Sprawność cieplna kotła

Kotły małej mocy zasilane paliwem stałym, produkowane przez renomowanych producentów, uzyskują sprawności nominalne w zakresie 80-90%. W procesie zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie na ciepło przekazane wodzie (czynnikowi pośredniemu, transportującemu ciepło do ogrzewanych obiektów) występują straty różnego rodzaju:

Strata kominowa – strata ciepła z uchodzącymi z kotła gorącymi spalinami.

Strata niecałkowitego spalania – strata ciepła w wyniku niedopalenia stałych substancji palnych w popiele.

Strata niezupełnego spalania – strata ciepła w wyniku niedopalenia gazowych składników palnych w spalinach.

Strata przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie, wynikająca z przyjętych rozwiązań w zakresie izolacji cieplnej kotła.

W tabeli poniżej przedstawiono przykładowe wyniki nominalnej sprawności cieplnej kotła i wielkości poszczególnych rodzajów strat wraz z charakterystycznymi parametrami technologicznymi (wyniki pochodzą z archiwum Laboratorium Spalania Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu).

Parametr Jedn. 1 2 3
Sprawność cieplna kotła (nominalna) % 86,9 83,5 83,4
Strata kominowa % 11,1 13,5 13,0
Temperatura spalin wylotowych oC 187 172 195
Zawartość tlenu w spalinach % 9,0 12,1 10,2
Współczynnik nadmiaru powietrza 1,7 2,3 1,9
Strata niecałkowitego spalania % 0,9 1,5 2,0
Zawartość części palnych w popiele % 13,5 13,9 20,2
Strata niezupełnego spalania % 0,1 0,3 0,4
Zawartość tlenku węgla w spalinach mg/m3 247 535 707
Zawartość substancji organicznych w spalinach mg/m3 54 24 59
Strata przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie % 1,0 1,2 1,2

Największą pozycją strat jest strata kominowa, która najczęściej przyjmuje wartości w zakresie 10-14%, w zależności od temperatury spalin oraz współczynnika nadmiaru powietrza (zawartości tlenu w spalinach). W przypadkach nieprawidłowej eksploatacji kotła (np. wytwarzania nadmiernej ilości spalin w wyniku spalania paliwa ze zbyt dużym nadmiarem powietrza lub zbyt wysokiej temperatury spalin wylotowych w wyniku nadmiernej wydajności paleniska w stosunku do wydajności cieplnej wymiennika ciepła) strata kominowa może nawet przekraczać 20% (patrz: przykłady poniżej). Zobacz także ten rozdział.

Parametr Jedn. 1 2 3
Strata kominowa % 16,9 20,1 20,6
Temperatura spalin wylotowych oC 247 269 179
Zawartość tlenu w spalinach % 10,1 10,8 15,6
Współczynnik nadmiaru powietrza 1,9 2,0 3,8

Strata niecałkowitego spalania przyjmuje najczęściej wartości w zakresie 1-3%, w zależności od zawartości części palnych w popiele i zawartości popiołu w paliwie. W przypadkach nieprawidłowej eksploatacji kotła (niewłaściwe proporcje powietrza do paliwa) może jednak kilkakrotnie przekraczać te wartości (patrz: przykłady poniżej).

Parametr Jedn. 1 2 3
Strata niecałkowitego spalania % 5,9 6,6 8,5
Zawartość części palnych w popiele % 37,8 39,5 68,4

Strata niezupełnego spalania w przypadku kotłów najwyższej jakości jest niewielka – nie przekracza 0,5%. Może wzrosnąć do kilku procent przypadkach nieprawidłowej eksploatacji kotła (patrz: przykłady poniżej).

Parametr Jedn. 1 2 3
Strata niezupełnego spalania % 1,0 1,4 2,6
Zawartość tlenku węgla w spalinach mg/m3 1374 2837 4963
Zawartość substancji organicznych w spalinach mg/m3 58 69 155

Strata przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie przyjmuje najczęściej wartości w zakresie 1-1,5%, w zależności od jakości izolacji cieplnej kotła.

W kotle wodnym realizuje się proces zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie na ciepło przekazane wodzie (czynnikowi pośredniemu, transportującemu ciepło do ogrzewanych obiektów). Z procesem tym nieodłącznie związane są straty ciepła, z którymi prowadzimy nieprzerwaną walkę już od pierwszego rozpalenia kotła.

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 węglowych 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.

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. 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.

Toteż niezbędne jest rozróżnienie sprawności teoretycznej kotła od jego sprawności efektywnej. Sprawność teoretyczna – jest to sprawność uzyskana w badaniach atestacyjnych nowego (nieużywanego wcześniej) kotła, wykonanych na specjalnym stanowisku badawczym, w warunkach trwałej pracy kotła z mocą nominalną. W trakcie tych badań kocioł jest regulowany i prowadzony przez pracowników badawczych o dużym doświadczeniu praktycznym, z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury kontrolno-pomiarowej. Sprawność efektywna kotła – jest to sprawność uzyskana w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.

Sprawność kotła podawana przez producenta w Instrukcji Obsługi lub Dokumentacji Techniczno-Ruchowej (zwanej potocznie DTR-ką) jest sprawnością teoretyczną. Sprawności te powinny być weryfikowane poprzez badania w kompetentnych laboratoriach spalania. Przed wyborem kotła warto zapoznać się z wynikami badań – producenci i sprzedawcy powinni je udostępniać potencjalnym klientom.

Poniżej przedstawiamy przykładowe wyniki badań atestacyjnych kotła retortowego nowej generacji OGNIWO EKO PLUS o mocy nominalnej 16kW oraz wyniki badań eksploatacyjnych tego samego kotła po okresie jednego miesiąca eksploatacji. W trakcie badań eksploatacyjnych kocioł był sterowany ręcznie przez badacza oraz sterownikiem automatycznym eCoal.pl.

Badania atestacyjne kotła nowego:

moc 16,5kW; temp.spalin 152°C; sprawność 90,2%; tlen w spalinach 9,0%

Badania po okresie miesiąca eksploatacji (sterowany przez badacza):

moc 24,0kW; temp.spalin 236°C; sprawność 80,0%; tlen w spalinach 6,7%

moc 17,3kW; temp.spalin 178°C; sprawność 80,3%; tlen w spalinach 9,2%

moc 9,0kW; temp.spalin 156°C; sprawność 74,0%; tlen w spalinach 11,1%

Badania po okresie miesiąca eksploatacji (sterowany przez eCoal.pl):

moc 20,5kW; temp.spalin 206°C; sprawność 76,1%; tlen w spalinach 7,3%

moc 16,3kW; temp.spalin 177°C; sprawność 80,1%; tlen w spalinach 10,5%

moc 13,3kW; temp.spalin 167°C; sprawność 75,3%; tlen w spalinach 12,4%

moc 8,7kW; temp.spalin 154°C; sprawność 66,4%; tlen w spalinach 14,3%

moc 7,5kW; temp.spalin 137°C; sprawność 66,0%; tlen w spalinach 14,9%

%d bloggers like this: