9.4. Газовые отопительные аппараты

Для отопления жилых домов применяются отопительные агрегаты с передачей теплоты конвекцией и излучением — камины, а также аппараты, имеющие в качестве теплоносителя воду (котлы).

Аппараты отопительные водонагревательные емкостные. Такиеаппараты, называемые двухконтурными, сравнительно недавно приобрели широкое распространение, кроме отопления, обеспечивая еще горячее водоснабжение. Они разрабатываются и изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 11032—80.

 

Водонагреватели мощностью до 10 кВт могут быть использованы для отопления помещений площадью до 100 м2. Обычно емкостной водонагреватель состоит из:
• внешнего кожуха;
• внутреннего цилиндрического бака из стального оцинкованного листа;
• жаровой трубы с удлинителем тяги;
• газогорелочного устройства с запальной горелкой;
• блока автоматики, включающего в себя электромагнитный клапан и термопару;
• терморегулятор и тягопрерыватель с патрубком для присоединения к дымоходу.

 

 

Внутреннее пространство между кожухом и баком проложено термоизоляционными материалами. Вода в баке водонагревателя постоянно находится под давлением, аналогичным давлению воды в городском водопровод. При зажигании горелки вода в баке нагревается до требуемой температуры (80–90°С), после этого терморегулятор автоматически прекращает доступ газа к горелке. Пламя запальника продолжает гореть и воспламеняет газовоздушную смесь на основе горелки, как только вода охладится, т. е. температура будет ниже заданной. В этом случае терморегулятор открывает проход газа на основную горелку. Запальник нагревает термопару, ЭДС которой удерживает открытым электромагнитный клапан подачи газа. При падении давления в подводящем газопроводе пламя
запальной горелки гаснет, ЭДС исчезает и электромагнитный клапан закрывает подвод газа, независимо от клапана терморегулятора.

 

 

Аппараты отопительные газовые бытовые с водяным контуром (ГОСТ 20219–74), предназначенные для отопления помещений, могут изготавливаться следующих типов:
• работающие на природном газе;
• работающие на сжиженном газе;
• смешанного питания — на природном и сжиженном газах,
и в следующих климатических исполнениях:
• У — для эксплуатации в районах с умеренным климатом,
• ХЛ — для эксплуатации в районах с холодным климатом.

 

Одним из лидеров рынка отопительного оборудования является немецкая компания Buderus, представляющая полный спектр решений отопительного оборудования, способного обеспечить теплом квартиру, индивидуальный коттедж, многоквартирный дом, большое предприятие и целый городской район. Будет целесообразно рассмотреть современные газовые котлы на примере продукции этой компании.

Настенные газовые конденсационные котлы (на примере котла Logamax plus GB022). Газовые котлы такого типа применяются при устройстве систем горячего водоснабжения в коттеджах на одну, две и несколько семей, а также домов рядовой застройки и работают на природном газе.

 

Котлы этого типа отличают:
• широкий диапазон плавного изменения мощности — 25–100%;
• стандартизированный КПД — до 109%;
• оптимальная гидравлическая схема для максимального использования теплотворной способности газа;
• низкая температура дымовых газов;
• встроенный теплообменник выполненный из ребристых труб с большими поверхностями нагрева и низкий уровень шума.

 

 

В котлах данного типа производится предварительное смешивание в горелке с низкими эмиссиями вредных веществ. Монтаж таких котлов благодаря компактной и удобной конструкции
предпочтителен в подвале или на чердаке строения. Регулирующие функции адаптированы к гидравлической схеме системы и требуют минимума действий для настройки всех функций системы управления.

 

 

В комплектацию котла Logamax plus GB022-24 входит следующее оборудование:
• манометр давления с краном наполнения и выпуска;
• переходной штекер внешнего датчика наполнителя;
• шланг выпуска конденсата;
• настенный держатель.

 

Для приготовления воды для ГВС используется прямой нагрев в проточном водонагревателе (модификация котла GB022-24K). Температура горячей воды на выходе устанавливается в диапазоне 30–60°C. Минимальный объем циркулирующей воды обеспечивается встроенным перепускным клапаном. Котел устанавливается в закрытую отопительную систему с давлением до 3 бар. Мембранный расширительный бак (7,5 л) встроен в котел.

Приготовление воды для обогревательного контура. Перед заполнением установку следует тщательно промыть. Заполнение котла разрешается только необработанной водой из водопровода, не умягченной катионитами. Запрещается применение ингибиторов, антифризов или других добавок. При использовании трубопроводов, пропускающих кислород, например, для отопления полов, в системе должен быть предусмотрен разрыв в виде теплообменника. Котловая вода низкого качества способствует образованию шлама и приводит к коррозии. Это может привести к сбоям в работе и к повреждению теплообменника.

Для предотвращения попадания шлама в настенный котел, монтируемый в уже существующую систему, специалисты рекомендуют установку грязевого фильтра в общую обратную линию. До и после фильтра рекомендуется установить запорный орган. Если установка была тщательно промыта перед пуском в эксплуатацию и возникновение кислородной коррозии исключено, то от установки грязевого фильтра обычно отказываются. Прямое подключение в систему отопления полов не допускается.

Конденсат, образующийся в настенном котле отвода дымовых газов, сбрасывается в канализацию в соответствии с требованиями соответствующих коммунальных служб. При необходимости рекомендуется устанавливать нейтрализатор Neutrakon на выходе конденсатоотводчика из котла.

Напольные газовые конденсационные котлы Logano plus GB 312. Компактный газовый конденсационный котел с высокопроизводительным алюминиевым теплообменником и газовым конденсационным котлом по EN 667 имеет высокий стандартизированный коэффициент использования — до 108%. Диапазон модуляции — 30–100% (40-100% — для типоразмера 90). Серия выпускается в 6-ти типоразмерах с номинальной теплопроизводительностью от 90 до 280 кВт. Также выпускаются каскадные модификации с расширенным диапазоном мощностей до 560 кВт.

Данные напольные газовые конденсационные котлы работают с пониженным уровнем шума, низкими выбросами вредных веществ и минимальными потерями тепла через теплоизоляцию. Кроме того, при их эксплуатации требуется минимальный объем циркулирующей воды.

Котлы данного вида отличает простое и удобное управление, обусловленное применением цифровых систем управления с регулированием по наружной температуре (фирменные системы управления EMS и Logomatic 4000) с возможностью выбора или расширения оснащения по потребности.

Данный тип котлов отличает простой сервис и техническое обслуживание благодаря развитым встроенным системам диагностики. Все поверхности, соприкасающиеся с отопительными газами и конденсатом, выполнены из высококачественного алюминия. Для высокоэффективного использования конденсационной техники в теплообменниках применяется противоточный принцип теплообмена между водяным контуром и контуром отопительных газов. Пониженное гидравлическое сопротивление в водяном контуре позволяет снизить мощность насоса.

Для оптимальной работы и эффективного использования тепла конденсации расчетный перепад температур отопительного контура должен составлять 15–20°С. Конденсат, образующийся при работе установки, как в конденсационном котле, так и в тракте дымовых газов, подлежит отводу в соответствии с действующими нормами.

 

Для слива конденсата из конденсационных котлов и связанных с ними систем отвода дымовых газов действуют следующие требования:
• для отопительных установок мощностью до 25 кВт не требуется нейтрализации конденсата. На отопительных установках мощностью 25–200 кВт можно отказаться от нейтрализации, если имеется слив большого количества хозяйственных стоков в городскую канализацию через тот же сток (среднегодовой объем хозяйственных стоков должен минимум в 25 раз превышать ожидаемый объем конденсата);
• на отопительных установках мощностью более 200 кВт нужно предусматривать нейтрализацию конденсата. В установке по нейтрализации конденсат проходит через щелочной гранулят, при этом показатель Рh повышается и достигает 6,5–10.

 

Воздух для горения не должен содержать пыль высокой концентрации и галогеносодержащие вещества, иначе возможно повреждение топочной камеры и поверхностей нагрева (особенно активную коррозию вызывают галогеновые соединения, содержащиеся в аэрозольных баллонах, разбавителях, моющих, обезжиривающих, растворяющих средствах).

Перед монтажом отопительного котла в существующую отопительную систему необходимо очистить ее от грязи и шлама. Рекомендуется устанавливать грязе- и шламоуловители после котла в непосредственной близости от самой низкой точки отопительной установки в хорошо доступном месте.

 

Настенные газовые двухконтурные котлы 8,9-24 кВт (на примере серии Buderus Logamax
U042/U044). Газовые циркуляционные водонагреватели (т.н. двухконтурные котлы) удобны для поквартирного отопления и отопления небольших коттеджей на одну или несколько семей. Их отличают типоразмер котла с диапазоном регулирования от 8,9 до 24 кВт, компактные легкие варианты исполнения для природного и сжиженного газа, усовершенствованная система отвода дымовых газов (с забором воздуха для горения из помещения, так и вне помещения) и высокий коэффициент полезного действия — 90–92%. Эти котлы отличает экологически чистый режим работы (отмеченный знаком CE), выбросы по оксидам азота соответствуют классу 2 норм экологической безопасности.
Настенные котлы серии Logamax U042/U044 отличает простое и удобное управление. Регулирующие функции согласованы с гидравликой установки. Комнатный термостат включен в поставку.

 

Напольные чугунные мультитопливные (газ/дизельное топливо) котлы Buderus Logano ge315. Котлы данного типа отличает современная универсальная концепция. В устройстве применен низкотемпературный мультитопливный отопительный котел Ecostream (без смесительного насоса) с плавным регулированием температуры котловой воды. Котлы серии GE315 выпускаются в пяти типоразмерах с номинальной теплопроизводительностью 86–230 кВт.

 

Отопительный котел может работать на дизельном топливе, природном и сжиженном газе, рапсовом масле и биохимическом газе. Стандартизированный коэффициент использования достигает
95%. Для снижения шума предпринят ряд мер: звукопоглощающая подставка, глушитель дымовых газов и звукопоглощающий кожух горелки.

 

Функции системы управления устанавливаются крайне просто (по принципу «push and turn»).

 

Возможно индивидуальное расширение комплектации всех систем управления дополнительными
модулями.

 

Напольные котлы серии Logano отличаются упрощенным доступом к топочной камере (большая поворотная дверца).

Секции котла, изготовленные из высококачественного чугуна GL 180M, поставляются раздельно, что значительно облегчает транспортировку и монтаж.

 

В котлах применяется технология Thermostream: повышение температуры внутри котла происходит за счет гидравлического выравнивания при поступлении воды в котел через верхнюю ступицу, дальнейшего смешивания воды и распределения ее внутри котла для подогрева обратного потока. Применение технологии имеет ряд конструктивных преимуществ:
• нет ограничения объемного расхода теплоносителя, поэтому не требуется установка насоса
котлового контура;
• не требуется поддерживать минимальную температуру обратной линии;
• оптимизированная водоохлаждаемая камера и 3-ходовая схема движения отопительных газов внутри котла существенно улучшают условия сгорания топлива.

 

 

Напольные чугунные котлы Buderus Logano G234 WS. В них применен низкотемпературный отопительный котел с бесступенчатым регулированием температуры котловой воды. Серия выпускается в четырех типоразмерах с номинальной теплопроизводительностью 38–55 кВт. Котел комплектуется газовой горелкой атмосферного типа с предварительным смешиванием и эксплуатируется с баками водонагревателями Logalux ST и Logalux SU емкостью 150–300 л.
В котлах применена газовая атмосферная горелка на основе трубки Вентури с предварительным смешиванием и автоматическим розжигом. В горелке применен ионизационный контроль пламени и двойной магнитный клапан.
Труба Вентури газовой горелки обеспечивает смешивание топлива с воздухом. В процессе сгорания образуется много отдельных очагов пламени без высокотемпературного ядра. Поэтому в таких газовых горелках температура сгорания значительно снижена. Кроме того, короткое пламя этих очагов легко отрывается от стержня горелки, уменьшая тепловую нагрузку на него.

 

 

Заводская установка рассчитаны на использование природного газа (индекс «H»), переналадка на применение сжиженного газа осуществляется специалистами спервисной службы с использованием заводского комплекта перенастройки.
Секции котла выполнены из высококачественного чугуна марки GL 180M. Увеличение эффективности теплоотдачи достигается специальным профилированием (оребрением) поверхностей нагрева.

 

Когенерационные установки. Собственное производство энергии снижает ее стоимость. Наибольшая экономическая эффективность достигается при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии с помощью так называемых когенерационных установок: генератор, приводимый в движение силовым агрегатом, вырабатывает электрическую энергию, а тепло получается из выхлопных газов и системы охлаждения.

 

В качестве силового агрегата для когенерационных установок небольшой мощности применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие как на жидком, так и на газообразном топливе. С точки зрения первичных вложений дешевле дизельные когенераторы, однако эксплуатационные расходы у них существенно выше (дороговизна дизельного топлива, большой расход масла, малый моторесурс и т.д.). Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается достаточно высокой. Использование сжиженного углеводородного газа в качестве топлива для когенераторов имеет ряд неоспоримых преимуществ:
• возможность быстрого ввода в эксплуатацию в любом доступном для наземного транспорта (газовоза) месте;
• высокая экологическая безопасность эксплуатации;
• низкий уровень шума и крайне малые выбросы продуктов горения (сажи, золы, остатков несгоревших углеводородов, соединений серы и т.д.) в отработанных газах позволяют устанавливать когенераторы вблизи жилых объектов;
• автономность работы определяется объемом емкостей СУГ;
• возможность гибкого изменения конфигурации оборудования.

 

Главное преимущество технологии когенерации — эффективность топливоиспользования, недостижимое при раздельном производстве тепловой и электрической энергии. КПД электростанций составляет 30–50% (остальная часть энергии первичного топлива теряется в виде неиспользуемого тепла), котельной — в среднем около 80%. Таким образом, полный КПД системы с раздельным производством тепла и электричества находится в пределах 55–65%. При этом для когенерационных установок (их также называют мини-ТЭЦ или когенераторами), где наряду с генерацией электрической энергии осуществляется утилизация тепла, полный КПД может достигать 90%. Соотношение теплового и электрического КПД когенерационных установок составляет 1:1,2–1,6.

Также следует отметить высокое качество электрической (стабильность частоты и напряжения) и тепловой (стабильность температуры) энергии, вырабатываемой когенерационными установками. Из преимуществ энергоэффективности и гибкости технологии когенерации напрямую вытекает высокий экономический потенциал автономных систем энергоснабжения на базе когенерационных установок.

По ряду оценок, сделанных применительно к российским условиям, рационально спроектированная система когенерации позволяет добиться сокращения затрат на энергию в 7 раз по сравнению со стоимостью электричества и тепла от централизованных сетей энергоснабжения. Это, в свою очередь, означает существенное снижение себестоимости продукции или услуг в целом. Окупаемость такого рода проектов составляет в среднем от 3 до 6 лет.

 

Основными компонентами системы когенерации являются:
• первичный двигатель;
• электрогенератор;
• система утилизации тепла.

 

Тип первичного двигателя — базовый признак, по которому классифицируются системы когенерации. В настоящее время распространены следующие виды когенерационных установок: газотурбинные; газопоршневые; микротурбинные.

В газотурбинных мини-ТЭЦ роль первичного двигателя (привода электрогенератора) выполняет газовая турбина (ГТ). Установки данного типа используются преимущественно для обеспечения энергетических нужд крупных промышленных потребителей; их применение целесообразно в диапазоне мощностей от 6 МВт и выше.

Для малых и средних мощностей альтернативными вариантами являются следующие два типа когенераторов. В газопоршневых мини-ТЭЦ приводом электрогенератора служит поршневой ДВС на газообразном топливе. На сегодняшний день этот тип установок является наиболее распространенной разновидностью когенерационных систем небольшой мощности.

Основным видом топлива для газопоршневых мини-ТЭЦ является природный газ. Также в газовых ДВС могут использоваться альтернативные виды газообразного топлива, как высококалорийные (пропан, бутан), так и газы с низкой и средней теплотворной способностью (древесный, пиролизный, коксовый, попутный нефтяной, биогаз и т. д.). Кроме того, многие виды газопоршневых когенерационных установок допускают перенастройку с одного вида газового топлива на другой.

Нижний предел допустимых нагрузок для газопоршневых установок составляет 30–50% от номинальной мощности, причем снижение нагрузки в этих пределах почти не влияет на электрический КПД. Ресурс газопоршневых мини-ТЭЦ составляет от 200 до 250 тыс. моточасов. Газопоршневые установки характеризуются высокой эффективностью топливоиспользования (общий КПД может достигать 90%). Удельная стоимость газопоршневых мини-ТЭЦ находится в пределах $750–1100 за 1 кВт установленной мощности.

Микротурбинные когенераторы представляют собой новейший тип когенерационных установок, в которых выработка тепла и электроэнергии осуществляется газотурбинным генератором малой мощности (25–300 кВт). Единственная движущаяся деталь микротурбинной установки — высокоскоростной вращающийся вал, на котором размещены турбина, электрогенератор и компрессор. Используемый принцип компоновки обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и компактность турбинных генераторов.

Основное преимущество микротурбинных когенерационных установок — возможность работы с переменной нагрузкой в полном диапазоне без сокращения ресурса. Также микротурбинные установки характеризуются низким уровнем шума при работе и хорошими экологическими показателями, что делает возможным их использование в жилых районах. Общий КПД микротурбинных когенераторов составляет 85–90%. Основным недостатком микротурбинных установок по сравнению с газопоршневыми является их высокая удельная стоимость (около $2000 за 1 кВт), сильно влияющая на доступность решений на их основе.

Газопоршневые системы представлены большим числом моделей зарубежных и российских производителей и в диапазоне мощностей от 250 кВт до 6 МВт остаются рациональным и эффективным решением для большинства типовых задач автономного тепло- и электроснабжения.

Компания FAS (Германия) предлагает широкий спектр когенерационных установок на базе газопоршневых ДВС, способных обеспечить тепловой и электрической энергией самых разных потребителей.

Газовый двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания (двигатель со свободным впуском) без турбонаддува. Охлаждение поршней обеспечивается потоком масла под давлением. Выхлопные газы отводятся через водохлаждаемый сборный коллектор. Картер и блок цилиндров представляют собой единый литой узел. Картер переходит в блок, состоящий из 4 цилиндров, расположенных в ряд. На стороне картера, где находится маховик, расположен зубчатый ременной привод механизма газораспределения. Коленчатый вал изготовлен из закаленной хромомолибденовой стали. Подшипниковые вкладыши изготовлены из свинца/бронзы со стальной спинкой. Штампованные шатуны также выполнены из хромо-молибденовой стали.

Поршни сделаны из алюминиевого сплава с очень низким коэффициентом теплового расширения. Благодаря специальной конструкции камеры сгорания не происходит повреждения поршней и клапанов при выходе из строя зубчатого ремня привода механизма газораспределения. Двигатель имеет циркуляционную систему смазки под давлением. Масло подается из масляной ванны насосом с шестеренчатым приводом. Очистка смазочного масла происходит в масляном фильтре с бумажной вставкой. Фильтр расположен на главной магистрали маслопровода. Из главной магистрали очищенное масло распределяется по различным масляным каналам. Смазка поступает к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, цапфам поршней, опорам распределительного вала, клапанным рычагам и одновременно через сопла охлаждает днища поршней.

Двигатель имеет замкнутую систему охлаждения. Насос подает охлаждающую жидкость сначала к картеру двигателя. По внутренним каналам картера охлаждающая жидкость поступает к гильзам и головкам цилиндров. Пройдя через двигатель, жидкость подается для охлаждения сборного коллектора выхлопных газов и затем поступает в теплообменник выхлопных газов. Система охлаждения двигателя состоит из центробежного насоса с электроприводом, предохранительного клапана и мембранного расширительного бака.

Стартер двигателя оборудован пусковым реле и редуктором. Питающее напряжение приводного механизма стартера составляет 24 В при потребляемой мощности 1,2 кВт. Для пуска двигателя электроэнергия поступает на стартер двигателя и в систему зажигания (12 В) от двух аккумуляторных батарей. Кроме этого, ток от аккумуляторных батарей подается на устройства контроля и регулирования (24 В).

Воздушный фильтр изготовлен из полностью утилизируемой пластмассы со сменным бумажным патроном и представляет собой двухступенча-тый фильтр для очистки сухого воздуха. Подача газа осуществляется по участку газопровода с предохранительной арматурой. Газовоздушная смесительная камера с дроссельным клапаном работает по принципу трубки Вентури, в которой газ смешивается с воздухом, идущим на горение.

 

От датчика с кулачковым валом на цилиндры поступает импульс так, что зажигание происходит на такте впуска и выпуска. Смещение зажигания в цилиндрах управляется зубчатой шайбой на шкиве привода зубчатого ремня на коленчатом валу. Момент зажигания зависит от разрежения во всасывающем колене и температуры двигателя. Зажигание выполнено как бесконтактная электронная система на базе кулачкового вала, без механического распределителя. Она состоит из блока катушек
зажигания, электронного распределителя, датчика числа оборотов, силиконового кабеля, штекеров для свечей и самих свечей зажигания для стационарных газовых двигателей.

 

Высокоэластичная фланцевая муфта, соединяющая двигатель с трехфазным синхронным генератором, изготовлена из силиконовой резины и вставляется по оси. Она обеспечивает торсионное эластичное соединение между газовым двигателем и трехфазным синхронным генератором. Подверженный тангенциальным нагрузкам дисковидный резиновый элемент демпфирует колебания при вращении и выравнивает несоосность валов

Резиновый диск вулканизирован непосредственно на внутреннюю сторону ступицы. По краю элемента имеется зубчатое зацепление с фланцем муфты, за счет которого при работе создается почти без зазора вставное соединение с геометрическим замыканием.

В установке применен трехфазный синхронный генератор индуктивного типа с автоматическим регулированием cos φ в диапазоне 0,8–1,0 с электронным регулированием напряжения и защитой от пониженных оборотов. Стандартная на ⅔ хордовая обмотка статора и пусковая демпферная клетка обеспечивают рабочий режим при 100% относительной несимметричной нагрузке. Для контроля температуры обмотки имеется встроенный комплект термисторов (3 терморезисторных датчика с положительным температурным коэффициентом). Генератор с внутренним полюсом и автоматическим регулированием соответствует действующим предписаниям VDE 0530 и DIN 6280, часть 3, а также стандарту качества ISO 9002.

Система трубопроводов монтируется в заводских условиях и соединяет основные элементы — теплообменник охлаждающей жидкости, теплообменник выхлопных газов и двигатель. Полностью осуществлена обвязка трубопроводами и необходимая изоляция систем охлаждения, отопления и выхлопных газов. Все соединения труб для предохранения от колебаний имеют металлические компенсаторы и гибкие шланги и выполнены в виде фланцевых или резьбовых соединений с уплотнениями. Водопроводы выполнены из нормальной стали, трубопроводы для выхлопных газов и шумоглушитель — из нержавеющей стали.

В систему теплообменников входят два устройства: для выхлопных газов и для охлаждающей жидкости, использующие тепло, выделяющееся при работе двигателя, и тепло, содержащееся в выхлопных газах.

Теплообменник выхлопных газов связан с контуром охлаждения двигателя и состоит из теплопередающих труб из нержавеющей стали, внутри которых — легкосъемные турбулентные пластины. Трубы тангенциально соединены между собой сварными переходами из нержавеющей стали и с каждой стороны имеют общий коллектор. Теплопередающие трубы омываются водой в общем корпусе.

В паяном пластинчатом теплообменнике охлаждающей жидкости происходит передача тепла, выделяющегося при работе газового двигателя, и тепла, содержащего в выхлопных газах, в водяной контур. Каждая вторая пластина повернута в плоскости на 180°, за счет чего образуются два независимых друг от друга пространства, в которых циркулируют противотоком среды (охлаждающая жидкость двигателя, вода системы отопления). Штамповка пластин обеспечивает высокую турбулентность потока и эффективную теплопередачу уже при малых объемных расходах.

Компания FAS, учитывая растущий интерес рынка к технологиям независимой генерации электрической и тепловой энергии, разработала ряд когенерационных установок в контейнерном исполнении.

Далее приведены технические характеристики установок мощностью 750 и 1000 кВт.