Устройство конвекционного газового котла

В поисках решения проблемы обогрева помещения владельцы частных домов или неподключенных к централизованному отоплению квартир задумываются о том, что такое конвекционный газовый котел и какую разновидность лучше выбрать. Большинство автономных систем строится на основе таких теплогенераторов. Это наиболее приемлемый вариант с точки зрения соотношения цены горючего и удобства эксплуатации.

Описание конвекционного газового котла

Корпус прибора представляет собой параллелепипед с патрубками для подключения к:

• отопительному контуру с жидким теплоносителем;
• газопроводу;
• дымоходу.

Котел нагревает проходящую через него воду – это его главная функция.

Принцип работы и устройство отопительного прибора

Внутри агрегата находятся следующие основные узлы:

• газовая горелка;
• запальник (не во всех моделях);
• устройство розжига;
• теплообменник;
• система автоматики.

Большинство котлов дополнительно комплектуется:

• циркуляционным насосом;
• расширительным бачком;
• группой безопасности: состоит из манометра, предохранительного клапана и воздухоотводчика.

Внутреннее пространство, где размещены горелка и теплообменник, называют топкой. Патрубок для подключения к дымоходу находится в верхней ее части.

Работает котел следующим образом:

1. Нажатием специальной кнопки открывается клапан подачи газа в запальник. Топливо вспыхивает при контакте с искрой, которую вырабатывает пьезоэлемент механизма розжига. Через 2-3 секунды кнопку отпускают. В моделях с электронным включением запальника нет.
2. Температура поступающей в теплообменник котла рабочей среды анализируется термодатчиком. По достижении ею установленного минимального показателя прибор посылает сигнал в контроллер, и тот открывает клапан подачи газа в основную горелку. Топливо вспыхивает от запальника или электронного розжига.
3. Конвекция заставляет горячие продукты распада газа подниматься вверх. Они омывают теплообменник, нагревая его, и устремляются в дымоход.
4. Температура рабочей среды на выходе из устройства анализируется вторым термодатчиком. Как только она достигнет установленного максимума, сенсор просигнализирует контроллеру и тот перекроет подачу газа в основную горелку.
5. Когда теплоноситель снова остынет, повторяются пункты 2-4.

В большинстве моделей предусмотрены функции:

1. Защиты от замерзания. При остывании теплоносителя до +5°С прибор запускается автоматически с минимальной производительностью, достаточной для поддержания температуры рабочей среды выше указанной отметки.
2. Контроля микроклимата в помещении. Посредством выносного термостата прибор поддерживает на нужном уровне температуру воздуха в комнате.

В систему автоматики также входят датчики:

• тяги: блокирует поступление газа при нарушении процесса дымоудаления;
• пламени: действует аналогично при затухании основной горелки.

Срабатывание сенсора тяги может означать, что дымоход нуждается в очистке. Расшифровка представлена на сайте bigkotel.ru.

Достоинства и недостатки

К преимуществам конвекционных котлов относятся:

1. Использование самого привлекательного энергоносителя: природный газ стоит дешево, не нужно заниматься доставкой и складированием.
2. Работа без участия человека. Достаточно запустить прибор в начале сезона, весь дальнейший процесс полностью автоматизирован.
3. Отсутствие тепловой инерционности: производительность меняется практически мгновенно.
4. Возможность работы без электроснабжения (энергонезависимость).
5. Чистый выхлоп. Как следствие, отсутствует необходимость обслуживать дымовую трубу: теплообменник мало страдает в случае образования на нем конденсата.

Недостатки:

1. Зависимость от сети газоснабжения.
2. Необходимость в получении разрешения на установку прибора и разработке проекта.
3. Потребность в дымоходе.
4. Взрывоопасность.
5. Риск отравления жильцов природным газом.

Преобладание таких котлов, по сравнению с теплогенераторами прочих типов, свидетельствует о том, что их преимущества намного весомее недостатков.

Виды конвекционных газовых котлов

Камеры сгорания в приборах бывают:

• открытыми;
• закрытыми.

Первые забирают воздух из помещения, дымоудаление осуществляется за счет естественной тяги.

Достоинства таких котлов:

• низкая стоимость, обусловленная простотой конструкции;
• возможность энергонезависимого исполнения.

Недостатки:

• нужен постоянный приток в помещение свежего воздуха для поддержания микроклимата;
• жесткие требования к дымоходу: вертикальный, высотой не менее 5 м, сечение соответствует мощности;
• опасность отравления жильцов природным или угарным газом;
• пожароопасность.

Отличие закрытой камеры сгорания заключается в полной изоляции от внутреннего пространства котельной. Воздух нагнетается с улицы вентилятором, дым тоже удаляется принудительно. Для этого используется коаксиальный дымоход. Продукты сгорания выводятся по внутренней трубе, воздух с улицы поступает через просвет между стенками.

Достоинства:

• отсутствие особых требований к вентиляции помещения;
• безопасность: пожар и отравление не грозят;
• повышенный КПД: вместо атмосферной используется более экономичная наддувная горелка;
• простота монтажа: благодаря принудительному отводу дыма коаксиальные конструкции прокладываются по любой траектории, можно полностью горизонтально.

Недостатки:

• высокая стоимость;
• меньшая надежность, обусловленная сложностью конструкции;
• энергозависимость.

В условиях бесперебойного электроснабжения и отсутствия финансовых ограничений предпочтителен теплогенератор с закрытой топкой.

По функциональности газовые котлы делятся на следующие виды:

• одноконтурные;
• двухконтурные.

Первый работает только на систему отопления, второй – еще и обеспечивает подачу горячей воды. При этом двухконтурный котел не способен функционировать на два направления одновременно. Когда во 2-й трубе датчик протока фиксирует движение жидкости (на кухне или в ванной открыли кран), 3-ходовой клапан направляет теплоноситель туда. Вывод: при большой потребности в кипятке такой прибор не подойдет, поскольку не сможет в нужной мере поддерживать систему отопления.

В двухконтурные котлы устанавливают теплообменники:

• раздельные;
• совмещенные (битермические).

Второй тип собирается из коаксиальных элементов: внутренний канал подключается к водопроводу, в пространстве между стенками течет теплоноситель.

Отопитель выигрывает в следующем:

• упрощается конструкция за счет устранения 3-ходового клапана;
• уменьшаются размеры.

Но при таком исполнении каналы имеют уменьшенное сечение, потому изделие быстро зарастает накипью. При этом менять приходится теплообменники обоих контуров, поскольку они составляют одно целое. Это дорого, поэтому при высокой жесткости воды лучше приобрести котел раздельного типа.

Немало приборов работает как проточные нагреватели. Мощность менее 20 кВт в условиях большого расхода горячей воды окажется недостаточной. В этом случае рекомендуется приобрести модель со встроенным бойлером.

Теплообменники для отопителей изготавливают из таких материалов:

• сталь;
• сплав алюминия и кремния (силумин);
• чугун;
• медь.

Первый из них наиболее дешевый, но недолговечный, поскольку ржавеет и имеет слабые места – сварные швы.

Теплообменник из сплава алюминия с кремнием тоже стоит недорого, при этом мало весит и не подвержен коррозии. Но и у него срок эксплуатация невелик: элемент может внезапно лопнуть из-за межкристаллических разрушений. Литые чугунные аналоги обходятся дороже, но зато они прочны и практически не ржавеют, потому дольше служат.

Наибольшую стоимость имеют медные теплообменники. Их преимущество – повышенная экономичность. Увеличение КПД обеспечивает высокая теплопроводность материала.

Газовые котлы различаются по типу основной горелки, которая бывает:

• одноступенчатой;
• двухступенчатой;
• модулированной.

Первую устанавливают в недорогих отопителях. Она работает лишь на номинальной мощности, теплопроизводительность регулируется путем периодических отключений (режим «старт-стоп»). Такой способ работы наименее экономичен, к тому же оборудование относительно быстро изнашивается из-за перепадов температур.

Двухступенчатая горелка обходится несколько дороже. Она работает в двух режимах: с полной теплопроизводительностью и с половинной.

Этим обеспечиваются:

• щадящий плавный запуск;
• снижение частоты включений и отключений при работе в низкотемпературном режиме (межсезонье).

Наиболее дорогие модулированные горелки. Они способны изменять теплопроизводительность в широких пределах – от 10% до 100%.

Котел подбирает нужный режим и работает без отключений. Это намного продлевает срок его службы и обеспечивает высокий уровень экономичности.

Для условий, когда электричество подается с перебоями, выпускают энергонезависимые котлы. Они оснащаются аналоговой автоматикой, работа которой основана на следующих физических эффектах:

• зависимости объема материала от температуры;
• термоэдса – появления напряжения в элементе из разнородных сплавов при нагреве его с одной стороны (эффект Зеебека).

Функциональность энергонезависимых котлов минимальна: не предусмотрены подключение погодозависимой автоматики, программирование, самодиагностика, удаленное управление. Используется механический регулятор термостата. Но в отношении безопасности приборы ни в чем не уступают энергозависимым аналогам: здесь тоже блокируется подача газа при затухании горелки или нарушении тяги.

Не стоит забывать, что независимость от электроснабжения должна быть присуща и системе отопления, т.е. ее нужно спроектировать под естественную циркуляцию теплоносителя. Ведь насос при авариях в электросети работать не будет.

Контур с естественной циркуляцией имеет следующие особенности:

• применены трубы большого диаметра;
• их укладывают с большими уклонами;
• контур начинается вертикальным участком – разгонным коллектором.

По способу установки котлы делятся на 2 вида:

• настенные;
• напольные.

Первые оборудуются только легкими теплообменниками, в основном стальными, и мощность у них ограничена. Максимальная отапливаемая площадь составляет 300 кв. м.

Такие модели предпочтительны благодаря 2 достоинствам:

• они не занимают места на полу, котел может быть размещен, например, над разделочным столом;
• разрешена установка на кухне.

Напольный агрегат не только занимает место, но еще и требует выделения отдельного помещения.

Но и у него есть преимущества:

• применяется более долговечный чугунный теплообменник;
• мощность не ограничена.

Для владельца большого частного дома напольный котел – безальтернативный вариант.

Ряд производителей выпускает конвекторные газовые отопители. При всей схожести названий они существенно отличаются от вышеописанных разновидностей. Вместо жидкостного теплоносителя устройства греют воздух: горячий устремляется вверх, снизу подсасывается холодный. Обменник выполнен в виде вертикальных трубок, окружающих топку. Посредством воздуховодов можно распределять тепло по нескольким помещениям.

У такого отопления есть ряд преимуществ:

• вместо дорогих труб и арматуры используются дешевые, заслонки можно изготовить самостоятельно из фанеры или жести;
• не страшны протечки, завоздушивание, замерзание и закипание;
• не нужны дорогостоящие манометры, расширительный бак.

По большому счету, использование жидкостного теплоносителя в автономной системе отопления – результат стереотипного мышления. Применение такой рабочей среды оправдано лишь в случаях, когда котел находится далеко от потребителя (в централизованных сетях). Здесь из-за больших потерь нужно вещество с высокой теплоемкостью. В автономной системе такой проблемы нет, поскольку котел находится рядом. Поэтому воздух может выступать в роли рабочей среды.

Единственный недостаток – воздуховоды необходимо закладывать на этапе проектирования здания. Установка их в уже построенном объекте негативно отразится на интерьере.

Разница между конвекционным и конденсационным котлами

На выходе из камеры сгорания дымовые газы еще имеют относительно большой запас тепла. Конструкция конденсационного котла позволяет усвоить его существенную часть. При этом выхлоп сильно остывает. В специальной камере обильно образуется влага.

Особенности отопителя нового поколения:

1. КПД составляет 98-99%. По отечественным нормам – 110-130%.
2. Возможна работа только с низкотемпературными системами («теплый пол» и т.п.).
3. Скопившуюся за счет конденсации паров жидкость запрещается сбрасывать в общую автономную канализацию, т.е. в условиях загородного участка она утилизируется отдельно либо сначала нейтрализуется щелочью. В противном случае бактерии в септике погибнут. В централизованную канализацию отведение разрешено.

Тот факт, что КПД по отечественным нормам превышает 100%, объясняется следующим: в СССР за максимум принимали не абсолютный запас тепловой энергии в топливе, а ту его часть, которую, как тогда считалось, теоретически можно усвоить. Конденсационные котлы превысили этот порог, поэтому их КПД больше сотни. Отчасти данная технология получила развитие благодаря появлению новых видов нержавеющей стали, устойчивых к воздействию конденсата. Последний представляет собой кислотный раствор, хотя и менее едкий, чем в случае с твердотопливными аналогами.

Конденсационные котлы стоят намного дороже конвекционных. Но благодаря высокой экономичности срок окупаемости у них невелик.

Вывод

Газовые котлы выпускаются в большом разнообразии. Наиболее практичный вариант – настенный двухконтурный отопитель с закрытой камерой сгорания и медным теплообменником.