thumb|upright=1.5|Cazan de încălzire cu condensare Un cazan cu condensare este un cazan de încălzire care poate recupera o parte din căldură latentă de vaporizare a vaporilor de apă din gazele de ardere evacuate. Recuperarea se face prin condensarea vaporilor într-un schimbător de căldură care preîcălzește apa (agentul termic) care circulă în sistemul de încălzire. Condensul este trimis la canalizare. În multe țări, utilizarea centralelor termice cu condensare este obligatorie sau încurajată prin stimulente financiare.
De obicei drept combustibil se folosește gazul natural, petrolul sau GPL. Atunci când este utilizat în condiții corecte, cazanul poate atinge un randament termic brut mare (peste 90 % raportat la puterea calorifică superioară)
Principiul de lucru thumb|upright=1.5|Schema funcționării unei instalații de încălzire cu cazan cu condensare Într-o centrală termică convențională, combustibilul este ars, iar gazele fierbinți produse trec printr-un schimbător de căldură unde o mare parte din căldura lor este transmisă apei, crescând astfel temperatura apei.
Una dintre componentele din gazele fierbinți produse în procesul de ardere este vaporii de apă, care rezultă din arderea hidrogenului din combustibil. O centrală termică cu condensare extrage căldură suplimentară din gazele reziduale prin condensarea acestor vapori de apă, recuperând astfel căldura lor latentă de vaporizare. O creștere tipică a randamentului poate fi de până la 10–12 %. Deși eficacitatea procesului de condensare variază în funcție de temperatura apei de retur, aceasta este întotdeauna cel puțin la fel de eficientă ca o centrală termică fără condensare.
Pentru ca procesul de condensare să funcționeze, trebuie ca temperatura suprafeței active a schimbătorului de căldură care condensează (în imagine, schimbătorul din dreapta) trebuie să fie sub punct de rouă al vaporilor de apă. Temperatura punctului de rouă al vaporilor de apă depinde de presiunea lor parțială în gazele de ardere. În gazul natural componenta hidrogen este de 25 % masic, ceea ce produce în gazele de ardere o componentă volumică a vaporilor de apă de cel mult 20 %. La presiunea atmosferică, presiunea parțială a vaporilor de apă în gazele de ardere este de 0,20 bar, pentru care temperatura punctului de rouă este de 60 °C. În petrol componenta hidrogen este de 14 % masic, ceea ce produce în gazele de ardere o componentă volumică a vaporilor de apă de cel mult 13 %. La presiunea atmosferică, presiunea parțială a vaporilor de apă în gazele de ardere este de 0,13 bar, pentru care temperatura punctului de rouă este de 51 °C.
Pentru a începe condensarea trebuie ca temperatura de retur a agentului de lucru să fie de cel mult 55 °C la funcționarea cu gaz natural și de cel mult 45 °C la funcționarea cu petrol. Cu cât această temperatură este mai mică, cu atât schimbătorul de căldură reușește să condenseze mai mulți vapori de apă, iar randamentul cazanului crește proporțional. Evident, condensarea completă are loc doar la temperatura punctului triplu al apei, de 0,01 °C, lucru impracticabil. Deoarece centralele termice cu condensare funcționează la temperaturi mai scăzute decât cele fără condensare, acestea pot necesita radiatoare mai mari. Totuși, chiar și condensarea parțială este mai eficientă decât o centrală termică convențională fără condensare.
Condensul produs este ușor acid (pH de 3–5), așadar trebuie utilizate materiale adecvate în zonele în care este prezent. Aliajele de aluminiu și oțelul inoxidabil sunt cel mai frecvent utilizate la temperaturi ridicate. În zonele cu temperaturi scăzute, materialele plastice sunt cele mai convenabile (de exemplu, PVC și polipropilenă). Schimbătorul de căldură pentru condensare și sistemul de drenare a condensului sunt practic singurele diferențe între cazanele cu și fără condensare.
Pentru a micșora gabaritul instalației, practic a căilor de aer și gaze de ardere, se prevede un exhaustor (ventilator de gaze de ardere).
Utilizare Centralele termice cu condensare înlocuiesc acum în mare măsură modelele convenționale anterioare în alimentarea sistemelor de încălzire centrală rezidențială din Europa și, într-o măsură mai mică, din America de Nord. Țările de Jos au fost prima țară care le-a adoptat pe scară largă
Randament Producătorii de centrale termice cu condensare susțin că se poate obține un randament termic brut de până la 98 %, Viessmann Gas-Fired Boilers comparativ cu 70–80 % în cazul modelelor convenționale (bazate pe puterea calorifică superioară a combustibililor). Modelele tipice oferă randamente de aproximativ 90 %, ceea ce plasează majoritatea mărcilor de centrale termice pe gaz cu condensare în cele mai înalte categorii disponibile pe scara randamentului.
Performanța cazanului se bazează pe eficiența transmiterii căldurii și depinde în mare măsură de dimensiunea/puterea cazanului. Proiectarea și instalarea sistemului sunt esențiale. Potrivirea radiației cu puterea de ieșire în kW a cazanului și luarea în considerare a temperaturilor de proiectare ale radiatorului determină eficiența generală a sistemului de încălzire a spațiului și a apei menajere.
Un motiv pentru scăderea randamentului este acela că, în urma proiectării și/sau implementării sistemului de încălzire, temperatura apei de retur (a agentul termic) este peste 55 °C, ceea ce împiedică formarea unui condens semnificativ în schimbătorul de căldură. O mai bună educație atât a instalatorilor, cât și a proprietarilor ar putea să crească randamentul în raport cu valorile de laborator raportate. Resurse Naturale Canada Office of Energy Efficiency, Natural Resources Canada sugerează și ei modalități de a utiliza mai bine aceste centrale termice, cum ar fi combinarea sistemelor de încălzire a spațiului și a apei. Unele centrale termice (de exemplu, Potterton) pot fi comutate între două temperaturi pe tur, cum ar fi 63 °C și 84 °C, doar prima fiind „cu condensare completă”. Totuși, centralele termice sunt instalate în mod normal cu o temperatură pe tur mai mare în mod implicit, deoarece un boiler pentru apă caldă menajeră este în general încălzit la 60°C (140°F), iar acest lucru durează prea mult pentru a fi realizat cu o temperatură pe tur cu doar trei grade mai mare. Totuși, chiar și condensarea parțială este mai eficientă decât o centrală termică tradițională.
Majoritatea cazanelor fără condensare ar putea fi forțate să condenseze prin simple modificări ale sistemului de comandă. Acest lucru ar reduce considerabil consumul de combustibil, dar ar distruge rapid orice componente din oțel moale sau fontă ale unui cazan convențional de înaltă temperatură, din cauza naturii corozive a condensului. Din acest motiv, majoritatea schimbătoarelor de căldură ale cazanelor cu condensare sunt fabricate din oțel inoxidabil sau aliaj de aluminiu/siliciu. Economizoarele externe din oțel inoxidabil pot fi montate ulterior pe cazanele fără condensare pentru a le permite să atingă eficiențe de condensare. Supapele de realizare a temperaturii sunt utilizate pentru a amesteca apa caldă de alimentare în retur, pentru a evita șocul termic sau condensarea în interiorul cazanului.
Cu cât temperatura de retur către centrală este mai mică, cu atât este mai probabil ca aceasta să fie în modul de condensare. Dacă temperatura de retur este menținută sub aproximativ 55 °C, centrala ar trebui să fie în continuare în modul de condensare, ceea ce face ca aplicațiile la temperatură scăzută, cum ar fi pardoselile radiante și chiar radiatoarele vechi din fontă, să fie potrivite pentru această tehnologie.
Majoritatea producătorilor de centrale termice noi cu condensare pentru uz casnic folosesc un sistem de comandă de bază, „adaptabil tuturor”, care face ca centrala să funcționeze în modul de condensare doar la încălzirea inițială, după care randamentul scade. Această abordare ar trebui să fie totuși mai bună decât cea a modelelor mai vechi. Prin contrast, sistemele de „compensare a vremii” sunt concepute pentru a regla sistemul pe tur și retur în funcție de temperaturile din interior și exterior.
Sistemul de comandă Sistemul de comandă al centralei termice cu condensare de uz casnic este esențial pentru a asigura funcționarea acesteia în modul cel mai economic și eficient din punct de vedere al consumului de combustibil. Arzătoarele sunt de obicei comandate de un sistem electronic încorporat, cu logică încorporată pentru a ajusta puterea arzătorului în funcție de sarcină și a oferi cea mai bună performanță.
Centralele termice moderne cu condensare utilizează din ce în ce mai mult protocoale de comunicare digitală, cum ar fi OpenTherm și sisteme magistrale specifice producătorului, pentru a modula în timp real puterea arzătorului, turația pompei și temperatura turului în funcție de cerere. Aceste strategii de control reduc ciclurile de încălzire, îmbunătățesc stabilitatea confortului și cresc eficiența sezonieră în comparație cu controlul termostatic tradițional pornit/oprit.
Aproape toate au arzătoare „modulate” (cu posibilitatea de reglaj continuu a puterii). Acestea permit reducerea puterii pentru a se potrivi cererii. Centralele termice au un „raport de reducere a temperaturii”, care este raportul dintre puterea maximă de ieșire și puterea minimă de ieșire pentru care poate fi menținută arderea. Dacă sistemul de comandă stabilește că cererea scade sub puterea minimă de ieșire, atunci centrala termică se va opri până când temperatura apei scade, apoi se va reaprinde și va încălzi apa.
Fiabilitate Se spune că centralele termice cu condensare au reputația de a fi mai puțin fiabile și pot avea de suferit dacă sunt reparate de instalatori care este posibil să nu înțeleagă modul lor de funcționare. Guardian newspaper: The new boiler that's causing a heated row. 2 April 2005 Afirmațiile privind lipsa de fiabilitate au fost contrazise de cercetările efectuate de Building Research Establishment, cu sediul în Marea Britanie.
În special, problema „panașelor” a apărut odată cu primele instalări de centrale termice cu condensare, în care un panaș alb de vapori condensați (sub formă de picături minuscule) devine vizibil la ieșirea din coș. Deși neimportantă pentru funcționarea centralei termice, instalațiile vizibilitatea panașului a reprezentat o problemă estetică care a cauzat multă opoziție față de centralele termice cu condensare.
O problemă mai semnificativă este ușoara aciditate (pH 3–4) a lichidului condensat. Atunci când acesta intră în contact direct cu schimbătorul de căldură al cazanului, în special la tabla subțire de aluminiu poate duce la o coroziune mai rapidă decât în cazul cazanelor tradiționale fără condensare. Cazanele mai vechi puteau folosi, de asemenea, schimbătoare de căldură turnate groase, în loc de tablă, care aveau constante de timp mai lente pentru răspunsul lor, dar erau și rezistente la orice coroziune, prin masa lor mare. Aciditatea condensului înseamnă că pot fi utilizate doar anumite materiale: oțelul inoxidabil și aluminiul sunt potrivite, oțelul moale, cuprul sau fonta nu sunt. Proiectarea proastă sau standardele construcție deficitare ar fi putut face ca schimbătoarele de căldură ale unora dintre primele centrale termice cu condensare să aibă o durată de viață mai mică.
Se recomandă insistent testarea inițială și monitorizarea anuală a agentului termic în cazanele cu condensare cu schimbătoare de căldură din aluminiu sau oțel inoxidabil. Menținerea unui lichid ușor alcalin (pH 8–9) cu agenți anticorozivi și soluții tampon reduce coroziunea schimbătorului de căldură din aluminiu. Unii specialiști consideră că condensul produs pe partea de ardere a schimbătorului de căldură poate coroda un schimbător de căldură din aluminiu și poate scurta durata de viață a cazanului. Nu sunt încă disponibile dovezi statistice, deoarece cazanele cu condensare cu schimbătoare de căldură din aluminiu nu au fost utilizate suficient de mult timp.
Building Research Establishment