Особенности теплообменников конденсационных устройств
Практически каждый газовый котёл теоретически можно сделать конденсационным с помощью его дооборудования конденс/теплообменником и обеспечения преодоления дополнительного аэродинамического сопротивления выводу продуктов сгорания.
Действующие теплогенераторные установки, как правило, это были напольные агрегаты из чугуна, оснащались пластинчатыми конденсационными модулями, изготовленными из коррозионностойких сталей.
В начале развития конденсационных технологий производство агрегатов этого типа шло именно по такому пути. Действующие теплогенераторные установки, как правило, это были напольные агрегаты из чугуна, оснащались пластинчатыми конденсационными модулями, изготовленными из коррозионностойких сталей.
Сравнительно недавно стали создаваться унифицированные отопительные газовые установки, изначально предназначенные для работы в конденсационном режиме. Теплообменники таких агрегатов должны:
- обеспечивать интенсивный и эффективный съём энергии конденсации пара;
- быть стойкими к воздействию конденсата, провоцирующего коррозионные процессы.
Определение! Конденсат газовых котлов представляет собой смесь угольной, азотной, серной кислот низкой концентрации.
Конденсационный котёл газовый изготавливается с одним или двумя теплообменниками:
- В первом случае, это – двойной теплообменник с разветвлённой теплообменной поверхностью, изготавливается из нержавеющих сталей.
- Во втором случае высокотемпературный теплообменник выполнен из алюминиево-кремниевых сплавов, меди, нержавеющей стали. Как правило такой теплообменник изготавливают из нержавеющей стали.
Внимание! В настенных высокотемпературных теплообменников чугун не используют из-за его значительной массы
Факторы, влияющие на выбор устройства
Выбор той или иной модели во многом обуславливается личными предпочтениями и финансовыми возможностями покупателя. Эффективность дальнейшей работы котла зависит от характеристик приглянувшейся модели, параметров помещений, которые требуется отапливать, а также иных существующих условий эксплуатации.
При выборе котла важен учет следующих характеристик:
- показатели мощности и расхода газа;
- возможность подключения дополнительного водяного контура;
- набор функций управления;
- вариант монтажа;
- цена.
Мощность и расход газа
Для подбора оптимальной мощности учитывается площадь и высота потолков отапливаемых помещений, а также показатели их теплоизоляции в совокупности с уровнем естественных тепловых потерь.
Рекомендуемая мощность зависит от климатических условий — для средней полосы это 1—1,5 кВт на 10 м2площади. Расход топлива при этом напрямую зависит от мощности котла.
Количество подключаемых контуров
Возможность подключения дополнительного водяного контура позволит, кроме обогрева, обеспечить горячее водоснабжение либо функционирование системы «теплых полов».
Набор функций
Все современные модели конденсационных котлов автоматизированы в большей или меньшей степени. При этом более дорогие агрегаты имеют дополнительные функции: автоматическую регулировку температуры в зависимости от времени суток, возможность дистанционного управления с телефона, реагирование на присутствие жильцов и т. д.
Варианты монтажа: одноконтурные и двухконтурные
В продаже имеются как напольные, так и настенные конденсационные котлы. Напольные конструкции лучше всего подходят для использования в больших помещениях. Большинство напольных моделей имеют возможность подключения только одного контура и обладают большей мощностью (превышающей 100 кВт) по сравнению с настенными приборами.
Напольные котлы имеют хорошую совместимость с другими отопительными агрегатами — подключение осуществляется циркуляционными насосами.
Настенные модели бывают двухконтурными. Они более компактны и подходят для установки в небольших помещениях, легко монтируются и не требуют обустройства полноценной системы дымоотведения — отводящая труба выводится на улицу через стену.
Стоимость
Имеющиеся в продаже модели котлов делятся на три условные категории в зависимости от цены:
- Экономкласс. Самые дешевые котлы — минимум в два раза дешевле по сравнению с агрегатами премиум класса. Низкая цена обуславливает минимальный набор функций. При этом модели наиболее адаптированы к российским условиям.
- Средний класс. В большинстве случаев — оптимальный выбор. Котлы отличаются хорошими рабочими показателями, качеством исполнения, а также доступностью запчастей.
- Премиум-класс. Оборудование обладает лучшими характеристиками, максимальным набором функций, высокой эргономичностью и безопасностью, отвечает мировым экологическим стандартам. Цена на такие котлы самая высокая.
Совет. При выборе конденсационного котла, кроме личных предпочтений, эксперты также рекомендуют учитывать доступность запасных частей и возможность быстрого ремонта приглянувшейся модели.
Принцип работы
Конденсационный котел работает таким образом, что первый теплообменник подогревается при сжигании горючего, а второй отбирает тепло у сгоревших газов. Стенки вторичного аппарата концентрируют пар. Но чтобы конденсатный процесс не вызывал коррозии, производители применяют отличные сплавы. Они отбираются по принципу химической стойкости.
Чтобы вторичный контур отопления собирал максимум тепла, используют такие решения, как:
- прикрепление дополнительных спиралей;
- применение внутренних частей разнообразного сечения;
- монтаж конденсирующего теплообменника на возвратном ходу нагревательной системы.
Газовые конденсационные котлы с бойлером позволяют решить проблему горячего водоснабжения даже при использовании отопительных систем, имеющих одноконтурный профиль.
Есть три основных варианта:
- встраивание бойлера в сам котел;
- добавление внешних резервуаров;
- применение бойлеров, работающих по схеме косвенного обогрева.
По статистике встраиваемый бойлер вместимостью 50 л позволяет закрыть потребности семьи из 3 или 4 человека в горячем водоснабжении на 100% без всяких затруднений. Следует учитывать, что наличие резервуара сужает выбор потребителя, нельзя вешать на стену, даже самую крепкую, конструкции объемом свыше 100 л. Бывает так, что котел изначально не оснащен бойлером — или даже оснащен, но работа его недостаточно эффективна. Решением проблемы оказывается монтаж выносных резервуаров. Совместимость с ними обеспечена практически у всех настенных газовых аппаратов.
Патрубки и насосы, обеспечивающие циркуляцию, в такой системе должны быть предназначены отдельно для отопления и для горячего водоснабжения. Общая емкость резервуара подбирается сообразно мощности котлов. Если она недостаточно велика, прогрев жидкости займет очень много времени или вовсе не выйдет на необходимую величину. Стандартный подход при заводской настройке автоматики котлов подразумевает первенство отопительного вектора. Как только теплоноситель охлаждается чрезмерно, датчик обнаруживает это и запускает подогревающий блок.
Чтобы горячая вода все время оставалась на одном и том же уровне температуры, котлы с бойлером оснащаются внутренним ТЭНом. Контроллер зависит от электрического питания и направляется автоматикой самого котла. Довольно интересный вопрос — получится ли применить бойлеры для обогрева.
Теоретически это возможно, однако есть целый ряд подводных камней.
- Большинство накопителей оснащается нагревателями всего на 1500 Вт. Этого хватит на прогрев 10 кв. м, но только при солидном утеплении и не слишком сильных ветрах, морозах.
- ТЭН, работая постоянно, значительно увеличит общее потребление электроэнергии.
- Протолкнуть воду по системе можно при помощи стандартной обвязки, но она не способна компенсировать слабость центрального звена.
Следует заметить, что конденсационные котлы бывают не только газовыми, но и дизельными; подобные конструкции выпускают даже многие именитые производители. Обещанный КПД несколько ниже, чем у работающих на газе аппаратов, однако и 98% – это чрезвычайно хороший показатель. Viessmann Vitorondens 222-F и 200-T — яркие примеры таких систем. Теплообменник производится из нержавеющих марок стали. В системах используется горелка универсального типа, способная применять какой угодно вид жидкого горючего.
Малый выброс вредных веществ обусловлен подготовкой смеси топлива и воздуха в идеальных пропорциях. Разработчики сумели оснастить эти аппараты комфортным управляющим блоком и сенсорным оборудованием. Источники тепла могут быть даже встроены в совершенно отлаженную отопительную систему. Современные конденсационные котлы оборудуются почти всегда особыми кожухами, которые дополнительно понижают шум. Их можно использовать благодаря этому даже в непосредственной близости от жилого пространства.
Теплообменники котлов HORTEK
Принципиальным решением для всех перечисленных котлов является использование теплообменников только из кислотоустойчивой нержавеющий стали AISI 316. С точки зрения конструктива все теплообменники представляют собой набор гладких трубок, сообщающихся через коллекторы. Данное решение позволило обеспечить высокую устойчивость к загрязнениям как по стороне теплоносителя так и по стороне дымовых газов. Кроме того, распределение потоков в теплообменнике рассчитано на высокие скорости теплоносителя, что дополнительно повышает устойчивость к засорению. Благодаря данным факторам эффективность котлов с такими теплообменниками остается на постоянном уровне на протяжении всего срока службы.
Образование конденсата
Полученный конденсат уже не является чистой H20, а представляет собой смесь из различных неорганических кислот с относительно невысокой концентрацией. Однако из-за постоянного повышения температуры внутренних узлов его относят к агрессивным составам. Чтобы предотвратить развитие деформации из-за воздействия конденсатов, конструкции котлов изготовляют из кислотостойких материалов. В их качестве может использоваться:
- нержавеющая сталь;
- симулин (алюминиево-кремниевый сплав).
Конденсация пара должна происходить только во вторичном теплообменнике. Если она пойдет дальше, в дымоход, это снизит тепловой потенциал установки, а также негативно повлияет на материал трубы. Из-за этого для производства дымоходов тоже принято использовать нержавейку или пластик, а отдельные горизонтальные узлы помещают под небольшим углом, чтобы конденсат сливался обратно в котел, а не выходил наружу
Важно понимать, что газы, которые выходят из конденсатника, остужены до невероятно низких температур, а все, что не перешло в состояние конденсации в котле, начнет конденсироваться непосредственно в дымоходе
В разную пору года и суток от котловой установки требуется определенный объем тепла, который регулируется горелкой. Этот элемент может быть как модулируемый, поддерживающий плавное изменение мощности, так и немоделируемый, у которого показатели мощности фиксированы в определенном диапазоне. Последний вариант подразумевает регулировку частоты включения горелки исходя из предпочтений хозяина. Однако в современных котлах для жилых помещений задействуются моделируемые горелки.
Получив общее представление об кондиционных котлах отопления, принципе их действия, а также типах горелок, можно более серьезно подходить к вопросу приобретения системы и последующего монтажа. Но в большинстве случаев базовой информации не хватает, чтобы убедиться, что предстоящий выбор оправдает себя. Поэтому многие люди желают подробно изучить основные преимущества и недостатки конденсационных котлов.
Какой вид топлива используют
Коаксиальный дымоход (нажмите для увеличения)
Производимые котлы являются устройствами для сжигания природного и сжиженного газа.
При сжигании природного газа образуется в 2 раза больше водяных паров, чем при сжигании мазута (чем больше пара, тем больше тепла может быть получено путем конденсации).
Эффективность такого котла может достигать 109%, что выше, чем в котле на жидком топливе, эффективность которого составляет максимум 104%.
Пар, который получается при сжигании мазута, содержит соединения серы, поэтому теплообменник такого котла должен быть более устойчив к коррозии и, следовательно, будет очень дорогим. Поэтому делать ставку на конденсационные котлы на жидком топливе пока не выгодно.
На данный момент идеальным выбором является настенный газовый одноконтурный или двухконтурный конденсационный котел, который имеет закрытую камеру сгорания. Это значит, что кислород, обеспечивающий горение, не берется из комнаты, в которой находится котел, а попадает в него снаружи по коаксиальной трубе.
Возможно, Вас заинтересует статья о котлах Protherm .
Обзор котлов марки Siberia Вы можете прочитать в этой статье .
Весь процесс сгорания изолирован от помещения, это означает, что выхлопные газы не попадают в комнату. Этим повышается безопасность эксплуатации котла. Благодаря такой камере котел может быть установлен не только в котельной, но и в любой комнате — кухне, ванной комнате, прихожей, коридоре и др.
С закрытой камерой связана и другая экономия — нет нужды строить традиционный дымоход и делать его ежегодный осмотр. В котле для этого предусмотрена небольшая коаксиальная труба, которая горизонтально или вертикально проходит сквозь наружную стену или перекрытие. Через нее свежий воздух попадает в котел, обеспечивая процесс горения, а выхлопные газы удаляются наружу.
Принцип работы конденсационных котлов
Теперь перейдем к рассмотрению использования тепловой энергии, образующейся при горении топлива. Цепочку преобразований энергии в котле условно можно выразить в следующем виде:
Горение ? Выход энергии ? Использование энергии
? На первом этапе получаемое тепло можно разделить на три части:
- Излучение;
- Нагрев продуктов сгорания;
- Испарение воды, находящейся в продуктах сгорания.
? На втором этапе, соответственно:
- Нагрев теплоносителя;
- Потери через корпус котла;
- Потери с уходящими газами.
Главная цель котлового агрегата — обеспечить максимальное получение тепла на первом этапе (качество горения) и передачу его теплоносителю (сокращение потерь).
Основная идея «конденсационные котлы принцип работы» в том, что теплота, расходующаяся на испарение воды на первом этапе, с точки зрения дальнейшего использования, принципиально отличается от излучения и нагрева продуктов сгорания. Дело в том, что нагрев теплоносителя с помощью излучения или контакта с разогретыми газами происходит в любом случае, пусть и с разной эффективностью. В то же время, чтобы использовать энергию, заключенную в водяном паре, необходимо обеспечить условия, при которых произойдет фазовый переход: переход из пара в жидкость (конденсат). Происходит это при охлаждении пара до так называемой точки росы, которая для метана при нормальных условиях примерно равна 55 °C.
В силу того, что в продуктах сгорания содержится определенное количество оксидов азота и серы, при выпадении конденсата они вступают в реакцию с образованием соответствующих кислот. Кроме того, при определенных условиях, может образоваться угольная кислота как продукт реакции углекислого газа и воды. Но данная кислота достаточно неустойчива и в атмосфере быстро распадается.
Соответственно, используются два термина для энергии, получаемой при горении:
- Высшая теплота сгорания (Qs) — полная тепловая энергия.
- Низшая теплота сгорания (Qi) — полная тепловая энергия за вычетом энергии заключенной в водяном паре.
Эффективность конденсационного котла
В соответствии с описанным выше вводится понятие КПД — коэффициента полезного действия котла как отношения тепла, переданного теплоносителю, к теплоте сгорания топлива. При чем обычно, если не указано обратного, используется именно низшая теплота сгорания, то есть без учета энергии конденсации пара.
Вообще говоря, любой котел можно поставить в условия, когда он начнет работать в конденсационном режиме — достаточно, чтобы температура теплоносителя была ниже определенной величины. Но оборудование, не предназначенное для такой работы крайне чувствительно к кислотному составу конденсата и быстро выходит из строя. Поэтому в документации к неконденсационным котлам обычно приводится ограничение температуры обратного теплоносителя “не ниже 60 °C”. Исключение составляют чугунные котлы некоторых производителей, где за счет толщины металла даже при низких температурах теплоносителя дымовые газы не остывают до точки росы. Впрочем, данных фактор сильно сказывается на эффективности таких котлов.
Для повышения коэффициента полезного действия нужно предпринимать действия в нескольких связанных направлениях:
- Повышение качества горения.
- Снижение тепловых потерь с уходящими газами.
- Повышение количества тепла, передаваемого теплоносителю.
- Снижение тепловых потерь через корпус котла.
Мероприятия, связанные с последним пунктом достаточно очевидны — тепловая изоляция корпуса и отдельных элементов, так что отдельно мы его рассматривать не будем.
В решении задач, связанных с первым и вторым пунктами большую роль играет конструкция горелочных устройств.
За повышение количества передаваемого теплоносителю тепла отвечает, в первую очередь, конструктив теплообменника котла.
Теперь рассмотрим основные конструктивные особенности котлов, позволяющие им работать в режимах с выпадением конденсата и направленные на повышение эффективности.
Конденсационный котел — принцип работы, плюсы и минусы
Для отопления частного дома существует большое разнообразие котлов, которые способны работать на газу, дровах, опилках, пеллетах, жидком топливе или электричестве. При выборе вида топлива, на котором будет работать отопительный прибор, основополагающее решение исходит из стоимости и доступности того или иного энергоносителя. Наиболее распространённый, ввиду своей низкой стоимости, является природный газ. Почему же тогда конденсационный котел получил такое высокое распространение на европейском рынке? В связи с ежегодным ростом цен на этот вид топлива, инженеры в сфере отопления разработали новый вид котла, который отличается полнотой использования энергии топлива.
Газовые конденсационные котлы в отличие от конвекционных (традиционных), используют высшую теплоту сгорания благодаря рекуперации остатков энергоносителя.
Принцип работы конденсационного котла
На первых шагах, процесс очень схож с работой обычного конвекционного котла.
При сгорании жидкого или газообразного топлива образуется углекислый газ и водяной пар. Пар конденсируется в задние, более прохладные части теплообменника, т.к. он теплее его поверхности.
В процессе образования конденсата выделяется тепло, это тепло конденсации снова подается в отопительный контур и используется для нагрева охлажденной воды в обратной линии трубопровода. Таким образом, горелке уже подается предварительно нагретая вода из системы отопления. Поэтому в итоге для нагрева того же объема, необходимо затратить меньше энергии.
На последнем этапе используется еще остаточное тепло отходящих дымовых газов. Через трубу подачи воздуха расположенную в дымовой трубе, поступающий свежий воздух необходимый для работы горелки нагревается, за счёт тепла отходящего газа. Таким образом, в горелку поступает уже теплый воздух, что обеспечивает дополнительную экономию.
Наглядный принцип работы конденсационного котла
Плюсы и минусы конденсационных отопительных приборов
Конденсационный котел имеет значительно больше преимуществ перед традиционными, что объясняет более высокую стоимость. В прочем, более высокая цена в ближайшем будущем будет компенсирована в виде более низкого расхода газа.
Преимущества конденсационного котла
- Высокий КПД Зачастую коэффициент полезного действия в котлах превышает привычные 100%, добавочные проценты получаются из-за охлаждения дымовых газов и конденсированнии пара во второй части теплообменника. Благодаря этому, происходит значительная экономия расхода энергоносителя достигающая 35%.
- Тихая работа Котлы имеют очень низкий показатель уровня шума, благодаря чему повышается уровень комфора.
- Экологичность Если сравнивать с конвекционными котлами, то вредных выбросов становится меньше на 80%.
Недостатки конденсационного котла
- Высокая стоимость Цена будет выше на 30-50%, относительно традиционных котлов.
- Утилизации конденсата Необходимость утилизации конденсата не совсем является недостатком, т.к. для котлов мощностью менее 28 кВт возможно сливать в канализацию.
- Потеря КПД в высокотемпературных системах В высокотемпературных режимах, где температура подачи и обратки составляет 80/60 °C, показатели КПД упадут до 98-99%.
В среднем, котел на 25 кВт в день вырабатывает 70 литров конденсата
Сравнение конденсационных котлов
Модели котлов находятся в одном ценовом сегменте.
Условия подбора:
- Мощность: 24-25 кВт
- КПД: более 100%
- Одноконтурный
- Цена: до 50000 рублей
Учитывая данные параметры, нашлось две модели, полностью удовлетворяющие установленные параметры.
| Газовый котел Baxi Duo-tec Compact 1.24 | Газовый котел Protherm Рысь К 25 MKO | |
| Стоимость, сентябрь 2017 | 44590 | 49585 |
Максимальная тепловая мощность, кВт | 24 | 25 |
Минимальная тепловая мощность, кВт | 3.4* | 6 |
| КПД, % | 105.7 | 108.5** |
Материал теплообменника | нержавеющая сталь | алюминиево-кремниевый сплав |
Расход природного газа | 2.61 м³/час | 3.2 м³/час |
*По отзывам, в модели Baxi минимальная тепловая мощность занижена, на деле она составляет 4.7 кВт.
**Относительно модели Protherm, то в таблице указан показатель при режиме частотной нагрузки (примерно 30%) и температуре 40/30 °С. При работе в полном низкотемпературном режиме 50-30°С КПД составит 104%. Кроме всего прочего, уровень шума у турбины значительно выше, чем у Baxi.
Так как модель от Protherm совсем недавно на российском рынке, то отзывов совсем немного, но если учесть отзывы о конвекционных котлов этого же бренда, можно полагать, что качество на высоком уровне.
Процесс горения
Рассмотрение принципа работы конденсационных котлов имеет смысл начать с того, за счет чего вообще происходит нагрев теплоносителя в данном оборудовании — горения топлива. Основные химические элементы, участвующие в процессе горения любого углеводородного топлива:
- Углерод (С), водород (H2), сера (S) — содержатся в топливе. Содержание серы может быть достаточно высоким в дизельном или твердом топливе (дрова, уголь). Для природного газа максимальное содержание сероводорода согласно нормам составляет 20 мг/м3, фактическое обычно гораздо меньше.
- Кислород (О2), азот (N2) — содержатся в воздухе. Так же в воздухе присутствуют другие газы, но они либо инертны, либо их процентное содержание крайне мало.
Далее будем рассматривать горение на примере простейшего углеводорода — метана (CH4). Строго говоря, данная реакция представляет собой достаточно сложную цепочку с образованием промежуточных соединений, мы приведем итоговую формулу:
CH4+2O2 ? CO2+2H2O+Q
Реакция проходит с выделением энергии и образованием углекислого газа и воды. Важным моментом здесь является то, что при недостатке кислорода в реагирующей смеси, помимо углекислого газа образуется так же угарный (СО), который даже в сравнительно малых концентрациях опасен для человека. Кроме того, при этом снижается количество получаемой энергии. Для предотвращения данного эффекта существуют определенные особенности в конструкции элементов котла, которые мы обсудим в последующем.
Другой важной группой реакций при горении метана в воздухе является окисление азота и серы:
N2+O2 = { NO | NO2 | N2O }
S+O2 = { SO2 | SO3 }
Оксиды азота NO и NO2 обычно обозначают общим наименованием NOx. При реакции с водой они образуют азотную (HNO3) и азотистую (HNO2) кислоты. При выбросе в атмосферу последние становятся одним из основных компонентов кислотных дождей. Закись азота N2O кислот не образует, но участвует в разрушении озонового слоя. Естественно, что в конструкции современных котлов предпринимаются меры для снижения данных выбросов. Мы рассмотрим эти меры при обсуждении отдельных компонентов оборудования.
Оксиды серы при реакции с водой образуют серную кислоту. Но их содержание в продуктах сгорания крайне мало, поэтому как фактор загрязнения среды они не рассматриваются. Но они могут оказывать сильное воздействие на элементы конденсационного котла.
