Sisteme moderne de incalzire si alimentare cu apa calda de consum

SISTEME MODERNE DE INCALZIRE SI ALIMENTARE CU APA CALDA DE CONSUM

Centrale termice cu condensare, cea mai moderna tehnologie in sistemele de incalzire. Astfel, un fenomen natural, procesul de condensare, este utilizat si valorificat in obtinerea unor aparate si sisteme de incalzire de inalt randament, cu un consum foarte economic de combustibil gazos si care ofera o protectie maxima mediului ambiant.

Cum functioneaza tehnologia de incalzire cu condensare ?

Centralele termice cu condensare utilizeaza si valorifica si acea parte a energiei care la centralele termice traditionale s-ar pierde odata cu evacuarea gazelor arse pe cosul de fum, sau altfel spus, centralele cu condensare preiau si folosesc - datorita suprafetelor mari destinate schimbului de caldura - si o mare parte din caldura ramasa in gazele de ardere.

Fenomenul de condensare este un proces natural care consta in transformarea, prin racire, a vaporilor de apa in lichid.

Inginerii de la diverse firme de specialitate au valorificat principiul condensarii in folosul tehnologiei de incalzire. La aparatele si sistemele de incalzire cu condensare, vaporii de apa continuti in gazele de ardere condenseaza la suprafata schimbatorului de caldura al aparatului si energia lor remanenta este pusa din nou, sub forma de caldura, la dispozitia sistemului de incalzire.

La centralele termice traditionale (asa numitele sisteme de incalzire 'de joasa temperatura') se atinge, datorita unor tehnici de ardere perfectionate, un randament inalt, adica un grad foarte ridicat de utilizare a energiei introduse in sistem, respectiv pierderile de caldura ale centralei sunt extrem de reduse. Cu toate acestea exista totusi, intr-un procent limitat, o anumita cantitate de caldura continua in gazele arse, care se pierde o data cu evacuarea gazelor pe cosul de fum. In functie de modul de exploatare, centralele termice traditionale de joasa temperatura ating un randament de pana la 94%.

Procesul de condensare fiind un proces exoterm, acest fenomen adauga un aport energetic suplimentar, aport care este preluat in interiorul sistemului. Randamentul termic al cazanului, calculat in functie de puterea calorica inferioara a combustibilului, asa cum este definit obisnuit, poate ajunge la valori 'anormale' de 105-110 % (deoarece a fost pusa in evidenta puterea calorica superioara). De aceea, din ce in ce mai des in literatura de specialitate se vorbeste de calcularea randamentului termic in functie de puterea calorica superioara, la toate cazanele, sau de introducerea notiunii de 'eficienta energetica' a cazanului.

Principiul de functionare a centralelor termice cu condensare este simplu de inteles: la fiecare ardere care are loc in aparat se formeaza vapori de apa, care, in mod normal, sunt eliberati o data cu gazele arse. Centralele cu condensare sunt echipate cu schimbatoare de caldura mai mari fata de centralele termice traditionale, astfel ca suprafetele - fin distribuite si imbinate - prin intermediul carora are loc schimbul de caldura, sunt mult mai mari, ceea ce conduce la un schimb de caldura mai intens, permitand vaporilor de apa sa condenseze inca in interiorul centralei. Caldura de condensare care se elibereaza in timpul acestui proces este dirijata din nou catre circuitul de incalzire, contribuind astfel cu o cantitate suplimentara de energie. Apa rezultata in timpul procesului de condensare este eliminata de aparat catre teava de ape reziduale.

Tehnica condensatiei gazelor de ardere reduce cu  aproximativ 15% consumul de gaz fata de o microcentrala cu tiraj fortat si camera de ardere etansa clasica. Cazanul de incalzire modern cu temperatura redusa atinge un randament de aproximativ 93% din 'puterea calorifica inferioara' a gazului. Aceasta inseamna ca el transforma 93% din 'puterea calorifica inferioara' a gazului in caldura utila.

Gazele de ardere intra in cosul de fum cu o temperatura de cca 140°C pana la 180°C. Aceste gaze de ardere contin pe metru cub de gaz ars nu mai putin de 1,6 kg apa sub forma de vapori. La cazanele traditionale de temperatura scazuta, acesti vapori se pierd prin cosul de fum. Intr-un cazan in condensatie, aceasta energie este recuperata si disponibila sub forma de energie de incalzire. In cazan se afla o cantitate mare de energie, care mai intai a fost necesara pentru vaporizare. Asa-numita 'putere calorifica superioara' a gazului include si caldura de vaporizare si de aceea este cu mult mai ridicata decat 'puterea calorifica inferioara'.

Tehnica in condensatie permite recuperarea caldurii de evaporare. Ea consta in racirea gazelor de ardere pana la 40-50°C, avand ca rezultat faptul ca vaporii de apa continuti condenseaza, eliberand din nou caldura de evaporare.

Economia de energie si protectia mediului ambiant

Gradul foarte inalt de utilizare a energiei introduse in sistemul termotehnic al centralelor termice cu condensare determina ca acestea sa ofere utilizatorilor o spectaculoasa reducere a cantitatii de combustibil gazos consumat. Comparativ cu centralele traditionale, cele cu condensare au consumuri cu pana la 40% mai mici! Implicit, emisiile de bioxid de carbon ale centralelor cu condensare sunt corespunzator mai reduse. De asemenea, emisiile de noxe (Nox) sunt si ele extrem de reduse: de pilda, fata de un cazan model vechi, functionand cu motorina, centrala cu condensare de putere similara, functionand pe gaz, emite doar 15% din volumul de noxe emanat de cazanul vechi.

Modernizarea centralelor termice clasice reprezinta in momentul de fata o sarcina prioritara in domeniul energetic, datorita faptului ca randamentul acestora este destul de scazut, antrenand consumuri mari de combustibili fosili pentru prepararea agentilor termici necesari atat pentru incalzirea cladirilor cat si pentru producerea de apa calda de consum. Randamentul scazut la aceste centrale termice se datoreste, in principal, echipamentului cu care sunt dotate - cazane, pompe, schimbatoare de caldura etc., uzate fizic si moral - cat si conceptiei solutiilor utilizate in ceea ce priveste producerea si distribuirea energiei termice la consumatori.

Centralele termice cu condensare vin in intampinarea exigentelor tot mai ridicate, impuse de publicul consumator si de guvernele tarilor avansate, in ceea ce priveste limitele de poluare si cantitatile maxime de energie utilizabile pentru incalzirea si ventilarea locuintelor, precum si pentru prepararea apei calde de consum.

In afara monitorizarii centralelor termice clasice, aceeasi problema se pune si atunci cand se are in vedere realizarea unei noi centrale termice, unde sarcina principala consta in conceperea unei solutii tehnice cat mai adecvate, care sa corespunda necesitatilor, dar care sa se inscrie pe linia tehnologiilor actuale, atat in ceea ce priveste echipamentul utilizat cat si in ceea ce priveste monitorizarea si exploatarea intregului proces de producere, contorizare si distributie a agentilor termici.

Rezulta ca, in cazul modernizarilor centralelor termice existente cat si in cazul executarii a altora noi, obiectivul principal este acelasi, si anume, realizarea de solutii cat mai eficiente de centrale termice care sa produca si sa distribuie agenti termici la parametrii solicitati cu consumuri si cu cheltuieli de exploatare cat mai mici.

Centralele termice cu condensare se disting prin eficienta si economicitate maxima, prin functionare sigura, fiabila, emisie minima de substante poluante. Aparatele dispun de posibilitatea reglarii puterii pe o plaja continua de valori, ceea ce asigura in fiecare moment adaptarea optima a puterii folosite la necesarul individual de caldura.

Dimensiunile reduse ale centralelor si designul lor simplu si inspirat le confera o alura zvelta si moderna, usor de integrat in orice ambianta.

Cazanele cu condensatie nu necesita un cos clasic pentru evacuarea gazelor de ardere, dar per ansamblu investitia este mai mare cu cca 30% decat in cazul cazanelor clasice, fara condensatie. Acest lucru se explica prin necesitatea utilizarii de materiale rezistente la coroziune (inox, aluminiu etc.), un arzator special si o instalatie de reglaj, protectie si automatizare mai pretentioasa. Investitia suplimentara este recuperata in primul an de functionare, iar in cativa ani se amortizeaza intreaga investitie.

O situatie deosebit de avantajoasa pentru cazanele cu condensatie o reprezinta utilizarea lor pentru acoperirea sarcinii de baza a unei instalatii cu doua cazane. De exemplu, pentru temperaturi mai mari de -8 °C, cazanul cu condensatie va functiona la randamente de 1,05 - 1,09 circa 92,6 % din orele perioadei de incalzire restul necesarului de incalzire poate fi asigurat de un alt cazan clasic, fara condensatie.

O alta situatie foarte avantajoasa apare si pentru consumatorii care necesita multa apa calda de consum, care poate fi preparata (cu acumulare sau instantaneu) cu cazane cu condensatie, atat iarna cat si vara, cu randamente (eficiente) foarte mari (1,05-1,09).

Performabilitatea cazanelor de apa calda

Modernizarea echipamentelor necesare producerii energiei termice se realizeaza in diverse directii , dintre care un rol esential il are asigurarea unui regim de functiunare cat mai eficient.

Pentru cresterea eficientei echipamentelor de ardere , producatorii de cazane sunt stimulati sa expoateze la maximum continutul de energie al combustibilului .Cazanele folosite in mod curent in practica sunt concepute pentru un regim de functinare sigur si fara condensatie pe partea gazelor de ardere. Daca se aplica acest mod de calcul la cazanele cu condensatie se obtin uneori randamente termice mai mari decat unitatea . Acest aspect ar putea fi evitat daca randamentul termic al tuturor cazanelor ar fi calculat in functie de puterea calorica superioara .

In tabelul urmator sunt prezentate valorile puterii calorice inferioara P_ci si valorile puterii calorice superioare P_cs ale diferitelor tipuri de combustibil. Combustibilul lichid si solid prezinta valori mai mici ale raportului P_cs / P_ci , iar condensarea vaporilor de apa din gazele de ardere necesita echipamente mai costisitoare , datorita continutului ridicat de sulf al acestor combustibili .

Se efectueaza o analiza comparativa a eficientei energetice a principalelor categorii de cazane utilizate , in prezent , in tara pentru incalzire si preparare a apei calde de consum , luand in considerare puterea calorica superioara a combustibilului si neglijand caldura consumata pentru vaporizarea apei .

CAZANE CLASICE . La cazananele clasice ,temperatura gazelor de ardere depinde de tipul arzatorului utilizat , de modul de realizare a cazanelor si de sistemul de evacuare a gazelor . Conform diagramei T - s a gazelor de ardere temperatura gazelor de ardere este mai mare decat temperatura punctului de roua care reprezinta temperatura la care presiunea partiala a vaporilor de apa este egala cu presiunea de saturatie . In cazul cazanelor echipate cu arzatoare in suprapresiune rezulta temperaturi de evacuare a gazeor de ardere cuprinse intre 220 si 240 ^oC , iar pentru arzatoare atmosferice rezulta temperaturi de 160180 ^oC . Acesta prin reprezentarea fluxului energetic vom avea o pierdere a energiei in gazele de ardere in jurul valorii de 8 % .

CAZANE MODERNE . La cazanele moderne se obtine o imbunatatire a procesului de ardere si o reducere a pierderilor energetice printr-o proiectare judicioasa , utilizand materiale performante . Treapta de temperatura este limitata superior la 75 / 55 ^oC .

Prin automatizarea si echiparea cazanului cu arzator cu reglare continua , temperatura agentului termic poate fi reaglata in functie de temperatura exterioara , iar cazanul livreaza o cantitate de energie termica egala cu cea necesara in fiecare moment .

Datorita regimului de functionare a cazanului la temperatura redusa scade si temperatura gazelor de ardere . Aceasta va apartine unui domeniu cuprins intre temperaturapunctului de roua si temperatura maxima . De aceea randamentul de functionare al cazanului nu se raporteaza la o stare statica , ci la una dinamica . Fluxul energetic al unui cazan care functioneaza la temperatura redusa este mai mare decat la cazanele clasice , iar pierderea energiei in gazele de ardere vor fii in jurul valorii de 4 % .

Pentru evitarea condensarii acest tip de cazan se realizeaza cu pereti dubli , datorita carora , chiar la temperaturi reduse ale agentului termic pe conducta de intoarcere , temperatura peretelui cazanului pe partea gazelor de ardere este superioara temperaturii punctului de roua .

CAZANELE IN CONDENSATIE recupereaza caldura latenta a vaporilor de apa continuti in gazele de ardere. Valoarea temperaturii punctului de roua depinde de tipul gazului , de presiunea atmosferica si de indecele de exces de aer . Daca gazele de ardere contin si vapori de acid se va deosebi temperatura punctului de roua a apei si temperatura punctului de roua a acidului .

Temperatura punctului de roua are o mare influenta asupra fenomenului de coroziune a cosului de fum . Daca temperatura gazelor de ardere intr-un cos de zidarie scade sub temperatura punctului de roua , incepe condensarea , care va avea un efect de deteriorare rapida a structurii cosului respectiv . Intr-o diagrama T - s se observa ca gazele de ardere sunt racite la temperaturi inferioare temperaturii punctului de roua . Condensarea vaporilor de apa din gazele de ardere are loc intr-un schimbator de caldura apa - gaze de ardere , confectionat din otel inox , montat in interiorul cazanului . Cantitatea de energie ce poate fi recuperata este in functie de temperatura de iesire a gazelor de ardere din schimbatorul de caldura . Condensatul rezultat este transportat intr-o instalatie de neutralizare , din cauza continutului ridicat de acizi si apoi evacuat in sistemul de canalizare .

Eficienta regimului de functionare al uni cazan cu condensatie este definita de gradul de condensare a vaporilor din gazele de ardere . Calitatea condensarii se exprima prin numarul de condensare α , dat de relatia :

unde : m_kr este cantitatea reala de condensat obtinuta la trecerea gazelor de ardere , rezultate din 1 m³ de gaz , prin schimbatorul de caldura ;

m_wt este cantitatea teoretica de apa continuta in gazele de ardere , rezultate din 1 m³ de gaz , avand valoarea de 1.53 kg/ m³ pentru gaz natural.

Cazanul cu condensatie poate functiona cu putere variabila , sarcina partiala conducand la o temperatura mai redusa la intoarcere , obtinandu-se un proces de condensare mai intens .

Pentru instalatiile de incalzire, cazanele cu condensatie reprezinta solutia viitorului. Aceste cazane necesita o temperatura a apei de pe retur sub 55 °C, pentru a asigura o condensare partiala sau totala a vaporilor de apa din gazele de ardere, ceea ce duce la mari economii in exploatare. Din acest motiv, daca vom calcula radiatoarele dupa modelul clasic, adica 90/70, pentru a putea obtine pe retur o temperatura sub 55 °C va trebui sa supradimensionam radiatoarele cu circa 20%.