Принципы работы конденсационной техники

Процесс горения

При сгорании 100% природного газа (на примере метана СН₄) в смеси с воздухом (21% кислорода О2, 78% азота N и 1% прочих газов) за счет разрыва молекулярных связей молекулы метана выделяется теплота, и образуются новые вещества:

– двуокись углерода СО₂ – около 8% по объёму,
– вода H₂O – 10-11% по объёму и небольшое количество окислов азота NО_x и углерода CO.
– остальной объём отходящих газов составляют не окислившийся азот и не прореагировавший кислород (2-3% остаточного O2).

В теплообменнике отопительного котла горячие продукты сгорания отдают свою теплоту протекающему через теплообменник теплоносителю, нагревая его и охлаждаясь сами до определенной температуры (например, до 120°С). При этом они отдают так называемую «явную» или «ощутимую» теплоту. Продукты сгорания содержат наряду с «ощутимым» также «неощутимую» или «скрытую» теплоту. Она содержится в водяном паре, образующемся при сжигании. В обычных котлах теплота, содержащаяся в водяном паре, теряется без пользы при выходе отходящих газов через дымовую трубу.

В конденсационных аппаратах теплообменник по своей конструкции разработан с особо большой поверхностью, либо по ходу отходящих газов далее установлен второй теплообменник. Таким образом, сначала из отходящих газов будет отобрана ощутимая теплота, затем будет происходить дальнейшее охлаждение. Если в процессе теплообмена охладить продукты сгорания ниже определенного значения температуры, называемой „температурой точки росы“, то содержащийся в продуктах сгорания водяной пар начнет конденсироваться, т.е. переходить из газообразного состояния в жидкое. При этом теплота „фазового перехода“ – это та теплота, которую надо сообщить воде для того, чтобы она изменила свое фазовое состояние. Данное количество теплоты является физическим свойством воды. Оно равняется 2260 кДж на килограмм испаренной или сконденсировавшейся воды и 334 кДж на килограмм замерзшей или растаявшей воды. То есть, освобождающаяся тепловая энергия – теплота конденсации или скрытая теплота передается на воду системы отопления. Процесс поглощения или выделения этой „скрытой“ теплоты иллюстрирует следующий пример, показанный на рисунке 1.

Рис. 1: График фазового перехода воды.

Если к куску льда массой 1 кг начать подводить теплоту, лед начнет  свою температуру и, наконец, достигнет температуры таяния при атмосферном давлении 0°C (точка 1). После этого, несмотря на продолжающийся подвод , лед не будет повышать свою температуру, а будет переходить из твердого состояния в жидкую фазу, пока весь не растает (до точки 2). Количество подведенной к нему за это время теплоты, необходимое для совершения фазового перехода, и будет численно равняться теплоте фазового перехода воды из твердого состояния в жидкое и составит 334 кДж. Продолжая подводить к этой воде теплоту, мы продолжаем повышать ее температуру до тех пор, пока она не достигнет температуры точки кипения (точка 3). Для атмосферного давления это 100°С. После этого, несмотря на продолжающийся подвод теплоты, вода не будет изменять свою температуру. Подводимая к ней в это время теплота будет расходоваться на переход воды из жидкой фазы в газообразное состояние. За время, в течение которого вся вода (1 кг) выкипит (точка 4), это количество теплоты составит как раз 2260 кДж. Это и будет “скрытая” теплота фазового перехода, которой теперь обладает водяной пар, хотя его температура не изменилась и по-прежнему равняется 100°С.

После перехода всего количества воды в водяной пар его можно нагревать дальше, продолжая подводить к нему теплоту (до точки 5). Такой водяной пар, температура которого выше точки кипения при данных условиях называется перегретым паром и именно в таком виде содержится вода в горячих продуктах сгорания. Часть выделившейся при горении химической теплоты горения (а именно, 2260 кДж на килограмм образовавшегося пара) содержится в них в виде „скрытой“ теплоты водяного пара, которая может быть использована только в результате обратного перехода воды из газообразной фазы в жидкую.

Если мы будем охлаждать наш 1 кг перегретого пара, отводя от него теплоту, его температура будет понижаться, пока не достигнет температуры конденсации (от точки 5 до точки 6). При давлении водяного пара, равном атмосферному, эта температура также будет равняться 100°С (для насыщенного пара). После этого в течение некоторого количества времени температура пара меняться не будет, несмотря на отводимую от него теплоту – это и есть процесс „возвращения“ затраченной при испарении „скрытой“ теплоты. После того, как мы отведем от пара то же самое количество теплоты, что затратили на его испарение (2260 кДж), весь пар перейдет в жидкое состояние (точка 7) и температура образовавшейся воды при продолжающемся отводе теплоты будет уменьшаться, пока не достигнет температуры замерзания при атмосферном давлении – 0°C. После этого, для того чтобы перевести 1 кг жидкой воды в твердую фазу, нам потребуется отвести от нее такое же количество теплоты фазового перехода, которое мы затратили прежде на то, чтобы растопить 1 кг льда, превратив его в воду. Пока мы не отведем от воды эти 334 кДж, вода не замерзнет, и ее температура будет оставаться постоянной (0°C). И только отобрав у воды теплоту таяния льда, мы сможем дальнейшим охлаждением понизить температуру льда.

На самом деле описанный процесс идет несколько иначе, намного сложнее и не осуществим на практике, но хорошо иллюстрирует понятие “скрытая теплота пара”. Также можно привести следующие примеры из обыденной жизни, где мы также сталкиваемся с понятием “скрытая теплота фазового перехода”:

1. Чувство “холодка” при испарении жидкости (например, пота) с поверхности кожи. Причиной этого является отвод от кожи теплоты, используемой для испарения жидкости, т.е. изменения ее фазового состояния и перехода в пар.
2. Обледенение баллона со сжиженным газом при интенсивном отборе газа из него. При переходе сжиженного газа из жидкой фазы в газообразную он отбирает теплоту, необходимую ему для совершения фазового перехода из окружающей среды. В результате этого температура жидкой фазы может настолько понизиться, что стальная стенка баллона будет иметь температуру не только ниже точки росы для содержащихся в окружающем воздухе водяных паров (пар будет конденсироваться на стенках баллона), но и ниже точки замерзания воды при атмосферном давлении (0°С), что и будет вызывать образование льда.

В обоих этих случаях температура испарения или конденсации (точки росы) была ниже 100°С, т.к. парциальное (частичное) давление водяных паров в атмосферном воздухе при относительной влажности, к примеру, 50%, температуре 20°С и атмосферном давлении составляет только 11 мбар. Температура точки росы при этих условиях будет равна 9°С.

От чего зависит температура точки росы

Как уже было сказано выше, «конденсирующие» котлы отличаются от обычных «конвективных» теплогенераторов тем, что они отбирают для нагрева протекающего через них теплоносителя не только «явную» часть теплоты горячих продуктов сгорания газовоздушной смеси, но и часть их «скрытой» теплоты, за счет конденсации содержащегося в продуктах сгорания водяного пара. Конденсирующие котлы не делают ничего иного, как создают условие для выпадения конденсата водяных паров из продуктов сгорания и, тем самым, для извлечения и дальнейшего использования их «скрытой» теплоты. Этим условием являются охлаждение продуктов сгорания ниже точки росы содержащегося в них водяного пара. Продукты сгорания при этом охлаждает теплоноситель системы отопления в высокоэффективном теплообменнике.

Вопрос о том, до какой температуры необходимо охлаждать продукты сгорания, чтобы добиться выпадения конденсата, т.е. о положении точки росы, не такой простой. Температура выпадения конденсата водяных паров из продуктов сгорания зависит от их состава и влагосодержания. (Рис.2.)

Рис. 2: Температура конденсации водяного пара и содержание воды в отходящих газах для различных видов топлива.

Практическое значение, однако, имеет не содержание влаги в продуктах сгорания, которое с трудом поддается измерению, а непосредственно связанные с ним величины содержания двуокиси углерода CO2 (в % по объёму) в продуктах сгорания и коэффициент избытка воздуха. Зависимость точки росы от вида топлива, процентного содержания СО2 и влажности водяных паров в процентах по объёму представлена на рис 2. С процентным содержанием CO2 в продуктах сгорания напрямую связана величина коэффициента избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха λ (лямбда) – это отношение фактически содержащегося в газовоздушной смеси количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания газа. Как видно из рисунка 3, чем ниже этот коэффициент, тем выше лежит точка начала конденсации водяных паров из продуктов сгорания (например, при λ = 1,1 конденсация начинается уже при охлаждении продуктов сгорания до 56°С, а при λ =2 – только при 40°С). То есть чем меньше коэффициент избытка воздуха, тем лучше возможности для использования высшей теплоты сгорания. При понижении коэффициента избытка воздуха повышается температура конденсации, что означает, что конденсация отходящих газов происходит уже при более высоких температурах обратной воды. Из вышесказанного вытекают условия максимального использования “скрытой” теплоты водяных паров конденсирующими аппаратами.

1. Система отопления, с которой работает конденсационный теплогенератор, должна работать как можно с более низкими температурами теплоносителя (особенно важна температура обратной линии, т.к. конденсация начинается в хвостовых частях котла, омываемых обратным теплоносителем).
2. Конденсационный теплогенератор должен иметь достаточно высокоэффективный теплообменник, чтобы успеть охладить продукты сгорания ниже точки росы за время их прохождения через него.
3. Конденсационный теплогенератор должен работать с как можно меньшим коэффициентом избытка воздуха λ. Исходя из первого условия максимального эффекта (наиболее полного использования энергии сжигаемого топлива) можно добиться только при эксплуатации конденсационного котла с системой отопления, работающей по отопительной кривой, когда большую часть отопительного сезона температура обратной линии поддерживается ниже температуры точки росы. Исходя из 2-го и 3-го условий конденсационный котел должен иметь также высокоэффективную горелку, которая позволила бы получить качественную, хорошо смешанную газовоздушную смесь даже при небольшом коэффициенте избытка воздуха, поддерживала бы этот коэффициент на минимальном уровне в процессе работы и была бы способна преодолеть высокое аэродинамическое сопротивление развитых поверхностей высокоэффективного теплообменника. По этой причине в конденсирующих котлах используют вентиляторные горелки с полным предварительным смешением газа и воздуха.

Рис. 3: Температура конденсации водяного пара в отходящих газах при различных коэффициентах избытка воздуха.

Эффективность работы конденсационных котлов

При выполнении вышеназванных условий за счет частичного извлечения скрытой теплоты конденсации водяных паров и передачи ее в систему отопления, современные конденсирующие теплогенераторы способны полезно использовать до 6-9% (в зависимости от расчетных значений температуры системы отопления) скрытой теплоты, содержащейся в продуктах сгорания смеси воздуха и природного газа, в которой скрыто 11% от всей теплоты, образующейся при сгорании. Работу обычного “конвективного” и конденсационного котла при различных расчетных значениях температуры системы отопления иллюстрируют рисунки 4, 5 и 6.

Рис. 4: КПД современного конвективного (обычного) котла при работе в системе отопления 75/60 °С.

Рис.5: КПД современного конденсационного котла при работе в системе отопления 75/60 °С. 

Рис. 6: КПД современного конденсационного котла при работе в системе отопления 40/30 °С.

Основным фактором, влияющим на долю использования скрытой теплоты и, тем самым, на КПД аппарата является температура обратной линии системы отопления, т.к. современные модулирующие горелки способны поддерживать постоянное минимальное значение коэффициента избытка воздуха во всем диапазоне их работы. Зависимость количества образующегося конденсата и связанного с этим КПД от меняющейся в течение отопительного периода температуры обратной линии показана на рис. 7.

Рис. 7: Количество конденсата и коэффициент использования в зависимости от температуры воды-теплоносителя в обратной линии.

Для того, чтобы достичь оптимального коэффициента использования, при проектировании новых систем необходимо постоянно иметь в виду, чтобы они были рассчитаны на максимально низкие температуры, например, 40/30°С (наилучшим образом это реализуется для напольных систем отопления). За счет этого обеспечивается конденсация отходящих газов в течение всего отопительного периода и используется высшая теплота сгорания. Но также и для существующих старых систем отопления, рассчитанных, например, на 90/70°С, имеет смысл при модернизации применять конденсационные аппараты, поскольку в этих случаях в течение до 30% годового периода эксплуатации используется высшая теплота сгорания, вследствие конденсации отходящих газов. В среднем за отопительный сезон современные конденсирующие газовые котлы способны достигать КПД до 106-108%, рассчитанного относительно низшей удельной теплоты сгорания газа.

Низшая и высшая теплота сгорания топлива

Любое топливо имеет две характеристики количества тепловой энергии, выделяющейся при его полном сгорании – низшую и высшую удельную теплоту сгорания. Низшая удельная теплота сгорания показывает, какое количество выделившейся при сгорании топлива теплоты можно “явно” использовать для конвективного теплообмена, не прибегая к конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Это значение всегда меньше значения высшей удельной теплоты сгорания. Высшая удельная теплота сгорания показывает, какое полное количество тепловой энергии выделилось в процессе полного сгорания, учитывая при этом скрытую теплоту водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания.
Как низшая, так и высшая удельная теплота сгорания выражаются в кДж на определенное количество топлива. В случае газообразного топлива это количество может выражаться объёмом, который занимает 1 м3 газа при нормальных физических условиях (температура 0°С и атмосферное давление 101325 Па (760 мм. рт. ст.)) или при т.н. “рабочих” условиях (температура 20°С и давление 101325 Па (760 мм. рт. ст.)). В соответствии с этим различают высшую и низшую удельную теплоту сгорания, посчитанную при нормальных физических условиях и высшую и низшую рабочую удельную теплоту сгорания, между которыми есть некоторое различие. Значения высшей и низшей удельной теплоты сгорания для различных видов топлива приведены в таблице 1.

	Природный газ L	Природный газ Н	Легкое жидкое топливо EL	Сжиженный газ Р (пропан)
Высшая теплота сгорания Но	9, 78 кВт·ч/м3	11,46 кВт·ч/м3	10, 59 кВт·ч/л	13,98 кВт·ч/кг
Низшая теплота сгорания Нu	8,83 кВт·ч/м3	10,53 кВт·ч/м3	9,96 кВт·ч/л	12,87 кВт·ч/кг
Соотношение Но/Нu	1,11	1,11	1,06	1,09

Таблица 1: Значения высшей и низшей удельной теплоты сгорания для различных видов топлива.

На практике в большинстве стран традиционно было принято в качестве характеристики топлива использовать низшую удельную теплоту сгорания, т.к. при его использовании редко использовали теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания – это представляет собой не такую простую техническую задачу.
В последнее время, в связи с техническим прогрессом в области использования тепловой энергии, подорожанием топлива и, потому широким распространением конденсационной техники все чаще в характеристиках топлива и значениях КПД тепловых аппаратов начинает использоваться величина высшей удельной теплоты сгорания топлива. Для корректного сравнения КПД различных теплогенераторов необходимо, чтобы они рассчитывались с использованием какой-либо одной из характеристик сжигаемого топлива – или высшей, или низшей удельной теплоты сгорания. Средний за отопительный сезон КПД современных конвективных газовых котлов, рассчитанный по высшей удельной теплоте сгорания газа, составляет не более 81-82%, а конденсирующих котлов – 93-97%.
Для нагрева протекающего через них теплоносителя не только «явную» часть теплоты горячих продуктов сгорания газовоздушной смеси, но и часть их «скрытой» теплоты, за счет конденсации содержащегося в продуктах сгорания.

Проблемы, связанные с использованием конденсационной техники

Извлечение и полезное использование скрытой теплоты водяного пара из продуктов сгорания повышает эффективность использования топлива, снижает как абсолютное (за счет сжигания меньшего количества топлива) количество выбросов вредных веществ, так и удельное (за счет более качественного сгорания при меньшей температуре и высоте пламени), снижает вредное воздействие на окружающую среду. Но помимо того, что извлечение и использование скрытой теплоты водяного пара из продуктов сгорания является не самой простой технической задачей (это приводит к использованию дорогостоящих конструкционных материалов, увеличению площади отопительных приборов при снижении температуры теплоносителя и пр.), с этим связаны еще некоторые отрицательные моменты:

• низкая температура отходящих газов после конденсационного аппарата делает возможным их гарантированный отвод в атмосферу только принудительным образом под давлением с помощью вентилятора. При этом возникает задача обеспечения полной герметичности дымоходов, проходящих внутри здания (с целью предотвращения попадания находящихся под избыточным давлением продуктов сгорания в воздух помещения), и защиты от обледенения дымоходов, находящихся снаружи. Отходящие продукты сгорания после конденсационного котла все же имеют остаточную влажность и очень низкую температуру. При большой протяженности неутепленных участков дымохода это может привести к образованию льда и зарастанию дымохода.
• коррозионная активность образующегося конденсата. Сам по себе конденсат водяного пара представляет ни что иное, как чистейшую дистиллированную воду. Однако соединение его с всегда содержащимися в продуктах сгорания оксидами углерода СО, азота NОx и особенно серы SO3 (для газового топлива содержание серы в нем ничтожно мало по сравнению с жидким топливом), чему способствует повышенная температура дымовых газов и конденсата, приводит к образованию кислот:
  • СО + Н₂О = Н2СО₃ – угольная кислота. Слабоактивная кислота, быстро распадающаяся на воду H2О и диоксид углерода СО2.
  • NО₂ + Н₂О = Н2NO₃ – азотная кислота. Относится к разряду сильных кислот.
  • SO₃ + Н₂О = Н2SО₄ – серная кислота. Одна из сильных кислот.

В результате этих соединений выпадающий на поверхностях теплообменника в его хвостовых частях конденсат имеет кислую реакцию. Значения РH для различных веществ, в том числе и диапазон значений РH для конденсата, приведены на рисунке 8.

Рис. 8: Сравнение величин pH разных веществ.

По причине коррозионной активности конденсата все соприкасающиеся с конденсатом части конденсационного теплогенератора, включая дымоход, должны быть сделаны из стойких к коррозии материалов (легированная высококачественная нержавеющая сталь, легированный алюминий, различного рода пластмассы, керамика) которые обычно недёшевы.
Проблемы имеют место и при отводе образующегося конденсата в систему городской канализации. Отводимый в канализацию конденсат способен привести к коррозии стальных и цементных канализационных труб, а также к гибели используемых на станциях аэрации для очистки сточных вод бактерий. Спасает, однако, то, что в целом, из-за массового применения моющих средств, сточные воды имеют слабощелочную реакцию (см. рис. 8). При одновременном сливе бытовых сточных вод и конденсата они нейтрализуют друг друга.
Для обеспечения нейтрализации конденсата сточными водами в Германии, например, существуют строгие предписания относительно слива конденсата в городскую
канализацию. Согласно этим требованиям (ATV – Merkblatt M 251 “Einleitung von Kondensaten aus gas- und oelbetriebenen Feuerungsanlagen in oeffentliche Abwasseranlagen und Kleinklaeranlagen”):

• допускается постоянно сливать без нейтрализации в систему городской канализации конденсат от газовых конденсационных котлов номинальной мощностью до 50 кВт. При этом материал канализационных труб должен отвечать требованиям, представленным в табл. 2.
• допускается сливать без нейтрализации в систему городской канализации конденсат от газовых конденсационных котлов номинальной мощностью от 50 до 200 кВт при оборудовании их специальными емкостями, которые будут накапливать конденсат в ночное время и сливать его в систему канализации в дневное время, когда идет слив бытовых сточных вод. При этом материал канализационных труб должен отвечать требованиям, представленным в табл. 2.
• для установок номинальной мощностью более 200 кВт конденсат разрешается сливать в городскую систему канализации только после предварительной нейтрализации.

Количество образующегося конденсата

Конденсат, выпадающий при эксплуатации конденсационных аппаратов, химически слегка кислый. На практике величина кислотности рН лежит между 3,5 и 5,5. Максимальное теоретическое количество конденсата можно рассчитать по следующей формуле (ATV Merkblatt M251):
VK = VB · HO · 0,12,
где VK – максимальное количество конденсата (л)
VB – годовой расход газа м³/год
НО – высшая теплота сгорания (кВт·ч/м³.)
По этой формуле получается, например, для дома на одну семью с годовым расходом газа 1700 м³ теоретическое количество конденсата:
VK = 1700 · 11,46 · 0,12 = 2337 л/год
На практике, вследствие различных условий эксплуатации выпадает около 50-60% от максимального теоретического количества конденсата. Реальное количество конденсата для этого случая, таким образом, будет около 1285 л/год.

Отличный выбор конденсационной и водонагревающей техники вы найдете на нашем официальном сайте Vaillant.market.ru