Специфіка роботи опалювальних котлів передбачає, що сталому режиму передує етап виходу на повну потужність системи, тобто прогріву теплоносія до робочої температури як у лінії подачі, так і у зворотній лінії. Цей «підготовчий» етап має особливості у фізико-хімічних процесах, що відбуваються в котлі, та несе певну загрозу для самого котла, принаймні саме цей режим значно впливає на загальний термін експлуатації. Яким чином убезпечити роботу котла саме на етапі виведення системи опалення на сталий робочий режим?
Найбільш розповсюдженими котловими агрегатами для систем опалювання індивідуального житлового будинку є газові та твердопаливні котли. Схеми будови типових твердопаливних та газових котлів наведені на рис. 1.
Рис. 1. Схема газового та твердопаливного котла
Незважаючи на відмінності внутрішньої будови, загальний принцип роботи котлів на різному паливі залишається однаковим – у камері згоряння відбувається спалення органічної речовини, утворене при цьому тепло через теплообмінник нагріває до потрібної температури теплоносій, який постачає тепло по будинкових опалювальних пристроях. Після цього дещо охолоджений теплоносій через зворотну лінію потрапляє назад у котел, і цикл повторюється. Зазвичай на етапі сталої роботи «відпрацьований» теплоносій повертається до котла з температурою приблизно на 20°C меншою, аніж у лінії подачі теплоносія в систему (рис. 2).
Рис. 2. Схема подачі теплоносія у котел у сталому режимі
Ситуація є іншою, коли котел тільки-но включений, і система опалювання знаходиться у перехідному режимі запуску – температура у зворотній лінії значно відрізняється від температури у лінії подачі, різниця може досягати 60°C. У режимі запуску в котлі відбуваються процеси, які можуть пошкодити котел, принаймні зменшити ресурс його складових і загальні терміни експлуатації.
Хімічні реакції у камері згоряння
Розглянемо деякі хімічні процеси, що відбуваються у котлі на етапі запуску. Природний газ, що спалюється в газовому котлі за присутності кисню повітря (O2), на 70-98% складається з метану (CH4), а також у меншій кількості містить водень (H2), сірководень (H2S), двоокис вуглецю (CO2), азот (N2) та інші складові. При згорянні відбуваються такі хімічні реакції:
CH4 + O2 → CO2 + H2O (пара);
2H2 + O2 → 2H2O (пара);
H2S + O2 → SO2 + H2O (пара).
Водяна пара видаляється через димохід, а більш важкі гази (двоокис вуглецю CO2) здатні затримуватись у нижній частині камери згоряння. При цьому можуть проходити подальші реакції:
CO2 + H2O (рідина) → H2CO3 (вугільна кислота);
SO2 + H2O (рідина) → H2SO3 (cульфітна або сірчиста кислота).
У деяких зонах камери згоряння, де локальна температура є вищою, може проходити реакція:
SO2 + O2 → 2SO3;
SO3 + H2O → H2SO4 (сірчана кислота).
Але звідки у камері згоряння може з’явитися вода у вигляді рідини, а не пари? Це може відбуватись саме на етапі запуску, коли система опалення ще не вийшла на сталий режим, і температура теплоносія у зворотній лінії значно відрізняється від температури у прямій лінії, див. рис. 3. Подача такої суттєво холодної води до теплообмінника може викликати конденсацію водяної пари у нижній частині камери згоряння, де концентруються більш важкі гази від спалювання (діоксид вуглецю, діоксид і триоксид сірки). Реакція води у стані рідини з цими газами викликатиме утворення агресивних кислот. Саме вони можуть з часом спричиняти хімічну корозію
металевих частин (теплообмінника та стінок камери згоряння) та призвести до передчасної руйнації котла.
Рис. 3. Схема подачі теплоносія у котел у режимі запуску
системи опалювання
Те саме відбувається і в твердопаливному котлі, де хімія процесів дуже подібна – в камері згоряння будуть утворюватися водяна пара (H2O), сірководень (H2S), двоокис вуглецю (CO2), азот (N2) і т. і. Утворені в камері згоряння кислоти в гарячому стані – дуже агресивне середовище.
Чим захистити котел від температурного шоку?
У котлах із чавунними теплообмінниками, характерними здебільшого для твердопаливних котлів, окрім хімічної корозії, через велику різницю температур теплоносія у різних частинах теплообмінника з часом може відбуватися розтріскування чавуну від «теплового шоку». Хоча чавун має достатньо добру здатність до передачі тепла, але цей матеріал вирізняється крихкістю.
Отже, для захисту котла від появи агресивних хімічних речовин та від розтріскування через нерівномірне температурне розширення, слід зменшити перепад температур між прямою та зворотною лініями подачі теплоносія. Існує багато способів для зменшення різниці температур на вході/виході котла на етапі запуску системи опалення. Один з найпростіших способів – установити триходовий змішувальний клапан, див. рис. 4. Сутність цього методу полягає в тому, щоби зменшити температурний перепад подачі/відводу теплоносія у котел шляхом підмішування частини гарячої води із прямої лінії у зворотну. Кількість води для підмішування визначається ступенем відкривання прохідного отвору клапана. Такий перепуск можна регулювати вручну або за допомогою термоголовок чи сервомеханізмів, у залежності від ступеня автоматизації системи опалювання.
Рис. 4. Триходовий термостатичний змішувальний клапан VT.MR02
Наприклад, асортимент триходових клапанів для підмішування від компанії VALTEC представлений серією MR, що відрізняються за конструкцією та способом приведення у дію.
На рис. 5 показана схема системи опалювання з клапаном типу MR01 з нерегульованим байпасом. Тобто частина теплоносія, навіть коли шток клапана є повністю піднятий (коли термоголовка чи сервомеханізм не відпрацювали підвищення до заданої температури), буде продовжувати циркулювати через усю систему та підмішувати у котел більш холодний теплоносій із зворотної лінії системи опалення. Тим не менш, таке рішення дозволяє зменшити перепад температур на вході/виході з котла з 60°С до 40°С. Тобто таке рішення значно зменшує ризик появи водяного конденсату всередині котла та на стінках його теплообмінника.
Рис. 5. Схема системи опалення із клапаном VT.MR01
Аби ще зменшити температурну різницю, можна задіяти рішення з клапаном VT.MR02, що показане на схемі на рис. 6. У даному разі вся кількість теплоносія буде циркулювати по малому контуру аж до виходу котла та системи опалення на сталий режим у цілому. Таким чином, цей клапан повністю вирішує задачу захисту котла від утворення агресивного кислотного конденсату та від теплового шоку і можливого розтріскування теплообмінника. Проте налаштування співвідношення потоків у даному разі виконується вручну.
Рис. 6. Схема системи опалення із клапаном VT.MR02
Аби позбавитися необхідності кожний раз регулювати клапан у ручний спосіб, є можливість підключити арматуру, що буде сама керувати клапаном (див. рис. 7). У цій схемі використано клапан VT.MR03, що має регульований байпас, який перекриває теплоносій із вторинної гілки доти, поки клапан перебуває у стані «відкрито». Для автоматичного регулювання потоків (тобто для закриття/відкриття клапана при зміні температури зворотного теплоносія аж до досягнення робочого значення 60°С) на клапан VT.MR03 встановлена термоголовка з винесеним датчиком VT.5012. За допомогою цього датчика на термоголовку буде надходити інформація про фактичну температуру теплоносія, що подаватиметься в котел. Коли температура у зворотній лінії первинного контуру досягне заданого робочого значення (60°С), клапан закриється, та теплоносій буде перенаправлятись у вторинний контур до опалювальних приладів.
Рис. 7. Схема системи опалення із клапаном VT.MR03 і термоголовкою з винесеним датчиком температури VT.5012
Таким чином, за схемою на рис. 7, у режимі запуску котла та виходу його на робочий режим весь теплоносій буде направлений на прогрівання котла, аби позбавитись ризику утворення кислотного конденсату чи дії теплового шоку. Коли котел вийде на сталий режим, триходовий клапан буде автоматично поступово пропускати теплоносій у контури, де власне встановлені опалювальні прилади системи.
Рис. 8. Триходовий змішувальний клапан VT.MIX03
Для великих котелень із значною подачею теплоносія (> 10 м3/г) VALTEC пропонує клапани серії VT.MIX, див. рис. 8. Їх призначення подібне до клапанів серії MR – тобто для змішування або розділення потоків. Клапаном серії MIX можна керувати в ручному режимі за рахунок рукоятки або за допомогою сервомеханізмів (рекомендована модель VT.M106). Слід мати на увазі, що не завжди збільшення кількості елементів, що задіяні в системі приводить до загального підвищення надійності системи. Проте в даному разі йшлося про технічні рішення, що значно підвищують загальний ресурс і терміни експлуатації найбільш вартісного елемента системи опалення – котла – за допомогою якісних триходових клапанів від VALTEC.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 7 007
