Нискотемпературни отоплителни инсталации

Техническото развитие на отоплителните инсталации е в посока постигане на по-висока ефективност на работа, по-ниски експлоатационни разходи, по-малки количества вредни вещества, съпътстващи отработването на използваното гориво. В тази връзка през последните години пазарният дял на т.нар. нискотемпературни отоплителни инсталации бележи възходящ ръст. Отношение към увеличения интерес в посока изграждането на нискотемпературни инсталации, при които добър топлинен комфорт се постига чрез по-ниска работна температура на топлоносителя, има и тенденцията към увеличаване на цените на основните енергоносители в международен план.

Важен елемент от този вид отоплителни инсталации е групата на нискотемпературните котли, които се захранват основно с течно гориво и газ. Отличителна специфика на нискотемпературните котли е високата им енергийна ефективност. Тъй като технически универсално решение не съществува, за постигането и поддържането на висок КПД при тях, обаче, е необходимо да се познават добре различните конструкции нискотемпературни котли и спецификите в приложението им.

Нискотемпературните котли конструктивно не се различават съществено от обикновените газови котли и котлите на течно гориво. Основната разлика е в специфичната конструкция и вида на материалите, използвани при нискотемпературните котли, които позволяват поддържането на по-ниска температура на топлоносителя на изхода на котела, варираща често в диапазона от 40 до 75 градуса Целзий. Характерната за тях по-ниска температура на изходящите димни газове води и до по-малки топлинни загуби в сравнение с обикновените котли. Друга характерна особеност на съвременните модели нискотемпературни котли е възможността температурата на подгряваната вода да се изменя безстъпално, според графика за регулиране на работата на отоплителната инсталация, т.е. температурата на топлоносителя се регулира в зависимост от температурата на външния въздух. Нискотемпературните котли се отличават и с намалени загуби от конвекция и излъчване, особено при по-маломощните модели. При тях се предотвратява кондензацията на водни пари, съдържащи се в димните газове в самия котел, което ограничава корозионните процеси и води до удължаване на експлоатационния срок на съоръженията.

В практиката са се наложили различни конструкции на нискотемпературни котли. Сред наложилите се конструктивни решения са моделите с т.нар. суха горивна камера. При тази конструкция котли стените на горивната камера (пламъчната тръба) нямат пряк контакт със загряваната вода. След излизането си извън горивната камера, димните газове обтичат силно оребрената и коаксиално разположена стена на пространството, в което се намира подгряваният топлоносител. Ребрата се изработват от чугун или стомана. Температурата им се поддържа висока. За да работи котелът в нискотемпературен режим, е необходимо да се изключи възможността за кондензация на водните пари в димните газове.

Друго конструктивно решение, характерно за нискотемпературните котли, са моделите с т.нар. двучерупкови повърхности. При тези котли димните газове преминават през димогарни тръби, които са решени конструктивно като двучерупкови конвективни топлообменни повърхности. Двете черупки се изработват от стомана или чугун и са коаксиално разположени една спрямо друга с междинни дистанционни ребра. Температурата на вътрешната тръба винаги е по-висока с 15 до 20 градуса Целзий в сравнение с температурата на топлоносителя. Когато котелът работи в нискотемпературен режим, т.е. температурата на топлоносителя не е висока, повърхностната температура на топлообменните повърхности е по-висока от тази на топлоносителя.

Съвременно технологично решение, използвано при нискотемпературните котли, включва интегриране в конструкцията на съоръжението на система за повишаване температурата на връщащата се вода. На практика, повишаването на температурата на връщащата вода се осъществява чрез непрекъснато смесване на загрятата и постъпващата охладена вода или чрез различни като конструктивно решение схеми за топлопредаване. За бързо повишаване на температурата на връщащата вода се разчита на гравитационното налягане. В нискотемпературните котли с подобна конструкция се формират два взаимно свързани циркулационни кръга.

Освен изброените конструкции нискотемпературни котли, са разработени и успешно въведени в практиката и други решения, като например двуконтурна схема на топлоносителя.

Към нискотемпературните котли някои специалисти причисляват и т.нар. кондензационни котли, при които се постига по-висока ефективност поради оползотворяване на топлинната енергия, която се съдържа в димните газове. На засилен пазарен интерес се радват триходовите пламъчнотръбни котли, които са широко разпространени в промишлеността.

Намират широко приложение в промишлеността. Разликата между обикновените триходови котли и пламъчнотръбните е в конструктивното изпълнение на втория ход на котела, който при пламъчнотръбните е отделна тръба с цел постигането на по-голяма топлообменна повърхност, по-високо топлоотдаване и по-висок КПД. 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.

Тръбата, чрез която се реализира вторият ход, най-често се разполага конструктивно по средата на височината на котела, което води до по-равномерно загряване на корпуса му. Следователно, топлинният товар при триходовите котли се разпределя по-добре, вследствие от което, на жаргона на топлотехниците, не се наблюдава т.нар. “изпържване” на горивната камера. Според мнението на специалисти, занимаващи се с инженеринг на котелни инсталации, важно предимство на триходовите пламъчнотръбни котли е отпадането в значителна степен на изискванията по отношение размера на димоходната тръба.

Основен проблем при триходовите котли е поддържане турбулентността на горещите газове. При постъпването си в тръбите, горещият газов поток е турбулентен, но при движението си в тях потокът 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.

Решаването на този проблем се постига с т.нар. турбулатори, предназначението на които е да не допускат потокът от горещи газове да стане ламинарен. Технически запазването на турбулентността на потока се постига чрез различни решения - диафрагми, планки, спирални лопатки и др. Най-общо всички водещи 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 избягването 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.

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 специфики, 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.

Триходовите пламъчнотръбни котли задължително работят с вентилаторни горелки, т.е. въздухът се подава принудително. Предварително образуваната в горелката горивна смес от въздух и гориво се нагнетява под налягане, създавано от вентилатора в горивната камера.

Сред недостатъците на котелния агрегат, включващ триходов пламъчнотръбен котел и вентилаторна горелка, е шумът, с който понякога е съпроводена работата му. 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 редица технически мерки, включително шумозаглушители. Оптималното място за монтаж на шумозаглушителя е в 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.

Нискотемпературните котли се характеризират с редица предимства. Сред основните, превърнали ги в сериозна алтернатива на традиционно използваните конструкции, са високата им годишна ефективност. КПД на нискотемпературните котли достига до 94-95% при котлите с по-висока мощност, което обяснява широкото им използване в различни промишлени приложения, високата експлоатационна надеждност при по-малък разход на електроенергия, тъй като тук необходимостта от смесителна помпа отпада. Друго предимство на тези котли е предотвратената кондензация на водните пари, съдържащи се в димните газове, върху топлообменнте повърхности. Нискотемпературните котли са предпочитано решение и поради по-малката консумация на гориво в сравнение с обикновените модели.

Наред с предимствата, характерни за нискотемпературните котли, използването им налага и съобразяването с редица специфики. На първо място, нискотемпературните котли могат да обслужват инсталации с максимална температура на водата до 75 градуса Целзий. Необходимо е, също така, коминът да бъде устойчив на влага.

Препоръчително е преди да се вземе окончателно решение за инвестиция в определен модел нискотемпературен котел, да се провери доколко като конструкция и експлоатационно поведение съоръжението действително принадлежи към категорията на нискотемпературните. В противен случай, при опити за поддържане на нискотемпературен режим на работа от обикновен стоманен котел, животът на съоръжението се съкращава значително.