Робочому режиму будь-якого обладнання передує режим запуску. Це найбільш «стресовий» режим роботи обладнання, що характеризується перехідними процесами, які зазвичай є найбільше загрозливими та аварійно-небезпечними. Чим захистити котел на стадії запуску, а також які загрози треба передбачити?
При включенні опалювального котла у сталому режимі роботи передує етап виходу на повну потужність системи, тобто теплоносій має прогрітися до робочої температури як у лінії подачі, так і в зворотній лінії. Даний «підготовчий» етап має особливості фізико-хімічних процесів, що відбуваються в котлі, які відрізняються від тих, що характерні для роботи на сталому режимі, вони також несуть певну загрозу для самого котла. «Пом’якшення» чи унеможливлення руйнівних процесів саме на режимі запуску значно впливає на загальний термін експлуатації та довготривалу надійну роботу котла.
Найбільш розповсюдженими агрегатами для систем опалювання індивідуального житлового будинку є котли прямого спалення органічного енергоносія. В Україні найбільш розповсюдженими з них є газові та твердопаливні котли. Схеми типових твердопаливних та газових котлів наведені на рис. 1.
Рис. 1. Схема газового та твердопаливного котла
У камері згоряння котлів прямого спалення, незалежно від типу самого енергоносія, при спаленні органічної речовини відбуваються дуже подібні процеси. Тепло, що утворюється від спалення через теплообмінник нагріває теплоносій (зазвичай воду) до потрібної температури, який розносить тепло по будинкових опалювальних пристроях. Після цього дещо охолоджений теплоносій повертається через зворотну лінію назад у котел, й опалювальний цикл повторюється. Зворотний теплоносій повертається до котла з температурою приблизно на 20°C меншою, ніж той, що подається в лінію подачі теплоносія у систему (рис. 2).
Рис. 2. Схема подачі теплоносія в котел у сталому режимі
На етапі запуску котла, коли система ще недостатньо прогріта в камері згоряння та в димоході відбуваються перехідні процеси, а температура у зворотній лінії значно відрізняється від температури у лінії подачі, ця різниця може досягати 60°C. У режимі запуску в котлі відбуваються небезпечні фізико-хімічні процеси, які практично відсутні, або є значно меншими в сталому режимі. Перехідні процеси можуть критично зменшити ресурс котла та компонентів котлової системи, а також суттєво скоротити загальні терміни експлуатації.
З технічної точки зору, щоб завадити негативному впливу у пусковому режимі потрібно:
- якомога довший час підтримувати сталий режим та обмежувати кількість запусків з холодного стану;
- попередити загрози за допомогою спеціальних пристроїв.
Що відбувається у камері згоряння
У котлі на етапі запуску відбуваються дещо специфічні процеси. 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 наступні хімічні реакції:
CH4 + O2 → CO2 + H2O (пара);
2H2 + O2 → 2H2O (пара);
H2S + O2 → SO2 + H2O (пара).
Водяна пара видаляється через димохід, а значно важчі 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 (сульфітна або сірчиста кислота).
У деяких зонах камери згоряння, де локальна температура є вищою, може проходити реакція:
SO2 + O2 → 2SO3;
SO3 + H2O → H2SO4 (сірчана кислота).
Вода у вигляді рідини, а не пари, може з’явитися у камері згоряння саме на етапі запуску, коли система опалення ще не вийшла на сталий режим, та температура теплоносія у зворотній лінії значно відрізняється від температури у прямій лінії (див. рис. 3). Подача такої значно холоднішої води до теплообмінника може викликати конденсацію водяної пари у нижній частині камери згоряння, де концентруються значно важчі гази від спалювання (діоксид вуглецю, діоксид та 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), а також призвести до передчасної руйнації котла.
Рис. 3. Схема подачі теплоносія в котел у режимі запуску системи опалювання
Те саме відбувається й у твердопаливному котлі, де хімія процесів дуже подібна – в камері згоряння будуть утворюватися водяна пара (H2O), сірководень (H2S), двоокис вуглецю (CO2), азот (N2) й т. і. Утворені в камері згоряння кислоти в гарячому стані – дуже агресивне корозійне 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 «термічного шоку». Хоча чавун має достатньо добру здатність до передачі тепла, але цей матеріал вирізняється крихкістю, особливо через домішки сірки, яка концентрується при литві навколо зерен металу у так званій зоні ліквації.
Для захисту котлів від появи агресивних хімічних речовин та від розтріскування через нерівномірне надмірне 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, щоб зменшити температурну різницю подачі/відводу теплоносія у котел підмішуванням частини гарячої води із прямої лінії у зворотну. Кількість води для підмішування регулюється відкриванням прохідного отвора клапана. В залеж ності від ступеня автоматизації системи опалювання такий перепуск (байпас) можна регулювати вручну, за допомогою термоголовок чи сервомеханізмів. Наприклад, є спеціальні триходові клапани для підмішування серії MR від компанії VALTEC, що відрізняються за конструкцією та способом приведення у дію.
Рис. 4. Триходовий термостатичний змішувальний клапан VT.MR02
На рис. 5 показана схема системи опалювання з клапаном типу MR01 від VALTEC з нерегульованим байпасом. Тобто до холодного теплоносія зі зворотної лінії системи опалення, який циркулює в системі, перед потраплянням в котел буде постійно підмішуватися вже дещо нагрітий теплоносій. Таким чином, таке рішення дозволяє зменшити перепад температур на вході / виході з котла від 60°С до 40°С навіть на первинній стадії запуску, що врешті значно зменшує ризик появи водяного конденсату всередині котла та на стінках його теплообмінника.
Рис. 5. Схема системи опалення із клапаном VT.MR01
Щоб ще зменшити температурну різницю, можна залучити 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 розв’язувати задачу захисту котла від утворення агресивного кислотного конденсату та від теплового шоку, а також від можливого розтріскування теплообмінника. Проте налаштування співвідношення потоків у даному разі виконується вручну.
Рис. 6. Схема системи опалення із клапаном VT.MR02
Щоб позбавитися ручного регулювання клапану, є можливість під’єднати 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 отримує сигнал «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, від якого 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 весь теплоносій буде перенаправлятись до опалювальних приладів (у «великий» контур).
Рис. 7. Схема системи опалення із клапаном VT.MR03 й 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 суто на прогрівання котла, чим можна повністю позбавитися ризику утворення кислотного конденсату чи дії термічного шоку. Коли котел вийде на сталий режим, триходовий клапан автоматично поступово пропускатиме теплоносій у контури, де власне встановлені опалювальні прилади системи.
Для великих котелень зі значною подачею теплоносія (>10 м3/год) 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 допомогою рукояті або сервомеханізмів (рекомендована модель VT.M106).
Рис. 8. Триходовий змішувальний клапан VT.MIX03
Зазвичай збільшення кількості елементів, що залучені до системи, не приводить до загального підвищення надійності системи. Проте в даному разі маються на увазі саме ті технічні рішення, що за допомогою якісних триходових клапанів від VALTEC значно підвищують загальний ресурс та терміни експлуатації найбільш вартісного елемента системи опалення – котла, якими пом’якшуються або усуваються негативні впливи від перехідних процесів на етапі запуску.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 3 769
