Zjawisko kondensacji pary wodnej.
Zjawisko związane z kondensacją pary wodnej powstającej w procesie spalania znane w teorii jest już od dawna. Duży potencjał energii cieplnej (ok. o 11%), który w procesie spalania był dotychczas odprowadzany wraz ze spalinami i bezpowrotnie tracony powodowało, iż stale czyniono starania w kierunku jego wykorzystania Sama idea jest prosta i polega na tym, aby przynajmniej część ciepła zawartego w spalinach odzyskano poprzez schłodzenie i wykroplenie pary wodnej w produktach spalania. Jednak wykorzystanie tego procesu w kotłach grzewczych okaże się trudne do pokonania przez około 100 lat.

W każdym procesie spalania jako produkt reakcji powstaje przede wszystkim dwutlenek węgla oraz para wodna. W przypadku gazu ziemnego wygląda to następująco:
Przedstawiając to w wielkim uproszczeniu można przyjąć, iż z 1m3 gazu i 2m3 tlenu powstaje w przybliżeniu około 1 m3 dwutlenku węgla oraz 2m3 pary wodnej.
Tak więc spaliny powstające w gazowym kotle grzewczym składają się w dużej części z pary wodnej. Ma ona temperaturę przekraczającą 1000C i zawiera z związku z tym dużą porcję energii cieplnej.
Można to zilustrować następującym przykładem:
Jeśli chcemy zamienić w parę 1 litr podgrzanej wody wstępnie do 1000C, trzeba dodatkowo dostarczyć jeszcze 600Wh energii. Energia ta jest potrzebna po to, aby zamienić wodę z fazy ciekłej w fazę gazową. Nie przyczynia się ona jednak do podwyższenia temperatury wody, ponieważ nie jest odczuwalna. Stąd też ta część energii nazywa się ciepłem utajonym lub ukrytym.

W tradycyjnych urządzeniach grzewczych ciepło utajone “ucieka” wraz ze spalinami przez komin na zewnątrz i tam zostaje bezpowrotnie stracone. Teoretycznie nie jest problemem wykorzystanie części ciepła “uciekającego” z par wodnych. W praktyce nie jest to jednak wcale takie łatwe.

Jeśli schłodzi się parę wodną w takim stopniu, że na powrót zamieni się w wodę, wyzwala się przy tym duża ilość ciepła. Ciepło to nazywa się “ciepłem kondensacji”. Para wodna skrapla się i opada w postaci kropli, podobnie jak zimne krople wody na zimnych szybach okiennych, Krople te nazywane są kondensatem.

I dokładnie taki proces zachodzi w kotłach kondensacyjnych. Gorące spaliny schładzane są do temperatury punktu rosy (poniżej 570C; para wodna ulega kondensacji. Uwalniane jest przy tym ciepło kondensacji, które wykorzystywane jest do celów grzewczych.
Wykorzystanie tego ciepła wymaga jednak rozwiązania kilku problemów technicznych:
• wykraplający się kondensat nie może opadać swobodnie, ponieważ spowodowałoby to określone zakłócenia w pracy kotła (palnika),
• należy zapewnić odpowiednie środki pozwalające na bezproblemowe odprowadzenie kondensatu z instalacji,
• wszystkie elementy wchodzące w kontakt z wykraplającym się kondensatem nie mogą być wrażliwe na wilgoć i korozję,
• ponieważ spaliny wychodzące z kotła są tak silnie schłodzone, naturalna siła ich wyporu nie jest wystarczająca, co powoduje, że urządzenia kondensacyjne muszą być wyposażone w wentylatory spalin lub dmuchawę powietrza.
Zwiększenie sprawności
Prawie całkowite wykorzystanie ciepła spalania podnosi sprawność średnioroczną urządzeń kondensacyjnych -w stosunku do kotłów nieskotemperaturowych około 15-20%. Uzyskuje się to dzięki dodatkowemu odzyskowi ciepła, będącego wynikiem kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach. Oszczędności w stosunku do kotła tradycyjnego mogą dochodzić nawet do 50%. Jest to szczególnie ważne w okresie stale wzrastających cen nośników energetycznych. Specjalne konstrukcje kotłów kondensacyjnych pozwalają na obniżenie temperatury spalin poniżej 500C. W nowoczesnych kotłach niskotemperaturowych temperatura ta nie spada nigdy poniżej 110-1300C, tak więc znaczna część ciepła jest nie wykorzystywana i odprowadzana wraz ze spalinami. Dlatego ze względu na prawidłowe porównanie sprawności różnych typów kotłów, urządzenia kondensacyjne charakteryzują się sprawnością powyżej 100%.

Zalety gazu w technice
spalania kondensacyjnego.
Prawie wszystkie z oferowanych dotychczas urządzeń kondensacyjnych są urządzeniami gazowymi. Wynika to ze szczególnych właściwości gazu ziemnego jako źródła energii:
• udział pary wodnej w spalinach uzyskiwanych przy spalaniu gazu ziemnego jest największy w porównaniu z innymi paliwami. W związku z tym można odzyskać stosunkowo dużo energii cieplnej,
• gaz ziemny zawiera bardzo mało siarki. Łatwa jest dzięki temu neutralizacja kondensatu,
• tam gdzie nie ma możliwości stosowania gazu ziemnego, w pierwszej kolejności należy sięgnąć po gaz płynny - propan.

Rozwój techniki kondensacyjnej
Kotły kondensacyjne nie są rozwiązaniem zupełnie nowym. Zasady ich działania znane są już od ponad 100 lat. Ich praktyczne wykorzystanie rozpoczęło się przed około 30 laty wraz z ich zastosowaniem przy podgrzewaniu wody w basenach - kotły “Recitherm”. W konstrukcji tej przeprowadzone jest “rozklapanie” wody w kierunku przeciwnym od kierunku odprowadzenia spalin. Występująca przy tym wymiana ciepła pomiędzy wodą a spalinami powoduje, że spaliny schładzane są do punktu rosy, a znajdująca się w nich para wodna ulega wykropleniu.

Przy urządzeniach spalinowych tego typu przekazywanie ciepła odbywa się jednostopniowo - aż do momentu uzyskania kondensacji. Wymiary urządzenia ulegają dzięki temu znacznemu zmniejszeniu. Woda powrotna z instalacji przepływa przez wymiennik ciepła w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu gazów spalinowych. W bezpośrednim obszarze promienia podgrzana woda ponownie opuszcza urządzenie i zasila instalację. W konstrukcji tej cały blok urządzenia musi być wykonany z materiału odpornego na korozję. Palnik jest tak usytuowany, aby strumień spalin kierowany był w dół. Wykraplający się kondensat nie może zatem opadając zagrozić prawidłowej pracy palnika. Dmuchawa służy do stworzenia wyporu spalin znajdujących się tutaj po stronie powietrza doprowadzonego do spalania.
Systemy odprowadzania spalin.
Systemy spalinowe do kotłów kondensacyjnych eksploatowane są zazwyczaj w nadcisnieniu. Ze względu na spadający kondensat muszą być szczelne, a także odporne na korozję i w określonym zakresie na temperaturę spalin. Obecnie wykonuje się je z tworzywa sztucznego, stopów aluminium, stali stopowych, ceramiki oraz ze specjalnego rodzaju szkła.
Przewody spalinowe odporne na wilgoć wprowadzane są zazwyczaj do istniejących kominów lub do specjalnie wykonanych w tym celu szybów. Dlatego też rozwiązanie to przydatne jest w nowym budownictwie, jak również przy modernizacji instalacji grzewczej w starych budynkach. Istnieje rozwiązanie tzw. podwójnej rury, gdzie dwa koncentrycznie umieszczone przewody (spalinowy i doprowadzenia powietrza) zastępują dotychczasowe kominy murowane.

Szczególnie korzystne
systemy niskotemperaturowe.
Idealny zakres zastosowań dla kotłów kondensacyjnych stanowią systemy grzewcze niskotemperaturowe, z temperaturami zasilania i powrotu wynoszącymi 40/300C. W przypadku tym w całym okresie grzewczym kocioł pracuje w warunkach zapewniających kondensację spalin. Również przy temperaturach wyższych osiąga się pracę kotła w kondensacji przez 85% okresu grzewczego.
Instalacje grzewcze w starym budownictwie przystosowane są do jeszcze wyższych temperatur (90/700C). W wyniku zastosowanych przewymiarowanych grzejnikow lub ewentualnych działań wpływających na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło (izolacja cieplna, poprawienie szczególnie stolarki okiennej) również tego typu instalacje przez duży czas okresu grzewczego mogą pracować w zakresie niskich temperatur, pozwalających wykorzystać efekt kondensacji pary wodnej ze spalin.
Najwyższa sprawność w okresie przejściowym.
W przeciwieństwie do kotłów tradycyjnych i niskotemperaturowych, kotły kondensacyjne osiągają najwyższe sprawności nie w zakresie temperatur bardzo niskich, lecz w zakresie zewnętrznych temperatur przejściowych leżących w granicach +10 i -50C i przy obciążeniu cieplnym kotła w granicach 20 -80%. Ponieważ takie warunki pracy występują najczęściej, osiągana jest bardzo wysoka sprawność średnioroczna. Do wysokiej sprawności średniorocznej przyczyniją się również bardzo niskie straty postojowe wynoszące od 0,2 do 2%.

Budowa kotłów kondensacyjnych.
Kotły kondensacyjne różnią się od kotłów konwencjonalnych przede wszystkim tym, że powierzchnia stosowanego w nich wymiennika ciepła jest dostosowana do ciągłej pracy w warunkach kondensacji. Większość tych urządzeń wyposażona jest w dwa wymienniki. Pierwszy z nich schładza spaliny podobnie jak w kotłach tradycyjnych powyżej punktu rosy, w drugim następuje dalsze schłodzenie do temperatury poniżej punktu rosy. Stosowane są przy tym różne rozwiązania rozmieszczenia wymienników i ich konstrukcji.

inż. Günter Schlagowski