Устройство и принцип работы газовых конденсационных котлов

Факторы, влияющие на выбор устройства

Выбор той или иной модели во многом обуславливается личными предпочтениями и финансовыми возможностями покупателя. Эффективность дальнейшей работы котла зависит от характеристик приглянувшейся модели, параметров помещений, которые требуется отапливать, а также иных существующих условий эксплуатации.

При выборе котла важен учет следующих характеристик:

• показатели мощности и расхода газа;
• возможность подключения дополнительного водяного контура;
• набор функций управления;
• вариант монтажа;
• цена.

Мощность и расход газа

Для подбора оптимальной мощности учитывается площадь и высота потолков отапливаемых помещений, а также показатели их теплоизоляции в совокупности с уровнем естественных тепловых потерь.

Рекомендуемая мощность зависит от климатических условий — для средней полосы это 1—1,5 кВт на 10 м2площади. Расход топлива при этом напрямую зависит от мощности котла.

Количество подключаемых контуров

Возможность подключения дополнительного водяного контура позволит, кроме обогрева, обеспечить горячее водоснабжение либо функционирование системы «теплых полов».

Набор функций

Все современные модели конденсационных котлов автоматизированы в большей или меньшей степени. При этом более дорогие агрегаты имеют дополнительные функции: автоматическую регулировку температуры в зависимости от времени суток, возможность дистанционного управления с телефона, реагирование на присутствие жильцов и т. д.

Варианты монтажа: одноконтурные и двухконтурные

В продаже имеются как напольные, так и настенные конденсационные котлы. Напольные конструкции лучше всего подходят для использования в больших помещениях. Большинство напольных моделей имеют возможность подключения только одного контура и обладают большей мощностью (превышающей 100 кВт) по сравнению с настенными приборами.

​

Напольные котлы имеют хорошую совместимость с другими отопительными агрегатами — подключение осуществляется циркуляционными насосами.

Настенные модели бывают двухконтурными. Они более компактны и подходят для установки в небольших помещениях, легко монтируются и не требуют обустройства полноценной системы дымоотведения — отводящая труба выводится на улицу через стену.

Стоимость

Имеющиеся в продаже модели котлов делятся на три условные категории в зависимости от цены:

• Экономкласс. Самые дешевые котлы — минимум в два раза дешевле по сравнению с агрегатами премиум класса. Низкая цена обуславливает минимальный набор функций. При этом модели наиболее адаптированы к российским условиям.
• Средний класс. В большинстве случаев — оптимальный выбор. Котлы отличаются хорошими рабочими показателями, качеством исполнения, а также доступностью запчастей.
• Премиум-класс. Оборудование обладает лучшими характеристиками, максимальным набором функций, высокой эргономичностью и безопасностью, отвечает мировым экологическим стандартам. Цена на такие котлы самая высокая.

Совет. При выборе конденсационного котла, кроме личных предпочтений, эксперты также рекомендуют учитывать доступность запасных частей и возможность быстрого ремонта приглянувшейся модели.

Принцип работы 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

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?

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.

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%.

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%.

Достоинства и недостатки

Кроме вышеназванной высокой экономичности (на 10-15% потребляет меньше топлива, чем современные газовые котлы и на 30-33% меньше устаревших моделей) есть еще несколько плюсов. Температура дымовых газов на выходе конденсационного котла обычно составляет порядка 40°C. Потому использовать можно и пластиковые дымоходы. К тому же вариантов дымоудаления несколько: коаксиальный дымоход, двухтрубная система или отведение в дымоходную трубу. И это не считая строительства специального дымохода. Но к дымоходу для коаксиального газового котла имеется существенное требование – он должен быть герметичным.

Внутренне устройство конденсационных котлов отопления

Главный недостаток такого оборудования – цена. Они дороже обычных газовых агрегатов. Но также необходима переделка существующей системы отопления (добавление секций) или специальный расчет новой. Если просто поменять котел, большой экономии вы не увидите. Она будет, но незначительная. Для того чтобы система работала эффективно, требуется чтобы температура теплоносителя в подаче и «обратке» была невысокой. В обычных системах исходят из таких температур подачи/обратки: 75°C — 55°C, в конденсационных – 55°C/35°C. Потому для отопления той же площади потребуется большее количество радиаторов, а это также дополнительные затраты.

Рейтинг самых популярных моделей конденсационных газовых котлов

Следующие модели заслуживают внимания в первую очередь:

1. Vaillant ecoTEC plus VU INT IV 246/5-5-20 кВт – одноконтурный котел со стальным теплообменником. Подходит для отопления помещения площадью 200 кв. м. Объем расширительного бака – 10 л. Предусмотрена дистанционная система управления. Компания Vaillant – лидер в производстве газовых котлов.
2. Viessmann Vitodens 100-W B1HC043 – одноконтурный агрегат мощностью 35 кВт, подходит для помещений площадью 250 кв. м.
3. NAVIEN NCB-52H – 52,3 кВт хватит для обогрева 418 кв. м, вес 32 кг.
4. Hotpoint-Ariston Alteas One Net 24 – мощность – 24,4 кВт, оптимальная отапливаемая площадь – 195 кв. м, имеет 2 контура, масса равна 32,7 кг.

Особенности работы конденсационных одноконтурных котлов

При использовании обычного котла для отопления частного дома, в процессе сжигания газа образуется дым. Его температура составляет около 120 градусов. Дым выбрасывается в трубу, теряя значительную часть тепла, потому КПД обычных напольных газовых котлов составляет порядка 92%. Остальные 8% просто уходят вместе с топочными газами через дымоход.

В конденсационных одноконтурных котлах дым служит дополнительным источником энергии. Отдавая максимум своего тепла, он выходит из дымохода с температурой 50-60 градусов. Это достигается за счет специальной конструкции теплообменника конденсационного одноконтурного котла.

Поступаемый в котел воздух имеет определенную влажность, соответственно при его нагреве, имеющиеся частички воды превращаются в пар и именно его мы видим с дымоотвода.

При работе напольных конденсационных одноконтурных котлов, топочные газы не отводятся в дымоход, а сперва направляются к задней части теплообменника или в отдельную конденсационную камеру, куда поступает охлажденный теплоноситель. В результате разности температур, пар переходит в жидкое состояние. Процесс перехода сопровождается выделением тепла, которое передается теплоносителю. Получается, что при поступлении в ту часть теплообменника, которая расположена непосредственно возле горелки, теплоноситель уже предварительно подогрет. В результате, количество сжигаемого газа для получения необходимой температуры в системе отопления снижается.

Дополнительно ко всему, тепло с топочных газов поглощается уже при выходе из напольного конденсационного одноконтурного котла. Подобный механизм реализовывается путем использования коаксиального дымоотвода. Эффект его работы заключается в том, что горячие отводящие газы отдают свое тепло приходящему воздуху. Таким образом, в горелке с природным газом смешивается предварительно подогретый воздух, что снижает затраты энергии на его разогрев.

Устройство и принцип работы конденсационных газовых котлов

Конструктивно конденсационный котёл на газу не слишком-то отличается от обычного (конвекционного) котлоагрегата, но некоторые изменения всё же есть.

Особенности внутреннего устройства (узлов) конденсационного котла:

закрытая камера сгорания – оснащается вентилятором для принудительной подачи воздуха и модулируемой горелкой с диапазоном мощности 20–100 %, что в сумме даёт возможность точно контролировать температуру отработанных газов;
регулируемый циркуляционный насос – позволяет гибко подстраивать силу напора теплоносителя под заданные гидравлические и температурные параметры, т. к

это очень важно, когда система отопления работает в режиме неполной нагрузки;
дополнительный теплообменник – служит для охлаждения парогазовой смеси до точки росы, из которой на стенках образуется конденсат и аккумулируется тепло, повторно направляемое на прогрев теплоносителя в первичном теплообменнике.

Дополнительный теплообменник неизбежно подвергается действию конденсата, который вопреки распространённому мнению представляет собой не воду, а едкую кислотную жидкость (pH=2,5–5,0). Поэтому для него используются только химически стойкие металлы – нержавеющая сталь и сплав алюминия с кремнием (силумин).

Принцип работы обычного конвекционного (КПД 88-92%) и конденсационного (КПД 104-109%) газовых котлов.

Поэтапный процесс функционирования конденсационного котла:

• продукты сгорания, пройдя через основной теплообменник, поступают для охлаждения на вторичный теплообменник, по которому движется остывшая вода;
• пройдя через него, дым тоже остывает до температуры ниже росообразования (56–57 °C), вследствие чего его водяные пары начинают оседать в виде конденсата;
• выделившееся тепло используется для предварительного разогрева линии «обратки», а температура газов, поступающих в дымоход, снижается (40–60 °C).

Таким образом, главное отличие «конденсационников» от конвекционных котлов заключается в том, что они используют скрытую теплоту для разогрева воды ещё до подачи в основной теплообменник. В результате для достижения комфортной температуры им нужно тратить на 15–25 % меньше топлива – экономия очевидна.

Конденсационный газовый котел – принцип работы

Основным принципом работы любого оборудования конденсационного типа является способность пара в процессе охлаждения переходить в жидкое состояние.

Сам процесс перехода сопровождается высвобождением некоторого количества тепловой энергии, что позволяет значительно снизить расход топлива и повышает коэффициент полезного действия.

Принцип действия конденсационного оборудования представлен несколькими поочередными этапами:

• прохождение продуктов сгорания через первый теплообменник, с охлаждением до температурных показателей выше точки росы и передачей тепловому носителю порядка 90% всей энергии;
• подача продуктов сгорания внутрь конденсируемого теплообменника с последующим их охлаждением до температурных показателей в 50оС;
• осуществление конденсации пара и передачи скрытой энергии на уровне 10% тепловому носителю;
• поступление конденсата внутрь специального резервуара, и последующее его выведение посредством специальных труб нейтрализующих резервуаров.

Следует отметить, что для изготовления конденсируемого теплообменника обязательно должны применяться современные и высококачественные материалы, обладающие отличными противокоррозионными характеристиками.

Принцип работы конденсационных котлов

Чаще всего с этой целью используются алюминиево-кремниевые сплавы, а также надежная нержавеющая сталь, отличающиеся долговечностью и не подвергающиеся разрушению под действием агрессивных конденсатов.

В современном отопительном оборудовании, представленном газовыми котлами, показатели распределения включают в себя полезную энергию, лучистое тепло и потери, удаляемые с продуктами сгорания непосредственно в атмосферу, но КПД конденсационного котла выше традиционных приборов примерно на 15%.

Конденсационные процессы протекают внутри специальной камеры – теплообменника, который обладает значительной площадью, а вся отобранная тепловая энергия полностью возвращается непосредственно в отопительную систему.

Процесс горения

Рассмотрение принципа работы конденсационных котлов имеет смысл начать с того, за счет чего вообще происходит нагрев теплоносителя в данном оборудовании — горения топлива. Основные химические элементы, участвующие в процессе горения любого углеводородного топлива:

• Углерод (С), водород (H2), сера (S) — содержатся в топливе. Содержание серы может быть достаточно высоким в дизельном или твердом топливе (дрова, уголь). Для природного газа максимальное содержание сероводорода согласно нормам составляет 20 мг/м3, фактическое обычно гораздо меньше.
• Кислород (О2), азот (N2) — содержатся в воздухе. Так же в воздухе присутствуют другие газы, но они либо инертны, либо их процентное содержание крайне мало.

Далее будем рассматривать горение на примере простейшего углеводорода — метана (CH4). Строго говоря, данная реакция представляет собой достаточно сложную цепочку с образованием промежуточных соединений, мы приведем итоговую формулу:

CH4+2O2 ? CO2+2H2O+Q

Реакция проходит с выделением энергии и образованием углекислого газа и воды. Важным моментом здесь является то, что при недостатке кислорода в реагирующей смеси, помимо углекислого газа образуется так же угарный (СО), который даже в сравнительно малых концентрациях опасен для человека. Кроме того, при этом снижается количество получаемой энергии. Для предотвращения данного эффекта существуют определенные особенности в конструкции элементов котла, которые мы обсудим в последующем.

Другой важной группой реакций при горении метана в воздухе является окисление азота и серы:

N2+O2 = { NO | NO2 | N2O }

S+O2 = { SO2 | SO3 }

Оксиды азота NO и NO2 обычно обозначают общим наименованием NOx. При реакции с водой они образуют азотную (HNO3) и азотистую (HNO2) кислоты. При выбросе в атмосферу последние становятся одним из основных компонентов кислотных дождей. Закись азота N2O кислот не образует, но участвует в разрушении озонового слоя. Естественно, что в конструкции современных котлов предпринимаются меры для снижения данных выбросов. Мы рассмотрим эти меры при обсуждении отдельных компонентов оборудования.

Оксиды серы при реакции с водой образуют серную кислоту. Но их содержание в продуктах сгорания крайне мало, поэтому как фактор загрязнения среды они не рассматриваются. Но они могут оказывать сильное воздействие на элементы конденсационного котла.

Рейтинг конденсационных котлов

Рейтинг конденсационных котлов отличается по производителям и моделям, в зависимости от типа конструкции: настенной или напольной.

Наиболее популярные настенные типы котлов:

1. De Dietrich PMC-M 24/28 MI Plus – двухконтурный навесной котёл с литым, легированным алюминием, теплообменником и пластинчатым для подключения в горячему водоснабжению, а также расширительным баком на 8 л. Мощность нагрева 6,1-24 кВт, максимальная площадь отопления – 248 м2, масса конструкции 29 кг.
2. Ariston Genus Premium Evo 30 – двухконтурный котёл премиум-класса, оснащённый радиальным и пластинчатым теплообменниками, погодозависимой автоматикой. Рассчитан на мощности 3,3-30 кВт и площадь помещений до 311 м2, масса конструкции 35 кг.
3. Viessmann Vitodens 100-W – двухконтурный котёл с высокотехнологичным теплообменником Inox Radial и вторичным пластинчатым для ГВС, модулируемой горелкой Matrix в диапазоне от 20% до 100%. Диапазон мощностей – 11-35 кВт, рассчитан на площадь до 350 м2, масса 44 кг.

Конденсационный котел Viessmann Vitodens 100-W

Рейтинг популярных напольных котлов:

1. Vaillant ecoVIT VKK INT 366 – одноконтурный котёл мощностью 34 кВт, предназначенный для отопления помещений площадью до 340 м2. Оснащён цифровой системой управления DIA-System, электронным поджигом и модулируемой горелкой. Предназначен для отопления и производства горячей воды.
2. Viessmann Vitogas 100-F GS1D870 – одноконтурный котёл, оснащённый открытой камерой сгорания, надёжной и долговечной системой поджига с предварительным смешением, высокоточной автоматикой. Рассчитан на мощность 29 кВт и отапливаемую площадь 300 м2.
3. Buderus Logano G234 WS-38 – одноконтурный котёл мощностью 38 кВт, предназначенный для отопления помещений площадью до 380 м2. Конструкция теплоизолирована, поддерживает подключение дополнительной автоматики, прочна и надёжна в эксплуатации. Предназначен для отопления и нагрева воды для ГВС.

Установка конденсационных котлов в современных системах отопления является весьма выгодной, даже несмотря на их высокую стоимость. Они безопасны в эксплуатации, неприхотливы в обслуживании, ремонтопригодны, эффективны и универсальны в применении. Являются отличной альтернативой обычным котлам за счёт высокого КПД и экономного расхода газа.

Особенности работы

Главный принцип работы конденсационных устройств заключается в передаче воде того тепла, которое образуется при сгорании газа и конденсации пара. Классические газовые агрегаты способны выполнить только первую функцию. Поэтому их КПД меньше.

Модели конденсационных агрегатов работают так:

1. Теплоноситель с температурой, меньшей 57 °С, поступает в конденсационный теплообменник.
2. Угарные газы, охладившись у основной части теплообменника, двигаются дальше, омывают стенки конденсатора, продолжая охлаждаться. Когда их температура становится меньше 57 °С, начинает выпадать конденсат.
3. Капли воды остаются на внешней стенке теплообменника, нагревают ее. Далее подогревается теплоноситель.
4. Подогретая вода движется в основную часть теплообменника, где нагревается до высокой температуры.
5. Нагретый теплоноситель поступает в систему отопления.
6. Охлажденные дымовые газы выходят через коаксильный дымоход.

Во время работы котла направления движений воды и дымовых газов являются встречными.

Впитанное тепло из конденсата повышает КПД конденсационного котла на 11 процентов. В результате этот показатель достигает 108-109%. В голове многих здравомыслящих людей сразу возникает вопрос, а как КПД может быть больше 100%?

Объяснение этого случая является таким: КПД является относительной величиной, которую для газовых устройств высчитывают по нижнему уровню теплоты сгорания. Для такого расчета используют только то количество тепла, которое выделяется при сгорании газа. Однако есть высший уровень теплоты сгорания. Он больше на 11% от нижнего, ведь включает то тепло, которое образуется при конденсации водяного пара. Числа 108-109% получились потому, что за базу сравнения производители взяли КПД по нижнему уровню теплоты сгорания.

Стоит отметить, что разные модели конденсационных устройств могут иметь вышеуказанный КПД только тогда, когда теплоноситель в обратной трубе холоднее 57 °С. Эта температура является точкой росы. При ней водяной пар начинает конденсироваться. Для большего понимания, точка росы может быть разной. Она зависит от влажности и температуры воздуха. Для условий, возникающих внутри газового котла, она составляет 57 °С.

Если же теплоноситель является более горячим, конденсация пара также происходит. Однако она является очень слабой и КПД поднимается не более чем на 4-5%.

Конденсационные котлы классифицируют по двум признакам:

1. Количество контуров.
2. Исполнение корпуса.

По количеству контуров бывают такие виды:

1. Одноконтурные. Они предназначены для отопления дома. В своем составе имеют только один теплообменник. Такие модели могут нагревать воду для ГВС, однако нужно осуществлять подключение бойлера косвенного нагрева.
2. Двухконтурные. С помощью них отапливают дом и подают горячую воду в краны водопроводной системы. Их конструкция дополнена небольшим теплообменником (вместо него может быть накопительный бак или бойлер послойного нагрева ) и трехходовым клапаном, который может изменять режим отопления на режим ГВС и наоборот. Работа этого клапана происходит по такому принципу: теплоноситель может поступать либо в дополнительный теплообменник, либо в систему отопления.

Что касается исполнения корпуса, то конденсационные котельные устройства бывают такими:

Настенные являются наиболее распространенными, ведь позволяют экономить пространство, и их можно монтировать на кухне. Их мощность не бывает больше 120 кВт. Правда, большинство таких агрегатов имеют мощность, меньшую 100 кВт. В их составе не бывает большого бойлера послойного нагрева.

Напольные в отличие от настенных имеют большие габариты, и поэтому их нужно монтировать в отдельной комнате. Другим их признаком является большая мощность. Также строение многих напольных модификаций может включать объемный накопительный бак или бойлер послойного нагрева.