Конденсаційні котли - що це?

Протягом останніх десятиліть, західний світ веде запеклу битву за економію енергоресурсів.

Деякі продавці, нічтоже сумняшеся, оголосили що коефіцієнт корисної дії цих диво-котлів (ККД) досягає 107-109%, ніж здорово відлякали покупців, які зберегли залишки шкільних знань з фізики. Дійсно, ККД=109% звучить дико, особливо, якщо відомо, що у самих просунутих зарубіжних котлів він не перевищує 93%. Хто ж правий, продавці або скептики? Права, як завжди, фізика, за законами якої ККД завжди менше 100%. Для конденсаційних котлів, ККД понад 100% виходить при порівнянні їх з котлами інших типів. Це чисто демонстраційний прийом, який не має ніякого фізичного сенсу. Щоб розібратися в цьому, розглянемо, які процеси відбуваються в працюючому котлі.
Горить полум'я, не чадить...

Як правило, нагрів теплоносія в котлі відбувається горіння палива. Горіння — це хімічна реакція між навколишнім середовищем, в даному випадку повітрям, і реагує речовиною — паливом, яка протікає з інтенсивним виділенням теплоти. В опалювальних котлах в якості палива, найчастіше використовують природний та зріджений газ або рідке паливо — солярку і інші нафтопродукти. Основні компоненти газоподібного або рідкого палива — це вуглець (хімічний знак З) і водень (Н2). Таке паливо називають вуглеводневим. До складу повітря, що подається для горіння, входять азот (N2) і кисень (О2). В результаті реакції горіння, поряд з виділенням теплоти, утворюються продукти згоряння — різні хімічні сполуки. При горінні вуглеводневого палива, вуглець (С), взаємодіючи з киснем (О2), утворює молекулу двоокису вуглецю (СО2), а водень (Н2), взаємодіючи з киснем, утворює дві молекули води (2Н2О). При високій температурі ця вода знаходиться в пароподібному стані. При неповному згорянні палива утворюються оксид вуглецю (СО) і сажа (С). Крім того, при горінні вуглеводневого палива утворюються сполуки азоту (N2) з киснем (О), які називаються оксидами азоту (NОx). Продукти згоряння у вигляді гарячих газів, що відходять, проходять через теплообмінник котла, де віддають більшу частину своєї енергії теплоносію. Охолодити до температури 100-160°С, гази викидаються через димар в атмосферу, несучи частина невикористаної теплоти. З відхідними газами йде і водяний пар, що утворився в результаті згоряння палива. Цей пар забирає з собою приховану енергію, яка розсіюється в просторі і втрачається. Якщо б цю енергію вдалося зберегти і повернути в котел, то система опалення отримала б додаткову кількість теплоти. Виявляється, така можливість є, і вона реалізується в конденсаційних котлах.
Неможливе — можливо!

Добре відомо, що при охолодженні, пара перетворюється в рідину — конденсується. При конденсації звільняється певна кількість теплоти. Якщо провести конденсацію в спеціальному теплообміннику, то теплоту можна повернути в систему опалення. У цьому і полягає принцип дії конденсаційних котлів. Кількість теплоти, що може бути отримано при повному спалюванні одиниці палива, включаючи частку, яка може бути звільнена при конденсації пара, називають верхній теплотою згоряння палива. Кількість теплоти без урахування теплоти конденсації, називають нижчою теплотою згоряння палива. Якщо нижню теплоту згоряння прийняти за 100%, то верхня теплота згоряння для природного газу складе 111%. Таким чином, використання прихованої теплоти конденсації може збільшити продуктивність тепла до 11% без збільшення витрати палива. Щоб було зручно порівнювати конденсаційні котли із звичайними, ККД для конденсаційних котлів розраховують на базі нижчої теплоти згоряння, яка не враховує приховану теплоту конденсації. Наприклад, в хорошому сучасному газовому котлі лише 93% енергії палива передається теплоносію. Близько 1% втрачається з променистим теплом, 6% губиться з газами, що відходять. В конденсаційному котлі променисті втрати залишаються на рівні 1%, але у систему повертається 11% невикористаної теплоти конденсації. Крім того, завдяки особливій конструкції теплообмінника, в конденсаційних котлах повніше використовується теплота відхідних газів. Втрати її складають не більше 2%, що дозволяє залишити в системі ще 4% теплоти. За таких застережень, ККД котла дійсно може бути більше 100%, і досягати 93%+11%+4%=108%. Іншими словами, це означає: якщо ККД звичайного котла становить 93%, то ККД конденсаційного може бути на 15% вище. Так як витрата палива при цьому залишається тим самим — очевидна економічна вигода від експлуатації конденсаційного котла.
Як це відбувається?

Головною умовою досягнення високої ефективності конденсаційних котлів, є забезпечення найбільш повної конденсації водяної пари, укладеного у відхідних газах. Відомо, що конденсація пари відбувається на поверхні, температура якої нижче так званої точки роси. Для води це близько 50°С. Завдання конструкторів конденсаційних котлів полягала в тому, щоб не дати відходить газів з більш високою температурою вийти за межі теплообмінника. Для вирішення цієї задачі розроблені спеціальні конструкції теплообмінників, які забезпечують найбільш повний відбір тепла відхідних газів, зниження їх температури до точки роси і конденсацію міститься в них водяної пари. Звільнена теплова енергія (теплота конденсації) у результаті передається системі опалення. Для забезпечення конденсації пари в конденсаційних котлах використовується вода зворотної лінії опалювальної системи. Очевидно, для того, щоб конденсація сталася, температура обратки повинна бути не вище температури точки роси. Чим нижче температура системи, а, отже, температура води в зворотній лінії, тим повніше конденсується пар і тим вище ККД конденсаційного кола. Так, наприклад, якщо при температурі води пряма/зворотна 40/30°С ККД котла дорівнює 108%, то при температурі 75/60°С він буде 104%. При температурі 90/70°C ККД буде ще нижче — близько 98%, але все одно вище, ніж у звичайних котлів.
Переваги конденсаційних котлів не вичерпуються їх високою ефективністю. В конденсаційних котлах використовуються високотехнологічні пальники, які забезпечують приготування паливно-повітряної суміші в оптимальних для даного режиму горіння пропорціях. Це зводить до мінімуму ймовірність неповного згоряння палива. В результаті, у відхідних газах значно знижується кількість шкідливих викидів, зокрема, небезпечного для здоров'я оксиду вуглецю (СО). Низька температура відхідних газів, часто нижче 40°С, що дозволяє використовувати димарі з пластмаси, що зменшує витрати на їх спорудження.
Щоб щастя було повним

Яким би досконалим не був котел, ефективність його роботи залежить від параметрів системи опалення. Чим нижче температура подаючої/зворотної води, тим повніше буде відбуватися конденсація водяної пари, і тим більша частка прихованої енергії конденсації буде повертатися в систему. Чим більше днів у році будуть дотримуватися ці умови, тим більшу частку опалювального періоду котел буде працювати в режимі конденсації (цей показник називають коефіцієнтом використання котла). Оптимальний режим систем опалення для конденсаційних котлів — температура 40/30°C. Це температура води в підлогових системах опалення або системах низькотемпературного панельного опалення. Режим конденсації в цьому випадку забезпечується протягом усього періоду опалення. Конденсаційні котли ідеально підходять до таких системам опалення. У більш поширених радіаторних системах опалення з температурою теплоносія 75/60°С, ефективність котлів теж досить висока. Тільки в найбільш холодні дні опалювального періоду, коли потрібна максимальна температура теплоносія, температура зворотної води стає вище температури точки роси і утворення конденсату не відбувається. На щастя, періоди з низькою температурою зовнішнього повітря для середньої смуги Росії складають не більше 10% тривалості опалювального періоду, і 90% цього періоду конденсація можлива. Слід підкреслити, що конденсаційні котли призначені для роботи з низькотемпературними системами опалення, і тільки зніми, в повній мірі, виправдовують своє застосування.
Конденсаційні котли дають найбільший економічний ефект тоді, коли вони застосовуються в сукупності з різними енергозберігаючими заходами. Найважливішими з них є заходи щодо зниження тепловтрат будівель: використання ефективних теплоізоляційних матеріалів, встановлення енергозберігаючих вікон, рекуперационного вентиляційного обладнання та
т. п. Велике значення набуває правильний вибір автоматики управління роботою котла. Так звана, погодозалежна автоматика, забезпечує плавне зниження температури теплоносія при підвищенні температури зовнішнього повітря і навпаки. Це дозволяє підтримувати температуру зворотної води нижче точки роси, роблячи процес конденсації безперервним. Для оптимальної експлуатації газових конденсаційних котлів, дуже важливо, щоб температура зворотної лінії не перевищувала 50°С і, щоб різниця температур між прямою та зворотною лініями була не більше 20°С. Нехтування цими умовами може призвести до того, що овчинка не буде коштувати вичинки.
При проектуванні систем опалення з конденсаційними котлами, необхідно передбачати, щоб температура зворотної лінії не підвищувалася в результаті використання байпасні ліній, четырехходовых змішувачів, гідравлічних розподільників і інших пристроїв, що застосовуються для регулювання теплового режиму системи шляхом підмішування гарячої води в холодну. Підвищення температури зворотної лінії призводить до зміщення точки роси за межі теплообмінника і припинення процесу конденсації. Не слід випускати з уваги і проблему відведення конденсату. При роботі конденсаційного котла потужністю, наприклад, 24 кВт, за рік утворюється 1200-1300 літрів конденсату. Кислотність конденсат має невелику, рН становить 3,5–5,5 одиниць, тому, при потужності котла до 50 кВт, його дозволяється зливати у міську каналізацію.
Зарубіжний досвід використання конденсаційних котлів в системах опалення, переконливо показує, що при їх правильної експлуатації, економія витрат на паливо може бути вельми відчутною. Зважаючи на стійку тенденцію зростання цін на природний газ, конденсаційні котли і в Україні, безумовно, мають хороші перспективи.