Текст книги "Бытовые отопительные котлы"

Практически все бытовые котельные, устанавливаемые в жилых домах, так или иначе пригодны для решения задачи подогрева бытовой воды. Поскольку независимо от обеспечения горячей водой функция отопления в котлах присутствует, то подогрев бытовой воды осуществляется в теплообменниках, встроенных либо пристроенных к котлам.

Котлы, используемые только для подогрева теплоносителя, называются одноконтурными. В них теплоноситель, нагретый в топке котла продуктами сгорания топлива, циркулирует в теплообменниках системы отопления (радиаторах, калориферах и т. д.). Котлы, имеющие кроме отопительной функции, функцию подогрева бытовой воды, называются двухконтурными (по наличию контуров отопления и горячего водоснабжения). В таких устройствах часть теплоносителя циркулирует в системе отопления, а часть – подогревает бытовую воду до необходимой температуры в теплообменниках. Известны два основных вида теплообменников: проточные и емкостные.

В проточном теплообменнике нагреваемая вода проходит однократно внутри змеевика сквозь поток греющей среды.

Рис. 2. Проточный теплообменник

Для обеспечения комфортной производительности такие котлы должны иметь увеличенные поверхность нагрева либо тепловую мощность.

Пример

Проточный водонагреватель нагревает в минуту 16 л (16 кг) холодной воды от 15 до 40 °С. Какова величина тепловой мощности, необходимой для нагрева?

Решение:

m = 16 кг/мин × 60 мин/ч = 960 кг/ч;

Q = m · c · At, где с – теплоемкость воды (1, 163 Вт·ч/кг·К).

Q = 960 кг/ч × 1,163 Втч/кгК × 25° = 27 912 Вт;

Q = 28 кВт.

В емкости теплообменника нагреваемая бытовая вода находится внутри сосуда неподвижно в течение всего времени нагрева (происходит лишь гравитационное перемешивание).

Рис. 3. Емкостный теплообменник

Достоинство – возможность использовать в пиковых режимах, недостаток – длительное время нагрева.

Пример

Накопительный бойлер емкостью 150 л нагревается тепловой мощностью 18 кВт от 10 до 55 °С. Каково время нагрева?

Решение:

Q = m × c × Δt;

Δt = 55–10 = 45°;

Q₁ = 150 кг × 1,163 Втч/ кгК × 45° = 7850 Втч = 7,85 кВтч;

τ = Q₁ /Q₀;

τ = 7,85 кВтч/18 кВт = 0,4364 ч.

10 киловатт нагревают 860 литров воды на 1 °C за 1 час

Двухконтурные устройства по принципу подготовки воды можно разделить на котлы со встроенным бойлером и котлы с проточными подогревателями (с внешними водоподогревателями).

Рис. 4. Котел со встроенным змеевиком

Котлами со встроенным теплообменником следует считать котлы, в которых бак или змеевик с бытовой водой помещены внутрь емкости с теплоносителем системы отопления.

Рис. 5. Концепция «бак в баке»

В комбинированных котлах водонагреватель конструктивно приближен к топочной камере и соединен с контуром трубопроводом циркуляции греющей воды.

Для работоспособности данной конструкции кроме гидравлического соединения требуются циркуляционный насос, подающий греющую воду из котла в бойлер, и регулятор температуры, контролирующий заданную температуру воды в бойлере и дающий команду на отключение насоса, а также автоматика переключения в режим ГВС.

Рис. 6. Комбинированный котел

Если горячая вода хранится без протока долгое время при температуре ниже 50 °С, она начинает застаиваться. При этом в воде могут начать размножаться болезнетворные бактерии. Согласно отечественным и зарубежным стандартам для предотвращения их размножения температура хранения горячей воды должна быть не ниже 60 °С. Бактерии погибают и при регулярной термической дезинфекции.

В то же время при температуре выше 60 °С начинается интенсивное отложение накипи на стенках сосудов и теплообменников. Поэтому не рекомендуется значительно повышать температуру хранящейся воды.

Таблица 6. Типоразмеры предохранительных клапанов для бойлеров ГВС

По холодной воде бойлер должен быть оснащен набором предохранительной, запорной и регулирующей арматуры.

Рис. 7. Подключение бойлера: 1 – предохранительный клапан; 2 – манометр; 3 – обратный клапан; 4 – редуктор давления

Рабочее давление предохранительного клапана выбирается в зависимости от рабочего и максимального давления бойлера (как правило, 6 бар).

Между предохранительным клапаном и защищаемым сосудом не должно быть запорных устройств

Рис. 8. «Группы безопасности»

Очень часто совместно с бойлерами применяют так называемые группы безопасности. Это устройство состоит из предохранительного клапана, обратного клапана и запорного устройства (шаровой либо муфтовый кран).

В зависимости от вида сжигаемого топлива (газ, жидкое топливо) в котлах используются два основных типа горелок – атмосферные и с принудительной подачей топлива и воздуха. Реже применяются горелки предварительного смешения (Premix) или их разновидность – матричные горелки (Matrix).

В атмосферных горелках первичный воздух для горения подсасывается за счет инжектирующей способности струи газа, выходящей из форсунки. Дополнительно необходимый для горения «вторичный» воздух подсасывается уже в зону факела для дожигания. Современные атмосферные горелки сконструированы так: из газового коллектора газ попадает через форсунки в перфорированные смешивающие трубки, в которых газ перемешивается с воздухом и уже после этого через перфорации подается в топку. При этом происходят интенсивное перемешивание и догорание молекул оксида углерода до СО₂. Однако при таком горении в высокотемпературном пламени образуется большое количество токсичных оксидов азота NO_х. Законодательства многих стран строго регламентируют такие выбросы. Для борьбы с данными загрязнениями пламя горелки делают «вытянутым» или охлаждают его корневую зону, помещая в нее рассекатели либо охладители пламени.

Рис. 9

«Разрушенный» факел вытягивается, и горючий газ сгорает при меньшей температуре, а следовательно – с меньшим количеством NO_х.

Самыми лучшими примерами рассеянного или охлажденного пламени могут считаться матричные или излучающие горелки. В них пламя небольшой высоты горит на поверхности рассекателя-катализатора. При температуре горения до 1000 °С (красное горение) оксиды азота практически не образуются, а сгорание углерода (окисление СО до СО₂) завершается почти полностью.

Рис. 10

Достоинства:

– бесшумность;

– простота конструкции;

– компактность;

– дешевизна.

Недостатки:

– зависимость от давления газа;

– невозможность сжигать жидкое топливо;

– невысокая регулируемость;

– работа только с котлами малой мощности, теплообменники которых имеют невысокое сопротивление;

– КПД ниже, чем у горелок других типов;

– применение лишь до 800 кВт.

Горелки с принудительной подачей воздуха и газа (Jet-burners) конструктивно отличаются от атмосферных. В них воздух для горения подается специально установленным вентилятором в смешивающую трубу Вентуры. При этом происходит не только качественное перемешивание газа и воздуха, но и подсос газа из газовой магистрали. В горелках более сложной конструкции поток воздуха делится на первичный и вторичный.

Применение таких горелок позволяет использовать сложные многоходовые теплообменники котлов с КПД не менее 95 %.

Рис. 11. Чугунный котел с вентиляторной горелкой

Достоинства:

– возможность сжигать газообразное и жидкое топливо;

– хорошее регулирование;

– менее требовательны к давлению газа;

– нет ограничений по мощности котла;

– высокий КПД и более благоприятные экологические характеристики.

Недостатки:

– шум;

– сложная конструкция, снижающая надежность;

– громоздкость;

– дороговизна.

Рис. 12. Чугунный котел: а – с естественной тягой; б – с наддувом

В отличие от энергетических котлов, где продукты сгорания удаляются из котла дымососом, в бытовых котлах нормальный процесс удаления уходящих газов обеспечивается либо самотягой (за счет гравитационной силы), либо с помощью избыточного напора в топке, создаваемого воздушным вентилятором горелки.

Эти условия и обусловливают различия в конструкции камер сгорания, подразделяющихся на открытые и закрытые.

Как правило, котлы с открытой (соединенной с атмосферой) топкой комплектуются газовой атмосферной горелкой (забор воздуха из котельной).

Рис. 13. Схема аппарата АГВ: 1, 3 – патрубки подвода холодной и отвода горячей воды; 2 – отражатель; 4 – тягопрерыватель; 5 – резервуар; 6 – кожух; 7 – терморегулятор; 8 – термопара; 9 – запальник; 10 – основная горелка

Данная конструкция позволяет дымовым газам с минимальным сопротивлением покидать теплогенератор. В России по такому принципу устроены практически все котлы АОГВ, АКТГВ и их «клоны».

Бесспорное достоинство таких котлов – их невысокая стоимость, связанная с простой конструкцией горелки и теплообменника.

К недостаткам же следует отнести высокие требования по наличию разрежения на выходе из котла. При низком атмосферном давлении либо при засорившихся дымоходах возникает реальная опасность опрокидывания тяги и попадания продуктов сгорания (прежде всего СО – угарного газа) в жилые помещения. Во избежание этого все котлы с открытой камерой сгорания комплектуются датчиком опрокидывания тяги, который отключает подачу газа при попадании продуктов сгорания в помещения. Дополнительно при использовании таких котлов требуется устанавливать в котельной сигнализатор загазованности на СО.

Рис. 14. Варианты потоков уходящих газов

Котлы с закрытой топкой, как правило, более сложны конструктивно (забор воздуха с улицы), что позволяет работать с более высоким КПД ввиду более «развитой» поверхности теплообменника. Эти котлы могут выполняться по ходу дымовых газов как одно-, так и многоходовыми. Применение закрытых камер сгорания в настенных котлах позволило значительно повысить мощность этих устройств без ущерба их компактности.

В 40-х годах прошлого века монополия котлов напольного исполнения была нарушена. Сразу несколько производителей освоили выпуск настенных котлов (термоблоков). Отличительная особенность «настенников» – значительная компактность, позволяющая размещать эти агрегаты в кухонных помещениях, не создавая для них специальные котельные. Долгое время основным недостатком таких котлов с алюминиевыми и медными теплообменниками была сравнительно невысокая максимальная мощность – 28 кВт. В последнее десятилетие, вслед за пионером – фирмой Remexa (Голландия) – в программе всех производителей появились настенные котлы большой мощности: 40, 60, 80 и даже 120 кВт. По оценкам экспертов, к 2012 г. 92 % продаваемых в Европе котлов будут настенными.

Напольные котлы, выполненные из более прочных материалов (чугун, сталь большой толщины), более долговечны (30–40 лет против 10–12 для «настенников»), хотя следует отметить, что в глазах европейского общества долговечность становится недостатком. Напольные котлы позволяют работать с мощными бойлерами ГВС и, тем самым, способны производить горячую воду в больших количествах. Разумеется, с помощью современной автоматики можно заставить и «настенники» работать с большими бойлерами, а также с многоконтурными системами. Но тогда теряется их уникальное преимущество – компактность, обеспечивающая возможность размещения на кухне.

В дополнение к приведенной выше классификации бытовых котлов, представленных на российском рынке, можно добавить пользующиеся постоянным спросом энергонезависимые котельные агрегаты, в которых отсутствие системы регулирования компенсируется надежностью работы. Перебои в энергопотреблении не приводят к выключению котлов. В современных котлах (Mora, Dakon, Protherm) установленное в котле термосопротивление позволяет осуществлять достаточное количество регулировок. Как правило, невысокие экономические показатели таких котлов перевешивают высочайшая надежность и неприхотливость.

На другой чаше весов располагаются конденсационные котлы – установки, полезно использующие не только тепло сгоревшего топлива, но и, частично, тепло конденсации водяных паров, присутствующих в уходящих газах. КПД таких котлов (по Q^r_i)при сжигании природного газа достигает 107–109 %.

Для реализации вышеописанных принципов разработана конструкция котла с дополнительным поверхностным теплообменником в хвостовой части.

В конденсационном котле имеется два теплообменника: один передает котловой воде тепло, выделяющееся при сгорании газа, другой – передает тепло, высвобождающееся при конденсации водяных паров, которые содержатся в продуктах сгорания. Теплообменники последовательно соединены по котловой воде: конденсационный – в хвостовой части, второй (основной) – в камере сгорания котла.

В процессе конденсации из триоксида серы образуется серная кислота, которая послужила причиной того, что материалом конденсационного теплообменника была выбрана специальная нержавеющая сталь, устойчивая к воздействию кислотных сред.

Основной теплообменник конденсационного котла изготавливается из меди, нержавеющей стали или алюминиевых сплавов.

Приготовление горячей воды конденсационными котлами осуществляется несколькими способами, о подготовке горячей воды рассказано в главе 2.2.

Рассмотрим процессы сгорания природного газа и теплообмена конденсационного котла. Как было отмечено на предыдущих страницах, основным компонентом топлива является метан – СН₄. При его сгорании образуются новые вещества – СО₂, СО, О₂, NO_х, Н₂О (в виде пара) – и выделяется теплота. Выделенная теплота передается через основной теплообменник котловой воде. После основного теплообменника продукты сгорания проходят через конденсационный, где охлаждаются до температуры «точки росы». Процесс перехода воды (Н₂О) из парообразного состояния в жидкое – конденсация – сопровождается выделением теплоты. Эта теплота передается через теплообменник котловой воде. Выделившийся конденсат собирается и удаляется из котла. При мощности теплогенератора до 50 кВт кислотность (рН) конденсата составит примерно 3,5–5,5 единиц, поэтому его разрешается сливать в канализацию. При использовании котлов мощностью от 50 кВт необходима нейтрализация конденсата перед его сливом. Компании, продающие конденсационные котлы, предлагают и емкости с реагентом для нейтрализации конденсата.

За счет использования дополнительной теплоты конденсации паров воды в продуктах сгорания коэффициент использования конденсационного котла повышается до 107–109 % (традиционные газовые теплогенераторы имеют коэффициент полезного действия, равный 92–93 %).

Температура «точки росы» в продуктах сгорания меняется в зависимости от химического состава и содержания водяных паров в продуктах сгорания. Также она зависит и от коэффициента избытка воздуха α (отношение действительного объема воздуха на сгорание газа к теоретическому объему). Чем ниже коэффициент, тем выше точка конденсации паров. При α = 1,1 температуры конденсации будет равна, примерно, 54–56 °С, при α = 2,0 – около 40 °С.

Важным условием высокоэффективного использования конденсационного котла являются следующие факторы:

– низкая температура теплоносителя, поступающего в котел из системы отопления. Так как теплоноситель поступает сначала в конденсационный теплообменник, то чем ниже будет его температура, тем больше сконденсируются водяные пары продуктов сгорания и будет выделено больше теплоты;

– низкий коэффициент избытка воздуха. В конденсационных «настенниках» и некоторых моделях напольных котлов газовая горелка настраивается на заводе-производителе и не требует дополнительного регулирования. В остальных случаях горелочное устройство настраивается инженером монтажной организации.

Рис. 15. Схематичная конструкция конденсационного газового котла

Из перечисленных условий особенно важным для достижения высокого коэффициента использования конденсационных котлов является низкая температура теплоносителя в обратном трубопроводе системы отопления на входе в котел. Для выполнения этого условия необходимо производить расчеты новых систем отопления на максимально низкие температуры (например, 40/30 °С). Это позволит котлу работать в течение всего отопительного периода в конденсационном режиме (напольное отопление). Данная низкотемпературная система отопления может быть реализована только совместно с предшествующими мероприятиями при проектировании и строительстве здания, направленными на снижение тепловых потерь.

В настоящее время, когда стоимость природного газа значительно выросла, все больше владельцев газовых теплогенераторов, собирающихся произвести их замену, обращает внимание на более экономичные и экологически чистые современные конденсационные котлы. Экономия в расходе топлива современного газового конденсационного котла по сравнению с традиционным может достигать до 20–25 % за отопительный сезон. Этот показатель в сочетании с понижающейся с каждым годом ценой на конденсационные аппараты предполагает в будущем их успешное продвижение в нашей стране.

Существующие системы отопления загородных домов, рассчитанные на температурный график 90–70 °С, могут также использовать конденсационные котлы в сочетании с погодозависимой автоматикой, позволяющей плавно изменять температуру теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха. При повышении температуры наружного воздуха температура в системе отопления будет снижаться, тем самым понижая температуру обратной воды ниже «точки росы». При этом в течение 55–65 % времени котел будет работать в конденсационном режиме, а в остальное время – в обычном режиме с коэффициентом использования на уровне 96–98 %. Это связано с тем, что средняя зимняя температура в средней полосе России составляет –10–12 °С.

Пониженная температура дымовых газов конденсационных котлов позволяет использовать при монтаже настенных котлов специальные пластиковые дымовые трубы для удаления продуктов сгорания.

Современные настенные конденсационные котлы имеют мощность от 10 до 85 кВт. У напольных котлов мощность до 1 МВт. Котлы работают как индивидуально, так и в каскаде. Для управления котлами в каскадном режиме необходим контроллер для каскадной работы.

К недостаткам конденсационных котлов следует отнести их высокую стоимость, так как конденсационный теплообменник приходится выполнять из дорогостоящих легированных сталей во избежание кислотной коррозии.

Рис. 16. Направление уходящих газов в конденсатном котле

3. Горелочные устройства

Обязательным элементом всех водогрейных котлов (кроме электрических) является горелка, которая:

– подготавливает топливо и воздух для горения, придавая им требуемые направление и скорость;

– смешивает газовое топливо и воздух или распыляет жидкое топливо и смешивает его с воздухом;

– подает подготовленную топливовоздушную смесь в камеру горения, стабилизируя воспламенение топлива.

Кроме топлива, в горелку подается воздух, содержащий, как правило, 20,9 % кислорода (по объему). Количество воздуха, требуемое для полного сгорания 1 м³ (или 1 кг) топлива, называется «теоретически необходимым». На практике, однако, через горелку приходится подавать большее количество воздуха, чтобы обеспечить определенную скорость горения на завершающей стадии процесса: дело в том, что скорость горения зависит от концентрации кислорода в зоне горения, и если количество воздуха будет равно теоретически необходимому, то в конце топочного процесса скорость горения окажется недопустимо низкой.

Избыток воздуха в горелке характеризуется коэффициентом α, который является отношением фактически поданного воздуха к теоретически необходимому.

В инструкциях и некоторых документах, изданных зарубежными производителями котлов и горелок, можно встретить другое понятие «избыток воздуха», обозначающее превышение объема фактически поданного воздуха над теоретически необходимым (в процентах). Другими словами, избыток воздуха, например, в 10 %, соответствует коэффициенту избытка воздуха α = 1,1 и т. д.

Остановимся подробнее на особенностях горелок, рассчитанных на сжигание разных видов топлива.

Их жидкотопливная и газовая части скомпонованы с дутьевым вентилятором в единый блок. В состав комбинированных горелок входят также встроенный или выносной топливный насос, устройства подготовки топливовоздушной смеси – механический или электронный регулятор соотношения «топливо – воздух», газовый и жидкотопливный трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными приборами, а в случае сжигания мазута – еще и встроенный (или выносной) подогреватель жидкого топлива.