Принцип работы конденсационного котла

Принцип работы

Конвекционные котлы

Повышение температуры теплоносителя для отопительной системы и поддержание ее на требуемом уровне, приготовление горячей воды для собственных нужд (ГВС) обеспечивается пламенем горелки. Существенный недостаток данного (конвективного) способа в том, что часть тепловой энергии тратится нерационально – уходит в атмосферу, через дымоход. Его коаксиальная версия проблему несколько нивелирует, но не настолько, чтобы говорить о значительной экономии.

У всех конвекционных котлов имеется и еще один недостаток, о котором рядовой пользователь может и не знать. Работа установки на пониженном режиме приводит к «охлаждению» продуктов сгорания. И если их температура упадет ниже 55±50С (зависит от модификации), то газы начинают конденсировать на стенках дымохода, камеры. Агрессивные химические соединения, содержащиеся в капельках жидкости, не лучшим образом влияют на металлы. Как результат – снижение ресурса котла и внеплановый ремонт.

Особенно явно это выражается в случаях, когда монтаж дымохода, да и всего контура отопления (с целью экономии) делается собственноручно – неизбежны отступления от требований СНиП, производителя котельного оборудования, а то и прямые их нарушения.

Конденсационные котлы

В таких установках тепловая энергия для нагрева воды используется по максимуму. Она выделяется не только в результате сгорания топлива; содержится и в паре (он имеет высокую температуру), уходящем вместе с газами через трубу наружу. Реализовано все просто и оригинально: конденсационные котлы оснащаются водяными экономайзерами. По сути, еще один теплообменник.

Его назначение описывается кратко: для обеспечения конденсации паров на своих стенках и перенаправления полученной энергии на конкретные цели. В суммарном выражении при сгорании той же «дозы» топлива ее получается значительно больше. Этим повышается эффективность работы котельного оборудования на системы (ОВ или ГВС), в зависимости от режима.

Практика подтверждает теоретические расчеты: экономия газа на обогрев строения может достигать 35%. Следовательно, расходы по статье «отопление» (ГВС) снижаются.

В чем отличие в практическом плане? Для нормального функционирования отопительной системы с включенным в схему конвекционным котлом нужно обеспечить минимальную разницу температур на его выходе и входе (в линии обратки). Несоблюдение данного условия чревато температурным перекосом в теплообменнике. К чему приводит поступление холодного теплоносителя в горячий металлический корпус прибора, пояснять не нужно. Это одна из причин быстрого выхода оборудования из строя, особенно при самостоятельном проектировании системы и монтаже.

Принцип работы

Конденсационный котел работает таким образом, что первый теплообменник подогревается при сжигании горючего, а второй отбирает тепло у сгоревших газов. Стенки вторичного аппарата концентрируют пар. Но чтобы конденсатный процесс не вызывал коррозии, производители применяют отличные сплавы. Они отбираются по принципу химической стойкости.

Чтобы вторичный контур отопления собирал максимум тепла, используют такие решения, как:

прикрепление дополнительных спиралей;
применение внутренних частей разнообразного сечения;
монтаж конденсирующего теплообменника на возвратном ходу нагревательной системы.

Газовые конденсационные котлы с бойлером позволяют решить проблему горячего водоснабжения даже при использовании отопительных систем, имеющих одноконтурный профиль.

Есть три основных варианта:

встраивание бойлера в сам котел;
добавление внешних резервуаров;
применение бойлеров, работающих по схеме косвенного обогрева.

По статистике встраиваемый бойлер вместимостью 50 л позволяет закрыть потребности семьи из 3 или 4 человека в горячем водоснабжении на 100% без всяких затруднений. Следует учитывать, что наличие резервуара сужает выбор потребителя, нельзя вешать на стену, даже самую крепкую, конструкции объемом свыше 100 л. Бывает так, что котел изначально не оснащен бойлером — или даже оснащен, но работа его недостаточно эффективна. Решением проблемы оказывается монтаж выносных резервуаров. Совместимость с ними обеспечена практически у всех настенных газовых аппаратов.

Патрубки и насосы, обеспечивающие циркуляцию, в такой системе должны быть предназначены отдельно для отопления и для горячего водоснабжения. Общая емкость резервуара подбирается сообразно мощности котлов. Если она недостаточно велика, прогрев жидкости займет очень много времени или вовсе не выйдет на необходимую величину. Стандартный подход при заводской настройке автоматики котлов подразумевает первенство отопительного вектора. Как только теплоноситель охлаждается чрезмерно, датчик обнаруживает это и запускает подогревающий блок.

Чтобы горячая вода все время оставалась на одном и том же уровне температуры, котлы с бойлером оснащаются внутренним ТЭНом. Контроллер зависит от электрического питания и направляется автоматикой самого котла. Довольно интересный вопрос — получится ли применить бойлеры для обогрева.

Теоретически это возможно, однако есть целый ряд подводных камней.

Большинство накопителей оснащается нагревателями всего на 1500 Вт. Этого хватит на прогрев 10 кв. м, но только при солидном утеплении и не слишком сильных ветрах, морозах.
ТЭН, работая постоянно, значительно увеличит общее потребление электроэнергии.
Протолкнуть воду по системе можно при помощи стандартной обвязки, но она не способна компенсировать слабость центрального звена.

Следует заметить, что конденсационные котлы бывают не только газовыми, но и дизельными; подобные конструкции выпускают даже многие именитые производители. Обещанный КПД несколько ниже, чем у работающих на газе аппаратов, однако и 98% – это чрезвычайно хороший показатель. Viessmann Vitorondens 222-F и 200-T — яркие примеры таких систем. Теплообменник производится из нержавеющих марок стали. В системах используется горелка универсального типа, способная применять какой угодно вид жидкого горючего.

Малый выброс вредных веществ обусловлен подготовкой смеси топлива и воздуха в идеальных пропорциях. Разработчики сумели оснастить эти аппараты комфортным управляющим блоком и сенсорным оборудованием. Источники тепла могут быть даже встроены в совершенно отлаженную отопительную систему. Современные конденсационные котлы оборудуются почти всегда особыми кожухами, которые дополнительно понижают шум. Их можно использовать благодаря этому даже в непосредственной близости от жилого пространства.

Принцип работы конденсационных котлов

Чтобы более понятно объяснить, как работает конденсационный котёл, следует первоначально вспомнить о котлах классических.

При работе котлов традиционного типа большая часть энергии, аккумулированной в продуктах, выводимых из камеры сгорания, отбирается для нагрева теплоносителя. Однако температура отводимых газов при этом не опускается ниже 140-200 градусов. Объясняется это тем, что при больших снижениях падает тяга и активно начинает формироваться химически активный конденсат, выводящий котлы из строя за счёт прогрессирующей коррозии.

Рассматривая, как устроены газовые котлы отопления конденсационные, необходимо отметить, что котлы рассматриваемой конструкции имеют либо два раздельно смонтированных теплообменника, либо один, но двухступенчатый.

Первая ступень работает аналогично обычному теплообменнику в стандартных котлах. Затем выводимые газы попадают на теплообменник, именуемый вторичным или конденсационным.

Здесь, содержащийся в отводимых газах, пар охлаждается до «точки росы», в результате он конденсируется до жидкого состояния. Выделяющаяся в процессе указанной трансформации энергия передаётся теплоносителю. То есть мы имеем в котлах подобных конструкций рекуперацию в чистом виде (процесс, когда осуществляется возвращение определённой части затраченной на процесс тепловой энергии в виде, позволяющем повторно её использовать).

Котлы предлагаются в напольном и настенном исполнении, но конструктивно эти версии практически ничем не отличаются.

Устройство конденсационного газового котла предусматривает, что отработанный конденсат, в подавляющем большинстве моделей, собирается в специальную ёмкость, которая предусмотрена в конструкции самого котла, а из неё направляется в канализационный коллектор. Ряд западных моделей имеет конструктивную возможность нейтрализовать конденсат до безопасных концентраций.

https://youtube.com/watch?v=1YTU7h4zod4

Осуществление безопасного горения

Газовые котлы отопления конденсационные являются устройствами, имеющими камеры сгорания закрытого типа, продукты горения из которых отводятся принудительно.

Объясняется указанное просто. Отводимые газы в котлах указанных типов имеют достаточно невысокую температуру, наличие дополнительно смонтированного теплообменника повышает сопротивление перемещению удаляемых газов. Всё это приводит к тому, что тяги естественной не хватает для полного удаления отводимых газов. Требуется их принудительное перемещение.

Настоящая потребность объясняет факт обустройства во всех подобных котлах исключительно камер сгорания закрытого типа, в которые воздух подаётся турбиной под избыточным давлением. Последнее позволяет удалять из камеры отводимые газы.

В результате котлам не требуются дымоходы, т.к. газы выводятся из КС за пределы здания по имеющемуся приточно-отводному каналу. Котлы соответствующих конструкций легко устанавливаются в зданиях, полностью лишённых дымохода, либо на объектах, дымоходы которых слишком маленькой длины для того, чтобы сформировать необходимую тягу.

Эти котлы значительно более безопасны в пожарном отношении, так как процесс горения в них на 100% изолирован от того помещения, где стоит работающий конденсационный газовый котел. Плюсы и минусы указанных изделий предлагаем рассмотреть ниже.

Принцип работы конденсационного газового теплогенератора

Прежде чем мы расскажем о нюансах конденсационной технологии, отметим, что энергоэффективный, а значит комфортный и экономичный загородный дом — сбалансированное строение. Это означает, что, помимо замкнутого теплоизоляционного контура, все элементы коттеджа, включая инженерную систему, должны быть оптимально подобраны друг к другу

Поэтому так важно выбрать котёл, который хорошо сочетается с низкотемпературной отопительной системой «теплый пол», а также позволит сократить расходы на покупку энергоносителя в долгосрочной перспективе

Сергей БугаевТехнический специалист компании Ariston

В России, в отличие от европейских стран, конденсационные газовые котлы менее распространены. Помимо экологичности и большего комфорта, данный вид оборудования позволяет уменьшить затраты на отопление, т.к. такие котлы работают на 15-20% экономичнее обычных.

Если посмотреть технические характеристики конденсационных газовых котлов, то можно обратить внимание на КПД оборудования — 108-110%. Это противоречит закону сохранения энергии. В то время как, указывая КПД обычного конвекционного котла, производители пишут, что оно составляет 92-95%

Возникают вопросы: откуда появляются эти цифры, и почему конденсационный газовый котёл работает эффективнее традиционного?

В то время как, указывая КПД обычного конвекционного котла, производители пишут, что оно составляет 92-95%. Возникают вопросы: откуда появляются эти цифры, и почему конденсационный газовый котёл работает эффективнее традиционного?

Дело в том, что такой результат получается благодаря методике теплотехнического расчёта, применяемой для обычных газовых котлов, не учитывающей один важный момент испарение/конденсацию. Как известно, при сгорании топлива, например, магистрального газа (метана CH4), выделяется тепловая энергия, а также образуется углекислый газ (CO2), вода (H2O) в виде пара и ряд других химических элементов.

В обычном котле температура дымовых газов после прохождения через теплообменник может доходить до 175-200 °C.

И водяной пар в конвекционном (обычном) теплогенераторе фактически «вылетает в трубу», унося с собой в атмосферу часть теплоты (выработанной энергии). Причём величина этой «потерянной» энергии может доходить до 11%.

Чтобы повысить эффективность работы котла, надо задействовать это тепло до того, как оно уйдёт, и передать его энергию через специальный теплообменник теплоносителю. Для этого нужно охладить дымовые газы до температуры т.н. «точки росы» (около 55 °C), при которой происходит конденсация паров воды с выделением полезной теплоты. Т.е. — задействовать энергию фазового перехода для максимального использования теплотворной способности топлива.

Возвращаемся к методике расчёта. Топливо имеет низшую и высшую теплотворную способность.

Высшая теплотворная способность топлива — это количество теплоты, выделившейся при его сгорании с учётом энергии водяного пара, содержащегося в дымовых газах.
Низшая теплотворная способность топлива — это количество выделившейся теплоты без учёта энергии, скрытой в водяном паре.

КПД котла выражается в количестве тепловой энергии, полученной при сгорании топлива и переданной теплоносителю. Причём, указывая КПД теплогенератора, производители могут по умолчанию рассчитать его по методике с применением низшей теплотворной способности топлива. Получается, что реальный коэффициент полезного действия конвекционного теплогенератора на самом деле составляет около 82-85%, а конденсационного (помним об 11% дополнительной теплоты сгорания, которые он может «забрать» из водяного пара) – 93 – 97%.

Отсюда и появляются цифры КПД конденсационного котла, превышающие 100%. Благодаря высокому КПД такой теплогенератор расходует меньше газа, чем обычный котёл.

Сергей Бугаев

Максимальную эффективность конденсационные котлы обеспечивают, если температура обратной линии теплоносителя меньше 55 °C, а это низкотемпературные системы отопления «тёплый пол», «тёплые стены» или системы с увеличенным количеством секций радиаторов. В обычных высокотемпературных системах котёл будет работать в конденсационном режиме. Только в сильные морозы нам придётся поддерживать высокую температуру теплоносителя, в остальное время, при погодозависимом регулировании, температура теплоносителя будет ниже, и за счёт этого в год мы сэкономим 5-7%.

Максимально возможная (теоретическая) экономия энергии при использовании теплоты конденсации составляет:

при сгорании природного газа – 11%;
при сгорании сжиженного газа (пропан-бутан) – 9%;
при сгорании дизельного топлива (солярки) – 6%.

Лучший газовый котёл

Этот вопрос мне задают 90% заказчиков. Женя, какой котёл лучше ставить, может у тебя есть свой рейтинг?

Есть, мы даже видео сделали: 5 лучших настенных газовых котлов.

Проблема в том, что это наш рейтинг подходит для нашего региона. Я считаю, что самый лучший газовый котёл это Viessmann Vitopend 100 и конденсационный Viessmann Vitodens 050.

Но если в вашем регионе не обслуживаются котлы Viessmann, то для вас они будут худшими. Кто его будет ремонтировать, если он сломается? Где искать запчасти?

Лучшим будет тот котёл, на который можно без проблем купить запчасти. И в любое время найти мастера. Если нет знакомых мастеров, ставьте те котлы, которые обслуживает ваш горгаз.

Устройство обычного и конденсационного газовых котлов

Обычные газовые котлы, в свою очередь, подразделяются на котлы с атмосферной горелкой (или с открытой камерой сгорания) и котлы с вентиляционной горелкой (с закрытой камерой сгорания).

Наиболее простое устройство имеют газовые котлы с атмосферной горелкой. Центральным элементом такого котла служит газовая горелка. Она разогревает теплообменник, по которому протекает вода (или теплоноситель), подающаяся в систему отопления, за счет сжигания газа. Продукты сгорания отводятся через дымоход благодаря естественной тяге, возникающей из-за разницы температур отводящихся продуктов сгорания и наружной температуры воздуха. Из помещения в котел постоянно происходит приток воздуха, необходимого для сжигания газа. Приток воздуха тоже происходит естественным путем. Отвод продуктов горения обеспечивается за счет стационарных дымоходов.

Андрей Милицын, Директор департамента продаж «Вайлант Груп Рус»

«Хочется отметить развитие конденсационной техники, динамика развития этого направления очень неплоха. Газовый котел Vaillant неизменно пользуется спросом у потребителей. Именно конденсационные котлы мы рассматриваем как ключевое направление для нашей компании, на нем фокусируем свои усилия

Иначе дело обстоит для котлов, оборудованных вентиляционной горелкой. В таких котлах забор воздуха производится с помощью вентилятора, который нагнетает в топку необходимый для сжигания воздух. А отвод газов производится с помощью коаксиальных дымоходов. Последние отличаются от стационарных тем, что труба для отвода газов проложена в центре трубы, подводящей воздух в топку (эта конструкция еще называется «труба в трубе»).

Сегодня на рынке представлены в различных модификациях настенные газовые котлы и напольные газовые котлы. Как уже следует из названия, настенные газовые котлы устанавливаются в навесном варианте, что экономит место, а напольные газовые котлы — на горизонтальной поверхности. Потребителю нужно знать, что настенные газовые котлы, в среднем, имеют меньшую мощность, чем напольные.

Помимо этого различают одноконтурные газовые котлы и двухконтурные газовые котлы. Двухконтурные газовые котлы, в отличие от одноконтурных, позволяют не только обеспечить отопление дома, но и снабдить его горячей водой из крана. Разумеется, более выгодно применять газовый котел и для отопления, и для производства горячей воды, потэтому двухконтурные газовые котлы более популярны. Пока речь шла о конвекционных газовых котлах.

Устройство обычного и конденсационного газовых котлов

В случае с конденсационными газовыми котлами производители тоже предлагают, как настенные, так и напольные модели. Причем, в последнее время неофициальное лидерство захватил конденсационный настенный котел. Это связано с возможностью каскадной установки газовых конденсационных настенных котлов.

Конденсационный газовый котел имеет более сложное устройство, чем традиционный. Во-первых, продукты сгорания в таком котле имеют значительно более низкую температуру, чем в обычном, поэтому без вентилятора и коаксиального дымохода в этом случае не обойтись. Во-вторых, в котле конденсационного типа установлено два теплообменника — первичный и вторичный. Именно вторичный теплообменник позволяет в буквальном смысле «забрать» тепло, выделяемое в процессе конденсации водяного пара, и передать его теплоносителю, т.е. утилизировать. Напомним, что водяной пар является одним из продуктов сгорания, т.е. образуется при горении газа. В-третьих, в конденсационном котле следует предусмотреть устройство для сбора и отвода конденсата.

Горелка Premix

Горелка так же является важным компонентом любого котла, в том числе конденсационного. Список задач, за которые она отвечает:

Обеспечение точных пропорций смешения топлива с окислителем (воздухом).
Качественное перемешивание газовых составляющих.
Обеспечение экологичности горения.

Первые два пункта необходимы для повышения полноты сгорания топлива и, соответственно, общего КПД котла. Подробно разберем их ниже.

В третьем пункте, в конечном счете, подразумевается снижение выбросов вредных веществ в атмосферу. В горелках современных конденсационных котлов это достигается за счет сравнительно малых температур горения, что снижает количество образующихся соединений азота и серы. Для достижения необходимых показателей по мощности при снижении температуры площадь пламени в таких горелках обычно достаточно велика.

Наиболее распространены два варианта организации поверхности для горения. Цилиндрическая: И плоская:


цилиндрическая горелка premix	плоская горелка premix

Увеличение поверхности горения так же обеспечивает большую площадь инфракрасного излучения при работе горелки на малой модуляции мощности.

Сам материал поверхности представляет собой ячеистую структуру из металла либо керамики.

Ячеистость обеспечивает дополнительное перемешивание газа с воздухом. Но основное смешение и контроль его пропорций в современных котлах происходит до горелки — в узле “газовый клапан/вентилятор/трубка Вентури”. Его схематичное изображение представлено ниже.

Подобные системы носят общее название “Premix”, то есть система с предварительным смешением. Точное поддержание пропорции воздух-газ обеспечивается за счет приблизительно равных давлений в точке смешения. Причем эта пропорция поддерживается в широком диапазоне расходов смеси и модуляции котла.

Таким образом общую схему можно описать по пунктам:

Вентилятор создает высокую тягу, обеспечивая точный расход воздуха в соответствии с требуемой мощностью.
Трубка Вентури обеспечивает выравнивание давлений газа и воздуха в точке смешения.
Газовый клапан поддерживает оптимальную пропорцию газ-воздух в широком диапазоне скоростей вентилятора.
Полученная газовоздушная смесь поступает на поверхность горелки, где происходит дополнительное перемешивание.
Смесь поступает в область горения. Причем горение происходит с температурой, достаточно низкой для обеспечения низких выбросов вредных веществ, но при это с высокой суммарной мощностью.

Подводя итог, можно сказать, что конструкция конденсационного котла и принцип его работы не так и сложен. Однако, каждый отдельный элемент требует большого внимания при проектировании. Правильный выбор материала теплообменника, его геометрия, надежные компоненты газово-воздушного тракта — залог эффективной работы и долговечности котла. По сравнению с любым традиционным котлом, конденсационный обеспечивает большие КПД во всех режимах работы. Теплообменник изготовленный из нержавеющей стали обеспечивает долгий срок службы оборудования (вплоть до 50-ти лет) без снижения эффективности при любом качестве топлива и теплоносителя.

Рассмотрим, как описанные выше принципы и технические решения используются в газовых конденсационных котлах HORTEK.

Спектр котлов HORTEK составляют три линейки оборудования:

HORTEK Q — бытовые настенные котлы мощностью 25-60 кВт с вариантами исполнения со встроенным бойлером ГВС

HORTEK XL — настенные котлы промышленной серии 60-120 кВт с возможностью установки в каскад до 960 кВт

HORTEK HL — напольные котлы промышленной серии до 910 кВт с возможностью установки в каскад.

Каскадные котельные установки

Нередко потребитель стоит перед непростым выбором — приобрести один отопительный котел большой мощности или установить несколько котлов малой мощности, соединенных между собой (так называемый каскад). В последнее время популярность приобретает именно последний вариант. Дело в том, что каскадные установки имеют ряд преимуществ:

с их помощью обеспечивается высокий уровень резервирования системы отопления — на случай неисправности одного или даже нескольких котлов;
с помощью каскада достигается увеличение диапазона модуляции мощности всей установки, что позволяет настроить ее на оптимальные режимы работы.

Сегодня установки из нескольких настенных конденсационных газовых котлов в каскаде можно встретить все чаще. Особенно в сегменте средних и больших мощностей оборудования, где конденсационные котлы успешно конкурируют с традиционными котлами

Наиболее часто каскадные установки используются для отопления коммерческих помещений, для крышных котельных жилых домов и для других объектов, где важно обеспечить наивысшую мощность источника тепла в наименьшем пространстве