Caldaie a gas a condensazione: principio di funzionamento, vantaggi e svantaggi
Il costo sempre crescente dell'energia ha spinto scienziati e ingegneri a creare un nuovo tipo di generatore di calore: una caldaia a condensazione. Se installato in un sistema di riscaldamento a bassa temperatura, il condensatore può mostrare un'efficienza superiore al 100%. Come riesci a raggiungere questo obiettivo? Qual è il principio di funzionamento di una caldaia a gas a condensazione? Quali sono i suoi vantaggi e svantaggi? Dopo aver letto il nostro articolo, imparerai tutto o quasi tutto.
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Il principio di funzionamento della caldaia a condensazione
La caldaia a condensazione è il fratello minore della caldaia a convezione a gas più convenzionale. Il principio di funzionamento di quest'ultimo è estremamente semplice e quindi comprensibile anche a persone scarsamente specializzate in fisica e tecnologia. Il combustibile per la caldaia a gas, come suggerisce il nome, è gas naturale (principale) o liquefatto (palloncino). Durante la combustione del combustibile blu, così come qualsiasi altra materia organica, si formano anidride carbonica e acqua e viene rilasciata una grande quantità di energia. Il calore generato viene utilizzato per riscaldare il liquido di raffreddamento - acqua industriale che circola attraverso il sistema di riscaldamento domestico.
L'efficienza di una caldaia a convezione a gas è ~ 90%. Questo non è poi così male, almeno superiore a quello dei generatori di calore a combustibile liquido e solido. Tuttavia, le persone hanno sempre cercato di avvicinare questo indicatore il più possibile al caro 100%. A questo proposito, sorge la domanda: dove va il restante 10%? La risposta, ahimè, è prosaica: volano fuori nel tubo. Infatti, i prodotti della combustione del gas che lasciano il sistema attraverso il camino vengono riscaldati a una temperatura molto elevata (150-250 ° C), il che significa che il 10% dell'energia persa viene spesa per riscaldare l'aria all'esterno della casa.
Scienziati e ingegneri hanno cercato a lungo la possibilità di un recupero di calore più completo, tuttavia, solo 10 anni fa è stato trovato un metodo per incarnare la tecnologia dei loro sviluppi teorici, quando è stata creata una caldaia a condensazione.
Qual è la sua differenza fondamentale rispetto a un tradizionale generatore di calore a gas a convezione? Dopo aver completato il processo principale di combustione del combustibile e il trasferimento di una parte significativa del calore rilasciato durante questo processo allo scambiatore di calore, il condensatore raggiunge i gas di combustione a 50-60 ° C, vale a dire. al punto in cui inizia il processo di condensazione dell'acqua. Già questo è sufficiente per aumentare significativamente l'efficienza, in questo caso la quantità di calore trasferita al liquido di raffreddamento. Tuttavia, questo non è tutto.
Caldaia a gas tradizionale
Caldaia a condensazione a gas
A una temperatura di 56 ° C - nel cosiddetto punto di rugiada - l'acqua passa da uno stato vaporoso a uno stato liquido, in altre parole, condensati di vapore acqueo. In questo caso, viene rilasciata energia aggiuntiva, che a tempo debito è stata impiegata per l'evaporazione dell'acqua e nelle caldaie a gas ordinarie viene persa insieme alla miscela vapore-gas volatilizzata. Una caldaia a condensazione è in grado di "raccogliere" il calore generato durante la condensazione del vapore acqueo e trasferirlo al vettore di calore.
I produttori di generatori di calore del tipo a condensazione invariabilmente attirano l'attenzione dei loro potenziali clienti sull'efficienza insolitamente alta dei loro dispositivi - oltre il 100%. Com'è possibile? In realtà, non vi è alcuna contraddizione con i canoni della fisica classica. Proprio in questo caso, usano un diverso sistema di insediamento.
Spesso, valutando l'efficienza delle caldaie di riscaldamento, calcolano la quantità di calore rilasciato che viene trasferita al liquido di raffreddamento. Il calore "prelevato" in una caldaia convenzionale e il calore proveniente dal raffreddamento profondo dei gas di combustione garantiranno un rendimento totale del 100%.Ma se aggiungiamo qui anche il calore rilasciato durante la condensazione del vapore, otteniamo ~ 108-110%.
Dal punto di vista della fisica, tali calcoli non sono del tutto veri. Nel calcolare l'efficienza, è necessario tenere conto non del calore rilasciato, ma dell'energia totale rilasciata durante la combustione di una miscela di idrocarburi di una data composizione. Ciò includerà l'energia spesa per la conversione dell'acqua in uno stato gassoso (successivamente rilasciato durante il processo di condensazione).
Ne consegue che un coefficiente di prestazione superiore al 100% è solo una mossa delicata da parte degli esperti di marketing che sfruttano l'imperfezione di una formula di calcolo obsoleta. Tuttavia, si dovrebbe riconoscere che il condensatore, a differenza di una convenzionale caldaia a convezione, riesce a "spremere" tutto o quasi tutto dal processo di combustione del combustibile. I punti positivi sono evidenti: maggiore efficienza e minor consumo di risorse fossili.
Il dispositivo dei componenti principali della caldaia a condensazione
Da un punto di vista strutturale, la caldaia a condensazione non è molto, ma è comunque diversa dalla solita caldaia a gas. I suoi elementi principali sono:
- una camera di combustione dotata di un bruciatore, un sistema di alimentazione del carburante e un ventilatore per il pompaggio dell'aria;
- scambiatore di calore n. 1 (scambiatore di calore primario);
- una camera per raffreddare ulteriormente la miscela gas-vapore ad una temperatura il più vicino possibile a 56-57 ° C;
- scambiatore di calore n. 2 (scambiatore di calore a condensazione);
- serbatoio di raccolta condensa;
- camino per la rimozione di fumi freddi;
- una pompa per la circolazione dell'acqua nel sistema.
1. Chimney.
2. Vaso di espansione
3. Superfici di trasferimento del calore.
4. Bruciatore modulato.
5. Ventola del bruciatore.
6. Pompa.
7. Pannello di controllo
Nello scambiatore di calore primario accoppiato alla camera di combustione, i gas evoluti vengono raffreddati a una temperatura significativamente al di sopra del punto di rugiada (in effetti, questo è l'aspetto delle caldaie a gas convenzionali convenzionali). Quindi la miscela dei fumi viene forzatamente diretta allo scambiatore di calore a condensazione, dove viene raffreddata a una temperatura inferiore al punto di rugiada, cioè inferiore a 56 ° C. In questo caso, il vapore acqueo si condensa sulle pareti dello scambiatore di calore, "dando l'ultimo". La condensa viene raccolta in un apposito serbatoio, da cui scorre lungo il tubo di scarico nella fognatura.
L'acqua, che funge da refrigerante, si sposta nella direzione opposta al movimento della miscela vapore-gas. L'acqua fredda (acqua di ritorno dall'impianto di riscaldamento) viene preriscaldata in uno scambiatore di calore a condensazione. Quindi entra nello scambiatore di calore primario, dove viene riscaldato a una temperatura superiore specificata dall'utente.
Condensa - ahimè, non acqua pura, come molti credono, ma una miscela di acidi inorganici diluiti. La concentrazione di acidi nella condensa è bassa, ma tenendo conto del fatto che la temperatura nel sistema è sempre elevata, può essere considerata un liquido aggressivo. Ecco perché nella produzione di tali caldaie (e principalmente scambiatori di calore a condensazione) vengono utilizzati materiali resistenti agli acidi: acciaio inossidabile o silicio (lega di alluminio-silicio). Lo scambiatore di calore, di norma, è realizzato in fusione, poiché le saldature sono un punto vulnerabile: è qui che inizia il processo di distruzione della corrosione del materiale.
Il vapore deve essere condensato precisamente sullo scambiatore di calore a condensazione. Tutto ciò che è andato oltre nel camino, da un lato, è perso per il riscaldamento e, dall'altro, influisce in modo distruttivo sul materiale del camino. È per quest'ultima ragione che il camino è realizzato in acciaio inossidabile resistente agli acidi o in plastica e una leggera pendenza è data alle sue sezioni orizzontali in modo che l'acqua formata durante la condensazione delle quantità insignificanti di vapore che tuttavia cadono nel camino venga scaricata nuovamente nella caldaia. Va tenuto presente che i gas di scarico che escono dal condensatore sono molto raffreddati e tutto ciò che non si è condensato nella caldaia sarà necessariamente condensato nel camino.
In diversi momenti della giornata, è necessaria una diversa quantità di calore dalla caldaia di riscaldamento, che può essere regolata mediante un bruciatore. Il bruciatore della caldaia a condensazione può essere modulato, ad es. con la possibilità di un cambiamento regolare della potenza durante il funzionamento, o non simulato - con una potenza fissa. In quest'ultimo caso, la caldaia si adatta alle esigenze del proprietario modificando la frequenza del bruciatore. Sulla maggior parte delle caldaie moderne progettate per il riscaldamento di case private, sono installati bruciatori simulati.
Quindi, speriamo che tu abbia un'idea generale di cosa sia una caldaia a condensazione, di come sia costruita e di quale principio funzioni. Tuttavia, molto probabilmente, queste informazioni non saranno sufficienti per capire se è necessario acquistare personalmente tali apparecchiature. Per aiutarti a prendere questa o quella decisione, ti parleremo di tutti i vantaggi e gli svantaggi, i vantaggi e gli svantaggi di una caldaia a condensazione, confrontandola con una tradizionale convezione.
I vantaggi di una caldaia a condensazione
L'elenco dei vantaggi della caldaia a condensazione è impressionante, il che alla fine spiega la crescente popolarità di questo tipo di apparecchiature di riscaldamento:
- Consumo di carburante rispetto a una caldaia convenzionale a convezione, può raggiungere il 35%.
- Riduzione delle emissioni nel passaggio dai modelli di gas tradizionali a quelli a condensazione, è stimato in media al 70%.
- Bassa temperatura dei fumi consente di installare camini in plastica, che sono molto più economici dell'acciaio classico.
- A basso rumore aumenta il livello di comfort delle persone che vivono in casa.
Parliamo di alcuni dei vantaggi elencati delle caldaie a condensazione in modo più dettagliato.
Consumo di carburante se utilizzato in sistemi a bassa temperatura
Il consumo di carburante dipende direttamente dalla potenza dell'apparecchiatura e dal carico assegnato all'impianto di riscaldamento. Per il riscaldamento di una casa con una superficie di 250 m2 sarà sufficiente una caldaia a condensazione da 28 kilowatt con un consumo massimo di gas di 2,85 m3/ h Una caldaia classica della stessa potenza consumerà 3,25 m3/ h A condizione che la caldaia funzioni per sei mesi su dodici, risparmierai circa 3000 rubli all'anno. (ai prezzi esistenti per il gas principale per i consumatori russi). Probabilmente è difficile definire un risparmio così significativo - non coprirà nemmeno le differenze nei costi di manutenzione annuale delle caldaie.
Ma diamo un'occhiata alla situazione attraverso gli occhi del consumatore medio europeo, che costa da quattro a cinque (o anche più) volte il prezzo del gas naturale. La quantità di risparmi in questo caso è già di circa 300 euro e per cui vale la pena lottare.
Consumo di gas in caldaie a condensazione di varie capacità:
Riduzione delle emissioni
Durante la combustione di combustibili fossili, si forma l'anidride carbonica che, quando reagisce con l'acqua, produce anidride carbonica. Inoltre, in qualsiasi combustibile ci sono sempre impurità di composti di zolfo, fosforo, azoto e una serie di altri elementi. Nel processo di combustione, da essi si formano corrispondenti ossidi che, se combinati con l'acqua, producono anche acidi.
Nelle caldaie a convezione convenzionali, il vapore acqueo con una miscela di acidi (carbonico, solforico, nitrico, fosforico) viene rilasciato nell'atmosfera. Le caldaie a condensazione non presentano questo inconveniente: gli acidi rimangono nella condensa. Tuttavia, dati i problemi legati all'utilizzo della condensa, la famigerata compatibilità ambientale di questa apparecchiatura può essere messa in discussione.
Contro caldaia a condensazione
La caldaia a condensazione, per tutti i suoi vantaggi, non può essere definita un'apparecchiatura di riscaldamento ideale, poiché non è priva di inconvenienti:
- prezzo elevato;
- l'alto costo dello scambiatore di calore (e, di conseguenza, la necessità di monitorare attentamente le condizioni dell'intero sistema di riscaldamento);
- inadeguatezza d'uso nei sistemi ad alta temperatura;
- difficoltà nel recupero della condensa;
- sensibilità alla qualità dell'aria.
prezzo
Per una percentuale aggiuntiva di energia termica devi pagare.Tecnicamente, una caldaia a condensazione è più complicata e quindi più costosa. Il costo di un buon condensatore domestico di un noto produttore è parecchie volte superiore al costo di un'unità classica della stessa potenza. Naturalmente, tali apparecchiature vengono acquistate per più di un decennio, il che significa che ha senso privilegiare tecnologie innovative che aumentano il comfort operativo.
Convenzionalmente, tutti i modelli di caldaie a condensazione possono essere suddivisi in tre categorie di prezzo: classe premium, media ed economica:
1. La classe premium è progettata per alcuni acquirenti. Le caldaie a condensazione premium includono, ad esempio, modelli di marchi tedeschi. Questa apparecchiatura è efficiente nel funzionamento e conveniente nel funzionamento, soddisfa gli standard ambientali europei, realizzati con materiali di alta qualità. Le caldaie "Premium" hanno molte funzioni utili che aumentano in modo significativo il livello di comfort durante il loro funzionamento: programmazione delle modalità di funzionamento (ad esempio, mantenimento della temperatura ambiente a un livello minimo in assenza di ospiti o una leggera diminuzione della temperatura durante la notte), regolazione dipendente dalle condizioni meteorologiche, interazione intelligente con altri generatori di calore , controllo remoto utilizzando un programma speciale su un telefono cellulare, ecc. L'unico aspetto negativo è il prezzo elevato.
2. La classe media include beni più economici, ma con qualità di consumo leggermente più modeste. Si tratta di unità economiche ed ecologiche che soddisfano tutti i requisiti e offrono prestazioni elevate. Si distinguono per una vasta gamma di funzioni, dotate di un sistema di controllo automatico che modifica autonomamente i parametri a seconda della temperatura del liquido di raffreddamento e dell'aria nella stanza.
3. La classe economica è progettata per coloro che, per motivi di economia, sono pronti a sopportare un livello di comfort inferiore. Le merci sfuse conducono sempre nelle vendite. Le posizioni di leader nel mercato delle caldaie a condensazione di classe economica appartengono alle società coreane e slovacche. I loro prodotti sono due o più volte più economici dei modelli premium. Un altro vantaggio di questa apparecchiatura è la sua adattabilità alle condizioni operative russe. Condensatori economici con funzionalità semplice resistono con calma a interruzioni di corrente e cadute di pressione quando l'automazione costosa smette di funzionare.
Valutando le tue capacità finanziarie, devi tenere conto degli inevitabili costi di installazione e messa in servizio delle apparecchiature, che ti costeranno anche molto, molto costosi.
Non bisogna dimenticare che durante il funzionamento la caldaia a condensazione consente di risparmiare gas. Tuttavia, questo risparmio è così spettrale che l'investimento non pagherà presto. Ciò significa che prima di acquistare il calore di condensazione, vale la pena di effettuare una valutazione preliminare: se il costo del combustibile risparmiato giustificherà l'alto prezzo dell'attrezzatura.
Un effetto economico positivo derivante dall'acquisizione di tale caldaia dovrebbe essere previsto solo a determinate condizioni - se è installato in una nuova casa (leggi "in costruzione") progettata per la residenza permanente con un sistema di riscaldamento a bassa temperatura organizzato del riscaldamento a pavimento. Inoltre, l'entità dell'effetto dipende direttamente dalla temperatura invernale media, cioè dalla regione in cui si trova la casa (il principio è semplice: più calore è necessario, più senso ha in tale tecnica).
L'alto costo dello scambiatore di calore utilizzato
Uno scambiatore di calore è un elemento tecnicamente complesso e costoso. In caso di fallimento, come si suol dire, "salire sulla paletta". Per i soldi spesi per l'acquisto di un nuovo scambiatore di calore e il pagamento del lavoro per sostituirlo, è possibile acquistare facilmente una nuova caldaia a convezione della stessa capacità.
Da ciò ne consegue che è necessario monitorare attentamente le condizioni dello scambiatore di calore. Sarà estremamente difficile risciacquarlo quando si intasa. Quando si installa una caldaia a condensazione, è necessario controllare l'intero sistema di riscaldamento - non dovrebbero esserci tubi arrugginiti e radiatori.
La sicurezza dello scambiatore di calore dipende anche dalla qualità del liquido di raffreddamento utilizzato. L'acqua dovrebbe essere morbida, altrimenti i tubi si riempiranno rapidamente di schiuma dall'interno. La presenza di ruggine nell'acqua, sospensioni estranee, sali di calcio e ferro è inaccettabile.
Poiché la condensa contiene acidi, lo scambiatore di calore deve essere in grado di resistere ai loro effetti. Molto spesso, gli scambiatori di calore sono realizzati in silicio e acciaio inossidabile di alta qualità. Lo scambiatore di calore al silicio viene prodotto mediante fusione di metolo. A causa del minor costo del materiale e della tecnologia di produzione, questi scambiatori di calore sono più economici degli scambiatori di calore in acciaio inossidabile. Ma c'è uno svantaggio di questi scambiatori di calore: sono meno resistenti agli ambienti acidi aggressivi.
Gli scambiatori di calore in acciaio inossidabile sono prodotti mediante saldatura di singole parti. Il costo finale di tali scambiatori di calore è superiore al silicio. Tuttavia, resistono meglio agli ambienti acidi e aggiungono affidabilità alle apparecchiature.
Uso inappropriato in sistemi ad alta temperatura
L'efficienza promessa del 108-110% non può sempre essere ottenuta: la cifra reale dipende dal sistema di riscaldamento. Esistono due tipi fondamentalmente diversi di sistemi di riscaldamento: alta e bassa temperatura. Differiscono nell'intervallo di temperatura del liquido refrigerante all'ingresso e all'uscita del generatore di calore.
Nei sistemi di riscaldamento convenzionali ad alta temperatura, il rapporto tra la temperatura dell'acqua fornita e l'acqua di ritorno è generalmente compreso tra 75-80 ° C e 55-60 ° C. Un sistema con una caldaia a condensazione è efficace solo in modalità a bassa temperatura, ad es. quando il rapporto tra la temperatura di mandata e quella di ritorno è compreso tra 50-55 ° C e 30-35 ° C. Questo rapporto è ideale se il riscaldamento della casa viene eseguito utilizzando il riscaldamento a pavimento. Altrimenti, per riscaldare la stanza, sarà necessario installare radiatori aggiuntivi con un aumento di 2,5-3 volte nella superficie utile, progettati per una temperatura del refrigerante non superiore a 50 ° C.
L'efficienza della caldaia a condensazione è determinata principalmente dalla temperatura del liquido di raffreddamento all'ingresso. Questo è spiegato semplicemente: più bassa è la temperatura dell'acqua nel circuito di ritorno, più intensa si verifica la condensa. L'efficienza della caldaia in un sistema di riscaldamento a bassa temperatura (la temperatura di ingresso / uscita è di circa 30/50 ° C) può raggiungere quelle del 108-110%. Se una tale caldaia viene fatta funzionare in un sistema ad alta temperatura (60/80 ° C), allora non ci sarà condensa e l'efficienza scenderà al 98-99% - questo è più che con le caldaie a convezione convenzionali, ma meno di quanto potrebbe essere.
Pertanto, se si desidera ottenere il massimo beneficio dal condensatore, la decisione di installarlo deve essere presa in fase di progettazione della casa. Se si acquista una caldaia di questo tipo per una casa esistente con un sistema di riscaldamento esistente, ciò significa l'inevitabile ricostruzione dell'edificio con la sostituzione di un sistema di riscaldamento del radiatore ad alta temperatura con un sistema di riscaldamento a pavimento a bassa temperatura (e una tale riparazione su larga scala è di nuovo una spesa considerevole e l'effetto economico dell'intera impresa viene perso).
Difficoltà di recupero della condensa
L'uso di una caldaia a condensazione comporta lo smaltimento della condensa. Inoltre, quest'ultimo si forma in quantità considerevoli: un litro di metro cubo di gas bruciato. Ad esempio: una caldaia con una capacità di 25 kW all'ora consuma circa 2,8 m3 gas, cioè in solo un'ora di funzionamento, verranno rilasciati meno di 3 litri di condensa, al giorno - 70 litri.
Ricordiamo che la condensa è una soluzione di acidi, il che significa che la questione di dove metterla non è affatto inattiva. Va bene se la tua casa è collegata a un sistema fognario centralizzato. Anche secondo le rigide norme europee, le caldaie con una capacità fino a 28 kW non richiedono uno smaltimento speciale della condensa. Si presume che una tale quantità di condensa sia sufficientemente diluita con acque reflue domestiche per non danneggiare i tubi di scarico.
Ma cosa fanno i proprietari di case private con fognatura autonoma? È impossibile versare in una fossa settica - i batteri benefici (e costosi) moriranno.Il versamento sul terreno è inaccettabile: si verificherà la salinizzazione del suolo e nel tempo non crescerà nulla in questo luogo. È estremamente difficile trasportare 70 litri al giorno per lo smaltimento. C'è solo una via d'uscita: prevedere un proprio sistema separato per neutralizzare gli acidi contenuti nella condensa. In Occidente, dove i requisiti di conformità agli standard ambientali sono più severi dei nostri, un convertitore catalitico viene acquistato automaticamente quando viene installata una caldaia a condensazione.
Sensibilità alla qualità dell'aria
Un punto importante a cui prestare attenzione se si desidera che la propria caldaia funzioni normalmente è la rimozione dei prodotti della combustione e l'accesso all'aria comburente.
Una delle differenze tra caldaie a condensazione e convezione è l'uso di una camera di combustione chiusa. Le caldaie a convezione prendono aria dalla stanza, le caldaie a condensazione dalla strada. Nel primo, la circolazione naturale dell'aria (convezione) viene utilizzata per saturare la miscela aria-carburante con l'ossigeno, e nel secondo viene fornito un ventilatore che pompa l'aria nel bruciatore. La rimozione dei prodotti della combustione in essi, a proposito, viene eseguita anche con la forza. Le masse d'aria circolano, di regola, attraverso un camino coassiale, che è una costruzione tubo in tubo. L'aria di aspirazione si muove attraverso la cavità esterna del camino, i prodotti di scarico della combustione - attraverso l'interno.
Da tutto ciò ne consegue che i condensatori devono essere molto sensibili alla qualità dell'aria di aspirazione. La presenza di una notevole quantità di polvere nell'aria provoca una rapida usura della turbina (ventilatore).
Di grande importanza per il normale funzionamento della caldaia a condensazione non è solo la pulizia, ma anche la temperatura esterna. Se si accede all'aria attraverso un tubo coassiale per camino, allora, come dimostra la pratica, il condotto dell'aria in ingresso in inverno, in presenza di gelate, può congelare, poiché la temperatura dei gas di scarico è piuttosto bassa e non sono in grado di riscaldare le pareti del camino. Ciò comporta una riduzione dell'apporto di ossigeno necessario per la combustione del combustibile e, di conseguenza, una riduzione dell'efficienza dell'apparecchiatura.
Per evitare che ciò accada e non è necessario riscaldare periodicamente i tubi per liberarli dal ghiaccio, il calcolo del sistema, l'installazione, l'avvio e la configurazione devono essere eseguiti da specialisti dell'assistenza certificati. Per regolare il parametro responsabile dell'aspirazione dell'aria nella quantità necessaria per bruciare combustibile in una caldaia di una determinata potenza, usano un analizzatore di gas. Senza tali attrezzature speciali, l'efficienza richiesta dalla caldaia non può essere raggiunta. Inoltre, i residenti di aree con condizioni climatiche avverse, al momento di decidere l'installazione di una caldaia a condensazione, dovrebbero chiedere chiarimenti ai rappresentanti del produttore in merito alla possibilità di utilizzare tali apparecchiature a una determinata gamma di temperature esterne locali.
