Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

0
61

Газовое отопление, несмотря на все аргументы скептиков, еще очень долго будет лидировать среди всех остальных. И это происходит не только благодаря цене на этот вид топлива. Очень большое значение имеет и удобство пользования им, и возможность реализации полной автоматизации. Конечно, инженерная наука всегда старалась «выжать» из сгорающего газа максимум энергии и, надо отметить, что это ей во многом удалось. Коэффициент полезного действия (КПД) современных газовых котлов давно переступил рубеж в 90% и на этом специалисты не намерены останавливаться. Несмотря на то, что в России газ является одним из самых дешевых в мире, всем потребителям голубого топлива уже пора задумываться об экономии и энергоэффективном отоплении, как об этом стали уже давно думать в странах с далеко не слаборазвитой экономикой. Именно поэтому тему нашей статьи – «Конденсационные котлы для отопления: выбор, монтаж и обслуживание», — мы считаем актуальной и жизненной. И пусть скептики говорят, что экономить копейки — это глупо, более прагматичные люди скажут, что копейки за какой-то период превращаются в рубли, а затем в сотни и тысячи их. Поэтому мы предлагаем как минимум прочитать статью, а уже потом принимать какое-то решение. Мы предлагаем вместе с читателями разобраться с этой очень интересной темой – конденсационные котлы.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Конденсационные котлы для отопления: выбор, монтаж и техническое обслуживание

Теоретические основы конденсационной отопительной техники

Как происходит сгорание газа в котлах? Почему в обычных котлах стараются избавиться от конденсата?

Природный газ, который используется как топливо в котлах, на 70—98% состоит из метана, химическая формула которого CH₄. Кроме этого, в состав добываемого газа входят другие углеводороды: этан (C₂H₆), пропан (C₃H₈) и бутан (C₄H₁₀). А также в разных концентрациях в природном газе может присутствовать водород (H₂), сероводород (H₂S), углекислый газ (CO₂), азот (N₂) и инертные газы, представленные преимущественно гелием (He). В природном газе может присутствовать и радиоактивный газ – радон, но в большинстве случаев его концентрация является абсолютно безопасной. Метан не распознается нашими органами чувств – то есть не имеет запаха, поэтому при подготовке голубого топлива перед подачей потребителям в него подмешивают в очень малой концентрации так называемые одоранты – вещества, имеющие резкий и неприятный запах. В частности, в наш сетевой газ вводят в концентрации 16 грамм на 1000 м³ этилмеркаптан, который мы и воспринимаем как запах газа.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Состав природного газа

Основную теплоту сгорания в газовых котлах дает именно метан или пропан, если используется сжиженный газ в баллонах. Но мы будем рассматривать именно сгорание метана, так как подавляющее большинство котлов работают именно на нем. Для того чтобы метан загорелся, необходимо обеспечить приток кислорода, который есть в воздухе. На одну часть природного газа необходимо в зону горения подать не менее 10 частей воздуха. Но также много зависит и от качественного перемешивания метана с воздухом. Для того чтобы природный газ загорелся необходимо еще и обеспечить его воспламенение, а это происходит при температуре от 530°C до 640°C (в зависимости от происхождения газа). Если воздух подается в нужном объеме, то говорят о полном сгорании газа и этот процесс выражается следующей химической формулой:

CH₄+2O₂=CO₂+2HO.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

«Комиксы» о полном сгорании метана

Одна молекула метана при сгорании соединяется с двумя молекулами кислорода. В результате получается одна молекула углекислого газа и две молекулы воды. А что происходит, если воздуха будет недостаточно? Тогда говорят о неполном сгорании газа и при этом химическая реакция будет несколько иной:

CH₄+O₂ CO₂+ H₂O+CO+H+CH₄+C.

Знак равенства в этом химическом уравнении не ставится, так как неизвестно какое именно количество кислорода участвует в реакции. Видно, что помимо привычных углекислого газа и воды появляются еще не слишком «приятные» компоненты. Прежде всего – это несгоревший метан, который просто «вылетает в трубу», хотя газовые счетчики его исправно считают и за него все равно придется заплатить. Кроме этого при неполном сгорании образуется крайне опасное соединение – монооксид углерода (CO). Этот газ опасен тем, что в легких способен соединяться с гемоглобином, замещая кислород в легких, что приводит к удушью, которое очень часто заканчивается смертельным исходом. Так как моноокись углерода не имеет цвета и запаха, и «захватывается» эритроцитами в легких, то процесс отравления происходит незаметно, чаще всего во сне. Всего лишь 0,1% концентрации CO в воздухе достаточно для того, чтобы в течение часа произошло смертельное удушье, а при 1% это происходит за 2—3 вдоха.

Еще одним неприятным спутником неполного сгорания газа является углерод, который мы можем наблюдать в газовых котлах как обыкновенная сажа, которая тоже доставляет проблемы. Неправильно настроенные котлы очень быстро засоряются продуктами неполного сгорания, что требует или более частого технического обслуживания, или дорогостоящего ремонта. Специалисты-газовики могут на глаз судить о том полностью сгорает газ или нет по цвету пламени. Если оно голубое, то это свидетельствует о полном сгорании, а если соломенно-желтое, то явный признак неполного сгорания. Правда, на практике таким методом диагностировать полноту сгорания, не пользуются. Для этого существуют специальные газоанализаторы, которые точно определяют состав уходящих из топки газов. Иметь в каждом котле подобный прибор является дорогостоящей роскошью, но при настройке на производстве обязательно им пользуются.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Отложение сажи при неполном сгорании может принести немало хлопот

Не будем забывать о том, что в топку котла еще поступают и другие газы, содержащиеся в воздухе, ведь в нем доля кислорода составляет только 21%, а большую часть составляет азот – 78%. Но этот газ в таких условиях инертен и только малая его часть участвует в процессе горения, поэтому львиная его доля проходит через котел «транзитом», попутно разогреваясь. Другие инертные газы в воздушном «коктейле» также не вступают ни в какие химические реакции.

В природном газе в различных концентрациях может присутствовать сероводород (H₂S), который при воздействии повышенных температур горит и в прямом и в переносном смысле синим пламенем. Эту реакцию можно выразить следующей химической формулой:

2H₂S+3O₂=2HO+2SO₂.

Две молекулы сероводорода соединяются с тремя молекулами кислорода и в результате получается две молекулы воды и две – диоксида серы (сернистого газа). Это очень опасное газообразное соединение, которое прежде всего является токсичным и при концентрациях выше 10 мг/м³ может вызвать удушье. Сернистый газ известен практически всем по свойственному ему резкому характерному запаху загорающейся спички. Кроме токсического действия на организм сернистый газ еще опасен тем, что может взаимодействовать с водой, образуя сернистую кислоту, которая относится к кислотам средней силы. Хоть это соединение и является неустойчивым, но на дымоходы и внутренности газовых котлов оно влияет, попросту постепенно разрушая их.

Кроме диоксида серы при сгорании газа еще и образуется триоксид серы (серный ангидрид), который получается при взаимодействии сернистого газа и моноокиси азота:

SO₂+NO₂→SO₃+NO.

Моноокись азота может взаимодействовать с диоксидом серы, увеличивая долю серного ангидрида:

2SO₂+2NO→2SO₃+N₂.

А серный ангидрид может взаимодействовать с водой, которой образуется немало при сгорании газа. Полученное соединение не что иное, как серная кислота:

SO₃+HO→HSO₄.

Серная кислота относится к классу сильных кислот и вступает в реакцию окисления практически со всеми металлами. Исключения составляют только золото, платина, иридий, родий и тантал. То есть медные теплообменники и стальные корпуса котлов могут подвергнуться воздействию кислот, но только тогда, когда образуется конденсат, который агрессивен. Для предотвращения его появления есть несколько эффективных решений:

  • Ранее, когда не было «гонки» за коэффициентом полезного действия газовых котлов, дымовым газам позволялось уходить через дымоходы с высокой температурой, что исключало образование конденсата и его действие на элементы системы отопления. Котлы работали практически постоянно, причем с дымоходами из керамического кирпича, который известен своей способностью к накоплению тепловой энергии. Выхлопы котла просто улетали в разогретый дымоход, не оставляя никаких шансов для образования конденсата.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

«Старая гвардия» котлов на заслуженном отдыхе

  • В дальнейшем, когда инженерам-разработчикам газового отопительного оборудования стало жалко «отпускать» газы с высокой температурой, решили увеличить теплосъем в котлах. Это привело к тому, что дымовые газы стали выходить под меньшими температурами, что увеличило шанс для образования конденсата. Особенно при периодических включениях и отключениях котлов, которые приводят к остыванию дымоходов. Как известно, конденсат образуется только при перепадах температур. Как выход был применен такой эффективный прием, как утепление дымоходов, чтобы они не остывали слишком быстро.
  • Помимо утепления дымоходов, было решено снизить их сопротивление к протекающим в них дымовым газам из котлов. Для этого на место кирпичных прямоугольных конструкций со множеством швов в кладке, которые только увеличивают сопротивление, стали использовать керамические или металлические сборные круглые, имеющие гладкие стенки, что позволяет газам беспрепятственно выходить через дымоход. Конечно, при этом он еще должен иметь хорошую тягу и диаметр не менее рекомендуемого.
  • Дальнейшим шагом уменьшить образование конденсата явилось применение так называемых сэндвич-дымоходов, когда между двумя слоями нержавеющей трубы располагается слой негорючего утеплителя. Разогреть такие дымоходы можно очень быстро, а от «криминального» перепада температур спасает утеплитель. Монтаж таких конструкций по сравнению с кирпичом или керамикой прост и такие дымоходы успешно прокладывают даже по внешним стенам домов.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Утепленные дымоходы из нержавеющей стали

  • Независимо от того насколько хорошо утеплены дымоходы все равно какое-то время необходима для их разогрева. Но пока это не случилось, могут создаться условия для образования большого количества агрессивного конденсата. Именно поэтому дымоходы делают вертикальными, а подключения выхода котлов под углом. Конденсат, образующийся в основном в вертикальном канале, просто сливается вниз, где его «заботливо» ждет конденсатоотводчик, который требуется периодически сливать.
  • Конечно, в плане образования конденсата, очень много зависит и от качества самого топлива. Если в природном газе будет большое количество водяных паров, то это, естественно, приведет и к большему количеству конденсата. Но на этот вопрос потребители голубого топлива повлиять не могут, так как это прерогатива газоснабжающих организаций.

Но в какое-то время у инженеров-теплотехников произошел переворот в сознании, когда они поняли, что «ненавистный» конденсат может дать не рассматриваемую ранее порцию энергии. Просто надо учесть его химические свойства и сконструировать такие котлы, которые будут нечувствительны к химическому воздействию и в то же самое время «выжимать» максимум из энергии сгорания газа. Надо отметить, что это неплохо получилось!

Как получается и передается тепловая энергия в газовых котлах

При сгорании газа выделяется большое количество тепла, которая используется в целях отопления. И как бы ни хотелось, все равно не полностью вся энергия используется в нужных для человека целях. Часть ее все равно теряется «по дороге». Для начала надо рассмотреть вопрос о температуре и количестве тепла, которые многие могут считать одним и тем же хотя и из науки, и из практики – это хоть и связанные, но разные вещи.

Температура – это условная величина, которая отражает степень нагретости каких-то объектов, которыми могут быть как твердые тела, так жидкости или газы. Если немного углубиться в физический смысл температуры и нагретости, то все это сведется к кинетической энергии молекул, из которых состоит тело. Другими словами – чем быстрее будут двигаться молекулы – тем больше температура. Наши органы чувств очень хорошо распознают температуру, но они просто позволяют судить какое тело горячее, а какое холоднее. Такая оценка, разумеется, является субъективной, которая не может использоваться в расчетах. Поэтому температуру оценивают по показаниям специальных приборов, которые мы знаем, как термометры.

Однако даже приборы могут измерять только эмпирическую температуру, для чего надо установить на шкале измерений две так называемые реперные точки и разделить интервал между ними на равные части. Было решено единицу измерения температуры назвать градусом, но вот что выбрать в виде реперных точек – возникли некоторые разногласия. В мире сейчас действуют три шкалы измерения температур:

  • Самая у нас популярная – это, безусловно, шкала Цельсия, названная именем шведского ученого Андерса Цельсия, который в 1742 году предложил в качестве реперных точек выбрать температуру замерзания воды и температуру ее кипения. За 0°C принято считать температуру замерзания, а за 100°С – кипения. Это совершенно логично, так как это непосредственно связано с жизнью человека и поведением одного из главных веществ в обмене веществ – воды. Вся шкала делится на равные части, которые мы знаем, как градус Цельсия – 1°C. Но при этом делается уточнение, что кипение воды происходит при нормальном атмосферном давлении в 760 мм ртутного столба или примерно 100 кПа. Известно, что при пониженном давлении, например, в высокогорье, вода закипает при меньшей температуре, но замерзает «исправно» при 0°C.
  • Несколько раньше, чем Цельсий, в 1724 году, свою шкалу температур предложил немецкий ученый Габриэль Фаренгейт. За нуль своей шкалы он почему-то выбрал температуру замерзания «экзотической» смеси из воды, соли и нашатыря в соотношении 1:1:1. Непонятно, какие мотивы руководили Фаренгейтом, но это случилось. Если рассмотреть ноль по Фаренгейту по сравнению с Цельсием, то можно сказать, что-то очень холодно, не шутка ведь —32°C. Похоже, что ученый просто решил испытанный им кошмар в виде зимних морозов принять за ноль. А за 100°F принята температура человеческого тела. Получается, что в привычном нам диапазоне от температуры замерзания воды и ее кипения находится диапазон шкалы Фаренгейта от +32°F до +212°F. Значит от 0°C до 100°C находится 180°F (градусов Фаренгейта). Измерение температуры по Фаренгейту является крайне неудобным, но, тем не менее его используют до сих пор в США и в некоторых других неизвестных многим государствах. Понять «упоротость» американцев, когда даже патриархальная в законотворчестве Великобритания перешла на шкалу Цельсия, трудно, но тем не менее страна с самой развитой экономикой имеет право использовать и градус Фаренгейта, и дюймы, и унции, и галлоны, и прочие единицы измерений, непонятные нам.
  • Помимо удобства измерения в повседневной жизни, физики высказали свою теорию, что должна существовать такая температура, при которой кинетическая энергия молекул вещества нулевая. И они выяснили, что это происходит при —273,15°C. Этот рубеж назвали абсолютным нулем, который, в принципе, недостижим, но теоретически возможен, а дальнейшую градуировку шкалы сделали точно в соответствии с Цельсием. Получается, что 0°C=273,15°K (Градусов Кельвина), а 100°C=373,15°K. Такой подход предложил английский ученый Уильям Томпсон, который впоследствии был удостоен королевой почетным званием лорда под именем барон Кельвин. Фамилия Томпсон в Англии в процентном отношении превосходит Ивановых в России и чтоб придать важность посвящению в рыцари – его назвали именем речки, протекавшей через университет, где он работал. И, кстати, его было за что чествовать, так как он действительно много внес в науку.

 

Кроме этих способов измерения температуры, в истории еще упоминаются и другие: Реомюра, Ньютона, Ранкина, Делиля и других. По разным причинам они не прижились и не используются. В международной системе единиц СИ показателем температуры является градус Кельвина – K°. Но при этом упоминается и градус Цельсия, который пересчитывается по простому правилу:

K=K+273,15.

Для пересчета температуры между самыми используемыми в мире шкалами можно воспользоваться следующей таблицей.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Правила пересчета температур

Теперь перейдем к понятию количества тепла, и чтобы понять разницу с температурой, рассмотрим простой пример. Допустим, надо нагреть до определенной температуры два сосуда с водой, но при этом необходимо передать им одинаковое количество тепла, что в отопительных котлах связано с определенным количеством сожженного топлива. Примем то, что в одном сосуде находится 150 литров воды, которую надо нагреть до 80°C от первоначальных 20°C. Другому сосуду мы готовы передать абсолютно такое же количество тепла, но нагревать его будем до 60°С. Вопрос в том, какое количество воды должно быть во втором сосуде, чтобы при одинаковом количестве переданного тепла в нем была достигнута заданная температура. Если пристальней рассмотреть теплопередачу, то она в прямой пропорции зависит от разницы температур по Кельвину или Цельсию. Поэтому мы можем узнать во сколько раз воды должно быть больше или меньше во втором сосуде:

(80°С—20°C)/(60°C-20°C) =60°C/40°C=1,5.

Получается, что если в первом сосуде должно у нас есть 150 литров воды, которую нагрели до 80°C, то во втором при том же количестве тепла переданного воде, но при конечной температуре в 60°C должно быть 150/1,5=100 литров. Этот пример явно показывает, что при одинаковом количестве тепла переданного какому-либо телу и температура, и масса может быть разной. Также разные тела даже при одинаковой температуре могут иметь разную тепловую энергию. Для того, чтобы избавиться от этой неопределенности была введена такая величина, как энтальпия, которая показывает какое количество тепла содержится в единице массы вещества. Измеряется она в кДж/кг (килоджоулях на килограмм) или ккал/кг (килокалориях на килограмм).

Вода (и большинство веществ) известна нам в своих трех основных агрегатных состояниях. Это – твердое (в виде льда), жидкое (собственно, в виде привычной воды), а также газообразное (в виде водяного пара).

Если вещество в силу каких-то причин меняет свое агрегатное состояние, то говорят, что произошел фазовый переход. Чтобы понять это рассмотрим следующий рисунок:

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Фазовые переходы между агрегатными состояниями

На этой схеме показаны четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Последнее мы рассматривать не будем вообще, так как пока в бытовом отоплении плазма не используется. Все переходы веществ из твердого в жидкое (плавление, для воды — таяние), из жидкого в газообразное (испарение или парообразование) и из твердого в газообразное (возгонка или сублимация) идут только при возрастании энтальпии, что видно по стрелочке в правой части схемы. Рассмотрим процесс нагрева воды до перехода ее в парообразное состояние, ведь именно это происходит в камерах сгорания газовых котлов. Вода содержится и в воздухе, и в топливе, а еще может быть и в виде конденсата, когда котел остывает во время пауз в своей работе. Для удобства восприятия также воспользуемся простой схемой:

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Зависимость температуры от энтальпии

На графике по горизонтальной оси абсцисс показана энтальпия, а по вертикальной оси ординат – температура. При этом сразу оговорено условие, что нагрев воды происходит строго при атмосферном давлении, так как при его уменьшении температура кипения будет меньше 100°C, а при увеличении – больше 100°C. Какие процессы мы наблюдаем:

  • Во-первых, на интервале AB графика происходит линейный рост температуры воды от 0°C и до 100°С. Все подводимое тепло идет только на нагрев.
  • Во-вторых, в точке B графика при нормальном атмосферном давлении начинается кипение воды, что инициирует процесс интенсивного испарения. При этом нагрев не прекращается.
  • В-третьих, на интервале BC продолжается нагрев воды, энтальпия растет, но температура будет оставаться на том же уровне 100°C. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в газообразное состояние – пар. Другими словами, идет изменение агрегатного состояния от воды к пару.
  • И, наконец, в точке C происходит то, что вся вода после интенсивного кипения испаряется, но нагрев не прекращается. Тогда начинает расти также прямо пропорционально энтальпии температура пара. И она будет расти дальше, пока не достигнет состояния перегретого пара (более 100°C), который в традиционных котлах просто уходит вместе с другими дымовыми газами в дымоход. В современных газовых котлах температура водяного пара, входящего в «букет» дымовых газов – примерно 130°C.

На этом графике, мы уже замечали, что в одних его интервалах идет вместе с увеличением энтальпии (количества тепла, переданного воде) растет и температура, о чем можно легко судить просто по показателям приборов. Именно поэтому такую теплоту и называют явной теплотой.

На горизонтальном отрезке BC также идет передача тепла с той же интенсивностью, но термометр будет «стоять» на отметке в 100°C. Поэтому такую теплоту и называют скрытой (или невидимой) теплотой. Здесь идет уже фазовый переход, который также требует энергии, но она идет на то, чтобы молекулы воды развили такую скорость, которая бы позволила им «оторваться» от взаимного притяжения. Каждый такой единичный «отрыв» забирает небольшую порцию энергии, но в сумме получается весьма солидно. Это и объясняет, то, что при фазовых переходах температура не растет.

Если представить, что в вышеуказанном примере прекратился нагрев пара, то пойдет его остывание, соответственно и переданная тепловая энергия будет отдаваться обратно. Процесс пойдет вспять точно по такому же графику. Когда температура водяного пара упадет до 100°C, начнется выпадение конденсата и оно будет происходить до тех пор, пока весь пар не превратится обратно в воду. На вышеуказанном графике это отрезок от точки C до точки B. При этом вся скрытая теплота парообразования (в данном примере 638—100=538 ккал/кг) также отдается обратно, но называется в этом случае она скрытой теплотой конденсации.

Высшая и низшая теплота сгорания топлива

Получается, что если специально создать такие условия, при которых содержащийся в дымовых газах пар сконденсировался, то можно получить неплохую порцию дополнительного тепла, которую можно использовать в целях отопления. Как это правильно сделать? Для начала рассмотрим три важных понятия, применяемых в термодинамике.

  • Теплота сгорания – это не что иное, кок количество выделившейся теплоты, которая была получена при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива. Измеряется теплота сгорания в джоулях (Дж) или калориях (кал). Для того чтобы узнать какое количество теплоты сгорания приходится на единицу массы или объема того или иного вида топлива, была введена такая единица, как удельная теплота сгорания, измеряемая в Дж/кг (кал/кг) или Дж/м³ (кал/м³).
  • Низшая теплота сгорания топлива (Qн, PCI) – это количество выделившейся теплоты, полученной только при сгорании топлива, без учета скрытой теплоты парообразования или конденсации.
  • Высшая теплота сгорания топлива (, PCS) – это сумма низшей теплоты сгорания топлива и скрытой теплоты парообразования (конденсации).

В традиционных газовых котлах при всех расчетах используют низшую теплоту сгорания топлива, так как энергия конденсации пара не используется. Наоборот, стараются температуру дымовых газов сделать такой, чтобы исключить или максимально снизить образование конденсата в камере сгорания и дымоходе. Но соблазн использовать энергию конденсации возник очень давно. Рассмотрим характеристики и для различных видов топлива и посмотрим насколько выгодно использовать скрытую теплоту конденсации. Величина Nм³ в таблице означает, что показатели рассчитаны для условий давления в 1 атмосферу и температуры в 0°C.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Соотношение высшей и низшей теплоты сгорания в разных видах топлива

Цифры в таблице явно свидетельствуют о том, что самой большой разницей между низшей и высшей теплотой сгорания обладает именно газовое топливо. А самым большим – в 11,2% может «похвастаться» метан, который составляет основу природного газа. Другими словами – «овчинка выделки стоит», так как такой «довесок» поможет сильно сэкономить природный газ. Только осталось разобраться как это реализовать на практике.

Что такое точка росы?

Теоретически водяной пар в продуктах сгорания должен уже начинать конденсироваться при 100°C и давлении в 1 атмосферу, но это будет происходить если кроме пара нет ничего. В «выхлопе» любого газового котла имеются еще и другие дымовые газы, о чем мы писали ранее, которые оказывают сильное влияние на температуру начала конденсации водяного пара. Поэтому в реальности она начнется не при 100°C, а при меньших значениях. Это зависит и от состава дымовых газов, и от количества избыточного воздуха, который, не участвуя в горении, также уходит в дымоход. Поэтому рассмотрим дополнительное понятие – точка росы.

Точкой росы называют ту температуру, при которой начинается конденсация водяных паров, присутствующих в продуктах сгорания топлива. Для лучшего понимания необходимо рассмотреть зависимость на следующем графике.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Зависимость температуры точки росы от вида топлива и избытка воздуха

Очевидно, что чем будет выше температура конденсации водяных паров в каком-либо топливе, тем будет лучше для технической реализации теплосъема с конденсата. И, рассматривая этот график, можно сделать определенные выводы:

  • Газообразное топливо по температуре точки росы выигрывает у жидкого. Твердое топливо мы не рассматриваем, так как для страны с огромными запасами газа это должно быть как минимум стыдно не на одну сотню лет вперед. Другими словами – использовать скрытую теплоту конденсации лучше всего, да и проще всего, именно в газовых котлах.
  • Температура точки росы очень требовательна к избытку воздуха. Чем меньше его будет – тем легче будет сконденсировать водяные пары из дымовых газов и получить из них дополнительное тепло. Другими словами – к приготовлению смеси воздуха и природного газа предъявляются повышенные требования.

Запомним эти выводы, так как они в дальнейшем помогут понять сложное внутреннее устройство конденсационного котла.

Мифы и правда о конденсационных котлах, относящиеся к его КПД

Важнейшей технической характеристикой любого газового котла, является его мощность. Она является отражением способности производить определенное количество тепловой энергии за определенный промежуток времени. Мощность в отоплении может традиционно измеряется в киловаттах, что является производной от одного ватта, который равен 1 Вт=1 Дж/1 с (один ватт мощности равен одному джоулю энергии, за 1 секунду), а 1 кВт=1000 Вт. Эта единица является системной, входящей в Международную систему единиц СИ, чьи стандарты уже очень давно приняты во всем мире. Но иногда могут встречаться и внесистемные единицы, которые, там не менее, можно перевести в системные. Самым распространенным «изгоем» в системе СИ является измерение мощности в ккал/час. Для перевода этой единицы в киловатты можно воспользоваться простым отношением:

1 кВт=0,860 ккал/час.

Проще всего это сейчас сделать при помощи онлайн-калькуляторов, которыми изобилует интернет. Но смеем заверить наших читателей в том, что все отопительное оборудование, продаваемое на территории России, имеет характеристики именно в киловаттах, так как наша страна (тогда еще в виде СССР) приняла еще в 1960 г Систему СИ и строго следует ей.

Мощность бывает разной – она подразделяется на полную мощность и полезную мощность. Например, есть котел, горелка которого может развивать максимальную мощность в 26,7 кВт. Это и будет полной мощностью котла. В то же самое время теплоносителю системы отопления передается только 24,03 кВт.

Коэффициент полезного действия котла – это отношение полезной мощности к полной. Если этот показатель надо выразить в процентах, то это можно записать следующим образом:

η=(Pпол/Pоб) *100%, где:

  • Pоб – максимальная (общая) мощность котла;
  • Pпол – полезная мощность котла.

В нашем случае η= (24,03/26,7) *100%=90%. Получается, что эта разница в 26,7—24,03=2,67 кВт, что в процентном отношении составляет 10%, куда-то девается. И это действительно так. Около 8% «улетучивается» вместе с дымовыми газами, а остальные 2% приходятся на тепловые потери в окружающую среду. Ведь как ни изолируй топку котла, все равно его корпус будет нагреваться и «отбирать» энергию и себе, и отдавать всему вокруг, что имеет меньшую температуру.

Если учесть то, что котел не работает все время, а запускается и отключается по сигналам автоматики, то во время этих переключений также есть потери. Допустим, котел остановился, насос системы отопления (если он есть) через некоторое время тоже, а теплообменник котла еще горячий. Это тепло остается невостребованным для отопления и поэтому так называемым цикличным потерям отдают еще 1%, хотя в реальной жизни они могут быть гораздо больше. В неправильно спроектированных системах отопления, когда мощность котла намного превышает нужную наблюдается такое явление, как тактование. Мощный котел очень быстро подогревает теплоноситель в отоплении и отключается. Затем, после остывания на несколько градусов, опять включается и работает непродолжительное время. Тактование очень сильно снижает ресурс котла и увеличивает расход газа.

Следует отметить, что КПД рассчитывается для того случая, когда котел работает на полную мощность. Если в нем установлена многоступенчатая горелка или реализована модуляция пламени, то КПД в тех режимах, когда котел работает не на полную мощность будет всегда ниже. Хоть ненамного, но все равно ниже.

Рассмотрим диаграмму, где очень наглядно показаны потери в обычных, не конденсационных газовых котлах.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Распределение тепловой энергии в традиционных котлах

Как видно, самыми большими «потерями» является так называемая скрытая теплота от неконденсированных водяных паров. Мы недаром слово потерями заключили в кавычки, так как в обычных котлах скрытая теплота конденсации водяных паров вообще не рассматривается. Все расчеты КПД в обычных котлах ведутся только с учетом низшей теплоты сгорания топлива – PCI (Qн). То есть 11% скрытой теплоты конденсации, которые могут быть использованы в отоплении не учитываются. Наоборот, для долгой жизни котлов и дымоходов стараются всеми способами избавиться от конденсата, стараясь чтобы дымовые газы имели достаточную температуру, чтобы выйти за пределы дома, увлекая за собой все водяные пары.

Если теперь рассмотреть вопрос о КПД конденсационных котлов, применив тот же подход, то окажется, что он может быть выше, чем 100%. Но тем, кто хоть немного знаком с курсом физики хотя бы в размере программы средней школы, известно, что КПД в 100% уже означает существование вечного двигателя, а более 100% — это уже, с точки зрения науки, означает шарлатанство в чистом виде. Для того чтобы правильно рассчитать КПД конденсационного котла, следует учитывать не низшую теплоту сгорания (PCI), а высшую (PCS). Тогда диаграмму потерь можно представить в следующем виде.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Распределение тепловой энергии в конденсационных котлах

Циклические потери и потери в окружающую среду у конденсационных котлов такие же, как и у обычных, но в других показателях они отличаются. И если рассматривать КПД конденсационных котлов относительно высшей теплоты сгорания, то он не будет «зашкаливать» за 100%. Раз мы уже начали считать эффективность котла, то наиболее честно учитывать все процессы, которые задействованы для получения энергии. Поэтому настоящий КПД конденсационных котлов никак не может быть больше 100%, а рассчитанный по отношению к высшей теплоте сгорания он может составлять примерно 89—90%, что тоже вовсе не маленькая цифра.

Конечно, энергию конденсации водяных паров надо воспринимать как «подарок», который просто грех не использовать. Но это тепло можно «снять» только в специально предназначенных для этого устройствах – конденсационных котлах. О том, как на деле это можно реализовать рассмотрим в последующих разделах статьи.

Как можно реализовать конденсацию пара в продуктах сгорания

Мы выяснили, что для того чтобы началась конденсация водяного пара в дымовых газах необходимо обеспечить их охлаждение до 55°C и ниже. Но как это сделать, если на выходе из камеры сгорания температура всегда больше 100°C. Если прибегать к специальным мерам по охлаждению дымовых газов, то это может обернуться энергетическими затратами, которые гораздо больше, чем извлекаемая энергия конденсации. Поэтому самый логичное и правильное решение – это использовать температуру обратной магистрали теплоносителя системы отопления, а она далеко не всегда может быть 55°C и ниже, что требуется для хорошей конденсации водяного пара.

Поэтому самое лучшее место применения конденсационных котлов – это такие системы отопления, у которых температура «обратки» теплоносителя на входе в котел не превышает точку росы – 55°C, а лучше и еще меньше.

Что такое низкотемпературные системы отопления?

Многие из нас привыкли к горячим радиаторам отопления, в которых с коллективного теплопункта или индивидуального котла подавался теплоноситель с температурой примерно 70—80°C. По тактильным ощущениям – это очень горячо. Это приводит к мощным конвекционным потокам воздуха, которые, конечно, быстро прогревают помещения, но попутно еще и поднимают изрядное количество пыли. Еще одной весьма неприятной стороной высокотемпературного отопления является сильное осушение воздуха. На обратных магистралях высокотемпературного отопления при входе в котел температура составляла уже примерно 60°C, что явно недостаточно для охлаждения дымовых газов до искомой точки росы.

Современные газовые котлы, в том числе и конденсационные тоже могут нагревать теплоноситель до больших температур, но стоит ли это делать? Современные европейские стандарты по отоплению EN422, предполагают использовать так называемое «мягкое тепло», когда температура подачи и «обратки» примерно 55°C/45°C. Такое отопление называется низкотемпературным и оно рекомендовано для применения во всех современных зданиях. И мы также настоятельно рекомендуем нашим читателям ориентироваться именно на него. Чем меньше разница температур между отопительным прибором и температурой воздуха и тела человека – тем комфортнее будет находиться в помещении. Среди инженеров-теплотехников недаром «ходит» шутливое выражение о том, что лучше иметь большой и теплый радиатор, чем большой и холодный.

Очевидно, что если использовать традиционные радиаторы, в низкотемпературном отоплении то при одинаковой теплоотдаче их размер должен быть гораздо большим, чем при температуре теплоносителя 80°С/60°С. Радиатор большего размера и стоит дороже, а иногда его и невозможно вписать в подоконное пространство при низкотемпературном отоплении. А это вносит сильный диссонанс в интерьер дома. Поэтому, лучшим «радиатором» для низкотемпературного отопления является на что иное, как теплый пол.

Теплый пол – лучшее применение конденсационных котлов

Почему именно теплые полы рассматриваются основным видом отопления в современных домах? Этому есть очень простое объяснение. Посмотрим на рисунок, где показано распределение температур в традиционном радиаторном отоплении и в напольном.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Преимущества теплого пола

Традиционный радиатор отопления – это тепловой прибор, который имеет температуру гораздо большую чем воздух в помещении, чем стены пол, потолок, и человеческое тело. Поэтому, по всем законам термодинамики, он будет передавать тепло всеми возможными способами. Если к нему прикоснуться, то это будет теплопередача; если есть газообразная или жидкая среда – то это будет конвекция. А если нет ничего, пусть это будет вакуум, то будет излучение. В традиционном отоплении, если есть такой локализованный источник тепла, то энергия в большей ее части будет передаваться конвекционными потоками воздуха. Это показано в правой части рисунка.

При конвекционном обогреве помещение будет представлять неравномерно прогретый объем воздуха, что можно наблюдать в правой части рисунка. Правда, если дом построен из теплоинерционных материалов, то такая разница будет нивелироваться. В случае с теплыми полами (левая часть рисунка) картина будет совершенно другой. Пол имеет температуру 26—27°C, а воздух будет примерно одинаково прогрет во всем объеме примерно до 18°C. При этом в верхней части помещения температура не будет такой высокой, как при радиаторном отоплении, а это позволит уменьшить теплопотери через потолок. Перечислим другие преимущества теплых полов:

  • Первое и главное преимущество – это комфорт. По теплому полу можно ходить босиком, на нем можно сидеть лежать. При этом он служит отопительным прибором, обогревая все помещение в большинстве случаев.
  • Следующее преимущество – это экономичность. Правильно рассчитанные и смонтированные теплые водяные полы вкупе с конденсационным газовым котлом могут сэкономить до 30% газа. Для маленьких домов это может быть несущественно в какой-то отдельный месяц, но за определенный период экономия ощутима.
  • Гигиеничность также является преимуществом теплых полов. Циркуляция воздуха минимальна, а значит не будет ни сквозняков, ни перемещения пыли вместе с конвекционными потоками.
  • Основная часть энергии передается излучением – самым комфортным для живых существ теплом. Преимущество излучения в том, что оно передается мгновенно, подобно лучам Солнца.
  • Теплый пол не приводит к осушению воздуха, в помещениях легче будет поддерживать нормальный уровень влажности.
  • Отсутствие громоздких радиаторов дает больше простора для дизайнерского оформления интерьера.

Скептики могут утверждать, что мощности теплого водяного пола может не хватить на отопление в самые холодные зимние дни, когда температура может снизиться до экстремального значения. И частично с этим можно согласиться, ведь теплые полы имеют ограниченные возможности, и нужной энергии может просто не хватить для восполнения всех теплопотерь. Представим читателям диаграмму, где можно посмотреть зависимость теплового потока, от температуры теплоносителя, диаметра труб и шага их укладки.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Диаграмма расчета теплового потока теплого пола

Очевидно, что тепловой поток, измеряемый в Вт/м² (Ваттах на квадратный метр), зависит от средней температуры теплоносителя, диаметра и шага укладки труб теплого пола. Причем для полезного обогрева помещений будет использоваться не весь тепловой поток, ведь хоть малая часть уйдет вниз: в грунт или строительные конструкции. Очень много зависит и от качества утепления дома, ведь сейчас строительные нормы по тепловой защите очень жесткие, что вполне оправдано на фоне постоянно дорожающих энергоносителей.

Для комфорта температура теплого пола в помещениях должна быть примерно 26—27°C (в санузлах – 31°C) При правильном расчете такого отопления и корректном монтаже можно реализовать подачу в 35—40°C, а «обратку» примерно в 30°C. Тогда в котле будут созданы условия для постоянного образования конденсата и соответственно «отъема» у него энергии. Обычно теплых полов в новом хорошо спроектированном и утепленном доме вполне хватает даже в пиковые морозы. Если нет, то можно поставить еще и радиаторы в помощь, оснащенные клапанами с термоголовками, которые будут пропускать теплоноситель только при падении температуры ниже допустимой. Причем необязательно вешать «пухлые» панельные 22-й или 33-й серии, достаточно в большинстве и 11-я, представляющая вполне компактную конструкцию.

Еще одним из выходов реализации дополнительного низкотемпературного отопления, помогающего теплым полам – это теплые стены. Такую концепцию активно продвигает всемирно известная компания Rehau. Мало того, уже на просторах нашей страны есть немало уже реализованных проектов с теплыми полами и стенами, которые обеспечивают эффективное низкотемпературное отопление, дающее и комфорт, и экономию. По словам владельцев таких домов, все оборудование окупается уже через 2—3 года эксплуатации. Эта тема обязательно будет рассмотрена в отдельной статье на нашем портале.

Рассмотрим график работы низкотемпературной системы отопления с конденсационным котлом. Допустим, реализованы теплые водяные полы, в которые теплоноситель подается при температуре 40°C, а обратная линия 30°С.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Температурный режим 40°C/30°C

По оси абсцисс (горизонтальной) отложена наружная температура, которая в каждом регионе может быть разной. По оси ординат (вертикальной) слева отложена продолжительность отопительного периода, выраженная в процентах, а справа – температура греющих контуров системы отопления. На графике сразу зафиксирована температура точки росы в 55°C, она показана прямой b.

Современные газовые котлы часто снабжаются датчиком наружной температуры, ведь в зависимости от нее надо либо увеличивать мощность котла, либо снижать ее. Кривая a на графике как раз и отражает зависимость полезной мощности котла от наружной температуры и от продолжительности отопительного периода.

Красная прямая на графике и синяя пунктирная, обозначенные вместе буквой c отражают зависимость температуры в прямой и обратной линии системы отопления от наружной температуры. Очевидно, что если она снижается, то температура в контурах должна повышаться.

Если в системе отопления будет реализован режим 40°C/30°C и будет установлен конденсационный котел, то это очень большая удача, так как практически весь отопительный период в контурах будет температура ниже точки росы, что свидетельствует о том можно рассчитывать на большую часть тех 11% тепла, которые получают от скрытой теплоты конденсации.

А что происходит в высокотемпературных системах, если в них установлены конденсационные котлы? Допустим, в старую отопительную систему, рассчитанную на 90°C/70°С был установлен конденсационный котел, который в холодное время при —15°C и менее на улице работает в режиме 75°C/60°C, а при больших температурах на улице в диапазоне от —15°C и до +20°C температурный режим линейно уменьшается. Рассмотрим это на графике.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

График работы высокотемпературной системы отопления

Заметим, что только при наружной температуре от примерно —11°C и до +20°C температура обратной линии будет ниже заведомой точки росы в 55°C. Значит какое-то время котел не будет способен конденсировать пар из дымовых газов и будет работать как обычный. Судя по графику это начнет происходить тогда, когда температура «обратки» упадет до 55°C. Если провести от точки пересечения вертикальную линию до кривой a (на графике пунктирная линия голубого цвета), то можно увидеть, что 97% отопительного сезона котел будет работать с конденсацией пара. Это очень неплохой результат, обычно в высокотемпературных системах отопления все может быть гораздо хуже. Бывает, что только половину отопительного сезона котел может что-то «отбирать» у сконденсированного пара, а бывает, что не может и вовсе. Тогда смысл покупки дорогостоящего конденсационного котла теряется.

Если для нас конденсационные котлы являются хоть уже не диковинкой, но еще пока новинкой, то в тех странах, где газ продается по гораздо высокой цене, этот вид отопительного оборудования уже является привычной нормой. Мало того в некоторых государствах Европы по соображениям экологии и экономии разрешено устанавливать только конденсационные котлы в новом жилье. Учитывая, что реконструкция или замена жилищного фонда в экономически развитых странах происходит достаточно часто, то можно предположить, что вскоре все газовые котлы в Европе будут конденсационными, а все отопление – низкотемпературным. Отрадно, что и в России уже отмечается значительный рост интереса к этой технике. Уже обучено достаточно специалистов, занимающихся проектированием, монтажом и сервисным обслуживанием. Проблем с поставкой необходимого оборудования и запчастей также нет. Все больше нового частного жилья строится с уже по умолчанию спроектированным низкотемпературным отоплением, предполагающим конденсационные котлы. И мы призываем читателей при проектировании нового жилья или реконструкции старого обратить свое пристальное внимание на такой вид отопления.

На основании всего вышеизложенного можно сделать несколько важных выводов:

  • Конденсационные газовые котлы – это самая перспективная отопительная техника минимум еще на несколько десятков лет. Развитые страны уже давно устанавливают только такие котлы в силу их экономичности и экологичности.
  • Самое перспективное отопление – это низкотемпературное, так как кроме комфорта и гигиеничности позволяет получить еще и существенную экономию. Именно с таким отоплением лучше всего работают конденсационные котлы и тепловые насосы.
  • Коэффициент полезного действия (КПД) конденсационного котла очень сильно зависит от температурных режимов, поэтому максимальную температуру обратной линии не стоит делать выше 50°C.
  • Для повышения КПД также очень полезно разницу между теплоносителем в прямой и обратной линиях делать не менее, чем 20°C. Это достигается прежде всего грамотным проектированием специалистами, правильным подбором котла и безупречным монтажом.
  • Для обеспечения наиболее низкой температуры теплоносителя в обратной магистрали надо избегать применения таких элементов как байпасы, гидравлические разделители (гидрострелки) и четырехходовые смесители. Эти устройства могут напрямую замыкать подающую линию с обратной, что приведет к резкому падению КПД конденсационного котла. Для этого повторим читателям, что система отопления должна быть грамотно рассчитана и хорошо смонтирована. В низкотемпературном отоплении больше «полномочий» по регулировке отдается именно котлу, а такой элемент безопасности как байпас уже есть в большинстве хороших моделей.

 

Какие есть виды конденсационных котлов

Перейдем к вопросу конкретной технической реализации получения энергии конденсации водяного пара в газовых котлах. И здесь не все так однозначно, так как существует два типа конструкции котлов. Одни снабжены выносным (отдельным) экономайзером, а другие совмещенным. Рассмотрим подробнее конструкцию таких котлов.

Конденсационный котел с выносным экономайзером

Устройство, в котором идет отбор скрытой теплоты конденсации у дымовых газов принято называть экономайзером. Если он выносной, то первая часть ничем не отличается от традиционного конвекционного котла с закрытой камерой сгорания. Присутствует такая же горелка и первичный теплообменник, который «отбирает» основную теплоту сгорания топлива. А далее дымовые газы, нагретые примерно до 85°C, направляются в выносной экономайзер, утилизирующий уже скрытую теплоту конденсации. Схему котла такого типа можно посмотреть на рисунке.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Котел с выносным экономайзером

В левой части рисунка представлена гидравлическая схема, а в правой — вид конденсационного котла с выносным экономайзером со снятой крышкой. Прежде всего отметим, что все конденсационные котлы делают только с закрытой камерой сгорания и соответственно с принудительным выбросом отработанных газов в атмосферу. По-другому никак не получится. В нижней части схемы мы видим горелку, которая имеет абсолютно такую же конструкцию, как и в конвекционных котлах. В основном применяются атмосферные модулируемые горелки из нержавеющей стали, которые в паре с хорошим газовым клапаном и автоматикой могут изменять полезную мощность в диапазоне 30—100%. Правда, при снижении мощности заметно падает и КПД.

В правой части рисунка очень хорошо заметны камера сгорания с горелкой и основным теплообменником (большая коробка) и выносной экономайзер (маленькая коробка в левом верхнем углу котла). Между ними расположен центробежный вентилятор, который «перегоняет» дымовые газы из камеры сгорания в экономайзер, а затем и в дымоход. Обратная линия отопления вначале подключается на вход экономайзера, а выход с него подключается уже ко входу в первичный теплообменник. Получается, что теплоноситель «обратки» вначале подогревается скрытой теплотой конденсации водяных паров дымовых газов, а уже потом он поступает и «доводится» до нужной температуры в первичном теплообменнике. Слив конденсата производится в экономайзере.

Преимуществами такой конструкции конденсационных котлов являются:

  • Простота конструкции котла.
  • Возможность использовать узлы от традиционных конвекционных газовых котлов.
  • Более низкая цена по сравнению с другими конструкциями.

Недостатками конденсационных котлов с выносным экономайзером являются:

  • В атмосферных горелках очень трудно, можно даже сказать, что невозможно точно контролировать избыток воздуха в смеси. А мы ранее выяснили, что чем меньше будет избыток, тем больше будет температура точки росы и соответственно и КПД. В таких горелках под давлением поступает только газ, а воздух «подсасывается» из окружающего пространства за счет кинетической энергии газа, поступающего из газовой форсунки.
  • Газовые горелки (сопло Вентури) совместно с клапаном могут модулировать пламя в диапазоне 30—100%. При попытках уменьшить значение – пламя «садится» на горелки, что приводит к их закоксовыванию и прогоранию. При попытках увеличить мощность – пламя «отрывается» от горелки, что может привести к хлопкам или даже взрыву.
  • При отдельно расположенном экономайзере дымовые газы, транспортируясь к нему от камеры сгорания, по дороге неизбежно теряют часть энергии, что сказывается на КПД котла. Мало того, при транспортировке они могут образовать конденсат в тех местах, где он абсолютно не нужен.

Специалистами подсчитано, что КПД конденсационных котлов может составлять в идеале 105% по отношению к низшей теплоте сгорания (PCI) и 94,5% по отношению к высшей теплоте сгорания (PCS). Это, в принципе, очень неплохо по сравнению с традиционными котлами, но все равно меньше тех значений, которые можно получить при другой конструкции.

Конденсационные котлы со встроенным экономайзером

Наиболее интересным решением, которое дает наилучшие результаты является применение котлов со встроенным экономайзером, где и тепло от сгорания газа, и скрытое тепло конденсации снимаются в одном узле. И большинство бытовых отопительных котлов реализуется именно так. И первый вопрос по поводу теплообменников со встроенным экономайзером, которые задают как специалисты, так и потребители – это материал из которого они изготовлены. Подробнее рассмотрим этот вопрос.

Теплообменники из сплавов алюминия или нержавеющей стали. Что лучше?

Конденсационные котлы работают в особых условиях, что выдвигает ряд требований к теплообменникам и материалам из которых они должны быть изготовлены. Обилие конденсата для таких котлов – только благо, но надо учитывать, что он является агрессивной средой, способной вызвать коррозию у многих материалов. Положение конденсата отопительных котлов на шкале ph (водородного показателя, кислотности) можно посмотреть на следующем рисунке. На нем же можно увидеть и другие, известные нам в быту вещества.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Положение различных веществ на шкале ph

Из школьного курса химии всем известно, что чем меньше водородный показатель ph – тем более это соединение проявляет кислотные свойства. Считается, что соединения с ph менее 7 (показатель ph дистиллированной воды) – это кислоты, а более 7 – щелочи. На шкале видно, что конденсат – это кислота, о чем мы ранее говорили. Пусть слабая, но кислота. Поэтому использование меди в теплообменниках просто исключено, так же, как и чугуна и обычной стали. Из всех доступных материалов для теплообменников конденсационных котлов остается только алюминиевые сплавы (легированный алюминий) или нержавеющая сталь.

В среде специалистов и обычных потребителей до сих пор идут споры о том какой же материал наиболее предпочтителен для теплообменников. У сторонников алюминия и нержавейки есть мощные группы своих последователей, которые приводят такие аргументы, с которыми трудно не согласиться. Мы не будем примыкать к одному или другому «лагерю» адептов, а просто расскажем об одних теплообменниках и о других, попутно отмечая их достоинства и недостатки. А вначале приведем голую статистику – 65% конденсационных котлов произведенных и проданных в Европе имеют теплообменники из легированного алюминия. Соответственно 35% остается на теплообменники из нержавеющей стали.

Теплообменники из легированного алюминия (силумина)

Рассмотрим вначале теплообменники конденсационных котлов из алюминия. Если быть точным, то этот металл не используется в чистом виде, а только в виде сплавов. И основной сплав – это сплав алюминия с кремнием, который мы знаем, как силумин. Представляем, как поморщились лица некоторых наших читателей, которые услышали это слово. Очень много, к сожалению, не очень хороших примеров применения этого материала в сантехнике, а именно в смесителях, шаровых кранах и других, деталей, где силумин проявлял себя не лучшим образом. Однако, во-первых, силумин силумину рознь, а во-вторых, теплообменник – это не смеситель и не кран. Условия работы и требования к этим деталям совершенно разные. Поэтому мы предлагаем силумин называть более корректно – легированный алюминий. Тем более, что помимо кремния в алюминиевую основу входят и другие добавки: магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe), медь (Cu), никель (Ni), цинк (Zn) и титан (Ti).

Мало кто будет спорить с авторитетным немецким производителем газовых (в том числе и конденсационных) котлов Buderus, который входит в не менее авторитетный концерн Bosch Thermotechnik GmbH. Именно эти производители очень давно и очень успешно применяют для теплообменников два вида силумина, которые по европейским нормам обозначаются так: AC-AlSi10Mg(a) / G-AlSi10Mg. Составы этих сплавов можно посмотреть в следующей таблице.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Состав сплава алюминия, используемого для теплообменников

Основные антикоррозийные и прочностные свойства этим сплавам придают как раз кремний (Si) и магний (Mg). Алюминий, как основа этих материалов придает им два очень важных свойства: пластичность и теплопроводность.

Пластичность очень полезна в том, что из легированного алюминия можно отливать детали практически любой формы. А при помощи современного физико-математического моделирования, используя мощные компьютеры, можно уже заранее создать виртуальную модель теплообменника нужных размеров, с необходимой производительностью, которую затем легко довести до готового изделия. Внутреннее сложное устройство современных теплообменников из алюминиевых сплавов просто поражает даже самое развитое воображение. И никакой ковкой, сваркой или фрезерованием такую конструкцию невозможно получить.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Внутренности силуминовых теплообменников

Литая конструкция теплообменника имеет достаточную толщину, в ней отсутствуют сварные швы, сгибы, прессованные части, которые при нагреве или остывании создают очаги механических напряжений, которые при определенных условиях могут стать причинами разрушения. Однородность состава, одинаковая толщина и пластичность алюминия обеспечивают хороший теплообмен, и мало того, такие теплообменники не боятся разницы температур даже в 30°C на прямой и обратной линии.

Еще одним весомым преимуществом алюминиевых сплавов является их высокая теплопроводность. Если по этому показателю алюминий сравнить с нержавеющей сталью, то у первого коэффициент теплопередачи в 5—9 раз выше. Это можно увидеть из следующей таблицы.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Сравнение теплопроводности алюминия и стали

На что может повлиять хорошая теплопроводность? Дело в том, что для того, чтобы передать нужное количество тепловой энергии нужна определенная поверхность теплообмена. Чем больше коэффициент теплопроводности материала теплообменника, тем меньшая поверхность нужна. Другими словами – теплообменники равной мощности, но из разного материала могут иметь различные геометрические размеры. Компактнее будут те теплообменники, у которых коэффициент теплопроводности выше. Иногда люди отказываются верить в то, что в настенном котле, в теплообменнике из силумина, можно получить 100 кВт мощности. Но на практике это действительно так.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Этот теплообменник с настенного котла выдает 100 кВт!

Мы выяснили, что теплообменники из легированного алюминия (силумина) компактнее своих «собратьев» из нержавеющей стали при равной мощности. Но у алюминия есть еще одно очень полезное свойство – низкая плотность. Сравним эти показатели.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Сравнение плотности алюминия и стали

Плотность алюминиевых сплавов практически в 3 раза ниже, чем нержавеющей стали. Получается, что помимо компактности, конденсационные котлы с теплообменниками из силумина имеют сравнительно небольшой вес, создают меньшую нагрузку на стены или пол. Такие котлы легко монтировать и обслуживать, требования к несущей способности монтажной поверхности гораздо ниже.

Одним из самых важных показателей материала теплообменников конденсационных котлов является их химическая стойкость. Любой теплообменник подвергается воздействию различных соединений как снаружи, так и изнутри – со стороны теплоносителя.

Ранее мы выяснили, что наружная поверхность теплообменника подвергается интенсивному воздействию конденсата, водородный показатель которого ph находится в диапазоне от 3,7 до 5,4 единиц. Это слабокислая среда. Очень часто в различных источниках можно увидеть, что для конденсата газовых котлов ph≈4, что, в принципе, является правдой. Еще можно найти сравнение кислотности конденсата с Кока-Колой, что уже не совсем правда, так как у нее ph≈2,5. Это означает, что такого водородного показателя может достигнуть только конденсат жидкотопливных котлов, но не газовых. Другими словами – Кока-Кола больше проявляет кислотные свойства, чем конденсат газовых котлов. Но это очень хорошее сравнение для тех, кто опасается того, что сливающийся конденсат из теплообменника, попадая на все окружающие предметы, будет все выжигать. Вовсе нет. Достаточно просто слить его в канализацию, где он, смешиваясь с другими стоками, не окажет никакого существенного влияния на общую картину.

Тем не менее конденсат из дымовых газов все равно имеет кислую среду. Нам интересно то, как себя поведет материал теплообменника котла при длительном контакте с конденсатом. Алюминий (и его сплавы) – это очень активный металл, который способен взаимодействовать даже с водой. Но дело в том, что на его поверхности при контакте с кислородом практически моментально образуется тонкая оксидная пленка Al₂O₃, которая защищает алюминий от воды, кислорода, а также и кислот. Поэтому внешнее воздействие на теплообменник слабого кислотного раствора конденсата абсолютно безопасно. Можно сказать, что алюминий и его сплавы надежно защищены от влияния неконцентрированных кислот. Но при нарушении оксидного слоя, например, при чистке жесткими абразивами, оксидный слой может нарушиться и тогда алюминий активно вступит в реакцию и с водой, и с кислотами.

Химическое воздействие кислот и щелочей на различные материалы, из которых могут изготавливаться теплообменники, очень удобно представить в виде диаграммы.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Химическая стойкость различных металлов

Сразу хотим сказать читателям, что эту диаграмму создали производители конденсационных котлов с теплообменниками из легированного алюминия, так как сталь показана обычная, не нержавеющая и некислотоустойчивая. На самом деле специальные марки нержавеющих сталей нисколько не уступают по стойкости к химическому воздействию алюминиевым сплавам и даже в чем-то их превосходят. Об этом мы обязательно расскажем нашим читателям ниже.

Теплообменники любых котлов подвергаются воздействию не только снаружи, но и изнутри – со стороны теплоносителя. В качестве него в 99% случаев используют воду, очень редкие модели конденсационных котлов позволяют в том числе и специальные антифризы, но мы будем рассматривать только воду. И здесь все тоже очень интересно, так изнутри могут проходить два очень неприятных процесса и для котла, и для всей системы отопления: образование накипи и коррозия.

Защита от образования накипи теплообменников конденсационных котлов

Образование накипи происходит в воде, содержащей соли щелочноземельных металлов – кальция и магния. В неподготовленной воде присутствуют в растворенном виде их гидрокарбонаты — соединения с кислым анионом угольной кислоты (HCO₃—). В воде, даже отфильтрованной механическим способом всегда есть гидрокарбонат кальция (Ca(HCO₃)₂) и гидрокарбонат магния (Mg(HCO₃)₂). Именно они при нагревании воды разлагаются на нерастворимые осадки в виде нескольких других солей – карбонатов. Это карбонат кальция (CaCO₃) и карбонат магния (MgCO₃). Эти два соединения и образуют большую часть накипи, хотя в воде могут присутствовать и нерастворимые сульфаты (например, CaSO₄), а также различные кремнекислые соединения (силикаты). Но основную накипь все равно образуют соли кальция и магния.

Нерастворимый карбонат кальция встречается в природе в виде таких минералов, как мел, известняк, мрамор, травертин, а также в сочетании с другими элементами входит в арагонит, кальцит и фатерит. Карбонат магния в природе известен как магнезит. А вдвоем эти соли щелочноземельных металлов – кальция и магния, — образуют тоже очень известный минерал – доломит. Если в строительстве эти минералы используют очень широко, где нужна механическая прочность и химическая стойкость, то в системе отопления посторонние отложения минеральных солей в трубах, радиаторах и особенно в теплообменниках противопоказаны.

  • Во-первых, теплопроводность накипи гораздо выше, чем любого металла. Получается, что даже небольшой слой накипи резко увеличивает термическое сопротивление, а это приводит к перерасходу газа, так как автоматика не выключит горелку или не снизит ее мощность до тех пор, пока не будет достигнута нужная температура циркулирующего теплоносителя.
  • Во-вторых, слой накипи существенно повышает сопротивление циркулирующему теплоносителю прежде всего из-за того, что на гладкой внутренней поверхности труб и особенно теплообменника образуется ее «шершавый» слой. Кроме этого, накипь сужает внутренний проход, что тоже увеличивает сопротивление.
  • И, наконец, накипь, если не предпринимать никаких мер по ее предотвращению и удалению, может полностью перекрыть внутренний проход труб в теплообменнике. В этом случае не помогает ни промывка, ни механическая очистка. Единственное «лекарство» – это полная замена теплообменника. Но при этом придется расстаться с крупной суммой.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Силуминовый теплообменник «убитый» накипью

Но как оценить насколько вода, которую будут использовать для заполнения системы отопления, способна образовывать накипь. Для этого есть такое понятие как жесткость воды, которая определяет совокупность химических и физических свойств, связанных с содержанием в ней так называемых солей жесткости (соли кальция и магния). Если в воде высокое содержание таких солей, то ее называют жесткой, с малым содержанием – мягкой. Такие интересные названия сложились исторически. Если постирать ткань в жесткой воде, то после сушки она будет действительно более жесткой на ощупь, чем если бы это сделать в мягкой воде. Это объясняется очень легко. Растворенные в воде гидрокарбонаты кальция и магния при стирке переходят в нерастворимую форму карбонатов и задерживаются в волокнах ткани. И жесткость мы ощущаем благодаря этим частицам минералов.

Для количественной оценки жесткости необходимо иметь какую-то единицу измерения. По Международной системе единиц СИ жесткость измеряется в молях на кубический метр (моль/м³), но на практике пользуются другими единицами: миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л) или градусом жесткости Ж° (1°Ж=1 мг-экв/л). Так как «законодателями моды» в области производства отопительного оборудования очень часто являются немцы, то соответственно и их единицу измерения жесткости воды чаще применяют на практике. Но и здесь не все однозначно, так как существуют еще и другие экономически развитые страны, которые имеют свою единицу измерения жесткости. Для предотвращения путаницы в этом вопросе, предлагаем читателям таблицу, при помощи которой можно перевести одну единицу измерения в другую применяя коэффициенты. Ничего сложного.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Соотношение различных единиц жесткости

Очевидно, что чем жестче вода, тем больше в ней может образоваться накипи при нагреве. То есть система отопления должна заполняться не жесткой водой. Но как оценить, какая вода жесткая, а какая нет. в этом вопросе тоже все относительно и неоднозначно, так как в разных странах это делают по-разному. Приведем графический пример, сравнивающий степень жесткости в России и в Германии.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Понятия жесткости воды в России и Германии разные

Получается, что для россиянина еще является мягкой водой, то для немца уже жесткая. Как быть? Какой именно жесткости можно применять воду системе отопления, которая будет циркулировать в теплообменниках конденсационных котлов из легированного алюминия? Самое лучшее, это пользоваться общими отраслевыми стандартами, которые всегда указывают требования к теплоносителю. В странах Европы есть такой стандарт, который именуется VDI 2035. Он является общим для всей отопительной техники, которая использует воду как теплоноситель. Первый пункт этого документа именуется именно «Накипеобразование» и в нем приведены факторы, влияющие на образование нерастворимых солей жесткости (накипи). Перечислим их:

  • Качество воды (в том числе и ее жесткость);
  • Мощность отопительной установки (котла);
  • Удельный объем системы отопления (количество теплоносителя на 1 кВт мощности котла);
  • Общий объем теплоносителя и его количество, необходимое для подпитки;
  • Температура стенок теплообменников, условия эксплуатации.

Для того чтобы предотвратить большое накипеообразование, приводящее к большим потерям или даже повреждениям, в документе VDI 2035 существуют требования, указанные в следующей таблице.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Требования по жесткости

Значения, приведенные в этой таблице, получены путем расчетов и многолетнего опыта эксплуатации. Они будут справедливы тогда, когда будет выполнен ряд условий:

  • Удельный объем воды не превышает 20 литров на 1 кВт мощности котла. Очевидно, что чем больше объем воды в системе отопления, тем большее количество накипи будет образовываться в теплообменнике, так как именно в нем созданы лучшие условия для ее появления. Современные системы отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя характеризуются тем, что применяются небольшие диаметры труб и радиаторы малого объема, поэтому очень редко бывает даже 10 литров на 1 кВт мощности.
  • Общий объем воды, требуемой для наполнения системы и последующей ее подпитки в течение всего срока службы котла не должен превышать тройного объема системы отопления. Все системы отопления с конденсационными котлами всегда проектируются и исполняются только закрытыми. Если требуется частая подпитка, то это чаще всего говорит о негерметичности и утечках, которые необходимо устранить.
  • Химический состав воды не вызывает коррозию теплообменника и других элементов системы отопления. Об этом говорится в пункте 2 VDI 2035, и мы этот вопрос подробнее рассмотрим ниже.

Большинство отопительных бытовых котлов имеют мощность не более 50 кВт. Получается, что нам не надо «париться» о жесткости воды, если верить этой таблице. Но на самом деле все далеко не так. Водопроводная вода в большинстве имеет большую жесткость. Система отопления может ремонтироваться или обслуживаться, что часто приводит к полному или частичному сливу теплоносителя. Любая «свежая» порция воды приводит к поступлению в систему определенного количество гидрокарбонатов, которые также будут с «удовольствием» переходить в твердую карбонатную накипь. Поэтому в тех же своде правил VDI 2035 есть еще таблица, требованиям которой мы призываем придерживаться всех.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Уточненные требования по жесткости

Правила VDI 2035 допускают заполнять систему водой с показателями жесткости до 16,8°dH, что уже по российским нормам еще относится к средней жесткости, а по немецким уже стоит на грани жесткой и очень жесткой. Мы рекомендуем при заполнении бытовых систем отопления ориентироваться на жесткость не более 11,2°dH или 4°Ж (мг-экв/л). Если жесткость исходной воды больше, то ее следует подготовить – подвергнуть очистке и умягчению. И узел подпитки системы отопления, через который чаще всего ее заполняют, тоже необходимо оснастить хотя бы механическим фильтром, а в случае необходимости и каким-либо устройством для умягчения.

Требования к жесткости воды в системе, которые мы изложили справедливы не только для алюминиевых теплообменников конденсационных котлов, но также изготовленных из нержавеющей стали. Если рассмотреть этот вопрос еще шире, то нормы VDI 2035 пункт 1 справедливы для всех видов котлов, использующих в качестве теплоносителя воду и для всех материалов, из которых изготавливаются теплообменники: сталь, нержавеющая сталь, чугун, медь, легированный алюминий.

Теперь перейдем к практической части и зададимся вопросом как же измерить жесткость воды и стоит ли это делать самостоятельно? Какие есть способы определения?

  • Первый, самый точный и верный – это лабораторный анализ. Пробу воды можно сдать в местную СЭС или организацию, которая занимается водоснабжением. У них всегда есть лаборатории с необходимым оборудованием. В принципе, у водоснабжающих организаций всегда есть точная информация о качестве воды, в том числе и о жесткости.
  • Артезианская вода всегда жесткая, а дождевая – мягкая. Если при намыливании рук пена моментально образуется, то вода мягкая. В противоположном случае – жесткая. Если мыло смывается легко – вода жесткая, а если трудно – то мягкая. Этот способ позволяет только оценить, но не измерить.
  • Еще один оценочный способ – это наблюдение за тем насколько быстро образуется накипь в чайнике. Чем быстрее она появляется и начинает увеличиваться – тем жестче вода.
  • У продавцов бытовой техники (посудомоечных и кофе-машин) могут быть в ассортименте специальные тест-полоски для определения жесткости. А также такие тесты могут быть в тех магазинах, где продаются аквариумы и все аксессуары к ним. Это довольно точный способ, дающий погрешность всего в 1—2 Ж°.
  • Существуют портативные приборы, которые замеряют проводимость воды и на основании этого оценивают жесткость. Их называют TDS-метры. Они хоть и недорого стоят, но покупать их необязательно. У любителей аквариумов и комнатных растений обязательно есть в арсенале такой прибор. Можно просто прийти с пробой воды и замерить жесткость. TDS-метры выдают результат в американских единицах – ppm, которые потом легко перевести в нужные.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

TDS-метр и PH-метр

Защита от коррозии теплообменников из легированного алюминия

Теперь разберемся с коррозийными процессами, идущими со стороны теплоносителя – воды. И в этом вопросе все очень сильно зависит от наличия кислорода в воде. Если его содержание будет минимально, то вероятность возникновения коррозии также будет очень низкой. Кислород может проникнуть в систему отопления или вместе с водой при заполнении и подпитке, или через стенки труб при уже заполненной системе. Поэтому для любой системы отопления желательно выбирать кислородонепроницаемые трубы. Таковыми прежде всего являются трубы из любых металлов: сталь, нержавеющая сталь, медь. Полимерные трубы более проницаемы для кислорода, поэтому в них делают антидиффузные слои. В металлопластиковых или некоторых полипропиленовых трубах (PPR) применяют алюминиевую фольгу в среднем слое, которая является надежным барьером для кислорода. В трубах из сшитого полиэтилена (PEX) применяют специальный полимерный слой EVOH (Ethylene-vinyl alcohol), который является хорошим барьером для проникновения кислорода. Причем желательно, чтобы слой EVOH находился внутри полимерных слоев, так как при наружном его расположении его легко повредить при монтаже.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

«Правильная» труба — слой EVOH посередине

Конденсационные котлы очень часто сочетают с отоплением теплыми полами. Один контур теплого пола может иметь солидную длину в 70—100 м и при этом отапливать всего 10—15 м² площади. Справочные данные свидетельствуют о том, что на 1 м² при шаге укладки в 150 мм уходит примерно 6,7 м трубы. Значит, при площади отопления в 30 м² длина всех контуров будет 6,7*30=201 м. Тогда площадь поверхности трубопровода теплого пола диаметром 20 мм будет (вспоминаем формулу площади боковой поверхности цилиндра S=π*D*h) S=3,14*0,020*201=12,62 м². И все эти квадратные метры будут открыты для проникновения кислорода внутрь теплоносителя. Мы надеемся, что читатели понимают, что речь идет не о прямом проникновении, а о диффузном. Если в окружающем воздухе кислорода много, а в теплоносителе мало, то кислород будет стараться диффундировать до тех пор, пока парциальные давления не сравняются. И даже бетонная стяжка пола не является надежной преградой для проникновения кислорода. Так что мы советуем в системах отопления никогда не пренебрегать специальными мерами по защите от диффузного проникновения кислорода. Приведем примеры:

  • В однослойные трубы из сшитого полиэтилена (PEX) проникает кислорода путем диффузии 650 мг/(м²*сутки);
  • В однослойные трубы из полипропилена (PPR) – 900 мг/(м²*сутки);
  • В трубы из сшитого полиэтилена с барьерным слоем (PEX-EVOH-PEX) проникает 0,32 мг/(м²*сутки);
  • В трубы из полипропилена, армированные стекловолокном (PPR-FG-PPR) – 900 мг/(м²*сутки);
  • В трубы из полипропилена, армированные не перфорированным алюминием (PPR-AL-PPR) проникает 0 мг/(м²*сутки);
  • В металлопластиковые трубы из полиэтилена повышенной термостойкости (PERT-AL-PERT) проникает 0 мг/(м²*сутки).

Сразу хотим отметить, что рекомендации по защите системы отопления от диффузного проникновения кислорода касаются не только конденсационных котлов с теплообменниками из легированного алюминия (силумина), но и любых других. Кислород, растворенный в теплоносителе, может способствовать или вызвать коррозию не только теплообменников котлов, но и таких популярных в настоящее время стальных панельных и биметаллических радиаторов отопления. Для минимизации коррозийных процессов нормы VDI 2035 рекомендуют выполнять следующие условия:

  • Во-первых, специалистами должно быть выполнено грамотное проектирование, монтаж и ввод в эксплуатацию системы отопления.
  • Во-вторых, система отопления должна быть закрытой и герметичной. Попадание большого количества кислорода с водой при наполнении или подпитке должно быть исключено.
  • В-третьих, в системе отопления должна всегда действовать исправная система поддержания нужного давления: расширительный бак, аварийный клапан, устройство подпитки, автоматические воздухоотводчики.
  • В-четвертых, должны быть соблюдены условия по качеству воды, которые мы приводили в двух предыдущих таблицах.
  • В-пятых, в системе отопления, особенно в трубах теплого пола, должна обязательно исключаться или минимизироваться диффузия кислорода в теплоноситель.
  • И, наконец, система отопления должна регулярно проверяться и обслуживаться специалистами для поддержания ее в исправном состоянии.

Еще одним из опасных факторов для теплообменников конденсационных котлов из легированного алюминия является воздействие на него кислот и щелочей, но уже изнутри, со стороны теплоносителя. Мы уже ранее отмечали, что о том, что вода с растворенными в ней химическими соединениями может проявлять либо кислотные (ph<7), либо щелочные (ph>7) свойства. Нейтральной средой, своеобразной точкой отсчета, является дистиллированная вода с ее ph=7.

Прежде всего коррозийная стойкость теплообменников определяется составом самого сплава. Добавление в алюминий кремния и магния в определенных пропорциях значительно расширяют стойкость сплава к химическому воздействию как кислот, так и щелочей. Тем, кто по-прежнему скептически относятся к силумину в отоплении следует открыть капот самого «навороченного», надежного и дорогого автомобиля и посмотреть из какого сплава сделаны детали системы охлаждения двигателя (различные патрубки, некоторые радиаторы и другие). Какого-же будет их удивление, когда они узнают, что это силумин. Следует учесть, что система охлаждения двигателей работает в не менее жестких условиях, чем теплообменники отопления, а во многом даже более жестких.

Ранее мы выяснили, что алюминий и его сплавы не боится слабокислой среды благодаря тому, что на его поверхности образуется слой оксида Al₂O₃. Это очень химически устойчивое и прочное соединение. В кристаллической форме он известен как корунд и используется для абразивных материалов. Также нам известен кристаллический оксид алюминия с примесью хрома как рубин – драгоценный камень красного цвета. Тот же оксид, но с примесью титана или железа имеет обычно синий цвет и такой камень называют сапфиром. Конечно, слой образующийся на поверхности теплообменников нельзя назвать сапфировым или рубиновым, но химические свойства будут похожи. Кристаллический оксид алюминия более стойкий к различным воздействиям.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Кристаллическая структура оксида алюминия

Если просто взять деталь из чистого алюминия и поместить на воздух или в воду, то очень быстро образуется оксидная пленка. Но она будет очень тонкой – всего 3—9 нм и иметь аморфную структуру. При незначительном определенном химическом, физическом, электрохимическом воздействии на эту пленку она легко повреждается и «обнажает» алюминиевую основу, которая сразу вступает в реакцию и с кислородом, и с водой. Поэтому при производстве теплообменников используют различные методы для утолщения защитного оксидного слоя.

При повышенной температуре – 400°C и более, оксидная пленка будет уже потолще – 17—22 мм. Вдобавок оксид алюминия уже может быть не только в аморфном, но и частично в более стойком — кристаллическом состоянии. Кроме повышенных температур в технологическом процессе создания утолщенной оксидной пленки применяют химические реагенты и различные гальванические способы. Также нашли применения способы защиты поверхности теплообменников специальным полимерным составом. Каждый производитель применяет свои технологии, тонкости которых по понятным причинам не разглашаются. В результате получается теплообменник, который не боится ни внешнего воздействия конденсата, ни внутреннего воздействия теплоносителя.

Конденсат, образующийся после сгорания дымовых газов, имеет слабокислую среду и для теплообменника из легированного алюминия абсолютно не страшен, мы это уже выяснили. Но какой водородный показатель должен быть у теплоносителя. Ранее мы говорили, что для минимизации возникновения накипи, желательно наполнять систему водой с dH°≤11,2. Для этого применяют различные способы умягчения воды. Но не все они подойдут для тех систем отопления, в которых используются конденсационные котлы.

Если силумин довольно «безразлично» относится к слабокислой и умеренно кислой среде (кроме соляной кислоты), то щелочей он боится гораздо больше. Их присутствие в определенных количествах (ph>8) инициирует разрушение оксидного слоя, что очень быстро приводит к коррозии, даже сквозной. Например, 1%-ный раствор обычной пищевой соды имеет ph=11,6, что уже «смертельно» для алюминия и сплавов. Обычная раствор хозяйственного имеет ph около 11, а стиральные порошки по водородному показателю уже могут «зашкалить» за ph=12. То есть обычные средства, которыми мы пользуемся в быту могут вполне спровоцировать лавинообразную коррозию теплообменника из легированного алюминия, если они будут с ним в контакте.

Взаимодействие оксида алюминия с щелочами можно представить в виде химического уравнения:

AlO₃ + NaOH + 7HO → 2Na[Al(OH)₄(HO)₂].

Полученное соединение относится к комплексным солям и в этом случае оно называется гидроксоалюминат натрия, который растворим в воде. После того, как щелочь «съест» оксидную пленку, она примется вступать в реакцию с алюминием:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑.

Образуется тетрагидроксоалюминат натрия, который также растворим в воде. Кроме него еще и образуется газообразный водород, который явно лишний в теплоносителе отопления. Не забываем, что алюминий еще и охотно вступает в реакцию и с водой:

2Al + 6HO → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑.

Гидроксид алюминия (Al(OH)₃) плохо растворим в воде и выпадает в виде светлого студенистого осадка, который в теплоносителе тоже абсолютно не нужен. Получается, что при воздействии щелочей в опасных концентрациях, да еще при повышенных температурах при работе горелки котла, сразу начинают идти несколько химических реакций и теплообменник будет просто растворяться теплоносителем. К сожалению, это очень недалеко от правды.

Ранее мы выясняли, что алюминий и его сплавы вполне «комфортно» себя «чувствует» тогда, когда на него производится воздействие соединений с ph от 3,5 до 8,5. Компания Buderus, применяя сплавы AlSi10Mg(a) / G-AlSi10Mg, заявляет, что ее теплообменники способны выдержать «натиск» щелочей с ph до 9,0. Но это вовсе не означает, что можно заполнять систему отопления с конденсационным котлом водой, которая будет по водородному показателю близка что к меньшей, что к большей границе разрешенного диапазона. Тем более, что кроме теплообменника в системе отопления могут присутствовать еще и детали, из других металлов, которые также будут оказывать воздействие на теплоноситель, изменяя его жесткость или ph.

Измерить ph воды и узнать подходит ли она для того, чтобы заполнять ей систему отопления очень легко. Для этого существуют специальные тест-полоски, которые с очень хорошей точностью дают результат. Их также можно приобрести там, где продают аквариумы. Помимо полосок существуют стационарные лабораторные или портативные приборы для измерения этого показателя. Любая лаборатория, где производятся анализ воды, имеет такой прибор, так что проблем с замером не должно быть. Если квартира или дом подключены к централизованному водопроводу, то вся информация о показателе ph должна быть на сайте водоснабжающей организации или это можно узнать по телефонному звонку.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Тест-полоски для определения ph

Водоподготовка для заполнения и дальнейшей подпитки систем отопления очень важна, и она не имеет универсального для всех случаев решения. На этот процесс влияет прежде всего качество и химический состав исходной воды, которые возможно определить, только лабораторным анализом. Самостоятельно, в домашних условиях это сделать просто невозможно. Затем необходимо узнать какое именно оборудование будет применяться в системе отопления и оценить какие химические процессы могут происходить с теплоносителем. Это позволит определиться с оптимальной жесткостью и показателями ph. И только после всего этого можно делать выбор нужного оборудования подготовки воды для системы отопления. Очевидно, что большинству в домашних условиях это будет не под силу. Поэтому самым лучшим выходом будет – это услуги специалистов.

Выводы по поводу силуминовых теплообменников

Теперь, обобщив всю вышеизложенную информацию, сделаем предварительные выводы по поводу теплообменников конденсационных котлов из легированного алюминия (силумина). Отметим их сильные и слабые стороны.

  • Сплав алюминия и кремния с легирующими добавками магния и марганца по сравнению с нержавеющими теплообменниками более дешевый в производстве. Это, наверняка, является решающим фактором нынешнего доминирования теплообменников из силумина в современных котлах.
  • Низкая плотность алюминия вместе с отличной теплопроводностью позволяет создавать компактные и легкие теплообменники высокой мощности.
  • Так как теплообменники из алюминиевых сплавов изготавливаются методом литья, то это позволяет создавать однородные по структуре теплообменники, обладающие и хорошей механической прочностью, и пластичностью. Силуминовые теплообменники не боятся разницы температур на подающей и обратной линии даже в десятки градусов.
  • Методом литья можно создавать любые по конфигурации теплообменники без всяких соединений как одинаковых, так и разных материалов. Известно, что любые соединения почти всегда хуже, чем монолитная и однородная конструкция.
  • Легированный алюминий отлично противостоит воздействию кислот, образующихся при конденсации водяного пара в дымовых газах.
  • При должной водоподготовке и постоянном контроле теплообменники из легированного алюминия не подвергаются коррозии со стороны теплоносителя, ph-показатель которого может быть в широком диапазоне: от 3,5 до 8 (компания Buderus гарантирует отсутствие коррозии в своих теплообменниках до ph=9).

Теплообменники из легированного алюминия уже доминируют на рынке конденсационных котлов. И в дальнейшем, скорее всего, они не упустят свое лидерство, а будут только наращивать его. Но все же этот материал требует особого и бережного отношения к себе. А для этого надо знать слабые стороны силуминовых теплообменников.

  • Внешняя сторона теплообменников имеет рельефную, ребристую и сложную структуру. Это улучшает теплообмен и позволяет сделать котел легче и компактнее, но значительно затрудняет чистку и техническое обслуживание. Теоретически природный газ должен сгорать без образования сажи, но на практике все далеко не так. Сажа оседает в ребрах теплообменника, откуда ее очень сложно вычистить. Осевшая сажа должна смываться конденсатом, но если котел работает при высоких температурах в обратной линии, то сажа остается и нарушает теплообмен.
  • При нерегулярном техническом обслуживании теплообменников конденсационных котлов на их поверхности образуются отложения шлама из золы и гидроксида алюминия, которые вкупе с жидким конденсатом и высокой температурой смогут спровоцировать коррозию.
  • Внутренняя поверхность литых теплообменников из алюминиевых сплавов имеет шероховатости, на которых охотней образуется накипь, чем на гладких и полированных поверхностях.
  • Алюминий – это мягкий металл, который больше, чем сталь подвержен абразивному износу. Поэтому особое внимание надо уделять промывке системы перед запуском и тонкой очистке при водоподготовке. В процессе эксплуатации системы отопления в теплоносителе может образовываться шлам, имеющий абразивные свойства. поэтому всегда на обратной магистрали перед входом в котел устанавливают фильтр грубой механической очистки (грязевик, косой фильтр), который периодически очищают.
  • Техническое обслуживание конденсационных котлов с теплообменником из силумина обходится дороже, чем из нержавеющих сталей, так как внешнюю чистку и внутреннюю промывку теплообменников из силумина должны производить только специалисты, которые должны применять особые чистящие и моющие средства, разрешенные производителем. Бытовые средства, жесткие щетки и любые абразивы применять запрещено.
  • Конденсационные котлы с теплообменниками из алюминиевых сплавов требуют тщательной водоподготовки и постоянного контроля за уровнем жесткости и ph.

Теплообменники из нержавеющей стали

Вторым материалом, используемым для изготовления теплообменников конденсационных котлов, является нержавеющая сталь, которая относится к классу коррозионно-стойких сталей. Причем для конденсационных котлов важна стойкость как к воздействиям атмосферным, так и со стороны различных жидких кислотных и щелочных агрессивных сред. Нужные свойства нержавеющим сталям придают путем легирования – введения в состав сплава других элементов, которые улучшают свойства конечного продукта. А также очень важна чистота самой стали от традиционно ее сопровождающих примесей, ухудшающих свойство сплава. Это прежде всего углерод и сера.

Одним из флагманов в производстве теплообменников из нержавеющей стали в конденсационных котлах является известный немецкий концерн Viessmann. Котлы под этой маркой давно известны как специалистам, так и потребителям. Они доказали свою надежность многими годами эксплуатации. На нержавеющие теплообменники конденсационных котлов Viessmann дает 10-летнюю гарантию, что уже о многом говорит. Это заявка на то, что за весь срок эксплуатации котла с теплообменником не произойдет ничего, что вывело бы его из строя. Конечно, при этом предполагается, что все рекомендации производителя по качеству теплоносителя, температурным режимам и техническому обслуживанию будут неукоснительно соблюдаться.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Теплообменник из нержавеющей стали

Для теплообменников Viessmann используются аустенитные хромоникелевые нержавеющие хромоникелевые стали двух марок: 1.4571 и 1.4404. Их выгодно отличает прочность, отличная коррозийная стойкость ко всем средам, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации, пластичность и технологичность в обработке. Эти стали являются лучшими представителями и широко применяются в пищевой и химической промышленности, а также в машиностроении. Сталь марки 1.4404 еще применяется и в медицине, в том числе и во вживляемых в человеческое тело устройствах. Ювелиры также не обделили вниманием эту сталь и делают из нее ювелирные украшения и корпуса для очень дорогих часов. Любитель пирсинга чаще всего прокалывают свое тело изделиями именно из 1.4404. Характеристики некоторых видов нержавеющих сталей, в том числе и применяемых для теплообменников, можно посмотреть в таблице.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Характеристики нержавеющих сталей

Две вышеупомянутые марки стали: 1.4571 и 1.4404, — имеют такую маркировку по немецкой системе стандартизации DIN. По американской системе стандартизации AISI им соответствуют марки 316Ti и 316L. В российском ГОСТ также есть эти стали под марками 08Х17Н13М2Т и 03Х17Н14М3. Для нержавеющих сталей очень важно низкое содержание углерода, так как он образует с металлами карбиды, которые увеличивают хрупкость и снижают коррозийную стойкость. Для сплава 1.1404 содержание углерода составляет не более 0,03%, а для 1.4571 – менее 0,08%. Это очень хорошие показатели, которые достигаются только на высокотехнологичных производствах.

Основным легирующим компонентом, который определяет коррозионную стойкость стали является хром, которого должно быть не менее 13%, а в названых сортах его 16—18% для 1.4571 и 17—19% для 1.4404. Хром в поверхностном слое соединяется с кислородом и образует стойкий пассивирующий слой из оксида хрома — Cr₂O₃. Кроме химической стойкости хром придает нержавеющим сталям прочность. Поверхности таких сталей очень гладкие, их можно отполировать до зеркального блеска. Внутри теплообменников из такой стали «неохотно» осаждается накипь, а конденсат, легко стекает по внешней поверхности, заодно смывая любые загрязнения.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Самоочистка теплообменника каплями конденсата

Кроме хрома в состав нержавеющих сталей еще вводят никель (Ni), которого в марке 1.4571 содержится 11,0—12,5%, а в 1.4404 никеля от 10% до 14%. Никель улучшает антикоррозийные свойства стали, он делает аустенитный твердый раствор всех компонентов нержавеющей стали более стабильным и равномерным. Нержавеющие стали с добавлением никеля отличаются светлым оттенком и зеркальным блеском, они не темнеют со временем, отлично обрабатываются.

Еще одним из важных легирующих компонентов нержавеющих сталей является молибден, которого в коррозийно-стойких сплавах содержится 2—3%. Этот элемент образует карбиды с оставшимся в сплаве углеродом, причем он делает это гораздо «охотнее» хрома. Получается, что он «берет удар на себя», переводит углерод в неактивную форму и равномерно растворяется в аустените. Зернистость стали становится меньше, прочность выше. Коррозийная стойкость нержавеющих сталей с молибденом лучше, чем без него. Еще одним из легирующих металлов, который могут вводить в сплав является титан, которого должно быть минимум в 5 раз больше оставшегося углерода. Титан также образует карбиды, не давая «в обиду» главного «игрока» – хром.

Нержавеющие стали, упомянутые нами, имеют очень хорошую химическую стойкость в очень широком диапазоне ph и при различных температурах. Для испытаний стойкости сплавов им создают такие условия, которые никак не могут возникнуть в конденсационных котлах, разве что на химических производствах. По результатам испытаний нержавеющие стали 1.4571 и 1.4404 могут применяться как с пресной, так и с морской водой, в неагрессивных и слабоагрессивных средах, в окислительных средах (кислотах) и восстановительных (щелочах). Вспоминаем, что кислотные свойства конденсата газовых котлов меньше, чем у обычной Кока-Колы и делаем вывод, что с внешней стороны теплообменника, там, где образуется конденсат, нет абсолютно никакой даже малейшей угрозы для коррозии. Мало того, есть еще и немалый запас прочности.

С внутренней стороны теплообменника нержавеющим сталям упомянутых марок тоже ничего не грозит. Если алюминиевые сплавы боятся щелочей, то нержавейка их переносит даже в очень высоких концентрациях (ph до 13). Учитывая, что водородный показатель ph теплоносителя всегда стараются сделать близким к нейтральному ph=7, то можно сделать вывод о ничтожной вероятности возникновения коррозии на всем протяжении срока службы котла. Конечно, при этом водоподготовку с удалением механических примесей, кислорода и солей жесткости никто не отменял.

Теплообменники из нержавеющей стали имеют сборную конструкцию, их невозможно отлить полностью как их силуминовых «собратьев». Основной способ соединения деталей – это сварка. Всем читателям наверняка известно, что любой сварной шов почти всегда является слабым местом, именно в нем прежде всего начинается коррозия даже у нержавеющих сталей. Это объясняется тем, что при сварке идет интенсивный нагрев зоны шва, который провоцирует соединение хрома с углеродом с образованием карбида хрома — Cr₃C₂, который концентрируется на границе кристаллитов, называемых еще и зернами.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Межкристаллитная коррозия нержавеющей стали

Карбид хрома является стойким соединением, но его появление именно на границе кристаллитов способствует расслоению изначально однородной структуры металла. При значительных механических нагрузках именно по месту расположения Cr₃C₂ идет разрушение. Вторая неприятность, которую приносит карбид хрома – это то, что он связывает хром, а он в нержавеющих сталях играет основную роль по защите от коррозии. Получается, что место сварного шва будет обеднено хромом, значит скорее всего именно в этом месте и начнется коррозия. Для того чтобы этих неприятных «сюрпризов» не происходило, прибегают к специальным мерам.

  • Во-первых, хорошее качество сварки нержавеющих сталей возможно только в тех ее марках, где невысокое содержание углерода. И чем его меньше, тем лучше. У стали марки 1.4404 (углерода 0,03%) при равных условиях сварки шов будет лучше, чем у 1.4571 (углерода 0,08%).
  • Во-вторых, присутствие в нержавеющих сталях молибдена способствует при нагреве связыванию углерода. Карбид молибдена – MoC, образующийся при этом, не имеет склонности оседать на границе кристаллитов, а растворяется равномерно. При этом хром остается свободным.
  • В-третьих, добавки титана в нержавеющую сталь марки 1.4571 компенсирует повышенное содержание углерода. Титан так же, как и молибден, гораздо быстрее образует карбиды, чем хром. При этом карбиды титана не концентрируются на границах кристаллитов, а распределяются по объему равномерно. Расслоения структуры стали при этом не происходит.
  • В-четвертых, сварку нержавеющих сталей ведут в среде инертных газов либо вольфрамовым электродом, либо в полуавтоматическом режиме. При этом качество прутка, электрода или проволоки всегда ничуть не хуже, а лучше, чем свариваемая сталь. Самые лучшие результаты дает сварка лазером в среде инертных газов.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Лазерная сварка

  • В-пятых, сварка не должна перегревать детали, поэтому ее ведут с минимально возможным током, который обеспечивает качественное соединение. Дугу зажигают не на свариваемых деталях, а на графитной поверхности, а потом плавно переводят на место соединения.
  • В-шестых, сварку ведут с высокой скоростью. После сваривания шов максимально быстро охлаждают.
  • И, наконец, после сварки обязательно делают механическую очистку шва и его пассивацию химическими реагентами.

Понятно, что вручную сваривать теплообменники на современных производствах никто не будет – все эти процессы уже давно отданы роботам, которым неведом человеческий фактор, которым принято иногда объяснять производственный брак, сделанный по вине людей. Каким именно способом сваривают нержавеющие теплообменники на производстве Viessmann информации нигде нет, но это, в принципе, неважно. Главное – это качество и гарантии, даваемые производителем, а также многолетний опыт эксплуатации.

Выводы по поводу теплообменников из нержавеющей стали

Технологические процессы получения готовых изделий из алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей очень сильно отличаются друг от друга. Для производства сталей затрачивается гораздо больше энергии и длиннее технологическая цепочка. Соответственно и цена на качественную хромоникелевую нержавеющую сталь и изделия из нее гораздо выше, чем на устройства, выполняющие ту же самую функцию, но из легированного алюминия. Возникает вопрос – а зачем производить теплообменники из нержавеющей стали, если они дороже? Наверное, есть все-таки какие-то неоспоримые достоинства? Перечислим их.

  • Нержавеющие хромоникелевые стали по коррозийной стойкости гораздо лучше алюминия и его сплавов. Недаром нержавеющие стали 1.4571 и 1.4404 применяют в медицине, на химических и пищевых производствах.
  • Нержавеющая сталь по твердости намного превосходит алюминий, она не боится абразивного износа.
  • Несмотря на то что теплопроводность нержавеющей стали в несколько раз ниже, чем алюминия. И это сказывается на габаритах, но в настенные конденсационные котлы тем не менее умещаются теплообменники на 50 кВт, что более чем достаточно даже для двухэтажного дома.
  • В больших по размерам теплообменниках намного проще производить техническое обслуживание.
  • Для чистки нержавеющих теплообменников от сажи и копоти можно применять эффективные химические средства, которые противопоказаны алюминию. И также допустимо применять мягкие абразивные средства (щетки, губки), которые очищают от загрязнений, но в то же самое время не царапают поверхность. Те же самые средства, которые применяют для мытья посуды из нержавеющей стали вполне применимы и для чистки теплообменников.
  • Срок службы теплообменников из нержавеющей стали гораздо больше, чем из силумина.

У нержавеющих теплообменников есть только один минус – более высокая цена. Но в сочетании с их достоинствами этот «недостаток» становится очень несущественным. В дальнейшем мы будем рассматривать подробно только теплообменники из нержавеющей стали, так как авторы статьи больше проявляют симпатию именно к ним.

Разновидности конструкций нержавеющих теплообменников конденсационных котлов

Ранее мы уже выяснили, что теплообменник со строенным экономайзером гораздо выгоднее, чем с отдельным. Настало время узнать, как на деле реализуется в одном устройстве съем энергии и от пламени горелки, и от конденсации пара из дымовых газов.

Наверное, каждый, кто впервые увидел устройство конденсационного котла задался вопросом – почему горелка находится или сверху, или сбоку? Ведь гораздо логичнее горелку иметь снизу, как в традиционных котлах, чтобы разогретые газы поднимались к теплообменнику, подчиняясь законам физики. Объяснение здесь очень простое – в конденсационных котлах на теплообменнике образуется конденсат, который будет капать обратно на горелку. Если это будет происходить во время работы котла, то капли вновь превратятся в пар на что будет затрачена энергия. Получается, что смысла «провоцировать» выпадение конденсата нет абсолютно, если его вновь испарять. Когда горелка погаснет, конденсат будет капать на нее, что не в лучшую сторону отразится на работе котла.

Во всех конденсационных котлах горелки наддувные, то есть воздушно газовая смесь нагнетается под давлением. В обычных горелках воздух подмешивается из-за напора газа, а в наддувных изначально подается под давлением. Это позволяет пламени распространяться не только вверх, как в атмосферных горелках, но и вниз, вбок, куда угодно. Поэтому камеры сгорания конденсационных котлов часто делают цилиндрическими, в которых горелка находится в центре, по оси цилиндра, а теплообменник у боковой поверхности. На горелках мы подробнее остановимся ниже, а конструкцию теплообменников рассмотрим прямо сейчас.

Теплообменники, расположенные в цилиндрических камерах сгорания, называются радиальными из-за своей круглой во фронтальной проекции формы. Они могут иметь разную конструкцию. Рассмотрим первую их разновидность, запечатленную в разрезе на следующей фотографии.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Радиальный многослойный теплообменник из нержавеющей стали

Мы видим, что теплообменник разделен на 3 слоя каждый из которых представлен в виде ряда трубок из нержавеющей стали. Видно, что трубки в каждом из уровней имеют разный диаметр. Это сделано для того, чтобы увеличить площадь теплосъема, так как чем дальше от центра камеры сгорания расположены трубки, тем меньшее количество тепла можно будет «снять». Три слоя по сути представляют собой отдельные контура, которые подключается параллельно. Если подключить их последовательно, то тогда очень сильно вырастет гидравлическое сопротивление теплообменника.

Теплоноситель с обратной магистрали отопления поступает в теплообменник, где разделяется на три потока. Во внутреннем контуре идет непосредственный нагрев от радиальной газовой горелки, которая расположен в центре камеры сгорания. На фотографии видно, что на передней стенке есть специальное отверстие и шпильки для крепления блока горелки. Дымовые газы, отдав часть теплоты внутреннему контуру, частично остывают, проходят между витками трубы и поступают на средний контур, на котором тепло также передается теплоносителю. Не с такой интенсивностью, но передается. Затем уже порядочно остывшие газы проходят между витками промежуточного контура и поступают к внешнему, где протекает теплоноситель с температурой обратной магистрали системы отопления. И если температура ниже 55°C (точки росы), то на трубках внешнего контура начинает выпадать конденсат, отдавая энергию теплоносителю.

На выходе из теплообменника три потока объединяются в один. Температурный датчик отслеживает результирующую температуру теплоносителя и через блок автоматики увеличивает или уменьшает мощность горелки. Дымовые газы распространяются во все стороны – от центра во все стороны и проходят в зазоры между витками труб, так как газовоздушная смесь подается под давлением и камера сгорания герметичная. Вход воздуха и газа осуществляется через горелку, а выход расположен за внешним трубчатым контуром. Капли конденсата стекают по гладкой поверхности трубок вниз, где есть специальное отверстие для слива.

Вот так в одном устройстве удается снять и явную теплоту сгорания газа, и скрытую теплоту конденсации водяного пара. Главный недостаток такой конструкции – то сложность технического обслуживания. Если внутренний контур легко отмыть от загрязнений, то средний и внешний очень трудно. А различные загрязнения в виде сажи, копоти, пыли, поступающей вместе с воздухом есть в любом газовом котле.

Второй тип конструкции теплообменника из нержавеющей стали показан на следующей фотографии.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Радиальный теплообменник с разделительной плитой

Видно, что трубка теплообменника сделана в одном уровне, что облегчает техническое обслуживание. Сечение трубы сделано не круглым, а в виде «приплюснутого» эллипса. Такая форма позволяет прежде всего минимизировать образование накипи и увеличить теплосъем с дымовых газов. Известно, что накипь образуется прежде всего там, где самые высокие температуры. Таким местом в котле является именно камера сгорания. Трубка в таком теплообменнике своим торцом обращена к пламени горелки. Торец имеет меньшую площадь чем боковая поверхность трубки, соответственно и накипи будет меньше. Такой профиль трубки теплообменника еще и позволяет сделать поток теплоносителя турбулентным, что также снижает известкование.

Этот теплообменник имеет две камеры, отделенные друг от друга термостойкой изолирующей плитой. На фотографии она хорошо видна. Весь теплообменник состоит из 4 элементов, каждый из которых представляет собой 4 витка трубки из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм. Три элемента находятся в передней части, там же, где и горелка, а четвертый в задней. Рассмотрим на следующем рисунке как подключается такой теплообменник. это поможет понять принцип его работы.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Подключение теплообменника в конденсационном котле

Обратная магистраль системы отопления (на рисунке выделена синим цветом) подключается к двум элементам из 4 витков трубки: к тому, что находится за разделительной плитой и к одному, расположенному в задней части первой камеры. Подключение идет параллельно, чтобы снизить гидравлическое сопротивление. Выход этих двух элементов объединяется в один поток, который подключается к двум элементам из четырех витков, находящихся в передней части камеры сгорания. Подключение также идет параллельно. Выходы этих элементов объединяются в один поток, которые представляет не что иное как подающая магистраль котла. Теперь о самом интересном – о работе такого теплообменника. Рассмотрим другой рисунок.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Работа теплообменника с разделительной плитой

Газовоздушная смесь подается под давлением в горелку котла. После сгорания дымовые газы проходят в зазоры между трубками, так как идти им больше некуда. Попутно они отдают тепловую энергию через стенки трубок теплоносителю, протекающему в них. Изрядно охладившись, газы попадают в пространство между змеевиком теплообменника и его корпусом и под воздействием повышенного давления движутся к выходу, который расположен во второй камере, отделенной от первой теплоизоляционной плитой. При этом они «вынуждены» проходить через витки трубы элемента теплообменника из 4 витков трубы, расположенного во второй камере. А к этому элементу подключена обратная магистраль отопления. И если температура «обратки» ниже точки росы – 55—57°C, то идет обильное выпадение конденсата, передающего тепловую энергию теплоносителю.

Вторая камера представляет собой конденсационную часть теплообменника. Теплоноситель в ней предварительно подогревается и только потом поступает в первую камеру, где уже доводится до нужной температуры. За температурой теплоносителя, разумеется, следят датчики, которые также через автоматику управляют мощностью горелки. Конденсат стекает по трубкам в нижнюю часть теплообменника, где имеется отверстие для слива. Дымовые газы на выходе имеют температуру около 40°C, если котел работает в конденсационном режиме и около 80°C, если работа идет в обычном режиме. Это позволяет сделать сборник отходящих газов и сам дымоход из пластмассы.

Такая конструкция более выигрышна по сравнению с описанной ранее. Немало моделей котлов известных марок имеют именно такие теплообменники. мы описывали в данном примере параллельное подключение элементов теплообменника, но существуют модели, в которых змеевик представляет собой непрерывную трубку. Правда, площадь поперечного сечения, правда, у нее должна быть больше, чтобы теплообменник не создавал высокого гидравлического сопротивления.

Третий тип теплообменников из нержавеющей стали впервые внедрила компания Viessmann и с успехом свой подход она продвигает в жизнь. Ее теплообменники, названные Inox Radial, доказали свою надежность и эффективность. Чем же они отличаются от тех, что мы описывали выше?

  • Змеевик теплообменника Inox Radial сделан из нержавеющей стали марки 1.4404 толщиной от 1,2 до 1,5 мм (зависит от мощности), тогда как у аналогичных котлов других производителей толщина может составлять 0,5—0,8 мм. Это дает теплообменникам котлов Viessmann немалый запас прочности.
  • Сечение трубки теплообменника не круглое и не овальное, а в виде вытянутого прямоугольника со скругленными углами. На всем протяжении спирали сохраняется строгая геометрия формы. Это удалось сделать специалистам Viessmann благодаря тому, что теплообменник изготавливается не путем прессования круглой трубы, как в большинстве котлов, а из листовой стали.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Теплообменник Inox Radial

  • Большая площадь поперечного сечения (в 2—2,5 раза выше, чем у аналогов) трубки теплообменника Inox Radial минимизирует гидравлическое сопротивление. Также это позволяет теплоносителю протекать с малой скоростью, что оптимизирует теплообмен и уменьшает шум.
  • Между витками теплообменника Inox Radial по всей его длине строго выдерживается постоянный зазор в 0,8 мм. Этого удалось достичь благодаря специально выпрессованным на боковой поверхности трубки змеевика выступам. Постоянство зазора делает равным сопротивление движению дымовых газов. Это позволяет сделать их течение ламинарным, то есть с равной скоростью всех слоев, без образования турбулентности. При ламинарном потоке теплообмен идет более равномерно. Дымовые газы беспрепятственно эвакуируются из теплообменника в дымоход.
  • Теплообменник Inox Radial сделан непрерывным, нет никаких параллельных элементов, что исключает протекание теплоносителя по пути наименьшего сопротивления, который шунтирует другие элементы. Поэтому и промывка теплообменника от накипи дает несравнимо лучшие результаты.
  • Гладкая и полированная и внутренняя поверхность теплообменника препятствует образованию накипи. На гладкой внешней поверхности змеевика капли конденсата и поток дымовых газов способствуют самоочистке от загрязнений. Кроме этого, гладкая поверхность трубок позволяет легче и с большей периодичностью проводить техническое обслуживание.
  • Ламинарный поток дымовых газов и форма вытянутого прямоугольника сечения змеевика теплообменника позволяет большую часть тепловой энергии «отбирать» в камере сгорания и в зазорах между витков спирали. В результате, при поступлении газов в зазор между змеевиком и корпусом котла могут быть созданы условия для конденсации, особенно в тыльной части теплообменника и при температуре обратной магистрали ниже точки росы.

На примере теплообменника Inox Radial можно увидеть, что упрощение конструкции не всегда приводит к худшим результатам. Можно сказать, что такой подход – это красивое инженерное решение. Рассмотрим теперь работу теплообменника и в этом нам поможет следующий рисунок.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Работа теплообменника

Газовоздушная смесь поступает через горелку в камеру сгорания под давлением. При сгорании, в районе горелки температура может достигать 900°C. Это тепло передается трубкам теплообменника, которые, в свою очередь, передают его теплоносителю. Так как в камере сгорания создается избыточное давление, то нагретые дымовые газы будут проникать через калиброванные зазоры в 0,8 мм между витками змеевика. Благодаря тому, что сопротивление воздушному потоку одинаково между всеми витками, поток газов будет течь с постоянной скоростью, проявляя свойства ламинарности, без турбулентности. Это способствует эффективной теплопередаче.

Газы, пройдя вдоль длинной стороны прямоугольного сечения трубы змеевика, отдают большую часть энергии. Затем они попадают в пространство между змеевиком и корпусом теплообменника и двигаются к выходу. Обратно попасть в камеру сгорания дымовые газы не могут, так как в ней создано повышенное давление. Обратная магистраль отопления подключена в задней части теплообменника (на рисунке обозначена HR). Если температура теплоносителя ниже точки росы (55—57°C), то на внешней поверхности труб змеевика образуется конденсат, прежде всего в задней части теплообменника. Капли конденсата стекают по трубкам вниз, а затем собираются в нижней части корпуса и вытекают через сливное отверстие. Выход теплообменника (на рисунке обозначен HV) располагается в передней части, там, где находится горелка.

Чтобы еще лучше понять принцип работы теплообменника Inox Radial расмотрим еще один рисунок, где элементы спирали показаны крупным планом.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Спираль теплообменника крупным планом

На данном рисунке показаны элементы теплообменника в нижней его части. Движение дымовых газов показано красной стрелкой. Заметно, что высота витка спирали составляет 36 мм. Это значительное расстояние, проходя которое нагретые газы успевают передать большую часть теплоты. В правой части рисунка показан график температуры дымовых газов. Если теплоноситель будет иметь температуру ниже точки росы, то выпадение конденсата охладит газы до температуры примерно 35°C.

Приготовление газовоздушной смеси в конденсационных газовых котлах

Конденсационные котлы очень требовательны к составу газовоздушной смеси, которая прежде всего должна обеспечить полное сгорание газа и еще создать условия для конденсации водяного пара. Ранее мы выяснили, что температура точки росы имеет зависимость от избытка воздуха в газовоздушной смеси: чем меньше избытка воздуха, тем выше температура точки росы, что для нас лучше. Добиться отсутствия избытка воздуха очень трудно, практически невозможно, но держать его в определенных рамках вполне реально. Тем более что вместе с избыточным воздухом в камеру сгорания попадает и водяной пар, от которого также можно получить дополнительную энергию, сконденсировав его.

В традиционных атмосферных котлах приготовление газо-воздушной смеси происходит из-за давления газа в магистралях, когда в сопле Вентури происходит подмешивание воздуха к газу. В конденсационных котлах все происходит с точностью до наоборот – газ подмешивается к подаваемому под давлением воздуху. И подмешивание газа также основано на эффекте Вентури, когда из-за увеличения скорости потока воздуха идет уменьшение его давления. В создающееся при этом разрежение подмешивается газ в нужных количествах. Типовую схему реализации узла полного предварительного смешения можно посмотреть на следующем рисунке.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Узел приготовления газовоздушной смеси

Одним из главных устройств в узле полного предварительного смешения является вентилятор, который на схеме обозначен как воздуходувка. Он может изменять скорость своего вращения, подавая больше или меньше воздуха на горелку котла. Именно он определяет мощность горелки. Управляет его работой блок управления, который формирует запросы на увеличение мощности (выше обороты) или ее уменьшение (обороты ниже).

Забор воздуха идет, как правило, в пространстве внутри котла, которое связано при помощи внешней трубы коаксиального дымохода с улицей. Получается, что при включении вентилятора он создает внутри котла разрежение и через коаксиальный дымоход воздух поступает извне. На входе воздушного канала в блоке полного предварительного смешения сделано сужение воздуховода. Это не что иное, как сопло Вентури. Из-за увеличения скорости поступающего из сопла воздуха давление в воздушной магистрали падает и на место образовавшегося разрежения через кольцевой зазор поступает газ от клапана.

Задача газовой арматуры пропустить для подмешивания такое количество газа, чтобы было полное сгорание и избыток воздуха не превышал бы 25%. Тогда можно надеяться на то, что точка росы будет на уровне 55°C. Газовый клапан конденсационного котла имеет более сложную конструкцию, чем у традиционного атмосферного. Прежде всего на воде этого устройства традиционно стоят клапан управления и клапан магистрального газа. Задача – просто открывать или закрывать подачу газа и регулировать подачу в нужных количествах. В случае возникновения каких-либо неисправностей эти клапаны просто перекрывают подачу и котел не сможет запуститься до тех пор, пока датчики не сообщат блоку автоматики, что все в порядке. Однако, есть одна неисправность, которая устраняется только после вмешательства человека. Это падение давления газа в магистрали. Хорошо, если это случилось по причине каких-то ремонтных работ, когда сервисные службы вынуждены перекрыть подачу по магистрали. Но такая неисправность может случиться и из-за того, что, например, порвался газовый шланг или есть сильные утечки голубого топлива в трубе. Естественно, что аварии такого рода просто требуют участия человека. Поэтому современные котлы после возникновения таких ситуаций начинают работать только после ручного перезапуска.

Автоматика конденсационного котла может судить о нужном количестве газа по скорости вращения вентилятора, нагнетающего воздух. Поэтому при помощи электронного блока управления на газовый клапан подается управляющее напряжение, которое регулирует подачу газа из магистрали. Кроме этого, газовый клапан связан с зоной Вентури, где происходит подмес газа к воздуху и оценивает разрежение в ней. В соответствии с этим клапан управления подает определенную порцию газа. Кроме этого в газовой арматуре находятся настраиваемые регулирующие мембраны, призванные очень точно дозировать газ перенаправляя его по каналам №1 и №2. Таким образом в блоке полного предварительного смешения очень точно поддерживается заданный избыток воздуха в газо-воздушной смеси во всем диапазоне модуляции.

Значимым преимуществом конденсационных газовых котлов является то, что они могут работать при сниженном давлении газа. В зимнее время, когда расходуется много газа для отопления, в магистралях может сильно упасть давление. Некоторые традиционные котлы могут вообще «отказаться» запускаться, некоторые запустятся, но не смогут развит полной мощности. Конденсационные котлы же лишены этого недостатка, так как в них идет подмес газа к воздуху, а не наоборот. Воздух, проходя через сопло Вентури, работает как насос, выкачивающий газ из магистрали.

Изначально все котлы настроены на производстве под усредненные стандартные параметры, но по месту установки специалистами, имеющими специальное оборудование, производится точная настройка, так как, к сожалению, нормы и реальные условия эксплуатации могут сильно отличаться. Мы сразу намерены предостеречь читателей о том, что настройка газового клапана является прерогативой специалистов. И даже если хозяин котла является знатоком, понимающим все тонкости процесса, то вряд ли у него будут в распоряжении специальные дорогостоящие приборы, без которых тонкая настройка невозможна.

Узел полного предварительного смешения, включающий вентилятор (воздуходувку), газовый клапан, воздухозаборник, узел смешения, магистраль подачи газа к горелке, — объединены в один блок. Это очень удобно, так как при техническом обслуживании теплообменника этот блок снимается целиком вместе с горелкой и потом также целиком ставится на место. При этом все настройки сохраняются. Конечно, и этот блок можно разобрать, но делать этого не стоит, этим могут заниматься только специалисты. Представим, что мы являемся счастливыми обладателями швейцарских часов. Наверняка, мало кто пожелает разбирать их, чтобы узнать подробнее об их устройстве. Большинство будет их просто надевать, снимать и заводить при необходимости. Такое же отношение должно быть к точной механике и электронике конденсационного газового котла.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Узел полного предварительно смешения в сборе с крышкой теплообменника

Горелка конденсационного газового котла

Одним из главных устройств любого конденсационного котла является горелка. Именно она обеспечивает зажигание газовоздушной смеси, ее горение, а также контроль за наличием пламени. Учитывая, что горелка работает в самых жестких условиях, то и материал из которой она изготовлена должен быть стойким и долговечным. В конденсационных котлах применяют горелки из керамики или нержавеющей стали. Мы в статье рассмотрим горелку, которая устанавливается в конденсационные котлы Viessmann. Как она выглядит при работе можно посмотреть на фотографии.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Горелка Matrix в действии

Горелка, разработанная и запатентованная специалистами Viessmann, получила название MatriX. Она представляет собой цилиндр из нержавеющей стали, обтянутый сеткой. В цилиндре сделано множество отверстий, через которые поступает газовоздушная смесь от блока предварительного смешения. Горелка закреплена на плите, которая является передней крышкой теплообменника Inox Radial. К этой же плите прикреплен блок предварительного смешения. Это очень удобно, так как такая компоновка позволяет очень быстро «обнажить» теплообменник для технического обслуживания.

Для зажигания газа вблизи цилиндра горелки располагаются два электрода, один из которых связан с корпуса котла, а второй соединяется проводом с высоковольтным блоком зажигания, расположенным вместе с платой управления. Когда автоматика дает команду на зажигание котла, то вначале запускается вентилятор, потом открывается газовый клапан и выдает необходимую порцию газа, который подмешивается в воздух. Блок зажигания выдает серию высоковольтных импульсов, вызывающих искры между электродами розжига. Газовоздушная смесь воспламеняется.

Для контроля наличия пламени возле горелки располагается электрод ионизации. На фотографии его хорошо видно в нижней части. Известно, что пламя представляет собой ионизированный газ. А значит он способен проводить электрический ток. Поэтому на электрод подается эталонное напряжение и по силе протекающего тока делают вывод о горении. Кроме простого контроля наличия пламени этот электрод на некоторых моделях котлов еще и позволяет подстраивать горелку под конкретный газ. Например, необходимо временно поработать на сжиженном газе, пока к дому не подведут магистральный природный. В традиционных котлах необходима замена горелки и изменение настроек газового клапана. Конденсационные котлы же легко перестраиваются под другой вид топлива без дорогостоящей замены горелки. Во многих моделях необходимо просто поменять настройки клапана, а в котлах премиум класса, например, Vitodens 200-W от компании Viessmann, все происходит автоматически. Система Lambda Pro Control Plus настраивает работу котла на любой вид газообразного топлива, которыми могут быть природный газ, сжиженный газ или биогаз.

Пламя горелки представляет собой множество маленьких факелов, которые в зависимости от интенсивности подачи газовоздушной смеси становятся больше или меньше. Так происходит модуляция пламени. В большинстве конденсационных котлов модуляция идет в диапазоне 20—100%, а в котлах премиум класса от 10—15 до 100%. Причем уменьшение мощности не ведет к снижению КПД. Хороший традиционный котел с атмосферной горелкой способен модулировать пламя в диапазоне 30—100%. Рассмотрим пример.

Допустим, есть традиционный газовый котел мощностью 24 кВт. Минимально возможная мощность его пусть будет 8 кВт, значит модуляция происходит в диапазоне 33—100%. Предположим, что на улице стоит мороз —15°C и при нем теплопотери дома составляют 14 кВт. Рассмотрим в виде графика работу котла.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Работа традиционного котла при пониженной мощности, которая больше минимальной

Котел запустится, выйдет на полную мощность и будет работать на ней до тех пор, пока не подогреет теплоноситель до заданной температуры. Или работой котла может управлять комнатный термостат. После этого, когда теплоноситель подогрет котел должен поддерживать его температуру. Но для этого необязательно включать горелку на полную мощность. Поэтому автоматика котла даст команду газовому клапану, и он уменьшит подачу газа. Будет происходить модуляция и так как требуемая мощность 15 кВт, а минимальная 8 кВт, то работа будет идти в непрерывном режиме, что очень хорошо для оборудования.

Предположим, что в следующий день произошло резкое потепление до 0°С и теплопотери дома упали до 5 кВт. Тогда график работы котла можно представить в виде следующего графика.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Работа обычного котла на минимально возможной мощности, которая выше необходимой

Котел запускается, выходит на максимальную мощность, а затем входит в режим модуляции пламени и работает на минимальной мощности 8 кВт какое-то время. Дому требуется 5 кВт (синяя пунктирная линия на графике), а котел выдает 8кВт. Система отопления быстро перегревается и котлу ничего не остается делать, как отключиться. По прошествии какого-то времени котел опять запускается и работает по такому же графику. Получается, что иного выхода, кроме как, работать в цикличном режиме нет. А за сутки таких включений и отключений может быть сотни, что не очень хорошо для котла.

Хороший конденсационный котел мощностью 24 кВт способен работать на 10% мощности, то есть 2,4 кВт. Значит, графики его работы будут такими, как на следующем рисунке.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Работа конденсационного котла на пониженных мощностях

Самый большой «шок» могут испытывать котлы, в которых предусмотрено приготовление горячей воды, то есть двухконтурные. Допустим, котел мощность 24 кВт может выдать 14 литров подогретой воды в минуту, а текущая потребность 3 литра в минуту. Требуемая мощность при этом 5 кВт. Теперь посмотрим на графики работы традиционного и конденсационного котлов.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Работа традиционного и конденсационного котла в режиме ГВС

Надеемся, что читатели все поймут без объяснений. Глядя на эти графики становится очевидно, что ресурс конденсационного котла будет выше. Частое включение и отключение, которое еще называют тактованием, очень быстро может «убить» газовый клапан. При тактовании очень быстро загрязняется камера сгорания и идет необоснованный перерасход газа, так как при розжиге его часть просто улетает в дымоход.

Кроме горелок цилиндрической формы, есть такие, которые имеют форму полусферы. Например, у Viessmann есть напольные конденсационные котлы Vitocrossal 300, в которых применяется именно такая горелка. Она также называется Matrix и также изготовлена из нержавеющей стали. Теплообменник в этих котлах организован по-другому, поэтому и форма горелки иная. В настенных котлах Viessmann использует только теплообменники Inox Radial и только в наиболее подходящей к ним горелкой Matrix цилиндрической формы.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Горелка Matrix в виде полусферы

Видео: Работа горелки MatriX

Видео: Демонстрация работы системы Lambda Pro Control Plus

Дымоходы конденсационных котлов

Все конденсационные котлы имеют закрытые камеры сгорания, поэтому эвакуация дымовых газов должна производиться только принудительно. В традиционных газовых котлах с закрытой камерой сгорания вентилятор принудительно выкачивает дымовые газы и направляет их в дымоход. В камере сгорания конденсационных котлов создается избыточное давление при помощи узла предварительного смешения. Дымовым газам просто некуда деваться, кроме как, уйти по пути наименьшего сопротивления – в дымоход.

Дымовые газы конденсационных котлов очень сильно отличаются от своих «коллег» из традиционных. В чем же из отличия и как это может повлиять на конструкцию дымохода?

  • Во-первых, по уровню вредных выбросов конденсационные котлы лучше, то есть дымовые газы нисколько не вредят окружающей среде. Это объясняется тем, что львиная доля химических соединений, приносящих вред, растворяется в конденсате. Все владельцы конденсационных котлов могут гордиться тем, что они автоматически являются защитниками окружающей среды.
  • Во-вторых, температура дымовых газов на выходе из котла примерно 35—45°C, если он работает в конденсационном режиме и 70—80° при работе в обычном режиме. Это позволяет применять в качестве дымоходов термостойкую пластмассу.
  • И, наконец, при такой низкой температуре дымовых газов конденсат будет выпадать не только в теплообменнике котла, но и в дымоходе тоже. Поэтому традиционные кирпичные дымоходы просто неприменимы для конденсационных котлов. Есть только два материала, из которых можно делать для них дымоходы – это нержавеющая сталь и термостойкая пластмасса.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Последствия «общения» кирпичных дымоходов с конденсатом

Вариантов конкретного исполнения дымоходов для конденсационных котлов очень много и любой производитель предлагает массу технических решений и необходимые комплектующие. На следующем рисунке мы можем увидеть практически все возможные варианты исполнения.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Варианты исполнения дымоходов для конденсационных котлов

  • Вариант №1. Дымоход конденсационного котла коаксиальный, труба в трубе. По внутренней трубе диаметром 60 мм идет выброс продуктов сгорания на улицу, а по внешней, диаметром 100 мм, производится забор воздуха. Дымоход располагается горизонтально, но с уклоном в сторону котла от 1,5% до 5% (каждый производитель дает свои рекомендации). Уклон делают для того, чтобы образованный в дымоходе конденсат сливался обратно в котел, где его «ждёт» конденсатоотводчик. Трубы может выводится через ближайшую стену на улицу, а может иметь вертикальный участок и горизонтальный вывод. Это наиболее простой и дешевый дымоход, который используется в большинстве случаев.
  • Вариант №2. От котла сразу идет вертикальный коаксиальный дымоход. Сбор конденсата производится также в котле.
  • Вариант №4. Горизонтальный участок коаксиальной трубы переходит в вертикальный. Причем допускается, чтобы вертикальный участок имел изгибы. Утилизация конденсата из дымохода производится в котле, но на вертикальный участок в нижней его части лучше установить конденсатоотводчик.
  • Вариант №5. Дымоход котла разделен на две трубы. Одна предназначена для забора воздуха с улицы, а другая для выброса дымовых газов. Вторая трубы в этом примере показана вертикальной, но она может прокладываться и горизонтально. А также засасывающая труба может прокладываться вертикально и отдельно от выхлопной.
  • Вариант №6. Конденсационные котлы очень требовательны к качеству воздуха, необходимого для горения газа. Если на улице в воздухе присутствует много пыли, автомобильных выхлопов, сажи и других загрязнений, то имеет смысл забор сделать внутри помещения. Но при этом необходимо сделать хорошую приточную вентиляцию, чтобы котел смог забирать воздух из помещения в требуемом объеме.

По статистике большинство пользователей конденсационных котлов выбирают самый простой вариант №1. Его простота нисколько не означает, что он хуже. Наоборот, это одно из лучших технических решений, которое еще и дешевле всего обходится.

Утилизация и нейтрализация конденсата

Тем, кто еще мало знаком с принципами работы и устройством конденсационного котла неизвестно сколько же может его образовываться. С первого взгляда откуда возьмется много воды «из ничего». Бывает, что некоторые люди, пожелавшие купить конденсационный котел, думают, что можно обойтись подставленной небольшой емкостью, которую иногда надо опорожнять. И какое же потом следует удивление, когда эта емкость начинает бодро наполняться. Оценим пока теоретически сколько же может образоваться конденсата?

Сгорание природного газа сопровождается следующей химической реакцией:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.

В таблице Менделеева смотрим относительные атомные массы всех этих элементов: C=12, Н=1, O=16. Теперь можно найти молекулярную массу всех соединений, участвующих в сгорании газа: CH₄=16, 2O₂=64, CO₂=44, 2H₂O=36. Представим все это в граммах и узнаем из справочника по химии молярную массу соединений, участвующих в реакции M (CH₄)=16 г/моль, M (O₂)= 32 г/моль, M (CO₂)=44 г/моль, M (H₂O)=18 г/моль. Узнаем сколько по массе будет участвовать в реакции сгорания всех соединений из расчета на 1 кг метана. Кислорода будет участвовать 64/16=4 кг, выделится углекислого газа 44/16=2,75 кг, образуется воды 36/14=2,25 кг.

Природный газ имеет среднюю плотность 0,717 кг/м³, для генерации 1 кВт мощности котлу необходимо потребить примерно 0,106 м³ природного газа. Получается, что при сжигании 1 м³ метана получается 2,25*0,717=1,62 кг воды. Предположим котел имеет мощность 24 кВт, для которого максимальное потребление газа составляет 2,78 м³/час. Значит выходит 2,78*1,62=4,5036 кг воды в час. Конечно, в реальности конденсата образуется меньше, так как не все водяные пары из дымовых газов смогут сконденсироваться. Часть их все равно вылетит в атмосферу. В реальной жизни при работе котла 30 кВт в час образуется 3—4 литра конденсата. Но стоит признать, что это уже немало и думать о емкостях для сбора не стоит. Конденсат надо сливать в канализацию. Но всегда ли можно это делать?

Мы уже отмечали, что Кока-Кола, вылитая в канализацию, может больше причинить неприятностей, так как ее ph показатель ниже. Она больше кислота, чем конденсат газового котла. Учитывая то, что больше всего в канализацию попадает щелочных растворов от различных моющих средств и стиральных порошков, то можно сказать, что конденсат от котла даже может помочь хоть частично нейтрализовать щелочные сточные воды.

Водоснабжающие организации в России разрешают сливать конденсат в центральную канализацию, если мощность котельной не превышает 250 кВт и общая доля конденсата составляет не более 25-й части от всех стоков. Котельные такой мощности в частных домовладениях встречаются только в усадьбах олигархов и высокопоставленных чиновников, а 3—4 литра в час для котла в 30 кВт не «сделают погоды» в коллективных стоках. Нейтрализовывать конденсат имеет смысл только тогда, когда в индивидуальном септике для очистки стоков применяются бактерии, на «здоровье» которых может пагубно повлиять конденсат.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Простой нейтрализатор конденсата

Нейтрализаторы конденсата можно приобрести там же, где продаются котлы. Но, если честно сказать, положив руку на сердце, покупают их крайне редко. Прежде всего из-за ненадобности, а затем из-за совершенно ничем не обоснованных диких цен на некоторые изделия. Любой рукастый домашний мастер сможет сделать нейтрализатор самостоятельно, применив корпус от обычных фильтров для воды, а в качестве засыпки можно использовать обычную мраморную крошку.

Кроме углекислого газа и воды в конденсате могут присутствовать те элементы, которые могут навредить окружающей среде и живым существам, так как в природном газе всегда присутствует целый «букет» различных примесей. Для того, чтобы перестать переживать по этому поводу, предоставляем таблицу, в которой перечислены разные «вредности», показаны нормативные показатели и реальное содержание в конденсате.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Перечень возможных «вредностей» конденсата

Как видно, ни по одной из «вредностей» конденсационный котел даже и не пытается выйти за рамки нормативных показателей. Поэтому конденсат можно смело сливать в канализацию и нисколько не переживать о вреде, причиненному живой природе.

Внутри котла всегда предусматривают слив конденсата из теплообменника и дымохода через пластиковый сифон, который размещают в удобном для обслуживания месте. Периодически его надо снимать и промывать, так как в нем может присутствовать осадок из твердых частиц. Это рекомендуют делать не реже, чем один раз в год, тогда же, когда проводят чистку теплообменника. К выходу слива конденсата из котла обычно присоединяют гибкий шланг, подобный тому, что используется для слива из стиральных или посудомоечных машин. Возле котла необходимо предусмотреть канализационную трубу, так как без нее придется приобретать дорогостоящий насос для перекачки. Слив конденсата в канализационную трубу лучше всего делать с так называемым разрывом струи, когда к раструбу присоединена воронка, а конец сливного шланга расположен на некотором расстоянии от нее (20–30 мм). В эту же воронку часто выводят слив теплоносителя и выход аварийного клапана.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Слив конденсата и аварийного клапана в воронку с разрывом струи

Если дымоход конденсационного котла имеет вертикальные участки, то стоит позаботиться о сливе конденсата и с него. Один из вариантов реализации удаления конденсата и с котла, и с дымохода показан на следующем рисунке.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Вариант слива конденсата с котла и дымохода

Конденсационные котлы для отопления: выбор, монтаж и обслуживание

Рассмотрим внутреннюю типовую компоновку двухконтурного конденсационного газового котла с радиальным теплообменником из нержавеющей стали. В качестве примера возьмем котел Viessmann Vitodens 100W, как одной из самых распространенных моделей.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Viessmann Vitodens 100W

Данный котел имеет весьма лаконичный, не «кричащий» дизайн, который гармонично впишется в любой интерьер. Рассмотрим «внутренний мир» этой модели. В верхней части котла расположен теплообменник Inox Radial из нержавеющей стали. Его мощность может достигать 35 кВт, что довольно неплохо для таких компактных размеров. К передней стенке теплообменника на 4 болтах крепится плита-крышка, герметично закрывающая камеру сгорания. На стороне крышки, обращенной к камере сгорания закреплена горелка из нержавеющей стали Matrix. Там же расположены два электрода розжига и один электрод контроля ионизации. Для предотвращения потерь тепла из теплообменника, на его тыльной части, а также на крышке закреплены плиты из термостойкого утеплителя.

На передней части съемной крышки закреплена магистраль для подачи газовоздушной смеси к горелке. К магистрали через фланец крепится бесшумный центробежный вентилятор с регулируемой частотой вращения двигателя. На входе вентилятора находится зона подмеса газа с соплом Вентури и кольцевым зазором. В этой же зоне находится газовый клапан, к которому присоединена медная трубка подачи газа. Забор воздуха для горелки производится из пространства внутри котла по пластиковой трубе (на рисунке она черного цвета), раструб которой расположен в задней части.

В верхней части котла, справа от теплообменника расположен мембранный расширительный бак, компенсирующий расширение теплоносителя и поддерживающий нужное давление в системе отопления. Такое расположение очень удобно, так как в большинстве котлов расширительные баки размещают в тыльной стороне, куда затруднен свободный доступ. Слив кондесата из теплообменника идет через пластиковую трубку (на рисунке тонкая черная трубка в задней части котла) в сифон, а с него на выход из котла.

В нижней части котла располагается гидравлическая группа, состоящая из набора устройств: циркуляционного насоса, автоматического воздухоотводчика, аварийного клапана, датчика протока воды в подсистеме ГВС, трехходового клапана с сервоприводом, крана подпитки, крана слива теплоносителя и пластинчатого теплообменника ГВС. Все соединения в гидравлической группе сделаны мультиштекерными, что сильно облегчает и монтаж, и ремонт, и техническое обслуживание.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Гидравлическая группа котла Viessmann

Внизу котла во фронтальной его части размещается электронный блок управления, индикации и настройки режимов котла. Этот блок помещен во влагозащитный корпус. Блок собирает данные со множества датчиков, расположенных в разных частях котла. А также на переднюю панель помещен механический манометр, показывающий давление в системе отопления.

Конденсационные котлы отличаются от традиционных конструкцией теплообменника, способом приготовления газовоздушной смеси и наличием системы удаления конденсата. Все упомянутые устройства и их работу мы уже рассмотрели. В остальном конденсационный котел и алгоритмы его работы не отличается от традиционного. Именно поэтому мы рассматривать это не будем. Но тем читателям, которые желают узнать, как работают газовые котлы в режиме отопления или приготовления горячей воды, мы предлагаем прочитать статью: «Газовые котлы для отопления дома: расчет необходимой мощности».

А также мы предлагаем читателям посмотреть очень познавательный видеоролик, демонстрирующий работу конденсационных котлов в различных режимах.

Видео: Устройство и принцип работы конденсационного котла

Когда стоит выбирать конденсационный котел? Какие факторы влияют на выбор?

Иногда случаются казусы, что люди, вдохновленные достоинствами конденсационных котлов, сразу «кидаются» их покупать и при этом ничего не собираются менять в своей системе отопления, созданной не один десяток лет назад. Такой бездумный шаг похож на то, когда хорошую сумму просто смывают в унитаз. Конденсационные котлы стоят в 1,5—2 раза дороже традиционных. И свои достоинства они могут реализовать только в низкотемпературных системах отопления. Когда конденсационный котел работает в высокотемпературном режиме, его работа мало чем отличается от обычного котла. Итак, когда же стоит выбирать прогрессивную отопительную технику?

  • Выбор в пользу конденсационных котлов стоит делать в новых домах, имеющих хорошее утепление, в которых будет реализована концепция низкотемпературного отопления. Это прежде всего теплые водяные полы, теплые стены или низкотемпературное радиаторное отопление.
  • Для реализации низкотемпературного отопления необходим грамотный проект системы отопления, выполненный инженерами-теплотехниками. Без специальных знаний, опыта и применения программного обеспечения — это сделать очень трудно, практически на грани невозможного.

Если планируется установка конденсационного котла не в новое жилище, то надо быть готовым к глубокой реконструкции системы отопления. Часто возникает вопрос – какой выбрать котел? Одноконтурный или двухконтурный? Здесь надо учесть следующее:

  • Если количество точек водоразбора ГВС одна или две, то можно обратить внимание на двухконтурные модели.
  • Если вероятность того, что будут одновременно пользоваться тремя и более сантехприборами с ГВС, то выбор должен быть сделан в пользу одноконтурного котла и бойлера косвенного нагрева.
  • Существуют модели конденсационных котлов со строенным бойлером косвенного нагрева. Они значительно дороже одноконтурных, поэтому целесообразность их приобретения очень сомнительна. Котел с отдельным бойлером может обойтись даже дешевле.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Конденсационный котел в паре с бойлером косвенного нагрева

Про материал теплообменников мы уже говорили. Выбор авторов статьи – это нержавеющая сталь. Однако, если в регионе хорошо налажено сервисное обслуживание конденсационных котлов какой-то марки, то почему бы и нет? Например, у Buderus есть очень достойные котлы с теплообменниками из силумина.

При выборе конденсационного котла всегда встает вопрос о необходимой мощности. В этом вопросе надо руководствоваться следующим:

  • Выбор мощности котла делается на основе проекта системы отопления, в котором всегда есть раздел по расчету теплопотерь. Если будет использоваться бойлер косвенного нагрева, то это обязательно учитывают.
  • Иметь два котла, работающих в каскаде всегда лучше, чем один большой мощности. Дело в том, что теплопотери рассчитывают для наихудших случаев – сильных морозов, которых в холодный сезон может быть не более 10 дней. Два котла в каскаде позволяют основное время работать одному котлу, а второй подключается только тогда, когда существует для этого необходимость. Производители конденсационных котлов в своем ассортименте предлагают специальные комплекты для объединения котлов в каскад.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Реализованный каскад из двух котлов

  • Конденсационные котлы по-настоящему проявляются только с погодозависимой автоматикой, когда температуре воздуха на улице соответствует определенная температура теплоносителя. Это позволяет лучше производить модуляцию пламени, работать в непрерывном режиме, что скажется на ресурсе котла и экономии газа.

Конденсационные котлы имеют преимущество в том, что диапазон автоматической регулировки их мощности гораздо шире, чем традиционных. Это позволяет очень тонко подстраиваться под внешние условия при помощи погодозависимой автоматики или работать в каскаде.

Конденсационные котлы в своем подавляющем большинстве выпускаются навесными. Это огромный плюс, так как для размещения котла не надо делать отдельного помещения топочной. Существуют и напольные модели, но они обычно большой мощности и в квартирах или индивидуальных домовладениях устанавливаются очень редко.

Теперь несколько слов о выборе какой-то определенной марки котла. Понятно, что чем «громче» бренд, тем больше может быть цена. Но не только узнаваемость того или иного производителя должна стать решающим фактором при выборе, но и другие, не менее важные вещи. Что же следует учесть?

  • Во-первых, в интернете очень много форумов специалистов, где идет живое обсуждение конкретных моделей котлов. Не надо путать эти форумы с сайтами продавцов, где восторженные отзывы пишутся по заказу. Анализ такой информации очень помогает в выборе, тем более что конденсационный котел – это дорогостоящая покупка.
  • Во-вторых, если есть предварительные «наметки» по какому-либо котлу, то на сайте производителя есть смысл узнать есть ли в конкретном регионе официальный представитель. Гарантию дает не продавец, а производитель. И она будет соблюдаться только тогда, когда котел продал дистрибьютор.
  • И, наконец, кроме покупки котла, следует сразу позаботиться о проекте, комплектации системы отопления, ее монтаже и дальнейшем обслуживании. Если это возможно сделать в одной солидной организации с хорошей репутацией, то весь комплекс услуг может быть значительно дешевле.

Что касается конкретных брендов, то хорошо себя зарекомендовали конденсационные котлы следующих марок: Viessmann, Vaillant, Buderus, Baxi, De Dietrich, Protherm, Ariston. Мы намерено не указывали страну происхождения брендов, так как производства этих концернов расположены в разных странах.

Расчет необходимой мощности конденсационного газового котла

При выборе отопительного газового котла, в том числе и конденсационного, всегда встает вопрос о требуемой его мощности. Если с ней будет сильный «недобор», то в морозные дни в доме будет весьма некомфортно. Если котел будет выбран слишком большой мощности, то велика вероятность его тактования и соответственно снижения ресурса. Поэтому теплотехнические расчеты являются необходимостью. Конечно, это должны делать специалисты, которые учтут все нюансы. Но существуют методики, которые позволяют более-менее точно оценить теплопотери. Мы предлагаем нашим читателям воспользоваться удобным калькулятором. Это позволит, например, еще на стадии проектирования узнать, сколько примерно киловатт будет терять дом в час во время лютых морозов. А котел как раз должен ушедшее тепло компенсировать.

Перед тем, начать применять калькулятор, кратко объясним откуда берутся все исходные данные, необходимые для расчетов. Прежде всего скажем, что любой теплотехнический расчет делается для каждого помещения дома или квартиры отдельно. А потом все показатели суммируются и выводится общий. Для того чтобы это реализовать – необходим план дома. Он всегда присутствует или в проекте, или в регистрационных документах. Какая информация из плана будет нужна для расчета теплопотерь?

  • Геометрические размеры и площадь всех помещений.
  • Высота потолков.
  • Наличие дверей и окон, выходящих наружу, их количество и геометрические размеры.
  • Расположение дома относительно сторон света.

Приведем пример плана дома:

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Пример плана дома

Для обобщения всех данных мы рекомендуем сделать таблицу примерно такого вида:


на плане
Помещение:
площадь,
высота потолка.
Что расположено сверху и снизу
Внешние стены:
количество,
ориентация,
степень утепленности.
Окна:
количество,
тип,
размеры.
Дверь на улицу или на балкон. Необходимая тепловая мощность, кВт
(с учётом 15% эксплуатационного резерва)
ИТОГО 7.5 кВт
3 Гостиная.
Площадь 14.1 м².
Потолок – 2.9 м.
Снизу — утепленный по по грунту.
Сверху – холодный чердак.
Две, восточная и южная.
Наветренные.
Высокая степень термоизоляции.
Два окна,
ПВХ-рамы с одинарным стеклопакетом.
Размер 1200×900 мм.
нет 2,14 кВт

Ее можно расчертить на листе бумаге, а тем пользователям, кто знаком с электронными таблицами Microsoft Excel, можно за 15—20 минут сделать на компьютере. В этом примере мы показали введенные данные для одного из помещений. Очевидно, что для каждого из них будет отдельная строка и своя необходимая тепловая мощность (теплопотери). Теперь переходим к каждому пункту исходных данных, требуемых в калькуляторе:

  • Площадь помещения – берется из плана дома в проекте или регистрационных документах. При необходимости ее можно измерить самостоятельно.
  • Количество внешних стен. Имеются в виду те, которые выходят на улицу. И также на плане это хорошо видно.
  • Ориентация внешних стен относительно сторон света. Это также легко «подсмотреть» на плане дома.
  • Расположение внешних стен относительно сторон света узнается по диаграмме преобладающих ветров – так называемой «розе ветров», которую для каждой местности можно найти на метеорологических сайтах. Пример «розы ветров» представлен на рисунке.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Роза ветров

  • Уровень отрицательных температур воздуха в регионе в самую холодную пятидневку года. Эта величина также является справочной и может легко находиться в интернете.
  • Степень утепления внешних стен. По современным нормам все новые дома должны иметь качественное утепление, но всякое бывает. Поэтому в калькуляторе предусмотрены три степени.
  • Высота потолков, ее можно найти в проекте или измерить самостоятельно.
  • Что находится снизу помещения? Можно выбрать один из трех вариантов.
  • Что находится сверху помещения? И также три варианта.
  • Через окна «утекает» наружу весомая часть тепла. Поэтому необходимо выбрать самую подходящую конструкцию.
  • Количество и размеры установленных окон.
  • Количество дверей, выходящих на улицу или балкон. Здесь все очевидно.

Такой небольшой набор исходных данных позволяет калькулятору с некоторой долей погрешности рассчитать теплопотери помещения. Выполнив по каждому, а потом просуммировав можно судить о теплопотерях дома.

Калькулятор расчета необходимой мощности конденсационного котла

 

Расчет проводится для каждого помещения отдельно.
Последовательно введите запрашиваемые значения или отметьте нужные варианты в предлагаемых списках.
Затем нажмите «Рассчитать тепловую мощность для помещения»

Укажите площадь помещения, м²

100 Вт на кв. м

Укажите количество внешних стен

нет
одна
две
три

Укажите на какие стороны света ориентированы внешние стены

Север, Северо-Восток, Восток
Юг, Юго-Запад, Запад

Выберите как расположены стены относительно преобладающих ветров в зимнее время (определяется по «розе ветров»)

наветренная сторона (ветер в стену)
подветренная сторона (ветер от стены)
параллельная направлению ветра

Укажите уровень отрицательных температур воздуха в регионе в самую холодную неделю года

— 35 °С и ниже
от — 30 °С до — 34 °С
от — 25 °С до — 29 °С
от — 20 °С до — 24 °С
от — 15 °С до — 19 °С
от — 10 °С до — 14 °С
не холоднее — 10 °С

Укажите как утеплены внешние стены дома?

Внешние стены не утеплены
Средняя степень утепления
Внешние стены имеют качественное утепление

Выберите в каком интервале находится высота потолков в помещении?

до 2,7 м
2,8 ÷ 3,0 м
3,1 ÷ 3,5 м
3,6 ÷ 4,0 м
более 4,1 м

Укажите что находится снизу помещения?

Холодный пол по грунту или над неотапливаемым помещением
Утепленный пол по грунту или над неотапливаемым помещением
Снизу расположено отапливаемое помещение

Укажите что расположено сверху помещения?

Холодный чердак или неотапливаемое и не утепленное помещение
Утепленный чердак или иное помещение
Отапливаемое помещение

Какие установлены окна?

Обычные деревянные рамы с двойным остеклением
Окна с однокамерным (2 стекла) стеклопакетом
Окна с двухкамерным (3 стекла) стеклопакетом или с аргоновым заполнением

Введите количество окон в помещении целым числом

Введите высоту окна, м

Введите ширину окна, м

Укажите сколько в помещении дверей, выходящих на улицу или на балкон?

нет

одна

две

Краткий обзор популярных моделей конденсационных котлов

Сделаем небольшой обзор настенных конденсационных котлов, которые чаще других покупают. Укажем также средние цены по состоянию на декабрь 2017 года.

Настенный конденсационный котел Baxi Duo-tec Compact 1.24

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Baxi Duo-tec Compact 1.24

Котлы этой серии завоевали популярность благодаря простоте установки и эксплуатации и очень доступной цене. Они оснащены теплообменником и горелкой из нержавеющей стали 1.4404 (AISI 316L). Коэффициент модуляции мощности 1:7. Могут работать при низком давлении газа (до 5 мбар). Перечислим основные технические характеристики:

  • Тип котла: навесной, одноконтурный.
  • Максимальная мощность: 26 кВт.
  • Минимальная мощность: 3,4 кВт.
  • Максимальная отапливаемая площадь: 260 м².
  • Размеры 700*400*299 мм.
  • Масса: 33 кг.
  • Средняя цена: 49000 рублей.
Видео: BAXI DUO-TEK COMPAKT 1.24 самый доступный конденсационный котел

 

Настенный конденсационный котел De Dietrich PMC-M 24/28 MI Plus

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

De Dietrich PMC-M 24/28 MI Plus

Котел этой модели двухконтурный. Первичный теплообменник, литой из легированного алюминия, вторичный для ГВС пластинчатый из нержавеющей стали. Диапазон модуляции газовой горелки от 24% до 100%. Приведем основные характеристики:

  • Тип котла: навесной двухконтурный.
  • Максимальная мощность: 24 кВт.
  • Минимальная мощность: 6,1 кВт.
  • Максимальная отапливаемая площадь: 248 м².
  • Объем расширительного бака: 8 литров.
  • Размеры: 664*368*364 мм.
  • Масса: 29 кг.
  • Средняя цена: 65000 рублей.

Этот котел помимо отопления еще способен готовить горячую воду при ΔT=30 K с удельным расходом 14 л/мин. Блок управления котлом можно размещать отдельно.

Настенный газовый котел Ariston Genus Premium Evo 30

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Ariston Genus Premium Evo 30

Котел от Ariston премиум класса оснащен первичным радиальным теплообменником из нержавеющей стали и вторичным пластинчатым для ГВС. Удаление продуктов сгорания и забор воздуха производятся через коаксиальный дымоход 60/100 мм. Котел имеет очень удобный интерфейс, по умолчанию снабжен погодозависимой автоматикой. Рассмотрим краткие технические характеристики:

  • Тип котла: навесной двухконтурный.
  • Максимальная мощность: 30 кВт.
  • Минимальная мощность: 3,3 кВт.
  • Максимальная отапливаемая площадь: 311 м².
  • Минимальная отапливаемая площадь: 33 м².
  • Производительность ГВС ΔT=30 K: 18 л/мин.
  • Размеры: 770*400*385 мм.
  • Масса: 35 кг.
  • Средняя цена: 78000 рублей.
Видео: Ariston Genus Premium Evo 30

Настенный конденсационный котел Buderus Logamax plus GB172—35 i H

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Buderus Logamax plus GB172-35 i H

Конденсационный котел этой модели отличается своим дизайном, так как передняя панель изготовлена из стекла Titanium Glas. Горелка с предварительным смешением позволяет модулировать пламя в диапазоне 10—100%. Конструкция котла приспособлена для подключения в каскад и приготовления ГВС в бойлере косвенного нагрева. Теплообменник котла WB5 изготовлен по технологии ALU Plus. Технические характеристики:

  • Тип котла: навесной, одноконтурный.
  • Максимальная мощность: 35 кВт.
  • Минимальная мощность: 11 кВт.
  • Максимальная отапливаемая площадь: 350 м².
  • Размеры 840*440*350 мм.
  • Масса: 45 кг.
  • Средняя цена: 90000 рублей.
Видео: Настенный конденсационный котел Buderus Logamax plus GB172—35 i H

Настенный конденсационный котел Viessmann Vitodens 100-W

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Viessmann Vitodens 100-W

Этот котел оснащен инновационным теплообменником Inox Radial из нержавеющей стали 1.4404 толщиной 1,2 мм. Вторичный теплообменник для ГВС – пластинчатый, нержавеющий. Блок управления может работать с погодным датчиком. Горелка Matrix с узлом предварительного смешения модулируется в диапазоне 20—100%. Технические характеристики котла:

  • Тип котла: навесной, двухконтурный.
  • Диапазон мощностей при режиме 50/30°C: 11—35 кВт.
  • Максимальная отапливаемая площадь: 350 м².
  • Размеры 725*400*360 мм.
  • Масса: 44 кг.
  • Производительность ГВС ΔT=30 K: 15.2 л/мин.
  • Средняя цена: 105000 рублей.
Видео: Обзор газового конденсационного котла Viessmann Vitodens 100-W

Конечно, приведенные примеры не отражают и десятой части от того ассортимента, что предлагает рынок газового оборудования. Да и технические характеристики любого котла более развернутые. Но мы решили, что в наш век глобальной информатизации найти подробные сведения о любом интересующем котле можно очень легко, не вставая с кресла, не выпуская из рук планшет или смартфон.

Монтаж конденсационного газового котла

Как не существует универсальной таблетки для лечения всех болезней, не существует универсальной пищи, которая будет нравиться всем, так и нет, да и не может быть единого руководства к действию по монтажу системы отопления в общем, и котла, в частности. Возможно, мы разочаруем наших читателей в том, что не будем подробно описывать процесс монтажа, так как это не имеет смысла по двум причинам:

  1. Гарантию на приобретенное дорогостоящее конденсационное оборудование производитель даст только тогда, когда оно приобретено у официального дистрибьютора и монтаж произведен обученным персоналом. Другими словами – самостоятельный монтаж автоматически означает отсутствие гарантии.
  2. Каждый случай конкретной реализации отопления с использованием конденсационных котлов уникален и поэтому не может быть заранее подробно описан.

Тем не менее мы не намерены «отключать» наших читателей от процесса создания своей системы отопления. Этот процесс должен начинаться еще на стадии строительства дома, задолго до начала проектирования. И в этом очень большую помощь оказывают альбомы готовых технических решений, находящиеся в открытом доступе. В этих документах показаны способы реализации систем отопления, которые реализованы и работают. Причем расписано все до мелочей, с указанием каждого конкретного узла. В этом вопросе преуспели специалисты французской компании De Dietrich, альбомы у которых красочные и подробные, в отличие от их немецких коллег из Vissmann, где много сухо и черно-бело.

Например, необходимо реализовать отопление с теплым полом и ГВС при помощи бойлера косвенного нагрева. Нет никаких проблем! Вот готовая и работающая гидравлическая схема.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Гидравлическая схема системы отопления с теплыми полами и бойлером косвенного нагрева

Если необходимо сделать один контур отопления для теплого пола, один для радиаторов или фанкойлов в вентиляции и еще воду для ГВС готовить в бойлере косвенного нагрева, то реализацию этого можно «подсмотреть» у французов. Вот готовая схема.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Гидравлическая схема системы отопления с контуром для радиаторов (фанкойлов), теплыми полами и бойлером косвенного нагрева

Человеку не знакомому с гидравликой котельных поначалу может показаться сложным читать эту «абракадабру», но на деле все очень просто, ведь достаточно иметь рядом расшифровку условных обозначений и через день-другой все становится понятным. Мы рекомендуем «полистать» альбом технических решений от De Dietrich, поэтому размещаем его на нашем портале.

Альбом технических решений De Dietrich

Кроме этого, неугомонные французы из De Dietrich на своем официальном сайте к каждому из котлов предлагают помимо подробных технических данных еще и список рекомендуемого оборудования, и способы его подключения. Стоит ли говорить о том, что к каждому из образцов предлагаются готовые комплекты для правильного подключения с такой подробной инструкцией, что разберется даже ребенок. Поначалу могут испугать цены на все дополнительное оборудование, но поняв принцип, можно «привязать» к котлу и другие устройства, подходящие по характеристикам и произведенные в менее благополучных странах, где все подобное стоит дешевле, что вовсе не означает, что хуже.

Из каких этапов состоит монтаж отопления с конденсационным котлом?

Создание системы отопления может начаться даже задолго до того, как куплен участок под строительство, когда начинается проектирование. Затем, уже на этапе возведения фундамента в хороших строительных организациях уже при заливке грубых стяжек прокладывают трубы теплого пола. А нам известно, что именно в теплых полах конденсационные полы проявляют себя лучше всего.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Лучшее время прокладывать трубы теплого пола — это обустройство фундамента

После того как возведены стены дома, сделаны перекрытия и кровля, дом отдают инженерам и штукатурам. Идет прокладка электропроводки, водопровода и магистралей системы отопления. Именно в это время производится максимальное количество работ по обустройству инженерных систем. Разумеется, что перед окончательной отделкой все системы должны быть проверены, так как дальнейшие работы исключат свободный доступ к трубам, кабелям, воздуховодам и другим составляющим инженерной «начинки».

В это же самое время должны работать газовики, которые должны проложить трубы до мест размещения приборов, потребляющих газ и заодно проверить на соответствие требованиям те помещения, в которых будут стоять эти самые приборы. Настенные котлы с принудительным отводом продуктов сгорания, коими являются и конденсационные, не требуют для себя «привилегий» в виде отдельного помещения, но, тем не менее в жилых комнатах их размещать не дадут, хотя по Европейским нормам такое возможно. Поэтому очень часто настенные котлы размещают в кухнях, кладовках, бытовых комнатах или отдельных котельных. Существует набор требований к таким помещениям, о которых можно прочитать в статье на нашем портале.

Первый пуск газового котла должны производить только газовики и к тому времени уже должна быть смонтирована система отопления, ведь проверка ее работы перед окончательной отделкой необходима. Должен уже быть смонтирован котел отопления, стоять радиаторы, подключены к насосно-смесительным узлам теплые полы. И, допустим, что система отопления испытания прошла, котел работает, полы и радиатор нагреваются. Все вроде бы хорошо. Но не забываем о том, что еще предстоит этап окончательной отделки, который может быть и мокрым, и пыльным. Оставлять оборудование в таких условиях не рекомендуется, поэтому радиаторы снимают и уносят в безопасное место. Очень часто их навешивают для проверки прямо в упаковке, которую снимают уже после окончательной отделки. Места подключения радиаторов защищают от возможных загрязнений заглушками, малярным скотчем или пищевой пленкой. И конечно, котел тоже надо снять. А потом после отделки опять смонтировать. Все это создает определенные неудобства. Но их можно минимизировать.

Котлы премиум класса в стандартной комплектации снабжаются монтажной рамой, которая служит для навешивания котла на стену. Рама выполняет несколько важных функций.

  • Монтажная рама помогает подготовить место для монтажа котла даже без его «участия» в этом процессе. По входящему в комплект бумажному шаблону идет разметка положения монтажной рамы, на этом же шаблоне показаны габариты котла и места прохода коаксиальной трубы дымохода.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Разметка положения рамы по бумажному лекалу (шаблону)

  • Монтажная рама помогает равномерно распределить нагрузку от котла по всей площади контакта ее со стеной. Главное, чтобы она крепилась на ровную поверхность с хорошей несущей способностью.
  • На стенах из материалов с низкой несущей способностью (гипсокартон, легкие ячеистые бетоны, каркасные дома) для навешивания котла предусматривают монтаж каких-либо силовых элементов, например, сварная конструкция их профильных стальных труб, закрепленная к потолку и полу. Монтажную раму крепят на силовые элементы, а уже на нее навешивают котел.
  • Одно из главных преимуществ монтажной рамы – это наличие на ней быстроразъемных соединений (американок) вместе с запорными кранами, которые позволяют очень быстро подключить или отключить котел от всех магистралей. Монтаж всех трубопроводов ведется без «участия» котла, который может спокойно «отдыхать» в упаковке пока не пройдут пыльные и мокрые этапы отделки.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Хорошая монтажная рама имеет разъемные соединения (американки) и запорную арматуру

Дополнительно к монтажной раме можно заказать различные переходные элементы. Если трубопроводы отопления и ГВС будут медные, то есть специальные трубки, к которым потом припаиваются магистрали. Если будет подключаться бойлер косвенного нагрева, то есть комплекты для его подключения. Предусмотрено абсолютно все.

Очень часто компактные газовые настенные котлы стараются спрятать в каких-либо предметах интерьера, например, в кухонных шкафах. Разберемся можно ли это делать? В паспорте любого котла обязательно есть пункт, говорящий о необходимом «жизненном пространстве». Приведем пример из паспорта одного из котлов De Dietrich.

Конденсационные котлы для отопления: принцип работы, выбор, монтаж и обслуживание

Правила размещения котла

Если кухонный шкаф отвечает этим требованиям, то да, хотя газовая служба может все скорректировать не в пользу хозяев. А мы, в свою очередь, не понимаем излишней «фобии» выставить котел с привлекательным дизайном для всеобщего обозрения. Лишнего шума современные котлы тоже не создают.

Мы предлагаем читателям посмотреть два познавательных видео, где показан процесс монтажа конденсационных котлов.

Видео: Монтаж конденсационного котла Naneo

Видео: Котельная в частном доме. Установка конденсационного котла De Dietrich

Техническое обслуживание конденсационных котлов

Одним из главных условий долгой и безаварийной работы конденсационных котлов в течение длительного времени является их техническое обслуживание. Но не собственными силами, а только при помощи сервисных служб. Самостоятельное несанкционированное вмешательство в котел сразу перекладывает ответственность за работоспособность с производителя на хозяина, или с сервисных служб – тоже на хозяина. Поэтому после пусконаладочных работ надо обязательно заключить договор на обслуживание. Условия договора могут быть разными. Например, производители обычно дают гарантию на 1 год, но они позволяют своим официальным представителям продлевать гарантию, но уже под свою ответственность. Некоторые организации могут давать гарантию даже в 7 лет, но при этом стоимость обслуживания будет больше.

Техническое обслуживание может быть разовым или годовым. Первое может быть значительно дешевле, но тогда каждый следующий приезд сервисного специалиста придется оплачивать. При годовом обслуживании специалист может приехать бесплатно определенное количество раз. Каждая служба имеет свои правила, поэтому надо внимательно читать договор, особенно места, написанные мелким шрифтом.

Какие работы проводятся при сервисном обслуживании? Под понятием проверки подразумевается то, что в случае необходимости производится чистка или устранения неисправности.

  • Разбирается теплообменник и производится его проверка. А также проверяется камера сгорания и горелка на предмет загрязнений.
  • Проверяются электроды: розжига и контроля ионизации.
  • Проверяется стабильность розжига, а также работа горелки на полной мощности и в режиме модуляции.
  • Проверяется дымоход и воздухозаборная труба.
  • Проверяется работа вентилятора, его шумность на разных оборотах.
  • Проверяется газовый клапан и все соединения по газу на герметичность.
  • Проверяется работа блока управления в различных режимах.
  • Проверяется давление газа на входе в котел.
  • При работающей горелке проверяется газоанализатором состав дымовых газов.
  • Проверяется в различных режимах гидравлика котла и состояние теплоносителя.
  • Проверяется теплообменник ГВС или бойлер косвенного нагрева.
  • Проверяется состояние всех фильтров.
  • Проверяется герметичность расширительного бака и давление в его воздушной камере.

 

Очевидно, что самостоятельно сделать техобслуживание конденсационного котла в таком объеме сможет только подготовленный сотрудник сервисных служб. Среднестатистическому владельцу котла это не под силу. И чтобы котел мог хорошо прослужить весь свой срок (не менее 10 лет), не стоит экономить на сервисе.

Мы предлагаем читателям нашего портала посмотреть видео, на которых показано техническое обслуживание конденсационных котлов.

Видео: Обслуживание котла Viessmann Vitodens 100-W

 

Видео: Cервисное обслуживание конденсационных котлов Viessmann

Видео: Техническое обслуживание конденсационного котла Bosch Condens 3000W

Заключение

Конденсационные газовые котлы «победной поступью» завоевывают себе все новые пространства. В ближайшем будущем они будут составлять подавляющую часть отопительного оборудования в мире, наряду с низкотемпературным отоплением. Внедрение таких технологий в быт позволяет и уменьшить вредные выбросы в атмосферу, и более полно воспользоваться энергией сгорания природного газа. Это очень хороший пример торжества инженерной науки.

Нас, как потребителей интересует еще и вопрос о целесообразности покупки конденсационных котлов. Окупятся ли вложенные деньги? По оценкам специалистов, даже в России с ее рекордно низкими ценами на газ котел как минимум полностью окупится за срок своей службы. А при правильном его применении в низкотемпературном отоплении в сочетании с грамотным утеплением будет очень ощутима экономия.