Valtec. Павлов С. А. Котлы, химия, физика и трехходовые клапаны

При проектировании систем отопления, особенно в частных домах, часто можно столкнуться с такой ситуацией: проект выполнен на очень высоком уровне, все сноски на месте, размерные привязки расставлены, раскладка трубопроводов выполнена и сбалансирована, гидравлические расчеты сведены в таблицы. Но вот открывается страница с общей схемой системы отопления, и на месте её «сердца» стоит лишь обозначение «существующий источник тепла» или просто «котёл».

Чаще всего в качестве источника тепла в частных домах (и иногда даже в квартирах) устанавливают газовые котлы. Немного реже, 
но, тем не менее, ещё один встречающийся вариант — твердотопливные. Рассмотрим их принципиальные схемы на рисунке 1 и на рисунке 2.

Как можно увидеть, общий принцип работы этих котлов при должном упрощении схож между собой. Холодный теплоноситель приходит в котел, при помощи теплообменника нагревается до требуемой температуры и поступает дальше в систему отопления. На первый взгляд, всё просто и логично, но в данном случае есть определенные нюансы, которые требуют пристального внимания к себе. Так что же может пойти не так?


Для ответа на этот вопрос необходимо углубиться в химию протекающих процессов. Природный газ, что сжигается в горелках, и благодаря которому происходит нагрев воды, на 70-98% состоит из метана (CH4), но кроме этого он также содержит и другие вещества, входящие в его состав, такие как водород (H2), сероводород (H₂S), углекислый газ (CO₂), азот (N₂) и другие вкрапления. При сжигании такой газовой смеси происходят следующие химические реакции:

  - CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O (пар)
  - 2H₂ + O₂ → 2H₂O (пар)
  - H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O (пар)

В данной реакции Н₂О в виде пара уходит через дымоход, предусмотренный котельным оборудованием, тогда как CO₂ — диоксиду углерода (он же углекислый газ), что в 1,5 раза тяжелее воздуха, намного сложнее покинуть камеру сгорания. И в ней данный газ имеет возможность вступить в следующую реакцию:

  - CO₂+ H₂O (жидкость) → H₂CO₃

Так откуда же в камере сгорания может взяться жидкая вода, благодаря которой образуется Н₂СО₃ — угольная кислота?
Для рассмотрения этого вопроса необходимо отступить немного назад и рассмотреть схему и принцип работы системы отопления с физической точки зрения.
В идеальном варианте параметры теплоносителя системы отопления могут выглядеть как на рисунке 3.


Однако такие параметры система будет иметь только после прогрева всех помещений и вхождения всех элементов в рабочее состояние. Ведь если рассмотреть случай, когда система только запускается, и все помещения ещё холодные, то на рисунке 4 можно увидеть, что для нагрева помещений в самом начале работы системы будет затрачиваться куда больше тепла, чем в момент, когда эти помещения уже будут прогреты, и необходимо только поддерживать заданную температуру. Соответственно, теплоноситель, возвращающийся обратно в котел при запуске непрогретой системы, имеет гораздо меньшую температуру. Именно в этот момент котельное оборудование наиболее подвержено опасности. Из-за большого перепада температур в обратном трубопроводе и камере сжигания на поверхности теплообменного аппарата конденсируется влага, которая, в свою очередь, имеет прямой доступ к продуктам сгорания газа.

  - CO₂+ H₂O (жидкость)    ↔ H₂CO₃


Именно этот конденсат, выступивший на стенках теплоообменника, при взаимодействии с СО₂, образует Н₂СО₃, известную как угольная кислота.
Кроме того, если обратить внимание на другие продукты сгорания, то можно увидеть образование следующих веществ:

  - SO₂+ H₂O (жидкость) ↔ H₂SO₃ (сернистая кислота)

А при высоких температурах, которые обеспечивает горелка газового котла, возможна следующая реакция:

  - 2SO₂+O₂ → 2SO₃
  - SO₃+H₂O ↔ H₂SO₄ (серная кислота)

Таким образом, из безвредного конденсата, выступающего на пластинах теплообменника, получаются достаточно едкие (хотя и не сильно концентрированные) кислоты, разъедающие элементы котла, приводя его в полную негодность. Всё вышеописанное также справедливо и для твердотопливных котлов, поскольку при сгорании древесины (в разном процентном отношении, в зависимости от её типа) выделяются всё те же окись углерода (CO₂), пары воды (H₂O), сернистый газ (SO₂) и азот (N₂). Соответственно, все химические реакции в камере твердотельного котла будут происходить схожим образом.
Следует отметить, что для чугунных теплообменников, часто используемых в твердотопливных котлах, также актуальна и другая проблема: из-за большого перепада температур на подаче-обратке тело чугунного теплообменника из-за свойств материала (высокая теплопроводность, но низкая пластичность) может просто растрескаться, приведя всё котельное оборудование в полную негодность.

Существует изрядное количество способов для защиты котельного оборудования от значительного перепада температур. Одним из 
самых простых является установка трехходового клапана.
Задача и принцип его работы заключается в том, чтобы удержать температуру теплоносителя в требуемых пределах на момент запуска системы путем подмеса более горячей воды к более холодной. Количество подмешиваемого теплоносителя определяется степенью открытия клапана. Регулировать подъем штока, благодаря которому осуществляется открытие/закрытие клапана, возможно как вручную, так и при помощи термоголовок либо сервоприводов в зависимости от требований системы.
Ассортимент термостатических трехходовых клапанов VALTEC обозначен серией MR, в которую входит три клапана, отличающихся конструктивно и технически.
Чтобы разобраться в принципе их работы, рассмотрим схемы с применением данных клапанов, как на рисунке 6.


Технически клапан MR01 имеет нерегулируемый байпас, т.е. часть теплоносителя, даже при поднятом положении штока (термоголовка или сервопривод ещё не отработали на заданную температуру), будет циркулировать через всю систему и подмешивать часть холодного теплоносителя, пришедшего из вторичного контура. Однако можно заметить, что установка данного клапана позволила уменьшить перепад температур на входе/выходе из котла с 60°С до 40°С. Как было указано выше — чем меньше значение перепада температур, тем меньше конденсата будет появляться на стенках теплообменника. Тем не менее, значение в 40°С всё ещё велико, и для его уменьшения рассмотрим следующую схему (рис. 7):

Клапан VT.MR02 выполнен таким образом, что весь теплоноситель будет циркулировать по малому контуру.


Таким образом, теплоноситель, поступающий из котла, приходит обратно в котёл, защищая теплообменник как от большого перепада температур, так и от его следствия — конденсата. В данном случае поставленная нами задача — избавление от конденсата — уже решена. Но, как и во многих других схемах, в данной — нет предела совершенству. Для регулирования движения потоков теплоносителя в данной схеме нет другого варианта, кроме как делать это вручную. Но каждый раз ходить к котлу и перенастраивать клапан на ту или иную позицию совсем неудобно, да и всегда есть вероятность про это забыть. Поэтому клапаны также снабжены возможностью подключения арматуры, избавляющей нас от этой обязанности.


В данной схеме был использован клапан VT.MR03, имеющий регулируемый байпас, что не дает теплоносителю поступать из вторичной системы до тех пор, пока клапан находится в открытом положении. Для того, чтобы регулировать температуру поступающего теплоносителя и автоматически производить открытие/закрытие клапана, когда эта температура будет изменяться, на клапан VT.MR03 была установлена термоголовка с выносным датчиком VT.5012. При помощи этого датчика на термоголовку будет поступать информация о температуре теплоносителя, приходящего в обратный трубопровод первичного контура, и по достижению заданного значения (60°С — рабочее значение температуры обратного теплоносителя) клапан будет закрываться и пускать теплоноситель во вторичный контур непосредственно к отопительным приборам.
Таким образом, в момент запуска системы трехходовой клапан пустит весь теплоноситель на прогрев котельного оборудования для избегания завышенного значения перепада температур, что может повлиять на работоспособность оборудования. Когда же котельный контур прогреется до рабочих температур, трехходовой клапан автоматически переключится на снабжение остальной системы отопления.


Кроме того, для больших котельных установок, у которых расход теплоносителя превышает значение 10 м?/ч, в ассортименте VALTEC есть клапаны серии VT.MIX. Назначение данного клапана схоже с серией MR — смешение или разделение потоков. Клапаном серии MIX можно управлять как вручную при помощи ручки, установленной на клапане, так и с помощью сервоприводов (рекомендуемая модель VT.M106).

В заключение хочется отметить, что не всегда увеличение количества элементов в системах ведет к их надежности. Однако существуют технические решения, позволяющие существенно повысить рабочий ресурс оборудования и сделать ещё один шаг к комфорту и надежности систем отопления, подающих тепло в наши дома.


Опубликовано в журнале "Вестник арматуростроителя" № 3 (38)