Autori: expert tehnic extrajudiciar Cristian CETĂȚEANU

expert tehnic extrajudiciar Florin CETĂȚEANU

conf. univ. dr. ing. Cătălin LUNGU

Articol publicat în Buletinul de Informare Tehnică – Instalații sub presiune și mașini de ridicat – BIT – Serie nouă, nr. 1/2014, ISSN 2360 – 6096, pag. 48-54, București, 2014

În ziua de astăzi se pune un accent din ce în ce mai pregnant pe economisirea combustibilului care alimentează cazanele care funcționează cu combustibil solid, lichid sau gazos. Directivele europene impun clasificarea/etichetarea energetică a cazanelor. DIRECTIVA 2009/125/CE A PARLAMENTULUI EUROPEAN ȘI A CONSILIULUI din 21 octombrie 2009 de instituire a unui cadru pentru stabilirea cerințelor în materie de proiectare ecologică aplicabile produselor cu impact energetic vorbește despre “proiectarea ecologică”, despre “impactul asupra mediului”, despre evaluarea conformității dar, din păcate, în ceea ce privește cazanele care se instalează sau sunt deja instalate în România, lucrurile lasă mult de dorit. Acest fapt se datorează nu cazanelor, care nu pot fi introduse pe piață dacă nu corespund normelor UE în vigoare, ci proiectanților și, în cele mai multe cazuri, beneficiarilor instalațiilor de încălzire.

Însă foarte puțini dintre specialiștii care se ocupă de instalațiile de încălzire își dau seama de legătura intrinsecă care există există între cazan și coșul de fum ! Cazanul nu poate funcționa fără coș de fum iar coșul de fum, fără a fi racordat la un cazan, nu are nici o utilitate. Coșul de fum asigură evacuarea gazelor de ardere ale cazanului iar pentru aceasta el trebuie să aibă un anumit tiraj.

Variația tirajului coșului de fum în timpul anului

Nu mulți sunt cei care cunosc faptul că un coș de fum are un tiraj vara și un cu totul alt tiraj iarna. Aceasta deoarece tirajul coșului de fum depinde de diferența de temperatură (de fapt, de diferența de densitate) dintre gazele de ardere și aerul din exterior (Fig. 1). Dacă iarna putem avea o temperatură exterioară de – 25oC, vara putem atinge și +35oC, deci o diferență de temperatură de 60oC între cele două regimuri de funcționare.

Tirajul coșului de fum influențează în mod direct excesul de aer λ, care se reflectă în randamentul arderii și, implicit, în randamentul cazanului.

Cea mai simplă formulă de calcul a tirajului este:

HTC = h x (ρa – ρgm) x g  –  cf. [1] – formula (5.6.2)

în care:

HTC – tirajul coșului de fum [Pa]

h – înălțimea coșului de fum [m]

ρa – densitatea aerului exterior [kg/m3]

ρgm – densitatea medie a gazelor de ardere în coșul de fum [kg/m3]

g – 9,81 [m/s2]

Fig. 1 – Tirajul coșului de fum

Coșul de fum se dimensionează pentru funcționarea în timpul verii (Fig. 2). În acest caz, tirajul este optim iar randamentul cazanului este maxim (deoarece excesul de aer λ este optim). Dar, pe timpul iernii, lucrurile se schimbă (Fig. 3). Crescând diferența de temperatură dintre gazele de ardere și aerul exterior (datorită scăderii temperaturii exterioare – densitatea aerului exterior crește), crește și tirajul coșului de fum. Crescând tirajul coșului de fum, implicit crește și excesul de aer λ, care are drept rezultat scăderea randamentului arderii și, deci, a randamentului cazanului.

N.B. Dacă dimensionarea coșului de fum s-ar face pentru regimul de iarnă, pe timpul verii coșul de fum nu ar avea tiraj !

Fig. 2 – Regim de funcționare VARĂ

Fig. 3 – Regim funcționare IARNĂ

Soluții pentru reducerea tirajului coșului de fum

În cazul cazanelor de putere mică, cu cameră de ardere deschisă și tiraj natural, o metodă de a reduce tirajul coșului de fum pe timpul iernii, pentru a-l aduce la valoarea optimă, constă în introducerea unui limitator de tiraj pe traseul de evacuare a gazelor de ardere (Fig. 4).

Limitatorul de tiraj constă dintr-o clapetă, care are o contragreutate ce poate fi reglată în funcție de tirajul care trebuie menținut (nu trebuie să fie depășit) (Fig. 5).

Fig. 4 – Coș de fum în regim IARNĂ cu limitator de tiraj

Fig. 5 – Limitatorul de tiraj

Dacă tirajul coșului de fum are valoarea dorită sau mai mică, clapeta stă închisă. Dacă valoarea tirajului depășește valoarea reglată, clapeta se deschide proporțional cu diferența dintre cele două valori și pe acolo intră aer fals în coșul de fum, readucând tirajul la ieșirea din cazan la valoarea dorită (Fig. 6).

Fig. 6 – Funcționarea limitatorului de tiraj

Limitatorul de tiraj poate fi instalat atât pe canalul de racordare al cazanului la coșul de fum (Fig. 7), cât și pe canalul de fum (Fig. 8) – deasupra sau dedesubtul canalului de racordare..

Fig. 7 – Limitator de tiraj montat pe canalul de racordare

Fig. 8 – Limitator de tiraj montat pe canalul de fum

Dar limitatorul de tiraj trebuie instalat obligatoriu în interiorul încăperii centralei termice, pentru ca temperatura aerului fals să nu aibă o temperatură prea scăzută și să răcească semnificativ gazele de ardere, deoarece răcirea acestora influențează condițiile de presiune și de umiditate în coș.

Soluții pentru mărirea tirajului coșului de fum

Sunt cazuri în care, fie din cauza subdimensionării coșului de fum, fie din alte cauze, tirajul acestuia este insuficient iar excesul de aer λ devine subunitar. Rezultatul vai fi oxidarea incompletă a carbonului din combustibil, depunerea acestuia pe pereții schimbătorului de căldură și pe pereții coșului de fum, poluarea accentuată a atmosferei. În acest caz, pentru îmbunătățirea tirajului și pentru eliminarea inconvenientelor amintite anterior, pe coșul de fum poate fi instalat un extractor de gaze de ardere (Fig. 9).

Fig. 9 – Extractorul de gaze de ardere

Acesta se instalează pe terminalul coșului de fum. Extractorul are în lateral are un motor electric care introduce aer pe traseul canalului de fum, prin intermediul unei fante. Prin efect Venturi, aerul

introdus extrage gazele de ardere din coșul de fum. Un avantaj al extractorului de gaze de ardere constă în faptul ca acesta nu obturează canalul de fum. În cazul în care curentul electric este oprit, tirajul va fi ca al unui coș normal, fără extractor. De asemenea, nu este împiedicată nici curățarea periodică a coșului de fum prin limitarea / acoperirea secțiunii acestuia. În cazul în care înălțimea / secțiunea coșului de fum asigură tirajul necesar cazanului dar sunt probleme la pornire, până când se încălzește coșul și apare tirajul, extractorul de gaze de ardere poate fi folosit doar pentru “amorsarea” coșului de fum. O sondă de temperatură instalată pe canalul de fum, aproape de terminal, va întrerupe funcționarea extractorului de gaze de ardere în momentul în care coșul de fum s-a încălzit și s-a creat tirajul natural.

Clapete pentru gazele de ardre

Pentru perioadele în care cazanul (de ex. cu tiraj natural) este în repaos (arzătorul este oprit), pierderile de căldură prin coșul de fum pot fi micșorate substanțial prin utilizarea clapetelor motorizate (Fig. 10) sau termice (Fig. 11).

Fig. 10 – Clapetă motorizată pentru gazele de ardere

Fig. 11 – Clapetă termică pentru gazele de ardere

Acestea obturează canalul de racordare al cazanului la coșul de fum atunci când arzatorul este oprit, împiedicând astfel pierderea căldurii prin coșul de fum. Astfel, dacă un cazan mural standard (24 kW) cu cameră de ardere deschisă și tiraj natural (Fig. 12) are pierderile la coș, cu arzătorul oprit, situate undeva în intervalul 0,5% – 0,8% (cu arzătorul în funcțiune piedrerile se găsesc în intervalul 6% – 7%), prin utilizarea clapetelor motorizate sau termice pierderile pot scădea până la aprox. 0,02% (atunci când arzătorul este oprit).

Fig. 12 – Clapetă motorizată plasată deasupra ruperii de tiraj

Datele necesare dimensionării unui coș de fum

Pentru ca un proiectant să poată dimensiona un coș de fum, el are nevoie, în principal, de următoarele date ale cazanului:

– debitul caloric nominal [kW]

– debitul caloric minim [kW]

– puterea nominală (utilă) [kW]

– puterea minimă (utilă) [kW]

– combustibilul folosit

– tipul cazanului (tiraj natural/forțat, standard/condensare)

– debitul masic al gazelor de ardere la putere nominală [kg/h]

– debitul masic al gazelor de ardere la putere minimă [kg/h]

– temperatura gazelor de ardere la puterea nominală [oC]

– temperatura gazelor de ardere la puterea minimă [oC]

– presiunea (min./max.) disponibilă/necesară la ieșirea din cazan [Pa]

– dimensiunea racordului de evacuare a gazelor de ardere [mm]

– dimensiunea racordului de admisie a aerului necesar arderii – dacă este cazul [mm]

– CO2 [%] (eventual)

De asemenea, trebuie cunoscută altitudinea și locul în care se construiește coșul de fum și, eventual, condiții impuse de construcțiile din jur (înălțimea obligatorie a coșului de fum sau diametrul maxim admisibil al acestuia). Totodată, la dimensionarea coșurilor de fum trebuie avută în vedere și dispersia gazelor de ardere în atosferă.

N.B.: Coșul de fum nu se dimensionează de către producătorul cazanului, ci de proiectanți specializați în domeniul coșurilor de fum ! În principiu, competența producătorului de cazane se oprește la racordul de evacuare a gazelor de ardere din cazan. Dar el trebuie să furnizeze datele de proiectare enunțate mai sus (cele care țin efectiv de cazan). Proiectarea unui cazan și proiectarea unui coș de fum sunt meserii/competențe complet diferite.

Bibliografie:

[1]  Enciclopedia Tehnică de Instalații – Manualul de instalații – Instalații de încălzire – Ediția II – coordonator prof. univ. dr. ing. Mihai ILINA – Editura ARTECNO București SRL – 2010 – ISBN 978-973-85936-5-7

[2]  Inspecția sistemelor de încălzire cf. Directivei 2010/31/CE și importanța coșului de fum – conf. univ. dr. ing. Cătălin LUNGU, expert tehnic extrajudiciar Cristian CETĂȚEANU, expert tehnic extrajudiciar Florin CETĂȚEANU

[3]  Das Zugbegrenzer-ProgrammDen Wirkungsgrad von Feuerstätten verbessern – KUTZNER + WEBER

[4]  Das Abgasklappen-ProgrammIntelligente Lösungen für die Abgas- und Heizungstechnik – KUTZNER + WEBER