Materiał wymiennika ciepła jest jednym z najważniejszych elementów konstrukcji gazowego kotła kondensacyjnego. Obecnie maksymalną liczbę korzystnych cech pozwalających na rozwiązanie problemów związanych z budową monoblokowych kotłów średniej i dużej mocy oferuje stop aluminium i krzemu. Materiał zdjęciowy prezentuje urządzenia wykorzystujące technologię Al-Si oferowane przez firmę De Dietrich.

Stopy aluminium i krzemu z grupy AlSi posiadają cechy, które są szczególnie przydatne do zastosowań w technice grzewczej. Mają one podobny skład do mieszaniny eutektycznej, co daje im bardzo dobre własności odlewnicze. Mieszanina eutektyczna, to mieszanina dwóch czystych substancji, które topią się i krzepną w stałej temperaturze, w przeciwieństwie do innych mieszanin. Podczas topnienia stop ten zachowuje się w rzeczywistości jak czysta substancja, z bardzo dobrymi charakterystykami płynności. Cecha ta jest bardzo przydatna podczas odlewania korpusów kotłów o bardzo skomplikowanych kształtach, które zwiększają powierzchnię wymiany i poprawiają przepływ hydrauliczny. Celem jest zwiększenie wymiany ciepła w niewielkiej objętości.

Kocioł C 230 firmy De Dietrich z wymiennikiem zbudowanym w technologii AlSi

Współczynnik przewodzenia ciepła
Współczynnik przewodzenia ciepła aluminium jest pięć razy wyższy niż w przypadku stali i siedem razy wyższy niż stali nierdzewnej. Jako że aluminium przewodzi ciepło wyraźnie lepiej, możliwe jest zmniejszenie powierzchni wymiany, aby osiągnąć taką samą wydajność przenoszenia ciepła do obiegu grzewczego. Przy takiej samej wydajności, korpusy grzewcze z aluminium mogą być zatem znacząco mniejsze.

Korpus kotła C 230

Mniejszy ciężar
Aluminium jest również bardzo lekkie – trzy razy lżejsze niż stal nierdzewna lub miedź. Często wybiera się je jako materiał w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym dla zmniejszenia ciężaru sprzętu. Poza zwartą budową wymienników aluminiowych, połączoną z wysoką przewodnością cieplną, można również skorzystać na znacznej redukcji ciężaru, w porównaniu z wykorzystaniem innych materiałów. Staje się zatem możliwe projektowanie kotłów zajmujących znacznie mniej miejsca i o znacznie mniejszym ciężarze obciążającym ściany i stropy, co daje większą swobodę w konfiguracji instalacji kotłowni.

Wnętrze kotła C 230

Odporność fizyczna
W konstrukcji korpusów grzewczych ze stali lub stali nierdzewnej, zespoły spawów, zgięcia, tłoczone części są obszarami wrażliwymi, podatnymi na obciążenia związane z pracą kotła. Zmiany temperatury występujące podczas pracy kotła są główną przyczyną naprężeń w materiałach. Te fizyczne obciążenia, występujące szczególnie w spawach i szwach zabezpieczających, osłabiają materiały. Korpus kotła zbudowany z elementów ze stopu aluminiowo-krzemowego o jednorodnej grubości nie zawiera zgięć i spawów i, co za tym idzie, wykazuje cechy odporności na korozję, szczególnie odpowiednie w zastosowaniach kondensacyjnych. Jest to o tyle istotne, że zasada kondensacji oznacza stykanie się metalowych powierzchni z kondensatem, który ma kwaśny odczyn i z tego powodu jest szczególnie żrący dla metali, zwłaszcza jeśli są one poddane naprężeniom lub osłabione.

Zespół wentylatora kotła C 230

Powrót niskotemperaturowy
Zjawisko różnicy temperatur między zasilaniem i powrotem jest często wynikiem codziennej pracy instalacji, w której zmiana natężenia przepływu w obiegach wtórnych jest spowodowana przez ciągłe otwieranie i zamykanie zaworów trójdrogowych. Jednorodność i elastyczność AlSi pozwalają na jego zastosowanie przy znaczących różnicach temperatur (do 30 K) między zasilaniem kotła i powrotem, bez ryzyka zmęczenia metalu spowodowanego powtarzającymi się przez cały sezon grzewczy nagłymi zmianami temperatury. Umożliwia to maksymalne wykorzystanie sprawności kotłów: ponieważ nie są one podatne na szok termiczny, można wprowadzić niskotemperaturowe powroty, które wzmacniają kondensację gazów spalinowych wewnątrz wymiennika i w konsekwencji efekt odzyskiwania ciepła.

Fragment wymiennika kotła C 310 ECO

Odporność chemiczna
W kotle kondensacyjnym każdy element jest wystawiony na działanie niesprzyjających czynników, gdyż styka się z kondensatami, które mają odczyn kwaśny i są szczególnie korozyjne dla metali. Dobrą odporność na korozję aluminium zawdzięcza zdolności swojej powierzchni do pasywacji (niewrażliwości na korozję). Przy kontakcie z wodą lub tlenem, w naturalny sposób tworzy się nieporowata warstwa ochronna tlenku aluminium, nazywana „warstwą pasywacji”. Jest to właściwość aluminium, która chroni powierzchnie wymiany korpusu grzewczego stykające się z gazami spalinowymi przed agresywnym działaniem kondensatów i czyni ten metal szczególnie odpowiednim dla techniki kondensacji. W fazie kondensacji, spływ kondensatu po powierzchni wymiany zapewnia, że korpus z AlSi jest samoczyszczący – poprzez zapobieganie odkładania się pozostałości i niespalonych materiałów, które mogą zakłócić prawidłowy przepływ ciepła. Jednocześnie wzmacniana jest warstwa samoochronna aluminium.
Ponadto aluminium nie jest szczególnie wrażliwe na korozję wżerową, często powiązaną z użyciem do napełniania wody o wysokiej zawartości minerałów. Stal nierdzewna jest podatna na stężenia chlorków większe niż 100 mg/l (w zależności od ich typu). Miedź natomiast jest szczególnie podatna na siarczany, które szybko prowadzą do perforacji. Aluminium jest także chemicznie obojętne w powietrzu i warstwa tlenku aluminium skutecznie chroni je przed utlenianiem.

Jakość wody w instalacji grzewczej

W celu zapewnienia optymalnej pracy, kocioł wymaga czystej wody o jakości pozwalającej na kontakt z metalem użytym w jego konstrukcji. Jest to istotne w przypadku wszystkich kotłów używających wody jako czynnika przenoszącego ciepło, bez względu na ich zasadę działania (tradycyjne, ciecz przegrzana, para, kondensacja itd.) i materiał z jakiego zostały wykonane (stal, stal nierdzewna, miedź, aluminium). Jakość wody w instalacji grzewczej jest mierzona za pomocą określonych parametrów takich jak (m. in.):
• pH (poziom kwasowości lub zasadowości wody),
• twardość (zawartość rozpuszczonego wapnia),
• przewodność właściwa (przybliżenie całkowitej zawartości minerałów),
• poziom chlorków, siarczanów itd.
Te składniki mogą różnić się zależnie od regionu, źródła zaopatrzenia w wodę (publiczna sieć wodociągowa, studnia, deszczówka itd.) oraz materiałów i stanu rur, w których jest ona transportowana. Niektóre parametry muszą być sprawdzane systematycznie, niezależnie od materiału z jakiego wykonano kocioł (nie mogą występować żadne ścierne cząsteczki zawieszone w wodzie, ani woda o zbyt dużej zawartości wapnia itd.). Inna zależność występuje w przypadku parametru pH. Jest on istotny, ale wartości które mają być obserwowane różnią się. Ogólnie mówiąc, metale korodują w obecności kwasów, ale każdy metal ma właściwą sobie odporność i, aby uniknąć szybkiej i nieodwracalnej korozji, należy obserwować określony zakres pH.
Inaczej wygląda to w przypadku aluminium, które oferuje dobrą odporność na neutralne lub nawet kwaśne pH i jest jednym z najbardziej odpornych na korozję metali. Jego zakres tolerancji pH jest szeroki. Może ono wytrzymać kontakt z wodą, nawet jeśli nie została ona uzdatniona. Istnieją jednak w jego przypadku pewne ograniczenia w zakresie bardzo wysokich poziomów pH.

Zalecenia eksploatacyjne

Wykorzystanie aluminium i zasada odzyskiwania ciepła dzięki kondensacji są stosunkowo nowymi technikami. Zalecenia odnośnie wysokich poziomów pH wody w instalacji, mocno zakorzenione w nawykach eksploatacyjnych i tekstach na temat dobrych praktyk, zostały ustalone przed pojawieniem się tych technologii i nie były w stanie brać ich pod uwagę. Zalecenie pH wyższego niż 9,7 – kryterium łatwe w sprawdzeniu i realizacji (na przykład poprzez dodanie wodorotlenku sodu do wody wodociągowej) – jest niekompatybilne z aluminium: warstwa pasywacji rozpuszcza się gdy pH przekracza 8,5. Aluminium staje się wówczas podatne na korozję i w środowisku alkalicznym niszczeje jeszcze szybciej. Zatem chęć ochrony innych materiałów w instalacji grzewczej osłabia aluminium i czasem prowadzi do jego perforacji.
Na szczęście jednak najbardziej szkodząca aluminium metoda uzdatniania wody w sieci grzewczej za pomocą wodorotlenku sodu i/lub garbników nie jest już wykorzystywana. Postęp techniczny w dziedzinie uzdatniania wody przyniósł znacznie bardziej skuteczne inhibitory korozji dla stopów żelaza (żeliwo, stal itd.) i miedzi. Współczesne instalacje są także budowane z wielu różnych materiałów i uzdatnianie odpowiednio się rozwinęło. Obecne molekuły, takie jak fosforany i molibdeniany, aktualnie szeroko stosowane, są całkowicie kompatybilne z korpusem grzewczym z aluminium.
Zalecenia w zakresie uzdatniania wody do użycia w kotle ze stopu aluminiowo-krzemowego są zatem kwestią zdrowego rozsądku:
• tak jak dla wszystkich innych kotłów, woda o małej twardości i przeciętnej zawartości minerałów zapobiegnie odkładaniu się osadów, które mogą zakłócić poprawną wymianę ciepła,
• jeśli chodzi o korozję, ten typ urządzenia poradzi sobie z nieuzdatnioną wodą, ale inne metale użyte w sieci ucierpią z tego powodu. Konieczne jest zatem wybranie uzdatniania kompatybilnego z aluminium (nie zwiększającego pH wody),
• w celu zainstalowania w istniejącej sieci, należy sprawdzić kompatybilność uzdatniania (prosty pomiar pH). Gdyby pH okazało się wyższe niż 8,5, wystarczy opróżnienie i oczyszczenie, które jest zalecane we wszystkich przypadkach, aby zapobiec zatkaniu nowego kotła przez cząstki i osady obecne w starej instalacji.
Takie zasady umożliwiają pełne wykorzystanie zalet instalacji z generatorem aluminiowo-krzemowym.

Podsumowanie

Główne cechy, które czynią stop aluminiowo-krzemowy atrakcyjnym materiałem dla techniki grzewczej, to jego niska gęstość, odporność mechaniczna, odporność na korozję, długa żywotność, łatwość formowania i przewodnictwo cieplne. Dodatkowym atutem jest także możliwość praktycznie nieograniczonego odzysku, bez straty właściwości.
Z tych powodów znaczna liczba producentów kotłów, wiernych uprzednio innym materiałom, zaczyna stosować aluminium, zwłaszcza przy rozwijaniu gazowej techniki kondensacyjnej.

George Flick
Autor jest pracownikiem
departamentu marketingu
firmy De Dietrich Thermique SAS