ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 127
1996 N r kol. 1350
Zbigniew RATAJ
In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych P olitechnika Śląska, Gliwice
PARAMETRY KONSTRUKCYJNE I EKSPLOATACYJNE NOWOCZESNYCH KOTŁÓW WODNYCH
W SYSTEMACH GRZEWCZYCH
S tr e s z c z e n ie . W artykule opisano i przedyskutowano p a ra m etry konstrukcyjne i eksploatacyjne nowoczesnych kotłów wodnych w syste
m ach grzewczych. W szczególności określono ich w artości i zwrócono uw agę n a ich ważność i powiązania. Omówiono także w ystępujące uw a
runkow ania eksploatacyjne i zm iany sprawności użytkowej. N a końcu przedstaw iono publikacje a u to ra arty k ułu uzupełniające opisaną te m a tykę.
CONSTRUCTIONAL AND OPERATIONAL PARAMETERS OF M ODERN WATER BO ILERS WORKING IN HEATING SYSTEM S
S u m m ary. In th is pap er some operational and constructional p a ra m ete rs of th e m odern w a te r boilers, specially low tem p e ra tu re boilers has been described. The values of those p a ra m ete rs and relatio nship betw een them w as predicted. The range of th e lim its of operational p a ra m ete rs and m ean season efficiency changes h a s been reported. At th e end of th is paper a lot of references w ritte n by th e au th o r w as given.
KONSTRUKTION- UND BETRIEBSDATEN VON MODERNEN W ASSERKESSELN IN HEIZUNGSSYSTEMS
Z u sa m m en fa ssu n g . Im Aufsatz sind K onstruktion- und B etriebsdaten von m odernen W asserkesseln in H eizungssystem s, speziell der N iedertem peraturw asserkesseln beschrieben worden. Die W erte u nd M erkm ale von diesen V ariablen wurden ausführlich dis
k u tie rt. Die B egrenzungen von B etriebsdaten und ih re n Zusam m en
h a n g m it V eränderungen des m ittleren Jahreskesselw irkungsgrads w urden erm ittelt.
W p ro w a d zen ie
W ciągu o statnich 10 la t obserw uje się olbrzymi postęp techniczny i tech
nologiczny w zakresie ogrzew nictw a i ciepłownictwa. O statn ie 5 la t c h a ra k te ryzuje intensyw ny rozwój technologii w y tw arzania kotłów, inżynierii m a te ria łowej i elektroniki aplikacyjnej (regulatorów grzewczych). W lata ch 1991 - 1995 zastosow ano najw iększe osiągnięcia z zak resu techniki sp a la n ia gazu i oleju, obniżenia em isji NOx, do nowych k onstrukcji palników i kom ór spalan ia kotłów wodnych i parowych. W prowadzono w tym czasie nowe generacje regulatorów system owych i pogodowych, tzw. in teligentne regulatory oparte n a algorytm ach fu zzy logie.
Pojawiły się w tym czasie nowe rozw iązania k onstrukcyjne poszczególnych kom ponentów system ów grzewczych, w tym źródeł ciepła - kotłów grzew
czych. C h arak tery sty k ę techniczną urządzeń kotłowych znajdujących się n a ry n k u ogrzewniczym, oferowanych przez firm y krajow e i zagraniczne przed
staw iono wyczerpująco w [8, 9, 13, 16, 17].
O stra k o nkurencja i w ym agania techniczne spowodowały, że większość kotłów wodnych przedstaw ia wysoki sta n d a rd światowy. Podjęte wcześniej działan ia w zakresie w prow adzenia paliw ekologicznych (olej, gaz) w sektorze k om unalnym i rosnące w ym agania ochrony środow iska (zaostrzenie norm em isji związków siarki, tlenków azotu i pyłów) spowodowały w zrost liczby budow anych i sprzedaw anych kotłów, w przew ażającej m ierze niskotem pe
raturow ych. Równolegle podejm owane są działania zw iązane z oszczędnością energii cieplnej w budownictwie [3, 4].
N o w o c z e s n e e k o lo g ic z n e sy ste m y g r z e w c z e
Poniew aż kocioł wodny stanow i podstaw ow ą część system u grzewczego, więc jego k o n stru k cja i budow a m usi być dostosow ana do w ym agań technicz
nych i w arunków eksploatacji system ów grzewczych. Nowoczesne ekologiczne system y grzewcze [3] ch arak tery zu ją się wysokim stopniem integracji z eko
logicznymi źródłam i ciepła. W ystępują tu ta j zazwyczaj kotły wodne nisko
tem p eratu ro w e1. Takie kotły pozw alają obniżyć koszt inw estycyjny kotła i tym sam ym całego system u. Kotły są dostosowane do sp alan ia gazu ziemnego, p ro p a n -b u ta n u lub oleju opałowego. Kotły n a paliw a stałe (węgiel, koks) nie są kotłam i ekologicznymi2.
1 Kocioł wodny, w którym najw yższa te m p e ra tu ra wody nie przekracza 373 K (norm a PN-70/H-83136).
2 N iektórzy uw ażają, że kotły n a tzw. paliwo bezdym ne sa kotłam i ekologicznymi. Zdaniem au to ra, nie rozw iązano problem u pozostałości paleniskowych.
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne. 247
W spółczesne system y grzewcze zaw ierają kombinowane układy, stano w ią
ce połączenie instalacji grzewczej grzejnikowej i ogrzewania podłogowego.
C h arak tery zu ją się m ałą m asą zładu, dzięki przyjęciu małych średnic przew o
dów, co zapew nia m ałą inercję cieplną, dobrą dynam ikę oraz d użą stabilność hydrauliczną. B rak a rm a tu ry dławnicowej oznacza brak ubytków i szczelność eksploatacyjną.
P a ra m e tr y ro b o cze, k o n str u k cy jn e i ek sp loatacyjn e k o tłó w
Kotły wodne opalane gazem ziem nym lub olejem opałowym lekkim ch a ra kteryzow ane są przez szereg param etrów roboczych, konstrukcyjnych, tech
nologicznych i eksploatacyjnych1. System atykę param etrów zestaw iono w tablicy 1.
T a b lic a 1 Z estaw p a ra m etró w k o tłó w w od n ych
Lp.
P a ra m e try robocze kotłów wodnych niskotem peraturow ych
P a ram e try konstrukcyjne i technologiczne kotłów
wodnych niskotem peraturow ych
Param etry eksploatacyjne kotłów w odnych niskotem peraturowych 1 Moc znam ionowa Rodzaj i odm iana
konstrukcyjna
Nominalna spraw ność cieplna (m aksym alna) 2 C iśnienie robocze Zastosow ane m ateriały do
budowy
Średnioroczna spraw ność użyteczna
3 T em p eratu ra zasilania Wielkość, rodzaj i k o n stru kcja komory spalania
Inercja cieplna
4 T e m p eratu ra pow rotu Pojemność wodna T em peratura spalin 5 Rodzaj paliw a i jego
p ara m etry
System przepływ u spalin Sposób regulacji mocy cieplnej
6 Wielkość powierzchni
ogrzewalnej
Wielkość em isji NOx, CO, C.pył
7 Sposób intensyfikacji wy
m iany ciepła (ożebrowa- nie, turbulizatory)
Stabilizacja i podnoszenie tem peratury pow rotu
8 W ym iary przyłączy
wodnych
Sposób zabezpieczenia przed korozją
9 W ym iary przyłączy gazu i
instalacja przypalnikow a
Trwałość
3 N iektóre p ara m etry są kreślone przez norm ę PN-93/M35350.
cd. ta b lic y 1
Lp.
P a ra m e try robocze kotłów wodnych niskotem peraturow ych
P a ra m e try konstrukcyjne i technologiczne kotłów
wodnych niskotem peraturow ych
P ara m e try eksploatacyjne kotłów wodnych niskotem peraturow ych
10 Zastosow ane technologie
w ytw arzania
Opór hydrauliczny po stronie wodnej
11 Sposób i w ym iary
odprow adzenia spalin
Opór hydrauliczny po stronie spalin
12 M ateriały izolacyjne
13 G abaryty i m asa
K tóry z kotłów należy wybrać, jak ie przyjąć k ry te ria doboru, a tak że jakie rodzaje kotłów należy produkować - to są podstawowe zad ania staw iane przed projek tan tam i system ów grzewczych i producentam i kotłów. W ażną rzeczą je s t popraw na ocena i wyniki b ad ań poszczególnych kotłów, zarówno konstrukcyjno-cieplne, ja k też eksploatacyjne.
P a ra m e try konstrukcyjne, technologiczne i eksploatacyjne powinny stan o wić przedm iot rozw ażań podejmowanych przy ocenie kotła. D uża ilość produ
centów i różnorodność rozw iązań konstrukcyjnych kotłów w ym aga staran n ej analizy przy podejm owaniu decyzji inwestycyjnych.
C h a ra k ter y sty k a p a ra m etró w
Z n a m io n o w a m oc c ie p ln a
Nowoczesne kotły wodne jako kotły żeliwne niskotem peraturow e, stacjo
n a rn e budow ane są od 12,0 kW mocy cieplnej do ok. 2500 kW. N atom iast jako kotły stalow e płomienicowo-płomieniówkowe w ysokotem peraturow e są budo
w ane do mocy 25 MW lub do 5 MW jako kotły średniotem peraturow e. A grega
ty wiszące je d n o - i dwufunkcyjne (potrzeby c.o. i przygotow ania c.w.u.) budo
w ane są n a moce cieplne od 8,7 kW do 73 kW.
C iś n ie n ie r o b o c z e
Kotły budow ane są n a ciśnienie robocze od 0,2 M Pa (kotły stalow e lekkiej konstrukcji) do 6,0 M Pa (kotły żeliwne i stalowe o większej mocy). Kotły w ysokotem peraturow e budow ane są n a ciśnienia do 1,6 MPa.
Zastosow anie wyższego ciśnienia roboczego niż 0,25 M Pa stw arza większe możliwości użycia kotła w określonym system ie, ale pociąga za sobą w zrost ciężaru o ok. 15 — 25% i ceny o ok. 28%.
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne. 249
S to s o w a n e m a te r ia ły k o n str u k c y jn e
Rozróżnia się kotły żeliwne i stalowe, kotły stojące i kotły wiszące je d n o - i dwufunkcyjne.
Zdecydowaną większość wodnych niskotem peraturowych kotłów grzew
czych stanow ią kotły żeliwne (ok. 78%). Kotły żeliwne mają budowę członową.
N a ogół przedni i ostatni człon w ym iennika ciepła ma odmienny k ształt, n a to m ia st człony środkowe są podobne. W zależności od zastosowanej ilości członów w kotle uzyskuje się różne moce cieplne. Kotły mniejsze są m ontow a
ne w całości przez producenta, n ato m ia st kotły większe są transportow ane w częściach i sk ładan e w m iejscu budowy (zaleta dla ciasnych pomieszczeń!).
Kotły stalowe są wykonywane z blachy ze stali kotłowej lub też elem entów rurow ych ze stali stopowej (niekiedy wysokostopowej, nierdzewnej). P od sta
wową technologią łączenia je s t spaw anie. Istn ieją kotły opłomkowe, w których woda płynie w ew nątrz r u r ułożonych krzyżowo lub przestawnych, kotły pło- mieniówkowe, w których w ew nątrz ru r płyną spaliny, lub płomienicowo-pło- mieniówkowe (zakres dużych mocy kotłów wysokoprężnych).
W kotłach, jako m ateriał konstrukcyjny, stosowane jest w yłącznie żeliwo szare stopowe. Umożliwia ono nadaw anie dowolnych kształtów k onstrukcyj
nych bez potrzeby dodaw ania innych m ateriałów .
Swoboda kształtow ania powierzchni w ym iany ciepła pozwala w dużym stopniu zmniejszyć w ym iary kotła. Ponadto żeliwo umożliwia zastosow anie konstrukcji członowej wymienników ciepła, co ułatw ia w staw ianie dużych kotłów w częściach do kotłowni i ich m ontaż n a miejscu!
W ysoka odporność n a korozję powierzchni zewnętrznej żeliwa szarego sto
powego nie poddanego naw et dodatkowym zabiegom uszlachetniającym , po
zw ala obniżyć cenę kotła (wyeliminowanie stali wysokostopowej)!!
W ysoka sprężystość żeliwa zapew niona przez elektryczne stopienie po d sta
wowych składników stopowych, stw arza możliwości eksploatacji kotła ze zm ienną tem p e ra tu rą , bez obaw powodowania szoku termicznego.
B u d o w a k o m o ry p a le n isk o w e j i rodzaj p a ln ik ó w
W kotłach żeliwnych wyposażonych w palniki wentylatorowe stosuje się kom ory paleniskow e chłodzone lub tzw. gorące z odwróconym płom ieniem . Są one utw orzone z członów i wyposażone w żebra. Komory paleniskowe współ
pracujące z palnikam i wentylatorow ym i m ają wysokie obciążenia cieplne qiq) 950 kW /m3. P alniki wentylatorow e powinny być badane łącznie z kom orą, by wykluczyć zaniżenie param etrów pracy palnika. Komory kotłów z palnik am i gazowymi atm osferycznym i m ają obciążenia cieplne niższe o ok. 30 — 45%.
W kotłach opalanych gazem stosuje się dwa rodzaje palników: atm osferycz
ne lub palniki zblokowane (wentylatorowe). Do spalania oleju stosuje się wyłącznie palniki wentylatorow e.
Rola i znaczenie palników atm osferycznych w zrastają w m iarę rozwoju i doskonalenia techniki spalania. Zakres regulacji palników wynosi od 15 - 100% .
Z alety grzewczych kotłów gazowych z palnikam i atm osferycznym i w sto
su n k u do kotłów gazowych z palnikam i w entylatorow ym i są następujące:
- p ro sta budow a palników, cicha p raca kotła i rezygnacja z osłon akustycz
nych,
- możliwość pracy z płynnie zm ienianą te m p e ra tu rą wody, bez jakichkol
w iek ograniczeń tem p e ra tu ry powrotu,
- m ała wrażliwość n a zm iany składu i ciśnienia spalanego gazu, niskie zużycie energii elektrycznej,
- kocioł tw orzy jed n ą całość z palnikiem i może n aty ch m iast pokryć zapo
trzebow anie n a energię cieplną,
- oddzielenie kom ina od kotła poprzez ogranicznik ciągu (brak oddziaływa
n ia spiętrzen ia lub zw rotu wstecznego spalin n a przebieg sp alan ia i możli
wość suszenia kom ina w okresie przerw y pracy p alnika i kotła z możliwo
ścią zabudowy klapy spalin przed ogranicznikiem ciągu,
- możliwość w entylacji p rzestrzen i kotłowni poprzez ogranicznik ciągu i rezygnacja z w entylacji przez dach,
- możliwość um ieszczenia przyłączy wody i gazu po lewej lub praw ej stronie albo naprzem iennie.
Kotły z paln ikam i atm osferycznym i są budowane n a moce cieplne do 500 - 800 kW, co w ynika z obliczeń optym alizacyjnych.
Kotły gazowe z p aln ik am i w entylatorow ym i pozw alają n a uzyskiw anie w iększych mocy cieplnych i powinny być stosow ane w większych kotłach, jako palniki dwustopniowe. W kotłach o mocy powyżej 2000 kW powinny być instalow ane palniki regulow ane bezstopniowo (modulacyjnie). Stosowanie ich w kotłach do mocy 350 kW oznacza w zrost ceny kotła (o cenę palnika), bez znaczących korzyści eksploatacyjnych.
Zastosow ane palniki gazowe atm osferyczne w kotłach o mocy 1000 kW pow inny zapewnić n astępujące w artości emisji (norm a PN-93/35350):
- tlen k i azotu NOx = 35 g/GJ (w przeliczeniu n a N 0 2), - tlen ek węgla CO = 28 g/GJ.
W przypadku palników wentylatorow ych w artości emisji są wyższe i zależą od ty p u i odm iany konstrukcyjnej .
Dla palników gazowych posiadających znak „Błękitnego Anioła” norm a em isji NOx wynosi 27,9 g/GJ.
D la palników n a olej opałowy lekki, posiadających znak „Błękitnego Anioła”
norm a emisji NOx wynosi 36,1 g/GJ.
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne. 251
P o je m n o ść w o d n a i in ercja c ie p ln a
Kocioł ch arakteryzuje się pojemnością wodną. Pojemność wodna - V decy
duje o inercji cieplnej, elastyczności, dynamice, a także ciężarze kotła. Kotły stalow e opłomkowe, stalowe płomienicowe i kotły płomienicowo-płomieniów- kowe są kotłam i o znacznej lub bardzo dużej pojemności wodnej. Spotykane pojemności wodne kotłów w tej grupie od 1,0 - 9,5 m 3 [8, 9, 13,17].
Kotły żeliwne m ają z reguły znacznie m niejszą lub m ałą pojemność wodną (od 10 dm 3 do 2,5 m 3), [8, 9, 13, 17]. Grubość ścianki żeliwnego odlewu m usi mieć określoną w artość w celu zapew nienia odpowiedniej sztywności i w ytrzy
małości. Konieczne je s t również uzyskanie odpowiedniego przekroju przepły
wowego wody w członach żeliwnego w ym iennika ciepła. Osiąga się to dzięki stw orzeniu optymalnego rozdziału wody za pomocą rozdzielaczy rurow ych i właściwej prędkości oraz zastosow aniu mniejszych członów o małej pojemno
ści wodnej.
Inercja cieplna kotła wodnego je s t m ia rą akum ulowanej energii cieplnej AQak przy zm ianie tem p e ra tu ry wody o Atw i w yraża się zależnością
. / S T T , , ¿ ( A t u , ) , ^
AQak
= V( p Ć) —- ( 1 )Kocioł o małej pojemności wodnej um ożliwia szybki przyrost te m p e ra tu ry wody przy określonym strum ien iu ciepła (wysoka dynam ika z powodu małej inercji). Ponadto zapew nia długotrw ałą bezaw aryjną eksploatację i m a m niej
sze gabaryty i ciężar. Odznacza się m ałą wrażliwością kotła na kondensację p ary wodnej w spalinach i stra tę postojową (stra ta związana z utrzym yw a
niem kotła w stan ie gotowości eksploatacyjnej).
W iększa prędkość przepływu wody w poszczególnych członach kotła o małej pojemności wodnej gw arantuje intensyw niejszą wym ianę ciepła oraz niższą skłonność do odkładania się kam ienia kotłowego w ew nątrz kotła.
Zbyt m ała pojemność wodna kotła oznacza jed n a k konieczność częstego w łączania i w yłączania p alnika przez autom atykę, co prowadzi do przyśpie
szonego zużycia p alnik a oraz zwiększenia emisji CO i NOx.
S y ste m y p r z e p ły w u sp a lin i w ie lk o ść p o w ie r z c h n i w ym iany c ie p ła W kotłach wodnych niskotem peraturow ych stosuje się najczęściej dw ukrot
ny i trzyk ro tny przepływ spalin przy om ywaniu powierzchni ogrzewalnej w kotłach wyposażonych w palniki wentylatorowe. Jednokrotny przepływ spalin spotyka się tylko w kotłach wyposażonych w palniki gazowe atm osferyczne.
Podyktow ane to je s t oporami przepływu spalin, pracą komina (ogranicznik ciągu) i stabilizacją spalania.
Kotły wodne płomienicowo-płomieniówkowe m ają również trójciągowy przepływ spalin. Zastosow anie trójciągowego przepływ u spalin um ożliw ia za
budow anie większej powierzchni ogrzewalnej i tym sam ym uzyskanie w ię
kszej mocy cieplnej przy wyższej sprawności.
W w ysokospraw nych m ałogabarytow ych kotłach stosuje się gęstości s tr u m ienia ciepła rzędu 25 - 55 kW /m 2 w zależności od sposobu intensyfikacji w ym iany ciepła.
W k otłach niskotem peraturow ych kondensujących stosuje się dodatkowy w ym iennik ciepła um ożliw iający podgrzanie wody powrotnej o tem p eratu rze 32 - 36°C do tem p e ra tu ry 50 - 65°C przy założeniu pełnej kondensacji.
W w ym ienniku n astęp u je kondensacja p ary wodnej zaw artej w spalinach.
W celu obniżenia te m p e ra tu ry spalin w kotłach płomienicowo-płomieniów- kowych stosuje się również dodatkow y podgrzewacz wody.
G a b a ry ty i m a sa k o tła
G abaryty kotła i jego m asa w ynikają z zastosow anych rozw iązań powierz
chni ogrzew alnych i sposobu intensyfikacji w ym iany ciepła. Kotły trójciągowe żeliwne w ypadają korzystniej i m ają w iększą sprawność.
M a k sy m a ln a sp r a w n o ść i te m p e r a tu r a sp a lin
W kotłach opalanych paliw am i gazowymi i olejem opałowym lekkim w ystę
pują dwie straty : s tr a ta wylotowa - Swyi, zw iązana z te m p e ra tu rą spalin oraz s tr a ta ciepła przez obudowę i izolację do otoczenia -
sot.
Spraw ność kotła wodnego określa więc zależność:ą k = 100 - Swyl - Sot (2)
W zależności od wielkości zabudowanej powierzchni ogrzewalnej uzyskuje się w iększe schłodzenie spalin i obniżenie te m p e ra tu ry spalin przy większym obciążeniu cieplnym. Zastosow anie silnie rozw iniętej powierzchni zew nętrz
nej (żebra w żeliwnych kotłach) daje dużo większy efekt niż użycie turbuliza- torów wbudow anych do płomieniówek kotłów stalowych. W spółczesne kotły pow inny wykazywać spraw ności powyżej 90,0%. P rzyrost spraw ności (Ar)k) o 1 p u n k t procentowy (obszar powyżej 91,0%) może oznaczać w praktyce w zrost ceny ko tła o ok. 7 — 10%.
W kotłach żeliwnych jednociągowych gazowych z palnikam i atm osferyczny
m i te m p e ra tu ry spalin wynoszą od 170 — 120°C. W kotłach kondensujących te m p e ra tu ra spalin n a ogól pow inna spełniać zależność - t s wyj = t w0(jy powrotnej + (5-t- 8)°C, w kotłach żeliwnych dwuciągowych z paln ikam i w entylatorow ym i od 210 - 180°C. W kotłach żeliwnych trójciągowych je s t możliwe obniżenie tem p e ra tu ry spalin do ekonomicznego poziomu 150°C.
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne... 253
Zastosow anie ekonomizerów wolnostojących lub zblokowanych z kotłam i obniża tem p e ra tu rę spalin do poziomu 120°C.
W kotłach wysokotem peraturow ych płomienicowo-płomieniówkowych bez dodatkow ych ekonomizerów tem p e ra tu ry spalin sięgają 220 + 250°C.
S tra ta ciepła do otoczenia - Sot przy zastosowaniu nowoczesnych m a te ria łów izolacyjnych nie przekracza 0,5 + 1,0%.
Najwyższe spraw ności uzyskuje się w kotłach z trój ciągowym przepływem sp alin i w kotłach kondensujących (95,0 + 97,5%)1. N ajniższe spraw ności uzyskuje się w kotłach jednociągowych. Udział kotłów kondensujących n a polskim ry n k u je s t niew ielki (poniżej 8%) z uwagi n a b rak niskoparam etro- wych instalacji grzewczych oraz niekorzystne relacje m iędzy ceną kotła, spraw nością (kosztam i eksploatacji) i kosztem paliwa.
Ś r e d n io r o c z n a sp r a w n o ść u ż y tk o w a
O ekonomii eksploatacji system u grzewczego decyduje głównie nie sp raw ność znam ionowa kotła (m aksym alna) - r|k
max>
lecz spraw ność odniesiona do całego okresu eksploatacji system u - % sez, uwzględniająca s tra tę postojową k o tła - Spost i ilość godzin eksploatacji palnika w sezonie - n pal. J e s t ona odniesiona do całego okresu eksploatacji Tsez. Wyraża się zależnością:S tra ta postojowa k otła je s t zw iązana z oddawaniem ciepła w czasie postoju (wyłączenie palnika) i nagrzew aniem kotła po ponownym uruchom ieniu p al
nika. W artość s tra ty postojowej największych kotłów o dobrej izolacji i odcię
ciu k lap ą w przewodzie spalinowym połączenia kotła z atm osferą - 0,4 0,6%.
M ałe kotły - 1,0 +■ 5,0%.
Przy niewłaściwym doborze kotła do system u (o zbyt dużej mocy znam iono
wej) uzyskuje się n iską wartość średniorocznej sprawności użytkowej kotła.
W najniekorzystniejszym przypadku przewymiarowany kocioł może spowodo
wać spadek średniorocznej sprawności użytkowej o 10 15 punktów procento
wych. W tablicy 2 przedstaw iono wyniki obliczeń system u z dobrze dobranym źródłem ciepła - A i system u z kotłem przewymiarowanym o dużej stracie postojowej. W obu przypadkach długość sezonu grzewczego przyjęto ta k ą sam ą.
1 W odniesieniu do ciepła spalania paliwa. Przeliczając na w artość opałową uzyskuje się w artości 105,0 + 107,6%.
hk max
(3)
T a b lic a 2 Z m ian a śr e d n io r o c z n e j sp r a w n o ś c i u ży tk o w ej d w ó c h źr ó d e ł c ie p ła
P a ra m e tr Kocioł A
Kocioł B
Liczba godzin pracy p alnika n = 2500 n = 1500 n = 800
Spraw ność znam ionow a 92,0% 90,0% 90,0% 90,0%
Długość sezonu grzewczego 3750 h 3750 h 3750 h 3750 h
Liczba godzin pracy p aln ik a n a stopniu I + II (obc. m a
ksym alne)
724 h 687 h 500 h 235 h
Liczba godzin pracy p aln ik a
n a stopniu I (obc. częściowe) 1075 h 1041h 956 h 897 h
S tra ta postojowa 0,4% 3,0% 3,0% 3,0%
Średnioroczna spraw ność
użytkow a k otła 91,60% 86,94% 85,93% 84,16%
N ależy pam iętać, że średnioroczna spraw ność użytkow a m a większe zna
czenie w eksploatacji niż m aksym aln a ko tła (decyduje o ilości zużytego paliw a w sezonie grzewczym) i zależy od właściwego doboru mocy kotłów do prze
widywanego obciążenia i zastosowanej określonej autom atyki (pogodowej)!
W celu zw iększenia średniorocznej spraw ności użytkowej zaleca się stosow a
nie palników dwustopniowych lub modułacyjnych.
S p o só b r e g u la c ji m o cy c ie p ln e j w s y ste m ie
Przy realizacji algorytmów sterow ania z w ykorzystaniem funkcji zmiennej w czasie te m p e ra tu ry (osłabienia nocne, zm ienna intensyw ność ogrzew ania) jak o wielkości regulowanej i włączeniem wielkości zakłócających, np. tem pe
ra tu ry zew nętrznej, stosuje się n astępujące sposoby:
— regulacja ce n traln a w źródle ciepła (jakościowa) ze spraw nością 70%, - regulacja c e n traln a n a podstaw ie reprezentatyw nego pom ieszczenia -
spraw ność 75%,
- reg u lato ry lokalne we w szystkich pom ieszczeniach (term ostatyczne zawo
ry grzejnikowe), spraw ność regulacji — 84%,
— regulacja n a d ą żn a tem p e ra tu ry zasilan ia w węźle (z algorytm em pogodo
wym) lub pow rotu - spraw ność regulacji do 90%. Póki co najlepszy je s t sposób w połączeniu z term ostatycznym i zaw oram i grzejnikowymi o zm iennej funkcji.
Kotły wyposażone w palniki w entylatorow e z regulacją bezstopniow ą mogą mieć zakres regulacji 1 : 15, z zastosow aniem palników dw ustopniow ych 1 : 2 (1 0 0 % -50 % ).
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne. 255
S p o só b z a b e z p ie c z e n ia p r z e d korozją (sta b iliz a c ja i p o d n o s z e n ie te m p e r a tu r y p o w ro tu )
J e s t to istotny p a ra m e tr eksploatacyjny, bowiem kotły p racują n a ogół ze zm iennym i obciążeniam i, tj. różną częstotliwością włączeń i wyłączeń p a ln i
ka. W okresie rozruchu i przy niskim obciążeniu spaliny kotłowe m ają n isk ą te m p e ra tu rę i w ykrapla się z nich p a ra wodna.
Korozja niskotem peraturow a powstaje w w yniku oddziaływ ania wilgoci w ykraplanej ze spalin i mającej odczyn kwaśny n a powierzchnie m etalowe.
E fekt korozyjny może być lokalnie bardzo intensyw ny i spowodować przyśpie
szone zużycie kotła. T em p eratura punktu rosy dla gazu ziemnego je s t ok.
10 K wyższa niż dla oleju opałowego. Tem peratury te zm ieniają się od 42 do 58°C.
W kotłach stalowych konieczne je s t stosowanie: s ta li o zwiększonej odpo
rności korozyjnej oraz układu podnoszenia tem p e ra tu ry wody powrotnej (re
alizowanego w układach z zaworam i mieszającymi)! Dotyczy to większości kotłów płomienicowo-płomieniówkowych średnio- i wysokoprężnych.
W kotłach żeliwnych trójciągowych opalanych olejem opałowym i gazem konieczne je s t również stosow anie układu podnoszącego te m p e ra tu rę pow rotu w celu skrócenia czas rozruchu kotła i ograniczenia okresu w ystępow ania niższych te m p e ra tu r spalin. Kotły dwuciągowe nie m uszą mieć u k ład u podno
szenia tem p e ra tu ry powrotu, lecz tylko układ ograniczający jej dolną wartość.
Najczęściej stosow ane w artości tem peratury powrotu: kotły żeliwne 40 - 45°C, kotły stalowe 50 - 60°C!
Kotły żeliwne, gazowe z palnikam i atmosferycznymi (jednociągowe) nie m ają żadnych ograniczeń, ponieważ możliwość w y k rap lania się p a ry wodnej je s t niew ielka, n ato m iast korzystne są warunki u trzym yw ania suchej i czystej powierzchni zew nętrznej członów żeliwnych.
T rw a ło ść
Producent kotła określa przeciętną trwałość kotła n a podstaw ie b adań i obliczeń. Ma ona znaczenie teoretyczne, bowiem n a trw ałość duży wpływ m ają w a ru n k i eksploatacji, np. stosowanie wody surowej o wysokiej tw ardości doprow adza do odkładania się kam ienia kotłowego, co powoduje lokalne p rze
grzanie m ate ria łu i przyśpieszoną degradację kotła. Podstaw owe zagrożenie stanow i je d n a k korozja. Aby ją ograniczyć, konieczne je s t stosow anie układów podnoszenia te m p e ra tu ry wody powrotnej.
W yniki badań m ateriałow ych i zjawiska korozji pozw alają szacować trw a łość kotłów. Wynosi ona dla kotłów żeliwnych 10 — 25 lat, kotłów stalowych 5 + 12 lat.
U w a ru n k o w a n ia e k sp lo a ta c y jn e k o tłó w w o d n y c h k o n d e n su j ą c y ch
Kotły wodne niskotem peraturow e kondensuj ące powinny być dobrane do in stalacji grzewczej o niskich p aram etrach . N iska te m p e ra tu ra wody powrot
nej zapew nia w tedy w ystąpienie kondensacji p ary wodnej w spalinach [1, 10].
S tąd kotły te pow inny pracować w instalacjach o p a ra m etrac h 50/35°C lub 70/50°C.
W kotłach kondensuj ących pow inna być regulacja n a d m ia ru pow ietrza celem u trzy m an ia stałości tem p e ra tu ry rosienia spalin i stabilizacji konde
nsacji.
Kotły kondensujące nowej generacji m ają optym alizację n a d m ia ru powie
trz a [18].
P o d su m o w a n ie
Nowoczesne kotły wodne niskotem peraturow e ch araktery zują się spraw no
ścią powyżej 90,0%, jeżeli przeznaczone są do sp alania oleju opałowego lekkie
go lub gazu ziemnego (lub obu paliw naprzem iennie).
K onstrukcja kotłów żeliwnych poszczególnych producentów różni się wiel
kością ciśnienia roboczego, pojemnością wodną, sposobem ożebrow ania, budo
w ą i wielkością kom ory paleniskowej, system em przepływ u spalin, a także g ab arytam i i m asą.
W łaściwy dobór mocy znamionowej kotła je s t istotny, bowiem dzięki tem u zapew ni się możliwie wysoką średnioroczną spraw ność użytkow ą kotła.
Kotły kondensujące m ają ograniczenia eksploatacyjne, w ynikające z konie
czności zapew nienia eksploatacji z kondensacją, aby je w pełni wykorzystać.
L iter a tu r a
1. R ataj Z. L.: Ekonomiczne i ekologiczne aspekty stosow ania kotłów kon- densujacych w ciepłownictwie. M ateriały VIII Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej — „Postęp Techniczny w Ciepłownictwie”. Poznań, 22 - 23 listopad 1993.
2. R ataj Z. L.: Celowość stosow ania kotłów kondensuj ących firm y TTI-Re- m eh a w ciepłownictwie. Przegląd M echaniczny n r 33—34, 1993.
3. R ataj Z. L., M izerski L.: Nowoczesne ekologiczne system y grzewcze.
R eferat n a I W ystawie Budownictwa Ekologicznego n a Ziemi W odzisła
wskiej. W odzisław 2 - 4 w rześnia 1994.
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne. 257
4. R ataj Z. L.: K ierunki racjonalizacji i w ykorzystania energii cieplnej w budynkach. R eferat n a I W ystawie Budownictwa Ekologicznego n a Zie
mi W odzisławskiej. Wodzisław 2 - 4 września 1994.
5. R ataj Z. L.: Kotły wodne jako źródła ciepła cz. I. Rynek Instalacyjny, n r 10, 1994.
6. R ataj Z. L.: Kotły wodne jako źródła ciepła cz. II. Rynek Instalacyjny, n r 11, 1994.
7. R ataj Z. L.: Postęp w ogrzewnictwie. Rynek Instalacyjny, n r 2, 1995.
8. R ataj Z. L.: C h arak tery sty k a techniczna kotłów grzewczych m ałej i śred
niej mocy w Polsce. Przegląd kotłów oferowanych przez producentów zagranicznych. Cześć I. Ogrzewnictwo Praktyczne, n r 2, 1995.
9. R ataj Z. L.: C harak tery sty k a techniczna kotłów grzewczych m ałej i śred
niej mocy w Polsce. Przegląd kotłów oferowanych przez producentów zagranicznych. Cześć II. Ogrzewnictwo P raktyczne, n r 3, 1995.
10. R ataj Z. L.: O graniczenia i możliwości techniczno-eksploatacyjne grzew
czych kotłów kondensujących. Materiały Konferencji z udziałem eksp er
tów ONZ: W orkshop on Development of Clean Sm all-Size Boilers for In d u strial, Households and Farm ing Sectors. Szczyrk, 5 - 7 k w ietnia 1995.
11. R ataj Z. L., O rszulik E.: W ymagania dla kotłów stosow anych w nowo
czesnych system ach grzewczych. Materiały Konferencji z udziałem eks
pertów ONZ: W orkshop on Development of Clean Sm all-Size Boilers for In d u strial, Households and Farm ing Sectors. Szczyrk, 5 — 7 kw ietnia 1995.
12. R ataj Z. L., R usin E.: Możliwości obniżenia ilości pow stających tlenków azotu w kotłach grzewczych niskotem peraturowych. M ateriały Konfe
rencji z udziałem ekspertów ONZ: Workshop on Developm ent of Clean Sm all-Size Boilers for Ind u strial, Households and F arm in g Sectors.
Szczyrk, 5 - 7 kw ietnia 1995.
13. R ataj Z. L: M etody obniżania emisji NOx z kotłów grzewczych. K onferen
cja techniczna: Nowe m etody technologiczne w ciepłownictwie. Sieraków Wlkp. 27 - 29 m arca 1995.
14. R ataj Z. L.: C harak tery sty k a techniczna kotłów grzewczych m ałej i śred niej mocy w Polsce. Przegląd kotłów oferowanych przez krajow ych pro
ducentów. Cześć I. Ogrzewnictwo Praktyczne, n r 4, 1995.
15. R ataj Z. L: O graniczenia termodynamiczne i eksploatacyjne grzewczych kotłów kondensujących cz I. Rynek Instalacyjny, n r 10, 1995.
16. R ataj Z. L: O graniczenia termodynamiczne i eksploatacyjne grzewczych kotłów kondensujących cz II. Rynek Instalacyjny, n r 11, 1995.
17. Rataj Z. L: C h arak tery sty k a techniczna kotłów grzewczych małej i śred
niej mocy w Polsce. Przegląd kotłów oferowanych przez krajow ych pro
ducentów. Część II. Ogrzewnictwo Praktyczne, n r 1, 1996.
18. R ataj Z. L.: C h arak tery sty k a techniczna kotłów grzewczych m ałej i śred
niej mocy w Polsce. Przegląd kotłów oferowanych przez krajowych pro
ducentów. Część III. Ogrzewnictwo Praktyczne, n r 2, 1996.
19. R ataj Z. L.: Zalety kotłów kondensujących nowej generacji. Rynek In sta lacyjny n r 2, 1996.
20. R ataj Z. L.: A spekt opłacalności użytkow ania różnych paliw do celów grzewczych. Rynek Instalacyjny n r 1, 1996.
21. O rszulik E., Rataj Z. L.: A spekty konstrukcyjne i ekologiczne wodnych niskotem peraturow ych kotłów grzewczych. Rynek Instalacyjny, n r 8, 1996.
22. R ataj Z. L.: M etody oszczędności pierw otnych nośników energii. Opraco
w anie w łasne nieopublikow ane. Gliwice, m arzec 1996.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Edw ard Kostowski
W płynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.
A b str a c t
A m odern w ater boilers used in central h e a tin g system s and for ho t w ater p rep a ra tio n are very compact an d distinguished by several param eters. There are th e constructional and th e operational p aram eters, e.g. nom inal h e a t output, w orking pressure, fuel characteristic, w a te r volume, combustion cham ber value and shape, overall efficiency and m ean y ear u ser efficiency.
W ater boilers can be m ade from cast iron (about 70%) and from coal or alloy steel. U sing of w a te r boiler m ade from cast iron is very convenient in practice.
Fuel (gas and oil) can be b u rn ed in boilers equipped w ith fan ventilators, or gas can be burned in atm ospheric boilers. The advantages of atm ospheric boilers w ere detailed described. C ast iron h a s some advantages. Special w ater boilers equipped w ith economisers, so called condensing boilers have more operational lim its. Those boilers are good w orking in system s having a low re tu rn w a te r tem p e ra tu re m aking possible a w a te r vapour contained in flue gases to be condensed. The other lim it is related to excess a ir ratio due because a dew w ater point depends on th e a ir excess. W ater volume of boilers is a p a ra m e te r influenced on h e a t in ertia of boilers.
