Λέβητες συμπύκνωσης αερίου: Απαραίτητοι για την κατάλληλη ενεργειακή απόδοση

Η ρύθμιση της θερμοκρασίας καυσαερίων σε χαμηλότερη τιμή, ώστε να μειωθεί η σπατάλη ενέργειας, δεν βρίσκει εφαρμογή στους κοινούς λέβητες, επειδή η μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων οδηγεί στην υγροποίησή τους.

Τα υγροποιημένα καυσαέρια εμποδίζουν τη σωστή λειτουργία της καύσης, προκαλούν διάβρωση στο χάλυβα και οδηγούν σε καταστροφή του λέβητα. Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ενεργειακή απόδοση, κατασκευάστηκαν λέβητες από υλικά που είναι ανθεκτικά στη διάβρωση από τα συμπυκνώματα των καυσαερίων.

Λειτουργία λεβήτων συμπύκνωσης

Κατά την καύση ενός καυσίμου υδρογονάνθρακα, στα προϊόντα της καύσης υπάρχει εκτός των άλλων και νερό (H2 O): CνΗ2ν+2 + Ο2 –> CO2 + H2 O Το νερό αυτό είναι σε μορφή ατμού, και μεταφέρει με τα καυσαέρια και ποσό θερμότητας ίσο με αυτό που απορρόφησε, για να μετατραπεί από υγρό σε ατμό. Η θερμότητα αυτή ονομάζεται «λανθάνουσα θερμότητα ατμοποίησης» και προσμετράται για τον προσδιορισμό της ανώτερης θερμογόνου δύναμης του καυσίμου.

Το ποσοστό κατά το οποίο πρέπει να προσαυξηθεί η κατωτέρα θερμογόνος δύναμη για να υπολογιστεί η ανωτέρα είναι περίπου:

  • Φυσικό αέριο: 10% l L.P.G.: 7,5%
  • Υγρά καύσιμα (μαζούτ, ντίζελ): 6%
  • Στερεά καύσιμα: 3%

Οι απώλειες ενός κλασικού παραδοσιακού λέβητα φαίνονται στο σχήμα 1.

Αν τα καυσαέρια έβγαιναν απ’ το λέβητα με θερμοκρασία μικρότερη από αυτή του σημείου δρόσου του νερού, θα επωφελούμασταν τη λανθάνουσα θερμότητα και θα αυξανόταν ο βαθμός απόδοσης του λέβητα. Αυτό ακριβώς κάνουν οι λέβητες συμπύκνωσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.

Το σημείο δρόσου του ατμοποιημένου νερού των καυσαερίων εξαρτάται από το ποσοστό του CO2 στα καυσαέρια. Όταν αυξάνεται το CO2 , αυξάνεται και το σημείο δρόσου· άρα και η συμπύκνωση, και μαζί με αυτή και ο βαθμός απόδοσης.

Από τον πίνακα 1 διαπιστώνουμε ότι μια περιεκτικότητα 8 – 9% CO2 στα καυσαέρια του φυσικού αερίου ανεβάζει τη θερμοκρασία συμπύκνωσης στους 55ο C. Για να επιτευχθεί αυτή η θερμοκρασία καυσαερίων θα πρέπει το νερό που επιστρέφει στο λέβητα να έχει θερμοκρασία μικρότερη από αυτή των καυσαερίων (55ο C ). Αυτό επιτυγχάνεται στα συστήματα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών (δαπεδοθέρμανση) και στα κλασικά συστήματα θέρμανσης με θερμορύθμιση (αντιστάθμιση καιρού), ενώ ιδανικός είναι ο συνδυασμός και των δύο παραπάνω συστημάτων.

Στο διάγραμμα 1 παρατηρούμε τον τρόπο λειτουργίας ενός παραδοσιακού λέβητα σε συμβατικό σύστημα θέρμανσης με αντιστάθμιση και ελάχιστη αναμενόμενη εξωτερική θερμοκρασία -5ο C, καθώς και τον τρόπο λειτουργίας ενός λέβητα συμπύκνωσης σε σύστημα δαπεδοθέρμανσης (χαμηλών θερμοκρασιών) με αντιστάθμιση και ελάχιστη αναμενόμενη εξωτερική θερμοκρασία -5ο C. Είναι εμφανές ότι το κέρδος της λανθάνουσας θερμότητας στο ένα σύστημα αρχίζει από τους 4ο C και πάνω, ενώ στο άλλο σύστημα από τους -5ο C και πάνω.

Οι λέβητες συμπύκνωσης είναι κατασκευασμένοι με υλικά και μεθόδους που τους καθιστούν ανθεκτικούς στις διαβρωτικές συνθήκες στις οποίες λειτουργούν, ενώ έχει προβλεφθεί η αποχέτευση του νερού που συμπυκνώνεται.

Ο κανονισμός UNI 11071 ορίζει τον τρόπο απόρριψης των συμπυκνωμάτων, τα οποία έχουν PH 3,5 – 4,5. Είναι δηλαδή όξινα, και ανάλογα με την ισχύ του λέβητα, αποχετεύονται απευθείας ή κατόπιν επεξεργασίας (αδρανοποίησης).

Ανατομία επίτοιχου λέβητα συμπύκνωσης

Οι λέβητες συμπύκνωσης μπορούν να φθάσουν στιγμιαία και σε απόδοση 94 – 96%. Για να το πετύχουν αυτό συνδυάζουν:

  • Συμπύκνωση
  • Αντιστάθμιση
  • Προανάμειξη.

Τεχνολογία προανάμειξης

Ο καυστήρας στους λέβητες αυτούς διαφέρει σημαντικά από τους άλλους επίτοιχους. Φέρει μία διάτρητη κυλινδρική κεφαλή καύσης (βλ. σχήμα 3), στην οποία φτάνει προαναμειγμένο καύσιμο μείγμα αερίου – αέρα, ενώ η καύση γίνεται με μορφή πολλών μικρών φλογών, οι οποίες εξασφαλίζουν μικρή θερμοκρασία καύσης και παραγωγή χαμηλών οξειδίων του αζώτου (ΝΟx).

Το μείγμα προσάγεται από έναν ανεμιστήρα που βρίσκεται μεταξύ του καυστήρα και ενός συστήματος Βεντούρι, το οποίο φροντίζει για την ανάμειξη του αερίου με τον αέρα. Διάφορες διατάξεις μάς επιτρέπουν να ρυθμίζουμε την αναλογία ώστε να επιτυγχάνουμε το βέλτιστο CO2 .

Το αέριο, πριν φθάσει στο σύστημα Βεντούρι, περνά από μία βαλβίδα αερίου (βλ. εικόνα 2) η οποία αποκόπτει το αέριο και φροντίζει για τη ρύθμιση της πίεσης και της μαλακής ανάφλεξης.

Ο θάλαμος καύσης

Ο θάλαμος καύσης είναι κυλινδρικού σχήματος και περιβάλλει τον εναλλάκτη, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από σωλήνες ανθεκτικούς στη διάβρωση. Το νερό κατανέμεται στους σωλήνες κατά τρόπο που να εξασφαλίζεται η μέγιστη συναλλαγή θερμότητας και η μέγιστη ψύξη των καυσαερίων. Στο κάτω μέρος του θαλάμου καύσης συγκεντρώνεται το νερό που συμπυκνώνεται, και από εκεί οδηγείται στην αποχέτευση αφού πρώτα περάσει από σιφόνι, το οποίο πρέπει να γεμίζουμε με νερό κατά το αρχικό άναμμα και κατά την ετήσια συντήρηση.

Σε ό,τι αφορά τα συστήματα ασφάλειας και ελέγχου, οι λέβητες αυτοί δεν διαφέρουν από τους υπόλοιπους λέβητες αερίου.

*Ο κ. Αναστάσιος Φαντάκης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός και μηχανικός Η/Υ ΕΜΠ, ενώ ο κ. Παναγιώτης Φαντάκης είναι μηχανολόγος εκπαιδευτικός διευθυντής 3ου Ε.Κ. Γ΄ Αθήνας. Βασικό βοήθημα για τη συγγραφή του άρθρου υπήρξε το βιβλίο των συγγραφέων «Καυστήρες – Λέβητες – Συσκευές αέριων καυσίμων».

Δείτε τα σχήματα του άρθρου στην έντυπη έκδοση του «Θερμοϋδραυλικού», Νοέμβριος 2019.

Ελέγξτε επίσης

Παραβολικός επιμήκης ηλιακός θερμικός συλλέκτης

Άρθρο των κ. Ευάγγελου Μπέλλου & Χρήστου Τζιβανίδη* Εισαγωγή Με τη παραγωγή θερμότητας έως και …