Porównanie wymienników wężownicowych i objętościowych typu zbiornik w zbiorniku

Największą grupą wymienników do wytwarzania  c.w.u. montowanych u klientów  są wymienniki typu wężownicowego. Wykorzystanie z kolei wymiennika objętościowego typu „zbiornik w zbiorniku” daje wiele zalet w porównaniu z klasycznym wymiennikiem wężownicowym z jedną wężownicą. Wydajność c.w.u. dla obydwu rozwiązań jest porównywalna. Jednak  stosując wymiennik „zbiornik w zbiorniku”, układ centralnego ogrzewania  zostaje wyposażony niejako „przy okazji”  w zbiornik buforowy. W perspektywie wieloletniego użytkowania staje się więc on zasadny ze względu na korzyści ekonomiczne związane z  obniżeniem kosztów wytwarzania ciepła przez kocioł.

Wymienniki wężownicowe w zależności od potrzeb są montowane w układach z kotłem węglowym, kominkiem  z płaszczem wodnym lub w układach z kolektorami solarnymi.  Wydajność takiego wymiennika jest uzależniona od dwóch podstawowych parametrów konstrukcyjnych: pojemności wodnej oraz mocy wężownicy lub wężownic. Powszechnie w sprzedaży spotyka się urządzenia wyposażone w jedną, dwie lub trzy wężownice, umożliwiające podłączenie tyluż samo źródeł ciepła.

Wymienniki wężownicowe

Moc grzewcza…
…wymienników wężownicowych jest uzależniona od mocy wężownicy lub wężownic znajdujących się wewnątrz. Z kolei moc wężownic, a więc moc źródeł ciepła które można do nich podłączyć,  jest uzależniona od czynników eksploatacyjnych i konstrukcyjnych.

Główny czynnik konstrukcyjny określający moc wężownicy to grubość ścianki rury, z której jest wykonana. Przy tej samej długości wężownicy i powierzchni można uzyskiwać większe moce wężownicy, zmniejszając grubości ścianek wężownicy. Stąd czasem klienci zastanawiają się jak to możliwe, że dwa wymienniki o tej samej pojemności i o tej samej powierzchni mają różne moce wężownic. Jest to możliwe. Oczywiście wszystko musi być dokładnie policzone pod względem wytrzymałościowym i termodynamicznym.

Moc  wężownicy jest uzależniona także od parametrów eksploatacyjnych, w tym głównie od temperatury  wody grzewczej podawanej do wężownicy ze źródła ciepła. Generalnie podaje się moce wężownic dla temperatury 60° C, 75°C i 80°C. Zasada jest taka, że im wyższa temperatura wody dostarczanej do wężownicy, tym moc wężownicy jest większa przy tej samej powierzchni i grubości ścianki. Oprócz temperatury wody zasilającej niebagatelne znaczenie ma natężenie przepływu wody grzewczej, które można regulować za pomocą pompy obiegowej c.w.u.

Zasada działania…
…wymienników wężownicowych jest bardzo prosta. Woda grzewcza przepływając przez wężownicę, oddaje ciepło wodzie użytkowej wewnątrz zbiornika i woda użytkowa zostaje podgrzewana do odpowiedniej temperatury.

Wymiennik wężownicowy ma pewne niedoskonałości związane z ideą  przemiany ciepła realizowanej w takim  wymienniku i samą konstrukcją wężownicy. Wymiennik taki jest wymiennikiem przeciwprądowym. Oznacza to, że woda zimna trafia do zbiornika od dołu, woda grzewcza do wężownicy wpływa od góry wężownicy i przepływa w dół. I jako taki cechuje się wysoką sprawnością. Jednak praktyka  inżynierska i eksploatacyjna wykazuje, że najefektywniejsza wymiana ciepła zachodzi mniej więcej do połowy wysokości wężownicy. W dolnej części wężownicy woda grzewcza ma już zbyt niskie parametry, aby efektywnie podgrzewać wodę użytkową.

Wymiennik typu “ zbiornik w zbiorniku”

Tych niedoskonałości nie mają wymienniki objętościowe c.w.u., zwane potocznie wymiennikami typu „zbiornik w zbiorniku”.  Nie tylko mają większą wydajność z mniejszej pojemności, ale  łączą w sobie funkcję podgrzewania c.w.u. oraz zbiornika buforowego.

 Budowa urządzenia…
…jest niezwykle prosta. W zbiorniku zewnętrznym zamontowany jest zbiornik wewnętrzny do ogrzewania c.w.u. Zbiornik zewnętrzny jest zbiornikiem buforowym  wyposażonym najczęściej w dodatkową wężownicę stalową oraz mufę do mocowania grzałki. Zbiornik wewnętrzny wyposażono w przyłącza do doprowadzania zimnej wody użytkowej z instalacji , cyrkulacji oraz poboru c.w.u.  W zbiorniku wewnętrznym czasem jest umieszczana dodatkowa wężownica do podłączenia np. do kotła gazowego, co wydatnie wspomaga proces wytwarzania c.w.u.

 Objętościowe podgrzewanie wody
W takich wymiennikach podgrzewanie c.w.u. następuje w sposób objętościowy, czyli od zewnątrz do środka. Mówiąc innymi słowy woda kotłowa znajdująca się w części buforowej ogrzewa wodę użytkową w zbiorniku wewnętrznym, omywając zbiornik wewnętrzny dookoła. Wydajność takiego układu – przeliczając na  jednostkę pojemności zbiornika – jest dużo większa w porównaniu z klasycznym wymiennikiem wężownicowym choćby z tego względu, że zazwyczaj objętość części buforowej jest dużo większa aniżeli pojemność zbiornika do wytwarzania c.w.u. Więc zapas ciepła zgromadzony w wodzie tzw. buforowej pozwala na to, że poza sezonem grzewczym  jednorazowe nagrzanie wody w części buforowej może wystarczyć na przynajmniej dwukrotne ogrzanie całej objętości wody w zbiorniku wewnętrznym do c.w.u.. A w razie konieczności można wodę w części buforowej dogrzać grzałką elektryczną lub  za pomocą innego źródła podłączonego do wężownicy znajdującej się w dolnej części zbiornika buforowego.

Z kolei w sezonie grzewczym, dzięki konstrukcji umożliwiającej omywanie zbiornika wewnętrznego przez wodę kotłową, woda użytkowa nagrzewa się dużo szybciej aniżeli w klasycznym wymienniku wężownicowym. Woda kotłowa ma zazwyczaj od 65° do 75°C. Zbiornik wewnętrzny c.w.u. nie zajmuje więcej niż połowę objętości części buforowej. Zatem prawie cały znajduje się w polu wysokiej temperatury bufora , co powoduje dużą efektywność wytwarzania c.w.u.

Tyle o zaletach . Wymiennik „zbiornik w zbiorniku” ma również pewne ograniczenia eksploatacyjne. Otóż musi być on zamontowany w taki sposób, aby w okresie letnim nie było konieczności ogrzewania całego układu centralnego ogrzewania  w celu przygotowania c.w.u. To z kolei oznacza, że układ musi być wyposażony w zawory umożliwiające odłączenie bufora  od całej instalacji centralnego ogrzewania. Ponadto sceptycy twierdzą, że w praktyce okazuje się, że do „wyprodukowania” około 80 litrów c.w.u. w zbiorniku wewnętrznym trzeba zagrzać około 220 litrów wody w części buforowej. Jednak jeżeli odpowiednio umiejętnie zbilansuje się cały układ do okazuje się, że  nie jest to prawda.

 Wymienniki wężownicowe kontra objętościowe

 Wymienniki wężownicowe są produkowane najczęściej w pojemnościach 150, 200, 250, 300, 400, 500, 700 i 1000 l. Praktyka wykazuje, że najbardziej popularne są pojemności od 150 do 300 litrów.

Wymienniki typu „zbiornik w zbiorniku” są budowane najczęściej w pojemnościach 300/80, 400/120, 500/140, 700/160. Pierwsza cyfra oznacza teoretyczną pojemność wodną części buforowej, druga cyfra do pojemność części do wytwarzania c.w.u. W praktyce jest tak, że część buforowa ma mniejszą pojemność od podawanej w nazwie handlowej. Ponieważ jest pomniejszona o pojemność zbiornika do wytwarzania c.w.u.

 Porównanie na konkretnym przykładzie 2 wymienników: 300-litrowy wężownicowy i zbiornik w zbiorniku 300/80 l

Porównamy dla przykładu wymiennik wężownicowy z jedną wężownicą  o pojemności 300 litrów z wymiennikiem „zbiornik w zbiorniku” o pojemności 300/80 – obydwa urządzenia będące w ofercie ZUG ELEKTROMET.
Same pojemności niewiele mówią. Zatem, aby porównać wymienniki wężownicowe i objętościowe posłużymy się wskaźnikiem wydajności w postaci ilości dostępnej c.w.u. w ciągu godziny. Przyjmiemy, że do ogrzania 100 litrów c.w.u. w ciągu godziny od temperatury 15°C do 55°C potrzeba dostarczyć około 5 kW ciepła, co jest zgodne z prawdą.

W przypadku wymiennika wężownicowego z jedną wężownicąo pojemności 300 litrów,  aby mógł on dysponować tymi  300 litrami w ciągu godziny, musi być wyposażony w wężownicę o mocy około 15 kW. Wtedy wydajność wymiennika będzie rzeczywiście wynosiła 300 litrów/ godzinę.  Większość dostępnych na rynku  wymienników z jedną wężownicą  o pojemności 300 litrów ma wężownicę o mocy od 20 do 40 kW (w zależności od temperatury wody zasilającej i grubości ścianki wężownicy i powierzchni wężownicy), zatem ich wydajność cieplna (z uwzględnieniem strat poprzez ocieplenie) może wynosić od 300 do 550 litrów c.w.u./godzinę. Niektórzy producenci podają wydajność nawet ponad 800 litrów/godzinę z pojemności 300 litrów i przy mocy wężownicy około 22 kW,  uzyskiwanej przy temperaturze wody zasilającej 80°C. Problem w tym, że mało który użytkownik w czasie sezonu grzewczego eksploatuje kocioł z takimi nastawami. Zatem uzyskanie tak wysokiej wydajności wydaje się mało realne.
Wróćmy do porównania.

Bufor 300/80, czyli zbiornik w zbiornikuo pojemności części buforowej 220 litrów i części do wytwarzania c.w.u. 80 litrów może (przy tych samych parametrach wody zasilającej jak w przypadku wymienników z wężownicą) osiągnąć wydajność rzędu od 500 do 600 litrów c.w.u./godzinę. A więc wydajność porównywalną  z wymiennikiem wężownicowym, ale przy prawie czterokrotnie mniejszej pojemności zbiornika do wytwarzania c.w.u. Powyższy przykład pokazuje, że przeliczając na jednostkę pojemności zbiornika wymiennik typu „zbiornik w zbiorniku” z pojemności 80 litrów uzyskuje wyższą wydajność niż klasyczny wymiennik z jedną wężownicą o pojemności 300 litrów. Sumaryczna wydajność dla urządzenia jest podobna. Na korzyść urządzenia typu „zbiornik w zbiorniku” przemawia również fakt, że poza porównywalną  sumaryczną wydajnością mamy przy okazji w układzie centralnego ogrzewania już zbiornik buforowy ciepła. I po dokładniejszym obliczeniu okazałoby się, że do podgrzania takiej ilości ciepłej wody użytkowej zużycie paliwa w kotle będzie dużo mniejsze aniżeli przy zastosowaniu wymiennika wężownicowego. W perspektywie całości zwiększone nakłady inwestycyjne na wymiennik typu „zbiornik w zbiorniku” wydają się  więc ekonomicznie uzasadnione.

Porównując wymiennik typu „zbiornik w zbiorniku” 300/80 z wymiennikiem o pojemności 300 litrów wyposażonym w  dwie wężownice, okaże się, że sumaryczna wydajność wymiennika z dwiema wężownicami jest wyższa. Jednak należy pamiętać o tym, że najczęściej wymienniki z dwiema wężownicami są podłączane na stałe do kotła węglowego oraz do  drugiego źródła, które działa okresowo. Dlatego takie porównanie w praktyce może nie dać miarodajnych efektów.

Wykorzystanie wymiennika objętościowego typu „zbiornik w zbiorniku” daje wiele zalet w porównaniu z wykorzystaniem klasycznego wymiennika wężownicowego z jedną wężownicą. Wydajność c.w.u. dla obydwu rozwiązań jest porównywalna. Jednak  stosując wymiennik „zbiornik w zbiorniku” układ centralnego ogrzewania  zostaje wyposażony niejako ” przy okazji”  w zbiornik buforowy. Co w dłuższej perspektywie ,wieloletniego użytkowania staje się ekonomicznie zasadne ze względu na korzyści ekonomiczne związane z  obniżeniem kosztów wytwarzania ciepła przez kocioł.