Кондензационни котли

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2005

 

Технологични и конструктивни специфики, предимства и недостатъци

Кондензационните котли са съвременни съоръжения за производство на топлинна енергия, които оползотворяват горната топлина на изгаряне на горивото. Захранват се с природен газ или течни горива. Въпреки че като първоначална инвестиция са по-скъпи от предлаганите котли традиционно изпълнение, кондензационните котли се отличават с висок коефициент на полезно действие, постигането на който на практика намалява цената на произвежданата топлинна енергия. Поради конструктивните си особености се характеризират с висок коефициент на оползотворяване на горивото и ниски емисии на генерираните вредни атмосферни емисии. Въпреки че са сравнително нови като технология на работа, кондензационни котли от редица водещи европейски компании се предлагат на пазара в страната.

Димните газове

са в диапазона от 5 до 15 °С над температурата на връщащата се вода. Две са основните предпоставки, определящи постиганата от кондензационните котли висока ефективност на работа. Основна конструктивна специфика на кондензационните котли е оползотворяването на скритата топлина при кондензацията на водните пари в димните газове. Също така, в сравнение с традиционно използваните конвенционални котли и дори с нискотемпературните котли за изгаряне на течно гориво и газ, при кондензационните котли се постига много ниска температура на изходящите димни газове. За да се постигне максимална ефективност на един кондензационен котел, той следва да се разглежда като част от системата за отопление. Основание за високата им ефективност дава фактът, че температурата на димните газове е в пряка зависимост от температурата на връщащата се вода. Както бе посочено, тя е в интервала от 5 до 15 °С над температурата на връщащата се вода. Основна разлика между кондензационните котли, от една страна, и обикновените и нискотемпературните, от друга, е, че при последните температурата на връщащата се вода не трябва да е по-ниска от 60 °С. При кондензационните котли няма подобно ограничение. Причината е в специалните топлообменни повърхности на кондензационните котли, които позволяват образуването на конденз по повърхностите им и по този начин се оползотворява скритата топлинна енергия, съдържаща се във водните пари на димните газове. За сравнение, температурата на изходящите димни газове при съвременните нискотемпературни котли е в интервала 110 - 120 °С. Посочените стойности са осреднени на базата на посочената от производители на кондензационни и нискотемпературни котли производствена ефективност. Следва да се има предвид, че на пазара се предлагат съоръжения, базирани на двете технологии, с производствена ефективност извън описания диапазон на охлаждане на димните газове.

Оползотворяват латентната топлина

Доказано е, че при изпарението на 1 нормален куб. метър природен газ се отделя около 1 литър вода, която е под формата на водни пари. Принципни конструктивни схеми на нискотемпературен и кондензационен котел са показани на фиг. 1a и б. Необходимият за горенето въздух се засмуква отвън или от помещението, в зависимост от конструкцията на котела, чрез вентилатор. Горивната смес се образува в горелката, където впоследствие се запалва. В процеса на изгарянето на горивото се отделя т.нар. явна топлина Qд. Топлинната енергия, съдържаща се в изгорелите газове, се отдава през топлообменните повърхности на котелната вода. Температурата на стената на топлообменните повърхности е желателно трябва да е под 50 °С, за да се стимулира процес на кондензация. Водата, съдържаща се в димните газове, кондензира и се дренира в дренажен сифон. В процеса на кондензация на водните пари се отделя латентна (скрита) топлинна енергия. Следователно, във възможностите на кондензационната технология е да оползотворява горната топлина на изгаряне Qг на горивото, която, както е известно, представлява сума от явната топлина Qд (долната топлина на изгаряне) и топлината Qкн, съдържаща се във водните пари в димните газове.

Конструкцията на предлаганите на пазара кондензационни котли е изградена на принципа на противотока, което осигурява бързо охлаждане на димните газове и образуването на конденз. При някои производители подаването на връщащата вода е разделено на две с цел постигане на постоянно ниска температура по топлообменните повърхности. По този начин се постига повишаване на коефициента на използване на горивото. При стандартните горивни съоръжения скоростта на вентилатора е константна, а се променя количеството на подаваното гориво в зоната на горене. В процеса на модулация на мощността се изменя съотношението на горивото спрямо въздуха. Следователно, поддържането на оптимално съотношение между между горивото и въздуха е трудно постижимо. По тази причина в някои конструкции кондензационни котли се използва дюза на Лавал и скоростта на вентилатора е променлива, т.е. модулирането на мощността се извършва чрез регулиране на скоростта на вентилатора и респективно чрез количеството на подавания въздух. Посредством дюзата на Лавал количеството на подавания въздух се засмуква пропорционално на количеството гориво, с което се постига автоматично оптимално съотношение между горивото и въздуха. Това е определящо за увеличаването на коефициента на полезно действие на котела минимум с 5%. Според експерти, кондензационни котли, снабдени с този вид горелка, са с гарантиран минимален КПД от 97 - 98% за работния диапазон от 30 до 100%.

Коефициент на използване на горивото над 100%?

Невъзможността да се оползотвори изцяло топлотворността на горивото се дължи на загубите от непълно горене, излъчване и конвекция на околната среда, както и на извхърлянето на горещите димни газове. Известно е, че коефициентът на полезно действие на всеки котел, включително и на кондензационните, се определя по зависимостта:

hк = Qk/B.Qд = mt.ct.(tb - tи)/B.Qд,

където Qk е топлинната мощност на котела в kW, mt е дебитът на топлоносителя, преминаващ през котела в m3/s, ст - специфичният топлинен капацитет на топлоносителя в kJ/kg °С, tb/tи - температура на топлоносителя на изхода, респективно входа на котела в °С, В - количество на изгорялото гориво за единица време в m3/s или l/s, и Qд - долната топлина на изгаряне на горивото в kJ/kg.

Ефективността на работа на един кондензационен котел зависи от конструктивните специфики, топлинната мощност и експлоатационните режими. Според производители и специалисти, занимаващи се с инженеринг и поддръжка на такива съоръжения, коефициентът на използване на горивото при кондензационните котли може да достигне до 109%. За да се постигне максимален коефициент на използване на горивото е необходимо кондензационните котли да се използват в отоплителни инсталации, при които е осигурена ниска температура на работния флуид, например подово отопление или отопление чрез топловъздушни апарати.

На фиг. 2 е показано в графичен вид съотношението между разхода на гориво и ефективността на работа, характерни за стандартен, нискотемпературен и кондензационен котел с мощности от 200, 500 и 1000 kW. От графиката е видно, че при 500 kW котел повишаването на ефективността само с 2% води до икономия на гориво от порядъка на 2000 l или m3 годишно. За експлоатационен период от 20 години, това е равносилно на годишна икономия от 42 000 l или m3, уверяват специалисти.

Както бе подчертано, препоръчително е кондензационните котли да се използват в инсталации, поддържащи ниски изчислителни температури на топлоносителя. Работа на котела с температура на работния флуид над 75 °С е непрепоръчителна.

Топлинните загуби са минимални

За разлика от конвенционалните котли, при които загубите от димни газове формират съществена част от общите топлинни загуби, при кондензационните технологии тези загуби са минимални. Загубите от непълно горене се дължат на недостатъчното количество въздух в зоната на горене. При новите кондензационни котли, благодарение на конструкцията на горелката, загубите от непълно изгаряне са избегнати. Третият вид топлинни загуби - от конвекция и излъчване, са известни още като остатъчни загуби. При съвременните конструкции котли традиционно изпълнение са от порядъка на 0.5 до 2%, но при кондензационните котли са съществено по-ниски.

Класификация на кондензационните котли

Основен признак за класификация на кондензационните котли е топлопроизводителността им. Според този критерий, котлите се разделят в три групи - малки с мощност до 60 kW, средни - до 600 kW, и големи с мощност над 600 kW. Масово предлаганите на пазара кондензационни котли са с мощност от 4 до 1000 kW. Редица производители са разработили и кондензационни топлообменници на димните газове. По този начин монтирането на топлообменника след нискотемпературен котел го превръща в кондензационен, уверяват специалисти. Предлагат се кондензационни топлообменници от 80 kW до 6600 kW.

Друга основна характеристика на котлите е видът на използваното гориво. Както бе посочено, кондензационните котли работят на природен газ или течно гориво. Конструктивните различия между кондензационните котли за течно гориво и газ не са съществени. Въпреки това, всеки кондензационен котел е проектиран за работа или с газ, или с течно гориво. Друг признак за класификация на котлите е видът на използваното горивно устройство. На базата на този признак кондензационните котли се разделят в няколко групи, сред които с горелка с вентилатор, при които въздухът се засмуква от помещението или отвън, с променлива скорост на вентилатора или с модулиране на количеството гориво. Други характеристики на кондензационните котли са използваната конструктивна схема на топлообменните повърхности, траекторията на димните газове и др. Основен признак за класиране на кондензационните котли е материалът, от който са изработени топлообменните повърхности. Предлагат се конструкции от алуминиеви сплави, чугун и неръждаема стомана.

Недостатъци на кондензната технология

Освен предимства, като всяко техническо решение, кондензатната технология за производство на топлинна енергия се характеризира и с редица недостатъци. Сред тях е необходимостта от изработване на котелните топлообменни повърхности от корозионноустойчив материал. В приложения, при които котелът се използва за битово приложение, отделеният кондензат се изхвърля, но при големи мощности на съоръжението се налага задължителна допълнителна обработка на кондензата, за да се намали киселинността му. Според редица специалисти това не е недостатък, а предимство, защото стойността на обработката на кондензата с цел отделяне на вредните вещества от него е по-евтино и по-лесно за обслужване, в сравнение с подобни устройства за димни газове. На практика, основният недостатък на кондензационните котли в крайна сметка си остава цената им.

Предимства на кондензационните котли

Основно предимство на кондензационната отоплителна технология е високата й ефективност. Кондензационните технологии са и екологосъобразни, тъй като подобреното използване на горивото води до по-ниска консумация на гориво и следователно до минимизиране на генерираните емисии от вредни вещества в атмосферата. Друго предимство е високата сигурност на работа и дългият експлоатационен живот, които се постигат при коректно проектирана, изпълнена и поддържана инсталация. При правилно проектиране, котелът работи през повечето време в кондензационен режим и агресивният конденз се образува в него, което позволява димоотвеждащата система да бъде изработена от по-евтини материали, например PVC, подчертават специалисти.

Съвременните кондензационни котли разполагат с вградено автоматично регулиране на горивния процес и температурата на котела, в зависимост от температурата на околната среда. Предлагат се и модели, снабдени с най-съвременни възможности, включително дистанционно управление на работата им.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top