Требования к дымоходам и условия их эксплуатации
Развитие технологий отопления идёт по пути максимальной рационализации. Снижение уровня потребления топлива – одна из главнейших задач общеевропейского уровня. С одной стороны, это приведёт к более бережному и экономному потреблению невозобновляемых источников тепловой энергии, с другой – к уменьшению нагрузки на загрязнённую окружающую среду. Большей экономичности служат увеличение эффективности теплоизоляции объектов и использование современной отопительной техники, которая с большей отдачей использует тепло от сгорания органических видов топлива. Устройство отопительных котлов предусматривает передачу энергии теплоносителям для подачи его к точке потребления. Отсюда следует, что для того, чтобы повысить КПД работы устройства необходимо понизить температуру отходящих газов. Использующиеся на сегодняшний день низкотемпературные отопительные котлы отличаются довольно экономными показателями в данной области: +100 – +120°С в переходные периоды года, а при увеличенной нагрузке и повышении температуры воды до +140 – +200°С. Но стоит учесть, что реальная температура отходящих газов во многом зависит от загрязнения топки, накипи на поверхности теплообменника и прочего. Эти факторы не только затрудняют процесс теплопередачи, но и в значительной мере снижают коэффициент полезного действия тепловой установки.
Входящие в состав органического топлива водород и углерод при сгорании образуют водяной пар (Н2О) и углекислый газ (СО2). При сжигании 1 кг жидкого топлива образуется до 1,3 кг водяных паров, а при сгорании 1 м3 газа – до 1,6 кг водяных паров. Отопительные котлы, сконструированные для принудительной конденсации большого количества водяных паров из отходящих газов, называются конденсационными. Данная техника получила широкое распространение в Европе, она отличается высоким уровнем КПД (109% для природного газа и 101% для жидких видов топлива). Полное использование скрытой энергии парообразования даёт возможность получить дополнительно до 1,5 кВт*ч/кг при сжигании жидких видов топлива и до 1,3 кВт*ч/м3 при сжигании газа. В дальнейшем будут рассмотрены образцы низкотемпературной отопительной техники на примере отопительных котлов с вентиляторными и газовыми атмосферными нагнетателями (горелками), так как конденсационные котлы в отечественном отоплении применяются довольно редко.
Конденсат, образующийся во время работы котлов, обладает окисляющими свойствами. При использовании природного газа показатель рН составляет около 3–4 ед., для жидких типов топлива его значение колеблется от 1,8, до 3,7. Это обуславливается относительно высоким содержанием серы, которая образуется при сгорании SO2 (диоксида серы), а в ходе дальнейших реакций частично распадающейся до SO3 (триоксида серы). При соединении с H2O SO3 образует серную кислоту, из-за которой и получается такой низкий показатель рН. Точка росы паров H2SO4 всегда выше точки росы H2O, из-за чего конденсация её паров происходит при более высокой температуре поверхности газового тракта котла. Показатель этой температуры обозначает точку, ниже которой происходит конденсация, достигающая максимума при температурном показателе на 20–30°С ниже. Объём образующейся кислоты H2SO4 зависит от доли SO2, образующей SO3, это, в свою очередь, обусловлено количеством летучих частиц сажи и загрязняющих веществ в отходящих газах, которые выступают некими ядрами процесса преобразования. Чаще всего при расчётах исходят из того, что 0,5%-2% SO2 преобразуются в SO3.
При создании современной отопительной техники инженеры исходят из того факта, что она работает не постоянно, а только в те моменты, когда возникает необходимость. Разогрев рабочих поверхностей котла и систем дымохода сопровождается образованием водяного конденсата, количество которого напрямую зависит от того, как быстро происходит повышение температур этих поверхностей на начальной фазе работы устройства. Температура конденсации влаги, в свою очередь, зависит от вида топлива, избытка воздуха при горении и связанной с этим концентрацией углекислого газа. Например, при сжигании природного газа и концентрации углекислого газа на уровне 9,5% концентрация водяного пара составит 15,7% объёма, а температура точки росы составит около +55°С. Температура точки росы напрямую зависит от содержания водорода в топливе. Обычно ориентируются на следующие значения: для газа – +50 – +55°С, для жидких видов топлива примерно +45°С, для угля – около +25°С, для древесины – от +30°С до +50°С, в зависимости от уровня влаги в топливе.
Для небольших по мощности и размеру отопительных котлов важным фактором является эксплуатация в непостоянном (прерывистом) режиме. За время перерыва в работе температура большей части поверхностей, которые контактируют с продуктами сгорания, успевает опуститься ниже точки росы. Каждый новый запуск приводит к образованию определённого количества кислоты. Дальнейший прогрев сопровождается увеличением уровня концентрации H2SO4, уже находящейся в таких важных частях аппарата, как канал дымохода. Температура кипения серной кислоты равна +338°С, её испарение при более низких температурах почти не происходит. Концентрированная H2SO4 ещё и очень гигроскопична.
Для процесса коррозии в жаркие летние месяцы вполне достаточно паров, содержащихся в атмосфере. В реакциях с металлами H2SO4 участвует как катализатор процесса, который происходит до тех пор, пока присутствует влага. Черная сталь и чугун в такой среде проявляют себя как нестойкие материалы. Разрушительное действие данного типа коррозии наблюдается после долгой эксплуатации котла. В котлах с толстыми чугунными стенками этот процесс может продолжаться довольно долго, прежде чем аппарат выйдет из строя. По этой причине в низкотемпературных котлах необходимо предотвращать или сводить к минимуму образование водяного конденсата, который вызывает коррозию поверхностей нагрева. Это достигается оптимизацией гидравлических схем котла (технология Thermostream в котлах фирмы Buderus) или при помощи мероприятий по увеличению температуры обратной воды, а также поддержанию как можно более низкой температуры котловой воды.
Еще одной опасностью при использовании твердых и жидких видов топлива является сажа, образующаяся в разных количествах даже при самой тщательной настройке оборудования. Если объем сажи велик (из-за частичного сгорания топлива при неправильной настройке горелок котла), она образуется вдоль всего газоходного тракта (начиная с внутренних поверхностей котла и заканчивая устьями дымохода) и может стать причиной воспламенения в местах скопления.
Применяемые для строительства дымоходов каменные материалы подвергаются в данных условиях максимальным нагрузкам. Часто происходит так, что большие размеры сечения при низкой теплоизоляции становятся причиной низкой скорости движения продуктов сгорания. Их переохлаждение и образование конденсата приводят к чрезмерному увлажнению стенок дымохода и разрушению отделки, а на месте оголовка – к его постоянному разрушению из-за постоянных процессов замерзания и оттаивания водяных паров. При возгорании сажи в каналах, выполненных из камня, их стенки в большинстве случаев не выдерживают тепловых перегрузок – в них образуются сквозные трещины, нарушается плотность дымохода.
Среди материалов, отлично зарекомендовавших себя при работе в сложных условиях, выделяют нержавеющие высоколегированные стали аустенитного класса марок 1.4571 и 1.4404 по классификации DIN 17440. Например, компания Jeremias применяет сталь марки 1.4571 для изготовления элементов одностенных дымоходов и внутренних труб двустенных дымоходов, контактирующих с продуктами горения, марки 1.4436 – для изготовления гибких однослойных и двухслойных дымоходов и марки 1.4301 – для производства внешней оболочки двустенных теплоизолированных дымоходов, которые подвергаются только атмосферным воздействиям. Эти дымоходы относятся к классу влагостойких – образующийся в них водяной конденсат практически не вызывает повреждений. Этот факт позволяет производителю предоставлять на свои устройства гарантию в десять лет.
Следует помнить, что иногда коррозийным процессам подвержены даже нержавеющие стали. Этот эффект могут вызвать соединения галогенов, присутствующие в воздушной массе, используемой для горения. Их источником могут стать аэрозоли, растворители, краски, строительные лаки, клеи и другие хозяйственные средства. Образуемые при сгорании топлива галогеноводороды в процессе охлаждения продуктов сгорания могут конденсироваться в виде плавиковой и соляной кислот. Испарение H2SO4 обычно затруднено по причине её высокой (около +110°С) температуры; стенки дымохода, как правило, не разогреваются до таких температур. Кислоты не расходуются в коррозийных процессах, они являются катализаторами химических реакций. Концентрация H2SO4 может достигать 20%, поэтому даже кратковременное присутствие соединений галогенов в воздушной смеси, предназначенной для горения, со временем приводит к значительному ущербу.
При проектировании и эксплуатации систем дымовых труб требуется учитывать все возможные условия работы. Сегодня к дымоходам предъявляются высокие требования. Использование дымовых труб из нержавеющей стали специальных марок – залог длительной и экономичной работы отопительных установок.
