Основным направлением прогресса в отопительной технике является максимально рациональное использование органического топлива. Уменьшение потребления – приоритетная общеевропейская задача, направленная на бережное, экономное потребление «невозобновляемых» источников энергии, с одной стороны, и снижение техногенной нагрузки на окружающую среду – с другой. Экономичность систем отопления достигается как строительными мероприятиями, например лучшей теплоизоляцией зданий, так и внедрением отопительной техники, наилучшим образом использующей теплоту сгорания органического топлива. Устройство котла, в свою очередь, подчинено передаче тепла пламени и продуктов сгорания теплоносителю для последующей транспортировки к точкам потребления (например, радиаторам). Очевидно, что для повышения КПД котла температура продуктов сгорания (отходящих газов) на выходе из котла должна быть минимальной. Для современных низкотемпературных котлов малой мощности в переходный период года температура отходящих газов может составлять 100–120 °С, повышаясь с ростом нагрузки и температуры котловой воды до 140–200 °С. При этом, конечно, нужно учитывать и то обстоятельство, что температура отходящих газов в значительной степени зависит от наличия загрязнений топки (сажи), образования отложений на водяной поверхности котлового теплообменника (накипи), затрудняющих процесс теплопередачи и снижающих КПД установки.
Углерод и водород, входящие в состав топлива, при его полном сгорании образуют соединения СО2 и Н2О (водяной пар). Сжигание 1 кг жидкого топлива приводит к образованию 1,3 кг, а 1 м3 природного газа – 1,6 кг водяных паров. Отопительный котел, сконструированный для принудительной конденсации большей части водяных паров, содержащихся в отходящих газах, называется конденсационным. Такая техника получает в Европе все большее распространение и отличается более высоким КПД, достигающим 109 % для газа и 101 % для жидкого топлива при расчете по низшей теплоте сгорания. Полное использование скрытой теплоты парообразования позволяет дополнительно получить 1,5 кВт•ч/кг при сжигании жидкого топлива и 1,3 кВт•ч/м3 при сжигании природного газа. В дальнейшем будет рассматриваться, в основном, низкотемпературная отопительная техника на примере котлов с вентиляторными горелками (с избыточным давлением в топке) и газовыми атмосферными горелками, поскольку конденсационные котлы в России применяются достаточно редко.
Современная отопительная техника исходит из того, что котел работает не постоянно, а только тогда, когда это действительно необходимо. Разогрев поверхностей котла и дымохода до определенной температуры всегда сопровождается образованием конденсата, количество которого зависит от того, насколько быстро произойдет повышение температуры этих поверхностей в пусковой фазе работы. Температуру конденсации влаги, содержащейся в отходящих газах, определяют вид топлива, избыток воздуха для горения и связанная с ним концентрация СО2 в продуктах сгорания. К примеру, при сжигании газа и концентрации СО2 9,5 % концентрация водяных паров составит 15,7 % об., а температура точки росы – около 55 °С. Существует закономерность, согласно которой температура точки росы тем выше, чем больше содержание водорода в топливе. Обычными на практике являются следующие ориентировочные значения: для природного газа 50–55 °С, для жидкого топлива около 45 °С, для угля – примерно 25 °С, для древесины – ориентировочно 30–50 °С, в зависимости от влажности топлива.
Образующийся конденсат обладает кислыми свойствами. При сжигании газа водородный показатель рН составляет, как правило, 3–4 ед., для жидкого топлива значения находятся в пределах 1,8–3,7. Это обусловлено содержанием в нем серы, образующей при горении диоксид серы SO2, в ходе дальнейшей реакции частично доокисляющийся до триоксида SO3. При соединении с водяными парами триоксид серы образует серную кислоту, определяющую столь низкие значения рН. Точка росы паров серной кислоты всегда находится выше точки росы водяных паров, поэтому конденсация паров кислоты происходит при значительно б`ольших температурах поверхностей газового тракта котельной установки. Величина этой температуры показывает лишь точку, ниже которой начинается процесс конденсации, достигая максимума при температурах на 20–30 °С ниже. Количество образующейся кислоты находится в зависимости и от доли диоксида серы, образующей триоксид, что, в свою очередь, определяется в основном количеством летучих частичек сажи и загрязнений в отходящих газах, выступающих своеобразными «ядрами» процесса преобразования. В оценках обычно исходят из того, что от 0,5 до максимум 2 % диоксида серы преобразуются в триоксид.
Для небольших отопительных установок важным является то обстоятельство, что они обычно эксплуатируются в прерывистом (непостоянном) режиме. Как правило, за время каждого перерыва значительная часть контактирующих с продуктами сгорания поверхностей успевает остыть ниже температуры точки росы. Каждый пуск вновь приводит к образованию некоторого количества кислоты. Последующий прогрев сопровождается повышением концентрации серной кислоты, уже находящейся, например, в канале дымохода, поскольку температура кипения кислоты составляет 338 °С и ее испарение при меньших температурах практически не происходит. Концентрированная серная кислота к тому же очень гигроскопична.
В летние месяцы для процесса коррозии может быть достаточно водяных паров, уже содержащихся в воздухе. В реакциях с железом серная кислота участвует, скорее, как катализатор процесса, продолжающегося до тех пор, пока сохраняется поступление влаги.
Ни черная сталь, ни чугун не являются стойкими материалами в такой среде. Ущерб от коррозии этого вида в случае ее возникновения наблюдается, как правило, после длительной эксплуатации котла. В чугунных котлах с более толстыми стенками процесс коррозии может продолжаться несколько дольше до его выхода из строя. Поэтому в низкотемпературных котлах стараются предотвратить или свести к минимуму образование конденсата, вызывающего коррозию поверхностей нагрева, путем оптимизации гидравлической схемы котла (например, технология Thermostream фирмы Buderus) или с помощью мероприятий по повышению температуры обратной воды на входе в котел и поддержанию минимальной температуры котловой воды.
Еще одну опасность при использовании жидкого и твердого топлива представляет сажа, которая практически всегда, даже при тщательной настройке установки, образуется в больших или меньших количествах. Если образование сажи велико (например, вследствие неполного сгорания топлива из-за неправильной или неквалифицированной настройки горелки), она откладывается на протяжении всего газоходного тракта (от внутренних поверхностей котла до устья дымохода) и может со временем воспламеняться в местах своего скопления.
Традиционно применяемые для строительства дымовых труб каменные материалы подвергаются в таких условиях чрезмерным нагрузкам. Зачастую завышенные размеры сечения при недостаточной теплоизоляции обуславливают невысокую скорость движения продуктов сгорания и их переохлаждение с образованием конденсата, приводящие к переувлажнению стенок дымохода и повреждению отделки со стороны внутренних помещений, а в районе оголовка – к его постепенному разрушению из-за попеременного замерзания и оттаивания влаги. В случаях возгорания сажи в канале, выполненном из каменных материалов, его стенки часто не выдерживают значительных тепловых нагрузок с образованием сквозных трещин, нарушающих плотность дымохода.
К материалам, хорошо зарекомендовавшим себя при работе в таких условиях, относятся высоколегированные нержавеющие стали аустенитного класса марок 1.4404 и 1.4571 по DIN 17440. Например, фирма Jeremias применяет сталь марки 1.4571 для изготовления элементов одностенных и внутренней трубы двустенных дымоходов, контактирующих с продуктами сгорания, марки 1.4436 для производства гибких одно- и двухслойных дымоходов и марки 1.4301 – для изготовления наружной оболочки двустенных теплоизолированных дымоходов, подвергающейся лишь атмосферным воздействиям. Такие дымоходы относятся к влагостойким, то есть образующийся в них конденсат не вызывает их повреждения. Это позволяет производителю предоставлять на свои системы гарантию в 10 лет.
При этом следует помнить, что в некоторых ситуациях коррозии подвержены и нержавеющие стали. Ее могут вызвать соединения галогенов, содержащиеся в воздухе для горения. Источником их появления могут быть, например, растворители, аэрозоли, строительные лаки, краски, клеи и прочие средства, применяемые в хозяйстве . Образующиеся в пламени галогеноводороды при охлаждении продуктов сгорания конденсируются в виде соляной и плавиковой кислот. Испарение соляной кислоты крайне затруднено из-за высокой (110 °С) температуры кипения, которой стенки дымохода, как правило, не достигают. Кислота не расходуется в процессе коррозии, являясь катализатором химических реакций. Ее концентрация может повышаться до 20 %, так что даже однократное проникновение соединений галогенов в воздух для горения со временем неминуемо приводит к ущербу.
Таким образом, вопросы проектирования и эксплуатации дымовых труб требуют учета всех возможных наихудших условий работы. Характеристики современного отопительного оборудования предъявляют к дымоходам повышенные требования. Устройство дымовых труб из нержавеющих сталей специальных марок гарантирует длительную и экономичную работу отопительных установок.
