Основы и принципы работы конденсационных котлов

Учитывая растущие цены на энергию ископаемых, бережное использование энергоресурсов становится насущной потребностью сегодняшнего дня. Конденсационные отопительные системы благодаря разумной технике предлагают экономичное решение - как с энергетической, так и с финансовой точки зрения. Это легко достижимо благодаря почти полному использованию энергоемкости израсходованного топлива. Тепловую энергию, высвобождаемую в виде водяного пара при сгорании природного газа, система получает в виде воды. Результат: высокая эффективность и наиболее лучший тепловой комфорт.

На сегодняшний день большинство частных домовладений отапливается не от централизованной системы теплоснабжения, а от индивидуальных систем отопления. В качестве индивидуального теплоснабжения конечные потребители используют конвективные настенные или напольные газовые котлы, оснащённые атмосферными либо надувными горелками, электрические котлы, дизельные либо твёрдотопливные котлы. Как показывает практика, зачастую огромное количество потребителей и не подозревает, что отопительное оборудование может быть не только высокоэффективным, но и экономичным.

Конденсационные технологии широко распространены за рубежом. В частности, впервые в широких масштабах они были внедрены в Нидерландах. С 2005 года в Великобритании все новые отопительные системы центрального отопления должны работать по данной технологии и обладать повышенным КПД. В Соединённых Штатах Америки на федеральном и местном уровне введён ряд государственных льгот, действующих при установке конденсационного отопительного оборудования.

С 2013 года в Европейском Союзе  устанавливается только конденсационная техника. Высокая годовая эффективность 94% и более (стендовый «суммарный» КПД -108%), низкие выбросы СOx и NOx – факторы, которые вывели технологию на первое место. Главным преимуществом конденсационного котла является его экономичная работа. В среднем котлы этого типа потребляют на 40% меньше газа, чем напольный котел, и на 20% меньше традиционного настенного. В условия действующего дифференцированного тарифа на газ конденсационной котел будет ощутимой экономией бюджета.

С 01/01/2015 в ЕС допускается установка только конденсационных котлов, оснащенных электронно-регулируемым насосом.

В данной статье мы хотим рассмотреть технологию конденсации и покажем откуда берутся дополнительные % КПД.

 

НИЗШАЯ И ВЫСШАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ

 

Любое топливо имеет две характеристики количества тепловой энергии, выделяющейся при его полном сгорании – низшую и высшую удельную теплоту сгорания.

 Низшая удельная теплота сгорания показывает, какое количество выделившейся при сгорании топлива теплоты можно «явно» использовать для конвективного теплообмена, не прибегая к конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Это значение всегда меньше значения высшей удельной теплоты сгорания.

 Высшая удельная теплота сгорания показывает, какое полное количество тепловой энергии выделилось в процессе полного сгорания, учитывая при этом скрытую теплоту водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания. Как низшая, так и высшая удельная теплота сгорания выражаются в кДж на определенное количество топлива. В случае газообразного топлива это количество может выражаться объёмом, который занимает 1 м3 газа при нормальных физических условиях (температура 0°С и атмосферное давление 101325 Па (760 мм. рт. ст.)) или при т.н. «рабочих» условиях (температура 20°С и давление 101325 Па (760 мм. рт. ст.)). В соответствии с этим различают высшую и низшую удельную теплоту сгорания, посчитанную при нормальных физических условиях и высшую и низшую рабочую удельную теплоту сгорания, между которыми есть некоторое различие. Значения высшей и низшей удельной теплоты сгорания для различных видов топлива приведены в таблице:  

На практике в большинстве стран традиционно было принято в качестве характеристики топлива использовать низшую удельную теплоту сгорания, т.к. при его использовании редко использовали теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания. В последнее время, в связи с техническим прогрессом в области использования тепловой энергии, подорожанием топлива и, потому широким распространением конденсационной техники все чаще в характеристиках топлива и значениях КПД тепловых аппаратов начинает использоваться величина высшей удельной теплоты сгорания топлива.

Для корректного сравнения КПД различных котлов необходимо, чтобы они рассчитывались с использованием какой-либо одной из характеристик сжигаемого топлива - или высшей, или низшей удельной теплоты сгорания.

Средний за отопительный сезон КПД современных конвективных газовых котлов, рассчитанный по высшей удельной теплоте сгорания газа, составляет не более 78-84%, а конденсирующих котлов - 90-97%.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ КОНДЕНСАЦИИ

При сгорании 100% природного газа (на примере метана СН4) в смеси с воздухом (21% кислорода О2, 78% азота N и 1% прочих газов) за счет разрыва молекулярных связей молекулы метана выделяется теплота, и образуются новые вещества:

·        двуокись углерода СО2 - около 8% по объёму;

·        вода Н20 - 10-11% по объёму;

·        небольшое количество окислов азота NОХ и углерода СО;

·        остальной объём отходящих газов составляют не окислившийся азот и непрореагировавший кислород (23% остаточного 02).

В теплообменнике отопительного котла горячие продукты сгорания отдают свою теплоту протекающему через теплообменник теплоносителю, нагревая его и охлаждаясь сами до определенной температуры (например, до 180°С). При этом они отдают так называемую «явную» или «ощутимую» теплоту. Т.е. в обычных котлах теплота, содержащаяся в водяном паре, теряется без пользы при выходе отходящих газов через дымовую трубу.

В конденсационных котлах теплообменник по своей конструкции разработан с особо большой поверхностью. Таким образом, сначала из отходящих газов будет отобрана ощутимая теплота, затем будет происходить дальнейшее охлаждение. При этом возможно охлаждение дымовых газов до температуры до 60 °С.

Если в процессе теплообмена охладить продукты сгорания ниже определенного значения температуры, называемой «температурой точки росы», то содержащийся в продуктах сгорания водяной пар начнет конденсироваться, т.е. переходить из газообразного состояния в жидкое. Данное количество теплоты является физическим свойством воды. Оно равняется 2260 кДж на килограмм спаренной или сконденсировавшейся воды.

От чего зависит температура точки росы?

 Как уже было сказано выше, «конденсирующие» котлы отличаются от обычных «конвективных» котлов тем, что они отбирают для нагрева протекающего через них теплоносителя не только «явную» часть теплоты горячих продуктов сгорания газовоздушной смеси, но и часть их «скрытой» теплоты, за счет конденсации содержащегося в продуктах сгорания водяного пара. Конденсирующие котлы не делают ничего иного, как создают условие для выпадения конденсата водяных паров из продуктов сгорания и, тем самым, для извлечения и дальнейшего использования их «скрытой» теплоты. Этим условием являются охлаждение продуктов сгорания ниже точки росы содержащегося в них водяного пара. Продукты сгорания при этом охлаждает теплоноситель системы отопления в высокоэффективном теплообменнике. Вопрос о том, до какой температуры необходимо охлаждать продукты сгорания, чтобы добиться выпадения конденсата, т.е. о положении точки росы, не такой простой. Температура выпадения конденсата водяных паров из продуктов сгорания зависит от их состава и влагосодержания.

Наиболее полного использования энергии сжигаемого топлива можно добиться только при эксплуатации конденсационного котла с системой отопления, работающей по отопительной кривой, когда большую часть отопительного сезона температура обратной линии поддерживается ниже температуры точки росы.

Конденсационный котел должен иметь также высокоэффективную горелку, которая позволила бы получить качественную, хорошо смешанную газовоздушную смесь даже при небольшом коэффициенте избытка воздуха, поддерживала бы этот коэффициент на минимальном уровне в процессе работы и была бы способна преодолеть высокое аэродинамическое сопротивление развитых поверхностей высокоэффективного теплообменника. По этой причине в конденсирующих котлах используют вентиляторные горелки с полным предварительным смешением газа и воздуха.

Эффективность работы конденсационных котлов.

 При выполнении вышеназванных условий за счет частичного извлечения скрытой теплоты конденсации водяных паров и передачи ее в систему отопления, современные конденсирующие котлы способны полезно использовать до 6-9% (в зависимости от расчетных значений температуры системы отопления) скрытой теплоты, содержащейся в продуктах сгорания смеси воздуха и природного газа, в которой скрыто 11% от всей теплоты, образующейся при сгорании. Основным фактором, влияющим на долю использования скрытой теплоты и, тем самым, на КПД аппарата является температура обратной линии системы отопления, т.к. современные модулирующие горелки способны поддерживать постоянное минимальное значение коэффициента избытка воздуха во всем диапазоне их работы.

При проектировании новых систем необходимо постоянно учитывать, что для достижения максимального коэффициента использования оптимально подходят низкотемпературные системы отопления, например: системы напольного отопления, либо низкотемпературная радиаторная сеть. За счет этого обеспечивается конденсация отходящих газов в течение всего отопительного периода и используется высшая теплота сгорания. Однако, также и для существующих систем отопления, рассчитанных, например, на 90/70°С, имеет смысл при модернизации применять конденсационные котлы, поскольку в этих случаях  до 50% годового периода эксплуатации котел будет работать в конденсационном режиме, используя высшую теплоту сгорания.

 В среднем за отопительный сезон современные конденсирующие газовые котлы способны достигать КПД до 106-110%, рассчитанного относительно низшей удельной теплоты сгорания газа.

Полезные ссылки:

ПЕРЕЙТИ К ВЫБОРУ КОНДЕНСАЦИОННЫХ КОТЛОВ