Комбинированная система отопления и горячего водоснабжения с глубокой утилизацией тепла продуктов сгорания котла и способ её работы

Изобретение относится к области теплоснабжения, а именно к системам отопления и горячего водоснабжения. Комбинированная система отопления и горячего водоснабжения с глубокой утилизацией тепла продуктов сгорания котла содержит: топливный котел; подключенный к нему водогрейный бойлер, соединенный с системой ГВС; конденсационный теплообменник, размещенный в газоходе за котлом или в его хвостовой части с возможностью байпасирования части горячих продуктов сгорания; трубопроводы прямой и обратной сетевой воды и воды системы горячего водоснабжения, при этом, с целью повышения тепловой экономичности и снижения вредных выбросов за счет стабильной и полной глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котла, вход конденсационного теплообменника подключен к исходной холодной воде ГВС, а трубопровод на выходе теплообменника снабжен автоматическим трехходовым клапаном, соединенным с потребителем горячей воды и с бойлером. Кроме того, тепловую мощность котла регулируют с приоритетом на отопление, т.е. в первую очередь покрывают отопительную нагрузку, при этом поддерживают расход воды на конденсационный теплообменник - по реальной потребности ГВС, температуру нагрева воды не регулируют, а ограничивают ее верхний предел 60-65°С. Цель изобретения - повышение тепловой экономичности и снижение вредных выбросов за счет стабильной и полной глубокой утилизации тепла продуктов сгорания. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области теплоснабжения, а именно к системам отопления и горячего водоснабжения, ГВС, и применимо в коммунальной энергетике, в сфере ЖКХ, конкретнее в коммунальном теплоснабжении, - централизованном и децентрализованном индивидуальном, - в домовых и городских котельных, на мини-ТЭЦ, РТС, ТЭС и пр. Возможно использование системы и на базе паровых станционных и промышленных котлов и др.

Глубокая утилизации, ГУ, тепла продуктов сгорания, ПС осуществляется в известных системах в конденсационном теплообменнике, КТ, установленном в газоходе за котлом или в хвостовой части котла (последняя по ходу ПС секция, экономайзер) при подаче в него обратной сетевой воды с температурой Т_ОБР ниже температуры точки росы Т_Р. Для ПС природного газа Т_Р=50-55°C и для надежной конденсации значение Т_ОБР должно быть порядка 40°C. Это условие в определенной мере выполняется в системах отопления стран Европы и США, работающих на пониженных температурных графиках тепловых сетей 50/30°C или, чаще - индивидуального контура отопления автономного объекта: дома, квартиры и пр. КПД конденсационного котла по низшей теплотворности Q^Р_H топлива (природного газа) достигает 105-107%. За рубежом такие котлы нашли массовое применение. Коррозионноустойчивые материалы (качественная нержавеющая сталь) в теплообменниках, газовых трактах и дымовых трубах позволяют внедрять технологию ГУ без ущерба для срока службы оборудования.

Российские тепловые сети работают с нормативными графиками отопления 150/110, 115/70°C; ставится задача перехода до 80/60°C. В этих условиях (неполная конденсация) КПД котла с КТ порядка 96-98%. Экологический эффект при ГУ связан со снижением расхода топлива и вредных выбросов в присутствии в ПС паров воды.

Для предотвращения конденсации водяных паров в газовом тракте за КТ и дымовой трубе температуру ПС за КТ поддерживают как минимум 60-70°C. С этой целью предусматривают возможность байпасирования: часть горячих дымовых газов перепускают с помощью шибера помимо КТ по байпасному каналу. Перед КТ иногда устанавливают сетчатый фильтр, а за ним - каплеуловитель, поскольку какой-то брызгоунос при конденсации неизбежен. Узел оборудуют устройством слива, сбора и отведения конденсата, и участком его обработки - нейтрализации (обычно - дегазации, декарбонизации).

Практически каждая котельная (отопительный котел) служит источником ГВС объекта. Тепловая нагрузка ГВС - круглогодичная, но резко нестабильна в течение суток - утренние и вечерние пики и провалы днем и ночью. В годовом же балансе эта нагрузка принимается обычно около 15% от отопительной, но в ряде случаях может доходить до 40% и более.

Источник воды для ГВС - как правило, холодная водопроводная вода с температурой 6-12°С зимой, до 19°C летом. При подаче такой воды в конденсационный теплообменник - ПС охлаждаются до требуемой температуры порядка 40-45°C, создаются условия для полной и стабильной конденсации, надежного режима с максимально возможным КПД котла 105-107%.

Близкие аналоги имеются среди оборудования зарубежных производителей конденсационных котлов. Например, автономный бойлер, подключенный к отопительному котлу. Модель газового котла Antea RBTFS компании Fondital (Италия) оснащена встроенным трехходовым клапаном, что позволяет подключать ее к внешнему накопительному бойлеру для ГВС [1]. Прототипом могут служить конденсационные котлы бельгийской компании ACV. Для организации ГВС к каскаду котлов подключают бойлер. Аналогично, напольные котлы Power НТ, НТ-А430, 230-320, 430-659 кВт компании BAXI (Италия) можно опционно подключать к бойлеру для ГВС (прототип) [2]. В этих решениях наибольшее число общих признаков с предлагаемой системой: котел с подключенным бойлером, конденсационный теплообменник на отходящих ПС.

Цель изобретения - повышение тепловой экономичности и снижение вредных выбросов за счет стабильной и полной глубокой утилизация тепла ПС. Предлагаемая комбинированная система отопления и горячего водоснабжения содержит известные признаки: топливный котел; подключенный к нему водогрейный бойлер, соединенный с системой ГВС; конденсационный теплообменник, размещенный в хвостовой части (экономайзер) или газоходе котла с возможностью байпасирования части горячих продуктов сгорания; коммуникации прямой и обратной сетевой воды и воды ГВС с запорно-регулирующей арматурой, КИП и А.

Отличие предлагаемого решения от известных в том, что вход конденсационного теплообменника подключен к исходной холодной воде ГВС, а трубопровод на выходе из него снабжен трехходовым клапаном, соединенным с потребителем горячей воды и с бойлером.

Способ работы предложенной системы состоит в том, что, во-первых, тепловую мощность котла регулируют с приоритетом на отопление, т.е. в первую очередь покрывают отопительную нагрузку, при этом расход воды на конденсационный теплообменник поддерживают по реальной потребности ГВС, а температуру нагрева воды не регулируют, а ограничивают верхним пределом (60-65°C); во-вторых, в случае нагрева в теплообменнике исходной воды до требуемой температуры, 60-65°C, ее подают через трехходовой клапан потребителю, т.е. в систему ГВС, а в случае недостаточной температуры нагрева - через тот же клапан в бойлер для догрева до нужной температуры.

Предлагаемая система показана на фиг. 1-5 - технологическая схема и устройство в различных разрезах и сечениях, на фиг. 6 - система на базе конденсационного котла (импортного) с встроенным бойлером ГВС. Обозначены позиции: 1 - камера для размещения узла ГУ; 2 - съемная крышка камеры; 3 - секции конденсационного теплообменника, КТ; 4, 5 - вход холодной (водопроводной) воды и выход нагретой воды для ГВС; 6 - автоматический трехходовой регулировочный клапан; 7 - коллектор горячей воды; 8 - трубопровод в систему ГВС; 9 - бойлер на ТП (ЦТП) нагрева воды для ГВС в контуре; 10, 11 - (вход/выход) острой воды котла; 12 - поддон и резервуар для слива конденсата; 13 - бак загрязненного конденсата. 14 - дренажный насос; 15 - бак запаса конденсата; 16 - конденсатный насос; 17 - регулятор расхода; 18 - главный газоход котла или сборный боров от нескольких котлов; 19 - газовый тракт; 20 - разделительная перегородка; 21 - байпасный канал; 22 - газоход для размещения КТ; 23, 24 - шибера (заслонки, дроссель-клапаны) с приводом; 25 - газовый конденсационный котел с встроенным бойлером; 26 – горелка; 27, 28 - патрубки котла прямой и обратной воды; 29, 30 - выходной и входной патрубки встроенного бойлера; 31 – газоход; 32 - конденсационный теплообменник (экономайзер); 33 - фланец присоединения газового тракта; 34 - отвод конденсата продуктов сгорания.

В газоход 18 котла (или боров, с которым соединены газоходы от всех или нескольких котлов котельной) встраивается камера 1. Разделительная перегородка - металлическая стенка 20 - делит камеру на две части: байпасный канал 21 и газоход 22 - для установки КТ 3.

КТ подключают к водопроводу. Узел утилизации оборудуют узлом сбора и отвода конденсата, а также участком его очистки - нейтрализация (декарбонизация и дегазации) по известной технологии (не показан).

Тепловую мощность КТ (объемы ПС через газоходы 21 и 22 камеры 1) регулируют шиберами - 23 и 24 с приводами. Шибера и все запорно-регулирующие органы интегрированы в САР объекта, работающей по единой программе управления объектом.

В период пиковых нагрузок на ГВС шибер 23 закрыт, а 24 открыт, весь объем ПС пропускают через КТ (канал 22). В периоды минимальных нагрузок ГВС, - наоборот, 23 приоткрывают, 24 - прикрывают. Так же управляют клапанами, когда тепловая мощность котла превышает возможности утилизации: часть потока горячих ПС байпасируют, т.е. направляют помимо КТ через канал 21.

Схема позволяет работать в различных режимах. Если температура нагрева воды на ГВС в КТ достаточна (порядка 60-65°C), то нагретую вода из КТ направляют потребителю - через клапан 6 по трубопроводу 7. Если же недостаточна - воду подают в бойлер 9 (в составе ИТП либо ЦТП в котельной), там догревают до нужной температуры и направляют через коллектор 7 в систему ГВС 8.

В случае необходимости поддерживают температуру ПС после КТУ не ниже 70-90°C для исключения конденсации водяных паров в газовом тракте: шибер 23 приоткрывают, и газоход 21 выполняет функции байпаса.

В случае импортных «конденсатников» вся реконструкция сводится к тому, что на вход КЭ конденсационного котла подают водопроводную воду, а обратную из отопительного контура - в котел (патрубок 28) (фиг. 6).

С помощью САР управляют расходом газа на котел с приоритетом на отопительную нагрузку, утилизация - вторична. При этом регулируют только расход воды в КТУ на ГВС - по реальной потребности, а ее температуру на выходе КТУ не регулируют, а только ограничивают верхним пределом (60-65°C).

Возможна ситуация, когда тепловая мощность котла достаточно велика, и во всех режимах обеспечивается требуемый нагрев воды в КТ. Тогда установка бойлера не обязательна. Верхний предел мощности во всех режимах не ограничен. Летом, когда отопление отключается, котел работает только на ГВС, и его мощность находят расчетным путем - с учетом максимально возможной глубокой утилизацией тепла, которое (тепло) так же, как и горячая вода из котла, идет на покрытие нагрузки ГВС.

Предлагаемое решение полностью применимо и для работы на подпиточной воде.

Система применима во всех случаях, когда бойлер ГВС расположен рядом (десятки метров) с котлом или встроен в него. Нет принципиальных трудностей и в использовании системы для паровых станционных и промышленных котлов. В схеме используются имеющиеся в котельной баки-аккумуляторы для выравнивания нагрузок в графиках ГВС. Отопительный контур объекта (дом, помещение и пр.) оборудуют расширительным баком (штатное оборудование).

Преимущества схемы по сравнению с обычной утилизацией на обратной сетевой воде: а) стабильная и полная ГУ тепла ПС; б) система работает непрерывно, в течение всего года, ее эффективность не зависит от погодных условий, температурного графика отопления; в) расширяется область рентабельного применения; г) компактность теплообменника - меньше материалоемкость, стоимость и пр.

Ожидаемые экономия топлива (повышение КПД) - от 5 (летом) до 10-12% (зимой) от тепловой мощности котла; простой срок окупаемости 1 -3 года.

Второй эффект - экологический: снижение вредных выбросов вплоть до получения экологически чистого процесса благодаря снижению расхода топлива и поглощению капельной влагой окислы CO₂ и NO_X при орошении потока газов конденсатом в КТУ.

Источники информации

1. Котлы ACV. Новинки модельного ряда котлов Fonditial. Аква-терм, №1, 2017, с. 16, 52 (аналог).

2. Конденсационные котлы на российском рынке. Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ, 2016, №6, с. 36 (прототип).

1. Комбинированная система отопления и горячего водоснабжения с глубокой утилизацией тепла продуктов сгорания котла, содержащая

топливный котел; подключенный к нему водогрейный бойлер, соединенный с системой ГВС; конденсационный теплообменник, размещенный в газоходе за котлом или в его хвостовой части с возможностью байпасирования части горячих продуктов сгорания; трубопроводы прямой и обратной сетевой воды и воды системы горячего водоснабжения,

отличающаяся тем, что с целью повышения тепловой экономичности и снижения вредных выбросов за счет стабильной и полной глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котла,

вход конденсационного теплообменника подключен к исходной холодной воде ГВС, а трубопровод на выходе теплообменника снабжен автоматическим трехходовым клапаном, соединенным с потребителем горячей воды и с бойлером.

2. Способ работы системы по п. 1, включающий регулирование тепловой мощности котла с учетом потребности отопления и ГВС,

отличающийся тем, что с целью оптимизации процесса,

тепловую мощность котла регулируют с приоритетом на отопление (т.е. в первую очередь покрывают отопительную нагрузку), при этом поддерживают расход воды на конденсационный теплообменник - по реальной потребности ГВС, температуру нагрева воды не регулируют, а ограничивают ее верхний предел (60-65°С).

3. Способ работы по п. 2, отличающийся тем, что

в случае нагрева в теплообменнике исходной холодной воды до требуемой температуры, 60-65°С ее подают через трехходовой клапан в систему ГВС потребителю, а в случае недостаточной температуры нагрева - через тот же клапан в бойлер для догрева до нужной температуры.