Читай!
Котёл нового поколения на основе погружного нагрева воды

Котёл нового поколения на основе погружного нагрева воды

Проект котла погружного нагрева (КПН )принят в Агентстве “Новатор” при мэре Москвы на конкурс лучших инноваций года в номинации “Энергетика в меняющейся реальности”. В проекте представлено сравнение описанного в настоящей статье КПН мощностью 1 МВт с германским конденсационным котлом. Результаты сравнения ошеломили экспертов: по стоимости, эффективности и надёжности этот котёл значительно превосходит германский. Следовательно, Москва располагает большим потенциалом в расширении импортозамещающей политики в сфере передовой энергетики.

Автор/Авторы:
Доктор технических наук В.И. ГУРОВ (ГНЦ РФ ЦИАМ), кандидат физ.-мат. наук В.В. КУРНОСОВ (ООО “Комас”), доктор технических наук А.И. ЛАНШИН (ГНЦ РФ ЦИАМ), И.А. РЯБОВ (ГНЦ РФ ЦИАМ)

Проект котла погружного нагрева (КПН) принят в Агентстве “Новатор” при мэре Москвы на конкурс лучших инноваций года в номинации “Энергетика в меняющейся реальности”. В проекте представлено сравнение описанного в настоящей статье КПН мощностью 1 МВт с германским конденсационным котлом. Результаты сравнения ошеломили экспертов: по стоимости, эффективности и надёжности этот котёл значительно превосходит германский. Следовательно, Москва располагает большим потенциалом в расширении импортозамещающей политики в сфере передовой энергетики.

В настоящее время стала актуальной проблема распространения рассредоточенной энергетики, в том числе теплоэнергетики[1].

Актуальность проблемы рассредоточения теплоэнергетики городов. Во всех странах мира возрастает внимание к повышению энергетической эффективности теплоснабжения. Россия – самая холодная страна мира. Затраты энергии на обогрев зданий и сооружений в России в 1.5–3 раза больше, чем в Западной Европе. Поэтому для нашей страны сбережение тепла особенно важно.

Широко применяемое в настоящее время снабжение теплом зданий от централизованных тепловых станций обладает рядом недостатков. Главный из них - огромные потери тепла из-за большой протяжённости теплотрасс (в Москве до 25 км) и их сильной изношенности. Потери тепла порой составляют 40% от исходного. Кроме того, система теплотрасс требует постоянного и дорогостоящего обслуживания.

Разумная альтернатива централизованной теплосети – локальное использование установок непосредственно вблизи потребителей тепла, выполненных по передовым технологиям. Но подавляющее большинство действующих локальных котельных установок имеет низкий КПД (иногда ниже 50%), что связано с высокой температурой отходящих газов (tвых ³ 130 °С) и устаревшими системами горелочных устройств (см. сноску 1).

В середине 90-х гг. прошлого века в АО “Теплопроект” разработан, создан и эксплуатировался водогрейный котёл погружного нагрева (КПН) воды мощностью 800 кВт для обогрева помещений площадью более 5000 м2. Результаты трёхгодичной успешной опытно-промышленной эксплуатации этого КПН в ООО “Комас” (г. Апрелевка, Московской обл.) подтвердили надёжность его работы с КПД 97% при температуре выхлопных газов около 50 °С[2] без падения параметра кислотности рН оборотной воды ниже значения 7. Вместе с тем, содержание оксидов азота и окислов углерода в выхлопных газах этого КПН находилось на уровне, не отвечающем современным требованиям. Сотрудничество специалистов ГНЦ РФ ЦИАМ и ООО “Комас” на протяжении почти 25 лет позволило существенно улучшить экологические показатели КПН, получить и защитить, начиная с патента на изобретение[3], совместные результаты интеллектуальной деятельности, реализованные в различных демонстраторах мощностью 50 кВт и опытном образце мощностью 100 кВт. Принцип работы котла[4] (см. также сноску 3) поясняется схемой на рис. 1.

Котёл нового поколения на основе погружного нагрева воды
Рис. 1. Схема котла погружного нагрева воды.

В камерах сгорания 4 сжигается топливовоздушная смесь, получающаяся от смешения в горелках 14 воздуха повышенного давления из магистрали 10 и топлива из магистрали 8. Горячие продукты сгорания под избыточным давлением пронизывают слой воды в баке 1 и разбиваются на газовые пузырьки, образующие при всплытии межфазную поверхность теплообмена. При непосредственном контакте продуктов сгорания с водой процессы теплообмена протекают с заметным уменьшением тепловых потерь по сравнению со схемами, в которых использованы обычные теплообменные аппараты. Выхлопные газы выходят в атмосферу через отверстие отвода 7 в крышке 3. Следует подчеркнуть, что оборотная вода поступает после системы обогрева в центральную 15 и кольцевую 16 полости. Из полостей 15 и 16 через разбрызгивающие отверстия 17 вода возвращается в основную ёмкость бака 1, охлаждая образовавшиеся в камерах 4 продукты сгорания, которые всплывают после прохождения основной толщи воды в баке.

Итоговый анализ показывает, что локальные котельные установки с использованием КПН имеют следующие основные преимущества по сравнению с централизованными тепловыми станциями и традиционными котлами локального применения:

- в результате полного устранения потерь тепла в теплотрассах общие потери тепла на обогрев зданий сокращаются до 40%;

- из-за падения температуры выхлопных газов котла погружного нагрева на 12–17 градусов относительно температуры воды в основном объёме котла его КПД достигает 97–98%;

- благодаря существенному снижению содержания вредных веществ в выхлопных газах заметно улучшаются экологические показатели окружающей среды;

- поскольку в КПН нет теплообменника, его надёжность увеличивается, а стоимость заметно уменьшается;

- используемая в КПН вода не требует предварительной химической подготовки;

- водяные пары практически отсутствуют в выхлопных газах.

Локальные котельные установки с применением КПН могут найти применение при строительстве новых зданий и сооружений. Экономическая и экологическая эффективность предложенного технического решения – особенно при мощности КПН больше 1000 кВт – настолько велика и очевидна, что в ближайшей перспективе неизбежно встанет вопрос о модернизации действующих систем теплоснабжения в городах, имеющих централизованные тепловые станции или локальные установки с типовыми котлами со встроенными теплообменниками.

Результаты испытаний котлов погружного нагрева воды при работе на различных газах. Успешные результаты сотрудничества специалистов ООО “Комас” и ЦИАМ (см. сноску 2) были доложены и высоко оценены на совещании, организованном 29.06.2017 г. экологической комиссией Мосгордумы и руководством Префектуры ЮВАО Москвы. Совещание проводилось в рамках Совета директоров предприятий округа. Итог этого совещания дал основание генеральному директору ЦИАМ широко развернуть за счёт средств Фонда перспективных научных исследований института научно-технические разработки по совершенствованию КПН, изготовлению двух демонстраторов и опытного образца с проведением их испытаний.

За 2.5 года успешных экспериментально-теоретических исследований обоснованы рекомендации по созданию опережающего задела для решения проблемы развития рассредоточенной теплоэнергетики. Ход выполнения работ, посвящённых изучению свойств и показателей котлов погружного нагрева воды, частично отражён в труде[5], некоторые положения которого попробуем кратко осветить.

В частности, недостаток демонстратора КПН мощностью 50 кВт, выполненного по схеме рис. 1, как показали его пробные испытания, заключался в большом количестве горелок (90 экз.), расположенных по периметру цилиндрической ёмкости КПН. Это приводило к уменьшению надёжности работы котла КПН. Важным этапом совершенствования КПН стал переход с цилиндрической формы с множеством горелок по периферии ёмкости на прямоугольную форму с использованием одной камеры сгорания, что закреплено патентом на изобретение[6]. Техническое решение, представленное в патенте, – основополагающее решение, так как оно раскрывает в максимально полном объёме суть котла погружного нагрева через способ нагрева воды продуктами сгорания без использования теплообменника. Очевидно, что предложенный способ может быть реализован во множестве различных устройств, в частности, нацеленных на дальнейшее совершенствование КПН[7]. Вместе с тем очевидно, что патент (сноска 6) – в силу своего основополагающего значения – имеет особую коммерческую привлекательность. Отметим, что в 2013 г. интерес к разработкам КПН проявили исследователи из Украинского государственного химико-технологического университета (кафедра энергетики)[8].

Продолжение читайте в «Энергия: экономика, техника, экология» 7/2020.


[1] Фаворский О.Н. Газотурбинные установки в энергетике – важнейший путь экономии топливно-энергетических ресурсов России // Двигатель. 2011. № 3.

[2] Гуров В.И., Курносов В.В., Шестаков К.Н. Эффективное теплоснабжение зданий на основе

погружного горения топлива // Конверсия в машиностроении. 2001 № 5.


[3] Гуров В.И., Иванов П.С., Курносов В.В., Азаров Н.В. Водонагревательное устройство. Патент РФ № 2469244 с приоритетом от 08.06.2011.

[4] Гуров В.И., Иванов П.С., Курносов В.В. Теплоснабжение зданий на основе котла с погружным нагревом воды // Энергия: экономика, техника, экология. 2012. № 5.

[5] Гуров В.И., Курносов В.В., Ланшин А.И., Свердлов Е.Д., Скибин Д.А. Исследование погружного нагрева воды в обеспечение создания опытно-промышленных образцов водонагревательных устройств нового поколения : Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 3.

[6]Гордин М.В., Гуров В.И., Курносов В.В. Водонагревательное устройство и способ его работы. Патент РФ № 2659711 с приоритетом от 13.10.2017.

[7] Гуров В.И., Курносов В.В. Водонагревательное устройство. Патент РФ на полезную модель № 166945 с приоритетом от 04 марта 2016;   Гуров В.И., Курносов В.В. Контактный водонагреватель. Патент РФ на изобретение № 2680458 с приоритетом от 23 марта 2018.

[8] Никольский В.Е. Разработка и исследование отопительной контактно-модульной системы с применением аппаратов погружного горения // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2015 № 4.