Nowe spojrzenie na kocioł

„Czy mógłbyś dorzucić do pieca?”… Każdy, kto użytkuje ogrzewanie opierające się na urządzeniach starego typu wie, że pytanie to pada zawsze w najbardziej nieodpowiednim momencie. Słyszymy je albo tuż przed karnym w najważniejszym meczu sezonu, albo w momencie, gdy piana sięga krawędzi szklanki z piwem. Jeszcze bardziej prawdopodobne jest, że właśnie włożyliśmy kapcie na zmarznięte po odśnieżaniu podjazdu nogi. Zresztą przykładów można by znaleźć setki. Co więc zrobić, aby uniknąć zdarzającego się w najgorszym momencie machania łopatą w brudnej kotłowni? To proste – rynek oferuje całą gamę mniej lub bardziej bezobsługowych kotłów na paliwa stałe. Zanim jednak zabierzemy się za planowanie remontu lub wybór ogrzewania w nowym domu warto poznać odpowiedzi na kilka pytań.

EKSPERCI FACHOWEGO INSTALATORA:
mgr inż. Marcin Foit Kierownik Działu Technicznego Klimosz Sp. z o.o.
mgr inż. Tomasz Starzyński specjalista ds. rozwoju produkcji w ZMK SAS

1. Czym różnią się kotły żeliwne od stalowych?

różnią się materiałem, z których są wykonane (jak sama nazwa wskazuje), z którego to faktu wynikają różnice konstrukcyjne oraz wytrzymałość urządzeń. Kotły stalowe są bardziej skomplikowane (obróbka stali jest zdecydowanie łatwiejsza od obróbki żeliwa), lecz mniej trwałe. Marcin Foit z firmy Klimosz tłumaczy szczegóły: – Kotły stalowe, najczęściej spotykane, zarówno z górnym, jak i dolnym spalaniem, charakteryzują się wymiennikami wielociągowymi, co jest wymuszone ilością zastosowanych przegród wodnych lub suchych oraz nawrotów przepływu spalin, tzw. przewałów. Suche półki są niczym innym jak przegrodami wykonanymi z materiałów ogniotrwałych typu ceramika czy płyty szamotowe. Wymienniki tych kotłów dzielone są półkami zwiększającymi drogę przepływu spalin, w zależności od producenta – zarówno w pionie, jak i poziomie. Kotły te czyszczone mogą być od przodu poprzez dodatkowe drzwiczki (kocioł z poziomymi półkami) lub od góry kotła (kocioł z półkami pionowymi). Konstrukcje stalowe charakteryzują się dość mocno zaawansowanym przepływem spalin, co wynika z łatwości wytwarzania, spawania elementów urządzeń. Żywotność kotłów stalowych dostępnych na rynku to kilka, maksymalnie kilkanaście lat. Kocił żeliwny to korpus składający się z odlewów żeliwnych – tzw. członów. Urządzenie przeważnie składa się z trzech segmentów – członu panelu przedniego z oknem załadunkowym kotła oraz drzwiczkami popielnika, panelu tylnego z wylotem spalin i rewizją oraz członów środkowych, od których ilości zależy moc kotła. Dzięki panelowej konstrukcji użytkownik może w dowolnej chwili dołożyć kolejny człon zwiększając moc kotła o kolejne kilka kW. Jednocześnie, wraz ze wzrostem mocy wymiennika, zwiększa się tylko jeden wymiar zewnętrzny – głębokość korpusu. Kotły te posiadają proste konstrukcje ścian wewnętrznych wymiennika z zamieszczonymi na nich radiatorami lub ekonomizerami zwiększającymi odbiór ciepła od przepływających spalin do wody kotłowej. Przepływ spalin jest również zawracany lub turbulizowany poprzez elementy dodatkowe jak zawirowywacze spalin, elementy szamotowe oraz ceramiczne wpływające na wydłużenie drogi przepływu spalin wewnątrz kotła w celu zwiększenie jego efektywności. Ze względu na znacznie mniejszy proces korozji wymienników żeliwnych w stosunku do stalowych, mówi się iż są to wymienniki znacznie trwalsze. Gwarancja na szczelność wymiennika kotła udzielana przez producenta sięga 10 lat, w praktyce kotły te pracują nawet 20-30 lat. Dodatkowym atutem kotłów żeliwnych, wynikający z ich panelowej konstrukcji, jest możliwość wymiany zużywających się z czasem elementów, takich jak przykręcany czopuch kotła, drzwiczki paleniska, które mogą ulec upaleniu po kilkunastu latach, a nawet cały segment kotła. Na rynku można znaleźć również kotły o konstrukcji, w skład której wchodzą różne materiały. Zwykle są to kotły stalowe z niewielką ilością elementów żeliwnych – są to ruszt paleniska, elementy zawirowywaczy (turbulizatorów) czy samych drzwiczek zewnętrznych kotła.

2. Jakie są główne różnice między kotłami z górnym i dolnym spalaniem?

Fot. 2. Palnik retortowy

kają ze sposobu spalania paliwa w kotle. Tomasz Starzyński z Zakładu Metalowo- Kotlarskiego SAS tłumaczy: – W kotłach z górnym spalaniem komora załadunkowa jest zazwyczaj także komorą spalania. Cała wsypana porcja paliwa rozżarza się szybko i kocioł w krótkim czasie uzyskuje maksymalną moc. W kotłach z dolnym spalaniem proces spalania odbywa się na tylnej ścianie komory zasypowej lub w komorze spalania znajdującej się z tyłu komory zasypowej. Rozwińmy jednak ten temat. Najczęściej spotykanymi kotłami są te z górnym spalaniem (inaczej – ze spalaniem przeciwprądowym). Charakteryzują się tym, że spaliny (wytworzone podczas spalania paliwa na ruszcie kotła) kierowane są do czopucha kotła przenikając przez warstwę paliwa przeciwprądowo, czyli z dołu do góry przy zasypie paliwa od góry. W skrócie paliwo doprowadzone jest z przeciwnej strony paleniska w stosunku do dopływu powietrza. Kotły te mogą spalać wszystkie wielkości granulatu paliwa począwszy od miału i flotu do drewna, węgla kamiennego, węgla brunatnego oraz koksu, stąd są to najchętniej kupowane i eksploatowane konstrukcje. Ze względu na możliwość stosowania miału czasami są nazywane kotłami miałowymi lub niskotemperaturowymi. Nazwa „niskotemperaturowe” pochodzi od opalania miałem lub flotem przy niskiej temperaturze paleniska.

Fot. 3. POPTER DS/POPTER D – kotły węglowe z dolnym spalaniem. Przedłużona dolna półka wymiennika pozwala lepiej odbierać ciepło i kontrolować proces spalania. Paliwo spala się w dolnej – tylnej części kotła, co umożliwia uzupełnianie opału bez konieczności ponownego rozpalania w kotle. Wyposażone są w ruszt wodny z ruchomym przegarniaczem. Dostępne są w wersji z elektronicznym sterowaniem lub bez. Niewielkie gabaryty ułatwiają montaż w kotłowni. POPTER GS/POPTER G – Kotły uniwersalne z górnym spalaniem. Obszerna komora spalania i zastosowanie nadmuchu umożliwiają efektywne spalanie szerokiej gamy paliw: węgiel/drewno. Prosta konstrukcja sprawia, że kotły są łatwe w czyszczeniu. Kotły typu wyposażone są w ruszt wodny z ruchomym przegarniaczem. Dostępne w wersji z elektronicznym sterowaniem lub bez. Niewielkie gabaryty ułatwiają montaż w kotłowni.

W kotłach z dolnym spalaniem (kotły ze spalaniem współprądowym) paliwo oraz powietrze dostarczane są z tej samej strony i przepływają w jednym kierunku. W związku z tym spaliny nie przepływają przez załadowane paliwo w komorze paleniskowej – są kierowane współprądowo do kierunku zsypu wypalonego paliwa, czyli w dół kotła. Tam następuje przewał kotła oraz kolejny ciąg konwekcyjny, zwykle kierujący spaliny w górę do czopucha kotła. Taka technologia spalania sprawia, że gorące spaliny nie przepływają przez świeżo załadowane paliwo, dzięki czemu nie wytrącają się szkodliwe substancję tworzące się podczas podgrzewania paliwa przez spaliny. Podczas spalania samo paliwo obsuwa się proporcjonalnie w dół w stronę rozpalonego żaru, który stanowi tylko dolną część całego wsadu. Pali się jedynie cienka warstwa paliwa znajdująca się tuż w przewale, czyli w miejscu zmiany kierunku przepływu spalin. Aby paliwo swobodnie obsuwało się w dół, jedna ze ścian komory załadowczej pochylona jest w stronę ułatwiającą jego zsyp. Kotły te mogą spalać paliwa o granulacie większym niż kilka cm. Nie nadają się do spalania miału i flotu, gdyż dolny ruszt, na którym następuje spalanie, może zapchać się zbyt drobnym paliwem powodując zgazowanie paliwa w skutek braku tlenu lub wygaśnięcie paleniska.

3. Co to jest palnik retortowy?

Fot. 4. Kotły SKD to kotły uniwersalne dolnospalające. Mogą być wykonane z wymiennym rusztem żeliwnym (wersja R) lub – dla podniesienia komfortu obsługi – z wodnym rusztem wyposażonym w mechaniczny przegarniacz paleniska napędzany funkcjonalną dźwignią nożną (wersja P). Kocioł SKG PLUS jest uniwersalnym kotłem przystosowanym do pracy w systemie górnego i dolnego spalania. Kocioł przystosowany jest do pracy bez dodatkowych urządzeń elektrycznych z zastosowaniem naturalnego ciągu kominowego, jak również dla podniesienia komfortu użytkowania i efektywności pracy z zastosowaniem elektronicznego sterownika regulującego pracę wentylatora nadmuchowego i pompy cyrkulacyjnej.

Palnik retortowy jest najczęściej stosowanym palnikiem spośród kotłów z automatycznym podawaniem paliwa. Najważniejszy element palnika – retorta – to żeliwne kolano wewnątrz którego, poprzez ślimak, podawane jest paliwo. Całe urządzenie to układ złożony ze wspomnianej retorty, stalowego mieszacza doprowadzającego powietrze do spalania, wewnątrz którego usytuowana jest retorta oraz żeliwnego rusztu (pierścienia) na którym realizowany jest sam proces spalania paliwa. Dodatkowo mieszacz wyposażony jest zwykle w króciec wentylatora nadmuchowego, dostarczającego powietrze do spalania oraz otwory przeciwdymowe będące barierą powietrzną zapobiegającą cofaniu się żaru podczas działania w trybie podtrzymania palnika. Spalanie realizowane jest poprzez dostarczanie powietrza do dysz palnika umieszczonych w żeliwnym ruszcie palnika retortowego. Palniki tego typu są być nieruchome (stacjonarne) lub obrotowe. Retorta nieruchoma przeznaczona jest do spalania dobrych jakościowo paliw typu eko-groszek. Retorta obrotowa na końcu ślimaka posiada mechanizm wprawiający w ruch część obrotową palnika co zapobiega tworzeniu spieków w strefie spalania. Pozwala to na spalanie groszku oraz mieszanki eko- -groszku i miału węglowego (dobre efekty daje mieszanka 40% miału i 60% groszku).

4. Czy do kotłów z górnym i dolnym spalaniem należy stosować różne rodzaje paliw?

Fot. 5. VIADRUS HERCULES U22 11 jest kotłem grzewczym górnego spalania z żeliwnym wymiennikiem, przystosowanym do spalania wszystkich rodzajów paliw stałych. Istnieje również możliwość przezbrojenia kotła na potrzeby spalania oleju opałowego. Kocioł U22 może pracować w instalacjach z wymuszonym i grawitacyjnym obiegiem wody. Może być montowany zarówno w układzie otwartym jak i zamkniętym. Kocioł występuje również w wersji „S” z powiększonym otworem załadunkowym. Każdy kocioł jest poddawany w zakładzie produkcyjnym próbie pod ciśnieniem 8 bar.

Do opalania kotłów z górnym spalaniem możemy używać każdego rodzaju paliwa, od miału i flotu począwszy do drewna, węgla kamiennego, węgla brunatnego oraz koksu. Kotły z dolnym spalaniem mogą spalać paliwa o granulacie większym niż kilka cm. Ze względu na ryzyko zapchania rusztu zbyt drobnym paliwem nie nadają się do spalania miału i flotu.

5. Co ma największy wpływ na stałopalność kotłów?

Stałopalność to czas pracy urządzenia bez uzupełniania opału. Ma na nią wpływ między innymi automatyka kotła – im bardziej kocioł jest bezobsługowy, im lepsze i precyzyjne jest elektroniczne sterowanie parametrami kotła – tym dłużej będzie działał bez naszej ingerencji. Dobre parametry kotła oraz precyzyjne sterowanie powodują między innymi dokładniejsze spalanie paliwa, czego efektem jest mniejsza ilość popiołów wymagających odprowadzenia oraz wolniejsze zużywanie paliwa. I tu dochodzimy do sedna – nawet najlepszy kocioł nie będzie działał bez paliwa – dlatego długość działania jest bezpośrednio zależna od wielkości zasobnika paliwa. Dokładność spalania, a więc stałopalność kotła, poprawia również stosowanie nadmuchu powietrza. W przypadku kotłów ze spalaniem dolnym na długość stałopalności wpływ ma wielkość granulatu paliwa. Najlepsze efekty można uzyskać używając węgla kamiennego (typu orzech bądź groszek), łatwo odpalającego się od żaru. W takim przypadku stałopalność jednego zasypu można ocenić na 12-24 h. Wartość ta zależy także od jakości i konstrukcji elementów wchodzących w skład kotłowni, jakimi są instalacja nawiewno-wywiewna oraz komin (jego rodzaj i wielkość). Ważna jest również okresowa konserwacja i czyszczenie wymiennika kotła. Stałopalność na poziomie 24 h można także uzyskać w kotłach z górnym spalaniem, częściej jednak są to czasy w zakresie do 12 h.

6. Czy wszystkie kotły na paliwo stałe muszą pracować w układzie otwartym?

– Kotły na paliwa stałe, jak i inne kotły gazowe czy olejowe, mogą pracować w instalacjach układu zamkniętego. Dopuszcza się stosowanie kotłów na paliwa stałe w układach zamkniętych do mocy 300 kW przy zastosowaniu odpowiednich zabezpieczeń opisanych normami i przepisami. Należą do nich: zawór bezpieczeństwa o ciśnieniu mniejszym bądź równym dopuszczalnemu ciśnieniu roboczemu kotła, naczynie przeponownie zamknięte o odpowiednio dobranej objętości oraz urządzenie do odbioru nadmiaru ciepła nazywane urządzeniem schładzającym. Urządzenie do odbioru nadmiaru ciepła powinno być tak dobrane, aby jego konstrukcja była w stanie odebrać moc równą mocy kotła, na którym urządzenie to zostało zainstalowane. Niespełnienie choć jednego z podanych trzech punktów oznacza, że instalacja grzewcza układu zamkniętego jest wykonana nieprawidłowo i może być niebezpieczna dla użytkowników.

7. Jak zabezpieczyć instalację łączącą kocioł na paliwo stałe i zamknięte naczynie wzbiorcze?

Fot. 6. Kocioł SAS UWT. Zastosowanie: ogrzewanie c.o.,c.w.u. Typ: zasyp ręczny, uniwersalny, dolne i górne spalanie. Paliwo: węgiel/orzech, miał, zastępczo: drewno sezonowane. Moc: 14 – 200 kW. Sprawność: 79,1 – 85,9 %. Konstrukcja: zapewnia pracę w systemie dolnego i górnego spalania, komora paleniskowa wyposażona w system wielopunktowej dystrybucji powietrza, ruchomy ruszt do odpopielania paleniska. Sterowanie: regulacja procesu spalania; regulator pokojowy opcjonalnie. Kocioł SAS NWT. Zastosowanie: ogrzewanie c.o.,c.w.u. Typ: zasyp ręczny, dolne spalanie, uniwersalny. Paliwo: węgiel/orzech, zastępczo: z domieszką miału, drewno sezonowane. Moc: 12,5 – 200 kW. Sprawność: 79,4 – 85,0 %. Konstrukcja: zapewnia pracę w systemie dolnego spalania, trójciągowy, przegrodowy układ komór spalinowych, ruchomy ruszt do odpopielania paleniska. Sterowanie: regulacja procesu spalania; regulator pokojowy opcjonalnie.

Stosując naczynie wzbiorcze zamknięte w celu zabezpieczenia instalacji trzeba zastosować zawór bezpieczeństwa oraz urządzenie do odbioru nadmiaru ciepła. Oczywiście parametry tych zabezpieczeń muszą być dostosowane do mocy kotła – ich doboru powinni dokonać fachowcy. Pominięcie jednego z tych elementów sprawi, że instalacja będzie wykonana nieprawidłowo i stanowić będzie zagrożenie dla życia i zdrowia osób znajdujących się w jej pobliżu.

8. Czym skutkuje przewymiarowanie wydajności kotła w stosunku do zapotrzebowania budynku na ciepło?

Mówiąc o przewymiarowaniu kotła należałoby najpierw wyjaśnić co to oznacza, gdyż dobór kotła przez projektanta czy instalatora bywa naprawdę mocno zróżnicowany. Różnice w doborze kotła do instalacji oraz budynku sięgają nawet 40 – 50%, więc trudno jest określić jednoznacznie kiedy następuje omawiane przewymiarowanie kotła. Dobierając kocioł do budynku uwzględnić należy stopień docieplenia budynku oraz zapotrzebowanie ciepła na każdy m2 powierzchni. W praktyce stosuje się dobór w zakresie 75 – 130 W/m2. Jeśli rozważymy zastosowanie kotła o dużo większej mocy niż jest potrzebna, to w zasadzie niebezpieczeństwo pojawi się jedynie w przypadku kotłów z zasypem ręcznym. W tych urządzeniach w momencie braku potrzeby na ogrzewanie instalacji w komorze paleniskowej może znajdować się jeszcze nie spalone, żarzące się paliwo. Paliwo to wytwarza moc szczątkową – już niepotrzebną do podgrzewania instalacji, ale mogącą podnieść temperaturę kotła powyżej temperatury krytycznej dopuszczalnej przez producenta. Przewymiarowanie kota jest mniej niebezpieczne w przypadku kotłów z automatycznym podawaniem paliwa. Tu w momencie nagrzania kotła oraz instalacji do zadanej przez użytkownika temperatury, do paleniska przestaje dopływać paliwo oraz powietrze wymagane do spalania. Kocioł przechodzi wówczas w tryb czuwania (podtrzymania żaru na palenisku). Trwa to do czasu, kiedy temperatura na kotle spadnie o kilka stopni, co będzie wymagało podgrzania do zadanej temperatury. Oczywiście w trybie czuwania również okresowo podawane jest paliwo (np. przez 20 s w ciągu około 50 min.), jest go jednak na tyle mało, że spalanie nie powoduje nagłego wzrostu temperatury kotła. Problem przewymiarowania nie dotyczy kotłów z automatycznym zapłonem palnika oraz każdorazowym procesem wygaszania pracy paleniska. Proszę również pamiętać, że w kotłach z automatycznym podawaniem paliwa istnieje możliwość łatwej regulacji mocy palnika od 30% obciążenia do pełnej mocy kotła deklarowanej przez producenta urządzenia.

9. Czy stosując pełna automatykę do sterowania pracą kotła można je traktować jako niemalże bezobsługowe?

Fot. 7. Kotły z automatycznym podawaniem paliwa KLIMOSZ DUO NG 15 ÷ 75kW przeznaczone są do spalania eko-groszku, pelet oraz opcjonalnie groszku węgla brunatnego. Kotły wyposażone są w dodatkowe awaryjne palenisko umożliwiające spalanie w sposób tradycyjny takich paliw jak drewno oraz węgiel większego sortymentu. Spalanie w trybie automatycznym realizowane jest w żeliwnym, wysokiej jakości, palniku retortowym. Elementy żeliwne palnika odlewane są przez znaną i renomowaną firmę VIADRUS. Kotły KLIMOSZ DUO NG wykonane są z blachy kotłowej o podwyższonej granicy plastyczności, przeznaczonej w szczególności dla urządzeń ciśnieniowych.

Kotły na paliwa stałe, niezależnie czy są to kotły z zasypem ręcznym czy z automatycznym podawaniem paliwa, nigdy nie będą kotłami w pełni bezobsługowymi. Zmieniające się warunki pracy kotła w zależności od stosowanego rodzaju paliwa czy regulacji procesu spalania oraz potrzeby wynoszenia popiołu po spaleniu paliwa wykluczają brak konieczności nadzorowania pracy kotła, nawet przy kotłach na paliwa stałe z automatycznym dozowaniem paliwa. Najlepsze urządzenia będące dziś na rynku zapewniają bezobsługową pracę przez 3 do 7 dni, lecz nawet w takich przypadkach zaleca się, aby doglądać kocioł przynajmniej raz w ciągu doby. Dla własnego bezpieczeństwa.

10. Na jakiej zasadzie kotły automatyczne rozpoznają wartość opałową paliwa?

W większości przypadków regulatory są zaprogramowane w sposób uwzględniający przykładowe wartości opałowe dostępnych paliw. Użytkownik wybiera jedną z opcji, wówczas palnik sterowany przez regulator działa wg zadanych odgórnie kryteriów. W tym wypadku nie ma jednak mowy o automatycznym, odbywającym się bez udziału użytkownika rozpoznawaniu paliwa. W przypadku takich urządzeń niezbędna jest również szczegółowa wiedza na temat użytkowanego paliwa – w przypadku, gdy nie znamy kaloryczności zastosowanego przez nas opału ustawiony przez użytkownika proces spalania może nie odpowiadać podawanemu rodzajowi paliwa. Innym sposobem detekcji kaloryczności paliwa może być zastosowanie różnego typu czujników, np. czujnika spalin. Jest to jednak metoda obarczona sporym ryzykiem błędu, a przez to mało skuteczna, ponieważ nie uwzględnia zanieczyszczeń wymiennika w skutek normalnej eksploatacji kotła.

11. Czy kocioł na paliwo stałe może zasilać instalację ogrzewania podłogowego?

W zasadzie każdy kocioł grzewczy może zasilać instalację ogrzewania podłogowego przy zastosowaniu poprawnych rozwiązań wykonania instalacji grzewczej, w których wyeliminujemy zasilanie instalacji podłogowej czynnikiem o temperaturze wyższej niż dopuszczalna temperatura pracy instalacji podłogowej.

oprac.: M. Dobień