Odwrócony czajnik czyli kocioł kondensacyjny

Na podstronie Spalanie drewna, prosiłem zapoznanie się z treścią artykułu z nadzwyczajną koncentracją, potrzebną aby  zrozumieć proces spalania drewna. Na podstronie Odwrócony czajnik czyli kocioł kondensacyjny będziemy spalać gaz ziemny. Również proszę o nadzwyczajną koncentrację. Temat jest ważny, pojawi się wzór chemiczny, padnie kilka liczb…

Gazowe kotły kondensacyjne (a może lepiej powiedzieć – kondensujące) zdominowały rynek sprzedaży urządzeń grzewczych. Ma to związek z dyrektywą ErP Unii Europejkiej, która nakazuje montaż urządzeń grzewczych o wysokiej sprawności. Takimi urządzeniami w praktyce są tylko kotły kondensacyjne. Odchodzą do lamusa kotły gazowe z otwartą komorą spalania. Trochę to przypomina los samochodów wyposażonych w gaźniki. “Siermiężne” gaźniki przegrały z nowoczesnymi, rozbudowanymi układami wtryskowymi. Trochę to karkołomna paralela ale śmierć podobna…

Chciałbym pokrótce przybliżyć istotę działania kotłów kondensacyjnych. I niestety trochę chemii i fizyki musi być na początek. Założenie: paliwem jest gaz ziemny klasa E (dawniej GZ 50)

Kotły gazowe spalają gaz ziemny aby podgrzać wodę w obiegu centralnego ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej. Na początek, jak przystało na ciekawskich, spalamy 1 m3 gazu. Udało się, nic nie wybuchło! Spalając ten 1 m3 gazu musieliśmy dostarczyć 10 m3 powietrza! W tej objętości powietrza jest zaledwie 2,1 m3 tlenu. Tlen O2 wszedł w reakcję egzotermiczną (reakcja chemiczna, której towarzyszy wydzielanie się ciepła) z metanem CH4 i powstały takie oto produkty: energia cieplna, 1 m3 dwutlenku węgla i dwa metry sześcienne pary wodnej.

CH4  +  2O2  =  CO2  +  2H2O +  energia cieplna

Ta energia wydzielona to tzw. wartość opałowa gazu ziemnego. Dwutlenek węgla jest beznadziejnie nieciekawy w tym procesie, dlatego na razie zostawiamy go w spokoju. Natomiast para wodna, no…, to jest łakomy kąsek. Drzemie w niej tzw. ciepło utajone.

Całkowita energia, jaka wydzieli się w procesie spalania gazu ziemny, nazywa się ciepłem spalania. Ta energia, to ciepła spalania ma dwa składniki: wartość opałową i ciepło utajone

Ciepło spalania Qc = Wartość opałowa Wo + Ciepło utajone Qu

Jeżeli spalimy 1 m3 gazu ziemnego, to uzyskamy całkowite ciepło spalania 11,2 kWh energii. W tej porcji jest 10 kWh energii zwaną wartością opałową oraz 1,2 kWh zawartej w parze wodnej, będącej produktem spalania gazu.

Konstruktorzy kotłów tradycyjnych (starszych generacji) z tzw. otwartą komorą spalania i kotłach tzw. turbo (wyrzucanie spalin wspomagane wentylatorem)  skupiali się wyłącznie na przechwyceniu jak największej porcji energii wyłącznie z wartości opałowej. Para wodna i dwutlenek węgla wyrzucane były (i bezpowrotnie tracone) przez komin. Wielkie działo się i dzieje marnotrawstwo. Kocioł gazowy atmosferyczny o mocy 24 kW i sprawności 80% spala 3 m3 gazu ziemnego na godzinę i wyrzuca w tym czasie przez komin 6 m3 pary wodnej. Para ta niesie ze sobą 3,6 kWh energii (!). Tak na marginesie: 6 m3 pary wodnej  powstaje po odparowaniu 3,6 litra wody.

Ktoś powie, proszę do rzeczy!. W tytule podstrony mowa jest o odwróconym czajniku, więc…

Dobrze, a teraz o czajniku. Proszę sobie wyobrazić czajnik, który ma pojemność 3,6 litra. Wlewamy do niego wodę o temperaturze “wodociągowej: np. 12 st. C, stawiamy na maszynce elektrycznej i zaczynamy gotować. Myślę, a nie chodzi tu niezwykłą dokładność, że potrzebujemy kilku (pięciu?) minut aby tą wodę zagotować. Zagotować to znaczy podgrzać ja od temperatury wyjściowej 12 st.C do wrzenia, czyli temperatury 100 st. C. A moje pytanie brzmi; jak długo musimy gotować tą ilość wody aby zamieniła się w parę wodną. Myślę, że około 50 minut. A co to znaczy: zamienić tą ilość wody w parę wodną. To znaczy nic innego dla wody jak zmienić stan skupienia ze stanu ciekłego na stan gazowy. Ta zmiana, w przypadku wody następuje w stałej temperaturze 100 st. C podczas całej przemiany, tzn. w czasie odparowania. Zagotowanie wody nie zajęło dużo czasu, a co za tym idzie nie pochłonęło dużo energii. Zmiana stanu skupienia, czyli zamiana wody w parę wodną zajęła dużo czasu, a więc wymagała dostarczenia ogromnej ilości energii.  Proces odparowanie pochłonął dziesięć razy więcej energii niż zagotowanie, czyli doprowadzenie do wrzenia.

Czy mogą Państwo wyobrazić sobie proces odwrotny, tzn. skraplanie pary wodnej?  Skraplanie jest przejściem stanu skupienia ze stanu gazowego w stan ciekły. Temu przejściu stanu skupienia towarzyszy wydzielenie również ogromnej ilości energii.

Kocioł kondensacyjny, oprócz wykorzystania energii pochodzącej z wartości opałowej, dodatkowo skrapla parę wodną zawartą w spalinach. Tak naprawdę, kocioł taki, jest po prostu odwróconym czajnikiem.  Skroplenie pary wodnej pozwala na “dobranie się” do tej porcji energii, którą nazywamy ciepłem utajonym. W przypadku kotła kondensacyjnego o mocy 24 kW jest szansa na dodatkowa porcję energii w ilości 3,6 kWh. Naprawdę jest się po co schylić! Skraplanie następuje przy przejściu strumienia spalin przez  “zimny”, wymiennik zasilany wodą powrotną z instalacji c.o. Im niższa temperatura wody powrotnej (np. 35 st.C) z instalacji, tym kondensacja (a co za tym idzie zysk) większa.

Uff, to już koniec epoletu o czajniku. Lekko nie było … 🙂

Uwaga, jest nagroda!  W zakładce paralaksa genialna Lauren Tate i  Whole lotta love