Конденсационные котлы

Конденсационные котлы – могут разрешить потребность в тепле любой отопительной системе с более высоким КПД, что также означает меньший расход топлива. Ниже мы увидим, каков принцип работы конденсационных котлов и как объяснить их повышенный КПД.

Горение

Известно, что топливо, используемое в настоящее время для котлов, по большей части состоит из двух основных химических элементов: углерода (символ C) и водорода (символ H).

Примеры: C H4 - газообразный метан и C2 H6 - пропан.
В составе топлива могут быть обнаружены в виде примесей и в довольно небольших количествах атомы серы (S) s.a. При смешивании с воздухом в атмосфере (фактически с кислородом в воздухе в среднем 21%) газ становится легковоспламеняющимся, и в камере сгорания, в которой издается искра розжига, запускается серия реакций с выделением тепла.

Основные химические реакции:

- 2 C + O2 = 2 CO (оксид углерода),
Окись углерода также является горючим газом и может входить в реакцию с кислородом:

- 2 CO + O2 = 2 CO2 (диоксид углерода), - C + O2 = CO2.

Кроме того, между элементами, состоящими из примесей и других соединений воздуха (например, азот (N) - 71%), происходят побочные реакции, приводящие, как правило, к токсичным газам (ядовитым веществам): оксидам азота (NOX), оксиды серы (SOX). Полное сгорание происходит при наличии достаточного количества кислорода в топливно-воздушной смеси, в камере сгорания. Приведенные ниже формулы описывают общие реакции, которые происходят в камере сгорания в условиях, когда в смеси достаточно кислорода (следовательно, воздуха) - формулы 1 и 2 - и когда кислорода недостаточно - формулы 3 и 4.

В этой камере, где вышеупомянутые реакции происходят при высоких температурах (примерно 1200 °C), молекулы водорода в топливе и молекулы кислорода в воздухе встречаются, в результате получается вода (H2O). В реакции 2 видно, что одним из образующихся компонентов является вода.

Испарение

Очевидно, что образующаяся вода при температуре 1200 °C может образовываться только в виде паров. Соответствующие пары покидают камеру сгорания вместе с дымовыми газами через дымоход. Как известно, для того, чтобы перевести воду из жидкого состояния в парообразное (явление парообразования), необходимо потреблять определенное количество тепла (см. принцип работы паровой машины). Логически получается, что водяной пар «идет» в дымоход вместе с некоторым количеством тепла, производимого в камере сгорания (скрытая теплота, хранящаяся в водяном паре). Для газообразного топлива это количество тепла может быть измерено довольно точно, и это общепринятая доля 10-12% от общего количества тепла, производимого в камере сгорания.

В этих условиях нормально говорить о двух значениях количества выделяемого тепла, в процессе горения.

  1. количество общего тепла, которое вырабатывается при полном сгорании некоторого количества топлива и которое также включает тепло, потерянное водяным паром из дымовых газов. В этом случае мы можем говорить о теплоте сгорания как о превосходном топливе.
  2. количество эффективного тепла, которое участвует в передаче тепла теплоносителю, без учета потерь тепла водяным паром в дымовых газах, и в этом случае можно говорить о более низкой теплотворной способности топлива.Если мы сообщаем о процессе сжигания одного кубического метра газообразного метана при двух значениях теплотворной способности, очевидно, что мы получаем два разных коэффициента полезного действия. Излишне говорить, что все производители настенных котлов заявляют об эффективности оборудования в отношении более низкой теплотворной способности топлива.

Конденсация

Если перевод воды из жидкого состояния в парообразное состояние (испарение) осуществляется с подводом энергии, обратное явление перехода из парового состояния в жидкое состояние (конденсация), очевидно, происходит с выделением энергии (тепла). Таким образом, при полной конденсации паров дымовых газов выделяется такое же количество тепла, затрачиваемое на процесс испарения, то есть 10-12% тепла, производимого при сгорании газа.

Явление конденсации водяного пара происходит, когда дымовые газы, выпускаемые из камеры сгорания, встречаются с окружающей средой с температурой ниже температуры конденсации воды (температура точки росы). Эта температура имеет значение 54 - 55 °C. Принимая во внимание, что дымовые газы на выходе из настенного котла имеют температуру выше 100 °C (до 160 °C, в зависимости от мгновенной мощности горелки, типа камеры сгорания и типа оборудования), на стенке дымохода будет происходить конденсация. , начиная с участка, где он имеет температуру ниже температуры точки росы, или на выходе газов в атмосферу, если дымоход хорошо изолирован. В этой ситуации скрытое тепло, содержащееся в водяном паре, передается окружающей среде, в которой происходит конденсация, соответственно стенкам дымохода или атмосферному воздуху.

Принцип конденсационных котлов основан на создании условий для конденсации паров дымовых газов в зоне первичного теплообменника настенного котла, так что выделяемое тепло рекуперируется первичным теплоносителем, циркулирующим через теплообменник. Если в этой зоне происходит полная конденсация пара, можно быть уверенным, что мы восстановили из дымовых газов 10…12% тепла, производимого в камере сгорания, поэтому конденсационный котел будет иметь КПД как минимум на 10% выше, чем классический.
Отличия КПД классического котла от конденсационного схематически показаны на рисунках ниже.

Классические котлы

Общая тепловая мощность фактически может быть ассимилирована с количеством тепла, производимого в камере сгорания котла за счет сжигания стандартного объема топлива в идеальных условиях (полное сгорание и полная рекуперация тепла). Из этого количества тепла пользователь котла использует для обогрева только количество тепла, фактически забираемое первичным теплоносителем, которое проходит через теплообменник и затем передается воздуху в обогреваемом пространстве.

Разница между двумя значениями представлена тепловыми потерями, а соотношение между полезной тепловой мощностью и общей тепловой мощностью представляет собой КПД котла.

Есть три категории потерь:

  1. Тепловые потери на дымоходе: количество тепла, теряемого при удалении дымовых газов наружу (дымовые газы выходят из вытяжной трубы с температурой выше 100 ° C). Эти потери зависят от тяги в дымоходе, избытка воздуха в камере сгорания, конструктивного исполнения горелки, смеси воздух/газ и т. д.
  2. Местные потери: количество тепла, которое проходит в помещение, где установлен котел, непосредственно из камеры сгорания. Это зависит от: конструкции (формы, степени изоляции) камеры сгорания, температуры окружающей среды, в которой установлен котел, степени вентиляции помещения и т. д.
  3. Потери за счет скрытого тепла в водяном паре дымовых газов (10..12%). Эти потери, которые в случае классического котла уходят в атмосферу, а в конденсационных котлах восстанавливаются и превращаются в полезное тепло, представляют собой основное различие между этими категориями котлов.

Теплопотери конденсационного котла:


Теплопотери обычного котла:

Еще одним важным отличием является тип используемой горелки: атмосферные горелки в случае обычных котлов и горелки с предварительным смешиванием воздуха и регулируемыми расходами автоматически, как воздухом, так и газом (вентилятор с регулируемой скоростью и газовый клапан с электро/пневматическим управлением) .