Съвременни газови отоплителни системи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2008

 

Част II. Кондензационни котли, триходови пламъчнотръбни котли
и тъмни лъчисти нагреватели

В предишния брой на списание Инженеринг ревю бяха представени възможности за отопление на големогабаритни производствени помещения със светли лъчисти нагреватели и котелни отоплителни инсталации, базирани на нискотемпературни котли. В настоящия брой се разглеждат специфики в използването на кондензационни котли, както и предимствата и недостатъците на триходови пламъчнотръбни котли и с тъмни лъчисти нагреватели.

Ако разполагате с допълнителна информация по разглежданите теми, застъпник сте на различно становище или бихте желали да направите коментар, не се колебайте да ни пишете.

Конструкция на кондензационните котли

При кондензационните котли е възможно да се постигне по-висока ефективност от характерната за разгледаните в миналия брой на списанието конструкции нискотемпературни котли. Две са основните предпоставки, определящи по-високата им ефективност на работа. Преди всичко тя се дължи на факта, че кондензационните котли оползотворяват съдържащата се в димните газове топлинна енергия, т.е. при тях се оползотворява и горната топлина на изгаряне на горивото.

Това е възможно, благодарение на специфичната конструкция на кондензационните котли, която осигурява кондензация на водните пари, съдържащи се в димните газове, при което с понижаването на температурата им се отделя допълнително количество топлинна енергия. 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. Температурата на димните газове е в пряка зависимост от температурата на връщащата се вода. Обикновено температурата на димните газове 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 вторите температурата на връщащата се вода не трябва да е по-ниска от 60 °С. При кондензационните котли не съществува подобно ограничение. Причината е в специалните топлообменни повърхности на кондензационните котли, които позволяват образуването на конденз по повърхностите с цел оползотворяване на скритата топлинна енергия. 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 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.

Отличават се с висок КПД

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. Топлинната енергия, съдържаща се в изгорелите газове, се отдава през топлообменните повърхности на котелната вода. Температурата на стената на топлообменните повърхности е желателно да бъде под 50 °С, за да се стимулира процесът 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.

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 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 КПД от 97 - 98% за работния диапазон от 30 до 100%.

Загуби при кондензационните котли

За разлика от конвенционалните котли, при които една част от загубите на топлина са резултат от непълно горене, дължащо се на недостатъчното количество въздух в зоната на горене, то при кондензационните съоръжения, благодарение на конструкцията на горелката, загубите от непълно изгаряне са избегнати. Загубите от излъчване и конвекция в околната среда и от изхвърлянето на горещите димни газове в атмосферата също са значително по-малки.

Известно е, че коефициентът на полезно действие на един котел е правопропорционален на топлинната мощност на котела в kW и обратно пропорционален на количеството изгоряло гориво в kg/s или m3/s, както и на долната топлина на изгаряне на горивото в kJ/kg (kJ/m3).

От своя страна, загубите от димни газове са функция на температурата на димните газове (в градуса Целзий), температурата на въздуха, постъпващ в котела (в градуса Целзий), обемното съдържание на кислород в димните газове (в проценти) и обемното съдържани на въглероден диоксид (в проценти). Загубите от димни газове в един котел се определят в относителни единици. Загубите от непълно горене се дължат на наличието на въглероден оксид в димните газове. Загубите от конвекция и излъчване са познати и като остатъчни газове. Определят се като изравнителен член на топлинния баланс. При съвременните конструкции кондензационни котли те са пренебрежимо малки.

Ефективността на работа на един кондензационен котел зависи от конструктивните специфики, топлинната мощност и експлоатационните режими. 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.

Ниски вредни атмосферни емисии

Кондензационните котли освен с природен газ могат да се захранват и с течно гориво. Въпреки че конструктивните различия между кондензационните котли за течно гориво и газ не са съществени, всяко съоръжение е проектирано за работа или с газ, или с течно гориво. Като първоначална инвестиция те са по-скъпи от предлаганите котли традиционно изпълнение, но високият им коефициент на полезно действие на практика намалява цената на произвежданата топлинна енергия. Поради конструктивните си специфики се характеризират с висок коефициент на оползотворяване на горивото и ниски вредни атмосферни емисии. Отличават се с висока сигурност на работа и дълъг 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. Необходимо е, обаче, котелните топлообменни повърхности да бъдат изработени 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 обработка на кондензата

за да се намали киселинността му. В повечето случаи това се приема като сериозен недостатък на кондензационната технология. 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 пазара в страната се предлагат кондензационни котли с различна топлопроизводителност от водещи и недотам доказани производствени компании. Принципно, кондензационните котли 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 с мощност от 80 kW до 6600 kW.

На сериозен интерес сред специалистите се радват и

триходовите пламъчнотръбни котли

които се използват широко в областта на индустрията. Разликата между обикновените триходови котли и пламъчнотръбните е в конструктивното изпълнение на втория ход на котела, който при последните е отделна тръба. По този начин се постига по-голяма топлообменна повърхност, по-високо топлоотдаване и по-висок коефициент на полезно действие. По-високата ефективност на пламъчнотръбните триходови котли се дължи на преминаването на горивната смес през тръби с относително голяма дължина и повторното обръщане на пламъка, дължащо се на третия ход. Включването на допълнителния ход води и до по-дълъг експлоатационен живот на котела.

Важен елемент от конструкцията на триходовите пламъчнотръбни котли са т. нар. турбулатори. Предназначението им е да турбулизират горещия газов поток. Поддържането на турбулентността на горещите газове е основен проблем при триходовите котли. При постъпването си в тръбите, горещият газов поток е турбулентен, но при движението си в тях постепенно става ламинарен, което води до образуване на слой от газове с по-ниска температура, разположен непосредствено до вътрешната повърхност на тръбата. Тъй като температурата на горещите газове вътре в тръбата е значително по-висока от тази на образувания слой, той се оказва бариера, възпрепятстваща топлоотдаването.

Решения за запазване на турбулентността

Технически запазването на турбулентността на потока се постига чрез използването на различни технически решения - диафрагми, планки, спирални лопатки и др. Водещите производители на пламъчнотръбни котли залагат на специфични решения, за да се запази турбулентността на горещите газове и да не се допусне образуването на бариера, понижаваща ефективността на котела. Монтирането на турбулатори не само не допуска превръщането на потока в ламинарен, но и съдейства за повишаване на турбулентността му, т.е. способства за повишаване на КПД на котела. Обикновено турбулаторите се монтират на последния ход на котела.

Друго важно предназначение на турбулаторите е да се постигне относителна равномерност в дебита на потока горещи газове, преминаващи през тръбите. За целта се използват различни специфични като конструктивно изпълнение турбулатори. По този начин, чрез избягване на топлинната стратификация на тръбите, на практика се увеличава животът и се интензифицира топлообменът през стените им, коментират специалисти. В заключение, би могло да се отбележи, че турбулаторите се разглеждат като ценово ефективно решение за намаляване на температурата на газовете в димохода, т.е. за постигане на по-висок КПД.

Въздухът задължително се подава принудително

Триходовите пламъчнотръбни котли могат да работят с течни и газообразни горива. Освен с природен газ, те могат да се захранват с тежко дизелово гориво, нафта или биогаз. Видът на горивото се определя от използваната горелка. При триходовите котли въздухът задължително се подава принудително, което налага използването на вентилаторни горелки. Често работата на котелния агрегат, включващ триходов пламъчнотръбен котел и вентилаторна горелка, е съпроводена с допълнителен шум. Източник на шума е не толкова вентилаторът на горелката, колкото факелът, който излиза от нея под налягане. За решаване на проблема с шума някои производители включват в конструкцията на котелния агрегат определени технически мерки, включително шумозаглушители. Като оптимално място за монтаж на шумозаглушителя се приема мястото на свързване на димохода с котела, твърдят специалисти.

Основни параметри, на основата на които се избира вентилаторна горелка, са мощността на котела, аеродинамичното съпротивление на горивната камера и габаритите й, с отчитане размерите на вече изградено котелно помещение. Добре е да се има предвид фактът, че при триходовите пламъчнотръбни котли, работещи с газ, работата на горелката зависи от налягането на горивото в газопровода.

Стоманени и чугунени триходови котли

Основните материали, от които се изработва горивната камера на триходовите пламъчнотръбни котли, са чугун и стомана. Като материал за стоманените триходови пламъчнотръбни котли се използват специални легирани стоманени сплави, отличаващи се с висока корозионна устойчивост, което допринася за по-дългия им експлоатационен живот. По-високата пластичност на стоманата в сравнение с чугуна дава възможност за изработване на по-сложни конструкции, водещи до по-ефективен топлообмен.

Предимства на чугуна са устойчивостта на корозия и дългият живот на материала. Недостатъците му, в сравнение със стоманата, са неговата крехкост, което го прави по-малко устойчив на топлинни удари и механични повреди. Освен това, чугунът е инерционен материал, т.е. той по-бавно се нагрява и съответно изстива. При равна мощност чугунените котли имат по-големи габарити в сравнение със стоманените, което в редица приложения се приема като недостатък.

Между триходовите котли, изработени от стомана и чугун, съществуват редица конструктивни различия, изразяващи се в техническото изпълнение на отделните ходове. При стоманените котли газоходите са във вид на тръби. Докато при чугунените отделните ходове се реализират чрез специални секции в конструкцията им.

Според специалисти в областта, коефициентът на полезно действие на триходовите чугунени котли достига до 92%, а ефективността на стоманените е от порядъка на 94 - 97%, в зависимост от горелката.

Както бе подчертано в статията, публикувана в предишния брой на списанието, все по-предпочитано решение за отопляване на големи помещения е

Лъчистото отопление

Този вид отопление осигурява равномерно разпределение на температурата на въздуха във височина и в хоризонтална равнина. Повишената повърхностна температура на строителните елементи, ограждащи помещението, позволява да се поддържа по-ниска температура на въздуха, при запазване и дори постигане на по-висок топлинен комфорт на хората. Нагревните повърхности, разпределени обикновено под тавана, не затрудняват реконструкцията и модернизацията на помещенията при необходимост от промяна на функционалното им предназначение или при промяна на технологичния процес.

Друго съществено предимство на лъчистото отопление е намалената запрашеност на помещението, вследствие на по-ниската конвективна подвижност на въздуха. Основно предимство на отоплението с лъчисти нагреватели е, че за разлика от конвективното и топловъздушното отопление, излъчвателите загряват хората в помещението директно, а не вторично - чрез затопляне на въздушното пространство. Отоплението се осъществява с помощта на поток инфрачервена топлинна енергия, излъчвана от разположените непосредствено над работната зона излъчватели. Чрез рефлектори тази енергия се насочва към отопляваната зона, загрявайки повърхността на пода, монтираното в зоната оборудване и работния персонал. Въздухът се загрява предимно от отдадената чрез конвекция топлина от нагретите повърхности. Тази принципна разлика с конвективното отопление позволява не само постигане на по-добър топлинен комфорт за работниците, но е свързана и с икономически ползи. Друго предимство на лъчистите отоплителни системи е краткият период от време, необходим за постигане на топлинен комфорт.

Обект на разглеждане в миналия брой на сп. Инженеринг ревю бяха конструктивните и приложните специфики на светлите лъчисти нагреватели. В настоящия брой са представени

тъмните лъчисти нагреватели

Приемат се като особено подходящи за отопление на помещения с големи обеми - производствени халета, спортни и търговски зали, тъй като над 70% от характерния за приложението им топлообмен се реализира чрез излъчване. Използването им води до значителна икономия на енергия, категорични са специалисти в областта.

Отоплителното тяло при тези системи е изградено от сноп тръби, покрити с топлоизолиран ламаринен кожух. Тръбите могат да бъдат както прави, така и извити под различна форма. Често се среща U-образната форма. Броят на тръбите в един сноп обикновено е от 2 до 6, всяка с диаметър от 180 до 600 mm. Дължината им се определя в зависимост от формата и размерите на помещението. Загряването е чрез директно изгаряне на газ (пропан-бутан или природен газ) или дизелово гориво. За отопление на помещенията с високотемпературни тръби се използват системи с рециркулация или правотокови системи.

При рециркулационните системи отоплителните тела образуват затворен контур, свързан към топловъздушен агрегат с вграден вентилатор и горелка. Горивото от горелката се подава директно в газо-въздушната смес. Циркулацията на сместа се осъществява чрез вентилатора. Системата е свързана с атмосферата и част от сместа непрекъснато се изхвърля, за да се ограничи нарастване на налягането. В случай че се отопляват пожароопасни помещения, агрегатът се монтира в сутерена или върху покрива на сградата. Ако отопляваните помещения не са пожароопасни, ограничения към монтажа на агрегата не съществуват. Възможно е монтирането му на нивото на тръбните снопове или на пода. Коефициентът на полезно действие на система с тъмни лъчисти нагреватели, работеща на газ, достига до 90 - 95%.

Правотоковите системи се използват за местно отопление. При тях една от тръбите изпълнява функцията на горивна камера, а продължението й - на димогарна тръба.

Конструктивни елементи на системата

Основните елементи на инфрачервените системи с нисък интензитет са горивни камери, излъчващи тръби и отражатели, вентилатори и управляващи блокове. Горивните камери представляват стабилизирани пламъчни индукционни или мощни горелки. Запалването се извършва с помощта на запалителни свещи. Регулирането на газовия поток се реализира посредством специализирана регулираща арматура, свързана към термостат. Изходната мощност на инфрачервените системи с нисък интензитет достига до 30 kW.

Излъчващите тръби и рефлекторите по принцип се изработват от кръгли стоманени части. Във функцията на отражатели се използват полирани алуминиеви или стоманени рефлектори, които се монтират над излъчващите тръби, за да насочват отделената лъчиста енергия към пода на отопляваното помещение.

Целта на вентилационната система е отпадъчните продукти от горенето да бъдат отведени извън отопляваната сграда. Съществуват приложения, в които е допустимо отпадъчните газове да бъдат изпускани и в сградата. Работата, настройката и текущото управление на отоплителната система се извършва от блок за управление, който по принцип се монтира в непосредствена близост до горивната камера.

Монтажни специфики

По принцип излъчващите тръби се монтират върху тавана, над съответните отоплявани зони. Счита се, че за постигане на оптимален комфорт в работните помещения тръбите трябва да се монтират на разстояние от 4 до 7 метра над повърхността на пода.

Ефективността на тъмните лъчисти отоплителни системи е от порядъка на 90%, при изпускане на изгорелите газове в сградата. Топлинният им капацитет е в диапазона от 70 да 90% в приложения, при които изгорелите газове се извеждат извън отопляваното помещение. Монтирането на излъчващите тръби на височина над посочената, както и при замърсяване на използваните в конструкцията на системите отражатели, би могло да доведе до сериозно понижение на ефективността на системата (под 70%).




ЕКСКЛУЗИВНО

Top