Kondenzációs gázkazánok I.
Rezsicsökkentés épületgépészeti eszközökkel
2014/6. lapszám | Chiovini György | 5808 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A rezsiköltségek között az egyik jelentős tétel a fűtési költség. Bár terjed a fatüzelés és a hőszivattyú, azonban meghatározó a földgáz használata. Az energiatakarékosság egyik feltétele, hogy kedvező hatásfokú berendezéseket használjunk, és a kondenzációs gázkazánokat jogosan tartjuk ilyeneknek.
Éppen ezért elég elgondolkodtató két német kutatás megállapítása, mert a mérések azt mutatták, hogy a lakosság által használt kondenzációs kazánok tényleges gazdaságossága között jelentős különbségek vannak – sőt, a kondenzációs kazánok egy része gyakorlatilag kondenzáció nélkül működik. Ezek szerint messze nem elegendő egy jó műszaki adatokkal rendelkező kazánt megvásárolni; ahhoz, hogy az energiatakarékosan működjön, további feltételek teljesülésére van szükség.
Vizsgálat I.
Az egyik kutatás során 67 gázkazán üzemét kísérték figyelemmel, ebből 60 kondenzációs kazán volt. Legalább egy éven keresztül mérték a gázfogyasztást és hőmennyiségmérővel a termelt hőenergiát, ebből pedig kiszámították a mérési időszakra értelmezett hasznosítási fokot. Ez, mint ismeretes, a hasznos hőmennyiség és a gázmennyiségből számított hőmennyiség hányadosa. A hasznosítási fokot az égéshőre vonatkoztatva képezték. Ha veszteség nem lenne, az érték 100% lenne.
A kapott értékek nagy szórást mutattak (1. ábra), átlagként 86% adódott. Felvetődik a kérdés, mi ennek az oka. Az első gondolat talán az, hogy kazán és kazán között is van különbség. Ez látszott is az eredményekben, de nem magyarázta a nagy szórást. A legtöbb vizsgált termék három gyártótól származott: Buderus, Vaillant, Viessmann. A gyártóspecifikus értékek között nem volt jelentős a különbség.
A két jobban teljesítő márka átlagos hasznosítási foka gyakorlatilag azonos: 87, illetve 86,8%. A harmadik gyártó kazánjai valamivel kisebb átlagértéket mutattak: 84,2%. Az egyes kazánok nagyon különböző hatékonyságát más tényezők okozták.
A hasznosítási fok tényleges értékét a kazán üzem közbeni és üzemen kívüli (készenléti) veszteségei határozzák meg. Egy üzemelő gázkazán energetikai modellje három mennyiséget tartalmaz. Az egyik a gázzal bevitt energia, a másik a kazánból kilépő hasznos hőenergia: a kazánvíz felmelegítésére fordított energia, a harmadik pedig az előző kettő különbsége, ami veszteségnek tekintendő (2. ábra).
Ez az energetikai modell két energiaátalakítással írható le: gáz égése, égéstermék–víz hőközlés. Mindkét folyamatnál veszteségek lépnek fel:
- elégetlen veszteség: a gáz kémiailag kötött energiájának egy része hasznosítatlanul, az égéstermékben lévő, éghető részekkel távozik,
- égéstermékkel távozó energia: az égésterméket a kazánban nem tudjuk környezeti hőmérsékletre hűteni,
- falveszteség: a hő egy része nem a kazánvizet, hanem a környezetet melegíti.
Gáztüzelésnél, tökéletes égésnél csak szén-dioxid és vízgőz keletkezik. Nem tökéletes égésnél az égéstermék éghető anyagot is tartalmaz: metánt, elemi szenet (korom), szén-monoxidot. Metánkibocsátással jár az égő indulása, gyújtása, ezért is törekszünk arra, hogy az indítások száma minél kisebb legyen. Egyéb jellemzők mellett az égőindítások száma jól jellemzi egy rendszer megfelelő beszabályozottságát. (Ezt enyhe időjárás mellett célszerű megfigyelni.) Nem csak a gázzal való takarékosság végett, hanem az elhasználódás is gyorsabb, ha az égő túl gyakran kapcsol ki és be.
A korom és a szén-monoxid az üzemelő kazánban folyó, nem tökéletes égés kísérői. A nem tökéletes égés okai: oxigénhiány (léghiány), nem megfelelő hőmérséklet. Az oxigén hiánya lehet „helyi”, azaz a tüzelőanyag és az égési levegő nem keveredett megfelelően, avagy lehet általános, azaz az égéstérbe nem jutott be az adott tüzelőanyagmeny-nyiség elégéséhez a kémiai reakcióegyenletből számítható mennyiségű oxigén (levegő). Az elégtelen hőmérséklet is hasonló okokra vezethető vissza. Az égéstérben a hideg határoló felületek közelében nem éri el a láng az optimális hőmérsékletet. Ha túl sok hideg levegőt juttatunk be a kazánba, az a teljes égéstérben rontja az égés minőségét.
Tehát mind a kevés, mind a sok levegő káros következményekkel jár. A gazdaságos tüzelés kulcsa a megfelelő gáz–levegő arány. A tapasztalat azt mutatja, hogy gáztüzelésnél az optimum az elméletileg számított érték közelében van: a légfelesleg-tényező egynél kissé nagyobb.
Égéstermék-elemzéssel pontos beszabályozást végezhetünk. A tüzeléstechnikai műszerek a levegő- és az égéstermék-hőmérsékletet, az oxigén- és a szén-monoxid-tartalmat mérik, a szén-dioxid-tartalmat és a légfelesleg-tényezőt számítják. Túl nagy a légfelesleg-tényező, ha sok a maradék oxigén és kevés a szén-dioxid. Túl kicsi a légfelesleg-tényező, ha nincs oxigén az égéstermékben, viszont szén-monoxid mérhető. Jó a beállítás, ha nincs sem oxigén, sem szén-monoxid, és a szén-dioxid-koncentráció megközelíti a lehetséges maximumot.
Előfordulhat, hogy sem a levegőmennyiség csökkentésével, sem a növelésével nem sikerül megfelelő mérési adatokhoz jutni. Ha mind oxigént, mind szén-monoxidot mérünk, miközben a szén-dioxid-koncentráció is kevesebb az elvárhatónál, akkor ezen csak beszabályozással nem lehet segíteni.
Folyamatosan fenntartják a kedvező állapotot az automatikus égésszabályozók, melyek az égéstermék összetételét vagy a láng ionizációs áramát figyelve szabályozzák a gáz–levegő arányt.
Külön előny, hogy a gázminőség változásának hatását is ellensúlyozzák.
A megfelelő égés alapfeltétele egyébként a kazán, valamint az égésilevegő-ellátó és az égéstermék-elvezető rendszer jó műszaki állapota, így lehetséges az égési levegő szabad beáramlása a tűztérbe, valamint a keletkezett égéstermék szabad távozása onnan. A nem tökéletes égés azon túl, hogy költségnövelő, veszélyforrás is. Sok tragikus baleset történt már amiatt, hogy a szén-monoxidos égéstermék bejutott a lakótérbe.
A megfelelő égés adja az alapot az égéstermék-veszteség csökkentéséhez. További feladat az égéstermék hőtartalmát a hőcserélőben a kazánvíz felmelegítésére hasznosítani. A kondenzációs kazántechnika kifejlesztése előtt a kazánokat úgy tervezték, hogy az égéstermék viszonylag nagy hőmérséklettel – 140-170oC-on – távozzon. Minél jobban le tudjuk hűteni a kazánban az égésterméket, annál kisebb lesz a veszteség (3. ábra). A görbében a töréspont az égéstermék harmatpontjánál van.
Összhangban a korábbi kazántechnikával, a földgáz jellemzésére a fűtőértéket használtuk. Ez a vezetékes földgázra a szabvány szerint 34 MJ/m3. Az égéshő ennél 11 százalékkal nagyobb, 37,7 MJ/m3, ennyivel több hő hasznosítható azáltal, hogy az égésnél keletkező vízgőz a kazánban kondenzálódik (1. kép).
A falveszteség függ a kazán szerkezeti kialakításától, ezen belül különösen a hőszigetelésétől. Függ még a kazánvíz és a környező levegő hőmérsékletétől. Azoknál a kazánoknál, melyek magas hőmérsékletű – például 75/60oC-os – fűtési rendszerre dolgoznak, nagyobb a falveszteség, mint alacsony hőmérsékletű – például 40/30oC-os – fűtésnél. Az állandó előremenő hőmérséklettel működő kazánoknál kedvezőbbek a terheléshez igazodó, változó előremenő hőmérsékletű kazánok. A fűtési időszak jelentős részében a névlegesnél kisebb kazánvíz-hőmérséklet hatásosan mérsékli a falveszteséget. Ajánlatos a fűtési egyenest optimális értékre állítani.
Üzemen kívüli állapotban nincs bevitt energia (4. ábra), de a környezetbe távozik energia. A külső lehűlés a falveszteség, ami nagyságrendileg megegyezik az üzem közbeni értékkel. A belső lehűlést a kazánon átáramló levegő okozza, ennek mértéke függ a kazán szerkezeti kialakításától, és égéstermék-csappantyúval jelentősen korlátozható. Nagy a készenléti veszteség, ha a kazán jelentősen túlméretezett, és a teljes időalapon belül kedvezőtlen az üzemi és üzemen kívüli idő aránya.
Vizsgálat II.
Egy másik vizsgálatot a német fogyasztóvédelmi szervezet végzett, ez 996 db, lakóépületbe telepített kondenzációs kazánra terjedt ki, melyek közül 876 földgáz-, 30 pébégázüzemű, 90 pedig olajtüzelésű volt. Teljesítményük max. 30 kW volt. Negyedük egészen új volt, a többinél az üzembe helyezés óta 3-20 év telt el. A méréseket a fűtési idényben, február és március hónapokban végezték. A külső levegőhőmérséklet fagypont körül változott.
Három mennyiséget mértek 24 órán keresztül: elégetett tüzelőanyag, fűtési víz hőmérséklete (előremenő és visszatérő), keletkező kondenzátum. A mérési nehézségek miatt végül csak a földgázos kazánok eredményeit értékelték. Könnyen belátható, hogy a kondenzációs kazán gazdaságossága jellemezhető a kondenzátummennyiséggel. Minél több ez, annál jobban érvényesül a gyakorlatban is ennek a kazántípusnak elvi előnyös tulajdonsága, ellenkező eseten ez kihasználatlan marad, és a potenciális gázmegtakarítás elmarad. A vizsgált kazánoknál a fajlagos kondenzátummennyiség az elméletileg lehetséges maximum (140 g/kWh) és a nulla között nagy szórásban fordult elő. 12 kazánnál egyáltalán nem jelentkezett kondenzvíz, 38 kazánnál kevesebb volt 20 g/kWh-nál.
Elemezték, hogy van-e korreláció a kondenzátummennyiség és az üzemvitelt befolyásoló külső tényezők között. Igen csekély korreláció volt kimutatható a mérés idején uralkodó külső levegőhőmérséklet tekintetében, valamivel erősebb korrelációt tapasztaltak a kondenzátumképződés és a kazán életkora, illetve a csúcskihasználási óraszáma szerint. A régebben üzembe helyezett kazánokban fajlagosan valamivel kevesebb kondenzátum keletkezett. A kis csúcskihasználási óraszám, ami túlméretezettségre utal, tendenciájában javította a kondenzációs hajlamot. Ez magyarázható azzal, hogy a kondenzációs kazán részterhelésen, kisebb visszatérő hőmérsékletnél jobban lehűti az égésterméket, többet kondenzál. Ugyanakkor az égőindítások száma, a készenléti idő hossza növekedhet, ami rontja a hatásfokot, és nagyobb elhasználódással jár. A legerősebb korreláció érthető módon a fűtési víz visszatérő hőmérsékletével volt kimutatható – a mérési eredmények természetesen azt mutatták, hogy a kisebb érték a kedvező.
A német vizsgálat megállapításaiból levonható egy fontos következtetés. Ha valahol egy kondenzációs kazánt telepítenek, de nem teremtik meg a szükséges feltételeket, vagy azok időközben megváltoznak, a kazán nem fog kondenzációs kazánként működni. A hagyományos gázkazánokból az égéstermék a harmatponti hőmérséklet felett távozik, az égéstermék vízgőzt tartalmaz. A harmatponti hőmérséklet függ az égéstermék összetételétől, földgáznál szokás 56oC-kal számolni (5. ábra).
A kondenzációhoz az égésterméket a harmatpont alá kell hűteni, ehhez szükséges a kondenzációs hőcserélő. Ennek szerkezete lehetővé teszi az égéstermék lehűtését a harmatpont alá, anyaga pedig elviseli a kondenzátum fizikai és kémiai hatását.
A tényleges kondenzáció azon múlik, hogy a hőcserélő vízoldalán mekkora a kazánvíz hőmérséklete.
Az áramló égéstermék hőmérséklete a hőcserélő fala mellett a legkisebb és az áramlás tengelyében a legnagyobb. Két szélső eset írható le.
A kondenzáció a fal mellett kezdődik meg, amikor ott az égéstermék már a harmatpont alá hűlt le. A teljes égéstermék vízgőztartalma kondenzálódik, amikor már nincs harmatpont feletti hőmérsékletű égéstermék. A két állapot között beszélünk részleges kondenzációról. Mindkét esethez egy-egy égéstermék-átlaghőmérséklet, valamint visszatérő vízhőmérséklet értékpár tartozik. Ezek nagyságát a hőcserélő szerkezete, felületi tisztasága, az égéstermék és kazánvíz tömegárama határozza meg. Mivel a cél a minél nagyobb, akár teljes kondenzáció, ez kis visszatérő vízhőmérséklettel közelíthető, valósítható meg. Itt kapcsolódik a kazánüzem a fűtési rendszerhez.
A fűtési hőigény időjárásfüggő. Az éppen szükséges hőbevitelt a hőleadó hőmérsékletének változtatásával valósítjuk meg. Szabályozzuk a fűtési víz hőmérsékletét, adott rendszernél a térfogatáramát is. Ez történhet állandó kazánvíz-hőmérséklettel, de jobb módszer a kazánból kilépő víz hőmérsékletének időjárásfüggő vezérlése. Enyhébb időjárásnál a kazán kisebb hőmérsékletre fűti fel a vizet. Ez azon túl, hogy fűtésszabályozási szempontból megfelelő, előnyös a kondenzáció tekintetében is. A legkedvezőbb az, ha a fűtési rendszer lehetővé teszi az egész fűtési időszakban, a leghidegebb napokban is, hogy az alacsony hőmérsékletű visszatérő víz teljes kondenzációt hozzon létre. Ez azonban nem feltétlenül az optimális megoldás. Mivel a rendszer csak rövid ideig működik nagyon kis külső hőmérséklet mellett, gazdaságosabb úgy méretezni, hogy van egy kis kondenáció nélküli tartomány is. A 6. ábra egy olyan példát mutat, ahol -12 °C alatt nincs kondenzáció, -12 °C és -2 °C között részleges a kondenzáció, -2 °C felett pedig már annyira kicsi a visszatérő víz hőmérséklete, hogy a kondenzáció az égéstermék egészére kiterjed.
A ma korszerűnek tekinthető kondenzációs gázkazánok modulációs égővel készülnek. Az egyszerű, egyfokozatú égő a kívánt előremenő hőmérsékletet állandó teljesítménnyel, a működési idő változtatásával éri el. A modulációs égő ezzel szemben az alacsonyabb előremenő hőmérsékletnél kisebb teljesítményt ad le, és alacsonyabb az égéstermék-hőmérséklet. A kedvező légfelesleg-tényező érdekében kisebb az égési levegő, illetve az égéstermék tömegárama.
Összességében ez azzal a kedvező eredménnyel jár, hogy kisebb a hőcserélőnél a viszszatérő víz- és az égéstermék-hőmérséklet közötti különbség ( T), miáltal az időjárás-követő fűtésszabályozás és a modulációs égő együttesen növeli a teljes kondenzációs tartományt, ami egyfokozatú égő esetén nem -2oC mellett, hanem csak +5oC külső hőmérsékletnél kezdődne.
Maradva a példánál, a kondenzáció nélküli tartományhoz az egész fűtési időszak hőigényének kb. 5 százaléka tartozik, azaz nagyon kicsi a jelentősége. -12oC és -2oC külső hőmérséklet között ez az érték kb. 20 százalék, tehát kb. 75 százalékot tesz ki a teljes kondenzációs üzemmód. A rosszabbik változatnál, egyfokozatú égőnél ezek a számok 55 és 40 százalék lennének. Ez a magyarázata annak, hogy a korszerű kondenzációs gázkazán számára miért előnyös az enyhe időjárás, az ezzel együtt-járó mérsékelt hőigény, a kis égőteljesítmény, az alacsony visszatérő hőmérsékletű fűtési víz. E feltételek teljesülése esetén működnek maximális vagy ahhoz nagyon közeli hatásfokkal. (Folytatjuk)
