В настоящее время особенно остро стоят вопросы повышения эффективности отопительных установок и снижения их экологического давления на окружающую среду. Наиболее перспективной в решении этих задач является конденсационная техника, способная обеспечить максимально эффективное отопление при минимальном вреде для окружающей среды.
Компания «Водная Техника» всегда стремилась представить на отечественном рынке современное и эффективное отопительное оборудование. Поэтому закономерен и оправдан ее интерес к конденсационной технике, как наиболее эффективной, высокотехнологичной и перспективной. В 2006 году одним из приоритетных направлений развития компании станет продвижение конденсационной техники на украинском рынке. С этой целью запланирован целый ряд мероприятий, одним из которых является цикл популяризирующих публикаций в специализированных изданиях. Эта статья, как первая из них, посвящена теме реализации и применения принципа конденсации водяных паров в отопительной технике. В ней вы найдете ответы на такие вопросы, как:
чем отличается температура от теплоты?
какой состав дымовых газов и что такое высшая и низшая теплота сгорания топлива?
какие условия необходимы для того, чтобы началась конденсация и что такое точка росы?
может ли быть коэффициент полезного действия больше 100 %?
Кроме ответов на перечисленные вопросы в статье будут освещены режимы работы конденсационных котлов и способы реализации принципа конденсации в навесных котлах.
Чем отличается теплота от температуры?
Температура — это относительная величина, которая измеряет степень нагретости тела (кинетическую энергию молекул тела).
Эта величина измеряется с помощью шкал Цельсия и Фаренгейта. В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0° принимают точку замерзания воды, а за 100° — точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина. Один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина и за абсолютный ноль по Кельвину принимают -273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и наша жизнь основана на ней. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно меняет условия жизни.
В Англии, и в особенности в США, используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов разделён интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела.
Ноль Цельсия — это 32 Фаренгейта, и градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия. В табл. 1 показано, как пересчитывать температуру из одной шкалы измерения в другую.
Чтобы понять, в чем разница между понятиями температура и теплота, рассмотрим пример 1.
Допустим, мы нагрели некоторое количество воды (120 л) до температуры 50 °C. Какое количество воды мы сможем нагреть до температуры 40 °C, используя тоже количество теплоты (сожженного топлива)? Для простоты, будем считать, что в обоих случаях начальная температура воды 15 °C (cм. Рис. 1).
Как видно из наглядного примера, температура и количество теплоты — это разные понятия. Другими словами, тела при разной температуре могут обладать одинаковой тепловой энергией, и наоборот: тела с одинаковой температурой могут иметь разную тепловую энергию. Для упрощения определений придумали специальную величину — энтальпию.
Энтальпия — количество тепла, содержащегося в единице массы вещества. Эта величина измеряется в кДж/кг.
В естественных условиях на Земле существует три агрегатных состояния воды: твердое (лед), жидкое (собственно вода) и газообразное (водяной пар). Переход воды из одного агрегатного состояния в другое сопровождается изменением тепловой энергии тела при постоянной температуре. Изменяется состояние, а не температура, то есть все тепло тратится на изменение состояния, а не на нагрев.
Явная теплота — это теплота, при которой изменение количества тепла, подведенного к телу, вызывает изменение его температуры.
Скрытая теплота — теплота парообразования (конденсации), которая не изменяет температуру тела, а служит для изменения агрегатного состояния тела.
Проиллюстрируем данные понятия графиком, на котором по оси абсцисс отложена энтальпия (количество подведенного тепла), а по оси ординат — температура.
Данный график показывает процесс нагрева жидкости (воды) (cм. Рис. 2).
На участке графика А-В происходит нагрев воды от температуры 0 °С до температуры 100 °С. При этом все тепло, подведенное к воде, используется для повышения ее темпе- ратуры.
Участок графика В-С демонстрирует процесс кипения воды. При этом все тепло, подведенное к воде, расходуется на преобразование ее в пар, температура при этом остается постоянной — 100 °С. Участок графика C-D показывает, что вся вода превратилась в пар (выкипела), после этого тепло расходуется на повышение температуры пара.
Состав дымовых газов при сжигании газообразного топлива
Горение — процесс окисления горючих составляющих топлива с помощью кислорода воздуха, при котором выделяется тепло. Давайте детально рассмотрим этот процесс.
Прежде всего, обратите внимание на качественный состав газообразного топлива, а также на примеры углеводородов(cм. Рис. 3, 4, 5).
Давайте посмотрим, как развивается реакция горения газообразного топлива (cм. Рис. 6).
Как видно из уравнения реакции окисления, в результате получается углекислый газ, водяной пар (дымовые газы) и тепло. Теплота, которая выделяется при сгорании топлива, называется низшей теплотой сгорания топлива (PCI).
Если мы будем охлаждать дымовые газы, то при определенных условиях водяные пары начнут конденсироваться (переходить из газообразного состояния в жидкое). При этом будет выделяться дополнительное количество теплоты (скрытая теплота парообразования/конденсации) (cм. рис. 7).
Сумма низшей теплоты сгорания топлива и скрытой теплоты парообразования (конденсации) называется высшей теплотой сгорания топлива (PCS).
Естественно, что чем больше водяных паров находится в продуктах сгорания, тем больше разница между высшей и низшей теплотой сгорания топлива. В свою очередь, количество водяных паров зависит от состава топлива.
Как видно из табл. 2, наибольшую дополнительную теплоту мы можем получить при сжигании метана.
Состав природного газа не постоянен и зависит от его месторождения. Средний состав природного газа изображен нарис. 8.
Итак, из всего рассмотренного выше можно сделать вывод, что:
используя скрытую теплоту парообразования (конденсации), можно получить больше тепла, чем то, которое выделяется при сжигании топлива;
наиболее перспективное топливо в этом отношении — природный газ (разница между высшей и низшей теплотой сгорания составляет более 10 %).
Условия, необходимые для начала конденсации
Водяные пары в дымовых газах имеют несколько другие свойства, чем чистый водяной пар. Они находятся в смеси c другими газами и их параметры отвечают параметрам смеси. Поэтому температура, при которой начинается конденсация, отличается от 100 °С.
Значение этой температуры зависит от состава дымовых газов, что, в свою очередь, является следствием вида и состава топлива, а также коэффициента избытка воздуха.
Температура дымовых газов, при которой начинается конденсация водяных паров в продуктах сгорания топлива, называется точкой росы.
Итак, основная задача конденсационной техники — охладить продукты сгорания ниже точки росы и отобрать теплоту конденсации для использования ее в полезных целях.
Может ли КПД быть больше 100%?
Рассмотрим технические характеристики некоторого навесного котла:
полная мощность котла = 23.000 Ккал/ч (26,7 кВт);
полезная мощность котла = 21.000 Kкал/ч (24,03 кВт).
Эти значения показывают, что максимальная тепловая мощность горелки котла равна 23.000 Ккал/ч (количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива), а максимальное количество теплоты, получаемой теплоносителем, составляет 21.000 Ккал/ч.
Неужели это ошибка? Нет, просто некоторое количество вырабатываемой теплоты (6-8 %) теряется с уходящими дымовыми газами, а другое (1,5-2 %) — рассеивается в окружающем пространстве через стенки котла. Если мы сложим эти величины, то сможем записать следующее уравнение:
26,7 = 2,136 + 0,534 + 24,03
100 % = 8% + 2% + 90%
Если разделить полезную мощность котла на полную и умножить результат на 100 %, то получим коэффициент полезного действия котла (КПД) в %.
Полная мощность котла равна количеству теплоты, которое выделяется при сгорании топлива за единицу времени. Таким образом, эта величина напрямую зависит от низшей теплоты сгорания топлива и не учитывает то тепло, которое может выделиться при конденсации водяных паров из продуктов сгорания. Другими словами, это коэффициент полезного действия котла относительно низшей теплоты сгорания топлива. Если принять во внимание величину теплоты конденсации водяных паров (см. табл. 2), то можно представить следующую картину распределения тепловых потоков в неконденсационном котле (см. рис. 11, а).
В конденсационном котле распределение тепловых потоков происходит другим образом (см. рис. 11, б).
Таким образом, КПД 100 % и более возможен, если за точку отсчета принимать низшую, а не высшую теплоту сгорания.
Полностью использовать всю теплоту (явную и скрытую) мы не можем по техническим причинам, поэтому КПД котла не может быть равным или большим 111 % (относительно низшей теплоты сгорания топлива).
Режимы работы конденсационных котлов
Газовые конденсационные котлы могут быть установлены в любую отопительную систему.
Величина используемойтеплоты конденсации и коэффициент полезного действия, зависящий от режима эксплуатации, зависят от корректного расчета отопительной системы.
Чтобы использование теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в дымовых газах, сделать эффективным, необходимо охладить дымовые газы до температуры ниже точки росы. Степень использования теплоты конденсации зависит от расчетных температур теплоносителя в системе отопления и от количества отработанных часов в режиме конденсации. Это показано на графиках рис. 13 и 14, в которых температура точки росы составляет 55 °C.
Отопительная система 40/30 °C
Большое значение имеет производительная мощность конденсационных котлов такой отопительной системы в течение всего отопительного периода. Низкие температуры обратной линии всегда ниже температуры точки росы, так что конденсат возникает постоянно. Это происходит в системах низкотемпературного панельного отопления или при отоплении пола. К таким системам идеально подходит конденсационный котел.
Преимуществ систем водяного напольного отопления перед традиционными достаточно много.
Повышенный комфорт. Пол становится тёплым и по нему приятно ходить, так как теплоотдача происходит с обширной поверхности с относительно низкой температурой.
Равномерное нагревание всей площади помещения, а значит и равномерное отопление. Человек одинаково комфортно чувствует себя и возле окна и посреди комнаты.
Оптимальное распределение температуры по высоте помещения. Рисунок 13 иллюстрирует примерное распределение температур по высоте помещения при использовании традиционного отопления и напольного. Распределение температур при напольном отоплении ощущается человеком как наиболее благоприятное. Также необходимо отметить снижение потерь тепла через потолок, так как разность температур внутренний воздух — наружный воздух существенно снижается и мы получаем комфортное тепло только там, где нужно, а не отапливаем окружающую среду через крышу. Это позволяет эффективно использовать систему напольного отопления для зданий с высокими потолками — церквей, выставочных холлов, спортзалов и т.п.
Гигиеничность. Отсутствует циркуляция воздуха, уменьшаются сквозняки, а значит, и нет циркуляции пыли, что является большим плюсом для самочувствия людей, особенно если они страдают заболеваниями дыхательных путей.
Существенная часть тепла от пола передается в виде лучистого теплообмена. Излучение, в отличие от конвекции, немедленно распространяет тепло к окружающим поверхностям.
Нет искусственного осушения воздуха вблизи нагревательных приборов.
Эстетичность. Отсутствуют нагревательные приборы, нет необходимости в их дизайнерском оформлении или подборе оптимальных размеров.
Отопительная система 75/60 °C
Эффективное использование теплоты конденсации возможно также при расчетных температурах 75/60 °C за время, составляющее 97 % длительности отопительного периода. Это относится к наружным температурам от -11 °C до +20 °C. Старые отопительные установки, которые были рассчитаны на температуры 90/70 °C, работают сегодня практически с температурами 75/60 °C. Даже на установках с теплоносителем 90/70 °C и с режимом работы, при котором регулирование температуры котловой воды происходит в зависимости от наружной температуры, время использования теплоты конденсации составляет 80 % длительности годового отопительного периода.
Высокий стандартизированный коэффициент полезного действия
В примерах на рис. 12 и 14 хорошо видно, что различный для этих двух вариантов, но в то же время высокий процент использования тепла конденсации оказывает прямое влияние на потребление энергии газовым конденсационным котлом. Для обозначения эффективности потребления топлива отопительными котлами было введено понятие стандартизированного коэффициента полезного действия. На рис. 15 представлена зависимость энергопотребления от различных расчетных температур отопительной системы.
Высокие стандартизированные коэффициенты полезного действия газовых конденсационных котлов объясняются двумя факторами:
реализацией высокого значения CO2 (чем выше содержание CO2, тем выше температура точки росы отопительных газов);
поддержанием низких температур обратной линии (чем ниже температура обратной линии, тем активнее конденсация и тем ниже температура дымовых газов).
Итак, коэффициент полезного действия конденсационного котла очень сильно зависит от температурного режима эксплуатации системы отопления. На новых установках должны быть использованы все возможности для оптимальной эксплуатации газового конденсационного котла. Высокий коэффициент полезного действия достигается при соблюдении следующих требований.
Ограничить температуру обратной линии до значения максимум 50 °C.
Стремиться поддерживать разницу температур между подающей и обратной магистралями минимум 20 K.
Не принимать мер для повышения температуры обратной линии (к ним относятся, например, установка четырехходового смесителя, байпассные линии и гидравлические стрелки).
Способы реализации принципа конденсации в навесных котлах
На сегодняшний день существуют два основных способа реализации принципа конденсации водяных паров в дымовых газах: выносной экономайзер и нержавеющий теплообменник со встроенным экономайзером.
Экономайзер — это узел, предназначенный для утилизации остаточной теплоты дымовых газов.
В первом случае основная теплота продуктов сгорания утилизируется в обычном конвекционном теплообменнике, а сам процесс конденсации проходит в отдельном узле — выносном экономайзере. Такая конструкция позволяет использовать узлы и агрегаты, применяемые в обычных, не конденсационных котлах, однако не дает возможности полностью раскрыть потенциал конденсационной техники рис. 16
Гидравлическая схема конденсационного котла со встроенным экономайзером приведена на рис. 18.
Теплообменник со встроенным экономайзером состоит из 4-7 теплообменных элементов (змеевиков). Каждый теплообменный элемент, в свою очередь, состоит из 4 витков гладкой трубы прямоугольного сечения, изготовленной из нержавеющей стали с толщиной стенки приблизительно 0,8 мм (см. рис. 17, 19).
Перед изолирующей плитой находятся несколько теплообменных элементов. Они играют роль «первой ступени», так как здесь происходит лишь незначительная конденсация. Четвертый и, соответственно, пятый теплообменный элемент расположен сзади изолирующей плиты. В этой «конденсационной ступени» происходит главный процесс конденсации.
Преимущества данного принципа заключаются в очень эффективной передаче тепла и, с другой стороны, в исключении шумов кипения, вызванных высокими скоростями потоков в гладких трубах.
Следующим преимуществом данного теплообменника является его малая склонность к образованию накипи, так как благодаря небольшим сечениям труб создается высокий уровень завихрения потока теплоносителя.
Гладкая поверхность труб из нержавеющей стали и вертикальное направление потока обеспечивают эффект самоочистки.
Присоединение обратной линии теплообменника расположено сзади, подключение подающей линии — спереди. На теплообменнике установлен сток конденсата.
Сборник отходящих газов до подключения трубопровода «подвода воздуха/отвода отходящих газов» изготовлен из пластмассы.