Конденсаційні котли

Котли в яких застосована технологія добування додаткового тепла при зміні агрегатного стану води з пари, що міститься в димових газах, в конденсат називаються конденсаційні. Такі котли - настінні і підлогові - можуть задовольнити потребу в теплі будь-якої опалювальної системи з більш високим ККД, що також означає меншу витрату палива. Нижче ми побачимо, який принцип роботи конденсаційних котлів і як пояснити їх підвищений ККД.

Горіння

Відомо, що паливо, яке використовується в даний час для котлів, здебільшого складається з двох основних хімічних елементів: вуглецю (символ C) і водню (символ H). Приклади: C H4 - газоподібний метан і C2 H6 - пропан.

У складі палива можуть бути виявлені у вигляді домішок і в досить невеликих кількостях атоми сірки (S) s.a. При змішуванні з повітрям в атмосфері (фактично з киснем в повітрі в середньому 21%) газ стає легкозаймистою, і в камері згоряння, в якій видається іскра розпалювання, запускається серія реакцій з виділенням тепла.

Основні хімічні реакції:
- 2 C + O2 = 2 CO (оксид вуглецю),

Окис вуглецю також є пальним газом і може входити в реакцію з киснем:
- 2 CO + O2 = 2 CO2 (діоксид вуглецю), - C + O2 = CO2.

Крім того, між елементами, що складаються з домішок та інших з'єднань повітря (наприклад, азот (N) - 71%), відбуваються побічні реакції, що призводять, як правило, до токсичних газів (отруйних речовин): оксидів азоту (NOX). , Оксиди сірки (SOX). Зазвичай реакції можна описати наведеними нижче формулами. Повне згоряння відбувається при наявності достатньої кількості кисню в паливно-повітряної суміші, в камері згоряння. Наведені нижче формули описують загальні реакції, які відбуваються в камері згоряння в умовах, коли в суміші достатньо кисню (отже, повітря) - формули 1 і 2 - і коли кисню недостатньо - формули 3 і 4.

У цій камері, де вищезгадані реакції відбуваються при високих температурах (приблизно 1200 °C), молекули водню в паливі і молекули кисню в повітрі зустрічаються, в результаті виходить вода (H2O). В реакції 2 видно, що одним з утворених компонентів є вода.

Випаровування

Очевидно, що утворюється вода при температурі 1200 °C може утворюватися тільки у вигляді пари. Відповідні пари залишають камеру згоряння разом з димовими газами через димар. Як відомо, для того, щоб перевести воду з рідкого стану в пароподібний (явище пароутворення), необхідно споживати певну кількість тепла. Логічно виходить, що водяна пара «йде» в димохід разом з деякою кількістю тепла, виробленого в камері згоряння (прихована теплота, що зберігається в водяній парі). Для газоподібного палива ця кількість тепла може бути виміряна досить точно, і це загальноприйнята частка 10-12% від загальної кількості тепла, виробленого в камері згоряння.


У цих умовах нормально говорити про два значеннях кількості тепла, що виділяється, в процесі горіння:

  1. Кількість загального тепла, яке виробляється при повному згорянні певної кількості палива і яке також включає тепло, втрачене водяною парою з димових газів. У цьому випадку ми можемо говорити про теплоту згоряння як про чудове паливо.
  2. Кількість ефективного тепла, яке бере участь в передачі тепла теплоносію, без урахування втрат тепла водяною парою в димових газах, і в цьому випадку можна говорити про більш низьку теплотворну здатністю топлива. Якщо ми повідомляємо про процес спалювання одного кубічного метра газоподібного метану при двох значеннях теплотворної здатності, очевидно, що ми отримуємо два різних ККД. Зайве говорити, що всі виробники настінних котлів заявляють про ефективність обладнання щодо нижчою теплотворної здатності палива.

Конденсація

Якщо перехід води з рідкого стану в пароподібний стан (випаровування) здійснюється з підведенням енергії, зворотне явище переходу з парового стану в рідкий стан (конденсація), очевидно, відбувається з виділенням енергії (тепла). Таким чином, при повній конденсації пари димових газів виділяється така ж кількість тепла, що витрачається на процес випаровування, тобто 10-12% тепла, виробленого при згорянні газу.

Явище конденсації водяної пари відбувається, коли димові гази, що випускаються з камери згоряння, зустрічаються з навколишнім середовищем з температурою нижче температури конденсації води (температура точки роси). Ця температура має значення 54 ... 55 °C. Беручи до уваги, що димові гази на виході з настінного котла мають температуру вище 100 °C (до 160 °C, в залежності від миттєвої потужності пальника, типу камери згоряння і типу обладнання), на стінці димоходу буде відбуватися конденсація. Починаючи з ділянки, де він має температуру нижче температури точки роси, або на виході газів в атмосферу, якщо димохід добре ізольований. У цій ситуації приховане тепло, що міститься у водяній парі, передається навколишньому середовищу, в якій відбувається конденсація, відповідно стінок димоходу або атмосферному повітрю.

Принцип конденсаційних котлів заснований на створенні умов для конденсації пари димових газів в зоні первинного теплообмінника настінного котла, так тепло, що виділяється рекуперується первинним теплоносієм, що циркулює через теплообмінник. Якщо в цій зоні відбувається повна конденсація пару, можна бути впевненим, що ми відновили з димових газів 10...12% тепла, виробленого в камері згоряння, тому конденсаційний котел буде мати ККД як мінімум на 10% вище, ніж класичний.

Відмінності ККД класичного котла від конденсаційного схематично показані на малюнках нижче.


Класичні котли

Загальна теплова потужність фактично може бути асимільована з кількістю тепла, виробленого в камері згоряння котла за рахунок спалювання стандартного обсягу палива в ідеальних умовах (повне згорання і повна рекуперація тепла). З цієї кількості тепла користувач котла використовує для обігріву тільки кількість тепла, що фактично забирається первинним теплоносієм, яке проходить через теплообмінник і потім передається повітрю в опалювальний простор.

Різниця між двома значеннями представлена тепловими втратами, а співвідношення між корисною тепловою потужністю і загальною тепловою потужністю являє собою ККД котла.

Тепловтрати конденсаційного котла:


Тепловтрати звичаного котла:

Є три категорії втрат:

  1. Теплові втрати на димоході: кількість тепла, що втрачається при видаленні димових газів назовні (димові гази виходять з витяжної труби з температурою вище 100 °C). Ці втрати залежать від тяги в димоході, надлишку повітря в камері згоряння, конструктивного виконання пальника, суміші повітря/газ і т. д.
  2. Місцеві втрати: кількість тепла, яке проходить в приміщення, де встановлений котел, безпосередньо з камери згоряння. Це залежить від: конструкції (форми, ступеня ізоляції) камери згоряння, температури навколишнього середовища, в якій встановлений котел, ступеня вентиляції приміщення і т. д.
  3. Втрати за рахунок прихованого тепла у водяній парі димових газів (10..12%). Ці втрати, які в разі класичного котла йдуть в атмосферу, а в конденсаційних котлах відновлюються і перетворюються в корисне тепло, є основна відмінність між цими категоріями котлів.
Ще однією важливою відмінністю є тип використовуваної пальника: атмосферні пальники в разі звичайних котлів і пальника з попереднім змішуванням повітря і регульованими витратами автоматично, як повітрям, так і газом (вентилятор з регульованою швидкістю і газовий клапан з електро/пневматичним управлінням).