Ниже приведена текстовая часть статьи, расчётную часть см. в [1].
В СП 89.13330.2016. "Свод правил. Котельные установки" имеется следующий пункт.
8.5д В котельных, располагаемых в зоне жилой застройки и на территории
парков и заповедников, следует применять горелочные устройства с наименьшей эмиссией вредных выбросов и минимальными шумовыми характеристиками. При этом следует отдавать предпочтение конденсационным котлам.
В том же документе дано определение конденсационного котла.
Конденсационный котел - котел, в котором используется скрытая теплота парообразования дымовых газов для выработки дополнительной тепловой энергии за счет конденсации водяных паров в специальных, встроенных в котел устройствах, при этом температура уходящих дымовых газов находится ниже "точки росы".
Из контекста следует, что конденсационный котёл лучше традиционного котла. Попробуем разобраться чем он лучше.
В традиционных котлах (включая котлы-утилизаторы) принимают специальные меры, чтобы не допустить конденсацию водяного пара на поверхности теплообменников котла, т.к. при конденсации содержащихся в продуктов сгорания водяного пара в жидкое состояние также переходят соединения NOx и SOx, которые, соединяясь с водой, образуют кислоты, разрушительно воздействующие на соприкасающиеся с ними поверхности. Данное явление получило название "низкотемпературная коррозия". Для предотвращения выпадения конденсата температура воды на входе в котёл должна поддерживаться выше температуры точки росы водяного пара, содержащегося в дымовых газах.
В конденсационных котлах для недопущения возникновения низкотемпературной коррозии теплообменник, на поверхности которого происходит конденсация водяного пара, должен быть сделан из устойчивого к воздействию образующихся кислот материала.
Рассмотрим традиционный одноконтурный (имеется только контур отопления) котёл LUNA-3 Comfort 1.240Fi.
Характеристики LUNA-3 Comfort 1.240Fi:
Максимальная тепловая мощность 25 кВт,
КПД 92,9%,
Температура уходящих газов 135 °С,
Коэффициент избытка воздуха 1,83,
Расход дымовых газов 0,0177 кг/с.
Теплота, выделяемая при сжигании топлива 1) идёт на нагрев сетевой воды в теплообменнике котла, 2) отводится из котла с дымовыми газами.
Увеличить КПД котла (его тепловую мощность при неизменном количестве потребляемого топлива) можно снизив температуру покидающих котёл дымовых газов, тем самым уменьшив теряемое количество теплоты с уходящими газами. Этого можно достичь увеличением площади имеющегося теплообменника или установкой по ходу дымовых газов дополнительного теплообменника (экономайзера).
Примем, что котёл работает при температурном графике 80 °С/60 °С (температура прямой воды/температура обратной воды). Тогда у рассматриваемого котла разница между температурой уходящих газов и температурой обратной сетевой воды составляет 135 - 60 = 75 °С.
Поставим за котлом дополнительный теплообменник на выходе из которого температура уходящих газов составит 75 °С (температурный напор на выходе из котла будет 75 - 60 = 15 С). В дополнительном теплообменнике при охлаждении дымовых газов обратной сетевой воде будет передано следующее количество теплоты:
Q_доп = c_p * (135 - 75) * G_дг = 1066 Вт,
где c_p - теплоёмкость дымовых газов: 1006 Дж/кг/K; G_дг - массовый расход дымовых газов: 0,0177 кг/с.
Тепловая мощность котла с дополнительным теплообменником (без конденсации водяного пара) вырастет с 25 кВт до 26,1 кВт, а КПД с 92,9% до 96,9%.
При неизменных значениях температуры прямой и обратной сетевой воды дополнительная тепловая мощность может быть принята увеличением расхода сетевой воды на 1066 / 25000 * 100% = 4,3%.
Возникает вопрос: почему производитель котла изначально не установил теплообменник с увеличенной площадью, чтобы обеспечить более глубокое охлаждение дымовых газов и увеличить мощность и КПД котла? При температуре обратной воды 60 °С (значительно выше температуры точки росы дымовых газов газового котла) можно охлаждать дымовые газы хоть до тех же 60 °С без риска появления на поверхности теплообменника конденсата в виде агрессивных кислот.
Проблема заключается в том, что зависимость Q/F (где Q - тепловая мощность котла, Вт; F - площадь поверхности теплообменника котла, м2) от температуры дымовых газов на выходе котла t_дг не является горизонтальной прямой линией, поэтому увеличение площади теплообменника, скажем на 10%, даёт прирост тепловой мощности меньше чем на 10%.
На графике выше приведена зависимость пропорционального величине Q/F среднелогарифмического температурного напора от температуры дымовых газов на выходе котла. Из графика видно, что дополнительное охлаждение дымовых газов достигается непропорциональным увеличением площади теплообменника и чем ближе t_дг к температуре обратной воды тем круче становится наклон графика. Для охлаждения дымовых газов до температуры обратной воды понадобиться теплообменник с бесконечной площадью.
При прочих равных условиях чем ниже температура уходящих газов (выше КПД котла) тем он массивнее и дороже. Выбор производителем котла значения температуры уходящих дымовых газов является компромиссом между эффективностью котла и его стоимостью.
Если котёл работает по температурному графику, при котором температура обратной воды всегда выше температуры точки росы дымовых газов (которая зависит от состава топлива и коэффициента избытка воздуха), то дорогой конденсационный котёл в этом случае применять не имеет смысла.
Теперь рассмотрим котёл, в котором происходит конденсация содержащегося в дымовых газах водяного пара.
При нормальном давлении в воздухе температурой 15 °С и относительной влажностью 60% содержится менее 1% водяного пара (доля по массе).
Основная часть водяного пара в дымовых газах является продуктом сгорания топлива.
Химическая реакция горения (окисления) метана (см. [2]):
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
При сжигании 1 моля метана в потоке воздуха с коэффициентом избытка воздуха 1,83 в котле образуется 18,4 молей дымовых газов, 11% (по объёму) из которых - водяной пар. Температура точки росы дымовых газов в этом случае равна 47,4 °С.
Для рассматриваемого котла массовый расход содержащегося в дымовых газах водяного пара составляет 1,226 г/с.
Приняв значение скрытой теплоты парообразования 2500 кДж/кг, можно определить, что при конденсации всего водяного пара, содержащегося в дымовых газах котла, будет выделено 3066 Вт теплоты, а КПД котла превысит 100%.
КПД = [Теплота переданная воде] / [Теплота сгорания топлива]
КПД более 100% означает, что сетевой воде передаётся теплоты больше, чем выделяется при сгорании топлива. Как такое может быть?
Существуют две теплоты сгорания топлива:
1. Низшая теплота сгорания топлива (для метана 50,0 МДж/кг при t = 20 °С),
2. Высшая теплота сгорания топлива (для метана 55,5 МДж/кг при t = 20 °С).
Высшая теплота сгорания топлива больше низшей теплоты сгорания топлива на количество теплоты, выделяющейся при конденсации содержащегося в продуктах сгорания водяного пара при охлаждении продуктов сгорания до температуры 0 °С.
Если при расчёте КПД конденсационных котлов использовать высшую теплоту сгорания топлива, то всё придёт в норму, и его значение будет ниже 100%.
То что сейчас указывается в каталогах в качестве КПД можно рассматривать как коэффициент эффективности относительно идеального неконденсационного котла с КПД 100% (по низшей теплоте сгорания топлива).
Для того чтобы начался процесс конденсации водяного пара дымовые газы следует охладить до температуры точки росы (в нашем случае до 47,4 °С). Процесс конденсации начнётся и тут же закончится, т.к. при уменьшении содержания водяного пара в дымовых газах снизится и температура точки росы, которая станет ниже 47,4 °С и для того, чтобы процесс конденсации продолжился, потребуется ещё больше охладить дымовые газы.
Таким образом, количество сконденсировавшегося водяного пара определяется степенью охлаждения дымовых газов относительно температуры точки росы. Чем больше разница между температурой точки росы и температурой уходящих дымовых газов, тем большее количество водяного пара сконденсируется с выделением скрытой теплоты парообразования.
Вернёмся к вышеприведённой картинке. На рисунке справа температура выходящих из дымовой трубы газов указана 60 °С (выше температуры точки росы), но при этом показан результат процесса конденсации водяного пара - капли воды. Такое вполне возможно, т.к. 60 °С может быть средней температурой дымовых газов, а конденсация водяного пара происходит только в той части дымовых газов, которая непосредственно соприкасается с поверхностью теплообменника, температура которого должна быть ниже температуры точки росы. Это больше похоже на случай возникновения нежелательной низкотемпературной коррозии в традиционном котле, чем на специально организованный процесс конденсации в конденсационном котле. Выпадение агрессивного конденсата на поверхность теплообменника есть, а польза в виде выделившейся скрытой теплоты парообразования ничтожна.
Итак, необходимое условие при котором применение конденсационного котла имеет смысл - температура обратной воды должна быть ниже температуры точки росы дымовых газов, и чем она ниже тем выше будет эффективность конденсационного котла (при прочих равных условиях).
В ГОСТ Р 54825—2011 "КОТЛЫ ГАЗОВЫЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ Специальные требования для конденсационных котлов с номинальной тепловой мощностью не более 70 кВт" есть пункт:
3.3 номинальная мощность при конденсационном режиме: Величина полезной мощности, объявленная изготовителем, кВт, соответствующая эксплуатации котла в режиме температур воды 50 °С/30 °С.
из которого следует, что номинальным режимом работы конденсационного котла является температурный режим 50 °С/30 °С.
Ниже приведёны данные по дополнительной тепловой мощности (относительно рассматриваемого котла с температурой уходящих газов t_дг = 135 С), которую можно получить охладив дымовые газы до заданной температуры. При нахождении зависимостей не учитывалось уменьшение массового расхода и давления дымовых газов при конденсации содержащегося в дымовых газах водяного пара.
Из графика видно, что при температурном режиме 50 / 30 и температурном напоре на выходе котла dt = 15 °С (t_дг = t_обр + dt = 30 + 15 = 45 °С) можно получить дополнительную тепловую мощность 2 кВт, при этом доля конденсационной части составит 0,4 кВт, а большая часть прироста мощности (1,6 кВт) приходится на более глубокое охлаждение дымовых газов.
Наибольшую эффективность будет иметь конденсационный котёл, работающий в зимнее время в составе системы горячего водоснабжения, где требуется нагревать холодную воду до 60 °С.
Выводы
Традиционный и конденсационный котлы не являются конкурентами. Традиционный котёл применяется в случаях, когда температура обратной воды выше температуры точки росы, содержащегося в дымовых газах водяного пара, конденсационный котёл - в случаях, когда температура обратной воды ниже температуры точки росы.
При выборе конденсационного котла следует обращать внимание на значение коэффициента избытка воздуха. Чем ниже его значение (не может быть меньше единицы), тем выше температура точки росы водяного пара, содержащегося в дымовых газах (см. [3]), а значит, при прочих равных условиях, конденсация пара с выделением скрытой теплоты парообразования будет происходить более интенсивно.
Непонятно требование СП 89.13330.2016 отдавать предпочтение конденсационным котлам. Предлагается вместо классического радиаторного отопления использовать систему "водяной тёплый пол"?
Энергорасточительный газовый котёл
С точки зрения первого закона термодинамики по сравнению с вырабатывающими электроэнергию парогазовыми установками с КПД 50% - 55%, котлы с КПД более 90% (а КПД конденсационных котлов при его определении по низшей теплоте сгорания топлива может быть выше 100%) выглядят высокоэффективным оборудованием.
КПД электрокотлов составляет 100%, но при этом всем известно, что отапливать помещение электрическими нагревателями - дорогое удовольствие. Странная ситуация - КПД оборудования 100%, а применять его невыгодно.
Разъяснить вышеописанный парадокс можно с помощью второго закона термодинамики, который вводит понятие энтропии - степени неупорядоченности энергии.
S = Q / T, где S - энтропия, Дж/кг/К; Q - теплота, Дж; T - температура, при которой происходит процесс передачи теплоты, К.
И электростанция и котёл производят энергию, измеряемую в Джоулях (1 кВт*час равен 3 600 000 Джоулей), только Джоуль электроэнергии и Джоуль горячей воды имеют разную энергетическую ценность (качество).
Чем меньше энтропия, тем более упорядочена энергия и тем выше её качество. Электростанция производит электроэнергию, энтропия которой равна нулю. Энтропия тепловой энергии, производимой котлом, тем больше чем ниже средняя температура между прямой и обратной сетевой воды (средняя температура при которой происходит передача теплоты от сетевой воды к воздуху нагреваемого помещения).
Для количественной оценки качества процесса преобразования энергии в энергетическом оборудовании используется понятие эксергия (работоспособность энергии) и эксергетический КПД.
Ex = Q * (T_1 - T_ос) / T_1
Ex - эксергия, Дж или Вт = Дж/с; Q - теплота, Дж или тепловая мощность, Вт; T_1 - температура горячего источника, К; T_ос - температура окружающей среды, К.
КПД_экс = Ex_котла / Ex_CH4,
где КПД_экс - эксергетический КПД, Ex_котла - эксергия теплоты, передаваемой от сетевой воды воздуху отапливаемого помещения, Ex_CH4 - эксергия теплоты горения метана.
За T_ос примем -2,2 + 273,15 = 270,95 К - средняя температура наружного воздуха за отопительный период в Москве, тогда
Ex_CH4 = Q * (1900 - (-2,2)) / (1900 + 273,15), где Q - теплота, выделившаяся при сгорании метана.
Пусть КПД традиционного котла КПД_т = 0,9, а КПД конденсационного котла КПД_к = 1,0, средняя температура передачи теплоты от горячей сетевой воды воздуху отапливаемого помещения для традиционного котла T_1_т= (80+60)/2+273,15, для конденсационного Т_1_к=(50+30)/2+273,15.
Ex_котла_т = Q * КПД_т * (T_1_т - T_ос) / T_1_т
Ex_котла_к = Q * КПД_к * (T_1_к - T_ос) / T_1_к
КПД_экс_т = Ex_котла_т / Ex_CH4 = 0,216
КПД_экс_к = Ex_котла_к / Ex_CH4 = 0,154
Даже несмотря на то, что КПД традиционного котла был принят на 10% ниже чем КПД конденсационного котла, эксергетический КПД традиционного котла оказался выше, т.к. он вырабатывает тепловую энергию с меньшей энтропией (более высокого качества) по сравнению с конденсационным котлом.
В газовом котле сжигается газ, температура горения которого составляет 2000 °С, чтобы получить воду температурой 80 °С, а в случае конденсационного котла - 50 °С. Это крайне нерационально.
Для более полного использования потенциала газа он сначала должен быть сожжён в камере сгорания вращающей электрогенератор газовой турбины, затем выхлопные газы газовой турбины температурой 520 °С - 600 °С подаются в котёл-утилизатор, в котором тепло выхлопных газов используется для выработки пара. Пар направляется в генерирующую электроэнергию паротурбинную установку, и только из паровой турбины делается отбор пара на сетевой подогреватель для нагрева сетевой воды, предназначенной для отопления. Вышеприведённая последовательность энергетических преобразований является описанием процесса, происходящего в теплофикационной парогазовой установке, имеющей КПД (по первому закону термодинамики о сохранении энергии) ниже чем КПД газового котла, но несмотря на это являющейся гораздо более эффективной с точки зрения качества преобразования энергии.
В целях энергосбережения там, где нельзя организовать централизованное теплоснабжение от ТЭЦ должны применяться котлы, работающие на топливе, которое непригодно или слабо пригодно для его использования на электростанциях.
Использование газа с температурой горения 2000 °С для нагрева воды до 60 °С - это эксергетическое расточительство, следствием которого является энтропийное загрязнение окружающей среды.
Ссылки
1. Расчётная часть статьи в Jupyter Notebook.
2. Состав выхлопных газов при сжигании газового топлива.
3. Температура точки росы продуктов сгорания газового топлива.
4. В. М. Бродянский. Вечный двигатель - прежде и теперь. Москва. Энергоатамиздат. 1989.
