Конденсационный котёл: принцип работы и химический анализ

Принципы работы конденсационных котлов

Газовые котлы, как неотъемлемая часть современной системы отопления, уже давно вошли в нашу жизнь. Но мало кто слышал и мало кто знает, что принцип работы конденсационного котла обеспечивает высокую степень экономии.

Схема конденсационного котла с двумя теплообменниками.

Сравнение газового и конденсационного котла

Чтобы понять принцип действия конденсационного газового котла, необходимо рассмотреть работу обычного котла, работающего на газу.

Работа обычного газового котла

В котел подается газ, где он сгорает. Сильно нагретые газы, проходя через теплообменник, почти всю свою энергию отдают теплоносителю системы отопления. Однако ключевое слово здесь «почти». После этого отходящие газы выбрасываются в атмосферу через дымоходную систему. Но поскольку в один момент отходящие газы просто не могут передать всю свою энергию, то в дымоход уходит и некоторая ее часть.

Эта энергия уходит в виде водяного пара.

Работа конденсационного газового котла

Схема устройства газового котла.

Принцип работы такого котла основывается на способности пара превращаться в жидкость при его охлаждении. В процессе перехода воды из одного агрегатного состояния в другое всегда высвобождается некоторое количество тепловой энергии. Вот именно эта часть энергии и помогает экономить на топливе, а также увеличивает КПД такого котла.

Если в обычном приборе идет постоянная борьба с конденсатом, то конденсационный котел как раз только приветствует его образование.

Конденсация пара происходит в специальной камере, которая называется теплообменником. Такой теплообменник имеет большую площадь, чем другие газовые котлы. Здесь происходит отбор тепловой энергии и возврат ее в систему отопления.

Стоит заметить, что то количество тепла, которое получается при сжигании некоторого объема топлива вместе с теплом, образованном при конденсации, называют высшей теплотой, если не учитывать энергию конденсации — низшую теплоту.

Если принять за 100% всю энергию от сгорания топлива в котле без учета процесса конденсации, то высшая теплота составляет примерно 111%.

Однако эти цифры показывают, что, благодаря конденсированию пара, получается еще дополнительных 11% тепловой энергии. Причем эти 11% образуются без добавления топлива.

Хотя, конечно, по всем законам физики вечный двигатель просто невозможен и при совершении какой-либо работы потери энергии просто неизбежны. По этой причине КПД в 100% достичь просто невозможно. Однако в данном случае КПД для такого котла рассчитывается без учета энергии, полученной из конденсированного пара.

Схема работы напольного газового котла.

Например, в современном газовом котле распределение энергии такое:

93% — это полезная энергия;
1% потери (лучистое тепло);
6% потери (удаляются в атмосферу вместе с отходящими газами).

Что касается конденсационного котла, то лучистые потери тепла остаются примерно на том же уровне, то есть около 1%, а вот вместо них в систему возвращается примерно 11% процентов энергии, которая образовалась в процессе конденсации пара.

Стоит заметить, что конструкция теплообменника более полно использует и энергию отходящих газов. Здесь потери составляют уже не 6% , как в обычных котлах, а порядка 2%. Это позволяет прибавить к КПД конденсационного котла еще 4%.

Если вести точку отсчета КПД от низшей теплоты, то с учетом всего вышесказанного можно действительно убедиться, что КПД котла больше 100%, то есть сумма 93%, 11% и 4% равна 108%.

Следует заметить, что данные цифры никак не отражают работу конденсационного котла, они всего лишь помогают увидеть разницу. Если в обычном котле КПД один, то конденсационный котел имеет КПД на 15% выше.

При этом количество сгоревшего газа остается одинаковым. Это означает, что достигается экономия топлива на 15%.

Конденсационный котел: принцип действия

Схема работы конденсационного котла.

Как уже стало понятно, конденсационный котел работает так, что отходящие газы, которые несут в себе некоторое количество тепла, попадают в специальный отсек, в котором происходит конденсация этого пара, а выделяемая энергия поступает обратно.

Стоит заметить, что конденсация пара наступает только в так называемой точке росы, что для простой воды составляет примерно 50 градусов.

Таким образом, основной задачей перед инженерами, которые проектируют подобные газовые установки, состоит в том, чтобы просто не дать отходящим газам, имеющим температуру выше данной, покинуть пределы котла.

Чтобы решить эту задачу, были спроектированы и разработаны теплообменные камеры специальной конструкции. Такие теплообменники обеспечивают наиболее полный отбор тепловой энергии путем снижения температуры газов до температуры точки росы. Вся отобранная тепловая энергия, как уже было сказано, возвращается в систему отопления.

Принцип работы такого теплообменника заключается в следующем. Чтобы конденсация пара была возможной, применяется обратная линия отопления, которая содержит воду. Конденсация происходит тем интенсивнее, чем ниже температура этой обратной воды. Разумеется, что максимальная температура не должна превышать 50 градусов, а иначе конденсация вовсе будет невозможной.

Получается, что чем ниже температура, тем выше КПД котла. Это видно из сравнения:

при температуре воды в прямом и обратном трубопроводе системы отопления 40 и 30 градусов соответственно — КПД котла условно равен 108%;
при температуре воды в прямом и обратном трубопроводе системы отопления 70 и 60 градусов соответственно — КПД котла условно равен 104%;
при температуре воды в прямом и обратном трубопроводе системы отопления 90 и 75 градусов соответственно — КПД котла условно равен 98%.

Схема монтажа котла отопления.

Стоит заметить, что данный показатель даже при максимально высоких температурах выше, чем у котлов, которые не используют данный принцип действия.

Помимо того что принцип работы обеспечивает высокий КПД всей отопительной системы, экономия достигается и другим показателем. Газовые горелки такого современного оборудования способны очень точно рассчитать и по этим расчетам приготовить горючую смесь (газ и воздух) таким образом, чтобы достигалось ее максимальное сгорание при выбранном режиме работы котла.

Это приводит не только к экономии топлива, но и к снижению вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, по той причине, что температура выходных газов не превышает 45 градусов, а иногда и гораздо ниже, есть возможность изготовления дымоходных систем из обычной пластмассы.

Факторы, влияющие на производительность котла

Из вышеописанного становится понятным, что от самого котла зависит многое, но не все. Эффективность котла зависит и от некоторых параметров каждой конкретной системы отопления. Например, от температуры циркулирующей в ней воды. Чем ниже температуры прямого и обратного потока воды, тем выше степень конденсации.

Становится понятным, что наилучшим температурным режимом будет пара температур 40/30 градусов. Такой температурой обладают почти все напольные системы, а также панельные низкотемпературные системы отопления. При таких температурных режимах процесс работы котла основан на постоянной конденсации пара.

Если брать в рассмотрение радиаторные системы отопления, которые являются сейчас самыми распространенными, то в них эффективность значительно ниже, но остается высокой. Кроме того, в некоторые периоды, самые холодные, требуется максимальная температура теплоносителя. Это приводит к тому, что отходящие газы нагреваются больше чем на 50 градусов. В таком случае конденсация становится невозможной и эффективность котла резко снижается.

Схема системы отопления.

Становится понятным, что если сильно не нагревать теплоноситель, то конденсационный котел способен выдавать максимальную производительность. Такой режим работы возможен только тогда, когда само здание достаточно теплое и требуется лишь поддерживать определенный температурный режим. В свою очередь это возможно при максимальном снижении уровня тепловых потерь здания, что достигается его утеплением.

Стоит заметить и тот факт, что принцип работы котла позволяет регулировать его мгновенную мощность, то есть производительность в каждый момент времени. Однако вручную сделать это правильно достаточно сложно. Поэтому, чтобы повысить эффективность, была создана система автоматической регулировки, которая получила название погодозависимой. Принцип ее работы заключается в том, что с переменой температуры наружного воздуха, она автоматически увеличивает или уменьшает температуру теплоносителя.

Такая автоматика позволяет максимально долго удерживать температуру обратного потока ниже 50 градусов.

Стоит заметить одно большое преимущество таких котлов: при средней мощности в 24 кВт за один сезон эксплуатации образуется в среднем 1200 литров конденсата. При этом кислотность такого пара составляет примерно 3,5 единицы. Это позволяет сливать такой пар даже в систему центральной канализации. Кислотность не превышает допустимых норм при мощности ниже 50 кВт.

Химический анализ работы газовых котлов

Итак, становится понятен принцип работы котла. Однако не совсем понятно, откуда берется пар, почему такие требования по кислотности и так далее.

Для детального рассмотрения этого вопроса придется изучить процесс горения с химической точки зрения.

Конденсационные газовые котлы в качестве топлива используют сжиженный или природный газ. При сгорании жидкого топлива в большом объеме выделяется водород и углерод. По этой причине топливо получило название углеводородного. Поскольку ни один процесс горения не возможен без кислорода, то в камеру сгорания подается воздух, в котором содержится азот и кислород.

Конденсационные котлы именно этим процессом отличаются от других газовых установок.

Добавить комментарий

Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.