Настенныекотлы, работающие на газовом топливе, наравне с напольными, широко используются для отопления зданий. Теплота, производимая данными устройствами, зависит от конструктивных особенностей, а КПД составляет около 92%. Стремясь наиболее эффективно расходовать энергоносители, фирмы-производители газового отопительного оборудования пытаются создать такую технику, которая производила бы максимум возможного тепла из имеющихся в наличии возможностей. Наряду с бесконечными усовершенствованиями отдельных узлов и оборудования в целом, они пытаются внедрять новейшие технологии, пользующиеся большим одобрением как среди экологов, так и среди развитого общества.
На данный момент получение большего КПД при других не меняющихся условиях становится возможным за счет использования энергии окружающей среды. За данными технологиями будущее, и уже сейчас они все активней внедряются в нашу жизнь. Но внедрение идет не настолько быстро, чтобы описывать данный процесс, как революцию. Популярностью данное оборудование, конечно же, пользуется, но, если говорить о России, то это происходит только на теоретическом уровне. Единичные случаи применения скорее являются исключением и не приводят к массовому распространению на рынке. Поэтому из-за отсутствия большого спроса цена на данное оборудование не конкурентна по сравнению с широко распространенными газовыми котлами.
Если в обычномкотле принцип работы достаточно прост — тепло от сгорания газа передается на теплообменник и через него посредством теплоносителя по трубам на нагревательные приборы (радиаторы отопления), то в конденсатной технике совокупный отбор тепла отличается от традиционной схемы. Здесь для передачи тепла теплообменнику используется не только явная, но и скрытая теплота продуктов сгорания — теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания.
При сгорании природного газа в смеси с воздухом за счет разрыва молекулярных связей молекулы метана выделяется теплота, и образуются новые вещества: двуокись углерода СО2 — около 8% по объему, вода Н2О — 10–11% по объему и небольшое количество окислов азота NOx и углерода СО. Остальной объем отходящих газов составляют не окислившийся азот и не прореагировавший кислород (2–3% остаточного О2).
Продукты сгорания отдают теплоту протекающему через теплообменник теплоносителю, нагревая его и охлаждаясь сами. При этом они отдают так называемую “явную” или “ощущаемую” часть своей теплоты
Если продукты сгорания охладить ниже определенного значения температуры до, так называемой, “точки росы”, то содержащийся в продуктах сгорания пар начнет конденсироваться, то есть переходить из газообразного состояния в жидкое. При этом выделяется “теплота фазового перехода” — теплота, которую надо придать воде для изменения фазового состояния. Это количество теплоты является физическим свойством воды. Оно равняется 2260 кДж на килограмм испарившейся или сконденсировавшейся воды и 334 кДж на килограмм замерзшей или растаявшей воды.
Процесс поглощения или выделения “скрытой” теплоты иллюстрирует пример, показанный на рис. 1.
Если кусок льда массой 1 кг начать нагревать, то лед будет повышать свою температуру до точки таяния, которая при нормальных условиях составляет 0°C (точка 1). После этого, несмотря на продолжающийся нагрев, лед не будет повышать свою температуру, а будет переходить из твердого состояния в жидкое, пока весь не растает (до точки 2). Количество израсходованной для нагрева теплоты, необходимое для совершения фазового перехода, будет численно равняться теплоте фазового перехода воды из твердого состояния в жидкое и составит 334 кДж. Продолжая нагревать воду, мы повысим ее температуру до тех пор, пока она не достигнет температуры точки кипения 100°C (точка 3). Несмотря на продолжающийся нагрев, вода не будет изменять свою температуру. Подводимая к ней в это время теплота будет расходоваться на переход воды из жидкой фазы в газообразное состояние. За время, в течение которого вся вода (1 кг) выкипит (точка 4), количество теплоты составит 2260 кДж. Это и будет “скрытая” теплота фазового перехода, которой теперь обладает водяной пар, хотя его температура не изменилась и по-прежнему равняется 100°C.
После перехода всего количества воды в газообразное состояние можно продолжить нагрев самого пара (до точки 5). Перегретый водяной пар c температурой выше точки кипения и содержится в горячих продуктах сгорания. Часть выделившейся при горении химической теплоты горения, а именно 2260 кДж на килограмм образовавшегося пара, содержится в них виде “скрытой” теплоты водяного пара, которая может быть использована только в результате обратного перехода воды из газообразной фазы в жидкую.
Если охлаждать 1 кг перегретого пара, его температура будет понижаться пока не достигнет температуры конденсации (от точки 5 до точки 6). При атмосферном давлении эта температура для насыщенного пара также будет равняться 100°C. В течение некоторого времени температура пара, несмотря на отводимую от него теплоту, меняться не будет. Это и есть процесс “возвращения” затраченной при испарении “скрытой” теплоты. После того, как мы отведем от пара то количество теплоты, которое затратили на его испарение (2260 кДж), весь пар перейдет в жидкое состояние (точка 7) и температура образовавшегося конденсата (воды) при продолжающемся отводе теплоты будет уменьшаться, пока не достигнет температуры замерзания 0°C. Для того, чтобы перевести 1 кг жидкой воды в твердое состояние потребуется отвести от нее такое же количество теплоты, которое мы затратили прежде на то, чтобы растопить 1 кг льда, превратив его в воду (334 кДж).
На данном примере показан лишь принцип фазового перехода и расшифровано понятие “скрытой теплоты пара”. Здесь не учитываются самые разнообразные факторы, влияющие на процесс в реальной жизни. Температура точки росы, в зависимости от конкретных условий, может быть различной.
Конденсатные котлы создают условия для выпадения конденсата водяных паров из продуктов сгорания, извлечения и дальнейшего использования их “скрытой” теплоты. Это производится путем охлаждения в специальном теплообменнике продуктов сгорания и содержащегося в них водяного пара ниже точки росы.
До какой температуры необходимо производить охлаждение продуктов сгорания, чтобы добиться выпадения конденсата, нахождения “точки росы”, зависит от состава отработанных газов и содержания в них водяных паров. Практическое значение, однако, представляет не содержание влаги в продуктах сгорания, которое с трудом поддается измерению, а непосредственно связанные с ним величины содержания двуокиси углерода СО2 (в % от объема) в продуктах сгорания и коэффициент воздуха. Зависимость точки росы от вида сгораемого топлива, процентного содержания СО2 и влажности водяных паров в процентах по объему представлена на рис. 2.
С процентным содержанием СО2 в продуктах сгорания напрямую связана величина коэффициента избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха (лямбда) — это отношение фактически содержащегося в газовоздушной смеси количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания газа. Как видно из рис. 3, чем ниже этот коэффициент, тем выше лежит точка начала конденсации водяных паров из продуктов сгорания (например, при лямбда = 1,1 конденсация начинается при охлаждении продуктов сгорания до 56°C, а при лямбда = 2 — только при 40°C). Из выше сказанного вытекают условия максимального использования “скрытой” теплоты водяных паров конденсирующими аппаратами:
1. Система отопления, в которой установлен газовый конденсатный теплогенератор, должна работать как можно с более низкими температурами теплоносителя (особенно важна температура обратной линии, так как конденсация начинается в хвостовых частях котла, омываемых обратным теплоносителем). 2. Конденсатный теплогенератор должен иметь высокоэффективный теплообменник, чтобы успеть охладить продукты сгорания ниже точки росы за время их прохождения через него.
3. Конденсатный теплогенератор должен работать с как можно меньшим коэффициентом избытка воздуха лямбда.
Из этого вытекает, что максимального эффекта — наиболее полного использования энергии сжигаемого топлива — можно добиться только при эксплуатации конденсатного котла в низкотемпературной системе отопления, работающей большую часть отопительного сезона, когда температура обратной линии поддерживается ниже температуры точки росы.
Исходя из 2-го и 3-го условий, конденсатный котел должен иметь также высокоэффективную горелку, которая позволила бы получить качественную, хорошо смешанную газовоздушную смесь даже при небольшом коэффициенте избытка воздуха, поддерживала этот коэффициент на минимальном уровне в процессе работы и была бы способна преодолеть высокое аэродинамическое сопротивление поверхностей специального теплообменника. По этой причине в конденсатных котлах используют вентиляторные горелки с полным предварительным смешением газа и воздуха.
При выполнении выше названных условий за счет частичного извлечения скрытой теплоты конденсации водяных паров и передачу ее в систему отопления современные конденсирующие теплогенераторы способны полезно использовать до 6–9% (в зависимости от расчетных значений температуры систем отопления) скрытой теплоты, содержащейся в продуктах сгорания смеси воздуха и природного газа, в которой скрыто 11% от всей теплоты, образующейся при сгорании.
Зависимость количества образующегося конденсата и связанно с этим КПД от меняющейся в течение отопительного периода температуры обратной линии показана на рис. 4. В среднем за отопительный сезон современные конденсирующие (конденсатные) газовые котлы способны достигать КПД до 106–108%, рассчитанного относительно низшей удельной теплоты сгорания.
Описание принципа работы конденсатного котла дает четкое представление о частичной невозможности максимально эффективно использовать его в российских условиях. Как уже было отмечено выше, наибольшая эффективность, а соответственно повышенный КПД, достигается при работе котла в низкотемпературной системе отопления. Когда речь идет о странах с достаточно мягкими климатическими условиями, где для отопления помещений достаточно применения низкотемпературных отопительных контуров, использование такой техники действительно целесообразно. Но даже в средней полосе России, при температуре окружающей среды зимой –20°C, эксплуатация отопительного котла в низкотемпературном режиме для отопления отдельного здания не принята — воздух в помещении может просто не прогреться.
Положительные стороны низкотемпературной системы отопления в настоящее время все больше пропагандируются. Действительно, температура в помещении более комфортна по сравнению с обычными системами, увеличивается срок эксплуатации оборудования, появляется возможность использования современных полимерных материалов (труб, фитингов), рассчитанных на невысокую температуру, пропадает опасность случайного ожога и т.д.
С одной стороны, все преимущества налицо. Но с другой стороны, это является привнесенным с европейского рынка и адаптировано в первую очередь к европейским условиям. Практически каждый европейский производитель газового отопительного оборудования в своем ассортименте имеет конденсатную технику.
Конечно, проникновение передовых технологий на российский рынок это хорошо, но когда все плюсы этих новшеств не могут полностью реализоваться или ограничены территориальным использованием, говорить о повсеместном внедрении такой продукции наравне с традиционными установками рано.
Высокая стоимость конденсатных котлов при низкой стоимости газа — один из факторов, ограничивающих спрос на них в России.