1. Kotły zasilane paliwem gazowym i ciekłym, również zasilanymi paliwami odnawialnymi np. biopaliwa.

2. Jakie są sposoby współpracy kotła z układem grzewczym. Sposoby regulacji i kontroli kotłowni z tymi układami. Jak są chronione te układy, gdy czynnikiem roboczym jest woda

3. Kotłownie układów hybrydowych, są to takie instalacje, gdzie kocioł opalany paliwem konwencjonalnym współpracuje z urządzeniami odnawialnej energii, takie jak kolektor słoneczny i pompa ciepła.

4. Układy skojarzone do produkcji energii cieplnej i elektrycznej małej mocy do 5MW.

   Wyk ład 2 25 III 2010

• 1. Im urządzenie jest mniejsze w kotłach i siłowniach, tym lepsze powinno być paliwo ze względu jego sprawność. Urządzenie małej mocy wykorzystujące energię węgla generują duże straty.

  2. Główne sposoby oszczędzania energii:

     1. Cały szereg modernizacji, m.in. wszelakie przedsięwzięcia polegające na ociepleniu budynku

     2. Racjonalne wykorzystywanie energii, czyli dopasowanie mocy urządzeń do rzeczywistego zapotrzebowania (wiele strat wynika z przewymiarowania urządzeń)

  3. Podstawowe własności charakteryzujące paliwa gazowe brane pod uwagę przy doborze ich do spalania w danych urządzeniach:

     1. Ciepło spalania H

        Jest to ilość wydzielona podczas zupełnego i całkowitego spalania danego paliwa, przy czym produkty zostają ochłodzone do temperatury początkowej substratów. H > H₀

     2. Wartość opałowa H₀

        Jest to ilość wydzielona podczas zupełnego i całkowitego spalania danego paliwa, przy czym para wodna powstała w procesie spalania nie zostaje skroplona. Związana jest ciepłem kondensacji wilgoci. Wilgoć w paliwie gazowym pochodzi z:

        • Zawilgocenia samego paliwa (stosunkowo nieduży udział)

        • Produktów spalania węglowodorów i wodoru

        • Zawartości wilgoci w powietrzu dostarczanym do spalania paliwa

     3. Gęstość ρ

        Jest to stosunek masy gazu do objętości $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

     4. Gęstość względna d

        Jest to stosunek mas jednostkowych objętości gazu do objętości powietrza, przy czym objętości te są przy tych samych warunkach, zazwyczaj w warunkach normalnych

     5. Liczba Wobbego $W;\ \frac{\text{MJ}}{m^{3}}$

$$\text{Wb} = \frac{H}{\sqrt{d}}$$

Jest to iloraz wartości opałowej do pierwiastka z gęstości względnej. Pozwala nam ona dobrać różne paliwa gazowe dla osiągnięcia tej samej mocy cieplnej w palniku przy stałym nadciśnieniu.

$$\dot{Q} = k \times \text{Wb} \times \sqrt{p}$$

1. Prędkość spalania w_n

   Jest to prędkość przemieszczania się czoła płomienia mieszaniny gazu palnego z powietrzem i mierzona jest w kierunku prostopadłym do frontu płomienia. Zależy ona od:

   • Rodzaju spalanego gazu

   • Ilości doprowadzonego powietrza

   • Temperatury spalania

     Maksymalna wartość spalania odpowiada stechiometrycznym warunkom. Największą prędkość spalania w mieszaninie z powietrzem ma wodór, najmniejszą zaś tlenek węgla.; natomiast ma on wraz z wodorem bardzo szeroki zakres stężeń, w którym się spala, w przeciwieństwie do bardzo wąskich granic spalania metanu.

     Prędkość wypływu mieszaniny paliwowo-powietrznej (rozprzestrzeniania się płomienia)

$$w = \frac{w_{n}}{\text{cosφ}}$$

1. Granica zapłonu (palności)

   Określa graniczne zawartości paliwa gazowego w mieszaninie z powietrzem pomiędzy którymi zachodzi proces spalania, tzn. że poza tymi granicami mieszanka jest niepalna, ponieważ poza tymi granicami zawsze jest za mało jednego ze składników, niedostateczne stężenie jednego z reagentów.

1. Podział gazów w Polsce na grupy wg polskiej normy, każda z tych grup dzieli się jeszcze na podgrupy, która określa nominalne wartości liczby Wobbego:

   1. GS (gazy sztuczne, które pochodzą z przeróbki paliw stałych i ciekłych oraz z zmieszania ich z paliwami miejskimi i propano-butanowymi, np. gazy z zgazowania węgla; grupa ta składa się z następujących podgrup 25, 30, 35)

   2. GZ (gazy ziemne pochodzenia naturalnego, których głównym składnikiem jest metan, np. gazy wysokometanowe, gazy zaazotowane, gazy kopalniane; grupa ta składa się z następujących podgrup 25, 30, 35, 41, 50)

   3. GPB (gazy propanowo-butanowe, są to gazy węglowodorowe płynne, które muszą ściśle przestrzegać narzucone normy)

   4. GP (mieszaniny gazu propanowo-butanowego tzw. butan techniczny z powietrzem powinny mieć liczbę Wobbego na poziomie 25)

2. Spalanie paliw gazowych w zależności od sposobu wchodzenia mieszaniny paliwowo-powietrznej przebiega wg trzech schematów:

   1. Spalanie kinetyczne

      Zachodzi kiedy do palnika doprowadzone jest wstępnie wymieszane paliwo z powietrzem. Szybkość spalania kinetycznego zależy od skończonej szybkości reagowania chemicznego pomiędzy paliwem i powietrzem. Palniki realizujące ten typ spalania nazywamy palnikami kinetycznymi stosowane powszechnie w kotłach małej mocy.

      Spalanie kinetyczne w zależności od rodzaju przepływu może być realizowane z:

      • Przepływem laminarnym (palnik Bunsena)

      • Przepływem turbulentnym

        Długość płomienia l_p zależy od prędkości wypływu mieszanki paliwowo-powietrznej, od wielkości otworu w palnikach i od normalnej prędkości spalania.

$$l_{p} = \frac{w \times r}{w_{n}}$$

Palniki jednootworowe możemy zastąpić palnikami wielootworowymi, wówczas dla tej samej mocy cieplnej palnika długość płomienia będzie mniejsza.

$$\frac{r}{r_{0}} = \frac{l_{p}}{l_{p0}} = \frac{1}{\sqrt{n}}$$

r₀ – promień otworu palnika jednootworowego
n – ilość otworów w palniku

Jeśli prędkość wypływu mieszaniny paliwowo-powietrznej będzie równa lub mniejsza od prędkości spalania następuje wtedy bardzo niebezpieczne zjawisko cofnięcia się płomienia do palnika.
Środki zaradcze przed przeskokiem płomienia do palnika:

• Muszą być utrzymane minimalne prędkości wypływu mieszanki (im większa średnica palnika, tym większa jest wartość prędkości minimalnej)

• Wyrównanie prędkości strugi przed wypływem mieszanki z palnika

• Chłodzenie palników
  Jeśli prędkość wypływu mieszaniny paliwowo-powietrznej będzie zbyt duża od prędkości spalania następuje wtedy bardzo niebezpieczne zjawisko zerwanie płomienia, zbyt dalekie oddalenie się płomienia od palnika może spowodować że płomień będzie się przyklejał do ścian komory spalania w związku z tym będzie spadek temperatury spalania, wzrosną straty związane z niezupełnym i niecałkowitym spalaniem oraz będzie się wytwarzać sadza.
  Środki zaradcze przed przeskokiem płomienia od palnika, zdmuchnięciem płomienia:

• Powiększenie powierzchni spalania

• Dokładne wymieszanie substratów paliwo-powietrze

• Proces spalania powinien przebiegać przy możliwie wysoki temperaturach m.in. wstępne podgrzanie mieszanki albo paliwa i powietrza niezależnie

• Zastosowanie stabilizacji płomienia poprzez m.in. recyrkulację części spalin, zawirowanie powietrza wewnątrz płomienia, stosowanie ciał opływowych

1. Spalanie dyfuzyjne

   Do palinka podawane jest wyłącznie paliwo, natomiast powietrze dopływa do powierzchni spalania z otoczenia wyłącznie na drodze dyfuzji. Mieszanie powietrza z paliwem zachodzi dopiero nad samym palnikiem. Najwolniejszy procesem w tego typ palnikach, który decydujący o długość płomienia i szybkości spalania jest proces dyfuzji utleniacza z paliwem.

   Może być realizowane równie z przepływem laminarnym i turbulentnym (liczba Reynoldsa powyżej 2000-2200).

   Długość płomieni dyfuzyjnych:

$$l_{p} = k\frac{w \times r^{2}}{n \times D_{M}}$$

$$J = - D_{M}\frac{\partial\phi}{\partial x}$$

• Wartość opałowa i teoretyczna wartość zapotrzebowania powietrza do spalania

• Prędkość wypływu gazu

• Zawirowanie strug paliwa i powietrza

  Stosujemy je w piecach przemysłowych. Nie ma zagrożenia związanego z cofnięciem się płomienia do palnika.

1. Spalanie kinetyczno-dyfuzyjne

   Ilość powietrza podawana wraz z paliwem jest z niedomiarem powietrza na poziomie 30-40% potrzebnego do teoretycznego, stechiometrycznego spalenia paliwa, natomiast pozostała część powietrza dopływa do paliwa na drodze dyfuzyjnej, ten typ spalania realizują tzw. palniki inżektorowe, są powszechnie stosowane w kotłach o mocy nieprzekraczającej 60-80kW głównie na paliwa gazowe. Palniki te są narażone na cofnięcie się jak i na oderwie płomienia od palnika.

   

   Zakres stabilnej pracy palnika inżektorowego

   1 – cofanie się płomienia

   2 – odrywanie się płomienia

   3 – żółte końca płomienia (niższa sprawność, tworzy się sadza)

   4 – spalanie z zwiększoną stratą wylotową, kominową

   5 – maksymalne zassanie powietrza

   Zabezpieczenia stosowane w palnika inżektorowych przed oderwanie się płomienia:

   • Dla gazów o większej prędkości spalania (głównie te które zawierają wodór) mogą być przyjęte dla tych samych warunków wyższe obciążenia cieplne, a więc większe prędkości wypływu mieszanki

   • Paliwa o większych wartości normalnej prędkości spalania mogą być spalane dla wyższych wartości współczynnika nadmiaru powietrza

     Metody zapobiegające cofnięcie się płomienia do palnika:

   • Obniżenie wartości nadmiaru powietrza

   • Zmniejszenie otworów wylotowych z palnika

   • Przestrzeganie pewnych wartości współczynnika nadmiaru powietrza dla mieszanin wstępnie zmieszanych (dla gazu koksowniczego 0,3-0,5 dla gazu ziemnego od 0,4-0,6)

1. Identyfikacja spalania paliw gazowych głównie polega na doprowadzeniu do procesu spalania dla odpowiedniej ilości powietrza, ta ilość powietrza określona jest współczynnikiem nadmiary powietrza, jest to stosunek ilości powietrza rzeczywiście doprowadzonego podczas procesu spalania do ilości powietrza teoretycznego wynikającego ze stechiometrii.

$$\lambda = \frac{L_{\text{rz}}}{L_{\text{st}}}$$

Optymalna wartość współczynnika nadmiaru powietrza dla paliw gazowych wynosi 1,05-1,4

Jeżeli ilość powietrza doprowadzonego do procesu spalania będzie zbyt mała wtedy spalanie będzie się odbywało w sposób niezupełny (będą powstawały takie produkty jak tlenek węgla i cząsteczki sadzy) i niecałkowitego (gdy paliwo się nie dopali)

Temperatura adiabatycznego spalania w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza

Przy niskich temperaturach zwiększa się strata kominowa.

• Wyk ład 3 8 IV 2010

• 1. Podział kotłowni ze względu na:

     1. Rodzaj spalanego paliwa:

        • Ciekłe

        • Gazowe

        • Stałe

        • Alternatywne źródła

     2. Parametry czynnika roboczego:

        • Kotłownie parowe

Niskoprężne poniżej 70kPa

Wysokoprężne powyżej 70kPa

• Kotłownie wodne:

Niskotemperaturowe poniżej 100°C

Średniotemperaturowe 100-115°C

Wysokotemperaturowe powyżej 115°C

1. Moc:

   • Kotłownie małej mocy poniżej 50 kW

   • Kotłownie średniej mocy 50-350 kW

   • Kotłownie dużej mocy powyżej 350 kW

1. Zalety stosowanie paliw ciekłych w porównaniu do paliw stałych:

   1. Wyższa zawartość wodoru

   2. Mniejsza zawartość tlenu

   3. Wyższa kaloryczność

   4. Nie posiadają w swoim składzie substancji mineralnych ani nie pozostawiają odpadów w postaci popiołu i żużla

   5. Można je łatwo transportować, składować

2. Procesy powstawania paliw ciekłych:

   1. Destylacja (rurowo-próżniowa, rurowo-wieżowa, rafinacja, kraking, reforming)

   2. Kataliza chemiczna

3. Rodzaje paliw ciekłych ze względu na sposób zastosowania:

   1. Silniki gaźnikowe

   2. Silniki turbospalinowe

   3. Silniki diesla

   4. Oleje opałowe

4. Właściwości użytkowe paliw ciekłych:

   1. Lepkość oleju – jest to opór jaki stwarzają dwie leżące nieskończenie blisko siebie cząsteczki cieczy, które równolegle wzajemnie siebie przesuwają się. Określa ona warunki transportu, składowania i spalania paliw ciekłych, na lepkość ma wpływ temperatura, wraz ze wzrostem temperatury lepkość w paliwach ciekłych się obniża. Względna lepkości oleju mierzona jest w stopniach Englera °E, wyznacza się jej wartość poprzez zmierzenie i porównanie czasu wypływu 200ml danego oleju z 200ml wody destylowanej. Bezwzględne lepkości oleju dzielimy na kinematyczną (jest to stosunek lepkości dynamicznej do gęstości, mierzona jest w Stoksach St) i dynamiczną (mierzona jest w pauzach P).

   2. Gęstość (olej lekki 860 $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$)

   3. Zawartość siarki (olej ekstra lekki powinien mieć zawartość poniżej 0,2%)

   4. Temperatura zapłonu (jest to temperatura w której powstaje mieszanina oparu oleju i powietrza przy której następuje zapłon, ważny parametr ze względu na zagrożenie związane ze składowanie paliw ciekłych, wyróżnia się trzy klasy bezpieczeństwa pożarowego: 1 klasa temperatura zapłonu jest poniżej 20 C, 2 klasa 21-50C, 3 klasa powyżej 50C w tej kategorii znajdują się wszystkie oleje lekkie)

   5. Zmętnienie tzn. że zaczynają się wydzielać składniki substancji stałych w paliwie ciekłym występuje ono przy tzw. temperaturze cloud point wg Polskiej Normy ok. 3C, przy temperaturze pour point zaczynają być problemy z pompowanie oleju ok. -9C, przy granicznej wartości filtracji ok. -12C zatykają się wszystkie urządzenia filtracyjne.

   6. Wartość opałowa

   7. Ciepło spalania

   8. Granica zapłonu (dla paliw lekkich od 0,6 do 6,5% zawartości objętościowej w powietrzu)

5. Typy paliw ciekłych stosowanych w kotłowniach małych mocy:

   1. Oleje ekstra lekkie (ozn. EL ok.42$\frac{\text{MJ}}{\text{kg}}$)

   2. Olej ekstra lekki z małą zawartości siarki

   3. Olej lekki (ozn. L, w Polsce występuje L-1 i L-2)

   4. Olej średnio-ciężki (ozn. M)

   5. Olej ciężki (ozn. C, w Polsce występuje C-1, C-2 i C-3, w Europie ozn. S)

6. Sposoby spalania paliw ciekłych:

   1. Paliwo zostaje wstępnie odparowane, opary mieszają się z powietrzem i następuje spalanie; do tej kategorii należą wszystkie paliwa lekkie

   2. Paliwo jest bezpośrednio wtryskiwane do komory spalania, proces spalania przebiega równolegle z procesem odparowaniem paliwa; do tej kategorii należą wszystkie oleje ciężkie

7. Etapy procesu spalania paliw ciekłych:

   1. Ogrzewanie i odparowanie paliwa

   2. Rozkład chemiczny i wstępne utlenianie

   3. Tworzenie się mieszaniny powietrza i paliwa

   4. Zapłon i spalanie się mieszaniny gazowej

8. Najlepsze warunki spalania występuje gdy procesy ogrzewania i odparowania przebiegają jak najszybciej w ilości wystarczającej powietrza. Można to uzyskać gdy będzie zapewnione jak najlepsze rozpylanie paliwa i równomierne rozmieszczenie kropel paliwa w strudze powietrza.

9. Czas spalania pojedynczej kropli oleju

$$\tau = \frac{\rho \bullet q_{p}}{2 \bullet \lambda \bullet (T_{m} - T_{w})} \bullet r^{2}$$

1. Struktura płomienia zmieniona poprzez zawirowacze strugi powietrza

   1. Z perforowaną przesłoną

   2. Z ceramiczną komorą wstępną

      

   3. Z komorą żarową z zawirowaczem

2. Czynniki wpływające na długość płomieni olejowych:

   1. Prędkość przepływu kropel

   2. Czasu spalania kropel

3. Czynniki mające wpływ na spalanie paliw ciekłych:

   1. Dobre rozpylenie paliwa

   2. Szybkie i dokładnie mieszanie się kropel w utleniaczu

   3. Doprowadzenie do płomienia niezbędnej ilości powietrza

   4. Utrzymanie w płomieniu odpowiednio wysokiej temperatury powyżej 1300C

   5. Podgrzewanie paliwa i powietrza

• Wyk ład 4 22 IV 2010

• 1. Cechy dobrego palnika:

     1. Poprawna i stabilna praca bez oderwania i cofania się płomienia w szerokim zakresie zmian obciążenia palnika

     2. Musi zapewniać odpowiednią czystość spalania, niska zawartość tlenków azotów, tlenków węgla i mała ilość sadzy

     3. Duża trwałość i stałość parametrów cieplnych i eksploatacyjnych

     4. Niski poziom hałasu w szczególności dot. palników wentylatorowych

  2. Palnik jest zawsze dobierany do mocy i rodzaju kotła. Dla małych kotłów firmy we własnym zakresie produkują palniki, dla dużych kotłów palniki są produkowane przez wyspecjalizowane firmy.

  3. Podział palników:

     1. Gazowe:

        • Atmosferyczne, pracują w warunkach ciśnienia atmosferycznego są stosowane w kotłach domowych o mocach 80-100 kW, charakteryzują się naturalnym odprowadzeniem spalin przez zimne powietrze, są to palniki kinetyczno-dyfuzyjne

        • Wentylatorowe (in. nadmuchowe) do kotłów o mocach powyżej 100kW, proces mieszania paliwa i powietrza jest wspomagany przez wentylatorowy, są to palniki kinetyczne

     2. Olejowe:

        • Wentylatorowe składają się z dmuchawy, zespołu urządzeń zabezpieczających i sterujących oraz urządzeniem mieszankowym i zapłonowym

  4. Palniki „niebieskie” charakteryzują się mniejszą emisją tlenków azotów od palników tradycyjnych o ok. 30% poprzez zastosowanie ceramicznej rury, w które następuje cyrkulacja spalin, oraz dodatkowego podgrzewania paliwa.

  5. Palniki I stopniowy, pracuje wyłącznie w warunkach nominalnej mocy, generują duże straty, ponieważ w czasie czuwania musi być włączony płomień pilotujący

  6. Palniki II stopniowy, pracuje w zakresie obciążeń 60% i 100%

  7. Palniki III stopniowy, pracuje w zakresie obciążeń 30%, 60% i 100%

  8. Palniki z mocą modulowaną (zmiennym obciążeniem) możemy płynie zmieniać obciążenie w zależności od obciążenia kotła, stosowane w kotłach dużej mocy, wiszących i kondensujących

  9. Źródła wilgoci w spalinach:

     1. Wodór zawarty w paliwie

     2. Wilgoć zawarta w powietrzu podczas procesu spalania

     3. Wilgoć zawarta w paliwie

  10. Kierunki rozwoju palników:

      1. Podwyższenie sprawności spalania mające na celu zużycie jak najmniejszej ilości paliwa poprzez usprawnienie ujednolicenia mieszanki palnej

      2. Rozciągnięcie procesu spalania na dużej powierzchni, np. mikropłomienie

      3. Obniżenie zawartości tlenów azotów poprzez skrócenie czasu przebywania produktu spalania w strefie wysokich temperatur

  11. Parametry brane pod uwagę podczas doboru palnika:

      1. Olejowego:

         • Wydajność palnika

$$\dot{m_{p}} = \frac{Q_{k}}{\eta_{k}H_{i}};\ \frac{\text{kg}}{h}$$

• Tryb pracy kotła

• Rodzaj oleju

• Sposób zasilania palników w olej (instalacja jednorurowa składająca się tylko z przewodu ssawnego, spaliny przechodzą przez filtr olejowy zawarty między palnikiem a zbiornikiem olejowym; instalacja dwururowa składa się z przewodu tłocznego i ssawnego)

• Cechy konstrukcyjne kotła

1. Gazowego:

   • Wydajność palnika

$$\dot{V_{p}} = \frac{Q_{k}}{\eta_{k}H_{i}};\ \frac{m^{3}}{h}$$

• Tryb pracy kotła

• Rodzaj gazu

• Ciśnienie dyspozycyjne gazu

• Wielkość i rodzaj armatury przy kotłowej

• Cechy konstrukcyjne kotła

1. Sprawność nominalna kotła, gdy kocioł pracuje przy 100% obciążeniu, w Polsce sprawność kotła odniesiona jest do wartości opałowej:

   1. Metoda pośrednia

η_k = 100 − q_a − q_s

q_s - strata wynikająca z promieniowania i konwekcji ciepła; 1 ÷ 2%

1. Metoda bezpośrednia

$$\eta_{k} = \frac{\text{moc}\ \text{cieplna}\ \text{kot}la}{\text{moc}\ \text{cieplna}\ \text{doprowadzona}\ z\ \text{paliwe}} = \frac{\dot{m}c_{p}T}{\dot{m_{p}}H_{i}}$$

$\dot{m}$ – strumień wody

$\dot{m_{p}}$ - strumień paliwa

1. Sprawność średnioroczna

η_a = 100 − q_a − q_s − q_b

q_b - strata postojowa kotła wynikająca z gotowości roboczej

$$\eta_{a} = 100 - q_{a} - q_{s} - q_{b} + \left( \frac{H_{s}}{H_{i}} + 1 \right)$$

H_s – ciepło spalania; H_i – wartość opałowa

1. Zużycie paliwa na potrzeby grzewcze

$$B_{\text{CO}} = \frac{Q_{sr}}{\eta_{a}H_{i}} \times b;\ \frac{m^{3}}{h}$$

Q_sr – średnioroczne zapotrzebowanie mocy cieplnej; Q_sr = (0, 5 ÷ 0, 55)Q_CO

Q_CO - obliczeniowe zapotrzebowanie mocy cieplnej

b - ilość godzin pracy palnika w ciągu roku (dla instalacji tradycyjnej b = 2100h, zawory termicznostatyczne b = 1700h, regulacja centralno-pogodowa b = 1700h, centralno-pogodowa i termicznostatyczna b = 1550h)

$$B_{C_{\text{wu}}} = \frac{\text{Mn}c_{w}\left( t_{\text{wk}} - t_{\text{wz}} \right)365}{\eta_{a_{\text{wu}}}H_{i}};\ \frac{m^{3}}{h}$$

M - ilość ciepłej wody zużytej przez jedną osobę w ciągu doby; ok. 50kg

n – ilość osób

$$c_{w} = 4186,8\frac{J}{\text{kg} \times K}$$

t_wk, t_wz – temperatura wody ciepłej i zimnej

η_awu - sprawność średnioroczna w przypadku ciepłej wody użytkowej; 70%

1. Sposoby obniżenia strat postojowych:

   1. Stosowanie wielostopniowych palników

   2. Zastąpienie płomyków rozpalających zapalnikami piezoelektrycznymi

• Wyk ład 5 6 V 2010

• 1. Kotły wodne niskotemperaturowe stanowią podstawowe wyposażenie dla celów grzewczych w siłowniach małych mocy.

     1. Ze względu na materiały konstrukcyjne wyróżniamy kotły wodne:

        • Stalowe

        • Żeliwne

     2. Ze względu na zastosowane palniki w kotłach wodnych:

        • Palniki inżektorowe

        • Palniki nadmuchowe

        • Palniki wentylatorowe

     3. Ze względu na pozycję kotła wodnego:

        • Wiszące

        • Stojące

     4. Ze względu na obieg wody i wyprowadzenie spalin wyróżniamy kotły wodne z obiegiem:

        • Naturalny

        • Wymuszony

  2. Czynniki determinujące rozwój kotłów wodnych:

     1. Polepszenie parametrów energetycznych (głównie związane z poprawą sprawności, zależy nam by sprawność była możliwie jak największa w całym okresie grzewczym, tzw. sprawność średnioroczna; im wyższa sprawność tym mniejsze zużycie paliwa i mniejsze koszty eksploatacyjne)

     2. Ograniczenie zagrożeń dla środowiska naturalnego

  3. Wielkość mocy kotłów wodnych jest w przedziale od kilkudziesięciu kW do kilku MW

  4. Kotły wodne z zespawanym wymiennikiem ciepła są budowane ze stali węglowej lub stali nierdzewnej (stosowanej gdy kocioł pracuje w warunkach kotła kondensacyjnego). Muszą one spełniać odpowiednie parametry związane z nadciśnieniem, wykonuje się próbę wodną, w której kocioł musi wytrzymać ciśnienie 2P, gdzie P – jest to najwyższe dopuszczalne nadciśnienie w kotle. Minimalne ciśnienie dla którego jest wykonana próba wodna to 0,2 MPa. Kotły wodne z zespawanym wymiennikiem ciepła budowane są w dwóch rozwiązaniach konstrukcyjnych:

     1. Płomiennikowe, zasadnicza część wymiennika ciepła składa się z płomieniówek, są to rury przez które przepływają gorące spaliny natomiast na zewnątrz rury są obmywane przez wodę, ciepło od gorących spalin przekazywane jest do wody poprzez płomieniówki, płomieniówki są konstruowane w dwóch wersjach: poziomo lub pionowo, wymiennik ciepła od dołu i góry jest zamknięty tzw. dębicą, w górnej części znajduje się komora spalin, natomiast w dolnej części znajduje się główna powierzchnia komory spalania, w komorze spalania znajduje się kolektor, do którego doprowadzany jest gaz i na tym kolektorze zamontowane są palniki inżektorowe (pracują w warunkach palników kinetyczno-dyfuzyjnych), powietrze doprowadzone jest do komory spalania przez specjalną pokrywę, która znajduje się w dolnej części, ma ona również za zadanie zmniejszenie strat ciepła przez promieniowanie, przy niskich obciążeniach na płomieniówkach często osadza się sadza)

     2. Opłomkowe (składają się z podwójnego płaszcza wodnego, są to rury przez które przepływa woda a spaliny opływają je z zewnątrz i oddają ciepło do wody)

  5. Kotły żeliwne są zbudowane w postaci modułowej, tzn. pojedyncze moduły są skręcane, ilość modułów zależy od mocy kotła, mogą być one instalowane na miejscy w pomieszczeniach gdzie jest mało miejsca, charakteryzują się dużą odpornością na korozję i małą pojemnością wodną, pojedynczy moduł takiego kotła składa się z opłomki, mają dużą masę; natomiast stalowe kotły wodne mają małą masę, ale większą pojemność wodną, głównie jest to decydująca cecha wpływająca na wybór typu kotła.

  6. Kotły kondensujące, coraz częściej stosowane w gospodarstwach indywidualnych ze względu na niską cenę, aby wykorzystać w największym stopniu ciepło zawarte w spalinach musielibyśmy by je schładzać do temperatury jak najniższej, jest to niemożliwe w dwóch sytuacjach:

     1. Gdy odprowadzenie spalin odbywa się w sposób naturalny, ponieważ przy zbyt niskiej temperaturze spalin ciąg naturalny będzie niewystarczający do ich wyprowadzenia na zewnątrz

     2. Gdy temperatura spalin spadnie poniżej określonej wartości, wówczas wilgoć zawarta w spalinach zacznie się skraplać (punkt rosy), jest to niebezpieczne ponieważ wilgoć może połączyć się z CO₂ i SO₂ tworząc kwasy węglowe i siarkowe, które będą powodować korozje elementów kotła, aby się przed tym uchronić musimy utrzymywać temperaturę spalin powyżej temperatury punktu rosy, która wynosi odpowiednio:

        • 57 dla paliw gazowych

        • 47 dla paliw olejowych

          W kotłach kondensacyjnych chodzi o to by jak najniżej obniżyć temperaturę spalin, ponieważ ciepło kondensacji wilgoci, która jest zawarta w spalinach, jest wykorzystywane na dodatkowy zysk ciepła, wielkości odzyskanego ciepła wynika z kaloryczności paliwa i leży w przedziale od 9% do 13% powyżej wartości opałowej, dlatego nominalna sprawność kotła kondensacyjnego jest powyżej 100%, bo sprawność kotła w Polsce jest odniesiona do wartości opałowej. Sprawność kotłów kondensujących nie będzie miała wartości stałej, bo zależy ona od temperatury spalin opuszczających kocioł, która jest zależna od temperatury wody powrotnej do kotła, dlatego kotły te pracują z możliwie jak najniższą temperaturą wody powrotnej do kotła ok. 40, temperatura ta jest uwarunkowana przez moc cieplną kotła i warunki cieplne. W związku z tym wymienniki ciepła zainstalowane w kotłach kondensujących mają dużo większą powierzchnię niż w standardowych kotłach. Strat promieniowania kotłów kondensujących jest niska, ponieważ pracuję on przy niskich temperaturach wody i spalin. Sprawność zależy głównie od stopnia obciążenia kotła i od temperatury zewnętrznej. W tych kotłach musi być zastosowane wyprowadzenie spalin w sposób wymuszony, jest to pewną zaletą bo kotły te mogą być instalowane w dowolnych miejscach, kotły typowe z naturalnych obiegiem muszą być instalowane w jak najniższych poziomach, budynku głównie w piwnicy.

  7. Kotły przepływowe, jest to taki kocioł w którym woda przepływa jednokrotnie, charakteryzują się małą pojemnością wodną, kotły te pracują wyłącznie w obiegu wymuszonym wody, żeby nie zaistniała możliwość przepalenia wymiennika ciepła, który znajduje się w kotle. Kocioł taki składa się głównie z: wymiennika ciepła, pompy obiegowej, palnika, do którego ilość paliwa jest sterowana przez zawór membranowy, który jest regulowany przez ilość spadku ciśnienia na rurociągu przez który przepływa woda czyli w zależności od mocy cieplnej. Kotły przepływowe mogą być dwu funkcyjne, tzn. oprócz celów grzewczych, kocioł podgrzewa również ciepłą wodę użytkową poprzez dodatkowy wymiennik ciepła woda-woda.

  8. Charakterystyka nowoczesnych kotłów wodnych:

     1. Podział kotłów ze wzg. na sposób regulacji mocy: wyróżniamy kotły z palnikami
        1, 2, 3-stopniowymi i palnikami modulowanymi

     2. Podział kotłów ze wzg. na moc:

        • 4 – 65 kW (palniki jednostopniowe; pracują wyłącznie z nominalnym obciążeniem lub modulowane; głównie w kotłach kondensujących i przepływowych)

        • 72 – 1750 kW (palniki dwustopniowe lub modulowane)

        • 1860 kW – 15 MW (palniki modulowane)

     3. Podział kotłów ze względu na temperaturę wody powrotnej, nie ma potrzeby ochrony kotłów małej mocy przed zbyt niską temperaturą wody powrotnej, chronimy je wyłącznie przed niską temperaturą w samym kotle, która odbywa się przez automatykę samego kotła a dokładniej przez pracę palnika – tryb włączania i wyłączania; natomiast w kotłach średniej i dużej mocy ze wzg. na konstrukcje tych kotłów pracują z większa pojemnością wody, dlatego oprócz ochrony samej wody w kotle muszą być zastosowana dodatkowa ochrona przed zbyt niską temperaturą wody powrotnej do kotła. Dla kotłów średniej i dużej mocy minimalna temperatura wody w kotle zależy od typów kotła i rodzajów spalanego paliwa

     4. Podział kotłów ze względu na maksymalną temperaturę wody na wyjściu z kotła: do 100 i powyżej 110. Granica maksymalna temperatury osiąganej w kotle zabezpieczana przez ogranicznik STB, gdy kocioł osiągnie zbyt wysoką temperaturę wody w kotła, następuje wyłączenie palnika. Granica dopuszczalnej temperatury pracy instalacji grzewczej jest regulowana przez termostat współpracujący z palnikiem, musi ona uwzględniać pojemność i bezwładność kotła, jak również typ i rodzaj kotła. Różnica temperatury pomiędzy STB a termostatem nie może być mniejsza niż 15.

  9. Elementy brane pod uwagę w przypadku projektowania kotła wodnego:

     1. Możliwość montażu kotła w pomieszczeniu kotłowni

     2. Aspekt ekonomiczny inwestycji

     3. Współpraca z układem grzewczym

     4. Wymagana moc cieplna (zarówno maksymalna, jak i przeciętna)

     5. Kryteria priorytetu doprowadzenia ciepła przy ograniczonej temperaturze wody na powrocie

     6. Warunki zabudowy, sposób odprowadzenia spalin (naturalny czy wymuszony)

     7. System automatycznej regulacji

     8. Instalacja grzewcza, pojemność oporów przepływu

     9. Możliwość rozbudowy instalacji cieplnej

     10. Możliwość zmiany paliwa

     11. Czynności konserwujące, łatwy dostęp do kotłowni, względy bezpieczeństwa

• Wyk ład 6 20 V 2010

• 1. Budując kotłownie należy w sposób racjonalny dobrać moc cieplną i rodzaj kotła, który będzie spełniał warunki związane z naszymi potrzebami:

     1. Najniższe temperatury to zaledwie 10% całego okresu grzewczego. Należy tak dobra moc cieplną kotła by pracował w jak najdłuższym okresie grzewczym z mocą nominalną kotła. Moc cieplna może być dobrana w zależności od strat cieplnych budynku lub na podstawie wskaźników:

Q_CO = A • q

Przez ok. 5000 godzin w ciągu roku temperatura w Polsce jest powyżej 0 co stanowi 82%, dlatego przez większość czasu kocioł pracuje z niedociążeniem, co oznacza że będą krótkie czasy pracy palnika, tzn. że temperatura spalin opuszczająca kocioł będzie odpowiednio niska, dlatego możliwe jest że w tym okresie temperatura spalin może spaść poniżej punktu rosy, co może powodować korozję i osadzanie się sadzy na przewodach kominowych.

1. Dobranie kotła z większą mocą niż jest wymagane powoduje zwiększenie strat, bo przez jeszcze większy czas niż przy prawidłowo dobranym kotle, kocioł będzie pracował z nieobciążeniem

2. Zagrożenia wynikające z przewymiarowaniem kotła:

   • Wzrost kosztów ogrzewania, bo sprawność ulega znacznemu obniżeniu, przez co zwiększa się zużycie paliwa i wzrost kosztów eksploatacyjnych

   • Zmorzona kondensacja pary wodnej w przewodzie kominowym

3. Wpływ stopnia wykorzystania kotła na koszt ogrzewania:

   • Stałe, nie zależą od sprawności średniorocznej :

     Koszt kapitałowe, inwestycyjne wynikające z budowy i instalacji kotłowni

   • Zmienne:

     Nakłady, które musimy ponieść na całą eksploatacje, koszty paliwa i koszty utrzymania

4. Koszty jednostkowe rosną wraz z niedociążeniem kotła, by utrzymać na jak najniższym poziomie ten koszty, kocioł musi pracować z najwyższym stopniem wykorzystania kotła

5. Im wyższa temperatura punktu rosy tym gorzej dla kotła, ponieważ rośnie strata kominowa, gdyż temperatura spalin wylotowych musi być wyższa, wraz ze wzrostem CO₂ w spalinach, rośnie temperatura punktu rosy. Natomiast im wyższa wartość współczynnika nadmiaru powietrza, tym niższa jest temperatura punktu rosy na skutek rozcieńczenia. Silne wykroplenie spalin występuje w stanie nierównowagowych pracy kotła, np. podczas uruchomienia kotła, przy częstych wyłączeniach kotła, gdy kocioł będzie pracował z niedociążeniem.

6. Zabezpieczenia przed zjawiskiem korozji powierzchni ogrzewanych kotła:

   • Ograniczenie skutków kondensacji (bloki wodne ogrzewane są z materiałów odpornych na korozje, specjalne żeliwa grafitowe, stale nierdzewne, powłoki ceramiczne)

   • Eliminowanie przyczyn (pewne rozwiązania technicznych, polegające na zastosowaniu rozdziału pomiędzy wodą i spalinami poprzez zastąpienie powierzchni jednowarstwowej, powierzchniami dwuwarstwowymi, najczęściej żeliwo-stal, w takich warunkach kocił nie będzie kondensował i będą niższe temperatury spalin wylotowych, a tym samym będzie niższa strata wylotowa i jednocześnie ulegnie wydłużeniu okres pracy przy wyższych obciążeniach kotła, co zwiększa sprawność kotła.

7. Przy doborze ilości kotłów musi uwzględnić zapotrzebowanie na moc wszystkich urządzeń, które będą współpracowały z kotłownią, np. centralne ogrzewanie, ciepła woda użytkowa, klimatyzacja oraz uwzględnić zmienność potrzeb cieplnych, przy pomocy krzywej stopnia dni, którą można uzyskać od instytutu metrologicznego, możemy określi ilość dni pracy kotła z określoną mocą. Dla małych instalacji występuje zazwyczaj jeden kocioł, dla większych mamy od 2 do 4 kotłów. Kotły rezerwowe są instalowane głównie ze względu na bezpieczeństwo w razie awarii pierwszego kotła, stosowane np. w szpitalach. Przy doborze kotła bierze się pod uwagę charakterystykę sprawności kotła w zależności od obciążenia, unika się kotłów , które mają bardzo stromą charakterystykę wraz ze zmianą obciążenia.

8. Kryteria doboru kotła:

   • Zakres potrzeb (kocioł do celów grzewczych, do celów grzewczych i ciepłej wody użytkowej, itp.)

   • Czy będziemy mieli do czynienia jedno czy dwu kondygnacyjnej (chodzi o to czy układ będzie ze wspomaganiem czy z obiegiem naturalnym)

   • Możliwość wykonania instalacji

   • Możliwość lokalizacji kotła (dla pomieszczeń małych, trudno dostępnych stosuje się kotły, które można montować na miejscu – kocioł żeliwny)

   • Lokalizacja instalacji kominowej (warunki odprowadzenia spalin w sposób naturalny lub wymuszony, głównie w kotłach kondensacyjnych gdzie spalin mają bardzo niskie temperatury, czyli mają dużą gęstość i są duże opory przepływu stosuje się obieg wymuszony)

   • Dostawa energii elektryczne (gdy jej nie ma, nie można zastosować urządzeń wspomaganych)

   • Możliwość składowania i doprowadzania paliwa