Одной из наиболее перспективных и инновационных технологий в производстве тепла является конденсация водяных паров, образующихся при сгорании углеводородов. Котлы, работающие по такому принципу, называются «конденсационные котлы». С каждым годом на российском рынке отопительного оборудования конденсационные котлы занимают все более уверенные позиции. Данный вид котельного оборудования имеет множество преимуществ, характеризуется высоким коэффициентом полезного действия и низким уровнем выбросов вредных веществ.
Немного истории.
Первые модели конденсационных газовых котлов появились еще в 50-х годах в Европе. Эти агрегаты были далеки от совершенства, хотя уже тогда экономили топливо. Их главным недостатком была недолговечность элементов, находящихся в контакте с агрессивным конденсатом. Сталь и чугун быстро коррозировали, и котел выходил из строя. К тому же европейские страны использовали различные составы газовой смеси, которые имели разную точку росы. Модели, похожие на современные, появились уже в 70-х годах прошлого века. Их теплообменники были выполнены из нержавеющей стали и не поддавались коррозии. Уже тогда установка конденсационных котлов в Европе поддерживалась государством.
В Советском Союзе тоже были различные наработки и исследования, однако по различным причинам они так и не стали массовыми.
Принципы горения и конденсации.
Реакция горения любого углеводородного топлива сопровождается выделением тепла. Основными конечными продуктами сгорания являются углекислый газ (СO2) и вода (Н2О). Вода (Н2О), получаемая в процессе реакции, при высоких температурах в зоне горения немедленно превращается в пар. Для испарения воды затрачивается тепло, которое отбирает часть тепла, полученного при горении. Оставшееся тепло называется низшей теплотой сгорания (Qdi).
Тепло, потраченное на испарение воды, можно получить назад при обратном переходе из газообразной фазы в жидкую, то есть при конденсации. Это тепло, называемое скрытой теплотой конденсации, является постоянной известной величиной при определенных температуре и давлении. Свободная теплота, получаемая по конденсационной технологии, равна сумме низшей теплоты сгорания (Qdi) и скрытой теплоты конденсации, и называется высшей теплотой сгорания (Qds).
К примеру, значения высшей и низшей теплоты сгорания для природного газа (метана): Qds = 37,7 МДж/м3; Qdi = 34 МДж/м3. Это показывает, насколько существенна разница между (Qds) и (Qdi). Максимальная теоретическая экономия энергии при использовании теплоты конденсации для природного газа составляет - 11%, для сжиженного газа (пропан-бутан) – 9%, а для дизельного топлива – 6%.
Принцип работы и КПД выше 100%.
Как мы выяснили, принцип работы конденсационного котла известен давно, но только использование в производстве коррозионно-стойких алюминиевых сплавов и нержавеющей стали сделало реальным применение данной технологии. Дело в том, что образующийся водный конденсат благодаря кислотности и растворению в нем CO2 вызывает коррозию стали и чугуна. Именно поэтому производители котлов в прошлом исключали саму возможность конденсации водяных паров в теплообменнике и, естественно, не учитывали в своих расчетах теплоту конденсации. Наоборот всячески пытались поддерживать температуру отходящих газов не ниже 160-140°С, чтобы не допустить конденсацию в котле и дымоходе.
Многих специалистов, помнящих курс физики средней школы, настораживает заявление производителей конденсационных котлов о том, что КПД этих агрегатов превышает 100% и составляет, например, 109%. Другими словами устройство с таким КПД – это вечный двигатель. Оказывается, что КПД более 100% получается при сравнении конденсационных котлов с традиционными котлами. Это исключительно демонстрационный прием, который не имеет никакого смысла с точки зрения физики, как науки.
Как Вы помните, при сгорании топлива выделяется определенное количество теплоты, которую используют для нагрева воды. Примем это значение за 100%. Использование скрытой теплоты конденсации может увеличить производительность котла теоретически на 11%, а практически не более чем на 9% без увеличения расхода топлива. В результате эффективность использования тепла в конденсационном котле составит 108%. Подобные расчеты производят именно для сравнения обычных котлов с конденсационными. В этом случае КПД котла действительно получается больше 100%. Если посчитать с учетом скрытой теплоты сгорания, то КПД стандартных котлов составляет всего 82–87%, а у конденсационных моделей этот показатель может достигать (при идеальных условиях) значения – 97-98%.
Из того же школьного курса физики мы знаем, что при охлаждении пар превращается в воду, конденсируясь на более холодной поверхности. При этом освобождается часть тепловой энергии, которую можно было бы использовать для повышения производительности котла. Так вот, когда создали теплообменник для работы в конденсационном режиме, это стало возможным. При этом расход топлива не увеличивается, а это означает существенную экономию.
Необходимо помнить один нюанс, возникающий при использовании конденсационных котлов - для конденсации водяных паров требуется охлаждение дымовых газов до точки росы.
Точкой росы при данном давлении называется температура, до которой должны охладиться дымовые газы, чтобы содержащиеся в них водяные пары достигли состояния насыщения и начали конденсироваться в росу (влагу).
Величина точки росы сильно зависит от вида топлива (газ, сжиженный газ, дизель и т.д.) и избыточного содержания воздуха , которое в свою очередь связано с концентрацией СО2 в дымовых газах через выражение: RO2max / RO2, где RO2 – содержание трехатомных газов в продуктах сгорания.
При достижении точки росы водяные пары в дымовых газах конденсируются в капельную влагу с выделением скрытой теплоты конденсации. При дальнейшем снижении температуры выделяется дополнительное тепло.
Точка росы – это температура, при которой парциальное давление водяного пара, содержащегося в дымовых газах, равно давлению насыщения.
Давление насыщения – давление, при котором осуществляется фазовый переход, т.е. меняется агрегатное состояние вещества.
Парциальное давление – давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре.
Преимущества конденсационных котлов.
Основные преимущества конденсационных котлов:
• малые габариты котлов и котельных и небольшой вес оборудования;
• экономия газа до 35% за сезон за счет высокой эффективности (до 109%);
• глубокая модуляция (значительная экономия газа на частичных нагрузках);
• возможность каскадной установки (до 12 котлов);
• низкий уровень шума и пониженная вибрация (по сравнению с дутьевыми традиционными котлами);
• экономия на дымоходе (возможность выброса дымовых газов через стену, значительно меньший диаметр);
• низкие выбросы NOX и CO2 (в 5-7 раз ниже, чем у традиционных котлов).
