Горелка конденсационного газового котла
Одним из главных устройств любого конденсационного котла является горелка. Именно она обеспечивает зажигание газовоздушной смеси, ее горение, а также контроль за наличием пламени.
Учитывая, что горелка работает в самых жестких условиях, то и материал из которой она изготовлена должен быть стойким и долговечным. В конденсационных котлах применяют горелки из керамики или нержавеющей стали.
Горелка, разработанная и запатентованная специалистами Viessmann, получила название MatriX. Она представляет собой цилиндр из нержавеющей стали, обтянутый сеткой.
В цилиндре сделано множество отверстий, через которые поступает газовоздушная смесь от блока предварительного смешения.
Горелка закреплена на плите, которая является передней крышкой теплообменника Inox Radial. К этой же плите прикреплен блок предварительного смешения. Это очень удобно, так как такая компоновка позволяет очень быстро «обнажить» теплообменник для технического обслуживания.
Для зажигания газа вблизи цилиндра горелки располагаются два электрода, один из которых связан с корпуса котла, а второй соединяется проводом с высоковольтным блоком зажигания, расположенным вместе с платой управления. Когда автоматика дает команду на зажигание котла, то вначале запускается вентилятор, потом открывается газовый клапан и выдает необходимую порцию газа, который подмешивается в воздух.
Блок зажигания выдает серию высоковольтных импульсов, вызывающих искры между электродами розжига. Газовоздушная смесь воспламеняется.
Для контроля наличия пламени возле горелки располагается электрод ионизации. На фотографии его хорошо видно в нижней части. Известно, что пламя представляет собой ионизированный газ. А значит он способен проводить электрический ток. Поэтому на электрод подается эталонное напряжение и по силе протекающего тока делают вывод о горении. Кроме простого контроля наличия пламени этот электрод на некоторых моделях котлов еще и позволяет подстраивать горелку под конкретный газ.
Например, необходимо временно поработать на сжиженном газе, пока к дому не подведут магистральный природный. В традиционных котлах необходима замена горелки и изменение настроек газового клапана. Конденсационные котлы же легко перестраиваются под другой вид топлива без дорогостоящей замены горелки.
Во многих моделях необходимо просто поменять настройки клапана, а в котлах премиум класса, например, Vitodens 200-W от компании Viessmann, все происходит автоматически. Система Lambda Pro Control Plus настраивает работу котла на любой вид газообразного топлива, которыми могут быть природный газ, сжиженный газ или биогаз.
Пламя горелки представляет собой множество маленьких факелов, которые в зависимости от интенсивности подачи газовоздушной смеси становятся больше или меньше. Так происходит модуляция пламени.
В большинстве конденсационных котлов модуляция идет в диапазоне 20—100%, а в котлах премиум класса от 10—15 до 100%. Причем уменьшение мощности не ведет к снижению КПД.
Допустим, есть традиционный газовый котел мощностью 24 кВт.
Минимально возможная мощность его пусть будет 8 кВт, значит модуляция происходит в диапазоне 33—100%.
Предположим, что на улице стоит мороз —15°C и при нем теплопотери дома составляют 14 кВт. Рассмотрим в виде графика работу котла.
Котел запустится, выйдет на полную мощность и будет работать на ней до тех пор, пока не подогреет теплоноситель до заданной температуры. Или работой котла может управлять комнатный термостат.
После этого, когда теплоноситель подогрет котел должен поддерживать его температуру. Но для этого необязательно включать горелку на полную мощность. Поэтому автоматика котла даст команду газовому клапану, и он уменьшит подачу газа.
Будет происходить модуляция и так как требуемая мощность 15 кВт, а минимальная 8 кВт, то работа будет идти в непрерывном режиме, что очень хорошо для оборудования.
Предположим, что в следующий день произошло резкое потепление до 0°С и теплопотери дома упали до 5 кВт. Тогда график работы котла можно представить в виде следующего графика.
Котел запускается, выходит на максимальную мощность, а затем входит в режим модуляции пламени и работает на минимальной мощности 8 кВт какое-то время.
Дому требуется 5 кВт (синяя пунктирная линия на графике), а котелвыдает8кВт.
Система отопления быстро перегревается и котлу ничего не остается делать, как отключиться. По прошествии какого-то времени котел опять запускается и работает по такому же графику.
Получается, что иного выхода, кроме как, работать в цикличном режиме нет. А за сутки таких включений и отключений может быть сотни, что не очень хорошо для котла.
Хороший конденсационный котел мощностью 24 кВт способен работать на 10% мощности, то есть 2,4 кВт. Значит, графики его работы будут такими, как на следующем рисунке.
Самый большой «шок» могут испытывать котлы, в которых предусмотрено приготовление горячей воды, то есть двухконтурные. Допустим, котел мощность 24 кВт может выдать 14 литров подогретой воды в минуту, а текущая потребность 3 литра в минуту.
Надеемся, что читатели все поймут без объяснений. Глядя на эти графики становится очевидно, что ресурс конденсационного котла будет выше. Частое включение и отключение, которое еще называют тактованием, очень быстро может «убить» газовый клапан.
При тактовании очень быстро загрязняется камера сгорания и идет необоснованный перерасход газа, так как при розжиге его часть просто улетает в дымоход.
Кроме горелок цилиндрической формы, есть такие, которые имеют форму полусферы. Например, у Viessmann есть напольные конденсационные котлы Vitocrossal 300, в которых применяется именно такая горелка.
Она также называется Matrix и также изготовлена из нержавеющей стали. Теплообменник в этих котлах организован по-другому, поэтому и форма горелки иная. В настенных котлах Viessmann использует только теплообменники Inox Radial и только в наиболее подходящей к ним горелкой Matrix цилиндрической формы.
Защита от коррозии теплообменников из легированного алюминия
Теперь разберемся с коррозийными процессами, идущими со стороны теплоносителя – воды. И в этом вопросе все очень сильно зависит от наличия кислорода в воде.
Если его содержание будет минимально, то вероятность возникновения коррозии также будет очень низкой. Кислород может проникнуть в систему отопления или вместе с водой при заполнении и подпитке, или через стенки труб при уже заполненной системе. Поэтому для любой системы отопления желательно выбирать кислородонепроницаемые трубы.
Таковыми прежде всего являются трубы из любых металлов: сталь, нержавеющая сталь, медь. Полимерные трубы более проницаемы для кислорода, поэтому в них делают антидиффузные слои.
В металлопластиковых или некоторых полипропиленовых трубах (PPR) применяют алюминиевую фольгу в среднем слое, которая является надежным барьером для кислорода.
В трубах из сшитого полиэтилена (PEX) применяют специальный полимерный слой EVOH (Ethylene-vinyl alcohol), который является хорошим барьером для проникновения кислорода. Причем желательно, чтобы слой EVOH находился внутри полимерных слоев, так как при наружном его расположении его легко повредить при монтаже.
Конденсационные котлы очень часто сочетают с отоплением теплыми полами. Один контур теплого пола может иметь солидную длину в 70—100 м и при этом отапливать всего 10—15 м² площади.
Справочные данные свидетельствуют о том, что на 1 м² при шаге укладки в 150 мм уходит примерно 6,7 м трубы. Значит, при площади отопления в 30 м² длина всех контуров будет 6,7*30=201 м.
Тогда площадь поверхности трубопровода теплого пола диаметром 20 мм будет (вспоминаем формулу площади боковой поверхности цилиндра S=π*D*h) S=3,14*0,020*201=12,62 м².
И все эти квадратные метры будут открыты для проникновения кислорода внутрь теплоносителя. Мы надеемся, что читатели понимают, что речь идет не о прямом проникновении, а о диффузном.
Если в окружающем воздухе кислорода много, а в теплоносителе мало, то кислород будет стараться диффундировать до тех пор, пока парциальные давления не сравняются. И даже бетонная стяжка пола не является надежной преградой для проникновения кислорода.
Так что мы советуем в системах отопления никогда не пренебрегать специальными мерами по защите от диффузного проникновения кислорода. Приведем примеры:
Сразу хотим отметить, что рекомендации по защите системы отопления от диффузного проникновения кислорода касаются не только конденсационных котлов с теплообменниками из легированного алюминия (силумина), но и любых других. Кислород, растворенный в теплоносителе, может способствовать или вызвать коррозию не только теплообменников котлов, но и таких популярных в настоящее время стальных панельных и биметаллических радиаторов отопления. Для минимизации коррозийных процессов нормы VDI 2035 рекомендуют выполнять следующие условия:
- Во-первых, специалистами должно быть выполнено грамотное проектирование, монтаж и ввод в эксплуатацию системы отопления.
- Во-вторых, система отопления должна быть закрытой и герметичной. Попадание большого количества кислорода с водой при наполнении или подпитке должно быть исключено.
- В-третьих, в системе отопления должна всегда действовать исправная система поддержания нужного давления: расширительный бак, аварийный клапан, устройство подпитки, автоматические воздухоотводчики.
- В-четвертых, должны быть соблюдены условия по качеству воды, которые мы приводили в двух предыдущих таблицах.
- В-пятых, в системе отопления, особенно в трубах теплого пола, должна обязательно исключаться или минимизироваться диффузия кислорода в теплоноситель.
- И, наконец, система отопления должна регулярно проверяться и обслуживаться специалистами для поддержания ее в исправном состоянии.
Еще одним из опасных факторов для теплообменников конденсационных котлов из легированного алюминия является воздействие на него кислот и щелочей, но уже изнутри, со стороны теплоносителя.
Мы уже ранее отмечали, что о том, что вода с растворенными в ней химическими соединениями может проявлять либо кислотные (ph<7), либо щелочные (ph>7) свойства.
Нейтральной средой, своеобразной точкой отсчета, является дистиллированная вода с ее ph=7.
Прежде всего коррозийная стойкость теплообменников определяется составом самого сплава. Добавление в алюминий кремния и магния в определенных пропорциях значительно расширяют стойкость сплава к химическому воздействию как кислот, так и щелочей.
Тем, кто по-прежнему скептически относятся к силумину в отоплении следует открыть капот самого «навороченного», надежного и дорогого автомобиля и посмотреть из какого сплава сделаны детали системы охлаждения двигателя (различные патрубки, некоторые радиаторы и другие). Какого-же будет их удивление, когда они узнают, что это силумин.
Следует учесть, что система охлаждения двигателей работает в не менее жестких условиях, чем теплообменники отопления, а во многом даже более жестких.
Ранее мы выяснили, что алюминий и его сплавы не боится слабокислой среды благодаря тому, что на его поверхности образуется слой оксида Al₂O₃.
Это очень химически устойчивое и прочное соединение. В кристаллической форме он известен как корунд и используется для абразивных материалов. Также нам известен кристаллический оксид алюминия с примесью хрома как рубин – драгоценный камень красного цвета.
Тот же оксид, но с примесью титана или железа имеет обычно синий цвет и такой камень называют сапфиром. Конечно, слой образующийся на поверхности теплообменников нельзя назвать сапфировым или рубиновым, но химические свойства будут похожи. Кристаллический оксид алюминия более стойкий к различным воздействиям.
Если просто взять деталь из чистого алюминия и поместить на воздух или в воду, то очень быстро образуется оксидная пленка. Но она будет очень тонкой – всего 3—9 нм и иметь аморфную структуру.
При незначительном определенном химическом, физическом, электрохимическом воздействии на эту пленку она легко повреждается и «обнажает» алюминиевую основу, которая сразу вступает в реакцию и с кислородом, и с водой. Поэтому при производстве теплообменников используют различные методы для утолщения защитного оксидного слоя.
При повышенной температуре – 400°C и более, оксидная пленка будет уже потолще – 17—22 мм.
Вдобавок оксид алюминия уже может быть не только в аморфном, но и частично в более стойком — кристаллическом состоянии. Кроме повышенных температур в технологическом процессе создания утолщенной оксидной пленки применяют химические реагенты и различные гальванические способы. Также нашли применения способы защиты поверхности теплообменников специальным полимерным составом.
Конденсат, образующийся после сгорания дымовых газов, имеет слабокислую среду и для теплообменника из легированного алюминия абсолютно не страшен, мы это уже выяснили. Но какой водородный показатель должен быть у теплоносителя. Ранее мы говорили, что для минимизации возникновения накипи, желательно наполнять систему водой с dH°≤11,2.
Если силумин довольно «безразлично» относится к слабокислой и умеренно кислой среде (кроме соляной кислоты), то щелочей он боится гораздо больше.
Их присутствие в определенных количествах (ph>8) инициирует разрушение оксидного слоя, что очень быстро приводит к коррозии, даже сквозной. Например, 1%-ный раствор обычной пищевой соды имеет ph=11,6, что уже «смертельно» для алюминия и сплавов. Обычнаяраствор хозяйственного имеет ph около 11, а стиральные порошки по водородному показателю уже могут «зашкалить» за ph=12.
Взаимодействие оксида алюминия с щелочами можно представить в виде химического уравнения:
Al₂O₃ NaOH 7H₂O→ 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂].
Полученное соединение относится к комплексным солям и в этом случае оно называется гидроксоалюминат натрия, который растворим в воде. После того, какщелочь «съест» оксидную пленку, она примется вступать в реакцию с алюминием:
2Al 2NaOH 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] 3H₂↑.
Образуется тетрагидроксоалюминат натрия, который также растворим в воде. Кроме него еще и образуется газообразный водород, который явно лишний в теплоносителе отопления.
2Al 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ 3H₂↑.
Гидроксид алюминия (Al(OH)₃) плохо растворим в воде и выпадает в виде светлого студенистого осадка, который в теплоносителе тоже абсолютно не нужен.
Получается, что при воздействии щелочей в опасных концентрациях, да еще при повышенных температурах при работе горелки котла, сразу начинают идти несколько химических реакций и теплообменник будет просто растворяться теплоносителем. К сожалению, это очень недалеко от правды.
Техническое обслуживание теплообменников из легированного алюминия (силумина) стоит доверять только хорошим специалистам, которые применяют специальные средства для очистки. Запрещается пользоваться любыми абразивами и бытовыми моющими средствами!
Ранее мы выясняли, что алюминий и его сплавы вполне «комфортно» себя «чувствует» тогда, когда на него производится воздействие соединений с ph от 3,5 до 8,5. Компания Buderus, применяя сплавы AlSi10Mg(a)
/ G-AlSi10Mg, заявляет, что ее теплообменники способны выдержать «натиск» щелочей с ph до 9,0.
Но это вовсе не означает, что можно заполнять систему отопления с конденсационным котлом водой, которая будет по водородному показателю близка что к меньшей, что к большей границе разрешенного диапазона. Тем более, чтокроме теплообменника в системе отопления могут присутствовать еще и детали, из других металлов, которые также будут оказывать воздействие на теплоноситель, изменяя его жесткость или ph.
Измерить ph воды и узнать подходит ли она для того, чтобы заполнять ей систему отопления очень легко. Для этого существуют специальные тест-полоски, которые с очень хорошей точностью дают результат. Их также можно приобрести там, где продают аквариумы. Помимо полосок существуют стационарные лабораторные или портативные приборы для измерения этого показателя.
Любая лаборатория, где производятся анализ воды, имеет такой прибор, так что проблем с замером не должно быть. Если квартира или дом подключены к централизованному водопроводу, то вся информация о показателе ph должна быть на сайте водоснабжающей организации или это можно узнать по телефонному звонку.
Водоподготовка для заполнения и дальнейшей подпитки систем отопления очень важна, и она не имеет универсального для всех случаев решения. На этот процесс влияет прежде всего качество и химический состав исходной воды, которые возможно определить, только лабораторным анализом.
Самостоятельно, в домашних условиях это сделать просто невозможно. Затем необходимо узнать какое именно оборудование будет применяться в системе отопления и оценить какие химические процессы могут происходить с теплоносителем.
Это позволит определиться с оптимальной жесткостью и показателями ph. И только после всего этого можно делать выбор нужного оборудования подготовки воды для системы отопления.
Защита от образования накипи теплообменников конденсационных котлов
Образование накипи происходит в воде, содержащей соли щелочноземельных металлов – кальция и магния. В неподготовленной воде присутствуют в растворенном виде их гидрокарбонаты — соединения с кислым анионом угольной кислоты (HCO₃—).
В воде, даже отфильтрованной механическим способом всегда есть гидрокарбонат кальция (Ca(HCO₃)₂) и гидрокарбонат магния (Mg(HCO₃)₂).
Именно они при нагревании воды разлагаются на нерастворимые осадки в виде нескольких других солей – карбонатов. Это карбонат кальция (CaCO₃) и карбонат магния (MgCO₃).
Эти два соединения и образуют большую часть накипи, хотя в воде могут присутствовать и нерастворимые сульфаты (например, CaSO₄), а также различные кремнекислые соединения (силикаты). Но основную накипь все равно образуют соли кальция и магния.
Нерастворимый карбонат кальция встречается в природе в виде таких минералов, как мел, известняк, мрамор, травертин, а также в сочетании с другими элементами входит в арагонит, кальцит и фатерит.
Карбонат магния в природе известен как магнезит. А вдвоем эти соли щелочноземельных металлов – кальция и магния, — образуют тоже очень известный минерал – доломит.
- Во-первых, теплопроводность накипи гораздо выше, чем любого металла. Получается, что даже небольшой слой накипи резко увеличивает термическое сопротивление, а это приводит к перерасходу газа, так как автоматика не выключит горелку или не снизит ее мощность до тех пор, пока не будет достигнута нужная температура циркулирующего теплоносителя.
- Во-вторых, слой накипи существенно повышает сопротивление циркулирующему теплоносителю прежде всего из-за того, что на гладкой внутренней поверхности труб и особенно теплообменника образуется ее «шершавый» слой. Кроме этого, накипь сужает внутренний проход, что тоже увеличивает сопротивление.
- И, наконец, накипь, если не предпринимать никаких мер по ее предотвращению и удалению, может полностью перекрыть внутренний проход труб в теплообменнике. В этом случае не помогает ни промывка, ни механическая очистка. Единственное «лекарство» – это полная замена теплообменника. Но при этом придется расстаться с крупной суммой.
Но как оценить насколько вода, которую будут использовать для заполнения системы отопления, способна образовывать накипь. Для этого есть такое понятие какжесткость воды, которая определяет совокупность химических и физических свойств, связанных с содержанием в ней так называемых солей жесткости (соли кальция и магния).
Если в воде высокое содержание таких солей, то ее называют жесткой, с малым содержанием – мягкой.
Такие интересные названия сложились исторически. Если постирать ткань в жесткой воде, то после сушки она будет действительно более жесткой на ощупь, чем если бы это сделать в мягкой воде.
Это объясняется очень легко. Растворенные в воде гидрокарбонаты кальция и магния при стирке переходят в нерастворимую форму карбонатов и задерживаются в волокнах ткани.
Для количественной оценки жесткости необходимо иметь какую-то единицу измерения. По Международной системе единиц СИ жесткость измеряется в молях на кубический метр (моль/м³), но на практике пользуются другими единицами: миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л) или градусом жесткостиЖ° (1°Ж=1 мг-экв/л).
Так как «законодателями моды» в области производства отопительного оборудования очень часто являются немцы, то соответственно и их единицу измерения жесткости воды чаще применяют на практике.
Но и здесь не все однозначно, так как существуют еще и другие экономически развитые страны, которые имеют свою единицу измерения жесткости.
Очевидно, что чем жестче вода, тем больше в ней может образоваться накипи при нагреве. То есть система отопления должна заполняться не жесткой водой.
Но как оценить, какая вода жесткая, а какая нет. в этом вопросе тоже все относительно и неоднозначно, так как в разных странах это делают по-разному. Приведем графический пример, сравнивающий степень жесткости в России и в Германии.
Получается, что для россиянина еще является мягкой водой, то для немца уже жесткая. Как быть?
Какой именно жесткости можно применять воду системе отопления, которая будет циркулировать в теплообменниках конденсационных котлов из легированного алюминия?
Самое лучшее, это пользоваться общими отраслевыми стандартами, которые всегда указывают требования к теплоносителю. В странах Европы есть такой стандарт, который именуется VDI 2035. Он является общим для всей отопительной техники, которая использует воду как теплоноситель.
Первый пункт этого документа именуется именно «Накипеобразование» и в нем приведены факторы, влияющие на образование нерастворимых солей жесткости (накипи). Перечислим их:
Для того чтобы предотвратить большое накипеообразование, приводящее к большим потерям или даже повреждениям, в документе VDI 2035 существуют требования, указанные в следующей таблице.
Значения, приведенные в этой таблице, получены путемрасчетов и многолетнего опыта эксплуатации. Они будут справедливы тогда, когда будет выполнен ряд условий:
- Удельный объем воды не превышает 20 литров на 1 кВт мощности котла. Очевидно, что чем больше объем воды в системе отопления, тем большее количество накипи будет образовываться в теплообменнике, так как именно в нем созданы лучшие условия для ее появления. Современные системы отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя характеризуются тем, что применяются небольшие диаметры труб и радиаторы малого объема, поэтому очень редко бывает даже 10 литров на 1 кВт мощности.
- Общий объем воды, требуемой для наполнения системы и последующей ее подпитки в течение всего срока службы котла не должен превышать тройного объема системы отопления. Все системы отопления с конденсационными котлами всегда проектируются и исполняются только закрытыми. Если требуется частая подпитка, то это чаще всего говорит о негерметичности и утечках, которые необходимо устранить.
- Химический состав воды не вызывает коррозию теплообменника и других элементов системы отопления. Об этом говорится в пункте 2 VDI 2035, и мы этот вопрос подробнее рассмотрим ниже.
Большинство отопительных бытовых котлов имеют мощность не более 50 кВт. Получается, что нам не надо «париться» о жесткости воды, если верить этой таблице.
Но на самом деле все далеко не так. Водопроводная вода в большинстве имеет большую жесткость. Система отопления может ремонтироваться или обслуживаться, что часто приводит к полному или частичному сливу теплоносителя.
Любая «свежая» порция воды приводит к поступлению в систему определенного количество гидрокарбонатов, которые также будут с «удовольствием» переходить в твердую карбонатную накипь.
Поэтому в тех же своде правил VDI 2035 есть еще таблица, требованиям которой мы призываем придерживаться всех.
Правила VDI 2035 допускают заполнять систему водой с показателями жесткости до 16,8°dH, что уже по российским нормам еще относится к средней жесткости, а по немецким уже стоит на грани жесткой и очень жесткой.
Мы рекомендуем при заполнении бытовых систем отопления ориентироваться на жесткость не более 11,2°dH или 4°Ж (мг-экв/л).
Если жесткость исходной воды больше, то ее следует подготовить – подвергнуть очистке и умягчению.
И узел подпитки системы отопления, через который чаще всего ее заполняют, тоже необходимо оснастить хотя бы механическим фильтром, а в случае необходимости и каким-либо устройством для умягчения.
На нашем портале есть подробная статья про узел подпитки системы отопления. Читайте: «Подпитка систем отопления. Схемы подключения и принцип работы».
Требования к жесткости воды в системе, которые мы изложили справедливы не только для алюминиевых теплообменников конденсационных котлов, но также изготовленных из нержавеющей стали.
Если рассмотреть этот вопрос еще шире, то нормы VDI 2035 пункт 1 справедливы для всех видов котлов, использующих в качестве теплоносителя воду и для всех материалов, из которых изготавливаются теплообменники: сталь, нержавеющая сталь, чугун, медь, легированный алюминий.
Теперь перейдем к практической части и зададимся вопросом как же измерить жесткость воды и стоит ли это делать самостоятельно? Какие есть способы определения?
- Первый, самый точный и верный – это лабораторный анализ. Пробу воды можно сдать в местную СЭС или организацию, которая занимается водоснабжением. У них всегда есть лаборатории с необходимым оборудованием. В принципе, у водоснабжающих организаций всегда есть точная информация о качестве воды, в том числе и о жесткости.
- Артезианская вода всегда жесткая, а дождевая – мягкая. Если при намыливании рук пена моментально образуется, то вода мягкая. В противоположном случае – жесткая. Если мыло смывается легко – вода жесткая, а если трудно – то мягкая. Этот способ позволяет только оценить, но не измерить.
- Еще один оценочный способ – это наблюдение за тем насколько быстро образуется накипь в чайнике. Чем быстрее она появляется и начинает увеличиваться – тем жестче вода.
- У продавцов бытовой техники (посудомоечных и кофе-машин) могут быть в ассортименте специальныетест-полоски для определения жесткости. А также такие тесты могут быть в тех магазинах, где продаются аквариумы и все аксессуары к ним. Это довольно точный способ, дающий погрешность всего в 1—2 Ж°.
- Существуют портативные приборы, которые замеряют проводимость воды и на основании этого оценивают жесткость. Их называют TDS-метры. Они хоть и недорого стоят, но покупать их необязательно. У любителей аквариумов и комнатных растений обязательно есть в арсенале такой прибор. Можно просто прийти с пробой воды и замерить жесткость. TDS-метры выдают результат в американских единицах – ppm, которые потом легко перевести в нужные.
Как получается и передается тепловая энергия в газовых котлах
При сгорании газа выделяется большое количество тепла, которая используется в целях отопления. И как бы ни хотелось, все равно не полностью вся энергия используется в нужных для человека целях. Часть ее все равно теряется «по дороге».
Температура – это условная величина, которая отражает степень нагретости каких-то объектов, которыми могут быть как твердые тела, так жидкости или газы.
Если немного углубиться в физический смысл температуры и нагретости, то все это сведется к кинетической энергии молекул, из которых состоит тело.
Другими словами – чем быстрее будут двигаться молекулы – тем больше температура. Наши органы чувств очень хорошо распознают температуру, но они просто позволяют судить какое тело горячее, а какое холоднее.
Такая оценка, разумеется, является субъективной, которая не может использоваться в расчетах. Поэтому температуру оценивают по показаниям специальных приборов, которые мы знаем, как термометры.
Однако даже приборы могут измерять только эмпирическую температуру, для чего надо установить на шкале измерений две так называемые реперные точки и разделить интервал между ними на равные части. Было решено единицу измерения температуры назвать градусом, но вот что выбрать в виде реперных точек – возникли некоторые разногласия. В мире сейчас действуют три шкалы измерения температур:
- Самая у нас популярная – это, безусловно, шкала Цельсия, названная именем шведского ученого Андерса Цельсия, который в 1742 году предложил в качестве реперных точек выбрать температуру замерзания воды и температуру ее кипения. За 0°C принято считать температуру замерзания, а за 100°С – кипения. Это совершенно логично, так как это непосредственно связано с жизнью человека и поведением одного из главных веществ в обмене веществ – воды. Вся шкала делится на равные части, которые мы знаем, как градус Цельсия – 1°C. Но при этом делается уточнение, что кипение воды происходит при нормальном атмосферном давлении в 760 мм ртутного столба или примерно 100 кПа. Известно, что при пониженном давлении, например, в высокогорье, вода закипает при меньшей температуре, но замерзает «исправно» при 0°C.
- Несколько раньше, чем Цельсий, в 1724 году, свою шкалу температур предложил немецкий ученыйГабриэль Фаренгейт. За нуль своей шкалы он почему-то выбрал температуру замерзания «экзотической» смеси из воды, соли и нашатыря в соотношении 1:1:1. Непонятно, какие мотивы руководили Фаренгейтом, но это случилось. Если рассмотреть ноль по Фаренгейту по сравнению с Цельсием, то можно сказать, что-то очень холодно, не шутка ведь —32°C. Похоже, что ученый просто решил испытанный им кошмар в виде зимних морозов принять за ноль. А за 100°F принята температура человеческого тела. Получается, что в привычном нам диапазоне от температуры замерзания воды и ее кипения находится диапазон шкалы Фаренгейта от 32°F до 212°F. Значит от 0°C до 100°C находится 180°F (градусов Фаренгейта). Измерение температуры по Фаренгейту является крайне неудобным, но, тем не менее его используют до сих пор в США и в некоторых других неизвестных многим государствах. Понять «упоротость» американцев, когда даже патриархальная в законотворчестве Великобритания перешла на шкалу Цельсия, трудно, но тем не менее страна с самой развитой экономикой имеет право использовать и градус Фаренгейта, и дюймы, и унции, и галлоны, и прочие единицы измерений, непонятные нам.
- Помимо удобства измерения в повседневной жизни, физики высказали свою теорию, что должна существовать такая температура, при которой кинетическая энергия молекул вещества нулевая. И они выяснили, что это происходит при —273,15°C. Этот рубеж назвали абсолютным нулем, который, в принципе, недостижим, но теоретически возможен, а дальнейшую градуировку шкалы сделали точно в соответствии с Цельсием. Получается, что 0°C=273,15°K (Градусов Кельвина), а 100°C=373,15°K. Такой подход предложил английский ученый Уильям Томпсон, который впоследствии был удостоен королевой почетным званием лорда под именем барон Кельвин. Фамилия Томпсон в Англии в процентном отношении превосходит Ивановых в России и чтоб придать важность посвящению в рыцари – его назвали именем речки, протекавшей через университет, где он работал. И, кстати, его было за что чествовать, так как он действительно много внес в науку.
Кроме этих способов измерения температуры, в истории еще упоминаются и другие: Реомюра, Ньютона, Ранкина, Делиля и других.
По разным причинам они не прижились и не используются. В международной системе единиц СИ показателем температуры является градус Кельвина – K°. Но при этом упоминается и градус Цельсия, который пересчитывается по простому правилу:
t°K=t°K 273,15.
Для пересчета температуры между самыми используемыми в мире шкалами можно воспользоваться следующей таблицей.
Теперь перейдем к понятию количества тепла, и чтобы понять разницу с температурой, рассмотрим простой пример. Допустим, надо нагреть до определенной температуры два сосуда с водой, но при этом необходимо передать им одинаковое количество тепла, что в отопительных котлах связано с определенным количеством сожженного топлива.
Примем то, что в одном сосуде находится 150 литров воды, которую надо нагреть до 80°C от первоначальных 20°C.
Другому сосуду мы готовы передать абсолютно такое же количество тепла, но нагревать его будем до 60°С.
Вопрос в том, какое количество воды должно быть во втором сосуде, чтобы при одинаковом количестве переданного тепла в нем была достигнута заданная температура.
(80°С—20°C)/(60°C-20°C) =60°C/40°C=1,5.
Получается, что если в первом сосуде должно у нас есть 150 литров воды, которую нагрели до 80°C, то во втором при том же количестве тепла переданного воде, но при конечной температуре в 60°C должно быть150/1,5=100 литров.
Этот пример явно показывает, что при одинаковом количестве тепла переданного какому-либо телу и температура, и масса может быть разной. Также разные тела даже при одинаковой температуре могут иметь разную тепловую энергию. Для того, чтобы избавиться от этой неопределенности была введена такая величина, как энтальпия, которая показывает какое количество тепла содержится в единице массы вещества.
Измеряется она в кДж/кг (килоджоулях на килограмм) или ккал/кг (килокалориях на килограмм).
Вода (и большинство веществ) известна нам в своих трех основных агрегатных состояниях.
Это – твердое (в виде льда), жидкое (собственно, в виде привычной воды), а также газообразное (в виде водяного пара).
Есть и еще одно состояние воды, а также любого другого вещества – плазма, которая получается при нагреве газа до таких высоких температур, что он становится ионизированным. В частности, плазма образуется при различных электрических разрядах. Кстати 99,9% всего вещества во Вселенной находится именно в состоянии плазмы, так как звезды состоят именно из нее. Кроме этого, и в межзвездном пространстве находится огромное количество разреженного ионизированного газа – той же плазмы.
Если вещество в силу каких-то причин меняет свое агрегатное состояние, то говорят, что произошелфазовый переход. Чтобы понять это рассмотрим следующий рисунок:
На этой схеме показаны четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Последнее мы рассматривать не будем вообще, так как пока в бытовом отоплении плазма не используется.
Все переходы веществ из твердого в жидкое (плавление, для воды — таяние), из жидкого в газообразное (испарение или парообразование) и из твердого в газообразное (возгонка или сублимация) идут только при возрастании энтальпии, что видно по стрелочке в правой части схемы.
Рассмотрим процесс нагрева воды до перехода ее в парообразное состояние, ведь именно это происходит в камерах сгорания газовых котлов. Вода содержится и в воздухе, и в топливе, а еще может быть и в виде конденсата, когда котел остывает во время пауз в своей работе. Для удобства восприятия также воспользуемся простой схемой:
На графике по горизонтальной оси абсцисс показана энтальпия, а по вертикальной оси ординат – температура. При этом сразу оговорено условие, что нагрев воды происходит строго при атмосферном давлении, так как при его уменьшении температура кипения будет меньше 100°C, а при увеличении – больше 100°C. Какие процессы мы наблюдаем:
- Во-первых, на интервале A—B графика происходит линейный рост температуры воды от 0°C и до 100°С. Все подводимое тепло идет только на нагрев.
- Во-вторых, в точке B графика при нормальном атмосферном давлении начинается кипение воды, что инициирует процесс интенсивного испарения. При этом нагрев не прекращается.
- В-третьих, на интервале B—C продолжается нагрев воды, энтальпия растет, но температура будет оставаться на том же уровне 100°C. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние – пар. Другими словами, идет изменение агрегатного состояния от воды к пару.
- И, наконец, в точке C происходит то, что вся вода после интенсивного кипения испаряется, но нагрев не прекращается. Тогда начинает расти также прямо пропорционально энтальпии температура пара. И она будет расти дальше, пока не достигнет состояния перегретого пара (более 100°C), который в традиционных котлах просто уходит вместе с другими дымовыми газами в дымоход. В современных газовых котлах температура водяного пара, входящего в «букет» дымовых газов – примерно 130°C.
На этом графике, мы уже замечали, что в одних его интервалах идет вместе с увеличением энтальпии (количества тепла, переданного воде) растет и температура, о чем можно легко судить просто по показателям приборов. Именно поэтому такую теплоту и называют явной теплотой.
На горизонтальном отрезке B—C также идет передача тепла с той же интенсивностью, но термометр будет «стоять» на отметке в 100°C.
Поэтому такую теплоту и называют скрытой (или невидимой) теплотой. Здесь идет уже фазовый переход, который также требует энергии, но она идет на то, чтобы молекулы воды развили такую скорость, котораябы позволила им «оторваться» от взаимного притяжения.
Каждый такой единичный «отрыв» забирает небольшую порцию энергии, но в сумме получается весьма солидно. Это и объясняет, то, что при фазовых переходах температура не растет.
Если представить, что в вышеуказанном примере прекратился нагрев пара, то пойдет его остывание, соответственно и переданная тепловая энергия будет отдаваться обратно.
Процесс пойдет вспять точно по такому же графику. Когда температура водяного пара упадет до 100°C, начнется выпадение конденсата и оно будет происходить до тех пор, пока весь пар не превратится обратно в воду.
На вышеуказанном графике это отрезок от точки C до точки B. При этом вся скрытая теплота парообразования (в данном примере 638—100=538 ккал/кг) также отдается обратно, но называется в этом случае она скрытой теплотой конденсации.
Теплообменники из нержавеющей стали
Вторым материалом, используемым для изготовления теплообменников конденсационных котлов, является нержавеющая сталь, которая относится к классу коррозионно-стойких сталей. Причем для конденсационных котлов важна стойкость как к воздействиям атмосферным, так и со стороны различных жидких кислотных и щелочных агрессивных сред.
Нужные свойства нержавеющим сталям придают путемлегирования – введения в состав сплава других элементов, которые улучшают свойства конечного продукта. А также очень важна чистота самой стали от традиционно ее сопровождающих примесей, ухудшающих свойство сплава. Это прежде всего углерод и сера.
Одним из флагманов в производстве теплообменников из нержавеющей стали в конденсационных котлах является известный немецкий концерн Viessmann. Котлы под этой маркой давно известны как специалистам, так и потребителям. Они доказали свою надежность многими годами эксплуатации.
На нержавеющие теплообменники конденсационных котлов Viessmann дает 10-летнюю гарантию, что уже о многом говорит. Это заявка на то, что за весь срок эксплуатации котла с теплообменником не произойдет ничего, что вывело бы его из строя.
Для теплообменников Viessmann используются аустенитные хромоникелевые нержавеющие хромоникелевые стали двух марок: 1.4571 и 1.4404. Их выгодно отличает прочность, отличная коррозийная стойкость ко всем средам, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации, пластичность и технологичность в обработке.
Эти стали являются лучшими представителями и широко применяются в пищевой и химической промышленности, а также в машиностроении. Сталь марки 1.4404 еще применяется и в медицине, в том числе и во вживляемых в человеческое тело устройствах.
Ювелиры также не обделили вниманием эту сталь и делают из нее ювелирные украшения и корпуса для очень дорогих часов. Любитель пирсинга чаще всего прокалываютсвое тело изделиями именно из 1.4404.
Две вышеупомянутые марки стали: 1.4571 и 1.4404, — имеют такую маркировку по немецкой системе стандартизации DIN.
По американской системе стандартизации AISI им соответствуют марки 316Ti и 316L. В российском ГОСТ также есть эти стали под марками 08Х17Н13М2Т и 03Х17Н14М3.
Для нержавеющих сталей очень важно низкое содержание углерода, так как он образует с металлами карбиды, которые увеличивают хрупкость и снижают коррозийную стойкость. Для сплава 1.
Основным легирующим компонентом, который определяет коррозионную стойкость стали является хром, которогодолжно быть не менее 13%, а в названых сортах его 16—18% для 1.
4571 и 17—19% для 1.4404. Хром в поверхностном слое соединяется с кислородом и образует стойкий пассивирующий слой из оксида хрома — Cr₂O₃. Кроме химической стойкости хром придает нержавеющим сталям прочность.
Кроме хрома в состав нержавеющих сталей еще вводят никель (Ni), которого в марке 1.
4571 содержится 11,0—12,5%, а в 1.4404 никеля от 10% до 14%. Никель улучшает антикоррозийные свойства стали, он делает аустенитный твердый раствор всех компонентов нержавеющей стали более стабильным и равномерным.
Еще одним из важных легирующих компонентов нержавеющих сталей является молибден, которого в коррозийно-стойких сплавах содержится 2—3%.
Этот элемент образует карбиды с оставшимся в сплаве углеродом, причем он делает это гораздо «охотнее» хрома. Получается, что он «берет удар на себя», переводит углерод в неактивную форму и равномерно растворяется в аустените.
Зернистость стали становится меньше, прочность выше. Коррозийная стойкость нержавеющих сталей с молибденом лучше, чем без него. Еще одним из легирующих металлов, который могут вводить в сплав является титан, которогодолжно быть минимум в 5 раз больше оставшегося углерода. Титан также образует карбиды, не давая «в обиду» главного «игрока» – хром.
Нержавеющие стали, упомянутые нами, имеют очень хорошую химическую стойкость в очень широком диапазоне ph и при различных температурах. Для испытаний стойкости сплавов им создают такие условия, которые никак не могут возникнуть в конденсационных котлах, разве что на химических производствах.
По результатам испытаний нержавеющие стали 1.4571 и 1.4404 могут применяться как с пресной, так и с морской водой, в неагрессивных и слабоагрессивных средах, в окислительных средах (кислотах) и восстановительных (щелочах). Вспоминаем, что кислотные свойства конденсата газовых котлов меньше, чем у обычной Кока-Колы и делаем вывод, что с внешней стороны теплообменника, там, где образуется конденсат, нет абсолютно никакой даже малейшей угрозы для коррозии.
С внутренней стороны теплообменника нержавеющим сталям упомянутых марок тоже ничего не грозит. Если алюминиевые сплавы боятся щелочей, то нержавейка их переносит даже в очень высоких концентрациях (ph до 13). Учитывая, что водородный показатель ph теплоносителя всегда стараются сделать близким к нейтральному ph=7, то можно сделать вывод о ничтожной вероятности возникновения коррозии на всем протяжении срока службы котла.
Теплообменники из нержавеющей стали имеют сборную конструкцию, их невозможно отлить полностью как их силуминовых «собратьев». Основной способ соединения деталей – это сварка.
Всем читателям наверняка известно, что любой сварной шов почти всегда является слабым местом, именно в нем прежде всего начинается коррозия даже у нержавеющих сталей.
Это объясняется тем, что при сварке идет интенсивный нагрев зоны шва, который провоцирует соединение хрома с углеродом с образованием карбида хрома — Cr₃C₂, который концентрируется на границе кристаллитов, называемых еще и зернами.
Карбид хрома является стойким соединением, но его появление именно на границе кристаллитов способствует расслоению изначально однородной структуры металла. При значительных механических нагрузках именно по месту расположения Cr₃C₂ идет разрушение.
Вторая неприятность, которую приносит карбид хрома – это то, что он связывает хром, а он в нержавеющих сталях играет основную роль по защите от коррозии. Получается, что место сварного шва будет обеднено хромом, значитскорее всего именно в этом месте и начнется коррозия. Для того чтобы этих неприятных «сюрпризов» не происходило, прибегают к специальным мерам.
- Во-первых, хорошее качество сварки нержавеющих сталей возможно только в тех ее марках, где невысокое содержание углерода. И чем его меньше, тем лучше. У стали марки 1.4404 (углерода 0,03%) при равных условиях сварки шов будет лучше, чем у 1.4571 (углерода 0,08%).
- Во-вторых, присутствие в нержавеющих сталях молибдена способствует при нагреве связыванию углерода. Карбид молибдена – MoC, образующийся при этом, не имеет склонности оседать на границе кристаллитов, а растворяется равномерно. При этом хром остается свободным.
- В-третьих, добавки титана в нержавеющую сталь марки 1.4571 компенсирует повышенное содержание углерода. Титан так же, как и молибден, гораздо быстрее образует карбиды, чем хром. При этом карбиды титана не концентрируются на границах кристаллитов, а распределяются по объему равномерно. Расслоения структуры стали при этом не происходит.
- В-четвертых, сварку нержавеющих сталей ведут в среде инертных газов либо вольфрамовым электродом, либо в полуавтоматическом режиме. При этом качество прутка, электрода или проволоки всегда ничуть не хуже, а лучше, чем свариваемая сталь. Самые лучшие результаты дает сварка лазером в среде инертных газов.
Понятно, что вручную сваривать теплообменники на современных производствах никто не будет – все эти процессы уже давно отданы роботам, которым неведом человеческий фактор, которым принято иногда объяснять производственный брак, сделанный по вине людей.
