Часть 1. Теоретические основы
Уникальность географического расположения России, при котором около 27 % добываемых энергоресурсов тратится на отопление, предопределила развитие отопления как отрасли.
1. Топливо и основы горения
Как правило, в качестве первичной энергии для водогрейных котлов используют различные виды органического топлива. По агрегатному состоянию все виды органического топлива делятся на газообразное, жидкое и твердое.
Газообразное топливо – это, прежде всего, природный газ. На долю России приходится примерно 1/3 всех разведанных запасов природного газа, поэтому на большей части нашей территории (европейская часть, Западная Сибирь, Урал и др.) в крупных городах газ доступен, а цена его (с учетом высоких потребительских качеств) сравнительно невысока.
Природный газ состоит, главным образом, из метана СН4, а также небольшого количества более тяжелых углеводородов: этана С2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10 и др.
Газ некоторых месторождений, кроме углеводородов, содержит и другие горючие компоненты: водород Н2 и оксид углерода СО. Из негорючих компонентов в состав газа входят азот N2 и диоксид углерода СО2.
В табл. 1 приведены технические характеристики природного газа из нескольких месторождений Российской Федерации.
Таблица 1. Состав и плотность газов основных газовых месторождений
При добыче нефти, как правило, приходится иметь дело с попутными газами, в которых значительно меньше СН4, но зато количество тяжелых углеводородов составляет уже десятки процентов. Количество и качество попутного газа зависят от состава сырой нефти и ее стабилизации на месте добычи (только стабилизированная нефть считается подготовленной для дальнейшей транспортировки по трубопроводам или в танкерах).
Кроме природных и попутных газов, в промышленности иногда используются различные искусственные газы. На предприятиях металлургической промышленности (доменное производство и коксовые печи) образуется большое количество низкокалорийного доменного газа (Qri = 4,0–5,0 МДж/м3) и среднекалорийного коксового газа (Qri = 17–19 МДж/м3), содержащего Н2, СН4, СО и другие горючие газообразные компоненты.
Таблица 2. Состав и плотность промышленных газов
В некоторых странах, не столь богатых природным газом, как Россия, существует целая отрасль промышленности, занятая производством генераторных газов, часто называемых синтезгазами. Разработаны методы и создано оборудование для получения удобного при использовании в быту топлива путем газификации твердого органического топлива: угля, сланцев, торфа, древесины. В случае применения в качестве окислителя обычного воздуха получают низкокалорийный (3–5 МДж/м3) газ, а газификация на кислородном дутье позволяет получить среднекалорийный газ с Qri = 16–17 МДж/м3. Такой газ, в отличие от низкокалорийного, можно применять не только на месте получения, но и транспортировать на некоторое расстояние. Состав генераторного газа определяют исходное топливо и технология его газификации.
Однако в условиях российской действительности, при сравнительно низких ценах на природный газ, все виды генераторного газа оказываются неконкурентоспособными по сравнению с природным. Тем не менее в некоторых случаях (при отсутствии вблизи объекта газовых магистралей или необходимости утилизировать содержащие органические вещества отходы производства) практикуют установку газификаторов с воздушным или паровоздушным дутьем для получения газовой смеси, содержащей Н2, СО и небольшое количество углеводородов, что позволяет обеспечить газообразным топливом отопительные котлы с автоматизированными горелками и высоким КПД.
Во второй половине прошлого века в промышленном масштабе было налажено производство сжиженного природного газа (СПГ) – топлива, которое на первой и последней стадиях своего существования является газом, но при транспортировке и хранении ведет себя как жидкое топливо (обеспечивая тем самым широкий рынок для реализации на огромных территориях, куда невозможно или нецелесообразно прокладывать газовую магистраль). Получается СПГ путем сжижения природного газа за счет охлаждения его до температуры ниже – 160 °С. После регазификации на месте потребления СПГ не теряет свойств, характерных для обычного природного газа, т. е. имеет такую же теплоту сгорания, как исходный природный газ: 48,1 МДж/м3. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим при транспортировке и хранении СПГ, его плотность составляет 385 кг/м3. Понятно, что при такой температуре хранить и перевозить СПГ приходится в специальных (криогенных) емкостях. Стоимость таких установок достаточно высока, однако цена сжиженного природного газа существенно ниже стоимости аналогичного продукта – сжиженного углеводородного газа, более известного под названием пропан-бутановой смеси.
Таблица 3. Характеристики некоторых видов газообразного топлива, используемых в Европе
Сырьем для получения пропан-бутановых смесей, широко используемых в жилищно-бытовом секторе, является главным образом попутный газ нефтедобычи. Другой источник сжиженного газа – нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), на которые поступает сырая нефть, содержащая сжиженные нефтяные газы. В процессе дистилляции они улавливаются, причем их выход составляет 2–3 % объема перерабатываемой нефти. Теплота сгорания этого топлива и другие его характеристики зависят от соотношения между содержанием бутана и пропана.
В табл. 3 приведены основные характеристики пропан-бутановой смеси и еще нескольких видов газообразного топлива, на которые обычно рассчитывают свои горелки европейские поставщики водогрейных котлов на российский рынок.
Жидкое топливо – это продукты переработки сырой нефти. В водогрейных котлах небольшой мощности сжигают обычно дизельное топливо, солярку или легкие сорта мазута. В крупных водогрейных котлах, устанавливаемых на районных станциях теплоснабжения, допускается применение более тяжелых сортов топочного мазута (марки М40 и М100). На нефтепромыслах в качестве топлива для котлов иногда используют отбензиненную сырую нефть.
Качество жидкого топлива определяется составом исходной сырой нефти, а также технологией ее переработки. Основная характеристика жидкого топлива, определяющая условия его транспорта и сжигания, – вязкость. Характеристики вязкости различных видов жидкого топлива представлены на диаграмме (рис. 1).
Рис. 1. Характеристики вязкости различных видов жидкого топлива
На процесс сжигания жидкого топлива влияют и другие характеристики: зольность, содержание влаги и, особенно, содержание серы. Важное значение имеют также температура вспышки и температура застывания. Теплота сгорания различных марок жидкого топлива составляет, как правило, 39,8–41,9 МДж/кг (9500–10 000 ккал/кг).
С точки зрения обеспечения надежной работы топливной аппаратуры и котельной установки в целом, самое подходящее жидкое топливо, безусловно, – дизельное, теплота сгорания которого 10 180 ккал/кг. В большинстве его видов практически нет механических примесей, а содержание серы даже в тяжелых марках дизельного топлива не превышает 0,5 %. Благодаря этому не возникает проблем с коррозией поверхностей нагрева котлов и загрязнением атмосферы сернистым ангидридом. Очень важные достоинства дизельного топлива – низкая температура застывания и хорошее распыливание в топках водогрейных котлов.
В некоторых европейских странах все виды котельного топлива делят на дистиллянтные (в российской практике – печное топливо) и остаточные (мазут). Печное топливо получают при термическом и каталитическом крекинге нефтепродуктов. Оно применяется главным образом для отопления зданий, а также на железнодорожном транспорте и в промышленности. В Великобритании печное топливо называют «бытовым», во Франции – «легким», в США – «форсуночным». Деление печного топлива на сорта производится в зависимости от его вязкости, которая во многом определяет назначение топлива и наиболее подходящий тип форсунки.
Вполне пригодны для использования в небольших отопительных котлах и легкие сорта мазута, в первую очередь – флотские: Ф5 и Ф12. К важным достоинствам этих марок жидкого топлива можно отнести невысокую вязкость: у Ф5, например, при температуре 50 °С она не превышает 5 градусов условной вязкости (°ВУ). Кроме того, флотские мазуты отличаются низкими температурой застывания (–5 °С), зольностью (не более 0,1 % по массе) и высокой теплотой сгорания (Qri = 41,3 МДж/кг).
Топочные мазуты, в отличие от флотских, являются тяжелыми крекинг-остатками или их смесями с мазутами прямой перегонки. Помимо высокой вязкости и плюсовой температуры застывания, в топочных мазутах допускается более высокое содержание механических примесей, серы и воды. Всё это создает существенные трудности при хранении и сжигании топочных мазутов в водогрейных котлах малой мощности.
В табл. 4 приведены основные характеристики жидких топлив, на которые рассчитаны горелки и котлы поставщиков оборудования из Европы.
Таблица 4. Характеристики различных видов жидкого топлива
В тех регионах, где природный газ отсутствует, а использование жидкого топлива оказывается неприемлемым по финансовым соображениям, можно встретить водогрейные котлы на твердом топливе. К нему относятся различные виды угля (каменный, бурый, антрацит), а также торф, сланцы и различные виды отходов (как промышленных, так и твердых бытовых отходов – ТБО). По организации топочного процесса к этой группе топлива принадлежит и биотопливо, т. е. древесина, отходы лесозаготовки, деревопереработки, целлюлозно-бумажного и сельскохозяйственного производства.
В последние годы проблему отопления в некоторых районах все чаще решают за счет отходов лесопереработки. В дело идут сырая и влажная щепа, низкосортная древесина, опилки и другие виды древесного топлива.
Использование каждого из видов топлива требует специальной организации топочного процесса. Уголь, как правило, сжигается в виде кусков определенного размера, подаваемых на неподвижную или механическую решетку. Через отверстия в решетке в слой поступает воздух, содержащий необходимый для горения кислород.
К твердому топливу, подаваемому на решетку, предъявляются специфические требования: оно не должно иметь слишком крупных кусков и слишком мелких фракций (последние будут проваливаться через решетку или уноситься с продуктами горения). Поэтому для водогрейных котлов (особенно небольших, используемых в автономных системах теплоснабжения) поставляются сортированный уголь или специальные виды обработанного твердого топлива: брикеты, гранулы или пеллеты, приготовленные из древесных отходов.
Как известно, твердое топливо, кроме органической массы, содержит негорючие минеральные примеси. Поэтому после его сгорания образуются очаговые остатки: шлак и зола. Следовательно, в конструкцию водогрейных котлов, рассчитанных на сжигание твердого топлива, должны быть заложены приспособления для сбора и периодического (а еще лучше – непрерывного) удаления очаговых остатков. Кроме того, крупные водогрейные котлы, устанавливаемые в промышленных котельных или в районных станциях теплоснабжения (РСТ), необходимо оборудовать золоулавливающими аппаратами для очистки дымовых газов от содержащихся в них золовых частиц. В качестве таких золоуловителей могут использоваться батарейные циклоны, мокрые скрубберы, эмульгаторы, а в случае более жестких требований – электро– или тканевые фильтры.
В продуктах сгорания содержится некоторое количество водяных паров, источники которых – влага топлива (в торфе, например, ее содержание превышает 50 % по массе), влага, поступающая в котел вместе с воздухом, и, наконец, водород, присутствующий во всех видах топлива (но особенно много его в природном и попутных газах). При полном сгорании водород превращается в Н2О.
Если продукты сгорания покидают котел в виде дымовых газов при температуре, превышающей температуру «точки росы», то КПД котла, разумеется, всегда будет меньше 100 %. Но если обеспечить конденсацию Н2О в дымовых газах (например, при снижении температуры газов за счет уменьшения температуры воды на входе в котел), можно дополнительно использовать скрытую теплоту парообразования.
Раньше создатели водогрейных котлов сознательно добивались того, чтобы пары воды не конденсировались, а покидали котел в газообразном виде. Дело в том, что конденсат водяных паров для обычных котлов отнюдь не безвреден: за счет растворения в нем диоксида углерода СО2 образуется агрессивная среда, вызывающая интенсивную межкристаллитную коррозию стали, из которой изготавливали поверхности нагрева.
Особенно возрастает опасность коррозии в случае использования серосодержащих топлив, когда в продуктах сгорания содержатся оксиды серы. Но в 90-х гг. прошлого века разработчики отопительных котлов решили воспользоваться достижениями металлургов, которые к тому времени создали коррозионно-стойкие легкие сплавы и нержавеющую сталь. Из них были произведены водогрейные котлы с конденсацией водяных паров, что позволило полезно использовать скрытую теплоту парообразования. Благодаря этому теплоиспользование в новых котлах существенно увеличилось, и в лучших образцах конденсационных котлов удалось приблизиться к максимально возможному повышению КПД.
2. Общая классификация котлов
Необходимость отапливать небольшие площади, малая емкость теплоносителя, низкая теплоаккумулирующая способность, а также высокие требования к компактности установленного оборудования накладывают ограничения на конструктивное исполнение бытовых котлов. Тот факт, что бытовые установки не предполагают резервных агрегатов, говорит о надежности их работы и продолжительности межсервисных периодов.
В зависимости от требований потребителей (мощность, потребность в горячей воде, площадь, необходимая для установки оборудования и т. д.) изменяется и конструкция котлов. Кроме того, в разных странах к котлостроителям предъявляют узкоспецифические требования, присущие только данному региону: в Италии, например, важен внешний вид (в частности, лучшим цветом для котла считается белый); в США дизайн, за который потребитель платить не желает, приносят в жертву надежности и безопасности, а в Германии к появлению вначале конденсационных котлов, а затем котлов на топливных элементах привела мода на высокотехнологичные автоматизированные и экономичные котельные.
Россия сегодня не только производит, но и импортирует отопительную технику. Вследствие этого классификация котлов разнообразна и многокритериальна.
2.1. По виду энергоносителя
Исторически основным энергоносителем в нашей стране было твердое топливо, точнее – дрова, обладающие низкой плотностью горючих веществ на единицу массы. Это значит, что данный вид топлива пригоден лишь для отопления небольших помещений вследствие невозможности обеспечения длительного горения и необходимости постоянной загрузки в топку новых порций топлива.
Современные бытовые дровяные котлы конструируются для работы на пеллетах (гранулированная древесина размером 15–20 мм), в этом случае появляется возможность оборудовать котел устройством непрерывной подачи топлива.
Также для автоматизированной подачи твердого топлива могут применяться и сортированный высококачественный каменный уголь, и угольные брикеты. Большинство котлов и аппаратов не приспособлены для сжигания низкосортных видов топлива с малым выходом летучих веществ (антрациты, полуантрациты). Верхний предел фракций угля во избежание неполного горения не должен превышать 50 мм, а нижний, в связи с ограниченностью тяги и отсутствием принудительного дутья, – 13 мм. КПД современных твердотопливных котлов – до 85 %.
Преимущества твердотопливных котлов:
– возможность использования в районах с избытком древесины и отсутствием других энергоносителей;
– доступность и сравнительно низкая стоимость топлива.
Недостаток:
– не могут работать в полностью автоматическом режиме и требуют регулярной загрузки топлива.
Ассортимент твердотопливных котлов заметно беднее, чем газовых или жидкотопливных. В России широкое распространение получили котлы на твердом топливе производства фирм Viadrus, Dakon, Atmos, Opop (Чехия), Olymp (Германия), Jama (Финляндия). Встречаются также зарубежные котлы с возможностью комбинированного сжигания, в том числе – для твердого топлива (CTC, Dakon, Roca, Demir Dokum). Отечественные производители представлены котлами ЗИОСАБ, «Пламя», КИМ, «Жарок», КС-Т, КС-ТГ, АТВ.
Котлы, использующие твердое топливо, можно разделить на три основные группы:
– традиционные твердотопливные;
– газогенераторные;
– многотопливные.
Появление регуляторов, способных автоматически поддерживать заданную температуру теплоносителя на выходе из котла, позволяет твердотопливным котлам работать с экономичностью, ненамного уступающей жидкотопливным. Автоматическое поддержание температуры осуществляется с помощью термостата, отслеживающего температуру теплоносителя в котле. При превышении заданной температуры происходит автоматическое прикрытие заслонки, и процесс горения замедляется, при понижении – заслонка приоткрывается.
При выборе твердотопливного котла можно руководствоваться табл. 5, в которой приведена ориентировочная высота дымовой трубы, в зависимости от ее внутренних размеров и мощности котла.
Таблица 5. Высота дымовой трубы
При сжигании в котлах каменного угля возникают трудности с его розжигом, поскольку он имеет высокую температуру воспламенения. Если в доме имеется горелка, работающая на сжиженном (баллонном) газе, розжиг можно облегчить. Если топливом являются дрова, то это низкокалорийное топливо целесообразно сжигать в «шахтных» топках с высоким слоем, в которых оно горит длительное время.
Как правило, точно (оптимально) выбранный и отрегулированный котел должен обеспечивать непрерывную работу не менее 6–8 ч на одной загрузке топлива.
Газогенераторные котлы используют газификационный способ сжигания древесины – процесс горения при недостатке кислорода с образованием генераторного газа, состоящего наполовину из азота воздуха, а наполовину – из смеси угарного газа, водорода, углекислого газа и метана. Главное их достоинство состоит в том, что КПД может достигать 90 %. Кроме того, обеспечивается высокая способность регулировать мощность в диапазоне от 70 до 100 %. Стоит также отметить, что у газификационного котла топливная камера может быть существенно большего объема, чем у традиционных твердотопливных теплогенераторов, и загружать его необходимо реже.
В газогенераторных котлах горят не только сами дрова, но и древесный газ, выделяющийся из дров под воздействием высокой (до 1000 °С) температуры. При таком сжигании не образуется CO и практически отсутствует зола. Недостаток таких котлов – необходимость подключения электричества.
В газогенераторных котлах можно сжигать все виды древесины, древесные отходы и брикеты с влажностью не более 20–25 %.
Несмотря на то, что жидкое топливо является ценнейшим сырьем для нефтехимии, примерно 40 % всех бытовых котлов сжигают либо дизельное и печное топливо, либо легкие сорта мазута. Естественно, требования к экономичному, экологичному и безопасному горению предъявляются не только к горелкам, но и к котельным установкам. В то же время, конструктивно топочные камеры котлов, сжигающих жидкое топливо, схожи с котлами на газе, в отличие, к примеру, от твердотопливных топок. В основном тут учитываются требования эффективного теплосъема и удобства монтажа и обслуживания (осмотр, чистка, удаление отложений).
Преимущества:
– независимость от наружных коммуникаций (автономность работы);
– более «либеральные» требования к установке и эксплуатации;
– теплота сгорания выше, чем у твердого топлива.
Недостатки:
– необходимость в топливохранилище;
– высокая (на 50 % дороже газа) стоимость жидкого топлива.
Природный газ – самое распространенное на сегодня топливо для отопительных котлов. В разных регионах можно встретить сжигание как природного газа – метана (СН4), так и сжиженного: пропана С3Н8 либо в смеси с бутаном С4Н10.
Чаще встречается сжигание биогаза и попутного газа.
Колеблется также и теплота сгорания различных газов, так как природный газ имеет Qph от 8,5 до 11,5 кВт · ч/м3, а сжиженный – от 25 до 34 кВт · ч/м3.
Преимущества природного газа относительно других видов топлива – дешевизна и компактное газовое хозяйство. Правда, следует учитывать строгость норм по установке оборудования.
2.2. По наличию функции ГВС
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.
ПримерПроточный 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.
ПримерНакопительный 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.
2.2.1.Температура 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
2.2.2. Подключение бойлера
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).
2.3. По виду горелки
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 NOх. 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 NOх.
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
2.4. По виду камеры сгорания
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.
2.5. По размещению
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.
2.6. Дополнительная классификация
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 Qri)при сжигании природного газа достигает 107–109 %.
2.7. Конструкция конденсационных котлов
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, NOх, 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.
3.1. Комбинированные горелки
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.
3.2. Жидкотопливные горелки
При сжигании жидкого топлива в топочную камеру подается распыленное топливо – капли дизельного или печного топлива. В результате распыления многократно увеличивается поверхность частиц жидкого топлива, а значит, и скорость его сгорания. Устройство, которое обеспечивает распыление жидкого топлива, называется форсункой. Благодаря ей из каждой капли жидкого топлива диаметром 1 мм получается миллион капель диаметром 10 мкм, что приводит к увеличению поверхности испарения в 600 раз.
В горелках, которые устанавливают на водогрейные котлы небольшой мощности, обычно используют механические форсунки. В них распыление осуществляется за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие (сопло) или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании потока топлива.
Обычно на головке механической форсунки имеется маркировка, содержащая все необходимые сведения: расход топлива (при определенном давлении вязкости топлива), угол раскрытия и тип конуса (полый, полный, универсальный), дата изготовления форсунки, и т. д.
Механические форсунки могут быть традиционного или возвратного типа. Первые работают с постоянным давлением, и все поступающее к форсунке топливо выходит из нее в топку в распыленном виде. Форсунки возвратного типа – это механические форсунки с внутренней рециркуляцией жидкого топлива. Они несколько сложнее традиционных, но имеют значительно больший диапазон регулирования. Применяют такие форсунки обычно в модулируемых горелках, которые обеспечивают экономичную работу установки при переменных нагрузках.
4. Теплообменники и камеры сгорания
Современные бытовые отопительные котлы на 85 % состоят из поверхности теплообменника, являющегося важнейшим элементом конструкции. В зависимости от того, как геометрически сконструирован теплообменник котла, а также из какого материала он сделан, во многом определяются экономические и экологические характеристики котельного агрегата.
Можно выделить три основных материала, применяющихся для изготовления теплообменников: медь, сталь, чугун. В последнее время на рынке стали появляться котлы с теплообменниками из нержавеющей стали и алюминиевых сплавов. Самые простые технологически – стальные. Именно они в большей мере распространены среди продукции отечественных котлостроителей. Основные достоинства котлов со стальными теплообменниками – относительно невысокая цена и хорошая пластичность материала. Последнее имеет большое значение, так как в процессе эксплуатации теплообменник периодически подвергается прямому тепловому воздействию пламени горелки, вследствие чего в нем возникают так называемые тепловые напряжения, способные привести к образованию трещин в корпусе теплообменника.
К недостаткам стальных теплообменников относится их подверженность коррозии. В процессе работы котла коррозионному воздействию подвергаются как внутренняя, так и наружная поверхности теплообменника, вследствие чего может произойти его разрушение.
Минусами стального теплообменника являются также его сравнительно большие вес и объем – характеристики, отражающие степень инерционности. Другими словами, часть газа будет расходоваться на нагрев теплообменника и находящейся в нем воды, т. е. не все тепло используется по назначению – на нагрев теплоносителя. Чем больше вес и внутренний объем теплообменника, тем больше топлива будет израсходовано напрасно.
Следующий вариант – чугунный теплообменник. Он характеризуется стойкостью к коррозии и долговечностью. Чугун предъявляет высокие требования к соблюдению правил проектирования и эксплуатации котла. Его неравномерный нагрев (например, из-за появления отложений в надгорелочной части при использовании плохо подготовленной воды) вызывает растрескивание материала. Существует также опасность растрескивания чугунного теплообменника из-за разности температур в зоне нагрева и в месте входа в него воды из обратной линии системы отопления. Чтобы избежать этого, в схему включают дополнительный элемент – четырехходовой смесительный клапан, добавляющий в «обратку» на входе в котел горячую воду из прямой линии. Если вместо обещанных 20 лет эксплуатации чугунный теплообменник прослужил сезон, продавец, как правило, сославшись на несоблюдение условий эксплуатации, отказывается бесплатно выполнить замену теплообменника, стоимость которого часто составляет 50–60 % стоимости котла. К сожалению, наиболее уязвимыми оказываются именно дорогие импортные котлы, и связано это с высокой технологией литья, позволяющей изготавливать теплообменники с более тонкими стенками. Уместно сравнение чугунного теплообменника с качественным мощным автомобилем: при условии высоких эксплуатационных расходов он будет служить долго и надежно, обеспечивая необходимый комфорт.
Рис. 17. Прессовочный материал для сборки котла с чугунным теплообменником
Рис. 18. Котел с чугунным теплообменником
Минусы чугунных теплообменников – высокая стоимость, хрупкость (подверженность образованию трещин при неправильной эксплуатации), высокая инерционность, вследствие большого веса и объема, а также громоздкость.
Рис. 19. Медный теплообменник
Последний тип теплообменника – медный. Его положительные качества – устойчивость к коррозии, небольшой вес и объем (низкая инерционность), компактность. К недостаткам медных теплообменников принято относить низкую надежность. Но в настоящее время это, скорее, дань традиции, чем объективная реальность. Дело в том, что медный теплообменник способен при значительно меньших размерах передавать больше тепла, и на единицу его массы приходится значительно большее тепловое воздействие, чем у стального и, особенно, чугунного. Именно поэтому в котлах старых конструкций теплообменник быстро разрушался. В современных котлах по мере нагрева воды мощность горелки уменьшается до 30 % (а у некоторых моделей и более), снижается и температурное воздействие на теплообменник, что продлевает срок его службы. Практика показывает: по долговечности медные теплообменники котлов, оснащенных необходимыми функциями, практически не уступают чугунным.
5. Системы дымоудаления
Система удаления продуктов сгорания, как и система подачи воздуха на горение, требует повышенного внимания при установке отопительных котлов внутри жилых зданий. Как известно, для поквартирных систем теплоснабжения и ГВС используют теплогенераторы двух типов: с открытой и закрытой камерой сгорания. Первые несколько дешевле, но для своей работы требуют определенного количества воздуха, которое не может быть получено посредством обычной системы вентиляции жилых помещений (т. е. через форточки). Это требует дополнительных затрат на создание системы приточной вентиляции и подогрева воздуха в холодное время года. Для теплогенераторов с закрытой камерой сгорания таких проблем не существует, так как воздух, необходимый для горения, поступает в них из-за пределов помещения, а продукты горения выводятся наружу и не попадают в атмосферу жилого помещения. Применение теплогенераторов с открытой камерой сгорания разрешено в жилых домах этажностью не выше пяти. Этажность домов, оборудованных котлами с закрытой камерой сгорания, никак не ограничивается. В таких домах все известные системы дымоудаления и воздухозабора можно разделить на три группы:
– раздельные (для каждого котла) дымоудаление и воздухозабор через общие, пронизывающие несколько этажей, дымоход и воздуховод;
– индивидуальный воздухозабор через наружную стену и дымоудаление в общий дымоход;
– дымоудаление и воздухозабор через индивидуальный коаксиальный коллектор.
Рис. 20. Различные варианты дымоудаления и подачи воздуха на горение
Первый вариант рекомендуется для случая, когда к общим коллекторам присоединяется не более восьми котлов, по одному на каждом этаже. Если здание имеет более высокую этажность, рекомендуется предусматривать дополнительные коллективные дымоходы и воздуховоды. Эти стояки желательно устанавливать внутри здания, чтобы в холодное время года снизить возможность образования конденсата на внутренней стороне дымохода и внешней поверхности воздуховода.
При индивидуальном заборе воздуха приходится использовать теплоизолированные воздуховоды, так как в зимние месяцы на их наружной поверхности образуется конденсат, который при сильных морозах может появиться даже на стенках воздухозаборной камеры котла.
Наиболее перспективным считается третий вариант, предполагающий индивидуальный коаксиальный коллектор для дымоудаления и воздухозабора. Однако при сильных российских морозах на оголовке стандартного коаксиального коллектора может образоваться ледяная сосулька, препятствующая поступлению воздуха в котел. С другой стороны, поскольку газоотводящий трубопровод в таких схемах всегда омывается воздухом для горения, требования по плотности для жилых помещений выполняются автоматически.
Основным российским документом, определяющим правила устройства систем удаления продуктов сгорания и подвода воздуха к бытовым котлам, является СНиП 41-01-2003. Европейские требования для систем отвода газов и подвода воздуха для горения сформулированы в Технических правилах DVGW-TRGI.
6. Котлы на твердом топливе
Использование твердого топлива (угля, торфа, древесных отходов и т. д.) для отопительных котлов небольшой мощности создает ряд серьезных проблем. И тем не менее доступность и цена твердого топлива (особенно при сопоставлении с постоянно растущими ценами на легкое жидкое топливо и природный газ) заставляют многих владельцев загородных домов использовать именно этот вид топлива. Проблема эксплуатации котлов на твердом топливе – это, в первую очередь, невозможность автоматизации топочного процесса, требующего периодического применения ручного труда; наличие в твердом топливе минеральной массы, создающее трудности, связанные с удалением шлака, а в некоторых случаях – еще и очистки дымовых газов от золы уноса.
Перечисленные проблемы легко решаются при установке твердотопливных котлов в крупных отопительных или промышленных котельных, где предполагается наличие постоянного обслуживающего персонала. Для таких котельных изготовители энергетического оборудования поставляют надежные и экономичные установки различной конструкции.
Обычно жаротрубные твердотопливные котлы, в отличие от аналогов на жидком и газообразном топливе, поставляются заказчику в виде трех блоков: собственно котел, выносная топка с механической решеткой и золоуловитель. Только после очистки в золоуловителе дымовые газы поступают к дымососу и далее – к дымовой трубе. У некоторых жаротрубных котлов (например, Candor немецкой фирмы Standardkessel) цепная механическая решетка вставлена непосредственно в жаровую трубу.
Отечественные производители также предлагают большой выбор отопительных котлов на твердом топливе, но, как правило, водотрубных. Понятно, что такие котлы можно использовать только в котельных, при наличии квалифицированного обслуживающего персонала. Но при желании на российском рынке можно найти и твердотопливные котлы для индивидуального (и даже поквартирного) отопления.
Все разнообразие таких котлов можно разделить на три группы: традиционные бытовые, пиролизные и универсальные многотопливные.
Традиционные котлы работают на сортированном угле, древесине, торфяных брикетах и коксе. Они имеют сравнительно невысокий (70–80 %) КПД и, как уже отмечалось, не поддаются автоматизации. В последнее время, правда, появились импортные котлы, способные автоматически поддерживать заданную температуру теплоносителя. Главные достоинства котлов этого класса – энергонезависимость и невысокая цена.
Одним из примеров такого оборудования являются венгерские котлы Carborobot мощностью от 40 до 300 кВт. Работа различных модификаций котлов Carborobot характеризуется сравнительно высоким (75–86 %) КПД, низкой (с учетом работы на угле) концентрацией оксидов азота – 400 мг/м3, минимальными выбросами сажистых частиц.
Установка рассчитана на сжигание дробленого бурого угля с теплотой сгорания 12–20 МДж/кг. Важным достоинством котла является возможность длительной (до 5 дней) работы в пассивном режиме. По сигналу от блока управления он начинает повышать мощность. Вмешательство пользователя в работу котла требуется только для загрузки бункера, удаления шлака и золы. Котел может регулироваться комнатным термостатом или по температуре теплоносителя. На основе полученных от датчиков сигналов блок управления начинает останавливать подачу угля, включает и выключает вентилятор.
Универсальные котлы предполагают наличие не только топочной камеры для сжигания твердого топлива, но и газовой или жидкотопливной горелки. Такие котлы особенно удобны, например, при отсрочке подведения газа или неустойчивом снабжении потребителя жидким топливом.
6.1. Пеллетные котлы
Для России котлы, топливом для которых служат пеллеты (гранулы, изготовленные из древесных отходов), – относительно новый вид отопительного оборудования. Да и в мировом масштабе история пеллет и теплогенераторов, использующих в качестве топлива древесные гранулы, началась сравнительно недавно. Вызванный мировым нефтяным кризисом 1970-х, поиск новых источников энергии привел к созданию первой пеллетной фабрики в штате Орегон (США). Оставалось только найти возможность сделать отопление пеллетами таким же комфортным, как отопление газовыми или жидкотопливными котлами.
Первая пеллетная печь для частного дома была разработана американским конструктором Джерри Уайтфилдом и впервые представлена на выставке в штате Невада в 1984 г. В большинстве стран Европы пеллеты начали применяться в начале 1990-х, прежде всего в странах, которые исторически были тесно связаны с переработкой древесного сырья: Швеция и Дания, а в середине 1990-х – и Австрия открыли для себя преимущества древесных гранул.
В России первые заводы по производству древесных гранул появились около шести лет назад и работали главным образом на экспорт. Еще три-четыре года назад доля внутреннего рынка потребления производимых в России гранул составляла около 5 % от общего объема всех произведенных в РФ пеллет, сегодня – не менее 30 %. На российском рынке появляются новые инвесторы, начали проявлять интерес к этому направлению крупные деревообрабатывающие предприятия и предприятия ТЭК. В настоящее время в ряде российских регионов производство пеллет, их доставка владельцам котлов, установка и сервисное обслуживание пеллетных теплогенераторов стали весьма серьезным бизнесом.
Гранулированное древесное топливо имеет высокую (не менее 18 МДж/кг) теплоту сгорания и характеризуется низкой (не более 1 %) зольностью. Таким образом, примерно 2 кг пеллет способны заменить 1 л жидкого топлива легких сортов (EL), а очистку пеллетного котла от золы нужно будет проводить не более шести раз в год.
Рис. 21. Древесные гранулы (пеллеты)
Главное преимущество пеллетных котлов перед другими видами твердотопливных генераторов тепла заключается в возможности автоматизации подачи топлива: пеллеты поступают в аппарат из бункера посредством шнекового или пневматического транспортера. Таким образом, владелец такого теплогенератора избавляется от необходимости каждые 6–8 ч загружать в топку топливо. На одной загрузке пеллетный котел может работать довольно продолжительное время (конкретные цифры зависят от объема топливного бункера и зольника, а также ряда других условий). От пользователя требуется только сделать необходимые настройки, время от времени загружать пеллетами топливный бункер и периодически производить очистку зольника (отметим, что некоторые модели пеллетных генераторов тепла оборудуются автоматическим устройством удаления золы) – за всей остальной работой следит автоматика котла.
Теплогенераторы, предназначенные для сжигания пеллет, оборудуются объемной или факельной горелкой. Решетка горелочного устройства объемного типа находится внутри котла. Топливо поджигается с помощью раскаленной электрической спирали (при включенном вентиляторе, подающем воздух для поддержания процесса горения). У наиболее простых моделей пеллетных котлов розжиг горелки осуществляется вручную – в горелку наливают зажигательную жидкость и поджигают топливо спичкой.
Факельная горелка, которая монтируется с внешней стороны котла, по сравнению с устройством объемного горения обладает меньшим КПД.
Большинство пеллетных котлов – аппараты, предназначенные для напольной установки. Но существуют и настенные теплогенераторы, работающие на древесных гранулах. Например, германская компания Guntamatic Heiztechnik предлагает пеллетные «настенники» Therm мощностью 7 кВт. Такой аппарат вешается на стену обслуживаемого помещения, а бункер с пеллетами размещается в подсобке или снаружи дома. Подача топлива производится по полимерному шлангу под действием разрежения, создаваемого встроенным вентилятором. Сначала пеллеты поступают в расходную емкость, расположенную в корпусе котла, а затем с помощью компактного шнекового механизма дозированно подается в камеру сгорания.
Помимо пеллетных теплогенераторов естественного горения существуют еще газификационные пеллетные котлы. Примером такого оборудования может служить установка pellettop (Solarfocus, Австрия). Она имеет встроенный топливный бункер, в нижней части которого находится шнек – с его помощью пеллеты подаются в газификационную камеру. Находясь на колосниковой решетке, которая нагревается до температуры свыше 1000 °C, пеллеты разлагаются с образованием горючего газа. Такая технология обеспечивает достаточно большой (94,9 %) КПД котла.
Заметим, что ряд производителей, выпускающих пеллетные котлы, предлагают также комбинированные аппараты, которые могут работать как на древесных гранулах, так и на других видах топлива. Например, котел EKO-CK Pellet Plus-Unit (Wirbel) состоит из двух раздельных камер сгорания, одна из которых предназначена для сжигания дров, а другая – для сжигания пеллет.
Существуют и другие варианты комбинаций. Например, уже упоминавшаяся компания Solarfocus имеет в своем «арсенале» модуль octoplus, объединяющий в себе пеллетный котел и гелиотермическую установку. Эта система состоит из бака-накопителя емкостью 500 л со встроенными гладкотрубным змеевиком контура солнечных коллекторов и теплообменными трубами, по которым движутся продукты сгорания. Панель управления координирует работу гелиоконтура, пеллетной горелки, систем отопления и ГВС. При этом в первую очередь используется солнечное тепло; котел включается только тогда, когда этой энергии недостаточно.
7. Вакуумные котлы
Основной идеей, заложенной в конструкцию вакуумного котла, является совмещение известной схемы жаротрубного парового котла с трубчатым теплообменным аппаратом.
Котел представляет собой единый котельный блок, состоящий из цилиндрической нижней и прямоугольной верхней частей (рис. 22). В нижней части находится топочная камера со встроенными подъемными трубами, а в верхней вакуумной камере располагаются (в зависимости от производителя) либо U-образные трубы теплообменников отопления и ГВС (вертикальные ваккумные котлы), либо трубный пучок водоподогревателя (горизонтальные вакуумные котлы).
Рис. 22. Принцип работы вакуумного котла Booster
Перед началом работы в вакуумную камеру котла единственный раз заливается очищенная и химически подготовленная вода и создается вакуум.
Сгорая в топочной камере и проходя через конвективный пучок, продукты сгорания отдают тепло промежуточному теплоносителю – воде. Она кипит под разрежением при температуре 80–90 °С и превращается в пар, который отдает тепло, конденсируясь на поверхностях теплообмена трубчатых теплообменников. По ним в этот момент проходит вода, предназначенная для отопления или горячего водоснабжения. Образующийся конденсат стекает обратно в зону кипения. Нагретая вода отводится в систему теплоснабжения или ГВС. Таким образом, теплообменник нагревается не пламенем горелки, а косвенно – вакуумным паром.
Особенности конструкции вакуумных котлов обуславливают их преимущества:
– передача тепла через промежуточный теплоноситель (пар) без кипения. Вакуумный пар имеет температуру ниже кипения нагреваемой среды, поэтому даже при остановке сетевого насоса сетевая вода, находящаяся в трубках теплообменника при давлении выше атмосферного не закипит и не сможет создать твердых отложений;
– благодаря двум раздельным контурам внутрикотловая вода не сообщается с водой контуров отопления и горячего водоснабжения, препятствуя заносу примесей и образованию накипи;
– не требуется питательных устройств на котле и мероприятий по водоподготовке, так как вода циркулирует по замкнутому контуру;
– отсутствие кислорода в котле продлевает срок службы аппарата;
– первый пуск из холодного состояния до достижения номинальных параметров занимает не более 5 минут;
– вакуумные котлы имеют естественную циркуляцию, что позволяет экономить электроэнергию;
– безопасность в эксплуатации – при соблюдении правил монтажа благодаря вакууму в котле исключена возможность взрыва.
8. Электрические котлы
Один из вариантов решения проблем автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения – применение электрических котлов. У них масса преимуществ по сравнению с любыми котлами на органическом топливе. Электрические котлы характеризуют сравнительная простота конструкции и компактность. Они не требуют специально оборудованного места для их установки. В отличие от любых котлов на газообразном, жидком или твердом топливе электрокотлы не нуждаются в дымоходах и подводе воздуха, их работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
Всему этому противостоит только один недостаток – высокая стоимость электроэнергии как основного ресурса. Впрочем, имеются большие регионы (например, вблизи крупных гидроэлектростанций и при значительном удалении от газовых магистралей), в которых электрокотлы оказываются вполне конкурентоспособными. А при двухтарифной системе оплаты электроэнергии можно сравнительно дешево решить проблемы отопления и ГВС, используя различные способы аккумулирования тепла.
Что касается принципиального устройства, то большинство моделей электрокотлов можно разделить на две группы: ТЭНовые и электродные. Последние обеспечивают нагрев воды за счет пропуска через нее электрического тока. Напряжение, прилагаемое к помещенным в воду электродам, ионизирует ее, однако явление электролиза не наблюдается, так как катод и анод постоянно меняются местами в зависимости от частоты электрической сети. Количество выделяющегося при этом тепла пропорционально силе тока и сопротивлению котловой воды.
Вода в электродных котлах – одновременно и теплоноситель, и элемент электрической сети. Поэтому дистиллированную воду вследствие ее малой проводимости в электродных котлах использовать нельзя. Некоторые компании-производители предлагают для электродных котлов специальные составы.
Значительно чаще в системах автономного теплоснабжения встречаются ТЭНовые электрокотлы. Для нагрева теплоносителя в них используются трубчатые электронагреватели (ТЭНы), конструктивно представляющие собой прочную металлическую оболочку из стали, алюминия или титана с размещенной внутри нихромовой спиралью и контактными стержнями. От оболочки спираль отделена спрессованным диэлектрическим наполнителем: периклазом – оксидом магния (MgО) или кварцевым песком, обладающим хорошей теплопроводностью. Для предохранения от попадания внутрь ТЭНов влаги их концы герметизируются.
В электрических котлах, как правило, используют патронные ТЭНы, т. е. одноконцевые, с контактными выводами, расположенными по одну сторону нагревателя. Реже встречаются двухконцевые ТЭНы, у которых контактные выводы расположены с двух сторон.
В качестве примера приведем устройство ТЭНового котла словацкой фирмы Protherm (рис. 23). Внутри емкости теплообменника размещаются один или несколько ТЭНов. Как правило, в качестве материала для емкости производители используют обычную углеродистую сталь, но некоторые предпочитают медь, нержавеющую сталь или другие материалы, обладающие повышенной коррозионной стойкостью.
Рис. 23. Устройство ТЭНового котла (Protherm)
Как теплоноситель (особенно в условиях России с ее суровыми зимами и нестабильностью источников энергии) предпочтительнее использовать не воду, а специальные незамерзающие жидкости (бытовой антифриз и др.). Снаружи емкость покрыта теплоизолирующими материалами.
ТЭНовые электрокотлы для бытовых целей выпускаются мощностью от 4 до 50 кВт. Приборы мощностью до 10 кВт могут быть одно– или трехфазными. При более высокой мощности, как правило, производители предлагают трехфазные модели.
На рынке присутствуют и котлы с иными типами нагревательных элементов. Например, в котлах «Галакс» фирмы «Галан» используются пленочные нагреватели, изготовленные по технологии трафаретной печати, применявшейся в электронной промышленности. По эффективности, простоте монтажа, ремонта, стоимости отопления 1 м2 помещения, материалоемкости на 1 кВт мощности котла и т. п. пленочные аппараты аналогичны электродным, но имеют ряд преимуществ, в частности, не требуют подготовки воды и работают на любых теплоносителях, предназначенных для отопительных систем. Отсутствие теплового барьера между нагревательным слоем и основанием из нержавеющей стали позволяет оптимизировать эксплуатационные характеристики (управляемость, КПД, скорость разогрева теплоносителя) при одновременном снижении номинальной потребляемой мощности на 15–25 %. В этих котлах тепловыделяющий элемент, равномерно распределенный по всей поверхности цилиндрического нагревателя, не контактирует с теплоносителем, не создает ему гидравлического сопротивления. Пленочный нагреватель обеспечивает высокий КПД, котел имеет малую тепловую инерционность, его мощность легко регулировать, в том числе плавно.
В котле «Сапфир» фирмы «РусНИТ» применен нагревательный элемент ПЭНМ, выполненный в виде медной трубы, на которую нанесен изоляционный слой, а на него – спиралевидный резистивный из вольфрама. Электрический ток нагревает его, медную трубу (проточную емкость) и теплоноситель в ней. Применение ПЭНМ позволяет значительно упростить конструкцию и уменьшить габариты электрокотлов. В них предусмотрено плавное регулирование температуры теплоносителя от 35 до 85 °С в пределах каждой ступени мощности (33, 66, 100 %)
Реализуется в электрокотлах и нагрев, основанный на электромагнитной индукции. При этом установка имеет конструкцию, схожую с трансформатором, который состоит из двух контуров. Первичный – магнитная система, вторичный – теплообменное устройство или ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент). Под воздействием переменного магнитного поля в ТВЭЛ индуцируются токи, вызывающие его нагрев, который передается теплоносителю. Среди достоинств индукционных котлов – отсутствие нагревательных элементов, что исключает возможность выхода из строя самого котла и разъемных соединений в его конструкции, снижение образования накипи, электробезопасность, возможность изготовления моделей с широкими диапазонами температуры и давления, работа практически с любыми теплоносителями.
Недостатки индукционных котлов: более высокая стоимость по сравнению с ТЭНовыми и электродными (в бытовом сегменте в среднем в два – три раза соответственно), большие размеры и масса (в три – восемь раз), трудность в организации плавной регулировки мощности.
Конец ознакомительного фрагмента.