Znaczenie Punktu Rosy i Skuteczne Zabezpieczenie Temperatury Powrotu Kotła

Dlaczego warto zwrócić uwagę na Punkt Rosy oraz jak efektywnie zabezpieczyć Temperaturę Powrotu Kotła.

Czym jest punkt rosy? 

W procesie spalania paliw stałych, takich jak drewno czy węgiel, punkt rosy odgrywa istotną rolę, wpływając zarówno na efektywność, jak i środowiskowe aspekty tego procesu. Zanim jednak zagłębimy się w szczegóły, warto zdefiniować, czym właściwie jest punkt rosy.

Punkt rosy to temperatura, przy której para wodna w spalinach kondensuje się, przechodząc ze stanu gazowego w ciekły. W kontekście spalania paliw stałych, zwłaszcza drewna, punkt rosy jest kluczowym parametrem, który ma istotny wpływ na efektywność procesu i emisję substancji szkodliwych.

Znaczenie punktu rosy w procesie spalania 

1. Efektywność cieplna: Punkt rosy jest ściśle związany z efektywnością cieplną kotła czy kominka. W przypadku, gdy spaliny kondensują, uda się odzyskać dodatkową ilość energii z pary wodnej, co zwiększa ogólną wydajność systemu grzewczego.

2. Ochrona przed korozją: Kontrolowanie punktu rosy ma kluczowe znaczenie dla minimalizowania ryzyka korozji w instalacji grzewczej. Unikanie kondensacji wodnej w kominie czy wymienniku ciepła przeciwdziała powstawaniu korozji, co przekłada się na dłuższą żywotność urządzenia.

3. Redukcja emisji substancji szkodliwych: Odpowiednie zarządzanie punktem rosy pozwala ograniczyć emisję zanieczyszczeń do atmosfery. Unikanie kondensacji pary wodnej pomaga utrzymać proces spalania na odpowiednio wysokiej temperaturze, co sprzyja redukcji emisji substancji szkodliwych. 

Jak kontrolować punkt rosy? 

1. Odpowiedni wybór paliwa: Wybór odpowiedniego paliwa ma kluczowe znaczenie. Paliwa o niższej wilgotności, takie jak dobrze sezonowane drewno, mają mniejszy wpływ na kondensację pary wodnej.

2. Dostosowanie parametrów spalania: Sterowniki kotłów czy kominków często pozwalają na dostosowanie parametrów spalania, co umożliwia kontrolowanie punktu rosy.

3. Regularne czyszczenie i konserwacja: Regularne czyszczenie kanałów spalinowych oraz konserwacja urządzenia są kluczowe dla utrzymania optymalnych warunków pracy, co wpływa na kontrolowanie punktu rosy.

Zabezpieczenie temperatury powrotu kotła 

Temat poruszany głównie w kontekście kotłów stałopalnych stalowych bo tam najczęściej roszenie się kotła generuje problemy i straty. Temat dotyczy również kotłów żeliwnych, ale te konstrukcje są dużo trwalsze więc problem korozji nie jest tak odczuwalny.

Jakim cudem w kotle od strony płomienia pojawia się „woda”? 

Dla osób spoza branży grzewczej, pojęcie "wody" w kotle od strony płomienia może brzmieć abstrakcyjnie, jakby wynikało z przecieku. Przecież tam, gdzie jest płomień, trudno sobie wyobrazić obecność wody, a tym bardziej jej "cudowne zmaterializowanie".

Dla tych, którzy posiadają podstawową wiedzę na temat kotłów kondensacyjnych, wiadomo, że istnieją kotły specjalnie zaprojektowane do kondensacji pary wodnej, co przekłada się na ich większą efektywność ekonomiczną. W kontekście kotłów kondensacyjnych dowiadujemy się również, że kondensat, czyli nasza "woda", ma odczyn kwasowy. Nawet przy ograniczonej wiedzy można zauważyć, że to zjawisko może stwarzać pewne wyzwania dla niektórych kotłów.

O co tak naprawdę chodzi? 

Jeżeli przyłożymy zimne lusterko do gorącej pary wodnej wydobywającej się z czajnika, natychmiast na powierzchni lusterka zobaczymy kondensację pary wodnej, która zamieni się w krople i zacznie spływać po jego tafli. To powszechne zjawisko, które znajduje zastosowanie m.in. w higrometrach kondensacyjnych.

Kondensacja pary wodnej zachodzi w określonych warunkach temperatury punktu rosy, zależnej od wilgotności powietrza i temperatury. Jednak w przypadku kotłów ogrzewających jest to złożony proces, ponieważ różne obszary wymiennika mają różne temperatury, a gazy w kotłach mają zróżnicowane stężenia w różnych obszarach. Para wodna, o której mówimy potocznie, to tak naprawdę para zawierająca różne związki chemiczne, co sprawia, że występują różne temperatury punktu rosy dla tych związków.

Różnorodność zmiennych sprawia, że precyzyjne określenie temperatury, przy której unikniemy kondensacji w kotle, jest trudne. Jednakże wiemy, że w pewnych warunkach wewnątrz kotła może występować kondensacja z dodatkowymi związkami. Co więc możemy zrobić i dlaczego?

Dlaczego zjawisko kondensacji może stanowić zagrożenie dla kotła? 

Spaliny zawierające różne związki chemiczne, szczególnie dwutlenek siarki (SO2) i trójtlenek siarki (SO3), stanowią potencjalne niebezpieczeństwo dla kotła. W przypadku niskotemperaturowego użytkowania kotłów stałopalnych, gdzie spaliny mogą być zdławione, a żar przetrzymywany przez długi czas, nasycenie spalin trójtlenkiem siarki wzrasta. Kiedy trójtlenek siarki łączy się z wodą, tworzy kwas siarkowy (H2SO4), który jest bardziej agresywny od kwasu siarkawego (H2SO3).

Spalanie gazu w efekcie kondensacji generuje skropliny o kwaśnym odczynie (około 4-5 pH). Z jednego metra sześciennego gazu ziemnego w kotle kondensacyjnym uzyskujemy około 1,5 litra kwasu siarkowego. To ilustruje skalę problemu. Przy zasypywaniu kotła mokrym węglem, miałem lub niesezonowanym drewnem ilości skroplin mogą znacznie wzrosnąć. Warto zastanowić się nad tym, gdy zasypujemy kocioł węglowy wilgotnym paliwem z dużą zawartością siarki, ustawiając jednocześnie dopływ powietrza tak, aby kocioł pracował przy niskich temperaturach (około 45°C), co może sprzyjać kondensacji.

Takie warunki to idealne środowisko do korozji kotła, szczególnie jeśli został on wykonany zwykłej blachy stalowej lub żeliwa. Materiały te są podatne na korozję w kontakcie z powietrzem i wodą, a fakt, że kondensat w kotle jest kwasem, tylko zwiększa ryzyko tego problemu. Eksploatacja kotła w warunkach sprzyjających gromadzeniu się skroplin to pewny sposób na przyspieszone zużycie kotła. Opinie i historie użytkowników kotłów różnią się, ale na forach internetowych można znaleźć relacje o kotłach rdzewiejących po kilku latach, jak i te, które wytrzymały dłużej przy pracy na niskich temperaturach.

Kocioł to tylko początek wyzwań związanych z kondensacją

Spaliny, przechodząc przez kocioł, ulegają schłodzeniu, a następnie przedostają się przez czopuch do komina, gdzie proces schładzania trwa dalej. Tutaj spotykamy się z tymi samymi problemami związanymi z kondensacją.

Jeśli nasz kocioł będzie ogrzewał system zbyt nisko, to efekt końcowy spalin będzie miał na tyle niską temperaturę, że w kominie będzie dochodziło do kondensacji pary wodnej oraz substancji obecnych w spalinach. Innymi słowy, grozi nam zalewanie komina kwasem.

Nieraz spotkałem stare budynki z kominami nasączonymi substancją przypominającą smołę. Rozbiórka komina wewnątrz budynku i ponowne złożenie go od podstaw to prawdziwe wyzwanie i wiąże się z dodatkowymi kosztami. Źródłem tych problemów jest często brak uwagi dla punktu rosy. W dzisiejszych czasach mamy do czynienia z różnymi rodzajami kominów, a niektóre z nich są odporne na kwaśne skropliny. Warto więc zastanowić się nad tym, zarówno przy budowie kotłowni, jak i późniejszej eksploatacji.

Czasem utrzymanie wyższej temperatury spalin w kominie to koszty, które opłacają się w dłuższej perspektywie.

Kiedy kondensacja pary wodnej jest korzystna, a kiedy szkodliwa? 

Bez wątpienia kondensacja kotłów jest korzystna, gdy mamy do czynienia z kotłem kondensacyjnym. Elementy wymienników i systemów kominowych takich kotłów są wykonane z materiałów odpornych na korozję związaną z kwaśnym odczynem skroplin. Wymienniki kotłów kondensacyjnych zazwyczaj wykonuje się ze stali szlachetnej lub stopu aluminium i krzemu (AL-SI).

Mimo że aluminium jest odporne na niskie pH, trzeba pamiętać, że jest to materiał wymagający pod względem jakości wody kotłowej. Instrukcje producentów często zawierają restrykcyjne kryteria dotyczące parametrów wody kotłowej, a więc warto zwrócić uwagę na zalecenia producentów. Rekomendowane jest stosowanie demineralizowanej wody (Kampex 2.0) i inhibitora korozji Sentinel X100. Zadbanie o odpowiednią jakość wody to kluczowy element, aby uniknąć drogich błędów eksploatacyjnych.

Zjawisko kondensacji może zaszkodzić kotłowi, gdy... czekamy zbyt długo. Najbardziej narażone na korozję są kotły stalowe z blachy węglowej lub kotłowej (co nie ma znaczenia dla korozji). Kotły z grubszej blachy, przy porównywalnej jakości wykonania i warunkach pracy, wytrzymają zazwyczaj dłużej. Jednak konstrukcja i obszary, gdzie może gromadzić się sadza i skropliny, również wpływają na żywotność kotła. Dlatego ważne jest, aby zadbać o kotłownię, a także unikać kondensacji w kotłach, które nie są przeznaczone do tego celu.

Jak ocenić, czy warto zabezpieczyć kocioł? Przyjrzyjmy się przybliżonym szacunkom dla kotłów stałopalnych:

• Strata kominowa wynosi około 1% na każde 15-20°C zmiany temperatury spalin. Zwiększenie temperatury spalin o 100°C zwiększy straty kominowe o 5-7%.

• Kocioł pracujący z pełną mocą może mieć większą sprawność o kilkadziesiąt procent w porównaniu z trybem ze zduszonym płomieniem. Przyjęte założenie o różnicy w sprawności wynoszącej 20-30% jest skromne, a w rzeczywistości różnica może być znacznie większa.

Praca na pełnej mocy wymaga odpowiedniego bufora ciepła. Załóżmy, że dysponujemy budżetem 4-5 tys. złotych na bufor i zabezpieczenie temperatury powrotu, a koszt sezonu grzewczego wynosi około 4 tys. zł.

Załóżmy, że posiadamy prosty, ale solidny kocioł stalowy o wartości 4 tys. zł.

Kocioł bez zabezpieczenia temperatury powrotu i bez bufora wytrzyma 6 lat, podczas gdy kocioł w instalacji z zabezpieczeniem powrotu i buforem, pracujący w optymalnych warunkach, wytrzyma dwukrotnie dłużej, czyli 12 lat."

Mamy wiele wyliczeń... 

Według naszych założeń, sprawność optymalnie eksploatowanego kotła, mimo większej straty kominowej, przyniesie oszczędności na paliwie rzędu około 25%, co oznacza roczne oszczędności w wysokości około 1 tys. złotych. Bufor zwróci się w około 4-5 lat. Kocioł w zabezpieczonym układzie wytrzyma około 12 lat. W tym czasie źle zabezpieczony kocioł trzeba będzie wymienić raz. Porównajmy oba warianty w perspektywie 12 lat, włączając wariant tylko z zabezpieczeniem temperaturowym kotła bez bufora.

1. Wariant 1: Kocioł bez zabezpieczeń temperatury powrotu i bez bufora ciepła. Przez 12 lat płaciliśmy za opał 4 tys. zł rocznie, co łącznie daje 48 tys. zł. Po 6 latach przerdzewiał nam kocioł, a koszt wymiany na taki sam wyniósł skromnie licząc 7 tys. złotych. Całkowity koszt na 12 lat to około 55 tys. złotych.

2. Wariant 2: Kocioł z zabezpieczeniem temperatury powrotu i z buforem ciepła. Wydaliśmy dodatkowe 5 tys. złotych na bufor i osprzęt z zabezpieczeniem. Przez 12 lat płaciliśmy za opał 3 tys. zł rocznie, co łącznie daje 36 tys. zł. Po 6 latach kocioł nie przerdzewiał, więc uniknęliśmy sytuacji nerwowej i związanych z tym kosztów. Całkowity koszt na 12 lat to około 41 tys. złotych.

3. Wariant 3: Kocioł z zabezpieczeniem temperatury powrotu, ale bez bufora ciepła. Wydaliśmy około 600 złotych na zabezpieczenie temperatury powrotu. Przez 12 lat płaciliśmy za opał 4 tys. zł rocznie, co łącznie daje 48 tys. zł. Po 6 latach kocioł nie przerdzewiał, uniknęliśmy nerwowej sytuacji i związanych z tym kosztów. Całkowity koszt na 12 lat to około 48 tys. złotych i 600 złotych.

To nadal ponad 4 tys. zł, ale zdecydowanie zaoszczędzone nerwy i czas. Gdybyśmy uwzględnili droższy kocioł za około 10 tys. zł, niezastosowanie zabezpieczenia powrotu byłoby bardzo kosztownym grzechem. Dodatkowo, gdyby kwaśne skropliny zniszczyły nam komin, dodatkowe straty byłyby przytłaczające. Gdybym miał kocioł stałopalny stalowy, nie zastanawiałbym się nawet minuty nad tym, czy zastosować zabezpieczenie temperatury powrotu. Zdecydowanie również zastosowałbym bufor ciepła, ponieważ to znacznie zwiększa komfort eksploatacji i ekonomikę kotła.

Jak efektywnie zabezpieczyć kocioł przed kondensacją? 

Istnieje kilka rozwiązań zabezpieczeń przed kondensacją w kotłach stałopalnych, w tym stosowanie zaworów trójdrożnych, czterodrożnych sterowanych napędami i prostych regulatorów. Osobiście uważam, że najlepsze są rozwiązania proste, ale skuteczne. Dlatego postawiłbym na poniższe rozwiązanie.

W dużym uproszczeniu, instalacja kotła stałopalnego z zabezpieczeniem temperatury powrotu opiera się na wykorzystaniu zaworu temperaturowego podobnego do tego, jakiego używa się w układzie antykondensacyjnym MPM55. Dodatkowo, stosuje się połączenie bufora ciepła pomiędzy kotłem a instalacją centralnego ogrzewania. Bufor ciepła pełni również rolę „dużego” sprzęgła hydraulicznego, co umożliwia łatwe wpięcie obiegu kotła z bardziej rozbudowanymi instalacjami, działającymi na kilku obiegach pompowych.

Trzy etapy funkcjonowania kotła z zabezpieczeniem temperatury powrotu 

Jakie procesy zachodzą podczas uruchamiania zimnego kotła i rozpoczynania jego pracy? Podczas rozpalania kotła, pompa zaczyna pracować, a woda płynie. W chwili uruchomienia, w kotle mamy zimną wodę, co oznacza, że kocioł pracuje na początku poniżej punktu rosy, co skutkuje skraplaniem kondensatu na jego wymienniku. Ten etap jest nieunikniony, chyba że zainstalowalibyśmy system elektrycznego podgrzewu kotła, podobny do tych stosowanych w samochodach w krajach skandynawskich, które są podgrzewane elektrycznie w ekstremalnych mrozach. Jednak celem jest skrócenie okresu pracy poniżej punktu rosy do minimum.

Poniżej przedstawione są trzy kolejne fazy pracy zaworu termostatycznego trójdrożnego, który chroni temperaturę powrotu kotła.

Faza 1 – Uruchamianie i podgrzewanie kotła

Rozpoczynamy pracę zimnego kotła. Temperatura w kotle jest zbliżona do temperatury w kotłowni, np. 15°C. Nasza ustawiona temperatura na zaworze antykondensacyjnym wynosi np. 55°C. Zawór posiada przyłącza do wody gorącej, zimnej i wyjścia z wodą zmieszaną o temperaturze ustawionej. Kolory kropek na schemacie oznaczają odpowiednie przyłącza.

W chwili uruchomienia kotła temperatura elementu termostatycznego wynosiła 15°C. Zawór, zmierzając do uzyskania na wyjściu 55°C, jest ustawiony na przepuszczanie wody gorącej i zamyka dolot wody zimnej. Woda pompowana przez pompę, bez dodatkowego schładzania się w instalacji czy buforze, jest przekierowywana przez zawór z powrotem do kotła. Cała energia z procesu spalania jest zużywana na podgrzanie kotła do temperatury powyżej punktu rosy.

Faza 2 – Przekraczanie temperatury punktu rosy

W chwili, gdy element termostatyczny osiąga zadaną temperaturę, rozpoczyna się stopniowe regulowanie przepływu w zaworze. Stopniowo otwiera się dopływ wody zimnej i równocześnie stopniowo ogranicza dopływ wody gorącej. W wyniku tej zmiany pewna ilość gorącej wody z kotła kierowana jest do bufora lub instalacji, jednocześnie powoli wprowadzamy do kotła wodę o niższej temperaturze z bufora lub instalacji. Kocioł nadal się podgrzewa, a im wyższa jest jego temperatura, tym większa ilość chłodnej wody przez mieszacz jest do niego kierowana.

Faza 3 – Ładowanie bufora ciepła centralnego ogrzewania

Kocioł i bufor osiągnęły dostateczną temperaturę, co powoduje, że zawór termostatyczny na wylocie jest ustawiony na przepuszczanie wody z przyłącza wody zimnej.

Kocioł pracuje powyżej ustalonej temperatury na zaworze, co oznacza, że znajduje się ponad temperaturą punktu rosy. System jest właściwie zabezpieczony.

Jak to jest z tymi temperaturami zabezpieczenia przed kondensacją… 

Laboratoryjne temperatury punktu rosy dla gazu ziemnego wynoszą około 55-57°C. Dla wysokiej jakości węgla (bezsiarkowego, suchego) punkt rosy wynosi około 35-45°C. Przy wyższej wilgotności lub zasiarczeniu temperatura punktu rosy dla węgla rośnie. Pellet jest paliwem o stosunkowo niskiej wilgotności, i możemy szacować temperaturę punktu rosy dla tego paliwa na około 45-50°C. Z drewnem bywa różnie, ponieważ trudno oszacować jego wilgotność w warunkach domowych. Zakładam, że przy drewnie należy zakładać temperaturę około 50°C lub wyższą. Dla porównania, kwasowy punkt rosy kwasu siarkowego wynosi do 140°C.

Ponieważ nie ma jednoznacznych informacji na temat tego, jaka będzie temperatura punktu rosy w kotle, który montujemy, należy po pierwsze sprawdzić zalecenia producenta, po drugie kierować się zdrowym rozsądkiem i nie przesadzać z obniżaniem temperatury powrotu za bardzo. Warto sprawdzić (po nastawieniu temperatury zaworu) kilka razy stan wymiennika i miejsca, gdzie gromadzi się sadza. Jeśli nie znajdziemy wilgotnych osadów pyłu i kondensatu, to najprawdopodobniej nasz kocioł zabezpieczyliśmy wystarczająco.

Temperatura spalin i temperatura powrotu to nie wszystko 

W kotle, w wymienniku, mamy warstwę metalu, który z jednej strony ma kontakt z wodą instalacyjną, a z drugiej strony jest narażony na działanie płomienia i gazów spalinowych. W tym układzie czystość odgrywa kluczową rolę zarówno w kontekście punktu rosy, jak i niezawodności oraz ekonomiki eksploatacji kotła. Od strony wody kotłowej dostępne są kompleksowe rozwiązania, obejmujące środki chemiczne do skutecznego czyszczenia i zabezpieczania instalacji grzewczych przed kamieniem i korozją.

Jeśli natomiast chodzi o czyszczenie kotłów od strony palników, paleniska i wymiennika ciepła w kotle opalanym drewnem, zaleca się korzystanie z preparatów dedykowanych do tego celu. 

Poniżej znajdziesz kilka popularnych preparatów, które mogą być używane do czyszczenia wymiennika ciepła:

• Preparaty do czyszczenia kominów i wymienników ciepła: Dostępne są specjalne preparaty przeznaczone do czyszczenia kominów i wymienników ciepła. Takie produkty często zawierają składniki chemiczne, które rozpuszczają nagar i sadzę, ułatwiając ich usunięcie.

• Kwasy chemiczne: Niektóre preparaty zawierają kwasy, takie jak kwas cytrynowy czy kwas octowy, które mają właściwości rozpuszczające, co pomaga w usuwaniu zanieczyszczeń. Ważne jest jednak, aby używać ich zgodnie z zaleceniami producenta i przestrzegać środków ostrożności.

• Preparaty enzymatyczne: Niektóre środki czyszczące oparte na enzymach mogą być skuteczne w usuwaniu zanieczyszczeń organicznych, takich jak sadza czy pozostałości drewniane. Preparaty te są często bardziej przyjazne dla środowiska.

• Soda oczyszczona: Soda oczyszczona to domowe rozwiązanie, które może być używane do czyszczenia. Można ją rozpuścić w wodzie i używać jako pasty do czyszczenia wymiennika ciepła.

Ważne jest, aby przed użyciem dowolnego preparatu zapoznać się z zaleceniami producenta kotła. Niektóre kotły mogą być bardziej wrażliwe na konkretne substancje chemiczne, dlatego ważne jest, aby wybrać preparat, który nie zaszkodzi urządzeniu. Ponadto, należy przestrzegać środków ostrożności podczas stosowania jakichkolwiek środków chemicznych i unikać używania substancji, które mogą pozostawić szkodliwe resztki w instalacji grzewczej. Jeśli nie jesteś pewien, jakie preparaty są bezpieczne do użycia w konkretnym modelu kotła, zaleca się skonsultowanie się z producentem lub specjalistą ds. serwisu kotłów.

Podsumowanie 

Podsumowując, punkt rosy jest istotnym aspektem podczas spalania paliw stałych. Skuteczne zarządzanie tym parametrem nie tylko zwiększa efektywność energetyczną, ale również wspiera ochronę środowiska i przedłuża żywotność instalacji grzewczej. Dlatego też, przy wyborze i eksploatacji kotła czy kominka, warto skonsultować się z profesjonalistami, aby zoptymalizować proces spalania i cieszyć się efektywnym oraz ekologicznym ogrzewaniem. Zachęcamy do zgłębiania wiedzy na temat punktu rosy, ponieważ może to przynieść liczne korzyści zarówno dla użytkowników, jak i dla naszej planety.