieplnej.

Do spalania potrzebny jest tlen. Na nasze nieszczęście – dysponujemy tylko tlenem zawartym w powietrzu, gdzie jest go jedynie 21%. Pozostałe 79% – to balast, który nie bierze udziału w procesie spalania, natomiast ogrzewa się od temperatury otoczenia (z taką temperaturą wchodzi do kotła) do temperatury spalin wylotowych, będąc pierwszym, nieuniknionym źródłem strat ciepła wyprodukowanego w palenisku (tzw. strata kominowa). W dodatku do spalenia paliwa stałego w kotle niezbędne jest dostarczanie tego powietrza w nadmiarze w stosunku do tzw. ilości stechiometrycznej, czyli wynikającej teoretycznie z podstawowego równania reakcji chemicznej spalania C+O2=CO2. Praktycznie współczynnik nadmiaru powietrza dla interesujących nas kotłów małej mocy oscyluje w okolicy λ=2, czyli do spalania paliwa w palenisku trzeba doprowadzić około dwa razy więcej powietrza, niż wynika to z zapotrzebowania teoretycznego. Zatem – już z założenia tracimy kilka procent energii z paliwa, bez możliwości jakiejkolwiek reakcji zapobiegawczej.

Następne źródło strat – to sam proces spalania. Niestety – w kotłach, których dotyczy ten poradnik, nie da się spalić paliwa w 100%. Zawsze jakaś ilość niespalonych stałych części palnych przepadnie do popiołu (tzw. strata niecałkowitego spalania), a także zawsze jakaś ilość niespalonych gazowych części palnych pozostanie w spalinach wylotowych z kotła (tzw. strata niezupełnego spalania). To kolejne kilka procent strat energii z paliwa. Nie jesteśmy w stanie temu zapobiec – możemy jedynie starać się zminimalizować te straty. Trzeba tu jednak zwrócić uwagę, że usilne dążenie do minimalizacji strat niecałkowitego i niezupełnego spalania poprzez zwiększanie ilości doprowadzonego do spalania powietrza (tak najczęściej postępuje niewprawny operator), może skutkować zwiększeniem straty kominowej, w wyniku przekroczenia optymalnego współczynnika nadmiaru powietrza. Jak widać – optymalizacja strat związanych z procesem spalania paliwa stałego nie jest tak prosta, jak się często wydaje.

Wyprodukowane w procesie spalania ciepło musi zostać przekazane wodzie, która przeniesie je do grzejników, zainstalowanych w ogrzewanych obiektach. Ten proces realizowany jest w wymienniku ciepła, który generuje kolejne straty sprawności kotła. Ich źródłem są – podobnie jak w przypadku paleniska – zarówno niedoskonałe rozwiązania konstrukcyjne, jak i błędy operatora kotła.

O wydajności wymiennika ciepła w kotle (zdolności do odebrania określonej ilości ciepła ze spalin i przekazania go wodzie obiegowej) decyduje nie tylko rodzaj materiału i wielkość powierzchni wymiany ciepła, jak uważa – niestety – znaczna część producentów i użytkowników. Decydujące znaczenie mają szybkości przepływu mediów, czyli powierzchnie przekroju kanałów spalinowych i wodnych – o czym można więcej przeczytać w rozdziale Wymienniki ciepła. Te elementy konstrukcyjne kotła leżą jednak poza zasięgiem ingerencji użytkownika/operatora.

Najbardziej istotnym czynnikiem operacyjnym, wpływającym na efektywność procesu wymiany ciepła jest stan powierzchni wymiennika, na który użytkownik/operator może wpływać poprzez sposób eksploatacji kotła. Powierzchnie wymiennika korodują (są zrobione z żelaza) oraz zarastają produktami spalania (pyły, sadza, wykroplone substancje smołowe). Zjawiska te występują niezależne od woli operatora kotła, jednakże niepoprawne spalanie paliwa w palenisku i komorze spalania, zbyt niskie temperatury spalin i wody oraz nieregularne i zbyt rzadkie lub niedokładne czyszczenie powierzchni wymiennika znacząco intensyfikują ich niekorzystny wpływ, prowadząc – w mniejszym lub większym stopniu – do narastania skutków nieodwracalnych. Kamień kotłowy i narosty pyłowo-smołowe mają współczynniki przewodzenia ciepła kilkadziesiąt razy mniejsze od stali czy żeliwa, toteż sprawność kotła maleje w trakcie eksploatacji, szczególnie szybko w przypadku naruszania jej zasad.

Poniżej prezentujemy dwa wykresy pochodzące z pamięci sterownika kotła eksploatowanego przez jednego z użytkowników. Na pierwszym wykresie (z 13.XII) widać, że tuż przed godz.17-00 wyczyszczono wymiennik, co spowodowało znaczny spadek temperatury wylotowej spalin i – tym samym – wzrost sprawności kotła. Spadek temperatury spalin wylotowych o 10°C odpowiada wzrostowi sprawności kotła o ok.1%. Na drugim (z 20.XII) widać, że po kolejnym tygodniu pracy kotła temperatura spalin wylotowych wzrosła do poziomu sprzed tygodnia i kocioł ponownie należało wyczyścić.

Więcej szczegółów na temat strat ciepła znajdziesz w rozdziale Sprawność cieplna kotła.

%d bloggers like this: