Sprawność całoroczna

Doprowadzona z zewnątrz całoroczna energia cieplna Q_dopr,a jest określana na podstawie rzeczywiście zużytej energii cieplnej w postaci paliwa. W tym celu mierzy się zużycie paliwa przy pomocy liczników gazu lub oleju i mnoży przez odpowiednią wartość opałową paliwa.

Rzeczywiście zużywana podczas eksploatacji energia Q_U,a jest obliczana przy pomocy liczników pary i kalkulatora ciepła. Kalkulator przelicza przepływ pary i ciśnienie pary oraz ewentualnie temperaturę pary na zawartą w parze energię cieplną.

Po zsumowaniu całorocznych pomiarów i podzieleniu przez energię zawartą w paliwie otrzymujemy całoroczną sprawność kotła.

W kryterium tym są zatem ujęte wszelkie występujące w toku eksploatacji straty, takie jak strata kominowa, straty ciepła w instalacji, straty związane z przesyłem oraz ciepło tracone z bezużytecznie odprowadzanym kondensatem.

Przy 95 % sprawności kotła rzeczywiste jego wykorzystanie w ciągu roku może sięgać zaledwie 60 %. Zwłaszcza wtedy, gdy przeciętne obciążenie kotła jest niewielkie, straty przez promieniowanie i przewodzenie (niezależne od obciążenia kotła) są bardzo duże w stosunku do energii dostarczanej z paliwem. Dodatkowo dochodzą jeszcze straty wskutek przewietrzania kotła, wymuszanego każdorazowo przed zapłonem palnika, oraz straty związane z przygotowaniem wody.

Jeżeli kocioł pracuje bardzo często na obciążeniu tylko częściowym, to straty mogą pochłaniać nawet aż 20 – 40 % paliwa zużywanego do zasilania kotłowni.

Sprawność kotła z wykorzystaniem ciepła kondensacji

Produktem spalania węglowodorów łańcuchowych, jakie występują w większości paliw ciekłych i gazowych, są spaliny zawierające oprócz dwutlenku węgla także wodę. W spalinach mających wysoką temperaturę woda ta przybiera postać gazową.

Gdy temperatura spalin w wyniku zetknięcia się z chłodnymi powierzchniami wymiennika ciepła spadnie poniżej tzw. punktu rosy zawarta w spalinach para wodna ulega częściowemu skropleniu oddając duże ilości ciepła. To ciepło kondensacji można wykorzystać.

Wzór na obliczenie sprawności kotła z wykorzystaniem ciepła kondensacji jest bardziej rozbudowany w porównaniu ze wzorem na sprawność kotła bez wykorzystania ciepła kondensacji:

Współczynnik kondensacji wyraża stosunek między powstającą praktycznie i możliwą teoretycznie ilością kondensatu w spalinach i ma wartość najczęściej 0,3 – 0,6, w zależności od obliczeń.

Sprawność kotła sięgająca powyżej 100 % przy wykorzystaniu techniki kondensacji nie jest żadnym perpetuum mobile, a jedynie wynikiem oparcia obliczeń na wartości opałowej H_i. Gdyby oprzeć obliczenia sprawności kotłów nie na wartości opałowej, ale fizycznie właściwszym cieple spalania H_s, to wartość 100 % byłoby maksymalną możliwą do uzyskania sprawnością bez żadnych strat. Aby jednak możliwe było porównanie z instalacjami konwencjonalnymi, zdecydowano o pozostaniu przy wartości opałowej jako podstawie obliczeń także dla instalacji wykorzystujących technikę kondensacji.

Rys. "Bilans cieplny wytwornicy pary z wykorzystaniem techniki kondensacyjnej i palnikiem opalanym gazem"

O różnicy między wartością opałową i ciepłem spalania stanowi zawarte w spalinach ciepło utajone, możliwe do uzyskania poprzez skroplenie obecnej w spalinach pary wodnej.

Poniższy wykres ma unaocznić korzyść ekonomiczną płynącą z wykorzystania ciepła kondensacji spalin.

W przypadku gazu sprawność kotła rośnie liniowo wraz ze spadkiem temperatury spalin do momentu gdy spaliny zaczną się skraplać (gdy powierzchnie wymiany ciepła osiągną temperaturę ok. 56 °C). Gdy zaczyna się kondensacja spalin to już nie spadek temperatury, ale przede wszystkim stopień kondensacji α zawartej w spalinach pary wodnej ma znaczenie decydujące. Niebieskie linie przerywane na wykresie oznaczają różne stopnie kondensacji 25, 50, 75 i 100 %. Przy odpowiednio wysokim stopniu kondensacji sprawność dalej rośnie skokowo.

Specjalna konstrukcja kondensacyjnego wymiennika ciepła pozwala na wykroplenie znacznych ilości zawartej w spalinach pary wodnej już przy bardzo niskich temperaturach wody na wlocie do wymiennika (np. wody uzupełniającej o temperaturze 15 °C) nawet gdy temperatura spalin mierzona w kominie jest wyraźnie wyższa od punktu rosy spalin.

Na wykresie przykład dla gazu ziemnego wysokometanowego pokazuje uzyskanie sprawności 100,9 % przy stopniu kondensacji 34 % i zmierzonej przeciętnej temperaturze spalin 75 °C.

Rys. "Sprawność kotła w funkcji temperatury spalin dla gazu ziemnego wysokometanowego"

Innym, obok ilości pary wodnej, czynnikiem decydującym o stopniu kondensacji α jest możliwie duża różnica między temperaturą wody na wlocie do wymiennika i minimalną temperaturą kondensacji, co pokazują na wykresie krzywa sprawności w kolorze czerwonym (gaz ziemny wysokometanowy) i krzywa w kolorze fioletowym (olej opałowy lekki) zależna tylko od temperatury.

Obszar w kolorze niebieskim stanowi możliwy technicznie do uzyskania zakres kondensacji spalin dla kotłowni parowych.