Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.2 - Rodzaje kotłów/pieców co.

Kotły co. - najważniejsze informacje

W każdym kotle, niezależnie od typu, można wyróżnić elementy: palenisko, komorę spalania oraz wymiennik ciepła. W palenisku następuje proces przekształcenia energii chemicznej zawartej w paliwie na ciepło z możliwie maksymalną sprawnością. W komorze spalania dopalają się gazowe produkty rozkładu termicznego paliwa, dzięki czemu nie dostają się one do atmosfery ani nie osadzają się na wymienniku kotła, pogarszając tym samym proces wymiany ciepła między spalinami a wymiennikiem ciepła. W wymienniku ciepła następuje proces przekazania energii gorących spalin do wody. Wymiennik jest płaszczem stalowym lub żeliwnym wypełnionym wodą.

Najczęściej stosowanym podziałem kotłów jest podział na kotły automatyczne i z ręcznym załadunkiem paliwa. W kotłach z automatycznym podajnikiem stosuje się zasobniki paliwa. Pozwalają one wydłużyć okresy bezobsługowej eksploatacji kotła.

Błędem, najczęściej popełnianym przy wyborze źródła ciepła, jest zastosowanie kotła o zbyt dużej mocy nominalnej, dobranej na zapas. To poważny błąd: moc maksymalna zastosowanego kotła powinna odpowiadać maksymalnemu szacowanemu zapotrzebowaniu na ciepło bez zapasu. Tylko niewielka liczba kotłów automatycznych pozwala na regulację mocy w zakresie większym niż 3:1 przy zachowaniu dobrej sprawności kotła.

W przypadku kotłów z ręcznym załadunkiem z regulacją mocy jest jeszcze gorzej. Owszem, kocioł może pracować przy małej mocy, ale jego sprawność będzie wtedy fatalnie niska (do tego dojdą inne wady). Moc minimalna kotła jest ograniczona pogorszeniem sprawności procesu spalania, natomiast moc maksymalna jest limitowana rozmiarami zastosowanego wymiennika ciepła oraz możliwością pogorszenia procesu spalania. Choćby tylko dlatego, niezależnie od typu zastosowanego kotła, zawsze koniecznie trzeba zapoznać się z jego instrukcją użytkowania (najlepiej także przed wyborem – zakupem).

Eksploatując kocioł, należy pamiętać o konieczności wykonywania przeglądów okresowych, regularnego czyszczenia wymiennika, o stosowaniu czujników tlenku węgla (czadu) i dymu w pomieszczeniach, zapewnieniu prawidłowej wentylacji w kotłowni, o nietrzymaniu w niej materiałów łatwopalnych oraz konieczności okresowego czyszczenia komina. Szczególnie ostatni z wymienionych punktów jest bardzo ważny – zalegająca w kominie sadza może ulec zapłonowi i stać się źródłem pożaru czy zatrucia tlenkiem węgla.

Brak dokumentów potwierdzających czyszczenie komina w razie wypadków jest źródłem odmowy wypłaty odszkodowania. Niezależnie od typu posiadanego kotła, użytkownik powinien okresowo czyścić jego wymiennik. Autor czyści wymiennik swego kotła węglowego z automatycznym podajnikiem paliwa każdorazowo podczas załadunku paliwa. Obecnie szereg produkowanych kotłów szczególnie wyższej klasy potrafi samodzielnie czyścić wymiennik kotła za pomocą ruchomych elementów mechanicznych zeskrobujących sadzę lub ma łatwy w eksploatacji mechanizm ręcznego czyszczenia wymiennika niewymagający nawet otwierania kotła. Ze względu na utrudnioną wymianę ciepła między spalinami a wymiennikiem ciepła, zanieczyszczenie wymiennika kotła powoduje pogorszenie sprawności kotła, a tym samym wyższe koszty ogrzewania.

Kotły powinny być zaopatrzone w system ochrony przed zbyt niską temperaturą powracającej wody. System ten zapobiega wykraplaniu wilgoci w kotle (roszeniu), dzięki czemu chroni kocioł przed korozją. Obecnie praktycznie wszyscy producenci kotłów stalowych wymagają stosowania układu ochrony temperatury powrotu – brak systemu ochrony temperatury powrotu powoduje unieważnienie gwarancji na kocioł. Znacznie odporniejsze na korozję od kotłów stalowych są rzadziej stosowane i droższe kotły żeliwne.

W zależności od sprawności kotła i składu spalin, kotłom przyznawane są odpowiednie klasy. Obecnie najwyższą klasą kotłów jest klasa V. Im wyższa klasa kotła, tym lepszą sprawność on ma i emituje mniej zanieczyszczeń do atmosfery. Obecnie prawo polskie pozwala tylko na sprzedaż kotłów V klasy. Kotły te mają sprawność większą od 88%. Mając kocioł starszej generacji, warto wymienić go na nowszy, gdyż oszczędności uzyskane na paliwie pozwolą szybko zamortyzować zakup nowego kotła. Szereg gmin zapewnia również dopłaty do wymiany kotłów.

Wymieniając kocioł na nowszy, koniecznie należy sprawdzić, czy posiadamy odpowiedni komin lub wkład zabezpieczający do komina. Ważna jest odporność chemiczna i ocieplenie komina. Wysoko sprawne kotły mają niską temperaturę spalin, przez co łatwo wykrapla się w nich woda, która wraz z gazowymi produktami spalania powoduje niszczenie komina. Kotły o gorszej sprawności miały wyższą temperaturę spalin, co powodowało, że nie skraplała się w nich para wodna.

Warto pamiętać o tym, by zainstalowany kocioł miał wyłącznik STB. STB jest całkowicie niezależnym zabezpieczeniem mechanicznym, rozłączającym zasilanie wentylatora w przypadku kotłów zasypowych i wentylatora oraz podajnika w przypadku kotłów z podajnikiem po przekroczeniu ustawionej na STB temperatury bezpieczeństwa. Ponowne podanie zasilania na odłączone elementy kotła możliwe jest dopiero po zresetowaniu STB przyciskiem. Układ taki wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieczy pod wpływem temperatury. Ciecz wywiera ciśnienie na membranę tym większe, im większa jej temperatura, membrana rozłącza wyłącznik. Układy STB pozwalają na ustawienie temperatury zadziałania zabezpieczenia. Stosowanie STB zabezpiecza zarówno kocioł, jak i instalację hydrauliczną przed skutkami uszkodzenia regulatora. Przykład zabezpieczenia STB pokazano na fotografii 1.

Fot.1 Przykład zabezpieczenia STB

Jak działają kotły z automatycznym podajnikiem paliwa?

W kotłach z automatycznym podajnikiem, paliwo przetrzymywane jest w zasobniku, a ilość paliwa dostarczana do palnika zależy od chwilowego zapotrzebowania na ciepło. Często na ekranach informacyjnych regulatora kotła użytkownik widzi moc wyższą niż moc maksymalna kotła. W tym wypadku regulator wyświetla nie moc kotła, a moc, z jaką pracuje palnik, wyliczoną na podstawie wartości opałowej paliwa i wydajności podajnika, nieuwzględniającą jednak sprawności spalania i wymiennika. W kotłach z automatycznym podajnikiem paliwa najczęściej paliwem jest pellet, węgiel kamienny w postaci tzw. ekogroszku lub znacznie rzadziej miał węglowy.

W zależności od wielkości zasobnika, pory roku, sposobu korzystania przez użytkownika z ciepłej wody użytkowej itp. czynników zasobnik kotła trzeba ładować co kilka, kilkanaście dni. W przypadku kotłów pelletowych istnieje możliwość zastosowania dodatkowego zasobnika zewnętrznego nazywanego bunkrem. Bunkier jest pomieszczeniem lub dużym zasobnikiem, w którym mieści się nawet parę ton pelletu, a dodatkowy podajnik transportuje paliwo do zasobnika kotła w miarę jego zużywania. Taki kocioł jest praktycznie bezobsługowy i wymaga jedynie okresowego czyszczenia zasobnika z popiołu, czyszczenia wymiennika oraz okresowych przeglądów.

Jak działają kotły pelletowe z podajnikiem automatycznym?

Zaletami kotłów pelletowych są: możliwość całkowitego wygaszania palnika w przypadku braku zapotrzebowania na ciepło, automatyczne rozpalanie palnika oraz jego wygaszanie, długie okresy między czyszczeniami kotła, wysokie bezpieczeństwo użytkowania. W dobrze zaprojektowanych palnikach pelletowych nie ma możliwości cofnięcia się płomienia do głównego zasobnika. Kotły pelletowe są często wyposażone w więcej niż jeden podajnik. Podajnik w kotłach pelletowych jest barierą zapobiegającą cofnięciu się płomienia do zasobnika paliwa.

Podczas eksploatacji kotłów pelletowych nigdy nie należy samodzielnie zwiększać dawki paliwa branej do rozpalania. Zbyt duża dawka paliwa grozi gwałtownym zgazowaniem pelletu podczas rozpalania i wybuchowym zapłonem gazów palnych. Podczas stosowania dawek paliwa zalecanych przez producenta, palnik pelletowy jest urządzeniem 100-procentowo bezpiecznym. Dużą zaletą kotłów pelltowych jest łatwość utrzymania czystości w kotłowni. Kotły pelletowe są również cichsze od kotłów węglowych.

W przypadku kotłów węglowych źródłem hałasu najczęściej nie jest sam podajnik, ale odgłos kruszonego/przesuwanego przez podajnik węgla. Kocioł pelletowy potrafi się rozpalić automatycznie nawet po długotrwałych zanikach zasilania. Wadami kotłów pelletowych są większe zużycie paliwa i cena wytworzonego ciepła w przeliczeniu na kWh w stosunku do kotłów węglowych. Wada ta jest jednak kompensowana w pewnym stopniu brakiem konieczności podtrzymywania płomienia w palniku pelletowym, jak to się dzieje w przypadku kotłów węglowych.

Tryb nadzoru, w którym kocioł z palnikiem pelletowym nie ulega wygaszeniu, a pracuje w trybie podtrzymania płomienia, stosowany jest w kotłach pelletowych tylko w celu zmniejszenia częstości rozpaleń i wygaszań kotła. Po upływie zdefiniowanego przez użytkownika czasu nadzoru kocioł wygasza się i nie zużywa paliwa. Kotły tego typu są ekonomiczniejsze w eksploatacji od kotłów węglowych w okresach letnich oraz przejściowych – późno wiosennych i wczesnojesiennych – ze względu na brak konieczności podtrzymania żaru. W pozostałych okresach czasu ekonomiczniejsze są kotły węglowe. Zarówno w kotłach z automatycznym podajnikiem na pellet, jak i węgiel nie jest większym problemem uzyskanie sprawności ponad 90%.

Jak działają kotły węglowe z podajnikiem automatycznym?

Kotły węglowe muszą zużywać paliwo, nawet gdy nie ma zapotrzebowania na ciepło, by podtrzymać żar w palniku. Taki tryb pracy nazywa się nadzorem. Ilość paliwa zużywanego w czasie nadzoru bardzo zależy od rodzaju zastosowanego węgla. Temperatura wody w kotle w trybie nadzoru utrzymywana jest przez regulator na poziomie ponad 50 stopni Celsjusza (dotyczy to wszystkich rodzajów kotłów). Taka stosunkowo wysoka temperatura w kotle zapobiega wykraplaniu w palenisku pary wodnej. Powoduje to okresowe rozpalanie kotła w nadzorze tylko po to, by zapobiec zbytniemu jego wyziębieniu.

Przyczynami, które mogą spowodować samoczynne wygaszenia palnika, są źle ustawione czasy nadzoru oraz długotrwałe zaniki zasilania. W przypadku częstych wyjazdów i zostawienia kotła węglowego na długi okres bez kontroli użytkownika warto posiadać alternatywne źródło ogrzewania, np. grzałki przepływowe. Koszt ich jest stosunkowo nieduży, a zabezpieczą one instalację hydrauliczną przed zamarznięciem w okresie zimowym w przypadku nieplanowanego wygaszenia kotła. Większość regulatorów kotłów obsługuje takie rezerwowe źródła energii.

W prawidłowych warunkach eksploatacji kotły tego typu mogą pracować bez wygaszenia przez wiele miesięcy. Spalenie węgla przebiega w palniku najczęściej w układzie retorty. Mimo iż wielu producentów podawało wcześniej, że kotły retortowe pozwalają też na spalanie pelletu, obecnie coraz rzadziej można znaleźć taki zapis w instrukcjach kotłów ze względu na znacznie większe ryzyko cofnięcia płomienia podczas spalania pelletu niż w przypadku palenia węglem. Kotły węglowe wymagają wspomnianego wcześniej dodatkowego układu zabezpieczającego przed cofnięciem się płomienia, zalewającego palenisko kotła. Stosuje się również zabezpieczenia elektroniczne, powodujące wypychanie palącego się paliwa – działają one jednak tylko wtedy, gdy regulator kotła jest zasilany.

Kotły węglowe rzadko kiedy wyposażone są w zapalarkę, a wynika to ze znacznie wyższej temperatury zapłonu węgla w porównaniu do pelletu oraz ze względu na trudności w wygaszeniu palnika w taki sposób, by pozostała dawka paliwa mogła ulec łatwemu zapłonowi. Otóż węgiel pod wpływem temperatury odgazowuje się i zamienia w koks, a ten ma temperaturę zapłonu wyższą niż węgiel. W kotłach węglowych ze względu na obecność zanieczyszczeń mineralnych w paliwie stosuje się mechaniczne elementy zabezpieczające podajnik, zawleczki stalowe, które ulegają zerwaniu w przypadku zblokowania podajnika.

Często popełnianym błędem jest wymiana uszkodzonej zawleczki na inny element stalowy o zbyt dużej wytrzymałości mechanicznej, co może w konsekwencji powodować nawet uszkodzenie silnika podającego paliwo. Poziom hałasu generowany przez kocioł węglowy często można zmniejszyć, instalując sznur ognioodporny między palnikiem a obudową kotła i uszczelniając miejsca połączeń elastycznym silikonem wysokotemperaturowym.

Kotły na węgiel wymagają częstszego i bardziej pracochłonnego czyszczenia wymiennika ciepła niż kotły pelletowe. Powstają w nich również znacznie większe ilości popiołu, który trzeba usuwać z kotła. Czas między kolejnymi czyszczeniami popielnika może wynieść nawet parę dni (w przypadku kotłów pelletowych czas między czyszczeniami może wynosić nawet ponad miesiąc). Istnieją nieliczne konstrukcje kotłów na węgiel, w których popiół z kotła usuwany jest automatycznie. Czyszcząc kocioł węglowy oraz dosypując paliwo, warto pamiętać o stosowaniu odpowiedniej odzieży ochronnej chroniącej ubranie i drogi oddechowe. Zarówno pył węglowy, jak i sadze są substancjami silnie brudzącymi, trudnymi do usunięcia i szkodliwymi dla zdrowia.

Jak działają kotły z ręcznym załadunkiem paliwa?

Kotły z ręcznym załadunkiem były najczęściej stosowanymi rodzajami kotłów, co wynikało z niższej ceny w stosunku do kotłów z automatycznym podajnikiem paliwa. Kotły „ręczne” możemy podzielić na kotły tzw. górnego spalania, dolnego spalania oraz zgazowujące. Wszystkie wymagają okresowego uzupełniania paliwa, a czas między poszczególnymi załadunkami paliwa może wynieść nawet 2–3 godziny. Kotły z ręcznym załadunkiem źle pracują ze zmiennym obciążeniem ze względu na duże trudności regulacji mocy przy zachowaniu dobrej sprawności. Trudności w regulacji mocy w kotłach tego typu wynikają ze zmieniającej się w czasie ilości paliwa i możliwości regulacji procesu spalania tylko za pomocą ilości dostarczanego powietrza.

Regułą powinna być praca tego typu kotłów na mocy nominalnej bez względu na chwilowe zapotrzebowanie na ciepło. Ciągłą pracę z mocą nominalną osiąga się przez magazynowanie wytworzonego ciepła w dobrze izolowanym zbiorniku wodnym o dużej pojemności – w buforze. Temperatura wody w buforze często przekracza 80 stopni Celsjusza. Brak bufora powoduje spadek sprawności kotła oraz pogorszenie się jakości spalin. Kocioł często przechodzi do trybu nadzoru, gdzie warunki spalania ulegają bardzo silnemu pogorszeniu, a sama sprawność kotła mocno spada. Paliwo w kotle z ręcznym załadunkiem nie może się wygasić, dopóki nie ulegnie wypaleniu. Próby obniżenia mocy kotła przez spalanie mniejszej ilości paliwa nie przyniosą oczekiwanych rezultatów ze względu na pogorszenie warunków spalania.

Rys.2 Prawidłowy sposób palenia w zależności od typu kotła

Układ ze zbiornikiem buforowym powinien współpracować z układami mieszającymi, obniżającymi temperaturę wody stosownie do zapotrzebowania na ciepło budynku. Stosowanie bufora korzystne jest również w kotłach z automatycznym podajnikiem paliwa, gdyż pozwala pracować kotłowi na mocy nominalnej, gdzie sprawność kotła jest największa. Wysoka temperatura wody otrzymywanej w kotle nie tylko zwiększa trwałość kotła, ale również bardzo ułatwia jego czyszczenie. Osadzające się na ściankach kotła substancje smoliste w wyższej temperaturze mają znacznie niższą lepkość – dzięki czemu mają mniejszą tendencję do oklejania ścianek wymiennika, spływają na dół kotła, gdzie ulegają spaleniu.

Bardzo ważnym aspektem w eksploatacji kotłów z ręcznym załadunkiem paliwa jest sposób spalania paliwa w palenisku. Sposób palenia w kotle zależy od konstrukcji kotła i opisany jest w instrukcji użytkowania. Prawidłowy sposób palenia w zależności od typu kotła pokazany jest na rysunku 2. Przyczyny nieprawidłowego spalania w różnych typach kotłów widoczne są na rysunku 3. Im więcej dymu, tym sprawność kotła jest mniejsza – http://czysteogrzewanie.pl. Na wymienionej stronie zainteresowani znajdą szereg przydatnych informacji dotyczących dobrego palenia.

Jak działają kotły dolnego spalania?

W kotłach dolnego spalania proces spalania zachodzi w dolnej części paleniska, a samo paliwo przesuwa się w dół pod swoim ciężarem w miarę wypalania się paliwa. Paliwo dosypujemy w tego typu kotłach do palącego się kotła. Kotły tego typu są znacznie mniej kłopotliwe w eksploatacji w porównaniu do kotłów górnego spalania. W kotłach tego typu można palić zarówno węglem, jak i drewnem, oczywiście należy kierować się wskazówkami producenta kotła. Sprawność tego typu kotłów wynosi typowo około 80% pod warunkiem pracy z mocą nominalną. W ostatnim czasie pojawiły się konstrukcje kotłów dolnego spalania spełniające wymagania dla kotłów V klasy ze sprawnością wyższą niż 88% pod warunkiem współpracy z buforem.

Jak działają kotły górnego spalania?

Ze względu na niską cenę kotły tego typu są najczęściej stosowanym typem w starszych instalacjach grzewczych. W kotłach tego typu można palić zarówno węglem, jak i drewnem, uwzględniając wskazówki producenta kotła. Typowa sprawność kotła górnego spalania nie przekracza 70%, a na skutek częstej pracy w nadzorze i zapalenia paliwa od dołu może spaść do 30–40%! W kotłach tego typu paliwo zapala się od góry, a ogień przesuwa się w dół w miarę wypalania paliwa.

Do kotła górnego spalania nie należy dokładać paliwa podczas jego palenia ani rozpalać go od dołu! W takim wypadku paliwo będzie rozkładać się termiczne pod wpływem wysokiej temperatury, a gazowe związki uciekają do atmosfery, nie ulegając spaleniu, zanieczyszczając nie tylko środowisko albo powodując znaczne straty ekonomiczne związane z niecałkowitym spaleniem paliwa. Rozpalanie kotła górnego spalania jest utrudnione właśnie ze względu na konieczność rozpalenia kotła od góry. W przypadku konieczności załadunku nowej porcji paliwa w trakcie palenia kotła najlepiej jest poczekać do prawie całkowitego wypalenia paliwa, wybrać dokładnie żar do metalowego pojemnika (pamiętać o stosowaniu rękawic ochronnych np. spawalniczych oraz o zwiększeniu wentylacji pomieszczenia i stosowaniu maseczek przeciwpyłowych), załadować paliwo i zasypać je pozostałym żarem.

Opisany sposób umożliwia szybkie rozpalenie kotła i nie jest tak pracochłonny, jak konieczność kolejnego rozpalania od góry. Autor wielokrotnie zwracał swoim znajomym uwagę na konieczność odpowiedniego sposobu palenia w kotłach ze spalaniem górnym i pomimo początkowej niechęci i niedowierzania, praktycznie wszyscy przekonali się do niej i stosują te metodę do dziś, potwierdzając znacznie niższe zużycie paliwa.

Jak działają kotły ze spalaniem górno-dolnym?

W kotle tym możemy wyróżnić zarówno spalanie górne, jak i dolne. Sprawność kotłów tego typu jest pośrednia między kotłami górnego a dolnego spalania. Konstrukcje tego typów kotłów są rzadkie.

Rys.3 Przyczyny nieprawidłowego spalania w różnych typach kotłów

Jak działają kotły zgazowujące?

Kotły zgazowujące są rodzajem kotłów dolnego spalania, specjalnie zoptymalizowanych do spalania drewna. Proces spalania przebiega w nich wieloetapowo: w pierwszym etapie cienka warstwa drewna na dnie paleniska kotła ulega zapaleniu, wytwarzając warstwę żaru, a drewno położone na warstwie żaru pod wpływem wysokiej temperatury ulega zgazowaniu. Gazowe produkty spalania spalają się w rozgrzanej dyszy ceramicznej, umieszczonej na dnie paleniska kotła, a w końcowym etapie spaleniu ulegają też substancje stałe powstałe w wyniku zgazowania drewna.

W kotłach tego typu możemy dokładać paliwo do kotła podczas procesu palenia bez obawy pogorszenia parametrów spalania. Kotły zgazowujące wyposażone są często w skomplikowaną automatykę sterującą wentylatorem, sondę lambda, przepustnice powietrza pierwotnego (potrzebnego do zapalenia drewna i utrzymania temperatury zgazowania drewna) oraz wtórnego (potrzebnego do spalenia produktów zgazowania drewna w dyszy ceramicznej). Kotły tego typu pozwalają osiągnąć bardzo dobrą sprawność, wymagają współpracy z buforem oraz stosowania dobrze wysuszonego drewna. Drewno o zbyt wysokiej wilgotności powoduje bardzo przyśpieszoną korozję kotłów zgazowujących. Stosowanie mokrego drewna jest powodem odrzucenia wielu reklamacji na tego typu kotły. Kotły tego typu, współpracując z buforem, osiągają sprawność pozwalającą spełnić wymagania V klasy.

Kominki, kozy - jak działają?

Pod względem konstrukcyjnym są one kotłami górnego spalania, w których ciepło przekazywane jest przez promieniowanie cieplne wprost z płaszcza kominka do pomieszczenia (lub przez wymiennik wodny w przypadku kominków z płaszczem wodnym). Dotyczą ich wszelkie uwagi opisane w kotłach górnego spalania. Ilość powietrza potrzebnego do spalania regulowana jest za pomocą przepustnicy sterowanej ręcznie lub elektronicznie. Eksploatując kominek, warto wyposażyć go w odpowiedni regulator elektroniczny. Stosowanie regulatora nie tylko pozwala wydłużyć okresy między doładowaniami paliwa, ale zwiększa również bezpieczeństwo użytkowania kominka.

Eksploatując kominki, warto pamiętać, by nie stosować ilości paliwa wyższej, niż podaje producent kominka, ważny jest również sposób jego ułożenia i rozmiar szczap drewna. Stosowne informacje znajdują się w instrukcji kominka. W przypadku kominków ważne jest okresowe wymienianie sznura ogniodpornego umieszczonego między szybą kominka a ramą, w której jest ona osadzona. Sznur ten stanowi amortyzator przenoszący naprężanie występujące w szkle wywołane jego rozszerzalnością termiczną. Pod wpływem zanieczyszczenia produktami spalania sznur staje się coraz sztywniejszy, co prowadzi w konsekwencji do pęknięcia szyby kominka.

Na zakończenie tego odcinka autor chce podziękować Markowi Malesińskiemu, Sebastianowi Matejczukowi i Pawłowi Sobolewskiemu za cenne uwagi do tego tekstu. W następnym odcinku omówimy elementy instalacji hydraulicznej współpracujące z kotłami oraz współpracującą z nią automatykę.