Каким образом получается неправдоподобно высокий КПД?

Отопительная система с конденсационным котлом благодаря особой конструкции поверхностей нагрева теплообменника отбирает у продуктов сгорания не только явное тепло, но и теплоту конденсации водяного пара и передает это суммарное тепло в отопительную систему. Используя принятые термины, можно сказать, что в конденсационном котле располагаемым теплом является не низшая теплота сгорания топлива, которая упоминалась в предыдущих разделах и выпусках, а высшая теплота сгорания, которая включает также теплоту конденсации, или «скрытую теплоту парообразования», водяного пара, образующегося при сгорании углеводородного топлива. Обе эти величины относятся к количеству тепла, высвобождающемуся при сгорании. При этом высшая теплота сгорания дополнительно включает теплоту конденсации, которая в случае обычных котлов безвозвратно покидает отопительную установку через дымовую трубу.

Количественная оценка разности между высшей и низшей теплотой сгорания зависит от вида топлива. Для природного газа она составляет около 11%. Это приводит к тому, коэффициент полезного действия, который принято определять по низшей теплоте сгорания, при полной конденсации может теоретически доходить до 111%. В высокоэффективном теплообменнике конденсационного котла уходящие газы охлаждаются почти до температуры воды в обратной линии. При этом КПД приближается к 110% и, стало быть, практически достигает физической границы.

Степень использования теплоты конденсации зависит, в первую очередь, от температурного режима системы отопления. Чем ниже температура воды на входе в конденсационный аппарат, тем глубже могут быть охлаждены дымовые газы и тем более полно может быть использован эффект конденсации. Этому вопросу придается большое значение при использовании конденсационного котла в составе отопительных установок как новых, так и модернизируемых. Целью проектирования такой установки должно быть обеспечение как можно более полной конденсации при любой температуре воды в обратной линии отопительной системы. Естественно, при реализации этой задачи следует уделять внимание и температуре точки росы. Чем выше температура точки росы, тем лучше возможности использования теплоты конденсации

Объем газов Vизмеряют в кубических метрах (м³). Вследствие того, что объем газов изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м³ газа при нормальных условиях. Если температура t или давление Р отличаются от нормальных, то объем газа при нормальных условиях V₀определяется по формуле

где V – объем газа, измеренный при рабочих условиях, м³;

Р_d – барометрическое давление, кПа, нормальное атмосферное давление Р_d = 101,3 кПа;

Р_и – избыточное давление (измеренное манометром), кПа; Р – абсолютное давление, кПа,

Р = Р_d + Р_и;

t – температура, °С.

Известно, что плотность газов и их объем зависят от температуры. С повышением температуры объем газа в незамкнутых пространствах увеличивается, а в замкнутых возрастает его избыточное давление. В обоих случаях изменяется плотность газа. Для возможности сравнения свойств различных газов основные их характеристики должны быть приведены к одинаковым условиям. В технических расчетах это нормальные условия (Р = 760 мм рт. ст. t = 0 °С).

В финансовых же расчетах между поставщиками и потребителями газа применяют стандартные условия. В этом случае фактический объем газа, измеренный приборами учета при рабочем давлении и температуре, приводят с помощью специальных таблиц к объему при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С. Плотность газа при нормальных условиях обозначается r₀.

Зависимость изменения плотности при изменениях температуры и давления может быть выражена для газа однокомпонентного состава формулой

,

где r – плотность газа при температуре отличной от 0 °С; r₀ – плотность газа при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт.ст.; Р – фактическое избыточное давление, мм рт. ст.; Р_d – атмосферное (барометрическое) давление, мм рт. ст.; t – температура газа, °С; Р – абсолютное давление, мм рт. ст.; Т – абсолютная температура, К;

Плотность сложных газов при нормальных физических условиях может быть определена по формуле

r_см = 0,01(Sri × ri),

r_см = 0,01(r₁r₁ + r₂r₂ + ... + r_nr_n) = 0,01(0,72×СН₄ + 1,35×С₂Н₆ +

+ 2,01×С₃Н₈ + 2,7×С₄Н₁₀ + 3,22×С₅Н₁₂ + 1,53×Н₂S + 1,97×СО₂ +

+ 1,25×N₂) кг/м³;

ρ₁, ρ ₂, ..., ρ_n – плотность компонентов газа, кг/м³;

r₁, r₂, ..., r_n – содержание компонентов, %.

1 бар = 100 кПа, 1 кПа = 10 мбар

Число Воббе Wo – показатель, также характеризующий тепловые свойства газа во взаимосвязи с его относительной плотностью. Определяется по формуле:

или

где Wo_н и Wo_в – число Воббе низшее и высшее, кДж/м³; Q_{н –} низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; Q_в – высшая теплота сгорания газа, кДж/м³; d – относительная плотность газа.

Определение относительной плотности

где r_см – плотность смеси сложного газа при нормальных физических условиях, кг/м³; r_в =1,29, кг/м³ – плотность воздуха при нормальных физических условиях.

Равенство чисел Воббе

указывает на взаимозаменяемость газов, т. е. возможность их использования в одном горелочном устройстве без изменений конструкции последнего. Практически считается, что взаимозаменяемость газов без нарушения нормальной работы газогорелочных устройств возможна при колебаниях числа Воббе в пределах ±5% номинального значения и равенстве скоростей распространения пламени. ПГ и СУГ имеют скорость распространения пламени 0,36–0,37 м/сек. Скорости распространения пламени ИГ и БГ значительно отличаются от скорости сгорания ПГ и СУГ из-за присутствия в них значительного количества балластных газов и водорода.

С целью обеспечения полноты сгорания газа количество воздуха, поступающего в горелку должно быть не менее определенного значения, зависящего от вида газа, его теплоты сгорания. Теоретический расход воздуха приблизительно может быть определен по имперической формуле:

V_т = Q_н/ 3,77 м³ для сжигания 1 м³ газа

V_т – теоретический расход воздуха, необходимый для полного сгорания газа

Q_н – низшая теплота сгорания газа в МДж/м³.

Например, для сжигания природного газа с Q_н= 35,88 МДж/м³ потребуется 9,52 м³ воздуха, а для сжиженного углеводородного с Q_н= 93,18 МДж/м³ газа потребуется 24,7 м³ воздуха.

Горение метана:

СН₄ + 2 О₂ + 7,52N₂ = СО₂+2Н₂О+ 7,52 N₂

При недостатке воздуха (или кислорода в воздухе) при горении газа образуются продукты не полного сгорания, в их состав входят токсичные и вредные вещества:

СН₄ + О₂ + 7,52N₂ = 0,5СО₂ + 0,5СО+Н₂О + СН₂О+ 7,52 N₂

СН₄ + 0,5 О₂ + 7,52N₂ = СО+ОН + СН₂О+Н₂+С₂₀Н₁₂+С+ 7,52 N₂

СН₂О – формальдегид ПДК 0,035 мг/м³, общетоксическое действие. 40% - раствор формальдегида в воде – формалин.

С₂₀Н₁₂ –бенз(а)пирен ПДК 0,1 мкг/100м³ .

СО – угарный газ, он не имеет запаха и цвета, поэтому обнаружить его присутствие в помещении не возможно без газоанализаторов. При концентрации СО в воздухе помещения:

0,2 мг/л (0,16%) - появляется головная боль, пульсация в висках;

0,5 мг/л (0,4%) - учащение дыхания, пульса, судороги;

1, 25 мг/л (1%) -слабый пульс, остановка дыхания, смерть.

ПДК в атмосферном воздухе – 3 мг/м³ = 0,003 мг/л

ПДК в жилых помещениях -2 мг/м³ = 0,002 мг/л

ПДК в производственных помещениях -20 мг/м³ = 0,02 мг/л.

Пределы воспламеняемости. Диапазон необходимой концентрации газа в смеси с воздухом, при котором возможна реакция окисления (горения), начинающаяся с внесением открытого огня или другого источника высокой температуры, называют пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Минимальное процентное (по объему) содержание горючего газа в смеси с воздухом, при котором с введением источника огня начинается реакция горения горючих компонентов газа, называют нижним пределом воспламеняемости (взрываемости) L_н, а максимальное – верхним пределом воспламеняемости (взрываемости) L_в в % объемных. Значения пределов воспламеняемости отдельных горючих газов приведено в табл. 4. При содержании газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости горения не будет. Если газа в газовоздушной смеси больше верхнего предела воспламеняемости, эта смесь может гореть, взрыва не будет. Воздуха в этой смеси не достаточно для сгорания газа, присутствующего в смеси, поэтому сгорит столько газа на сколько хватит воздуха.

Пределы воспламеняемости (взрываемости) сложных газов можно определить по формуле Ле Шателье:

где – нижний или верхний предел воспламенения сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, % об.; – нижние или верхние пределы воспламения отдельных компонентов сложного газа в газовоздушно смеси в % об. по данным табл. 2; –содержание отдельных компонентов в сложном газе, % об.; ;

При наличии в газе небольшого количества балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

Нижний предел воспламеняемости с балластом:

где – нижний или верхний предел воспламенения смеси, содержащей инертные (балластные) примеси, % об.; – нижний или верхний предел воспламенения горючей части смеси, % об.; – содержание балластных примесей (СО₂ и N₂), в долях единицы.

При содержании в газе балластных примесей для определения пределов воспламеняемости необходимо пересчитать процентное содержание горючей части. Например, в смеси присутствует 90 процентов горючих газов и 10 процентов не горючих, т. е. балласта. Принимаем 90% за 100% и определяем для каждого горючего компонента смеси его новое процентное количество. Определение нового процентного содержания горючих компонентов выполняют следующим расчетом:

Опасные свойства горючих газов. Обладая высокими теплотой сгорания, температурой горения и незначительной температурой воспламенения, все углеводородные газы чрезвычайно опасны при разгерметизации газопроводов, газового оборудования и газовых резервуаров. При даже незначительных, на первый взгляд, утечках газа в плохо вентилируемых помещениях могут создаваться взрыво- и пожароопасные газовоздушные смеси.

Для определения утечек газу придают запах путем добавки остропахнущего вещества – этилмеркаптана C₂H₅SH. Такой процесс называется одоризацией газов. Запах одорированного газа должен ощущаться при содержании его в воздухе около 1/5 нижнего предела воспламенения.