Нискотемпературни котли на газ и течно гориво

Рационален и екологичен технически подход за отопление и горещо водоснабдяване

Геотермална е топлинната енергия, съдържаща се в земното ядро, която се излъчва постоянно към повърхността на Земята. Източник на тази енергия е магмата. Като резултат от различни процеси, част от магмата се придвижва към повърхността. Достигайки я, магмата изригва, образувайки вулкан. По-голямата част от нея, обаче, остава под повърхността, създавайки обширни подземни райони с горещи скали. Просмукваната през процепи и пукнатини вода в земната кора влиза в контакт с разтопените скали, нагрявайки се до високи температури. Част от тази вода циркулира и достига обратно до земната повърхност, във вид на горещи извори и гейзери. Друга част от водите остава затворена под повърхността.

Именно, естественото събиране на гореща вода под земната повърхност се нарича геотермален резервоар. Известно е, че те представляват екологично чист, постоянен и на практика неизчерпаем източник на енергия.
България е сред държавите, които са изключително богати на геотермални води. На територията ни до момента са проучени около 840 находища с температура на водата до приблизително 103 оС. Освен за балнеология, геотермалните води могат успешно да се използват за отопление и горещо водоснабдяване, а дори и за производство на електроенергия.

За технологични цели - води стемпература 40 до 100 оС
Като геотермална се приема подземна вода с температура, по-висока от 20 оС. Най-често срещаните геотермални води са с температура в диапазона от 40 до 100 оС. Направени проучвания показват, че най-високата температура, която би могла да достигне геотермална вода, намираща се в близост до земната повърхност, е 300 оС.
Приложната област на геотермалните води зависи от температурата, която достига водата в геотермалния резервоар. Водите, чиято температура е в диапазона от 20 до 40 оС, се използват предимно за лечебни цели. Тези с температура от 40 до 60 оС са подходящи за стопански цели, като отглеждане на растения в оранжерии, например. За технологични цели и за отопление най-подходящо е да се използва геотермална вода с температура от 40 до 100 оС.
Температурата не е единственият критерий, определящ приложимостта на геотермалния източник като енергоносител в отоплителни системи. Преди да се пристъпи към разработването му, е необходимо да се вземат предвид и фактори като дебит, очаквана продължителност на експлоатация, физико-химичен състав, близост до населено място, налична инфраструктура и други.

КПД достига 95%
Именно намаленият разход на електроенергия, поради отпадането на необходимостта от смесителна помпа, високата експлоатационна надеждност и високият КПД са сред основните предимства на нискотемпературните котли, превърнали ги в сериозна алтернатива на традиционно използваните конструкции. При нискотемпературни котли с по-големи мощности, оборудвани с двустепенни или модулни горелки, ефективността на съоръженията достига внушителните 95%, което обяснява широкото им използване. Друго предимство на тези котли е предотвратената кондензация на водните пари, съдържащи се в димните газове върху топлообменните повърхности. Нискотемпературните котли са предпочитано решение и поради по-малката консумация на гориво в сравнение с обикновените модели.
Препоръчително е преди да се вземе окончателно решение за инвестиция в определен модел нискотемпературен котел, да се провери доколко като конструкция и експлоатационно поведение съоръжението действително принадлежи към категорията на нискотемпературните. В противен случай, при опити за поддържане на нискотемпературен режим на работа от обикновен стоманен котел, животът на съоръжението се съкращава значително. Доказателства за принадлежност на един котел към нискотемпературните модели са специфичното му конструктивно изпълнение, материалите, от които са изработени основните елементи на котела, системата за автоматично регулиране и наличието на тестови изпитания от страна на производителя за отсъствието на кондензация на водните пари в димните газове.
Наред с предимствата, характерни за нискотемпературните котли, използването им налага и съобразяването с редица специфики. На първо място, нискотемпературните котли могат да обслужват инсталации с

максимална температура на водата до 75 градуса Целзий
Необходимо е, също така, коминът да бъде устойчив на влага.
В конструктивно отношение нискотемпературните модели се различават от обикновените котли, работещи с течно гориво и газ. Както е известно, се наричат нискотемпературни, защото температурата на топлоносителя на изхода на котела е в диапазона от 40 до 75 градуса Целзий.
Конструктивните специфики на нискотемпературните котли обуславят по-ниската температура на изходящите димни газове и следователно по-малките топлинни загуби, характерни за тях. Съвременните модели нискотемпературни котли предлагат възможността температурата на подгряваната вода да се регулира плавно, в зависимост от режима на работа на отоплителната инсталация.
Нискотемпературните котли се отличават и с намалени загуби от конвекция и излъчване, особено при по-маломощните модели. Предотвратяването на кондензацията на водните пари, съдържащи се в димните газове, ограничава корозионните процеси и води до удължаване на експлоатационния срок на съоръженията.

Използвани конструкции
Сред наложилите се в практиката конструктивни решения на нискотемпературни котли са моделите с т.нар. суха горивна камера. При тази конструкция стените на горивната камера (пламъчната тръба) нямат пряк контакт със загряваната вода. След излизането си извън горивната камера, димните газове обтичат силно оребрената и коаксиално разположена стена на пространството, в което се намира подгряваният топлоносител. Ребрата се изработват от чугун или стомана. Температурата им се поддържа висока. За да работи котелът в нискотемпературен режим, следва да е доказано отсъствието на кондензация на водните пари в димните газове.
Друго конструктивно решение, характерно за нискотемпературните котли, са т.нар. двучерупкови по-върх-ности. При тези котли димните газове преминават през димогарни тръби, които са решени конструктивно като двучерупкови конвективни топлообменни повърхности. Двете черупки се изработват от стомана или чугун и са коаксиално разположени една спрямо друга с междинни дистанционни ребра. Температурата на вътрешната тръба винаги е по-висока с 15 до 20 градуса в сравнение с температурата на топлоносителя. Когато котелът работи в нискотемпературен режим, т.е. температурата на топлоносителя не е висока, повърхностната температура на топлообменните повърхности е по-висока от тази на топлоносителя.
Съвременно технологично решение, използвано при нискотемпературните котли, включва интегриране в конструкцията на съоръжението на система за повишаване температурата на връщащата се вода. На практика, повишаването на температурата на връщащата се вода се осъществява чрез непрекъснато смесване на загрятата и постъпващата охладена вода или чрез различни като конструктивно решение схеми за топлопредаване. За бързо повишаване на температурата на връщащата се вода се разчита на гравитационното налягане. В нискотемпературните котли с подобна конструкция са формирани два взаимно свързани циркулационни кръга.
Освен изброените конструкции нискотемпературни котли, са разработени и успешно въведени в практиката и други решения, като например двуконтурна схема на топлоносителя.

Кондензационните котли
Както е известно, постигането на ефективност, по-висока от характерната за нискотемпературните котли, е възможно при използването на т.нар. кондензационни котли. Характерно за тях е оползотворяването на топлинната енергия, която се съдържа в димните газове. Чрез използването на специална конструкция се постига кондензация на водните пари, съдържащи се в димните газове, при което наред с понижаването на температурата им се отделя допълнително количество топлинна енергия.

За загубите на топлина
Загубите на топлина са резултат от непълно горене, излъчване и конвекция в околната среда и изхвърлянето на горещите димни газове в атмосферата. Известно е, че коефициентът на полезно действие на един котел е правопропорционален на топлинната мощност на котела в kW и обратно пропорционален на количеството изгоряло гориво в kg/s или m3/s, както и на долната топлина на изгаряне на горивото в kJ/kg (kJ/m3).
От своя страна, загубите от димни газове са функция на температурата на димните газове (в градуса Целзий), температурата на въздуха, постъпващ в котела (в градуса Целзий), обемното съдържание на кислород в димните газове (в проценти) и обемното съдържани на въглероден диоксид (в проценти). Загубите от димни газове в един котел се определят в относителни единици. Загубите от непълно горене се дължат на наличието на въглероден оксид в димните газове. Загубите от конвекция и излъчване са познати и като остатъчни газове. Определят се като изравнителен член на топлинния баланс. При съвременните конструкции нискотемпературни и кондензационни котли са пренебрежимо малки.