НОВЫЙ СПОСОБ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ В КОММУНАЛЬНОМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ
ВСЕПОГОДНЫЙ И КРУГЛОСУТОЧНЫЙ КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ

Е. Г. Шадек

Суть предложения

Предлагается система (далее – Система), где в отличие от традиционной технологии в конденсационный теплоутилизатор подают не обратную сетевую воду, а холодную санитарную воду из водопровода (ХВС) для ГВС с температурой 5–8 ºС зимой и 12–15 ºС летом. Это гарантирует надежную полную конденсацию водяных паров продуктов сгорания (далее – ПС), то есть глубокую утилизацию тепла.
В качестве конденсационного теплоутилизатора используется конденсационный экономайзер (или конденсационный теплообменник-утилизатор – КТУ), установленный в газоходе непосредственно за котлом (рис. 1, Б-Б), либо последняя секция хвостовых поверхностей котла (рис. 2)

Имеются примеры перевода котлов в конденсационный режим путем подачи холодной воды (водопроводной или подпиточной) в конденсационный теплообменник-утилизатор, установленный в газоходе котла. Во всех этих случаях системы глубокой утилизации показали безусловную эффективность: снижение расхода топлива нa 7–10 %, соответственное повышение КПД, экологический эффект (снижение токсичных выбросов) [3]).

ОБ АВТОРЕ

Шадек Евгений Глебович канд. техн. наук, инженер-теплоэнергетик, независимый эксперт. Работал на Кировском машиностроительном заводе, в НИИ «Гипроцветметобработка», в пусконаладочной фирме «Центроэнергочермет», в Объединенном институте высоких температур РАН. В разные периоды времени участвовал в поисковых инженерных и проектных работах в составе различных коллективов как научный руководитель и исполнитель, в том числе в ГК «Rainbow – Инженерные системы» (2010–2012 годы), в Институте теплофизики СО РАН (2013–2014 годы) и др. Автор трех книг, более 70 статей в инженерно-технических журналах и сборниках, имеет около 60 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Условия достижения конденсационного режима

Следует отметить, что среди специалистов как бы по умолчанию принято, что конденсационные котлы работают в конденсационном режиме. В действительности конденсационный режим реализуется только при значении температуры обратной сетевой воды Т_ОБР не выше примерно 40 ºС (с учетом температурного напора в конденсационном теплообменнике-утилизаторе). Тогда температура газов на выходе из конденсационного экономайзера (или КТУ) – порядка 30 ºС.

В обычном конденсационном котле так и происходит: глубокая утилизация тепла продуктов сгорания осуществляется в конденсационном экономайзере, размещенном в хвостовой части котла, при подаче в него обратной сетевой воды с температурой Т_ОБР порядка 40 ºС (ниже температуры точки росы Т_Р, равной для продуктов сгорания природного газа Т_ОБР 50–55 ºС).

Это условие в целом выполняется в европейских странах в системах (чаще – автономных контурах) отопления индивидуального объекта, дома, квартиры и пр., работающих на пониженных температурных графиках тепловых сетей 50/30 ºС. КПД таких котлов доходит до 105–107 % по низшей теплотворности Q_PH. Здесь законодательно запрещено устанавливать в отопительных системах не конденсационные котлы.

Особенности российского теплоснабжения

Российские тепловые сети работают с нормативными графиками 150/110, 115/70 ºС; ставится задача перехода хотя бы до 80/60 ºС. Как показывает анализ [4], в центральной полосе и на юге России конденсационные котлы (импортные, да и любые) реально работают в конденсационном режиме всего в течение 0,2–0,3 времени от продолжительности отопительного периода, который не превышает 0,6 года (график отопления 115/70 ºС). Тогда продолжительность КР в сумме за сезон, т. е. за год составит τ^КК_KP = (0,2 – 0,3)0,6 = (0,12 – 0,18) года или, усредняя интервал, τ^КК_KP = 0,15 года с тепловой нагрузкой отопления Q_ОТ. Произведение времени работы на тепловую нагрузку (мощность) дает общий расход тепла (топлива) при конденсационном режиме ΣQ (см. формулу (1)). Очевидно, что утилизированное тепло Q_УТ прямо пропорционально величине ΣQ. В данном расчете для отопительного периода расход тепла котлом в конденсационном режиме соответствует формуле (2).

По нашим расчетам, при условии τ^КК_KP = 0,15 года в таком смешанном режиме (чередование сухой и глубокой утилизации) достижим КПД газового котла с конденсационным теплообменником-утилизатором в газоходе на обратной воде в условиях России ηΚ порядка 95–97 %. Это заметно больше, чем в штатном режиме без конденсационного тепло-обменника-утилизатора, где максимум составляет 92 % (в отдельных случаях, по рекламным данным, 95 %).

Достижение конденсационного режима в российских условиях

В предлагаемой Системе конденсационный режим длится весь отопительный период (τ = 0,6 года) с отопительной тепловой нагрузкой Q_ОТ (см. формулу (3)) и продолжается летом (τ = 0,4 года), но с нагрузкой только для ГВС, Q_ГВС.
Обычно считается, что тепловая нагрузка ГВС составляет 0,15–0,20 от отопительной. Статистика последних лет (теплые зимы) показывает, что доля ГВС вырастает до 0,30 и более, то есть Q_ГВС = (0,15÷0,30) × Q_ОТ или в среднем 0,225 Q_ОТ. Это значит, что летом система (котел) работает с нагрузкой NK (тепловая мощность котла), равной Q_ГВС = 0,225 × Q_ОТ в течение τСИСKP = 0,4 года полностью в конденсационном режиме (формула (4)).
Суммарная нагрузка в Системе определяется сложением формул (3) и (4) и равняется 0,69 Q_ОТ (формула (5)), что в 0,69/0,15 = 4,6 раза больше, чем в конденсационном котле на обратной воде (см. формулу (2)). Очевидно, во столько же раз количество утилизируемого тепла в Системе выше, чем в обычном «конденсатнике».

Схема работы Системы

В предлагаемой системе (рис. 1, 2) вход конденсационного экономайзера 12 подключен к водопроводной холодной санитарной воде (ХВС) для ГВС, а выход – через автоматический трехходовой клапан 23 к бойлеру 6 и к системе ГВС 24–25. При нагреве воды с температурой 5–8 ºС зимой и 10–15 ºС летом в конденсационном экономайзере продукты сгорания охлаждаются ниже точки росы (50–55 ºС), происходит конденсация водяных паров: во-первых, от сжигания углеводородов топлива, и во-вторых, от влаги дутьевого воздуха.

Литература

1. Шадек Е. Г. Оценка эффективности глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котлов электростанций // Энергосбережение. 2016. № 2.
   
2. Шадек Е. Г. Перевод станционных паровых котлов в конденсационный режим. Способ экономии топлива // Энергосбережение. 2016. № 6.
   
3. Кудинов. А. Энергосбережение в теплоэнергетических установках. М., 2011.
   
4. Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Крыкин И., Горшков В. Конденсационный теплообменник-утилизатор – модернизация котельных установок // ПКМ. 2014. № 5. С. 10–13.

Полностью статью можно прочитать, подписавшись на электронную или бумажную версию журнала «Энергосбережение».