Принципи роботи конденсаційних котлів

У звичайному газовому котлі продукти згоряння проходять через теплообмінні поверхні котла, де віддають свою енергію теплоносія (але не всю). Продукти згоряння йдуть з котла і через димовідвідних систему викидаються в атмосферу. При цьому деяка кількість теплоти втрачається, оскільки разом з газами йде водяна пара, що утворився при згорянні палива з води, що у природному газі в нормальному стані.

Ця пара несе із собою приховану енергію пароутворення, яку здатний відібрати і передати системі опалення конденсаційний котел.

Конденсаційні котли мають перед теплообмінником вентилятор із змінним числом оборотів, тому вони зроблені із закритою камерою згоряння і викидом продуктів згорання через коаксіальний димохід. Управління числом оборотів вентилятора дає можливість завжди підтримувати оптимальне для згоряння співвідношення повітря й газу. Таке керування дозволяє більшості котлів деякий час без переналагодження працювати на зрідженому газі (його можна використовувати як резервний).

Конденсаційний котел не завжди працює з максимально можливою ефективністю. Щоб втрати тепла з димовими газами були мінімальними, в теплообміннику котла повинна відбуватися конденсація водяної пари з димових газів. Це можливо тоді, коли температура хоча б частини теплообмінної поверхні дорівнює або нижче температури точки роси. Для природного газу при звичайних умовах вона дорівнює +57 ° С. Тому, щоб котел працював у режимі конденсації, температура теплоносія у зворотній лінії (за якою він повертається з системи опалення в котел) повинна бути не вище +57 ° С. Якщо ця умова не виконується, то тоді ККД конденсаційного котла зменшується, але все одно воно буде на 4-5% вище, ніж ККД неконденсаційних котла (за рахунок великої площі теплообміну та контролю співвідношення газ / повітря у всьому діапазоні потужності). ККД конденсаційного котла тим вище, чим нижче температурний режим системи опалення.

Тому найбільш ефективний такий котел при роботі на водяні теплі підлоги (з температурою подачі +40 … 45 ° С). Відсутність мінімальної рекомендованої температури теплоносія дозволяє такому котлу працювати з теплими підлогами без спеціальних знижують температуру пристосувань (але тільки при великій площі підлог і, відповідно, великий теплової інерційності системи опалення).

Практичні рекомендації щодо застосування конденсаційних котлів:

  • встановлювати їх на спеціально розраховані під конденсаційний котел низькотемпературні системи опалення (бажано не вище 60/40 ° С, максимум 70/50 ° С)
  • застосовувати тільки пластикові (від спеціалізованого виробника) або керамічні димоходи.

Застосування конденсаційного котла для опалення приватного будинку дозволяє підвищити комфорт системи опалення (за рахунок можливості роботи котла при більш низьких температурах) і зменшити витрати газу на 15-20% (при правильному розрахунку системи опалення). При диференційованому тариф на природний газ в деяких випадках зменшення витрат газу на 20% призводить до зменшення витрат на опалення в 1,5-2 рази.


Порівняння конструкції і характеристик конденсаційних і звичайних котлів

У звичайному газовому котлі продукти згоряння у вигляді гарячих газів, що відходять проходять через теплообмінник котла, де віддають більшу частину своєї енергії теплоносію. Велику, та не всю. Відходять гази через димохід викидаються в атмосферу, при цьому втрачається частина невикористаної теплоти, оскільки разом з газами йде і водяна пара, що утворюється при згоранні палива. Саме ця пара і забирайте собою приховану енергію, яку здатний зберігати і передавати системі опалення конденсаційний котел.
Основна відмінність конденсаційного котла від неконденсаційних — у спеціальному теплообміннику збільшеної площі, в якому продукти згорання охолоджуються до значно більш низької температури (іноді нижче +40 ° С), ніж у звичайного котла.

При охолодженні до низької температури водяна пара, що міститься в димових газах, перетворюється в рідину, вивільняючи при цьому певну кількість теплоти. Конденсація відбувається в теплообміннику, який зроблений з корозійностійкого матеріалу:
нержавіючої сталі (зварний). Теплообмінник з нержавіючої сталі робиться зварним, значить механічні та хімічні властивості матеріалу нерівномірні і це з часом може призвести до його руйнування.

Cилуміновий теплообмінник — литий, тому у нього немає нерівномірності властивостей матеріалу, але стійкість силуміну до хімічної дії при згорянні палива нижче, ніж у нержавіючої сталі.

Для отримання великої площі згоряння (для потужних котлів) з силуміну роблять окремі секції, які потім стягують в один теплообмінник (подібно чавунним підлоговим котлам).


Види конденсаційних котлів

Конденсаційні котли можуть бути:

  • настінними У настінному виконанні котли звичайно бувають потужністю до 100 кВт (в окремих випадках до 120 кВт)
  • підлоговими

— одноконтурними
— двоконтурними


Принцип дії конденсаційного котла

При охолодженні пар перетворюється в рідину, тобто конденсується, вивільняючи при цьому певну кількість теплоти. У звичайному котлі йде боротьба з конденсацією, в цьому ж варіанті конденсація тільки вітається. Конденсація відбувається в спеціальному теплообміннику збільшеної площі, який і відбирає теплота для системи опалення. Кількість теплотати, яке може бути отримане при повному спалюванні одиниці палива, включаючи частку, що вивільняються при конденсації пара, називається «вищої» теплотою згоряння палива, у той час як-то ж кількість теплоти, але без урахування теплоти конденсації, називається «нижчої» теплотою згоряння палива. До речі, принцип роботи конденсаційного котла був відомий більше ста років тому, але ефективно використовувати його стали відносно недавно — як тільки з’явилася можливість використання при виготовленні котлів стійких до корозії сплавів і різних марок нержавіючої сталі.


Переваги конденсаційних котлів

У технічних характеристиках конденсаційних котлів коефіцієнта корисної дії порядку 108-109%, але в будь-якому випадку більше 100%. Зрозуміло, що за законами фізики втрати енергії неминучі і ККД не може перевищувати стовідсоткову «планку». У цьому і полягає суть такої величини ККД: для можливості порівняння теплової ефективності конденсаційних і звичайних газових котлів обчислення виконується на основі значення нижчої теплоти згоряння. Історично склалося так, що всі фізичні розрахунки велися на підставі вимірюваного значення нижчої теплоти згоряння. Таким чином, це не реальний ККД, а порівняльний, або умовний. Але і при обчисленні ККД на основі значення вищої теплоти згоряння величина ККД конденсаційних котлів виходить досить високою, і значно вище, ніж звичайних газових котлів.
Також серед переваг конденсаційних котлів можна назвати їх більш високу економічність, приблизно на 15-20% вище в порівнянні зі звичайними. Крім того, в таких котлах використовуються високотехнологічні пальники, які забезпечують приготування паливно-повітряної суміші в оптимальних для цього режиму горіння пропорціях (з безперервним контролем співвідношення «газ-повітря»), що зводить до мінімуму ймовірність неповного згоряння палива. У результаті в відведених газах значно знижується кількість шкідливих викидів, а низька температура газів, що відходять, найчастіше нижчі 400С, дозволяє використовувати димарі з пластмаси, що зменшує витрати на їх монтаж. По виконання конденсаційні котли подібні традиційним. Зазвичай вони виконуються в настінному варіанті, хоча випускаються і підлогові конденсаційні котли високої потужності, які застосовуються в промислових або офісних приміщеннях. Відрізняються вони від звичайних котлів тим, що теплообмінник в них інший і виконується з кислотостійких матеріалів, таких як силумін або нержавіюча сталь. Адже утворюється водний конденсат за рахунок підвищеної кислотності може викликати корозію сталі і чавуну, що застосовуються при виробництві неконденсаційних котлів. За формою теплообмінник може виконуватися, наприклад, у вигляді труб складного перетину з додатковими спіралевіднимі ребрами. Все це робиться для збільшення площі теплообміну і, відповідно, підвищення ефективності роботи котла. Крім цього в конденсаційному котлі застосований вентилятор, встановлений перед пальником, який «висмоктує» з газопроводу газ, змішуєте повітрям і направляє до пальника робочу суміш газу з повітрям.


Конденсаційні котли забезпечують ККД 110%

Опалення з конденсаційним котлом завдяки особливій конструкції поверхонь нагріву теплообмінника відбирає у продуктів згоряння не тільки явне тепло, але і теплоту конденсації водяної пари і передає це сумарне тепло в опалювальну систему. Використовуючи прийняті терміни, можна сказати, що в конденсаційному котлі розташовуваним теплом є не нижча теплота згоряння палива, яка згадувалася в попередніх розділах і випусках, а вища теплота згоряння, яка включає також теплоту конденсації, або «приховану теплоту паротворення», водяної пари, що утворюється при згорянні вуглеводневого палива. Обидві ці величини відносяться до кількості тепла, що вивільняється при згоранні. При цьому вища теплота згоряння додатково включає теплоту конденсації, яка у випадку звичайних котлів безповоротно залишає опалювальну установку через димову трубу.

Кількісна оцінка різниці між вищою і нижчою теплотою згоряння залежить від виду палива. Для природного газу вона становить близько 11%. Це призводить до того, коефіцієнт корисної дії, який прийнято визначати за нижчою теплотою згоряння, при повній конденсації може теоретично доходити до 111%. У високоефективному теплообміннику конденсаційного котла гази, що йдуть охолоджуються майже до температури води у зворотній лінії. При цьому ККД наближається до 110% і, отже, практично досягає фізичної кордону.

Ступінь використання теплоти конденсації залежить, в першу чергу, від температурного режиму системи опалення. Чим нижче температура води на вході в конденсаційний апарат, тим глибше можуть бути охолоджені димові гази і тим більш повно може бути використаний ефект конденсації. Цьому питанню надається велике значення при використанні конденсаційного котла в складі опалювальних установок як нових, так і модернізуються. Метою проектування такої установки повинно бути забезпечення якомога більш повної конденсації при будь-якій температурі води у зворотній лінії опалювальної системи. Природно, при реалізації цього завдання слід приділяти увагу і температурі точки роси. Чим вище температура точки роси, тим краще можливості використання теплоти конденсації.


Видалення димових газів

Видалення димових газів, як правило, здійснюється через коаксіальні димоходи, що зазвичай виготовляються з термостійкого пластику. А керований електронікою насос оптимізує потужність опалення, економить електроенергію і знижує шум від протікаючого в опалювальній системі теплоносія.

Яким би досконалим не був котел, ефективність його роботи значною мірою залежить від параметрів системи опалення. Чим нижче температура води, тим більш повно буде відбуватися конденсація водяної пари, а значить, тим більша частка прихованої теплоти буде повертатися в систему. Таким чином, тим вищою буде і ККД котла. Зрозуміло, і систему опалення під конденсаційний котел слід застосовувати відповідну, розраховану на більш низьку температуру теплоносія. При проектуванні потрібно ставити умову, щоб температура теплоносія у зворотному контурі не перевищувала 60 ° С при будь-яких умов зовні. У такому разі при відносно низькій температурі, температура у зворотній лінії складатиме близько 45-50 ° С і котел буде працювати в режимі конденсації. Всі необхідні умови дотримуються в підлогових системах опалення або системах низькотемпературного панельного опалення. Режим конденсації в цьому випадку забезпечується протягом усього періоду опалювання. Необхідна умова для роботи котла в конденсаційному енергозберігаючому режимі — температура теплоносія на вході в котел менше 57 ° С. Чим температура нижче, тим краще буде відбуватися конденсація і тим вищою буде ККД котла.

Але навіть якщо встановити такий котел на місце старого звичайного, не змінюючи систему опалення, все одно більшу частину часу він буде працювати з ефектом конденсації, тобто більш ефективно, ніж старий. Пов’язано це з тим, що самі холодні дні складають в нашому кліматичному поясі близько 10% тривалості опалювального періоду, отже, протягом дев’яти десятих цього періоду конденсація можлива.

Нарешті, конденсаційні газові котли можуть бути як одно-, так і двоконтурними, застосовуваними як для опалення, так і для нагрівання гарячої води, і потужність їх може становити 20-100 кВт. Для побутових цілей цього більш ніж достатньо, а для промислового або офісного застосування випускаються більш потужні моделі у підлоговому виконанні. Пропонуються також комплекти для підключення котлів, розширювальні баки, нейтралізатори конденсату залежно від потужності установки, засоби для нейтралізації, запобіжні пристрої, а також комплекти трубної обв’язки котлів та підключення гідравлічної стрілки, системи відводу димових газів. У Європі це самий масовий тип опалювальних приладів, а в багатьох країнах установка будь-яких інших газових казанів, крім конденсаційних, заборонена. Причина — більш низькі викиди шкідливих речовин і більш високий ККД. Так деякі держави дбають про своїх громадян, забороняючи продавати не економічне і не екологічне обладнання.


Практичне застосування

Вибір системи опалення — тепла підлога або радіаторне опалення — також впливає на економічність конденсаційної установки. Для опалювальних систем з радіаторами часто приймають розрахункову зимову температуру в прямому трубопроводі 70 градусів Цельсія і 50 градусів — у зворотній лінії. Вирішальною для створення умов конденсації є температура зворотної води. Вона повинна бути як можна нижче температури точки роси. Навіть якщо розрахункова зимова температура становить мінус 20 градусів, температура зворотної води саме досягне температури точки роси. Таким чином, конденсаційний котел весь рік працює в області конденсації.
Чим нижче стає температура води у зворотній лінії при зменшенні навантаження, тим вище стає ступінь конденсації в конденсаційному котлі. Тут необхідно зазначити, що протягом опалювального сезону мають місце зовнішні температури, що перевищують розрахункову зимову, тому забезпечуються умови високоефективної експлуатації конденсаційного котла. Якщо замість радіаторного опалення застосовують систему теплої підлоги з температурою подачі 40 градусів і температурою у зворотній лінії 30 градусів, повнота конденсації стає ще вище. У результаті протягом всього опалювального сезону температура зворотної води істотно нижче температури точки роси. Умови роботи конденсаційного котла стають оптимальними, і він працює ще більш ефективно.
При використанні конденсаційного котла утворюється конденсат складає незначну частину сумарного водовідведення і до теплопродуктивності 200 кВт може віддалятися в каналізаційну мережу. При цьому не слід очікувати негативного впливу на роботу каналізаційної системи або осветлітельних установок.