Nízkoteplotné a kondenzačné kotly

Nové konštrukcie kotlov na kvapalné a plynné palivá úpravou spaľovacieho priestoru a zmenou geometrie konvekčných teplovýmenných plôch zaručujú dokonalý prestup tepla do teplonosnej látky a vyššiu spaľovaciu účinnosť pri rôznom tepelnom zaťažení kotlov počas prevádzky, čím výrazne prispievajú k úspore paliva a zníženiu tvorby emisií.

Preto sa pri aplikácii zdrojov tepla v nových budovách obytného charakteru a rodinných domoch odporúčajú navrhovať kotly s vysokou účinnosťou, resp. stupňom využitia, ktoré minimalizujú spotrebu paliva a množstvo emisií, zaručujú pružnú a pohotovú prevádzku pre všetky prevádzkové stavy počas vykurovacieho obdobia a najmä sú vhodné pre vykurovacie systémy s núteným obehom vody a teplotným spádom nižším ako 80/60 °C. Tieto skutočnosti ich predurčujú pre energeticky úsporné až pasívne budovy, kde sa merná potreba tepla v priebehu roka môže pohybovať od 0 do 210 kWh/(m² . rok), ako ukazuje obr. 1.

Prioritou pri návrhu zdroja tepla pre rodinné a obytné domy je úspora vyrobenej tepelnej energie a jej dokonalé využitie pri výrobe, distribúcii a prenose do vykurovaných priestorov. Práve z týchto prioritných energetických dôvodov treba rozlišovať klasické alebo štandardné, nízkoteplotné a kondenzačné zdroje tepla, ktoré sa svojimi konštrukciami výrazne líšia pri prevádzke práve mierou využitia energie privedenej v palive a odvedenej v spalinách počas spaľovania ušľachtilých palív.

Moderné nízkoteplotné a kondenzačné kotly pracujú s premenlivou teplotou vratnej vykurovacej vody a výrazne vykazujú podstatne nižšie teploty spalín, ktoré odovzdaním latentného tepla zvyšujú účinnosť a ochladzujú spaliny až pod 130 °C.

V princípe ide o využitie tepelného obsahu paliva prispôsobením konštrukcie kotla s prídavnými teplovýhrevnými plochami alebo kondenzačnými plochami, kde spaliny zotrvávajú dlhší čas a ochladzujú sa. Ide o kotly s dvomi až tromi ťahmi, v ktorých sa spaliny ochladzujú na nižšiu teplotu vratnou vodou z vykurovacieho systému.

Nespornou prednosťou nízkoteplotných kotlov je veľká prevádzková bezpečnosť a dlhá životnosť, docielená vplyvom použitých kvalitných materiálov na technické riešenie viacvrstvových konvekčných výhrevných plôch spaľovacieho priestoru kotla. Oceľ a liatina používané na výrobu klasických kotlov sa nahrádzajú vysokokvalitnou ušľachtilou oceľou alebo špeciálnou liatinou s prímesami grafitu, ktoré dobre vedú teplo a trvalo odolávajú prípadnej tvorbe kondenzátu.

Spaľovací priestor kotla je vysoko optimalizovaný. Široký priestor medzi stenami kotla s veľkým objemom vody umožňuje dobrú vlastnú cirkuláciu a účinný prenos tepla z prídavných konvekčných výhrevných plôch do kotlovej vody. Malé tepelné zaťaženie plôch chráni kotol od vzniku trhlín a porušenia vplyvom mechanického namáhania. Veľký vodný objem kotla znamená dlhšie intervaly činnosti horáka. Znížený počet štartov horáka výrazne ovplyvní redukciu škodlivín a zaťaženie životného prostredia. Nízkoteplotné kotly oproti klasickým kotlom majú inovovanú geometriu tvaru spaľovacej komory a odvodu spalín. Kotly sú spravidla konštrukčne riešené ako dvojťahové alebo trojťahové systémy. Môžu byť aplikované len na vykurovanie nízkoenergetických domov alebo ako kombinované aj na ohrev teplej vody na hygienické účely. Alternatívy riešenia a zhotovenia nástenných a stacionárnych kotlov sú znázornené na obr. 2 a obr. 3.

Stacionárne kotly majú pomerne úzku a dlhú  valcovú plamencovú komoru s hladkými stenami, v ktorej okysličená horľavina odovzdáva tepelnú energiu za súčasnej tvorby plynných škodlivín. Doba zotrvania plameňa v tejto zóne je pomerne krátka, preto nedochádza k tvorbe tzv. termických oxidov dusíka. Rozhodujúcim konštrukčným riešením týchto kotlov sú prídavné teplovýmenné plochy, ktoré vytvárajú cesty 2. a 3. ťahu, ako ukazuje obr. 4. Spaliny prúdiace v tomto priestore odovzdávajú teplo spravidla mierne tvarovaným viacvrstvovým prídavným teplovýmenným plochám, ktoré dobre vedú teplo.

Komínová tepelná strata pri spaľovaní ušľachtilých palív v týchto kotloch dosahuje minimálne hodnoty a značne znižuje tvorbu emisných škodlivín, hlavne oxidov dusíka a uhlíka. Komínovú tepelnú stratu ovplyvňuje aj druh spaľovacieho horáka a jeho riadená prevádzka.

Dôsledné využitie tepelnej energie obsiahnutej v palive (latentné teplo vyparovania) je možné v kondenzačných kotloch, ktoré spaľujú plynné alebo kvapalné palivá. Skondenzovaná vodná para odovzdá tepelný obsah kotlovej vode, čím nielen znižuje tepelné zaťaženie kotla, ale v kondenzačných antikoróznych plochách ochladzuje spaliny pod rosný bod paliva, t. j. pod 60 °C. Kotly pracujú s účinnosťou prevyšujúcou 100 % a majú vďaka kvalitným antikoróznym materiálom dlhú životnosť a bezpečnú prevádzku. Vhodné sú pre budovy s nízkoteplotnými vykurovacími sústavami, kde sa trvalo využíva kondenzácia vodnej pary a tým aj tepelný obsah paliva.

Ak sa má v kondenzačných kotloch pri spaľovaní plynu dosahovať vysoký stupeň využitia, musia byť splnené tieto podmienky:

1. musí byť použitý kondenzačný kotol, ktorý sa vyznačuje nízkym rozdielom teplôt spalín vystupujúcich z kotla a vody vstupujúcej do kotla. Kotol tiež musí pracovať s čo najnižším, pokiaľ možno stálym prebytkom vzduchu v celom rozsahu spojito riadeného výkonu;

2. kondenzačný kotol musí byť napojený na takú vykurovaciu sústavu, ktorá sa vyznačuje najnižšou teplotou vratnej vykurovacej vody, potrebnou ku kondenzácii vodnej pary obsiahnutej v spalinách priamo v kotle.

Ideálne podmienky boli preukázané pri navrhovaní a dimenzovaní systému podlahového vykurovania s teplotným spádom 40/30 °C, ktorý tak umožňuje celoročnú kondenzačnú prevádzku a tým maximálne možné stupne využitia. Priebeh stupňov využitia pri čiastočnom zaťažení pre rôzne vykurovacie systémy ukazuje graf na obr. 5.

Nové konštrukcie kotlov s optimálnym spaľovaním pri malých emisiách škodlivých látok, s vysokou prevádzkovou bezpečnosťou a dlhou životnosťou vďaka kvalitným materiálom a možnosťou prevádzkovania s priebežne sa znižujúcou teplotou kotlovej vody možno zvlášť efektívne navrhovať pri modernizácii a rekonštrukcii budov. Modernizáciou kotolní v obytných budovách, administratívnych stavbách alebo stavbách občianskej vybavenosti a inštaláciou týchto kotlov možno redukovať spotrebu paliva, energie a zaťaženie životného prostredia.