Θερμαντήρες Τεχνολογίας Συμπύκνωσης

Η θερμαντικές συσκευές καύσης τεχνολογίας συμπύκνωσης ήταν από παλιότερα γνωστές ωστόσο όμως η ευρεία διάδοσή τους επιτεύχθηκε τα τελευταία χρόνια χάριν της εξέλιξης της ποιότητας των χρησιμοποιούμενων υλικών αλλά κυρίως, εξαιτίας της δυναμικής διείσδυσης των αερίων καυσίμων (βασικά του φυσικού αερίου) στην οικιακή κατανάλωση.

Η βασική διαφοροποίηση στη λειτουργία των συσκευών συμπύκνωσης έναντι των συμβατικών, έγκειται στην ποιότητα και τη θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο της συσκευής. Στις συσκευές συμπύκνωσης τα καυσαέρια εξέρχονται σε θερμοκρασία αρκετά κάτω των 100 βαθμών Κελσίου και - κατά το μεγαλύτερο ποσοστό τους - σε υγρή φάση. Αντίστοιχα, η θερμοκρασία των καυσαερίων στις συμβατικές συσκευές είναι τουλάχιστον 150 βαθμοί Κελσίου κάτι που είναι αναγκαίο τόσο για την ομαλή λειτουργία όσο και για την προστασία των ίδιων των συσκευών από τη διάβρωση.

Θεωρία της Καύσης

Με τον όρο Καύση εννοούμε την χημική αντίδραση μιας καύσιμης ύλης με το οξυγόνο. Καύσιμο είναι συνήθως κάποιο υλικό το οποίο περιέχει άνθρακα (C) ή υδρογόνο (H) ή και το θείο (S). Κατά την καύση μιας καύσιμης ύλης εκτός των χημικών προϊόντων της αντίδρασης (καυσαέρια, στερεά προϊόντα, αδρανή), σχεδόν πάντα, παράγετε θερμότητα η οποία απελευθερώνετε στο περιβάλλον είτε άμεσα (ακτινοβολία, άμεση επαγωγή) είτε δια μέσω της διάχυσης των καυσαερίων

Το ποσοστό της παραγόμενης θερμότητας που μπορεί να αξιοποιηθεί εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, βασικότεροι εκ των οποίων είναι η ταχύτητα καύσης και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της εφαρμογής. Αξιοποίηση όλης της παραγόμενης θερμότητας σημαίνει εξισορρόπηση της θερμοκρασίας των προϊόντων της καύσης στο σύνολό τους, με αυτήν του άμεσου περιβάλλοντος, κάτι που προφανώς δεν μπορεί να συμβεί σχεδόν ποτέ στις θερμικές μηχανές.

Η Καύση στις Συσκευές Θέρμανσης

Τα υγρά και αέρια καύσιμα που χρησιμοποιούνται στις εγκαταστάσεις θέρμανσης παράγουν κατά την καύση τους μεταξύ των άλλων και νερό, άλλα λιγότερο (πετρέλαιο) και άλλα περισσότερο ή πολύ περισσότερο (φυσικό αέριο). Το νερό αυτό περιέχεται με τη μορφή υπέρθερμου ατμού στα καυσαέρια και παραμένει σε αέρια φάση για όσο η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι μεγαλύτερη της θερμοκρασίας υγροποίησης του νερού (100 βαθμοί Κελσίου).  

Με βάση όσα αναφέρθηκαν περί του ποσοστού αξιοποίησης της παραγόμενης από την καύση θερμότητας και δεδομένων των λειτουργικών χαρακτηριστικών των συμβατικών συσκευών θέρμανσης (θερμαντήρων, λεβήτων) η θερμοκρασία των καυσαερίων επιβάλλεται να είναι τουλάχιστον 150 βαθμοί Κελσίου ενώ πολλές φορές μπορεί να φτάνει και τους 250 βαθμούς. Αυτό είναι αναγκαίο διότι θα πρέπει να εξασφαλισθεί η ονομαστική απόδοση του λέβητα, η ομαλή καύση μέσα στον θάλαμο, η στρωτή αποβολή των καυσαερίων μέσω της καπνοδόχου και η αποφυγή της υγροποίησης (συμπύκνωση) των υδρατμών που περιέχονται στα καυσαέρια. Το τελευταίο μάλιστα, είναι ιδιαίτερα κρίσιμο διότι η παρουσία υγρασίας στα μέταλλα του λέβητα θα οδηγήσει στην διάβρωσή τους και εν τέλει στην ταχεία καταστροφή του ίδιου του λέβητα.

Αντίθετα με τις συμβατικές συσκευές, στις συσκευές τεχνολογίας συμπύκνωσης αίρονται όλες οι απαιτήσεις για καυσαέρια υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό επιτυγχάνεται με την βοήθεια εξελιγμένων μεθόδων ελέγχου της λειτουργίας του λέβητα, την υιοθέτηση διαφορετικής λογικής στον τρόπο που γίνεται η συναλλαγή της θερμότητας μεταξύ των καυσαερίων και του θερμικού μέσου (νερό) και με την χρήση υλικών ικανών να αντέχουν στις διαβρωτικές συνθήκες που δημιουργούν τα καυσαέρια χαμηλής θερμοκρασίας (παρουσία υγρού νερού).

Λανθάνουσα Θερμότητα - Ανώτερη και Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη

Είναι γνωστό από τη φυσική ότι όταν ένα χημικό στοιχείο αλλάζει φάση υπόκειται σε θερμικό (ή θερμιδικό) άλμα, που σημαίνει ότι για κάποιο διάστημα και ενώ υφίσταται θερμική συναλλαγή μεταξύ αυτού και του περιβάλλοντος, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή. Έτσι, και μιλώντας συγκεκριμένα για το νερό, όταν το θερμαίνουμε και ενώ έχει φτάσει στη θερμοκρασία ατμοποίησής του, παρατηρούμε ότι η άνοδος της θερμοκρασίας του σταματάει και παραμένει σταθερή έως ότου όλη η ποσότητα εξατμισθεί. Δηλαδή ενώ στο σημείο αυτό συνεχίζουμε να του προσδίδουμε θερμότητα η θερμοκρασία του δεν αυξάνεται παρά μόνο όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία της εξάτμισης. Αυτό σημαίνει ότι ο ατμός που προέκυψε δέσμευσε μια ποσότητα θερμότητας η οποία δεν αντιστοιχεί σε αύξηση της θερμοκρασίας όπως προβλέπει ο θεμελιώδης νόμος της θερμιδομετρίας Q=m*c*Δt.

Αυτή ακριβώς η θερμότητα ονομάζεται Λανθάνουσα Θερμότητα και είναι συγκεκριμένη για κάθε ουσία.

Λαμβάνοντας υπόψη την παράμετρο Λανθάνουσα Θερμότητα, μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε τις συσκευές καύσης σε δυο ομάδες: Σε αυτές που τα καυσαέριά τους περιέχουν την Λανθάνουσα Θερμότητα και σε αυτές που τα καυσαέριά τους δεν την περιέχουν, με άλλα λόγια σε αυτές που τα καυσαέρια εξέρχονται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της θερμοκρασίας εξάτμισης του νερού (100 βαθμοί Κελσίου) και σε αυτές που τα καυσαέρια εξέρχονται σε μικρότερη θερμοκρασία.

Από αυτό ακριβώς το σκεπτικό προκύπτουν και οι όροι Ανώτερη και Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη: Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη είναι η θερμότητα που εκλύεται κατά την πλήρη καύση μιας ποσότητας καυσίμου, όταν το νερό που παράγεται κατά την καύση είναι σε υγρή φάση και Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη είναι η θερμότητα που εκλύεται κατά την πλήρη καύση μιας ποσότητας καυσίμου, όταν το νερό που παράγεται κατά την καύση είναι σε αέρια φάση.

Είναι προφανές ότι η Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη είναι μεγαλύτερη από την Κατώτερη δεδομένου ότι περιέχει και την λανθάνουσα θερμότητα και κατ' επέκταση, μια συσκευή που λειτουργεί με την ΑΘΔ αξιοποιεί μεγαλύτερη θερμότητα από μια άλλη που λειτουργεί με την ΚΘΔ.

Βαθμός απόδοσης συσκευών καύσης

Κάθε συσκευή καύσης έχει ένα βαθμό απόδοσης ο οποίος είναι και το βασικότερο κριτήριο για την αξιολόγησή του αφού από αυτόν εξαρτάται το κόστος λειτουργίας του. Γενικά, ο βαθμός απόδοσης προκύπτει από τον λόγο της θερμότητας απολαβής (αξιοποιήσιμη) προς την διαθέσιμη θερμότητα που εκλύεται από την καύση μιας μονάδας καυσίμου.

Εδώ ακριβώς θα πρέπει να διευκρινίσουμε ότι ο βαθμός απόδοσης για πρακτικούς λόγους λογαριάζεται με βάση την ΚΘΔ ενώ, το ορθό θα ήταν να χρησιμοποιείτε η ΑΘΔ. Ωστόσο παλαιότερα, επειδή στην αγορά διατίθεντο κυρίως συμβατικές συσκευές, επικράτησε ο υπολογισμός με την ΚΘΔ αφού αυτή ήταν η μέγιστη θεωρητικά ποσότητα θερμότητας που ήταν δυνατό να αξιοποιηθεί. Και εξαιτίας αυτής της παραδοχής στον υπολογισμό, βλέπουμε σήμερα βαθμούς απόδοσης των σύγχρονων συσκευών να είναι μεγαλύτεροι του 100% κάτι που μοιάζει εκ πρώτης όψεως ως ανυπόστατο.

Με βάση τα δεδομένα του πίνακα βλέπουμε ότι μια συσκευή συμπύκνωσης αποδίδει στην εγκατάσταση 21% περισσότερη θερμότητα (Θερμότητα Απολαβής - ωφέλιμη) από μια συμβατική καίγοντας την ίδια ποσότητα καυσίμου.

Η τεχνολογική εξέλιξη των λεβήτων θέρμανσης

Αρχικά οι λέβητες θέρμανσης (δηλαδή θερμαντήρες με θερμαντικό μέσο το νερό) προέκυψαν ως εξέλιξη του... κοινού φούρνου με θάλαμο καύσης επενδεδυμένο με πυρότουβλα που περικλείετο μερικώς ή ολικώς από τη λεκάνη του κυκλοφορούντος νερού. Η λειτουργία της καύσης γίνονταν περίπου όπως στις ανοιχτές εστίες και η κυκλοφορία του νερού με τη φυσική άνωση λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Η όλη φιλοσοφία προϋπέθετε ογκώδεις συσκευές, πολύ μεράκι, αλλά ο βαθμός απόδοσης και οι εκπομπές ρύπων ήταν άγνωστες λέξεις.

Από τότε βέβαια άλλαξαν πολλά δεδομένου ότι άλλαξαν οι προτεραιότητες και οι αντικειμενικοί στόχοι των κατασκευαστών και των καταναλωτών. Έτσι στην πορεία, τέθηκαν διάφορα ζητήματα κυριότερα των οποίων ήταν η μείωση του όγκου της συσκευής, το κόστος, η καλύτερη απόδοση, η διάρκεια ζωής κλπ. Έτσι με το χρόνο εισήχθησαν στην εν λόγω τεχνολογία οι έννοιες του πιεστικού λέβητα, των φλογαυλών, των πολλών διαδρομών, των χυτοσιδηρών θαλάμων, της βεβιασμένης κυκλοφορίας, της μέτρησης των καυσαερίων και πολλά άλλα.

Οι περισσότερες από τις νέες απαιτήσεις ικανοποιήθηκαν, πάντα όμως παρέμενε το φαινόμενο της απόρριψης σημαντικής ποσότητας από την παραγόμενη θερμότητα δια μέσω των καυσαερίων. Οι απόπειρες που πραγματοποιήθηκαν για την επίλυση του ζητήματος έφεραν μικρό αποτέλεσμα ή δεν επικράτησαν εξαιτίας άλλων προβλημάτων που προέκυψαν από την εφαρμογή τους. Έτσι οι λέβητες με θάλαμο πολλαπλών διαδρομών (γνωστοί ως λέβητες χαμηλών θερμοκρασιών) αυτό που κατάφεραν είναι να αυξήσουν κατά μερικές μονάδες των βαθμό απόδοσης, ενώ οι προσθήκες εναλλακτών ανάκτησης θερμότητας από τα καυσαέρια ποτέ δεν κέρδισαν την εμπιστοσύνη των καταναλωτών. Σημειώνουμε ότι όλα αυτά συνυφάθηνσαν με την παρουσία του πετρελαίου ως κύριο καύσιμο στις εγκαταστάσεις θέρμανσης, το οποίο παρά τα πολλά πλεονεκτήματά του, παραμένει ένα καύσιμο με όχι σταθερή ποιότητα και με πολλές ανεπιθύμητες προσμίξεις, χαρακτηριστικά που το καθιστούν δύσχρηστο σε συσκευές "υψηλής ευαισθησίας".

Τις τελευταίες δεκαετίες ωστόσο, η προώθηση του φυσικού αερίου και η στροφή στην κατά διαμέρισμα θέρμανση, έδωσε δυναμική προοπτική στην ανάπτυξη και εξέλιξη μικρών μονάδων που ενσωματώνουν νέα φιλοσοφία στον τρόπο που δεσμεύουν την θερμότητα της καύσης, χρήση ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου της καύσεως και της ισχύος, νέα υλικά καθώς και νέα παρελκόμενα εγκατάστασης όπως είναι οι διατάξεις απόρριψης των καυσαερίων, οι ελεγκτές θερμοκρασίας χώρου και περιβάλλοντος και άλλα. Υπό αυτές τις συνθήκες κατέστη δυνατή η παραγωγή και η διάδοση των λεβήτων συμπύκνωσης των καυσαερίων των οποίων μάλιστα η χρήση, κατέστη αποκλειστική σύμφωνα με τις τελευταίες διεθνείς οδηγίες. Στη συνέχεια των μικρών (ατομικών) μονάδων συμπύκνωσης ακολούθησε και η ανάπτυξη μεγαλύτερων συσκευών με αυτήν την τεχνολογία, με αποτέλεσμα σήμερα να διατίθενται στην αγορά λέβητες συμπύκνωσης (τύπου κόμπακτ) ισχύος μέχρι μερικών εκατοντάδων kW οι οποίες μπορούν από μόνες τους ή σε διάταξη συστοιχίας να εξυπηρετήσουν κτίρια και εγκαταστάσεις οποιουδήποτε μεγέθους.

Οι λέβητες συμπύκνωσης

Βασικό γνώρισμα των λεβήτων με τεχνολογία συμπύκνωσης είναι η συγκριτικά πολύ χαμηλή θερμοκρασία των καυσαερίων τους. Ουσιαστικά η θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα έχει περίπου 10 βαθμούς διαφορά από τη θερμοκρασία εξόδου του θερμικού μέσου (νερό). Αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος από τον οποίον προκύπτει ο κανόνας που λέει ότι όσο χαμηλότερη θερμοκρασία στο θερμικό μέσο τόσο μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης.

Η επίτευξη του αντικειμενικού σκοπού δηλαδή της μικρής θερμοκρασίας των απορριπτόμενων καυσαερίων, γίνεται δυνατή με την κατάλληλη διαμόρφωση της πορείας των καυσαερίων σε συνάρτηση με την διαδρομή του θερμικού μέσου. Σημειωτέον είναι ότι η θερμική συναλλαγή γίνεται 'εν κινήσει' δηλαδή, το θερμικό μέσο στο σύνολό του βρίσκεται σε κίνηση σε αντιπαράθεση με την ημιλιμνάζουσα κατάσταση που βρίσκεται σε συμβατικούς λέβητες. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι σε κάθε σημείο της αντιπαράλληλης πορείας των δύο μέσων (καυσαερίων-νερού) η διαφορά θερμοκρασίας τους είναι η μέγιστη, με άλλα λόγια το ψυχρότερο καυσαέριο συναντά το ψυχρότερο νερό και αντίστροφα. 

Στην απλοϊκή απεικόνιση παραπάνω, βλέπουμε τη σχετική διάταξη των ροών καυσαερίου-θερμικού μέσου. Στην πράξη βέβαια, η διαμόρφωση της όλης κατασκευής είναι πιο περίπλοκη δεδομένου ότι θα πρέπει να εξυπηρετηθούν διάφοροι σκοποί όπως είναι, η διαστρωμάτωση της θερμικής συναλλαγής, η διατήρηση μικρού όγκου, η συλλογή των συμπυκνωμάτων κλπ.

Στους λέβητες συμπύκνωσης, ιδιαίτερη είναι και η διεργασία της καύσης αυτής καθεαυτής η οποία στοιχειοθετείτε από τα εξής δύο βασικά χαρακτηριστικά:

• Προετοιμασία του μείγματος: Το καύσιμο αναμειγνύεται με τον αέρα και κατόπιν εισέρχεται στο θάλαμο καύσης όσο το δυνατόν πιο ομοιογενές, με σκοπό την ομαλότερη και πιο άμεση καύση του εντός των επιθυμητών χρονικών και γεωμετρικών ορίων.
• Διαρκής έλεγχος της ισχύος: Η ένταση της φλόγας δηλαδή της ποσότητας του καυσίμου που καταναλώνεται, προσαρμόζεται διαρκώς με βάση την απαίτηση ισχύος κάθε στιγμή. Αυτό γίνεται με την μέτρηση της θερμοκρασίας του θερμικού μέσου στην είσοδο και έξοδο του λέβητα ενώ επιτελείται με τη βοήθεια ηλεκτρονικού ελεγκτή. Αντικειμενικός σκοπός του ελέγχου ισχύος σε διαρκή βάση είναι, η διατήρηση της ροής θερμότητας σε βαθμό που μπορεί να απορροφηθεί από το θερμικό μέσο και να αποφεύγεται έτσι η διαφυγή πλεονάζουσας θερμότητας στο περιβάλλον.

Η μεταβλητότητα της ισχύος ενός λέβητα λαμβάνει χώρα μεταξύ μιας ανώτερης τιμής (ονομαστική ισχύς συσκευής) και μιας ελάχιστης. Η σχέση Μέγιστης προς Ελάχιστη τιμή είναι γνωστής ως εύρος ρύθμισης της συσκευής. Το εύρος ρύθμισης ισχύος μιας συσκευής γενικά αλλά κυρίως στις συσκευές συμπύκνωσης, αποτελεί βασική παράμετρο αξιολόγησής της: Μια συσκευή με εύρος ρύθμισης 1:10 αξιολογείται καλύτερη από μια άλλη με εύρος ρύθμισης 1:5.

Λέβητας Συμπύκνωσης έναντι Συμβατικού

Θα περιοριστούμε μόνο στην διερεύνηση της ενεργειακής ποιότητας των καυσαερίων των δυο τεχνολογιών και θα κάνουμε αξιολόγηση βάσει αυστηρών επιστημονικών κριτηρίων. Έχουμε λοιπόν, μια συμβατική συσκευή Σ₁ με απορριπτόμενα καυσαέρια μαζικής ροής m_s και θερμοκρασίας ας πούμε 170 βαθμούς Κελσίου. Έχουμε επίσης μια συσκευή συμπυκνωμάτων Μ₂ με απορριπτόμενα καυσαέρια μαζικής ροής m_c και θερμοκρασίας 70 βαθμούς Κελσίου. Και οι δυο συσκευές λειτουργούν με την ίδια κατανάλωση καυσίμου.

Με δεδομένο ότι μεταξύ των 70 και 170 βαθμών Κελσίου μεσολαβεί η αλλαγή φάσης του νερού (100 βαθμοί Κελσίου) θα πρέπει οπωσδήποτε να συμπεριλάβουμε στο σκεπτικό μας και την λανθάνουσα θερμότητα του νερού L.

Η θεμελιώδης σχέση που μας δίνει την θερμότητα που περιέχει μια ουσία είναι: Q=m*c*Δt. Επομένως,

Θερμότητα στα καυσαέρια της Σ₁ --->Qολ₁= m_s*c*Δt₁ + L (Τα καυσαέρια περιέχουν και την λανθάνουσα θερμότητα)

Θερμότητα στα καυσαέρια της Σ₂ --->Qολ₂= m_c*c*Δt₂ 

Συγκρίνοντας το Qολ₁ με το Qολ₂ βλέπουμε ότι:

• Το m_s είναι σίγουρα μεγαλύτερο από το m_c (η Σ₁ απορρίπτει περισσότερα καυσαέρια που περιέχουν όλη την ποσότητα των υδρατμών)
• Το c θα το θεωρήσουμε ίδιο (αν και δεν είναι ακριβώς)
• Το Δt₁ είναι μεγαλύτερο από το Δt₂ (170 έναντι 70 βαθμοί)
• Το L (537 kcal/kg για το νερό) περιέχεται στο Qολ₁ όχι όμως στο Qολ₂.

Συμπερασματικά βλέπουμε ότι, η συσκευή Σ₁ 'πετάει' στο περιβάλλον ποσότητα θερμότητας ίση με L(θετικό) + [m_s*c*Δt₁-m_c*c*Δt₂](θετικό) περισσότερη από την συσκευή Σ₂, ή διαφορετικά, η Σ₂ αξιοποιεί ισόποση θερμότητα περισσότερη από τη συσκευή Σ₁ καίγοντας ίδια ποσότητα καυσίμου! Δεν είναι λοιπόν μόνο η Λανθάνουσα Θερμότητα αυτό που κάνει τη διαφορά στις δυο τεχνολογίες.

Σε αριθμητική αποτύπωση τα παραπάνω μεταφράζονται σε εξοικονόμηση καυσίμου της τάξεως του 20% όταν χρησιμοποιούμε συσκευή συμπυκνωμάτων. Σημειώνουμε ότι, το παραπάνω ποσοστό είναι απόρροια της διαφοράς της ποιότητας των καυσαερίων και μόνο. Το αποτέλεσμα στην πράξη είναι ακόμα ευνοϊκότερο εάν συνυπολογίσουμε και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της συσκευής.