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 V измеряют 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 V ₀определяется 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(Sr i × ri),

r_см = 0,01(r₁ r ₁ + r₂ r ₂ +... + 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;

r ₁, r ₂,..., r_n – содержание компонентов, %.

1 бар = 100 кПа, 1 кПа = 10 мбар

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

 

или

 

где W o_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.

Время образования взрывоопасной смеси при утечке газа.

Если газовоздушная смесь с концентрацией в пределах воспламеняемости заполнила, какой либо замкнутый объем, то при появлении источника высокой температуры смесь воспламениться сразу во всем объеме. Сгорание газовоздушной смеси произойдет с большой скоростью, Произойдет взрыв всего объема газовоздушной смеси скопившейся в помещении, топке, котловане и др. Вся масса газовоздушной смеси превратиться в продукты сгорания, восприняв все тепло выделившееся при горении. Максимальная температура горения стехиометрической смеси природного газа с воздухом может достигать примерно 2000 °С. Нагретые газы расширяются, что сопровождается мгновенным повышением избыточного давления в замкнутом объеме. Давление продуктов сгорания повышается до тех пор, пока стены помещения, топки не перестанут выдерживать напор и не разрушаться. Тогда газы с силой выходят наружу. Образуется взрывная волна, которая распространяется во все стороны. может Скорость взрывной волны может достигнуть 600 м/сек. Если предусмотреть отверстие, через которое волна выйдет из топки или помещения, то разрушения основной конструкции не произойдет. В помещениях взрывная волна сбрасывается через оконные проемы, а в топках устанавливают сбросные клапаны. Максимальное давление возникает в подвале, где нет окон и сопротивление ограждающих конструкций большое. Максимальное давление при взрыве может достигнуть 0,8 МПа. Эффективная и надежно действующая вентиляция является одним из важных мероприятий предотвращающее образование взрывоопасной смеси. Вместо воздуха удаляемого из помещения, поступает свежий воздух, т. е. организуется воздухообмен. Наиболее опасными являются газы у которых нижний предел взрываемости наименьший и те, у которых наибольший диапазон между нижним и верхним пределами взрываемости.

Можно приблизительно определить время образования нижнего предела и верхнего предела взрываемости того или иного газа в помещении или в топке при утечке газа. Последовательность вычисления следующая:

1 – определение количества газа для данного объема помещения (топки) для образования нижнего предела взрываемости – V загазованности м³

 

V _заг = V _пом × L _н,

 

где V _пом – объем помещения (топки), м³; L _н – нижний предел взрываемости, в долях;

2 – определить или задаться утечкой газа, т. е. количеством газа, поступающего в помещение (топку) – V утечки, м³/час;

3 – время образования опасной смеси – τ, час;

4 – время образования взрывоопасной смеси с учетом вентиляции помещения – τ¢, час,

 

,

 

где А – часовая кратность воздухообмена.

Если газовоздушная смесь с концентрацией газа в пределах воспламеняемости образовалась в горелочных устройствах, то при поджигании ее на выходе из горелки она будет гореть. На поверхности разгерметизированных газопроводов, газовых резервуаров при поднесении источника высокой температуры она будет гореть диффузионным пламенем. Газовоздушная смесь с концентрацией газа в пределах воспламеняемости, распространившаяся по всему замкнутому объему (помещение, подвал, котлован, топка и др.), при внесении открытого огня сгорает с большой скоростью передачи теплоты от одних частиц к другим и с практически мгновенным выходом энергии – происходит тепловой взрыв всей смеси. Например, мгновенное сгорание, т. е. взрыв, стехиометрической смеси метана с воздухом сопровождается мгновенным повышением избыточного давления в замкнутом объеме до значений, близких 0,8 МПа за счет резкого повышения температуры и увеличения объема продуктов сгорания. Максимальное давление может возникнуть только в том случае, если происходит полное сгорание газа в каком-то объеме и прочность ограждающих конструкций выдержит это давление. В помещении величина давления будет такая, какое давление выдержит легко разрушающаяся часть ограждающих конструкций, например – окна, двери.

Максимальное давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей может быть определено по следующей формуле

 

где P _o – атмосферное давление, Р _о = 0,1 МПа; t _К – калориметрическая температура горения, °С, t _К = 2000 °С; – коэффициент объемного расширения; – коэффициент избытка воздуха, при котором происходит горение. При взрыве в помещении можно принять = 1.

Давление при взрыве зависит от прочности конструкции и от температуры, возникающей при взрыве. Если происходит взрыв при содержании газа в воздухе соответствующем нижнему пределу воспламеняемости, то температура горения намного ниже температуры горения при коэффициенте избытка воздуха соответствующему теоретическому количеству воздуха, т.е. равному 1

Значения коэффициента избытка воздуха - α = 2 для природного газа соответствующему нижнему, при это температура горения будет равна 1170⁰С и α = 0,6 при верхнем пределе воспламеняемости, при этом температура горения будет равна 1610⁰С.

Значения коэффициента избытка воздуха - α = 2,06 для сжиженного газа соответствующему нижнему, при это температура горения будет равна 1210⁰С и α = 0,4 верхнему пределам воспламеняемости, при этом температура горения будет равна 1710⁰С.

 

Максимально возможное давление при взрыве газа

,

где , ,

Определим давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси, соответствующее нижнему пределу воспламеняемости .

,

где , ,