Теплообменники конденсационных котлов

В настоящее время на отечественном рынке представлены газовые и жидкотопливые конденсационные котлы. И если первые предлагают сегодня уже почти все ведущие производители этого оборудования, то вторые – всего две-три компании – Viessmann, Wolf (Германия), Navien (Корея), Baxi (Италия). И это не случайно. С точки зрения обеспечения конденсационного режима жидкотопливные котлы «капризнее» – выход на такой режим в газовых котлах происходит при температуре поверхности конденсационного теплообменника ниже 58 ˚С, а в жидкотопливных – ниже 48 ˚С. Причем объем дополнительной энергии, получаемой за счет конденсации в первом случае – до 11 %, а в последнем – не превышает 6 %. Причем надо понимать, что эти дополнительные проценты можно получить лишь при конденсации всего водяного пара, получаемого при горении.

Поэтому, например, шесть дополнительных «жидкотопливных» процентов получить сложнее (требования к температуре конденсационного теплообменника жестче), чем увеличить на девять-десять процентов коэффициент использования топлива в газовых котлах.

 

Пропуск в конденсационники – теплообменник

Практически любой газовый или жидкотопливный котел теоретически можно превратить в конденсационный, укомплетовав дополнительным теплообменником, поверхности которого имеют температуру ниже точки росы для данного вида топлива и обеспечив эффективный отвод продуктов сгорания (преодоление дополнительного аэродинамического сопротивления). Распространение конденсационных технологий вначале шло именно таким путем: действующие теплогенераторы (в основном напольные чугунные котлы) дооборудовались пластинчатыми конденсационными модулями, выполненными из нержавеющей стали. И лишь сравнительно недавно потребитель в бытовом и полупромышленном сегментах сделал окончательный выбор в пользу унифицированных аппаратов, изначально сконструированных в расчете на использование в конденсационном режиме, с одним или двумя теплообменниками. 

Они в конденсационном котле должны отвечать двум требованиям. Первое – обеспечивать интенсивный и эффективный теплосъем, второе – быть устойчивыми к коррозионному воздействию конденсата, в общем случае представляющего собой кислотную смесь (pH 3–3,5) из угольной, азотной, азотистой, серной, сернистой низкоконцентрированных кислот. Причем одна из характерных особенностей конденсата жидкотопливных котлов – наличие в нем кислот, образующихся из серного и сернистого ангидридов, присутствующих в продуктах реакции горения жидкого, даже малосернистого, топлива. Эта дополнительная кислотная составляющая делает конденсат жидкотопливных котлов более агрессивным, чем у газовых.

В общем случае нельзя выделить какие-то специфические черты теплообменников жидкотопливных или газовых котлов: все различия вполне укладываются в конструктивные особенности той или другой модели, материалы из которого изготовляются теплообменники и, соответственно, применяемые для этого технологии. Как в первом, так и во втором типе котлов может иметься один или два теплообменника (второй – конденсационный). Материалом для второго обычно служит нержавеющая сталь. Пожалуй, важнейшая особенность газовых конденсационных котлов – большое число моделей настенников, предъявляющих более жесткие требования к габаритам и массе. Поэтому первичные высокотемпературные теплообменники из чугуна в этих случаях не используются, а широко применяются медь, алюминий-кремниевые сплавы и нержавеющая сталь.

Например, в котлах с закрытой камерой сгорания Prestige компании ACV(Бельгия), двухконтурных Excellence со встроенным бойлером типа «бак в баке» (24 и 32 кВт) и одноконтурных Solo (от 24 до 120 кВт), теплообменники выполнены из нержавеющей стали. В новой линейке настенных котлов R40 (мощность до 145 кВт) компании Rendamax премиксная горелка обеспечивают широкий диапазон регулирования мощности (6:1). Набор оригинальных аксессуаров позволяет быстро установить каскад из восьми котлов мощностью до 1140 кВт. Двойной теплообменник с разветвленной поверхностью теплообмена выполнен из нержавеющей стали.

В серии одноконтурных настенных котлов повышенной мощности (до 45 кВт) ecoTEC plus VU OE компании Vaillant (Германия) теплообменники выполнены из меди (высокотемпературный) и нержавеющей стали (конденсационный).

 

Жидкотопливные и комбинированные

Жидкотопливные конденсационные котлы изготавливаются с одним или двумя контурами. Модели второго типа предусматривают возможность организации ГВС дома за счет наличия в конструкции интегрированного емкостного нагревателя.

В котлах Vitorondens 222-F и Vitorondens 200-T (компания Viessmann) мощностью 28,9 и 53,7 кВт соответственно конденсационный теплообменник выполнен из высококачественной нержавеющей стали.

Модель Vitorondens 200-T компактна, а конденсационный теплообменник расположен последовательно по отношению к высокотемпературному, выполненному из чугуна (Vitorondens 200-T разработан на основе хорошо себя зарекомендовавшего чугунного жидкотопливного на котла Vitorond 100). Благодаря комбинации эффективной поверхности теплообмена Eutectoplex и последовательно подключенному конденсационному теплообменнику уходящих газов Inox-Radial процессы генерации тепла отделены друг от друга и поэтому обеспечивается наиболее эффективный режим работы высокотемпературной и конденсационной зоны.

В котлах серии Bora THE (торговая марка Chappee, компания Baxi S.A.), мощностью до 40 кВт высокотемпературный цельнолитой теплообменник полусферической формы выполнен из высокопластичного эвтектического чугуна. Его конструкция позволяет достичь высокой теплоотдачи, а также равномерного распределения тепловых нагрузок.

Еще одно его преимущество – удобство обслуживания и очистки, что актуально при работе на жидком топливе. Материалом для второго конденсационного теплообменника служит нержавеющая сталь. По данным производителей такая конструкция обеспечивает коэффициент использования топлива 100,5 %.

В жидкотопливных конденсационных котлах COB и COB-CS (компания Wolf) мощностью 20–40 кВт и массой 92–99 кг теплообменник, выполненный из сплава алюминий-кремний, рассчитан на длительный срок службы. Он прост в техобслуживании и не имеет ограничений по минимальном расходу воды.

 

Сплавы алюминия, сталь

Каждый из применяемых в теплообменниках материалов имеет свои особенности, оказывающие влияние на оптимизацию конструкции, обуславливающих тот или иной ее тип. Причем производители обычно концентрируют внимание на достоинствах и предпочитают умалчивать о сопряженных с ними недостатках. Например, если исходить лишь из повышения эффективности кондуктивной теплопередачи, то первенство с большим опережением держит алюминий и его сплавы. К их достоинствам, помимо коррозионной устойчивости и низкой массы, можно отнести высокую жидкотекучесть, благодаря которым теплообменник изготавливается литым. 

Однородность сплава, одинаковая толщина стенок, отсутствие сгибов и сварочных швов способствуют высокой коррозионной устойчивости, низкой восприимчивости к резким перепадам температур между подающей и обратной линией. Однако достоинства накладывают и конструктивные ограничение на толщину поверхностей теплообмена. Технология изготовления (литье) и прочностные характеристики требуют их большей толщины, что снижает кондукцию по сравнению с элементами из нержавеющей стали. 

Теплообменник бытовых настенных газовых котлов ALKON (компания UNICAL, Италия) выполнен в виде цельнолитого блока из сплава Al-Si-Mg без разъемов/стыков по водяной стороне, кроме присоединений трубопроводов подачи/обратки. Его водяная полость по сравнению с пластинчатыми первичными теплообменниками традиционных настенных газовых котлов имеет большее проходное сечение, что делает его несравненно более «жизнеспособным». Такая конструкция корпуса котла обеспечивает его надежность и долговечность, а также минимальные габариты котла. Для модели ALKON 50/70 они составляют (В × Ш × Г): 266 × 615 × 930 мм. В настенных конденсационных котлах Navien NCN (Корея) мощностью 21–40 кВт теплообменники выполнены из нержавеющей стали. 

Газовые конденсационные котлы могут быть также напольными. Серия POWER HT (компания Baxi) включает в себя модели мощностью 45–320 кВт. Такие котлы мощностью до 150 кВт были оснащены теплообменниками из нержавеющей стали. Но недавно потребителям были представлены котлы с максимальной мощностью 230, 280 и 320 кВт, рассчитанные для теплоснабжения многоэтажных зданий, торговых или офисных комплексов. Высокая надежность таких котлов обеспечивается применением литого теплообменника из алюмний-кремниевого сплава. 

Особое положение в ряду промышленных (мощностью 100 кВт и более) конденсационных котлов занимают многогорелочные (модульные) котлы UNICAL MODULEX (100–340 кВт) и SUPERMODULEX (440–900 кВт). У этих моделей в корпусе расположены автономные тепловые секции единичной мощностью 12–48 кВт (MODULEX) и 25–100 кВт (SUPERMODULEX).

Коэффициент модуляции таких котлов достигает для первой серии (мощность 340 кBт, 7 секций) – 1:28, для второй (900 кBт, 8 секций) – 1:39.