Исследование работы газовых котлов малой мощности для предприятия общественного питания

Введение

Газовое оборудование общественного питания экономически и технологически более выгодно в эксплуатации, чем электрическое [4]. Оно более надежно и долговечно, а также проще в обслуживании и использовании. Однако недостаточно высокая эффективность сжигания газа и как следствие загрязнение окружающей среды экологически вредными дымовыми газами ведет к его существенному перерасходу. В целях более полного повышения его сжигания за счет избытка воздуха в смеси непреднамеренно снижается температура пламени и дымовых газов, что ведет к недожогу в холодном пламени. Объем дымовых газов и размеры теплового блока возрастают, как и тепловые потери через наружную поверхность [1].

Основная часть

79% рынка занимают котлы, работающие на газовом топливе, из которых менее 10% составляют конденсационные котлы. Традиционный комбинированный котел в основном используется для обеспечения системы теплоносителем систем отопления и горячего водоснабжения. Традиционный комбинированный котел (рис. 1) оснащен модулируемой газовой горелкой атмосферного типа [2]. Она изготовлена из нержавеющей стали и поставляется в комплекте с электродами розжига. Газовый клапан имеет двойной затвор со встроенной модулирующей катушкой. Первичный теплообменник представляет собой высокоэффективную систему газ/ вода, изготовленную из меди и состоящую из четырех труб, соединенных последовательно в пластинчатые катушки, защищенные некорродирующим сплавом. Камера сгорания изготовлена из стали, внутренняя часть которой защищена керамическими панелями. Гидравлический модуль оснащен трехходовым электрическим клапаном, регулируемым байпасом, датчиком давления рабочей среды первичного контура, предохранительного клапана, системы слива и шарового крана для заполнения системы. Для приготовления воды на горячее водоснабжение (ГВС) котел оборудован водо-водяным теплообменником из нержавеющей стали и оснащен реле расхода. Расширительный бак представляет собой мембранную емкость, оборудованную предохранительным клапаном, термометром и датчиком давления. Уровень нагрева воды регулируется предохранительным термостатом. Традиционные газовые котлы могут быть переоборудованы для перехода на конденсационный режим работы. Однако температура теплоносителя на входе в котел должна быть ниже температуры точки росы дымовых газов в течение большей части отопительного сезона.

Рис. 1. Конструкция комбинированного котла типа Viessmann Vitopend 100-W

Котлы конденсационного типа имеют более высокий коэффициент полезного действия (КПД) за счет более тщательной утилизации тепла уходящих газов. Водяные пары, которые образуются в процессе горения газового топлива, конденсируются, возвращая скрытую теплоту парообразования, и увеличивая производительность котла на 10–12%.

Рис. 2. Принцип работы камеры сгорания конденсационного котла

Котлы конденсационного типа получают наиболее широкое применение. В настоящее время на долю этих котлов приходится 85% энергетического баланса систем отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения, а доля углекислого газа составляет 67% [3]. Температура уходящих газов в традиционном комбинированном котле имеет более высокие значения, что приводит к существенным потерям тепла с уходящими газами. В конденсационных газовых котлах скрытая теплота парообразования используется с помощью вторичного теплообменника, обеспечивающего подогрев воды, поступающей из обратного трубопровода теплосети. Конденсационный котел имеет дополнительную камеру с теплообменником, куда направляется горячий поток продуктов сгорания отработанного газа. Их температура может достигать 150–200°C. Горячий воздух, соприкасаясь с теплообменником, охлаждается, образуя конденсат, и часть тепла возвращается на обогрев помещения. В итоге температура выхлопа остается около 60° С. Коэффициент полезного действия (КПД) таких котлов составляет около 90%.

Рис. 3. Конструкция конденсационного котла типа Viessmann Vitodens 100-W

Модулируемая цилиндрическая горелка конденсационного котла обеспечивает более плавное регулирование мощности. Она изготовлена из нержавеющей стали и поставляется с электродами розжига и обнаружения погасания факела.

Горелка оснащена пневматической системой модуляции, при этом газовый клапан оснащен двойным затвором. Первичный теплообменник представляет собой газо-водяную систему, корпус которой выполнен из композитного материала и с внутренней стороны покрыт керамическими панелями. Котел также оборудован вторичным водо-водяным пластинчатым теплообменником, который обеспечивает подготовку воды на ГВС. Он изготовлен из листовой нержавеющей стали. Гидравлический блок котла состоит из трехходового клапана с электроприводом, насоса с частотной регулировкой производительности, встроенного воздушного сепаратора, регулируемого байпаса, реле давления, предохранительного клапана и клапана подачи. По сравнению с традиционными котлами коэффициент полезного действия (КПД) конденсационных котлов примерно на 10% выше.

Результаты исследования

Цель данного исследования состоит в сравнительном анализе котлов двух типов, работающих на газовом топливе, оценка их энергетических и экологических показателей, разработка рекомендаций по оптимальному режиму их эксплуатации. Исследования проводились на котлах настенного типа, работающих на сжиженном природном газе. Один из них традиционного комбинированного типа, а второй – конденсационного. Эксперименты проводились на котлах двух моделей: Viessmann Vitopend 100-W (рис. 1) и Viessmann Vitodens 100-W (рис. 3) [2]. При их работе на номинальной мощности. Исследования проводились с помощью газового анализатора Testo 350, замеры выполнялись в коаксиальных дымоходах котлов через технологические отверстия.

Целью данного исследования было провести сравнительный анализ двух типов котлов, работающих на газообразном топливе, оценить их энергетические и экологические показатели, а также изучить настенные котлы, работающие на сжиженном природном газе, которые являются оптимальными для их эксплуатации.

Полученные результаты приведены на рисунке 4.

Рис. 4

Результаты энергообследования показали, что коэффициент полезного действия (КПД) брутто конденсационного котла более чем на 10% превышает коэффициент полезного действия (КПД) традиционного котла комбинированного типа.

В основном это связано с наличием вторичных теплообменников, которые обеспечивают более тщательное охлаждение отходящих газов. Модулируемая цилиндрическая горелка конденсационного котла позволяет обеспечить соотношение топливо – воздух более близкое к оптимальному. За счет этого достигается эмиссия оксидов азота в 2,3 раза ниже, чем для традиционного котла комбинированного типа. Эмиссии оксида углерода имеют очень маленькие и близкие значения для обследованных котлов. Если учитывать тепловое загрязнение окружающей среды, то оно для конденсационного котла намного ниже, чем для комбинированного. Высокое содержание кислорода в камере сгорания традиционного котла (рис. 4) объясняется отсутствием частотного регулирования у дымососа. Данное обстоятельство является существенным недостатком, влияющим на технико-экономические и экологические показатели работы котла, особенно при его эксплуатации на пониженных нагрузках, что необходимо учесть при дальнейшем совершенствовании конструкции котлов данного типа [5].

Заключение

В результате энергообследования было показано, что конденсационный котел значительно превосходит традиционный котел комбинированного типа как по энергетическим, так и по экологическим показателям. Конденсационные котлы считаются более энергоэффективными из-за их способности нагревать воду с использованием отработанного тепла. Комбинированные котлы в свою очередь имеют более низкую энергоэффективность по сравнению с конденсационными котлами.