Газовое оборудование, на базе которого создаются автономные отопительные системы, в настоящее время представлено на рынке двумя основными типами: атмосферными (конвекционными) и турбированными котлами.

Атмосферный газовый котёл забирает воздух, необходимый для горения, непосредственно из помещения котельной. Вывод продуктов сгорания осуществляется через дымоход за счёт естественной тяги. В турбированном котле предусмотрена закрытая камера сгорания. Воздух поступает в камеру сгорания за счёт работы вытяжного вентилятора (дымососа), который одновременно удаляет дымовые газы, образующиеся в результате сжигания топлива. Подача воздуха и удаление дымовых газов могут быть организованы через коаксиальный дымоход или посредством раздельной подачи приточного воздуха и удаления уходящих газов.

Современные котлы конструируются с учётом типов горелок и определённого типа топлива. Используются модулируемые устройства, точно настроенные с учётом требуемой тепловой нагрузки, а следовательно, варьирующие подачу топлива и окислителя (воздуха) для бесступенчатого регулирования мощности нагревателя. По этой причине в последних разработках производителей котельного оборудования в основном используют горелки полного предварительного смешения, в которых для подачи воздуха на горение дополнительно используется разрежение в топке (закрытая топка). Такие горелки не только обеспечивают более высокий КПД котлоагрегата, но и способны поддерживать устойчивое горение в широком диапазоне от 30 до 100% номинальной мощности [1].

Максимально эффективная работа котлового агрегата, в том числе с точки зрения экологичности, возможна только при полном сгорании топлива.

Ключевым условием такой работы является поддержание требуемого соотношения «газ/воздух» в горелочном устройстве. Отметим, что оптимальное значение коэффициента избытка воздуха для всех типов горелочных устройств находится в эксплуатационном диапазоне λ = 1,05–1,25 (рис. 1).


Рис. 1. Влияние коэффициента избытка воздуха на параметры дымовых газов

Значение коэффициента избытка воздуха на работающем теплогенераторе может быть определено на основании результатов газового анализа продуктов сгорания по процентному содержанию в них кислорода О2 или углекислого газа CO2 [2]. Разбавление продуктов сгорания избыточным воздухом (с ростом λ) приводит к снижению теоретической температуры горения топлива и, следовательно, к снижению интенсивности теплообмена в топке теплогенератора, а также к увеличению объёма продуктов сгорания и, как следствие, к росту потерь теплоты с уходящими газами q2. Поэтому оправдано стремление поддерживать минимально допустимые значения коэффициента избытка воздуха.

Таким образом, оптимальная работа котлоагрегата может быть достигнута согласованной работой вытяжного вентилятора и газового клапана котла в автоматическом режиме, управляемом контроллером (микропроцессором) на основе пользовательских установок и импульсов встроенных датчиков давления и температуры. Панель управления позволяет включать и выключать вентилятор, а также задавать обороты вентилятора (мощность наддува) на каждой из стадий работы отопительного котла. Однако производительность вентилятора определяется в первую очередь сочетанием его напорной характеристики и гидравлической характеристики системы «воздуховод — дымоход» (то есть рабочей точкой). Рассмотрим работу вентилятора на примере модели FIME VGR002099142W (используется для котлов Viessmann Vitopend 100).

Напорная характеристика вентилятора получена авторами в ходе натурных экспериментов самостоятельно (кривая 1 на рис. 2), так как производитель не размещает данную информацию в открытых источниках.


Рис. 2. Напорная характеристика вытяжного вентилятора FIME VGR002099142W

Действительные значения расхода газовоздушной смеси и давления, развиваемого вентилятором, определяются рабочей точкой — точкой пересечения напорной характеристики вентилятора и характеристики сети (кривые 2, 3, 4). В зависимости от сопротивления газовоздушного тракта рабочая точка может смещаться (точки А, В и С), и объём воздуха, поступающего на горение, также будет изменяться. Влияние этого факта оценим экспериментально на примере газового котла Viessmann Vitopend 100-W номинальной мощностью 24 кВт. Подвод воздуха и отвод продуктов сгорания организован раздельно через адаптер с воздуховодами диаметром 80 мм. Котёл работает на сетевом природном газе. Основные характеристики котлоагрегата [3] приведены в табл. 1.

В режиме работы на ГВС (первый режим) фактический расход воздуха на горение составляет 68,4 м³/ч (данные получены расчётом с учётом измеренного расхода газа и коэффициента избытка воздуха). Расход газа по данным стационарного газового счётчика составляет 2,4 м³/ч. Температура воды на входе в котёл 10°C, на выходе — 49°C. Фактическая тепловая мощность 20,3 кВт, то есть тепловая нагрузка составляет около 85%. Результаты эффективности работы котлоагрегата, полученные с использованием газоанализатора Testo 320, при данной нагрузке, а также при нагрузке 40% приведены в табл. 2.

При этом для тепловой нагрузки 85% теоретически необходимый расход воздуха на горение равен 25 м³/ч (с коэффициентом избытка воздуха λ = 1,1).

Очевидно, что завышенный расход воздуха приводит к значительным потерям с уходящими газами и существенному снижению КПДф относительно паспортных значений КПД (в данном случае под КПДф будем понимать коэффициент использования топлива, поскольку потери энергии в окружающую среду от корпуса котлоагрегата не учитывались). Основная причина повышенного расхода воздуха — это низкое аэродинамическое сопротивление системы «воздуховод — дымоход» (ориентировочно его значение из рис. 2 можно оценить в 210 Па).

Ввиду того, что характеристики дымового тракта сугубо индивидуальны, производитель оборудования рекомендует при монтаже подстраивать гидравлическое сопротивление дымового тракта под характеристики нагнетателя путём установки диафрагмы на тракте уходящих газов (рис. 3). Диафрагма сужает проходное сечение газохода и играет роль дроссельной шайбы, то есть искусственного местного сопротивления, которое делает характеристику сети более крутой (кривая 3 на рис. 2).

Для рассматриваемого случая (совокупная длина воздуховода и дымохода менее 12 м) производитель рекомендует диафрагму с диаметром сечения 41 мм. При этом в документах завода-изготовителя не приводятся ни коэффициенты местных сопротивлений сужающих устройств, ни потери давления на них. Экспериментальная проверка величины местного сопротивления диафрагм, выполненная в ходе данной работы, дала значения, приведённые в табл. 3. Измерения сопротивления диафрагмы проводились для воздуха при температуре 20°C и давлении 101,1 кПа (табл. 3). Контроль перепада давления на испытательном стенде осуществлялся с помощью дифманометра Testo 510, скорость и температура воздуха измерялись анемометром Testo 410–1.

В том случае, если бы на котле было предусмотрено частотное регулирование работы вентилятора (в зависимости от аэродинамического сопротивления дымового тракта), напорная характеристика могла бы смещаться вниз (пунктирная линия 5 на рис. 2), и подача вентилятора снижалась бы в соответствии с частотой вращения согласно теории подобия и законам пропорциональности нагнетателей [4]:

Gвент1/Gвент2 = n1/n2, (1)

где Gвент1 и Gвент2 — подача вентилятора, м³/ч; n1 и n2 — частота вращения рабочего колеса вентилятора, об/мин.

При этом расхождение между требуемой и фактической рабочей точкой также уменьшалось бы.

Установка диафрагмы Ду 41 мм на газоходе котла (в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя [3] при раздельной подаче приточного воздуха и отводе уходящих газов, а также длине системы удаления продуктов сгорания, не превышающей 12 м) позволяет сместить рабочую точку (точка С на рис. 2) и снизить расход воздуха до 41,9 м³/ч. Результаты эффективности работы котлоагрегата, работающем в новом режиме (с установленной диафрагмой), приведены в табл. 2.

На рис. 2 кривые 2, 3 и 4 отображают гидравлические характеристики газовоздушного тракта котла без диафрагмы и с диафрагмой (расчётная и фактическая для тепловой нагрузки 85%). Из рис. 2 видно, что рабочие точки А и В определяют значение подачи воздуха на горение — 68,4 и 41,9 м³/ч, соответственно. То есть использование диафрагмы приводит к смещению рабочей точки и снижению расхода.

Расчётное снижение расхода составляет 20,5 м³/ч или 30%, а фактическое — 26,5 м³/ч или 38,7% (точка С). Снижение расхода воздуха приводит к уменьшению потерь с уходящими газами и росту КПДф на 6,6 и 9,3% (для тепловой нагрузки 85 и 40%, соответственно).

Из анализа результатов измерений можно сделать следующие выводы: установка диафрагм в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя однозначно приводит к повышению эффективности котлоагрегата и соответствующему снижению расхода топлива. Однако очевидно, что, несмотря на это, достигнутое снижение расхода воздуха недостаточно и не обеспечивает оптимальное соотношение «газ/воздух» в горелочном устройстве. Поэтому котлы со ступенчатым регулированием скорости работы вентилятора или программируемым частотным регулированием, обеспечивающим более точную настройку режима его работы под конкретную систему дымоудаления, будут более энергоэффективны при прочих равных условиях.

Данное исследование выполнено при финансовой поддержке Кубанского научного фонда в рамках научного проекта №Н-25.1/38.