Zabezpieczenie temperatury powrotu kotła.

Przeciwdziałanie kondensacji spalin w kotle i kominie – zjawisko punktu rosy.

Omawiany temat poruszamy głównie w kontekście kotłów stałopalnych stalowych i stojących kotłów niekondensacyjnych stalowych gazowych i olejowych bo tam najczęściej roszenie się kotła generuje problemy i straty. Temat dotyczy również kotłów żeliwnych, ale te konstrukcje są dużo trwalsze więc problem korozji nie jest tak odczuwalny.

Jakim cudem w kotle od strony płomienia pojawia się „woda”?

Dla osób nie z branży grzewczej koncepcja „wody” w kotle od strony płomienia może wydawać się abstrakcją, albo wynikiem przecieku bo przecież tam gdzie jest płomień nie ma szans na to, żeby była woda i jeszcze sama się tam „cudownie zmaterializowała”.

Jeśli ktoś ma podstawową wiedzę na temat kotłów kondensacyjnych wie, że są takie kotły, które specjalnie kondensują parę wodną i dzięki temu są bardziej ekonomiczne. Przy okazji kotłów kondensacyjnych dowiadujemy się, że kondensat czyli ta nasza „woda” ma odczyn kwaśny. Przy tak skromnej wiedzy już wiemy, że to zjawisko dla niektórych kotłów może stanowić problem.

O co tak naprawdę chodzi?

Jeżeli do gorącej pary wodnej np. wylatującej z czajnika przyłożymy zimne lusterko, to momentalnie na lusterku skropli się para wodna i zacznie spływać z jego tafli kroplami. To typowe zjawisko kondensacji pary wodnej. Na bazie tego zjawiska działają np. higrometry kondensacyjne.

Temperatura w której nastąpi kondensacja pary, czyli temperatura punktu rosy zależy od wilgotności powietrza (gazu) i temperatury. Wystarczy popatrzeć na wykres Molliera, żeby zauważyć że to trochę złożone zjawisko i przez to ciężko jest jasno określić jaka będzie w naszym kotle dokładnie temperatura punktu rosy.

Po pierwsze różne obszary wymiennika mają różne temperatury. Gazy w kotle mają różne stężenia w różnych obszarach kotła. Para wodna o której potocznie mówimy nie jest parą wodną, tylko parą zawierającą różne związki chemiczne, przez co będą występować różne temperatury roszenia dla tych związków. Wystarczy popatrzeć kolumnę rafinacyjną i np. na proces rafinacji ropy naftowej, żeby zauważyć że różne związki skraplają się przy różnych temperaturach. Moglibyśmy wchodzić głębiej w szczegóły, ale nie zmieniłoby to wniosków końcowych .. W tym pozornie prostym zagadnieniu jest tak dużo zmiennych, że nie jesteśmy w stanie precyzyjnie odpowiedzieć jaką temperaturę musimy utrzymywać na powrocie wody z instalacji do kotła, żeby nie występowało w nim roszenie.

Wiemy już, że w określonych warunkach wewnątrz naszego kotła od strony płomieni może pojawiać się woda z innymi dodatkowymi związkami. Co możemy zatem zrobić i dlaczego?

Kocioł to nie koniec problemów związanych z roszeniem

Spaliny przelatując przez kocioł schładzają się, a następnie wlatują przez czopuch do komina i proces ich schładzania jest kontynuowany. Tu mamy dokładnie ten sam zestaw problemów związanych z kondensacją.

Jeżeli nasz kocioł będzie grzał system zbyt niską temperaturą to w efekcie końcowym spaliny będą miały na tyle niską temperaturę, że w kominie będzie następowała kondensacja pary wodnej i tego co oprócz wody znajduje się w spalinach. W skrócie będziemy zalewać komin kwasem.

Wiele razy widziałem stare domy z kominami przesiąkniętymi czymś co przypominało smołę. Rozebranie komina wewnątrz budynku i zmontowanie go od nowa to dopiero musi być wyzwanie i koszty. Źródłem tych problemów jest nie zwracanie uwagi na punkt rosy. Mamy w tej chwili różne kominy i niektóre są odporne na kwaśne skropliny. Warto o tym pomyśleć budując kotłownię i później ją eksploatując.

Czasem wyższa temperatura spalin w kominie to straty, które się opłacają.

Kiedy kondensacja pary wodnej jest dla nas dobra, a kiedy zła?

1. Bezapelacyjnie roszenie się kotłów jest dobre dla nas jeśli … mamy kocioł kondensacyjny . Wymienniki i układy kominowe takich kotłów są wykonane z elementów odpornych na korozję związaną z kwaśnym odczynem skroplin. Wymienniki kotłów kondensacyjnych najczęściej są wykonywane ze stali szlachetnej, albo ze stopu aluminiowo-krzemowego (AL-SI).
   
   Aluminium „lubi” niskie pH, ale trzeba pamiętać, że jest to dosyć wymagający materiał od strony wody kotłowej. Warto poczytać instrukcje producentów bo bardzo często są tam bardzo restrykcyjne kryteria określające parametry wody kotłowej. Przy aluminium nie można np. stosować wody zmiękczonej typowym zmiękczaczem jonowymiennym. Czytając instrukcje różnych producentów kotłów z wymiennikiem AL-SI ciekawe jest to, że jedni producenci piszą o tym czego nie wolno wlać do instalacji z tym rodzajem wymiennika, a inni łagodniej traktują ten temat. Zdecydowanie polecamy sprawdzone rozwiązanie, czyli wodę demineralizowana (Kampex 2.0) i inhibitor korozji Sentinel X100. Polecam materiały w naszych opracowaniach o Uzdatnianiu Wody i o Czyszczeniu Instalacji. Jest to kolejny temat, w którym można popełnić drogie błędy eksploatacyjne.
2. Zjawisko roszenia zniszczy nam kocioł w przypadku gdy … poczekamy odpowiednio długo. Najszybciej korozja „zjada kotły stalowe z blachy węglowej, albo kotłowej (to bez znaczenia dla korozji). Przy porównywalnej jakości wykonania i warunkach pracy kocioł z grubszej blachy wytrzyma dłużej. Nie jest to jednak tak proste, ponieważ duże znaczenie ma w którym obszarze kocioł ma grubsza, a w którym cieńszą blachę. Do tego dochodzi jeszcze kwestia konstrukcji. Jeśli w kotle będą miejsca spowolnionego przepływu spalin, miejsca gdzie może gromadzić się sadza i skropliny, jeśli są miejsca trudno dostępne do wyczyszczenia, to wszystko wpłynie negatywnie na żywotność kotła. Jeśli nasz kocioł nie jest kotłem kondensacyjnym to nie możemy dopuszczać do tego, żeby zachodziła w nim kondensacja.
3. Jak oszacować, czy opłaca nam się zabezpieczać kocioł? Pobawmy się w trochę bardzo przybliżonych szacunków dla kotłów stałopalnych:

• Strata kominowa to około 1% na każde 15-20°C zmiany temperatury spalin. Oznacza to że gdybyśmy zwiększyli temperaturę spalin o 100°C to zwiększylibyśmy straty kominowe o jakieś 5-7%.
• Kocioł pracujący z pełną mocą, zamiast ze zduszonym płomieniem będzie miał większą sprawność o … kilkadziesiąt %. W różnych testach i opracowaniach podawane są różne wyniki. Ja przyjmę, że różnica w sprawności kotła wynikająca z parametrów pracy może wynieść 20-30% (to skromne założenie, realnie przy odpowiednim spalaniu i parametrach różnica w sprawności może spokojnie wynieść 50%).

Problemem z pracą na pełnej mocy będzie odbiór wyprodukowanej energii. Jeśli idziemy w kierunku optymalnych parametrów pracy kotła to będzie nam potrzebny bufor ciepła. Załóżmy, że:

1. mamy nieduży domek i chcemy palić w kotle dwa razy na dobę, żeby nie potrzebować dużego drogiego buforu.
2. bufor i zabezpieczenie temperatury powrotu będzie nas kosztowało z montażem i instalacyjnymi materiałami 4-5 tys. złotych (bufor nie jest tani niestety).
3. cały sezon grzewczy kosztował (koszt paliwa) nas przeważnie jakieś 4 tys. zł.
4. mamy prosty, ale przyzwoity kocioł stalowy i że kosztował 4 tys. złotych.
5. kocioł bez zabezpieczenia temperatury powrotu, bez buforu wytrzyma 6 lat i przerdzewieje.
6. kocioł w instalacji z zabezpieczeniem powrotu i buforem kocioł pracując w optymalnych dla niego warunkach wytrzyma dwa razy dłużej czyli 12 lat.

Mamy sporo szacunków …

Wg naszych założeń sprawność optymalnie eksploatowanego kotła pomimo większej straty kominowej da oszczędności na paliwie rzędu około 25%, czyli rocznie zaoszczędzimy ok 1 tys. złotych. Bufor zwróci się nam w około 4-5 lat. Kocioł w zabezpieczonym układzie wytrzyma jakieś 12 lat. W tym czasie źle zabezpieczony kocioł trzeba raz wymienić. Policzmy sobie oba warianty w perspektywie 12 lat plus wariant tylko z zabezpieczeniem temperaturowym kotła bez buforu.

Wariant 1. kocioł bez zabezpieczeń temperatury powrotu i bez buforu ciepła: Przez 12 lat płaciliśmy za opał po 4 tys. zł rocznie co dało sumę 48 tys. zł. Po 6 latach przerdzewiał nam kocioł i poza nerwami z wymianą na taki sam wydaliśmy skromnie licząc 5 tys. złotych. Okres 12 lat zamknie się nam wydatkami rzędu 53 tys. złotych.

Wariant 2. kocioł z zabezpieczeniem temperatury powrotu i z buforem ciepła: Wydaliśmy na dodatkowy bufor i osprzęt z zabezpieczeniem dodatkowe 5 tys. złotych. Przez 12 lat płaciliśmy za opał po 3 tys. zł rocznie co dało sumę 36 tys. zł.  Po 6 latach nie przerdzewiał nam kocioł więc nie mieliśmy nerwowej sytuacji typu powódź w kotłowni w środku zimy i kosztów z tym związanych. Okres 12 lat zamknie się nam wydatkami rzędu 41 tys. złotych.

Wariant 3. kocioł z zabezpieczeniem temperatury powrotu ale bez buforu ciepła.: Wydaliśmy na zabezpieczenie temperatury powrotu załóżmy 600zł z montażem i materiałami. Przez 12 lat płaciliśmy za opał po 4 tys. zł rocznie co dało sumę 48 tys. zł.  Po 6 latach nie przerdzewiał nam kocioł więc nie mieliśmy nerwowej sytuacji i kosztów z tym związanych . Okres 12 lat zamknie się nam wydatkami rzędu 48 tys. i 600 złotych. 

To nadal ponad 4 tys. zł i sporo zaoszczędzonych nerwów i czasu lepiej.  Gdyby w kalkulacji uwzględnić droższy kocioł za ok 10 tys. niezastosowanie zabezpieczenia powrotu byłoby bardzo kosztownym grzechem. Jeśli dodatkowo kwaśne skropliny zniszczyłyby nam komin dodatkowe straty byłyby przytłaczające. Gdybym ja miał kocioł stałopalny stalowy, nie zastanawiałbym się nawet minuty nad tym, czy zastosować zabezpieczenie temperatury powrotu. Zastosowałbym również bufor ciepła bo to zdecydowanie zwiększa komfort eksploatacji i ekonomikę kotła.

Jak łatwo i skutecznie zabezpieczyć kocioł przed roszeniem?

Rozwiązań zabezpieczeń tego typu jest kilka. Można stosować zawory trójdrożne, czterodrożne sterowane napędami i prostymi regulatorami. Osobiście uważam, że najlepsze są rozwiązania proste i skuteczne, dlatego postawiłbym na rozwiązanie takie jak poniżej.

Tak w dużym uproszczeniu wygląda instalacja kotła stałopalnego z zabezpieczeniem temperatury powrotu zaworem trójdrożnym i podłączonym buforem ciepła pomiędzy kotłem, a instalacją c.o. Bufor ciepła przy okazji pełni w układzie rolę „dużego” sprzęgła hydraulicznego więc mamy przy okazji rozwiązany temat wpięcia obiegu kotła z bardziej rozbudowanymi instalacjami na kilku obiegach pompowych.

A. Jak działa bufor ciepła?

Bufor to taka nasza bateryjka w instalacji grzewczej.Po prawej stronie mamy instalację c.o. ,c.w.u. odbierającą energię z buforu. Po lewej mamy kocioł dostarczający energię do buforu. Czyli jak z telefonem komórkowym. Mamy naładowaną baterię to możemy używać telefon. Bateria jest na wyczerpaniu to podłączamy ładowarkę i uzupełniamy zapas energii. Bufor to duży, dobrze zaizolowany zbiornik z wodą. W środku nie ma żadnych przegród ponieważ woda w środku układa się warstwami od najchłodniejszej na dnie, po najcieplejszą na górze buforu.

B. Jak najlepiej rozwiązać różne warianty instalacji za buforem

Na wyjściu wody z buforu będziemy mieli temperaturę wody taką jaką ma woda w górnej warstwie buforu. Oznacza to, że czasem ta woda będzie bardzo gorąca, a czasem mniej. Najlepszym rozwiązaniem będzie zamontowanie na wyjściu z buforu obiegu, lub obiegów z zaworami trójdrożnymi mieszającymi z regulacją pogodową. Takie rozwiązanie pozwoli na optymalne i najbardziej ekonomiczne wykorzystanie zgromadzonego ciepłą w buforze. Automatyka pogodowa pozwoli nam ustawić krzywe grzewcze tak, żeby każda sekcja naszego ogrzewania pracowała na optymalnej temperaturze w odniesieniu do temperatury na zewnątrz budynku.

C. Co i jak robi zawór termostatyczny zabezpieczający kocioł?

Prześledźmy co krok po kroku dzieje się w instalacji z zaworem termostatycznym na zabezpieczeniu powrotu.

• Zastosowaliśmy szwajcarski zawór Novamix High Capacity firmy Taconova. Zawór nadaje się zarówno do instalacji C.O. jak i C.W.U. Jego maksymalny przepływ to 102 l/min do pozwala na obsłużenie kotła o mocy do ok 71kW przy założeniu różnicy temperatur między zasilaniem, a powrotem na poziomie 10°C. To co najważniejsze to to, że zawór ma bardzo szeroki zakres regulacji nastaw temperatury. Jeśli producent naszego kotła poda temperaturę minimalną jako 45°C to będziemy w stanie taką temperaturę u nas ustawić. Jeżeli zauważymy w trakcie eksploatacji, że ta temperatura jest jednak za niska to możemy ją sobie dowolnie skorygować i dopasować do specyfiki naszego kotła, stosowanego paliwa itp. Na rynku są dostępne tańsze zawory ze stałą nastawą temperatury bez możliwości jej zmiany. Po zmontowaniu instalacji wymiana takiego zaworu byłaby kosztowna i kłopotliwa dlatego w tym miejscu moim zdaniem nie warto oszczędzać. Ważniejsze jest optymalne dopasowanie warunków pracy naszego kotła tak, żebyśmy uzyskali zabezpieczenie kotła przy możliwie niskiej temperaturze pracy.
• Jest kilka opcji montaży pompy i zaworu trójdrożnego. Ja przy kotłach stałopalnych zawsze montowałem pompę nisko przy powrocie wody do kotła i taki też schemat prezentuję w tym opracowaniu. Bardzo często spotyka się przy kotłach stałopalnych pompy montowane na wyjściu razem z zaworem zwrotnym grawitacyjnym (taka spora kula jako bajpas koło pompy). Umieszczenie pompy i zaworu nie wpływa na temperaturę powrotu, więc jeśli będzie sporo pytań (dlaczego pompa na powrocie, a nie na zasilaniu –  pomoc@termovent.pl) o ten temat to rozwinę go w przyszłości.

Trzy fazy pracy kotła z zabezpieczeniem temperatury powrotu

Co się dzieje jak zimny kocioł się rozpala i zaczyna pracę? Rozpalamy kocioł, pompa pracuje, woda płynie. W kotle mamy zimną wodę, więc kocioł na starcie pracuje zdecydowanie poniżej punktu rosy i na jego wymienniku skrapla się kondensat. Tego etapu nie przeskoczymy, chyba że zamontowalibyśmy elektryczny podgrzew kotła na wzór samochodów skandynawskich rozgrzewanych elektrycznie przy dużych mrozach. Zależy nam na tym, żeby ten okres pracy poniżej punktu rosy trwał jak najkrócej.

Poniżej mamy pokazane kolejne trzy etapy pracy zaworu termostatycznego trójdrożnego zabezpieczającego temperaturę powrotu kotła.

1. Faza 1 – Rozruch i wygrzewanie kotła

   Odpalamy zimny kocioł. Temperatura w kotle jest zbliżona do temperatury w kotłowni, czyli może mieć np. 15°C. Nasza nastawa na zaworze termostatycznym to np. 50°C. Zawór trójdrożny termostatyczny ma przyłącze gorącej wody, zimnej wody i wyjście z wodą zmieszaną o temperaturze takiej jaką nastawiliśmy. Na schemacie przyłącza są oznaczone odpowiednim kolorem kropek.
   W momencie startu kotła temperatura elementu termostatycznego wynosiła 15°C. Zawór dążąc do osiągnięcia na wyjściu 50°C jest przestawiony w przepuszczanie wody gorącej i ma zamknięty dolot wody zimnej.  Woda tłoczona przez pompę bez dodatkowego chłodzenia się na instalacji, czy w buforze zostaje przez zawór termostatyczny zawrócona do kotła. Cała energia ze spalania idzie jest zużywana na wygrzanie kotła do temperatury powyżej punktu rosy.

    

2. Faza 2 – Przekraczanie temperatury punktu rosy

   W momencie gdy element termostatyczny nagrzewa się do zadanej temperatury następuje rozpoczęcie przestawiania przepływu w zaworze. Powoli jest otwierany dopływ od strony wody zimnej i powoli przymykamy dopływ od strony wody gorącej. W efekcie tej zmiany część wody gorącej z kotła zaczyna płynąć do buforu/na instalację, do kotła dopuszczamy też powoli wodę chłodną z buforu/instalacji. Kocioł ciągle się rozgrzewa i im bardziej jest rozgrzany, tym więcej wody chłodnej przez mieszacz będzie do niego dopływać.

    

3. Ładowanie buforu ciepła c.o.

   

   Kocioł i bufor są na tyle nagrzane, że zawór termostatyczny na wyjściu ma temperaturę powyżej zadanej i jest przestawiony na puszczanie wody od strony przyłącza wody zimnej.
   Kocioł pracuje powyżej temperatury nastawionej na zaworze, czyli powyżej temperatury punktu rosy. Układ jest prawidłowo zabezpieczony.

Jak to jest z tymi temperaturami zabezpieczenia przed roszeniem …

Laboratoryjne temperatury punktu rosy dla gazu ziemnego wynoszą ok 55-57°C. Dla wysokiej jakości węgla (bezsiarkowego, suchego) punkt rosy wynosi ok 35-45°C. Przy wyższej wilgotności, albo zasiarczeniu temperatura punktu rosy dla węgla rośnie. Pellet jest paliwem o stosunkowo niskiej wilgotności i możemy szacować temperaturę punktu rosy dla tego paliwa na ok 45-50°C. Z drewnem bywa różnie, ponieważ ciężko oszacować jego wilgotność w warunkach domowych. Zakładam, że przy drewnie należy zakładać temp. ok 50°C+. Dla porównania kwasowy punkt rosy kwasu siarkowego wynosi do 140°C.

Ponieważ nie ma jednoznacznych informacji na temat tego jaka będzie temperatura punktu rosy w kotle, który montujemy należy po pierwsze sprawdzić zalecenia producenta, po drugie kierować  się zdrowym rozsądkiem i nie przesadzać z obniżaniem temperatury powrotu za bardzo. Warto sprawdzić (po nastawieniu temperatury zaworu) kilka razy stan wymiennika i miejsca gdzie gromadzi się sadza. Jeśli nie znajdziemy wilgotnych osadów pyłu i kondensatu to najprawdopodobniej nasz kocioł zabezpieczyliśmy wystarczająco.

Temperatura spalin i temperatura powrotu to nie wszystko

W kotle w wymienniku mamy warstwę metalu, który z jednej strony ma wodę instalacyjną, z drugiej strony płomień i gazy spalinowe. W tym układzie bardzo duże znaczenie dla zarówno punktu rosy jak i niezawodności i ekonomiki eksploatacji kotła ma jego czystość. Od strony wody kotłowej mamy wiedzę i kompleksowe rozwiązania zarówno w zakresie mobilnych stacji demineralizujących wodę (Kampex 2.0), jak i chemii instalacyjnej do czyszczenia i zabezpieczania instalacji grzewczych przed kamieniem i korozją (Sentinel). Po prawej stronie możesz zobaczyć pokrewne temu tematowi materiały omawiające między innymi temat dbania o stronę wodną instalacji.

Jeśli chodzi o czyszczenie kotłów od strony palników i paleniska to niestety nie mamy sprawdzonych środków i metod jakie moglibyśmy polecić. Jestem pewien że producent każdego urządzenia ma w tym zakresie jasne rady i zalecenia i najlepiej zwrócić się właśnie do producenta i porady.

Zapraszam do kontaktu.

Chętnie odpowiemy na pytania i pomożemy dobrać optymalne rozwiązanie.

Termovent Team

pomoc@termovnent.pl