Jak mierzyć wydajność urządzeń spalania i czy można ją w jakiś sposób zwiększyć?

Jednym z najważniejszych parametrów świadczących o jakości każdego urządzenia jest jego wydajność. Jeśli mówimy o wydajności urządzeń spalających, które wykorzystujemy do ogrzewania domów, to oczywiste jest, że wraz ze wzrostem wydajności zmniejszać się będzie zużycie paliwa, a co za tym idzie i jego koszt. Podobnie możemy stwierdzić, że przy malejącej sprawności musimy dołożyć więcej paliwa do urządzenia spalającego, aby uzyskać to samo ciepło.

Przeciętny użytkownik ma minimalne pojęcie o tym, jak efektywnie pracuje jego sprzęt paleniskowy, czyli piec, kominek, wkład kominkowy, piec czy kocioł. Czy wiesz, że jeśli ogrzewasz w otwartym kominku, to ok. 90% ciepła nie jest wykorzystywane na ogrzewanie, a po prostu „chodzi przez komin”? Tak, kominek otwarty ma tylko około 10% wydajności. Chcesz wiedzieć jak efektywnie ogrzewasz swój dom? Celem artykułu jest przedstawienie prostej procedury, która umożliwi przybliżone określenie sprawności Twojego urządzenia spalającego w warunkach domowych.

Sprawność urządzenia spalającego wyraża stopień efektywności wykorzystania energii zawartej w paliwie na cele grzewcze. Efektywność można określić metodami bezpośrednimi lub pośrednimi.

Bezpośrednia metoda określania sprawności opiera się na założeniu, że sprawność urządzenia spalającego do ogrzewania wyraża stosunek wykorzystanej energii (czyli ilości energii – ciepła – którą uzyskaliśmy spalając paliwo i zużytej do ogrzewania) oraz dostarczoną energię (czyli ilość energii w paliwie – wartość opałowa i zużycie paliwa). Oznaczanie bezpośrednie jest metodą dokładną, jednak trudną w zastosowaniu dla zwykłego użytkownika ze względu na problematyczność „domowego” wyznaczania wartości użytkowej.

Pośrednia metoda określania wydajności opiera się na następującym założeniu: idealna maszyna lub urządzenie pracuje ze sprawnością 100%, ale w rzeczywistości żadne rzeczywiste urządzenie nie jest Perpetum mobile i dlatego jego wydajność jest zawsze mniejsza niż 100%. Rzeczywista wydajność jest niższa o różne straty, więc możemy powiedzieć, że wydajność jest równa 100% minus suma poszczególnych strat w%. Jeśli określimy główne straty, możemy stosunkowo wiarygodnie określić wydajność nawet w warunkach domowych.

Najważniejsze czynniki pod względem efektywności:

• izolacja domu lub ogrzewanego pomieszczenia
• idealnie szczelny kominek
• rodzaj drewna i % wilgotności spalanego drewna
• wielkość powierzchni promieniującej
• sposób sterowania piecem

W uproszczeniu można mówić o następujących stratach dla małych urządzeń spalających:

• Strata spowodowana wyciekiem substancji palnych w postaci stałej (w popiele) - popiół czarny nadal zawiera substancje palne, które mogą się zapalić, jeśli wyrzucimy go do śmieci, nie będzie już nas ogrzewał. Podczas spalania koksu czasami dochodzi do spiekania i niepełnego spalania, a straty te mogą sięgać ponad 10%. Jeżeli na ruszt nałożymy opał zawierający dużą ilość drobnych cząstek (węgiel niesortowany) to ta część może wpaść do popielnika i jeżeli się w nim nie spali, to straty składników palnych w popiele znacznie wzrosną. W przypadku kotłów na gorącą wodę strata ta zwykle waha się od 2 do 4%. Paląc drewnem w piecu kominkowym możemy liczyć na jego wartość w okolicach 0,5%.
• Straty spowodowane wyciekiem substancji palnych w spalinach. Celem każdego użytkownika urządzeń spalających jest idealne spalanie substancji palnych zawartych w paliwie (węgiel, wodór). Jeśli spalanie jest idealne, węgiel (C) spala się do dwutlenku węgla (CO2), a wodór (H) do wody (H2O). Jeśli spalanie nie jest całkowite, węgiel spali się jedynie do trującego tlenku węgla (CO) lub w ogóle się nie spali (sadza). Typowym produktem niepełnego spalania są także różne węglowodory (CXHY). CO i CXHY są gazami palnymi i gdyby się nie paliły, nie mogłyby uwolnić zawartej w nich energii (wartość opałowa [J/m3]). Mówiąc najprościej, nie ogrzejemy się paliwem, którego nie spalamy. W przypadku pieców kominkowych o stężeniu CO do 0,1% (piece bardzo dobre) strata ta wyniesie około 1%, natomiast w przypadku gorszego spalania przy stężeniu CO około 1% (objętościowo) strata ta może osiągnąć wartości do 6%.
• Straty ciepła z pozostałości stałych. Dzieje się tak, gdy z popielniczki wyrzucimy gorący popiół, który w miarę ochładzania stopniowo oddaje ciepło do otoczenia. W urządzeniach z jednorazowym doprowadzeniem paliwa do kotła i pieca normalnie się to nie zdarza, dlatego możemy przyjąć wartość zerową.
• Strata spowodowana oddaniem ciepła do otoczenia przez ściany kotła. Podstawowym zadaniem kotła wodnego jest przekazanie ciepła ze spalin do wody grzewczej, a nie ogrzewanie kotłowni. Zależy to od izolacji termicznej ścian kotła, wielkości i temperatury powierzchni kotła. W przypadku konwencjonalnych kotłów na gorącą wodę strata ta nie przekracza 2%. Im większa jest ta strata, tym cieplej jest w kotłowni. Nie jest to strata dla kominków, pieców kominkowych i kaflowych, wkładów kominkowych i pieców kuchennych, ponieważ są to urządzenia, których zadaniem jest ogrzewanie powietrza w pomieszczeniu, w którym są zainstalowane. W tych urządzeniach chodzi o wydajność urządzenia i właśnie tego chcemy i do tego urządzenie zostało zaprojektowane.
• Strata spowodowana wyciekiem ciepła w spalinach, tzw. strata kominowa (strata na skutek ciepła jawnego spalin). Straty kominowe to ta część ciepła, która tzw. „wylatuje przez komin”. Ciepło spalin mogło podgrzać wodę grzewczą grzejnika lub powietrze w ogrzewanym pomieszczeniu, ale z jakiegoś powodu tak się nie stało. Dla sprawnie działających urządzeń spalających strata ta jest absolutnie dominująca (największa). Dlatego w dalszej części artykułu zajmiemy się jedynie stratami kominowymi, pomijając pozostałe straty.

Na wielkość straty kominowej największy wpływ mają dwa parametry:

• temperatura gazów spalinowych
• ilość spalin, bez znajomości której nie jesteśmy w stanie określić sprawności urządzenia spalającego

1. Przykład umieszczenia termometru za piecem kominkowym - jeżeli mówimy o temperaturze spalin, to jest to temperatura spalin za urządzeniem spalającym (pomiędzy urządzeniem a kominem). Bez informacji o temperaturze spalin nie jest możliwe określenie sprawności urządzenia. W tym przypadku mogą pojawić się komplikacje związane ze znalezieniem odpowiedniego i dostępnego miejsca na przewód kominowy. Orientacyjnie możemy jednak poradzić sobie z pomiarem temperatury powierzchni komina za pomocą termometrów dotykowych.

2. Określenie ilości gazów spalinowych jest zadaniem znacznie bardziej złożonym w porównaniu do określenia ich temperatury. Pomiar nie jest łatwy, ale z drugiej strony widać, że ilość spalin jest ściśle powiązana z ilością powietrza do spalania dostarczonego do urządzenia spalającego (najczęściej zasysanego), czyli z nadmiarem powietrza do spalania ( stosunek ilości powietrza rzeczywistego do ilości powietrza teoretycznie potrzebnego) pracujemy. Ilość gazów spalinowych jest w przybliżeniu taka sama jak ilość powietrza do spalania. Każde urządzenie spalające posiada obszar, w którym występuje optymalny nadmiar powietrza do spalania, gdy osiąga on najlepsze parametry. Na ilość powietrza do spalania wpływa nie tylko ustawienie wszystkich elementów sterujących dopływem powietrza do spalania (przepustnice itp.) i parametry komina, ale istotna jest także wiedza o szczelności naszego urządzenia paleniskowego. Jeśli zamkniemy wszystkie elementy sterujące zasilania pierwotnego, wtórnego lub powietrza do spalania trzeciorzędowego (przeprowadzę próbę szczelności), a płomień nadal się pali i nie gaśnie w widoczny sposób (można to sprawdzić tylko na urządzeniu spalającym ze szklanymi drzwiami), oczywiste jest, że powietrze jest zasysane z zewnątrz te elementy regulujące i nie ma sensu ich regulować, bo one niczego nie regulują. Należy znaleźć i usunąć te wycieki. Prostą metodą znalezienia nieszczelności jest zbliżenie się do źródła dymu (np. zapalonego papierosa) do urządzenia spalania, w którym pali się paliwo i odszukanie miejsca zasysania dymu do pieca lub kotła. W większości przypadków największym źródłem nieszczelności są drzwi i aby je wyeliminować wystarczy wymienić sznurki uszczelniające w bocznych drzwiach oraz wymienić uszczelki samoprzylepne w popielniczkach i szklankach. Kiedy już będziemy mieć kontrolę nad powietrzem – zmiana ustawienia elementów sterujących będzie widoczna w zmianie wielkości i koloru płomienia. Następnie możemy ustawić intensywność i jakość oraz wpływać na nią za pomocą elementów regulacyjnych. Celem uszczelnienia nieszczelności jest ograniczenie dopływu fałszywego powietrza, co negatywnie wpływa na pracę urządzenia. Celem nie jest jednak całkowite uniemożliwienie dopływu powietrza do urządzenia, lecz ograniczenie dopływu fałszywego powietrza do nieodpowiednich miejsc w komorze spalania urządzenia. Elementy sterujące pozwolą na doprowadzenie wystarczającej ilości powietrza we właściwe miejsce w urządzeniu spalającym. Elementy sterujące zamykamy tylko na czas próby szczelności, nigdy po dolaniu paliwa.

3. Ponadto mamy inne możliwości zwiększenia wydajności, jeśli obniżymy temperaturę gazów spalinowych wychodzących z pieca, zmniejszymy ilość ciepła wydobywającego się przez komin i tym samym ponownie zwiększymy wydajność. Temperaturę spalin obniżamy o ilość spalonego paliwa (trzeba dodać mniej), dostosowując elementy sterujące dopływem powietrza do spalania i intensywnością chłodzenia pieca. W przypadku klasycznych pieców kominkowych chłodzenie obudowy jest problematyczne, w przypadku pieców na gorącą wodę możemy zwiększyć przepływ wody grzewczej i obniżyć temperaturę wody powrotnej. W przypadku wkładów kominkowych na ciepłe powietrze intensywność chłodzenia zwiększamy otwierając wszystkie klapy w celu doprowadzenia ogrzanego powietrza do pomieszczenia lub włączając wentylator nagrzanego powietrza. Jeśli obniżymy temperaturę spalin do 250°C, osiągniemy sprawność na poziomie około 70%. Przy 200°C sprawność będzie wynosić około 77%.

4. Temperaturę spalin powinniśmy utrzymywać w przedziale od 150 do 250°C. W przypadku kotłów na gorącą wodę powinna ona wynosić w przybliżeniu od 150 do 200°C. Jeśli temperatura będzie zbyt wysoka, przez komin „wyleci” dużo ciepła i mamy duże straty kominowe. Należy jednak uważać, nie możemy w nieskończoność obniżać temperatury spalin, gdyż jeżeli spaliny będą zbyt zimne (poniżej 150°C, jest to zależne od składu spalin – zawartości wody i SO3), kondensacji substancji smołowych i może wystąpić para wodna, a przy niskiej temperaturze spalin zmniejszenie ciągu kominowego. Kondensacja skraca żywotność komina i urządzeń paleniskowych. Ponownie jest to kompromis, w którym usuwamy ze spalin jak najwięcej ciepła na cele grzewcze, ale tylko w takim stopniu, aby nasz kocioł lub piec nie korodował, a komin „przeżył” (korozja, zawilgocenie muru).

Źródło i pełny artykuł: www.vytapeni.tzb-info.cz