Microcentrale si cazane in condensatie

Microcentrale si cazane in condensatie

1. ARDEREA

Se stie ca, in cea mai mare parte, combustibilii utilizati in mod curent in centralele termice, sunt compusi a doua elemente chimice de baza: carbon (simbol C) si hidrogen (simbol H).

Exemple:      C H - gaz metan,

C H - propan

In compozitia combustibilior mai pot fi intalniti, ca impuritati si in cantitati destul de mici, atomi de sulf (S) s.a. In amestec cu aerul din atmosfera (de fapt cu oxigenul din aer, in proportie medie de 21 %) gazul devine inflamabil si, intr-o camera de ardere in care a fost data o scanteie de aprindere, se declanseaza o serie de reactii cu degajare de caldura.

Principalele reactii chimice sunt:

2 C + O = 2 CO (monoxid de carbon),

Monoxidul de carbon este inca un gaz inflamabil si mai poate intra in reactie cu oxigenul:

2 CO + O = 2 CO (bioxid de carbon),

C + O = CO

Pe langa acestea mai au loc si unele reactii secundare intre elementele constituite de impuritati sau de alti compusi ai aerului (ex. Azot (N) - 71 %), rezultand, in general, gaze toxice (noxe): oxizi de azot (NOX), oxizi de sulf (SOX). Reactiile se pot descrie, la modul general, prin formulele de mai jos. Arderea completa are loc atunci cand in amestecul aer/combustibil, prezent in camera de ardere, exista suficient oxigen. Formulele de mai jos descriu reactiile generale care au loc intr-o camera de ardere in conditiile in care exista oxigen (deci aer) suficient in amestec – formulele 1 si 2 – si cand nu exista oxigen suficient – formulele 3 si 4.

In aceasta incinta, unde reactiile de mai sus au loc la temperaturi mari (aproximativ 1200 gr. C)

se intalnesc si moleculele de hidrogen din combustibil cu cele de oxigen din aer, rezultatul fiind apa (H O).

In cadrul reactiei 2 se vede ca una din componentele rezultate este apa.

2. VAPORIZAREA

Evident ca apa rezultata, la temperatura de 1200 gr.C, nu poate rezulta decat sub forma de vapori. Vaporii respectivi pleaca din camera de ardere odata cu gazele de ardere, pe cos. Dupa cum iarasi este cunoscut, pentru a aduce apa din stare lichida in stare de vapori (fenomenul de vaporizare) trebuie consumata o cantitate de caldura (vezi principiul motorului cu aburi).

Rezulta, logic, ca vaporii de apa ‘pleaca’ pe cos cu o parte din cantitatea de caldura produsa in camera de ardere (caldura latenta inmagazinata in vaporii de apa). Pentru combustibil gazos, aceasta cantitate de caldura se poate masura destul de exact si este general acceptat, procentul de 10 - 12 % din totalul caldurii produsa in camera de ardere.

In aceste conditii, este normal sa vorbim de doua valori ale cantitatii de caldura produsa in cadrul unui proces de ardere.

1. cantitatea de caldura totala care se produce prin arderea completa a unei cantitati de combustibil si care inglobeaza si caldura pierduta in vaporii de apa din gazele de ardere. In cazul acesta putem vorbi de puterea calorica superioara a combustibilului.

2. cantitatea de caldura efectiva care participa la realizarea transferului de caldura catre agentul termic, fara sa ia in calcul si pierderea de caldura in vaporii de apa din gazele de ardere si, in acest caz putem vorbi de puterea calorica inferioara a combustibilului.

Daca raportam un proces de ardere a unui metru cub de gaz metan, la cele doua puteri calorice, evident ca obtinem doua randamente diferite ale arderii. Aproape inutil sa mai spunem ca toti producatorii de microcentrale , declara randamentul echipamentelor raportandu-se la puterea calorica inferioara a combustibilului.

3. CONDENSATIA

Daca aducerea apei din stare lichida in stare de vapori (vaporizarea) se face cu aport de energie, fenomenul invers, de trecere din stare de vapori in stare lichida (condensatia), este evident ca are loc cu eliberare de energie (caldura). Deci, prin condensarea totala a vaporilor din gazele de ardere, se cedeaza aceiasi cantitate de caldura cheltuita in procesul de vaporizare, adica 10 - 12 % din caldura produsa prin arderea gazului.

Fenomenul de condensatie a vaporilor de apa are loc atunci cand gazele de ardere evacuate din camera de ardere, intalnesc un mediu avand temperatura mai mica decat temperatura de condensare a apei (temperatura “punctului de roua”). Aceasta temperatura are valoarea de 5455 gr.C. Tinand cont ca gazele de ardere la iesirea din microcentrala au temperatura de peste 100 gr.C (pana la 160 gr. C, in functie de puterea momentana a arzatorului, de tipul camerei de ardere si de tipul echipamentului), condensarea va avea loc pe peretele cosului, incepand din zona unde acesta are temperatura sub temperatura punctului de roua sau la iesirea gazelor in atmosfera, daca cosul este bine izolat.

Este evident ca, in aceasta situatie, caldura latenta inmagazinata in vaporii de apa este cedata mediului pe care are loc condensatia, respectiv peretilor cosului sau aerului atmosferic.

Principiul microcentralelor in condensatie se bazeaza pe crearea conditiilor de condensatie a vaporilor din gazele de ardere in zona schimbatorului primar al microcentralei, astfel incat caldura eliberata sa fie recuperata in agentul primar care circula prin schimbator. Daca in aceasta zona are loc condensarea totala a vaporilor putem fi siguri ca am recuperat din gazele de ardere 1012 % din caldura produsa in camera de ardere, prin urmare o microcentrala in condensatie va avea un randament cu cel putin 10 % mai mare decat una clasica (cu arzator atmosferic).

Diferentele in ceea ce priveste randamentul unei microcentrale clasice (cu arzator atmosferic)

fata de una in condensatie sunt date schematic in figurile de mai jos.

Puterea termica totala poate fi asimilata, de fapt cu cantitatea de caldura produsa in camera de ardere a microcentralei prin arderea unui volum standard de combustibil, in conditii ideale (ardere completa si recuperare totala a caldurii). Din aceasta cantitate de caldura, utilizatorul microcentralei foloseste, pentru incalzire, numai cantitatea de caldura preluata efectiv de agentul primar care trece prin schimbator si cedata apoi, aerului din spatiul care trebuie incalzit.

Diferenta dintre cele doua valori o reprezinta pierderile de caldura iar raportul dintre puterea termica utila si puterea termica totala reprezinta randamentul microcentralei.

Exista trei categorii de pierderi:

1. Pierderi la cos: cantitatea de caldura pierduta prin eliminarea gazelor de ardere in exterior (gazele rezultate din ardere pleaca din camera de evacuare cu temperatura de peste 100 gr.C). Aceste pierderi depind de tirajul cosului, excesul de aer in camera de ardere, tipul constructiv de arzator, amestecul aer/gaz, etc.

2. Pierderi locale: cantitatea de caldura care trece in incaperea in care este montata microcentrala direct din camera de ardere. Depinde de: constructia (forma, gradul de izolare) camerei de ardere, temperatura mediului in care este montata microcentrala, gradul de ventilatie al incaperii etc.

3. Pierderi datorate caldurii latente in vaporii de apa din gazele de ardere (10..12 %). Aceste pierderi care, in cazul unei centrale clasice trec in atmosfera iar in centralele in condensatie sunt recuperate si devin caldura utila, reprezinta principala diferenta intre aceste categorii de microcentrale.

O alta diferenta majora este tipul arzatorului utilizat: arzatoare atmosferice in cazul microcentralelor clasice si arzatoare cu preamestec total de aer si debite reglabile, in mod automat, atat pe aer si gaz (ventilator cu turatie variabila si vana de gaz cu comanda electro / pneumatica).

Centrale clasice

Centrale in condensatie

Realizare constructiva

Principiul de functionare descris mai sus, impune, ca realizare practica, urmatoarele modificari fata de centralele clasice (figura de mai jos):

- datorita condensului rezultat, chiar pe elementele microcentralei este necesara realizarea schimbatorului primar si a camerei de ardere din otel inox (se stie ca apa rezultata din condensare are un caracter puternic coroziv (acid).

- reglarea continua a debitului de aer se face prin existenta unui ventilator cu turatie variabila, comandat printr-un convertizor static de frecventa (tensiunea de alimentare are frecventa variabila, comanda realizandu-se printr-un semnal de curent continuu (010 V) din placa electronica.

- reglarea presiunii vanei de gaz se face pneumatic, printr-o legatura directa intre camera etansa (camera de aspiratie a ventilatorului) si camera membranei de reglaj a presiunii de pe vana de gaz.

- condensul produs trebuie colectat si eliminat la canalizare printr-un sifon special care sa nu permita trecerea aerului din exterior in camera de ardere.

Schimbatorul primar este constituit dintr-o teava din inox cu sectiunea dreptunghiulara, spiralata, sub forma unui cilindru separat in doua camere de un perete din material rezistent la temperatura (fibroceramica). Camera din fata este camera de ardere, in care se gaseste arzatorul iar camera din spate este camera de condensare. Teava schimbatorului este parcursa de apa din instalatie din spate catre fata (in spate se racordeaza returul instalatiei, in fata turul).

Caldura produsa in camera de ardere este preluata de serpentina schimbatorului la trecerea gazelor de ardere printre spirele acesteia. Gazele de ardere din exteriorul serpentinei nu sunt dirijate direct catre cos (in acest caz centrala ar fi fost una clasca, fara condensatie) ci sunt obligate ca, in drumul catre evacuarea in atmosfera, sa mai treaca odata printre spirele schimbatorului, din exterior catre camera de condensare.

In acest punct, daca se asigura conditii de producere a fenomenului de condensare a vaporilor de apa din gazele de ardere, se obtine recuperarea cantitatii de caldura, direct pe serpentina schimbatorului.

Gazele de ardere trec apoi spre cos fara vapori de apa si la o temperatura mult redusa.

Asigurarea conditiilor de producere a condensului in zona camerei de condensare inseamna, de fapt un singur lucru si anume, existenta unei temperaturi pe serpentina schimbatorului primar mai mica sau egala cu “temperatura punctului de roua” adica sub 55 gr.C (pentru a asigura o condensare totala a vaporilor de apa conditia reala este ca temperatura pe agentul primar sa fie mai mica de 50 gr.C).

Intrucat controlul temperaturii agentului primar nu se poate face pe returul instalatiei (in acest punct temperatura de intoarcere a apei depinde de temperatura mediului ambient, de temperatura exterioara, de numarul de corpuri de incalzire active etc.) ci pe iesirea din schimbatorul primar, conditia de temperatura mai mica de 50 gr.C se transfera pe turul microcentralei.

In concluzie, conditia de functionare in condensatie totala a unei microcentrale este ca temperatura la iesirea schimbatorui primar sa nu depaseasca 50 gr.C.

Centrala functioneaza normal si la temperaturi mai mari, de ex. 85 gr.C, dar nu mai este microcentrala in condensatie ci una clasica, este adevarat, cu randament mult imbunatatit datorita arzatorului cu preamestec total de aer si ventilator cu turatie variabila.

Apare, in mod logic, ca principala aplicatie a microcentralelor in condensatie, instalatiile de incalzire in pardoseala, in care temperatura agentului prin tubulatura din pardoseala nu trebuie sa depaseasca 43 gr.C . In acest caz se va limita temperatura de iesire a microcentralei la 43 gr. C si nu mai sunt necesare bucle de reglare a temperaturii pe diferite zone de incalzire. Centrala va functiona la 80 gr.C numai in faza de preparare acm.

Din pacate, pentru regimul climatic al zonei noastre geografice, incalzirea in pardoseala nu poate acoperi necesarul de caldura al unei locuinte (temperatura la nivelul pardoselii nu poate fi crescuta peste valorile stabilite in standarde). Pentru o locuinta cu performante (grad de izolare) medii se constata ca ea poate fi incalzita, indiferent de tipul instalatiei de incalzire, cu temperaturi ale agentului primar mai mici de 50 gr.C, numai daca temperatura exterioara este mai mare de – 5 gr.C. Sub aceasta valoare, pierderea de caldura in exterior fiind mult mai rapida, este nevoie de temperaturi mai mari ale agentului primar, pentru a putea compensa in timp util pierderea de caldura. Altfel, timp de cateva ore dupa scaderea temperaturii exterioare, in ambient va avea loc o scadere a temperaturii sub valoarea de confort.

Pe instalatii cu corpuri de incalzire se pot folosi, dar este nevoie de redimensionarea (cresterea suprafetei) acestora (de aproximativ 34 ori) ceea ce devine si scump si inestetic.

Problema utilizarii microcentralelor in condensatie trebuie abordata dintr-un alt punct de vedere si se va vedea ca nu trebuie sa mai existe nici un fel de limtare a domeniului de aplicatie, acestea putand fi montate pe orice tip de instalatie.

Principala conditie este ca microcentralele in condensatie sa fie echipate cu sonda de temperatura exterioara si sa fie aleasa o curba de incalzire corespunzatoare.

Toate microcentralele in condensatie pe care le comercializeaza firma Romstal sunt echipate cu placi electronice sau regulatoare de temperatura suficient de inteligente pentru a indeplini aceste conditii.

Daca, pe exemplul familiei de curbe de incalzire de mai sus, se alege curba de incalzire

sau una apropiata de aceasta, centrala va functiona cu temperatura de iesire sub 50 gr.C (deci in condensatie totala), cand temperatura exterioara va avea valori peste – 5 gr.C.

Statistic vorbind, pentru un interval anual de incalzire (octombrie – aprilie) temperatura exterioara este superioara valorii de -5 gr.C in 65% din timp. Rezulta ca pe acest interval, centrala functionand in condensatie, se obtine o crestere de randament de aprox. 16 % (10% din condensare si 6% din constructia arzatorului) fata de o centrala clasica. Pe intervalul de temperatura sub – 5gr. C centrala nu functioneaza in condensatie, rezultand o crestere de randament de 6% datorata constructiei arzatorului.

Eseu: Mijloace pentru reducerea reactiei indusului Eseu: Arctic K 346 B+ - caracteristici tehnice - functii si performante - dotare congelator

Putem aproxima o crestere maxima de randament de 12% pe durata intregului an fata de cazul in care se utilizeaza o centrala clasica.

O centrala in condensatie mai prezinta, pe langa acest avantaj, si altele:

- include toate facilitatile oferite de o aplicatie cu reglarea automata a temperaturii de ambient si a temperaturii agentului primar in functie de temperatura exterioara,

- beneficiaza de schimbator de caldura, camera etansa, arzator din inox, deci cu durata mai mare de viata,

- mult mai putin sensibila la spalari chimice repetate, etc.

- include toate facilitatile necesare pentru a functiona sub supravegherea unui regulator climatic automat (termostat de ambient, sonda de temperatura exterioara si curbe de incalzire, program zilnic si saptamanal de incalzire si acm etc.) ceea ce nu au toate microcentralele clasice.

Rezulta ca, daca prezentam centrala in condensatie cu o crestere de randament de 14 % in loc de 1618 %, putem sa folosim aceasta centrala pe orice tip de instalatie, deja existenta sau pe una noua proiectata dupa aceiasi parametrii ca si in cazul microcentralelor clasice.

In figura urmatoare se prezinta modul de realizare al unei astfel de centrale.

Oferta Romstal pentru domeniul condensatiei este:

HERMANN EURA CONDENSING – incalzire + acm

EURA CONDENSING R - numai incalzire

SUPERMICRA CONDENSING

SIME                         PLANET DEWY 25 BF, 30 BF

PLANET DEWY 25 BFT, 30 BFT – fara acm, se poate cupla cu un boiler dedicat – BT 100 – pentru acm.

Planet Dewy 66 KW

VIESSMANN            VITODENS 200 - putere 4 32 Kw, murala,

VITODENS 200 - putere 11 60 Kw, murala,

VITODENS 300 – pana la 60 Kw, fara acm

VITODENS 300

VITODENS 200