Zasada działania
Zasada działania kotła elektrodowego. Z czego jest zbudowany? Dlaczego jest tak efektywny? Jaka ciecz wykorzystywana jest w kotłach elektrodowych? Wady i zalety kotłów elektrodowych.
Jak zbudowany jest kocioł elektrodowy
Kocioł elektrodowy może być skonstruowany na wiele sposobów jednak niektóre elementy muszą znaleźć się w każdym z nich. Elektrody są głównymi elementami, a zarazem tymi od których kocioł zyskał swoją nazwę. Zgodnie z definicją elektroda to końcowy element układu urządzenia elektrycznego wysyłający lub przyjmujący ładunek elektryczny z otoczenia. Nie inaczej jest i w tym przypadku. Rolą elektrod w kotle jest przekazywanie energii elektrycznej do cieczy pomiędzy elektrodami. Ze względu na konstrukcję kotła czy sposób zasilania elektrody mogą mieć różny kształt, a także może być ich różna ilość. Najczęściej spotykane elektrody mają kształt prętów, pierścienie oraz rur.
Kotły jednofazowe najczęściej posiadają dwie elektrody. Elektroda w kształcie pręta umieszczana jest wewnątrz rury która, często pełni też rolę obudowy kotła. Wewnętrzna elektroda podłączona jest do fazy, a elektroda osłonowa do przewodu neutralnego. Jest to najczęściej spotykana konstrukcji ze względu na prostotę budowy.
Kotły trójfazowe mogą być zbudowane na kilka sposobów. Najpopularniejsze to kotły z trzema elektrodami prętowymi ułożonymi względem siebie na wierzchołkach trójkąta równobocznego. Dzięki wykorzystaniu napięcia międzyfazowego ograniczamy prąd przy zachowaniu mocy kotła. Drugim popularnym rozwiązaniem, ale częściej spotykanym w zastosowaniu przemysłowym w kotłach o dużych mocach (rzędu kilku do kilkudziesięciu MW) jest montaż zestawu elektrod zbudowanych jak w kotłach jednofazowych po jednym lub dwóch zestawów na fazę. Zaletą takich konstrukcji jest prosta regulacja mocy na każdej z faz poprzez zastosowane ruchome przesłony opuszczane na elektrody prętowe ograniczające powierzchnię styku elektrody z cieczą dookoła.
Jak działa kocioł elektrodowy
Zasada działania kotła elektrodowego jest stosunkowo prosta i opiera się na bezpośrednim przepływie prądu elektrycznego przez ciecz pomiędzy elektrodami. W praktyce każdy materiał czy też ciecz niebędąca nadprzewodnikiem stawia pewien opór z punktu widzenia przepływającego prądu. Opór ten w obwodach prądu stałego nazywany jest rezystancją, a w przypadku obwodów prądu zmiennego impedancją, której rezystancja jest tylko jednym z elementów, a dokładniej częścią rzeczywistą impedancji zespolonej. W obwodach prądu zmiennego tylko i wyłącznie rezystancja odpowiada za moc czynną pobieraną przez układ czyli taką, którą da się zamienić na ciepło. Mocy biernej, która wynika z reaktancji układu nie da się zamienić na ciepło czy pracę. Przesunięcie w fazie prądu i napięcia w obwodach prądu zmiennego podawane jest jako cos(fi) czyli cosinus kąta przesunięcia fazowego prądu i napięcia. Zawiera się on w przedziale od 0 do 1, gdzie najbardziej pożądana wartość to 1 która oznacza całkowity brak przesunięcia, a co za tym idzie brak strat w przesyle energii. Współczynnik mocy (cos(fi) lub z ang. Power Factor) w kotłach elektrodowych ATOMIOK jest bliski 1, dzięki czemu nie generuje on strat związanych z przesyłem energii, ani nie naraża firm na dodatkowe koszty związane opłatami za moc bierną czy też jej kompensacji.
Koncepcja podgrzewania cieczy za pomocą kotłów elektrodowych zdobyła swoją popularność już w pierwszej połowie XX wieku dzięki swojej prostocie, niezawodności oraz bezawaryjności. Budowa, kształt oraz ułożenie elektrod wewnątrz kotła zależy od konstrukcji kotła i sposobu jego zasilania. Najczęściej elektrody przyjmują formę prętów, pierścieni lub rur jak w przypadku kotłów jednofazowych i przemysłowych, trójfazowych kotłów wielkiej mocy. Nośnikami ładunku elektrycznego w cieczy są jony. Od ich ilości zależy przewodność cieczy czyli jej zdolności do przewodzenia prądu elektrycznego.
Moc kotła elektrodowego zależy głównie od kilku czynników. Pierwszym z nich jest napięcie przyłożone do elektrod. W przypadku powszechnie stosowanych kotłów elektrodowych jest to napięcie sieciowe z instalacji jednofazowej czyli 230 V (L-N) lub trójfazowej wynoszące 400 V (L-L). Drugim natomiast jest prąd przepływający przez ciecz, jednak jego natężenie zależne jest od konstrukcji kotła (wielkości i sposobu ułożenia elektrod) oraz przewodności cieczy przepływającej pomiędzy elektrodami. O ile wielkość i ułożenie elektrod w kotle jest stałe bo wynika ono bezpośrednio z konstrukcji kotła to pozostałe parametry są zmienne w mniejszym lub większym stopniu.
Można by zakładać, że napięcie sieciowe jest w miarę stałe jednak wraz z ze wzrostem popularności instalacji fotowoltaicznych napięcie w gniazdku w słoneczne dni opiera się o górną dopuszczalną przez prawo granicę, a nierzadko je przekracza. Zgodnie ze wzorem, moc rośnie do kwadratu napięcia przy stałej rezystancji. W prostym przykładzie (zakładając cos(fi) = 1), jeżeli przy napięciu sieciowym równym 230 V moc kotła wynosi 3,0 kW to dla napięcia w sieci na poziomie 250 V moc wzrośnie do 3,5 kW,a więc jest to wzrost na poziomie ok 17 %.
Drugim czynnikiem, wpływającym w zdecydowanie większym stopniu na przepływający przez ciecz prąd, a co za tym idzie też moc jest zależność przewodności cieczy od jej temperatury. Jak powszechnie wiadomo wraz ze wzrostem temperatury wzrasta aktywność jonów i właśnie ta aktywność powoduje wzrost przewodności cieczy. W tym przypadku problem jest znacznie poważniejszy, ponieważ różnica w mocy kotła między zimną a gorącą cieczą może nawet przekraczać 100 %.
Mając już świadomość powyższych faktów wiemy, że kocioł elektrodowy osiąga znamionową moc tylko w ściśle określonych warunkach. Co gorsza moc kotła jest najniższa kiedy woda w instalacji jest zimna, a zapotrzebowanie na moc jest największe, ponieważ zależy nam na jej szybkim rozgrzaniu.
W kotłach elektrodowych ATOMIOK problem ten nie występuje ponieważ cały układ wewnątrz kotla pracuje w ściśle określonych warunkach zachowując stałą moc kotła od pierwszych chwil pracy jednocześnie dając pełna swobodę w regulacji temperatury wody na wyjściu kotła zasilającej obiegi grzewcze oraz wężownice zasobników CWU.
Ciecz przewodząca w kotle elektrodowym
Jak powszechnie wiadomo, zjawiskiem dzięki któremu kotły elektrodowe w ogóle mogą pracować jest przepływ prądu elektrycznego przez ciecz. Kocioł elektrodowy będzie mógł działać poprawnie, a także osiągać ustalone parametry tylko wtedy kiedy przepływająca przez niego ciecz będzie charakteryzować określonymi parametrami.
Bazą do produkcji cieczy do kotłów elektrodowych zawsze powinna być woda destylowana, aby mieć pewność, że produkt końcowy nie będzie zawierał niechcianych związków. Do produkcji cieczy do kotłów elektrodowych nie nadają się glikole ze względu na ich organiczny charakter. Głównym parametrem cieczy w kotłach elektrodowych jest jej przewodność elektryczna w praktyce najczęściej określana w mikro Siemensach na centymetr [μS/cm] jest to zdolność wody do przewodzenia prądu elektrycznego. Przewodność wody zależy od ilości i rodzaju jonów jakie znajdują się w określonej objętości. W wodzie destylowanej znajduje się niewiele jonów co oznacza, że prąd elektryczny przewodzony jest bardzo słabo.
Jednym z głównych parametrów kotłów elektrodowych jest moc, która bezpośrednio zależy od napięcia (w naszym przypadku sieciowego, czyli 230 V dla połączenia L-N oraz 400 V dla połączeń L-L) oraz właśnie od prądu przepływającego pomiędzy elektrodami poprzez ciecz. Dlatego niezbędnym jest dostarczenie do wody odpowiednich jonów. W praktyce jony te powinny być jonami, które nie będą powodować efektów ubocznych do których zaliczamy między innymi powstawanie osadu kotłowego czy też korozję. Niektóre jony są zasadowe, a inne kwaśne. W cieczy stosowanej w kotłach elektrodowych jonów zasadowych powinno być więcej niż jonów kwaśnych w efekcie czego otrzymamy roztwór zasadowy czyli o pH większym od 7. Zalecane wartości pH cieczy stosowanej w kotłach elektrodowych to 8,5 – 9,5. Unikniemy dzięki temu korozji. Skala pH to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych.
Kolejnym z powodów stosowania wody destylowanej jest fakt, że woda ‘surowa’ może zawierać również tlen i kwas węglowy. Szczególnym przypadkiem jest woda powierzchniowa, która zawiera bardzo dużo tlenu, a wynika to ze zdolności wiązania wolnego tlenu z powietrza przez wodę. Kwas węglowy powstaje z przekształcenia dwutlenku węgla, który również woda wiąże z powietrza. Oba te niechciane dodatki przyczyniają się do powstawania korozji.
Przewodność w dużej mierze zależy także od temperatury cieczy, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wzrasta aktywność jonów. Przekłada się to bezpośrednio na moc kotła, dlatego standardowe kotły elektrodowe mają różną moc w zależności od temperatury cieczy jaka w danej chwili przepływa przez niego. Co więcej, jest to efekt niepożądany, ponieważ w monecie kiedy woda w instalacji grzewczej jest zimna moc kotła jest najniższa.
W kotłach elektrodowych ATOMIOK problem ten rozwiązano poprzez stabilizację temperatury cieczy wewnątrz kotła. Temperatura ta oscyluje w wąskim przedziale zapewniając stałą moc kotła od pierwszych chwil pracy, jednocześnie dając pełna swobodę w regulacji temperatury wody na wyjściu kotła.
Jak widać parametry cieczy w kotle elektrodowym są kluczowe do poprawnej pracy oraz zachowania trwałości i odporności na korozję i osad. Podłączanie kotłów elektrodowych bezpośrednio do obiegu grzewczego bez zachowania należytej dbałości o parametry cieczy oraz jej warunki pracy wiąże się z masą problemów oraz awarii w niedalekiej przyszłości.
Ciecz stosowana w kotłach elektrodowych ATOMIOK spełnia wszystkie wymogi oraz parametry jakie powinna spełniać dobrej klasy ciecz stosowana w kotłach elektrodowych dając gwarancję poprawnej pracy oraz bezawaryjności kotła przez lata.
Dlaczego nie ma kotłów elektrodowych na prąd stały
Poprzez umieszczenie elektrod i przyłożenie do nich napięcia elektrycznego w substancjach zdolnych do jonizacji zachodzi zjawisko elektrolizy. Elektroliza to ogólnie rzecz biorąc zjawisko zmiany struktury chemicznej substancji pod wpływem przyłożonego do niej napięcia elektrycznego. Proces ten napędzany jest wymuszoną wędrówką jonów do elektrod. W układzie takim elektroda naładowana ujemnie to katoda, elektroda naładowana dodatnio to anoda. Kationy czyli dodatnio naładowane cząstki dążą do katody, a do anody ujemnie naładowane aniony. Cząstki te po dotarciu do elektrod przekazują im swój ładunek, a także mogą wchodzić z nimi w reakcję chemiczną zamieniając się w obojętnie elektryczne związki lub pierwiastki. Powstające w ten sposób substancje przeważnie osadzają się na elektrodach lub wydzielają się w postaci gazu. Na przykład, zastosowanie do elektrodowego grzania wody prądu stałego powoduje wydzielenie się na elektrodach tlenu (na anodzie) i wodoru (na katodzie).
W niektórych opracowaniach można znaleźć informacje odnośnie tego, że kotły elektrodowe wykorzystują elektrolizę jako podstawę swojego działania. Nie jest to prawda, ponieważ gdyby tak było wszystkie kotły elektrodowe pracowałyby na prądzie stałym. W przypadku zasilania elektrod napięciem sieciowym elektrody zmieniają się swoją rolą 50 razy na sekundę. Elektroliza jest zjawiskiem ubocznym i niepożądanym w przypadku kotłów elektrodowych jednak nieodłącznym. Zasilanie kotłów elektrodowych prądem zmiennym minimalizuje niepożądane zjawisko elektrolizy jednak nie redukuje go do zera.