Energia cieplna zawarta w parze wodnej powstającej w wyniku spalania była dotychczas bezpowrotnie odprowadzana wraz ze spalinami do atmosfery. Duży postęp technologii oraz materiałoznawstwa pozwolił najlepszym firmom zaoferować proste w budowie kotły kondensacyjne po przystępnej cenie. Obecnie w nowych kotłach kondensacyjnych część ciepła zawartego w spalinach odzyskuje się przez głębokie schłodzenie spalin w kotle. W wyniku tego po wykropleniu pary wodnej z produktów spalania jest możliwe dodatkowe uwolnienie tzw. ciepła kondensacji i oddanie go do systemu grzewczego. Powoduje to możliwość osiągnięcia sprawności pracy kotła przekraczającej 100%. W porównaniu z konwencjonalną techniką grzewczą na najwyższym poziomie, uzyskuje się obniżenie zużycia energii nawet do 20%, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu emisji substancji szkodliwych, jak np. tlenki azotu czy dwutlenek węgla, co ma ogromne znaczenie dla coraz bardziej zanieczyszczonego środowiska naturalnego.
Kotły kondensacyjne
Technologia kotłów kondensacyjnych nie jest nowa. Już na początku lat 50-tych pojawiły się pierwsze, prototypowe konstrukcje takich kotłów. Ponieważ ówczesny etap rozwoju nauki i technologii nie pozwalał na skuteczne rozwiązanie problemów konstrukcyjnych, pojawiających się wraz z wytwarzanym kondensatem w kotle (przede wszystkim kocioł musi być bardzo odporny na korozję oraz trzeba chronić palnik przed wilgocią, która próbuje go zgasić), urządzenia te były awaryjne i niezwykle kosztowne.
Kotły kondensacyjne są urządzeniami grzewczymi z zamkniętą komorą spalania, z której gazy spalinowe nie wędrują bezpośrednio do przewodu kominowego. Zamiast tego, za pośrednictwem wymiennika ciepła, przekazują one ciepło powracającej z instalacji centralnego ogrzewania schłodzonej wodzie. W wymienniku woda ogrzewa się, odbierając ciepło zawarte w spalinach kotłowych. Dzięki wstępnemu podwyższeniu temperatury wody zmniejsza się ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody do właściwej temperatury przez palnik główny kotła. Gazy spalinowe po przekazaniu ciepła powracającej z instalacji wodzie znacznie się schładzają. Ich temperatura jest na tyle niska, że następuje zjawisko skraplania się – kondensacji – pary wodnej zawartej w spalinach. Od tego zjawiska pochodzi właśnie nazwa kotłów. Schłodzone spaliny wyprowadzane są do przewodu kominowego.
Ten skomplikowany mechanizm przekazywania ciepła pozwala na uzyskanie przez kocioł sprawności rzędu 108%. Sprawność kotła powyżej 100% wynika wyłącznie z zastosowania konwencjonalnej metody obliczania sprawności urządzeń grzewczych. Sprawność kotła jest to stosunek ilości ciepła przekazanego w kotle wodzie grzejnej do wartości opałowej gazu. A wartość opałowa to ilość ciepła uzyskana po całkowitym i zupełnym spaleniu metra sześciennego gazu i ochłodzeniu produktów spalania do temperatury gazu zasilającego kocioł. Wartość opałowa nie uwzględnia jednak ciepła skroplenia pary wodnej zawartej w spalinach. Całkowita ilość ciepła wydzielona w procesie spalania (zwana ciepłem spalania lub wartością opałową górną) jest więc większa od wartości opałowej o ciepło skroplenia pary wodnej zawartej w spalinach. Ciepło spalania gazu jest większe od wartości opałowej o ok. 11%. Tak więc, gdybyśmy wykorzystali całe ciepło spalenia gazu w kotle, jego sprawność mogłaby wynosić nawet 111%. Ciepło to wykorzystywane jest w kotłach kondensacyjnych. Pełna kondensacja zachodzi, gdy temperatura spalin zostanie obniżona do około 57°C.
W wyniku zastosowania kotłów kondensacyjnych pojawia się problem mokrych spalin czyli spalin zawierających duże ilości skroplin. Skroplona para wodna reaguje z wchodzącymi w skład spalin związkami chemicznymi. Tworzy się zawierająca kwasy azotowy i siarkowy żrąca substancja, zwana kondensatem. Wykraplanie się dużych ilości agresywnego kondensatu zachodzi już w samym kotle. Z tego powodu przewody spalinowe oraz kotły muszą być zbudowane z materiałów o wysokiej odporności na korozję. Komora spalania i wymiennik ciepła zrobione są ze stopów aluminiowo-krzemowych, a system odprowadzenia spalin z tworzywa sztucznego, aluminium lub stali kwasoodpornej. Schłodzenie spalin powoduje także zanik naturalnego ciągu kominowego. Ciąg w przewodzie kominowym zapewniają wentylatory lub dmuchawy umieszczone na wlocie spalin do komina.
Duże ilości powstających skroplin odprowadzane są specjalną instalacją. Zebrane skropliny mogą zostać zneutralizowane lub, co jest dopuszczalne w Polsce dla kotłów o mocy do 200 kW, odprowadzone do kanalizacji. Kotły kondensacyjne dwufunkcyjne, czyli ogrzewające wodę w instalacji centralnego ogrzewania oraz ciepłą wodę użytkową, są niewielkie, często produkowane w wersjach wiszących. Doskonale współpracują z wodnym ogrzewaniem podłogowym wspomaganym niskotemperaturowymi grzejnikami konwektorowymi lub płytowymi. Kotły kondensacyjne wraz ze specjalną instalacją kominową są dużo droższe od konwencjonalnych systemów, ale poniesione koszty zwracają się dzięki mniejszym opłatom za paliwo.
W wyniku spalania metanu CH4 i innych węglowodorów CmHm powstaje woda.
CH4+2O2=2H2O+CO2
Silne schłodzenie spalin w kotłach kondensacyjnych jest przyczyną reakcji chemicznej pomiędzy tlenkami węgla, azotu i siarki z kondensującą parą wodną. Powstające kwasy mieszając się ze skroplinami, tworzą kondensat o odczynie kwasowym. Podczas spalania gazu ziemnego lub płynnego pH skroplin osiąga 3,5 do 5,5; wskazuje to na słabo kwaśny roztwór wodny, nie zaś na agresywny kwas. Teoretycznie ze spalania 1 m3 gazu ziemnego może powstać 1,2 l wody. W praktyce kondensacji ulega 0,8-1,01. W domu jednorodzinnym wyposażonym w kocioł kondensacyjny np. mocy 20 kW skrapla się przeciętnie 20 litrów kondensatu w ciągu doby. Ilość produkowanych ścieków domowych wynosi 300-600 litrów dziennie. Skropliny stanowią zatem niewielką część odprowadzanych ścieków i traktujemy je jako nieszkodliwe dla systemów kanalizacyjnych. Kondensat gromadzony jest zazwyczaj w specjalnym zbiorniczku z syfonem. Stamtąd odprowadzany jest na zewnątrz kotła – do instalacji kanalizacyjnej lub burzowej. Kondensat, który powstaje w takich kotłach, można bez problemów odprowadzać bezpośrednio do kanalizacji. Trzeba pamiętać, że przewód łączący kocioł z kanalizacją nie powinien być stalowy. Kondensat można też neutralizować. Wszyscy producenci kotłów kondensacyjnych mają w swojej ofercie neutralizatory wypełnione granulatem zawierającym związki wapnia lub magnezu.
Komin
W kotłach kondensacyjnych nie jest to jednak zwykły przewód kominowy, ale instalacja kominowo-zasilająca, złożona z dwóch współosiowych rur (rura w rurze). Wewnętrzna rura to przewód spalinowy, a zewnętrzna to przewód powietrzny. Rurą zewnętrzną dostarczane jest do zamkniętej komory spalania powietrze. Taka instalacja jest dodatkowym wymiennikiem ciepła, ponieważ powietrze dostarczane do kotła przed zassaniem do komory spalania zostaje wstępnie podgrzane przez jeszcze nie całkiem schłodzone spaliny o temperaturze ok. 40-50 stopni. To również wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa.
Dzięki całkowitemu odizolowaniu procesu spalania od pomieszczenia, kotły z zamkniętą komorą spalania są bezpieczniejsze dla użytkowników niż kotły tradycyjne. Spaliny, odprowadzane z kotłów kondensacyjnych, mają niską temperaturę, a dodatkowy wymiennik zwiększa opory przepływu spalin. Uniemożliwia to wytworzenie naturalnego ciągu kominowego, dlatego kotły kondensacyjne są to najczęściej urządzenia z zamkniętą komorą spalania i wymuszonym przepływem spalin, wyposażane są w wentylatory spalin lub dmuchawę powietrza stwarzającą sytuację, w której system odprowadzania spalin pracuje w nadciśnieniu.
Najczęściej realizowane jest to przez palniki nadmuchowe. tzw. odprowadzenia “turbo”. Nie potrzeba wtedy tradycyjnego komina i instalacji nawiewu. Zastępuje je niedrogi, specjalistyczny, zespół spalinowo-powietrzny typu “rura w rurze”, który zasysa powietrze potrzebne do spalania rurą zewnętrzną i jednocześnie wyrzuca spaliny rurą wewnętrzną bezpośrednio za ścianę kotłowni. Dla kotłów z zamkniętą komorą spalania istnieją odrębne przepisy dotyczące odprowadzenia spalin. Do odprowadzenia spalin z kotłów kondensacyjnych można stosować tylko przewody zalecane przez producenta, wykonane z odpowiednich materiałów (kondensat jest silnie korozyjny). Są to specjalistyczne kominy stosowane do odprowadzania spalin z kotłów wykorzystujących zjawisko kondensacji pary wodnej powstającej w procesie spalania. Powstające spaliny stwarzają zagrożenie dla tradycyjnych kominów ceramicznych, a także kominów stalowych ze zwykłych blach. Wszystkie elementy wchodzące w kontakt z wykraplającym się kondensatem nie mogą być wrażliwe na wilgoć i korozję Z uwagi na opadający kondensat, nadciśnienie wywołane w przewodzie odprowadzającym spaliny, musi być on szczelny i odporny na kapilarne zasysanie kondensatu w miejscach styku elementów długościowych systemu. Odprowadzenie kondensatu powinno być tak wykonane i umiejscowione by uniemożliwić przedostanie się kondensatu zarówno z przewodu spalinowego, jak i też z przewodu łączącego do kotła grzewczego w przypadkach, gdy kocioł nie jest przystosowany do odbioru kondensatu.
System elementów ze stali szlachetnej na kominy i przewody spalinowe stanowi zestaw rur i kształtek o przekroju kołowym wyposażonych jednostronnie w kielichy umożliwiające międzyelementowe połączenie wtykowe z jednoczesnym zapewnieniem niezbędnej szczelności za pomocą uszczelki wykonanej w postaci opaski zaciśniętej dodatkowo w rejonie styku elementów obejmą zaciskową.
Zastosowanie sytemu kominowego “rura w rurze” przynosi dodatkowe korzyści. Zwykły kocioł, aby uzyskać jak najmniejszą moc, zmniejsza do minimum ilość gazu podawaną na palnik do spalania. Ale ponieważ jest kotłem atmosferycznym (z otwartą komorą spalania) to ilość powietrza przelatująca przez kocioł do komina (także przez komorę spalania) jest stała i do tego taka sama, jakby kocioł palił największym płomieniem. A przecież spala najmniejszym płomieniem. Prowadzi to do intensywnego chłodzenia kotła od wewnątrz przez duża ilość zbędnego powietrza. Straty z tego powodu są ogromne, oraz oznaczają prawidłowość pracy zwykłego kotła: czym niższa jego chwilowa moc tym niższa jego sprawność.