В настоящей статье автор хочет обратить внимание на проблему повышения экономичности источников теплоты – водогрейных котельных (ВК).

Согласно [1] расчеты тепловых потерь ВК производят применительно к низшей теплоте сгорания топлива. Величина КПД современных газовых ВК по низшей теплое сгорания достигает 90...92 %. Между тем при сгорании 1 м³ природного газа образуется 2 м³ водяных паров, на долю которых приходится 11…13 % теплоты. Температура газов за ВК составляет 150…180 ⁰С и дальнейшее ее снижение в теплообменниках «сухой» теплопередачи признано экономически нецелесообразным. В этих условиях единственным существенным резервом повышения экономичности является использование теплоты конденсации паров. Так, при влагосодержании уходящих газов Х = 0,11…0,12 кг/кг теплота, приходящаяся на 1 кг газов, составляет: 190…220 кДж – физическая (определяемая их температурой), 310…325 кДж – влажностная. Использование теплоты водяных паров возможно при их конденсации, которая может происходить в том случае, когда поверхность труб имеет температуру ниже точки росы t _р , составляющей для продуктов сгорания природного газа величину 55…56 ⁰С. Такие температуры нагреваемой воды в водогрейных котельных могут иметь место в двух случаях:

а) при нагреве водопроводной воды,

б) при нагреве обратной воды теплосети.

Однако действующим ГОСТ 21563-93 [2] устанавливается, что температура воды, поступающей в ВК, должна быть не ниже 70 ⁰С, т. е. значительно выше t _р . что исключает возможность конденсации паров на поверхностях нагрева. Положение ГОСТа обосновано тем, что выделившийся конденсат, контактируя с газами и поглощая некоторое количество углекислоты СО₂, становится слабым раствором угольной кислоты Н₂СО₃, обладающей коррозионными свойствами.

За рубежом более двадцати лет эксплуатируются конденсационные ВК, обычно изготовляемые целиком из коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и др.). КПД этих котлов на 10 % выше, чем у обычных котлов. В условиях РФ с учетом требования вышеуказанного ГОСТа использование конденсационного метода возможно в экономайзере, предвключенном по нагреваемой воде по отношению к котлу. В этом случае из коррозионностойкого материала должен изготовляться только экономайзер.

В наиболее простом варианте с нагревом в конденсационном экономайзере (КЭ) холодной водопроводной воды до 40…50 ⁰С все поверхности нагрева имеют температуру ниже t _р и, согласно расчету, в КЭ может быть сконденсировано до 85…90 % паров, содержащихся в продуктах сгорания.

Эффективность этого варианта наиболее высокая в том случае, когда нагретая в КЭ вода используется для горячего водоснабжения в значительном количестве (рис. 1 а). При использовании воды для подпитки теплосети или котлов - ее количество невелико (в общем случае), что позволяет использовать только часть теплоты, содержащейся в отходящих газах. К тому же следует учитывать, что с точки зрения рационализации теплоэнергетического хозяйства необходимо стремиться к уменьшению утечек воды из теплосети и котлов, и соответственно величине подпитки.

Поэтому более широкие возможности использования теплоты отходящих газов возникают при нагреве в КЭ теплофикационной воды из обратного трубопровода теплосети (рис. 1 б, в) поскольку расход воды в этом случае значительно больше, чем подпиточной. Однако условия для конденсации в этом случае хуже, чем при нагреве подпитки ввиду того, что температура t обратной сетевой воды выше и кроме того, переменна в течение отопительного сезона. Получается, что целесообразность применения КЭ для нагрева теплофикационной воды проблематична. Для выяснения этого вопроса построен график температуры обратной сетевой воды t в двухтрубной системе теплоснабжения в течение сезона (рис. 2), из которого видно, что величина t ниже t _р и, следовательно, конденсация паров практически в течение всего сезона осуществима.

В неотопительный период, когда тепловая сеть обслуживает только системы горячего водоснабжения, величина t снижается, и эффективность КЭ соответственно возрастает.

Наиболее целесообразно использование двухступенчатого КЭ, в первой ступени которого нагревается холодная вода для горячего водоснабжения или подпитки, а во второй – теплофикационная вода (рис. 1 б).

Для получения количественных данных об эффективности процессов в указанных схемах необходимо произвести расчет сезонных режимов теплопередачи.

Тепловой расчет КЭ имеет значительные отличия от аналогичных расчетов теплообменников сухой теплопередачи, поскольку в них теплота передается не только за счет разности температур газов и воды, но дополнительно за счет теплоты конденсации, величина которой, хотя и связана с разностью температур, но сложной нелинейной зависимостью. Поэтому тепловой расчет КЭ по обычному уравнению теплопередачи с использованием разности температур теплоносителей связан с рядом сложностей. Расчет упрощается, если его производить на основе разности показателей, учитывающих и температурную и влажностную составляющие количества содержащейся теплоты – энтальпий газов i _г и насыщенной парогазовой смеси i _в, соответствующей температуре воды.

i _г = с_г t _г + r х_г, i _в = с t _в ’’ + r х_в”,

где с_г, с _в’’ – теплоемкость газов и насыщенной смеси, кДж/кгК;

t _г , t _в ^” – температуры газов и смеси,⁰С;

х_г, х_в” – влагосодержание газов и смеси, кг/кг;

r – теплота парообразования, кДж/кг

Расчетное уравнение в этом случае имеет вид:

D q = b ( i _г -i _{в )}

где b – коэффициент масообмена, кг/м² .

Для определения эффективности КЭ, установленного за отопительным ВК, обслуживающим двухтрубную тепловую сеть с комплексной нагрузкой (отопление + горячее водоснабжение) по методике [3] был произведен его тепловой расчет. Расчеты производились применительно к работе теплосети по отопительным графикам 150/70 и 95/70 ⁰С. Величина поверхности нагрева КЭ принималась аналогичной поверхности нагрева экономайзера ВТИ, устанавливаемого за паровыми котлами, т.е. 43 м²/ГДж. Рассматривались ребристые трубы двух типов: биметаллические (чулок с алюминиевыми ребрами, одетый на внутреннюю стальную трубу) и целиком из нержавеющей стали.

В результате расчета были определены уменьшение потерь теплоты с уходящими газами q ₂ и прирост КПД в течение отопительного сезона. На рис. 3 показано как уменьшаются потери теплоты с уходящими газами q _{2 ,} а на рис. 4 соответственно прирост КПД ВК при установке за ними КЭ.

На рис. 5 показаны изменения температуры и влагосодержания уходящих газов при использовании КЭ по схемам с нагревом холодной (а) и обратной воды теплосети (б). При схеме (а) за счет снижения температуры получается 163 кДж/кг, чему соответствует прирост КПД в размере 5,1 %; за счет конденсации получается 219 кДж/кг, с соответствующим приростом КПД равным 7,1 %. Суммарный прирост КПД при этой схеме 12,2 %. При схеме (б) снижение температуры дает 130 кДж/кг, чему соответствует прирост КПД в размере 4,1 %; на долю конденсации приходится 138 кДж/кг (прирост КПД 4,4 %). Суммарный прирост КПД в этом случае 8,5 %.

Таким образом, применение КЭ позволяет существенно повысить КПД котлов. Это достигается за счет снижения температуры и влагосодержания отходящих газов. Наряду с повышением экономичности, снижение температуры и влагосодержания оказывает противоречивое влияние на экологические показатели работы котельной. С одной стороны уменьшение влагосодержания газов удаляемых в атмосферу, является благоприятным фактором, снижая вероятность осадков в виде кислотных дождей и др. Однако снижение температуры выбросных газов имеет и отрицательную сторону, заключающуюся в возникновении опасности конденсации паров в отводящих газоходах и, главное, в дымовой трубе.

Последнее обстоятельство является мотивом для сдерживания внедрения КЭ в практику проектирования. Во многом это объясняется тем, что отсутствует обоснованная методика расчета тепловлажностного режима отводящих газоходов. Расчетами, приведенными в [4] установлена возможность обеспечения безопасных тепловлажностных режимов газоотводящего тракта при установке КЭ за котлами и выданы рекомендации по выбору практических способов их реализации.

Уместно отметить, что в настоящее время для защиты труб от выделяющегося конденсата широко внедряются пластмассовые вставки, что радикально решает задачу защиты труб.

Литература

1. Тепловой расчет котельных агрегатов Нормативный метод, М., Энергия, 1973, с. 295.

2. ГОСТ 21563-93 от 1995, Котлы водогрейные.

3. Бухаркин Е.Н. «К методике теплового расчета конденсационных утилизаторов за котлами», Теплоэнергетика, 1997, № 2, с. 59-62.

4. Бухаркин Е.Н. «К вопросу обеспечения надежных условий использования экономичных котлов с конденсационными утилизаторами», Промышленная энергетика, 1995, № 7, с. 32-35.

5. Кудинов А.А., Антонов В. А., Алексеев Ю. Н. «Анализ эффективности применения теплоутилизатора за котлом ДЕ 10-14 ГМ», Промышленная энергетика, 1997, № 4, с. 46-49

Подрисуночные надписи.

Рис. 1. Схема использования конденсационных экономайзеров в котельных.

а) с нагревом водопроводной воды для целей горячего водоснабжения или подпитки теплосети;

б) двухступенчатым нагревом холодной и теплофикационной воды;

в) для нагрева теплофикационной воды.

Обозначения: 1-КВ, 2, 3- 1-я и 2-я ступени КЭ для нагрева воды для систем горячего водоснабжения и подпитки, 4-КЭ – для нагрева воды теплосети,

5,6 – сетевой и рециркуляционный насосы, 7,8 – системы отопления и горячего водоснабжения, 9 – теплообменники в ЦТП.

Рис. 2. Температуры воды в течение отопительного сезона: после систем отопления t _о (кривая 1), после охлаждения в теплообменниках системы горячего водоснабжения t _гв (кривая 2) и точки росы отходящих газов t _р (кривая 3)

Рис. 3 Потери теплоты с уходящими газами q ₂ при различной доле нагрузки горячего водоснабжения при отопительном графике 150/70⁰С:

Рис. 4 Прирост КПД D h при различной доле нагрузки горячего водоснабжения и графике 95/70⁰С. Обозначения аналогичны рис. 3.

Рис. 5 Количество теплоты, получаемое в КЭ за счет температурной (1) и влажностной составляющей (2) в процессе теплопередачи: