Мерч AW-Therm інтернет магазин

Конденсаційні котли: економія, умови ефективної роботи та розрахунок окупності

С. Тишаєв

Ефективне використання конденсаційної техніки потребує дотримання деяких особливих умов. Спробуємо викласти їх на підставі аналізу відкритих джерел – друкованих матеріалів провідних фірм-виробників та постачальників. Крім того, у статті наведено розрахунок економії коштів під час експлуатації конденсаційного котла

Зображення встановлення конденсаційного котла

Виникнення та розвиток конденсаційної опалювальної техніки було спричинене необхідністю більш ефективного використання дорогого палива в європейських країнах. Адже зрозуміло, що чим дорожчим коштує паливо, тим нагальнішою є необхідність у його максимально ефективному споживанні. В даний час ця техніка вже не є екзотичною та на нашому ринку опалювального обладнання. Однак досі трапляються випадки, коли використовуються старі підходи до організації системи опалення, або коли існуючу систему опалення хочуть зробити економічною за рахунок простої заміни опалювального котла на конденсаційний. Без дотримання деяких основних умов, пов'язаних з особливістю конденсаційної техніки, у таких випадках можливе одержання нульового чи незначного економічного ефекту, що не виправдає очікування інвестора.

Конденсаційний котел, отже, газовий?

В даний час переважна кількість конденсаційних казанів саме газові. Це визначається такими властивостями природного газу, як зручність його доставки, регулювання, висока надійність поставки, що дозволяє уникнути його заготівлі та складування, легкість і хороша змішуваність з окислювачем (киснем повітря), чистота, стабільність і повнота згоряння, велика різниця між вищою (далі — ВТЗ) та нижчою (далі - НТЗ) теплотою згоряння.

Всі види палива, що використовується в теплогенераторах, утворюють при своєму згорянні димові гази, які обов'язково містять у своєму складі пари води. Ця вода утворюється як у процесі хімічної реакції окислення водню, що входить до складу палива, так і міститься у повітрі, що використовується для підтримки процесу згоряння палива. Через те, що димові гази залишають камеру згоряння за високих температур, вся вода знаходиться у вигляді пари. Повна кількість теплоти, що вивільняється при згорянні одиниці виміру палива (кілограма, літра або кубометра), з урахуванням теплоти конденсації, що виділилася при охолодженні продуктів згоряння до температури 20°С, називається вищою теплотою згоряння (ВТЗ) палива. А без урахування теплоти конденсації водяної пари – нижчою теплотою згоряння (НТЗ) палива.

Очевидно, що чим більше водяної пари знаходиться в продуктах згоряння, тим більша різниця між вищою та нижчою теплотою згоряння палива. У свою чергу, кількість водяної пари залежить від складу палива. Для деяких видів палива величини вищої та нижчої теплоти згоряння показані у таблиці 1.

Таблиця 1. Величини вищої та нижчої теплоти згоряння для деяких видів палива

Тип палива PCS (ккал) PCI (ккал) Різниця %
Бутан 30,500/Nm3 28,300/Nm3 7,77
Деревина (Wp 40%) 4,300/kg 2,380/kg 80,67
Гас 10,700/kg 10,290/kg 3,98
Солярка 10,600/kg 10,210/kg 3,82
Метан 9,530/Nm3 8,570/Nm3 11,20
Пічне паливо 10,200/kg 9,760/kg 4,51
Пропан 23,850/Nm3 21,600/Nm3 10,42

Як видно з таблиці, найбільшою потенційною ефективністю використання прихованого тепла конденсації водяної пари має паливна деревина звичайної 40% вологості (понад 80% різниці між ВТЗ та НТЗ) та метан (11,2%). Що стосується деревини, то для побутових котлів використання економайзера/конденсатора не поширене через велику вартість такого обладнання (використовуються кислото- та лужностійкі сталі) та дешевизни палива. А ось для промислових котлів, де витрати малокалорійного палива дуже суттєві, такі конденсаційні утилізатори застосовуються досить часто.

Повертаючись до побутових конденсаційних котлів на природному газі, слід зауважити, що не вся потенційна різниця між вищою та нижчою теплотою згоряння, зазначена в таблиці, може бути технічно використана. Існують втрати, такі як неповна конденсація всіх водяних парів у димових газах, втрати теплообміну і т.д.

Перевага в ефективності роботи газових конденсаційних котлів перед неконденсаційними добре видно при порівнянні теплових втрат котлів (рис. 1). На сьогоднішній день технології конденсаційних котлів дозволяють досягати ККД 108-109% (щодо нижчої теплоти згоряння).

Зображення робота конденсаційного котла

Рис. 1. Переваги в ефективності роботи конденсаційних газових котлів перед неконденсаційними:
а) корисне тепло та втрати в неконденсаційних котлах; б) корисне тепло та втрати в конденсаційних котлах (PCI = НТЗ)

Однак і такі високі цифри можна досягти лише за певних умов.

Умови роботи конденсаційного котла

Зі шкільної фізики ми знаємо, що для перетворення чистої води на пару необхідно спочатку нагріти її до температури насичення (кипіння), яка при нормальному атмосферному тиску становить 100°С, а потім, при подальшому підведенні теплоти, відбувається випаровування нагрітої води при постійній температурі. Після перетворення всієї води на пару, при подальшому підведенні теплоти, відбувається нагрівання водяної пари. При конденсації йдуть зворотні процеси. Спочатку нагріті димові гази, що містять водяну пару, необхідно охолодити до температури початку конденсації (крапки роси), а потім, продовжуючи відбір прихованого тепла пароутворення, при постійній температурі сконденсувати водяну пару з димових газів. Процеси теплопередачі в котлі безперервно йдуть через стінку теплообмінника і кількісно описуються основним рівнянням теплопередачі:

Q = k ⋅ F ⋅ Δt ср ,

де Q - кількість теплоти (тепловий потік, теплове навантаження теплообмінника), Вт; k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м 2 •К); F - площа теплопередавальної поверхні теплообмінника, м 2 ; Δt ср – середня різниця температур теплоносіїв, °С.

Для того, щоб проходив процес теплообміну, між температурами теплоносіїв має бути різниця (температурний тиск). Ефективний процес відбувається при різниці температур не менше 10–15 К. У разі конденсаційного котла нагрітим теплоносієм, який віддає тепло, є димові гази, а теплоносієм, що приймає тепло, є вода. Газоподібний теплоносій (димові гази) має значно гірші тепломасообмінні характеристики щодо рідкого (вода). Тепловміст 1 кг вологих димових газів температурою 60°С становить близько 64 кДж, у той час, як тепловміст тієї ж ваги води тієї ж температури становить 251 кДж. Молекули газів гірше передають тепло як одна одній, і стінці теплообмінника. Щоб зрозуміти, наскільки гірше здійснюється теплопередача від димових газів у порівнянні з водою, не вдаючись у теорію теплопередачі та розгляд критеріальних рівнянь, наведемо лише порівняння повних коефіцієнтів теплообміну двох середовищ. Так, якщо у разі теплопередачі через тонку сталеву стінку від газів до води коефіцієнт становить 11,3 Вт/(м 2 •К), то від води до води – 340-400 Вт/(м 2 •К).

Таким чином, для передачі однакової кількості теплоти, у разі однакової різниці середніх температур теплоносіїв, нам знадобиться площа теплообмінника у 30–40 разів більша у разі теплопередачі від газів до води, ніж від води до води. Значить, у разі охолодження димових газів конденсаційним теплообмінником, чим ближче температура димових газів до крапки роси, тим ефективнішою буде робота теплообмінника і повніше вилучення прихованої теплоти пароутворення зі сконденсованих пар.

Через різний склад димових газів для різних видів палива температура крапки роси також різна (рис. 2).

Зображення Криві крапки роси конденсаційного котла

Рис. 2. Криві крапки роси для метану та дизпалива залежно від коефіцієнта надлишку повітря

Надалі приймемо, що з природного газу крапка роси становить 55°С. Чим ближче до цього значення температура димових газів, тим менше їх потрібно охолоджувати в газо-водяному теплообміннику, що дозволить значно скоротити його площу поверхні теплообміну.

З іншого боку, з наведеного рівняння теплопередачі видно, що чим вище різницю середніх температур теплоносіїв, тим інтенсивніше йде теплопередача.

Доданки ефективності

У реальних системах опалення конденсаційна секція котла працює із температурою зворотного теплоносія. Тому найбажанішими для ефективної роботи конденсаційних котлів є низькотемпературні графіки роботи систем. Найпоширенішим для європейської території є низькотемпературний графік 40/30 ° С (40 ° С - температура подачі теплоносія в систему опалення, 30 ° С - температура повернення теплоносія в котел). Такий графік характерний для систем опалення поверхневого типу («тепла підлога», стінові опалювальні панелі), що мають великі площі поверхні нагріву.

У разі роботи конденсаційного котла в системах низькотемпературного панельного опалення або при опаленні підлоги з графіком 40/30°С, низькі температури зворотного теплоносія завжди нижчі від температури крапки роси, так що конденсат у котлі виникає постійно. Котел працює весь період опалення з максимальною ефективністю.

А як же бути у випадку графіків із більшою температурою, наприклад 75/60°С, які найчастіше зустрічаються при радіаторному опаленні та у разі одночасного приготування опалювальним котлом гарячої води для побутових потреб?

В цьому випадку ефективне використання теплоти конденсації можливе за час, що становить близько 97% тривалості опалювального періоду. Це стосується зовнішніх температур від -11°C до +20°C. Навіть на установках із теплоносієм 90/70°C та з режимом роботи, при якому регулювання температури котлової води відбувається залежно від зовнішньої температури, час використання теплоти конденсації становить 80% тривалості річного опалювального періоду. Звичайно, ефективність роботи конденсаційного котла тут дещо гірша, ніж для графіка 40/30°С через меншу різницю між температурою зворотного теплоносія та крапкою роси.

Характер зміни сумарної ефективності (ККД) конденсаційного котла або системи газовий котел + конденсаційна секція Тоталеко представлений в діаграмі на рис. 3. Звичайно, абсолютні значення ККД для різних конструкцій і типів конденсаційних котлів будуть незначно відрізнятися, але закон нелінійної зміни зберігатиметься. Як видно, найбільш ефективна робота конденсаційного котла (максимальний ККД) досягається при низьких температурах зворотного теплоносія (25-30 ° С) і нелінійно знижується зі збільшенням температури зворотного теплоносія, зазнаючи зламу в точці роси. Далі, зі зростанням температури зворотного теплоносія вище за крапку роси, ефективність конденсаційної секції котла стає нульовою, тобто. режим конденсації відсутня.

Без-имени-1

Рис. 3. Зміна ККД конденсаційного котла в залежності від температури зворотної лінії

Ціна питання економії газу конденсаційним котлом

Наскільки окупність застосування конденсаційної техніки можна легко прикинути виходячи з таких міркувань:ТОВ ГК "Нафтогаз України"

  • Витрати природного газу на місяць на опалення та приготування гарячої води – 800 м 3 ;
  • Тариф для всіх категорій споживачів природного газу (грн. за 1 тис. м 3 із ПДВ) дорівнює 7 960 грн. (ТОВ ГК "Нафтогаз України", без тарифу за доставку) ;
  • Середня ефективність (ККД) конденсаційного котла за опалювальний сезон – 102%;
  • Середня ефективність (ККД) неконденсаційного котла за опалювальний сезон – 92%.

Отже, різниця споживання природного газу на місяць становитиме:

800 - (800 ⋅ 92%) / 102% = 78,4 м3 .

Економія газу коненсаційним котлом на місяць дорівнює 78,4 м 3 ⋅ 7,96 грн/м3 = 624,06 грн.

Висновок

Конденсаційні котли — це рішення для ефективного опалення, яке дозволяє значно зменшити витрати на газ завдяки максимальному використанню тепла, що виділяється під час конденсації водяної пари. Однак, для досягнення оптимальної ефективності, необхідно враховувати певні умови, такі як температура теплоносія, правильний розрахунок системи та відповідність обладнання до конкретних потреб. Правильний вибір та налаштування системи дозволяють не тільки зекономити на енергоносіях, але й окупити інвестиції в конденсаційну техніку за досить короткий термін.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 3 743


Залишити коментар

Telegram