Газовые проточные водонагреватели (газовые колонки)

Проточные водонагреватели (колонки) предназначены для горячего водоснабжения – нагрева воды, используемой в санитарных целях: стирки, купания, мытья посуды и т.п. Температура воды, нагретой проточным водонагревателем и используемой для горячего водоснабжения, должна быть не более 60-65 °С. Например, комфортная температура для умывания, принятия душа, ванной составляет 40-45 °С. Для мытья посуды воду необходимо нагреть сильнее. Но вода с температурой выше 60-65 °С может вызвать ожог у человека. Кроме того, использование проточных водонагревателей для получения воды с большей температурой может привести к поломке колонки. В этом случае возрастает нагрузка на теплообменник, который не успевает передать воде тепло, получаемое при сжигании газа. Также при нагреве воды свыше 60 °С значительно ускоряется процесс образования накипи. Трубки теплообменника, особенно при использовании жесткой воды, быстро покрываются изнутри отложениями, что приводит к уменьшению протока воды.

Колонку характеризуют следующие основные параметры:

• тепловая мощность – количество теплоты, образующееся при сжигании газа, подводимого к горелке в единицу времени, измеряется в киловаттах (кВт);
• тепловая производительность – количество теплоты, предаваемое теплоносителю в единицу времени, измеряется в кВт;
• коэффициент полезного действия – отношение теплопроизводительности к тепловой мощности, измеряется в процентах (%);
• производительность – объем воды, нагреваемый колонкой при заданной разности температур (At) за единицу времени, измеряется в литрах в минуту (л/мин);
• номинальное давление газа – давление газа на входе в аппарат, при котором обеспечивается наибольший коэффициент полезного действия и наиболее полное сжигание газа, измеряется в декапаскалях (даПа), возможно измерение в миллибарах (мбар) или миллиметрах водяного стола (мм.вод.ст.);
• минимальное давление газа – давление газа на входе в аппарат, при котором обеспечивается устойчивая, без проскока работа горелки и обеспечивается получение минимальной тепловой производительности колонки, измеряется в даПа (мбар, мм.вод.ст.);
• минимальное давление воды – наименьшее давление воды на входе в аппарат, при котором происходит розжиг основной горелки, измеряется в барах (бар);
• минимальный проток воды наименьший проток воды через аппарат, при котором происходит розжиг основной горелки, измеряется в литрах в минуту (л/мин);
• максимальное давление воды в водопроводе – наибольшее давление воды на входе в аппарат, при котором обеспечивается его работа без повреждения отдельных элементов, измеряется в барах (бар).

Схема проточного водонагревателя

Основными узлами колонки являются:

• газоотвод;
• теплообменник, состоящий из «рубашки» со змеевиком и калорифера;
• основная горелка;
• устройства управления и защиты, обеспечивающие управление колонкой и ее безопасную работу.

Газоотводящее устройство служит для сбора продуктов сгорания и удаления в дымоотводяший патрубок прибора. Площадь сечения дымохода должна быть не меньше площади сечения дымоотводящего патрубка колонки. Основная масса колонок устанавливается с отводом продуктов сгорания в дымоход. Вместе с тем, существуют проточные водонагреватели малой мощности, не требующие устройства дымохода. Удаление дымовых газов из помещения происходит за счет прнточно-вытяжной вентиляции. Фактически продукты сгорания поступают в помещение, в котором установлена колонка. Тепловая мощность таких колонок составляет 8-11 кВт, их размещают непосредственно под входным отверстием вентиляционного канала. Например, газовый проточный водонагреватель Demrad С 125 В имеет мощность 8,7 кВт, что сопоставимо с суммарной мощностью всех горелок 4 горелочной газовой плиты. Колонка Demrad С 125 В может нагреть 5 литров горячей волы за минуту, что позволяет обеспечить работу одной точки водозабора. Газовая колонка VEKTOR JSD11-N имеет мощность 11 кВт, что позволяет обеспечить приготовление 6 литров горячей воды в минуту. При работе колонок без дымохода необходимо уделять повышенное внимание вентиляции помещения. Известно много случаев отравлений жильцов угарным газом при работе таких аппаратов в случае нарушения функционирования приточно-вытяжной вентиляции.

Теплообменник («радиатор») служит для нагрева горячими дымовыми газами протекающей через него воды, часть тепла передается за счет излучения. Он состоит из калорифера и огневой камеры (“рубашки”), опоясанной змеевиком. Калорифер – это система медных трубок, на которые насажены и припаяны медные пластины. Применение меди обусловлено ее химической стойкостью и высокой теплопроводностью. В последнее время появились колонки эконом-класса, имеющие биметаллический теплообменник. Рубашка в них выполнена из стали, змеевик из медной трубки. В калорифере применяется медная трубка, на которую припаяны стальные пластины.

Основная горелка колонки – инжекционная низкого давления. Она имеет большую мощность для того, чтобы прогреть холодную проточную воду (особенно зимой) за то небольшое время, пока вода идет через теплообменник. Именно основная горелка определяет тепловую мощность колонки, от нее зависит основной показатель, характеризующий колонку-производительность. Это количество нагретой воды (в литрах), которую она может нагреть за минуту. При этом необходимо учитывать разность температур, на которую производится нагрев. При установлении производительности колонок отдельные европейские и китайские производители предполагают, что температура волы увеличивается на 25 °С (Δt 25 °С). Для климата России такой расчет подходит частично, только для теплого времени года. Зимой температура водопроводной воды может быть 4-5 °С, ее нагрев на 25 °С не даст комфортной для потребителя температуры. С учетом вышеизложенного производители указывают в характеристиках колонок не одну производительность, а две. Первая – стандартная при нагреве воды на 25 °С (Δt = 25 °С), а вторая может быть определена при нагреве воды на 35 °С (Δt = 35 °С), 40 °С (Δt = 40 °С) или на 50 °С (Δt = 50 °С).

Коэффициент полезного действия (КПД) колонки характеризует процесс получения тепла, выделяемого при сжигании газа, теплообменником. Тепловая мощность колонки – это количество тепла, вырабатываемого горелкой при сжигании газа, а тепловая производительность количество тепла, которое получила нагретая вода. Отношение тепловой производительности к тепловой мощности определяет коэффициент полезного действия колонки. Чем больше тепла от продуктов сгорания получает вода, тем выше КПД, тем более экономичным является аппарат. Коэффициент полезного действия современных проточных водонагревателей может быть более 90%. В тоже время, дальнейшее увеличение коэффициента полезного действия приведет к значительному охлаждению продуктов сгорания и, как следствие, уменьшению или нарушению естественной тяги, конденсации воды из дымовых газов, разрушению дымохода, закупорке оголовка.

Устройства управления и защиты колонки обеспечивают ее включение и выключение, регулирование производительности, прекращение подачи газа на горение при достижении параметров, представляющих угрозу работоспособности аппарата и безопасности абонентов.

Автоматика безопасности колонки контролирует:

• проток воды через аппарат;
• пламя запальника или основной горелки (в зависимости от конструкции аппарата);
• наличие тяги в дымоотводящем патрубке аппарата для открытой камеры сгорания либо работу вентилятора для закрытой камеры сгорания;
• повышение температуры воды сверх установленной (на современных аппаратах).

Устройства управления и защиты могут работать при наличии электропитания или без него (энергонезависимые колонки). Электропитание автоматики колонок может осуществляться:

• от электрических батареек;
• от электрической сети переменного тока напряжением 220 В;
• от гидрогенератора.

Электрические батарейки устанавливаются в батарейный блок аппарата. Обычно применяются два гальванических элемента напряжением 1,5 В большой емкости, возможно использование одной батарейки. При работе колонок с батарейками необходимо заменять их на новые по мере разряда. Длительность работы колонок от элемента питания до ею замены является важной характеристикой аппарата. Чем реже приходится менять батарейки, тем удобнее потребителю. При применении элемента питания повышенной энергоемкости время непрерывной работы может составлять до 250 ч.

Электропитание колонок напряжением 220 В используется для аппаратов с закрытой камерой сгорания, хотя возможно и для обычных, работающих за счет естественной тяги (например, колонка FAST EVO В фирмы Ariston). Колонки с открытой камерой сгорания с электропитанием от сети 220 В представляют небольшую группу аппаратов, имеющих ограниченное применение.

Электропитание устройств управления и защиты может осуществляться от гидрогенератора, который вырабатывает электрическое напряжение за счет энергии протекающей через колонку воды. В этом случае необходимо обеспечивать более высокое, в сравнении с другими типами аппаратов, минимальное давление воды. Например, для проточного водонагревателя Junkers Bosh WR 10 – 2G с гидрогенератором минимальное давление воды на входе – 0,35 бар, а для аналогичного по характеристикам водонагревателя Junkers Bosh WR 10 – 2В с розжигом от батареек минимальное давление воды на входе всего 0,1 бар. Минимальное давление воды, при котором происходит розжиг горелки, особенно важно для изношенных водопроводных сетей, создающих небольшой напор воды в домах. В многоквартирных дома давление воды уменьшается с увеличением этажа: чем выше квартира, тем меньше напор. Вместо минимального давления воды на входе в аппарат возможно использование другой характеристики – минимальный проток воды, который измеряется в литрах в минуту (л/мин). Этот показатель точнее. Даже при хорошем давлении воды на входе в колонку при недостаточном протоке на мембране водяного узла не будет достаточного перепада давления для ее перемещения. Такая ситуация возникает в случае, если водопроводные трубы или трубки теплообменника изнутри загрязнены.

В зависимости от конструкции колонок возможны различные схемы устройств управления и защиты. В колонках с электропитанием розжиг пламени производится искрой, возникающей при подаче высокого напряжения на электрод розжига. Энергонезависимые колонки не имеют в своем составе электронного блока управления, розжиг производится пьезоэлементом с подачей искры на электрод розжига. На колонках старых модификаций возможен розжиг открытым огнем (спичкой). Контроль пламени на таких водонагревателях осуществляется термопарой, которая при нагреве вырабатывает термо-ЭДС.

Автоматика по протоку воды включает в себя два узла – газовый и водяной. Она обеспечивает подачу газа к основной горелке при открытии водозабора (наличии протока воды) и отключение основной горелки при прекращении водозабора (отсутствии протока). В водяном узле имеется мембрана, которая при наличии протока воды открывает клапан, расположенный в газовом узле. В современных колонках в состав водяного узла входит регулятор протока воды, обеспечивающий ручное регулирование количества воды, протекающей через аппарат.

Газовый узел включает в себя клапан, который открывает подачу газа на основную горелку. В нем также может быть конусный кран, который обеспечивает ручное регулирование подачи газа на основную горелку. При наличии запальника газовый узел блокирует основную горелку при розжиге запальника: сначала зажигается запальник и только потом – основная горелка. Это достигается специальной конструкцией крана (блок-кран) или использованием электромагнитного клапана, открывающего или закрывающего подачу газа только на запальник.

Запальник – это инжекционная горелка низкого давления малой мощности (на современных колонках – не более 350 Вт, например, тепловая мощность запальной горелки колонки NEVALUX 6011 170 Вт).

Запальная горелка выполняет две функции:

• разжигает основную горелку;
• нагревает термопару и обеспечивает работу автоматики энергонезависимых колонок.

Автоматика безопасности по пламени на современных колонках может быть двух видов. В первом случае она состоит из термопары, нагреваемой пламенем запальника, и электромагнитного клапана. При погасании запальника электромагнитный клапан прекращает подачу газа на основную горелку и запальник. Во втором случае контроль пламени производится датчиком ионизации, который может следить за пламенем запальника или основной горелки. При отсутствии пламени закрывается электромагнитный клапан на входе газа в колонку. Контроль пламени датчиком ионизации осуществляется на проточных водонагревателях, имеющих электропитание.

Автоматика по тяге должна прекращать подачу газа на основную горелку и запальник (при наличии) при отсутствии тяги в дымоходе. Для российских колонок время срабатывания такой автоматики – не меньше 10 сек, но не больше 60 сек.

Автоматика по максимальной температуре воды отключает основную горелку и запальник при нагреве воды сверх определенной температуры. Такая автоматика имеется только на современных колонках, она защищает теплообменник от перегрева, при котором он может быть поврежден (температура срабатывания – 90-100 °С) либо от образования накипи в теплообменнике. В этом случае температура срабатывания датчика нагрева воды около 80 °С. Образование накипи является серьезной проблемой для проточных газовых водонагревателей. В отличие от воды, один раз заливаемой в систему отопления, через колонку регулярно проходят все новые и новые порции воды. Если ее жесткость повышена, внутри трубок образуется накипь, которая имеет теплопроводность в сотни раз меньшую в сравнении с медью. В результате снижается коэффициент полезного действия колонки, оребрение трубок калорифера перегревается и интенсивно выгорает. Со временем из-за уменьшения внутреннего диаметра трубок теплообменника падает проток воды через аппарат.

Регулирование температуры нагрева воды может производиться несколькими способами:

• изменением подачи газа на основную горелку посредством крана, встроенного в газовый узел;
• изменением расхода воды, проходящей через аппарат, с помощью регулятора протока, встроенного в водяной узел. Этот способ можно использовать не на всех проточных водонагревателях, колонки, изготовленные в 1990-х годах и ранее, не имеют такого регулятора;
• с помощью смесителя, уменьшая поток горячей воды;
• с помощью смесителя, добавляя холодную воду до получения необходимой температуры воды.

При жесткой воде не рекомендуется разбавлять горячую воду холодной смесителем. Это может привести к перегреву воды в теплообменнике и образованию накипи в трубах теплообменника.

Наиболее современные модели колонок имеют устройства управления, которые изменяют подачу газа на горелку в зависимости от протока воды через нее, осуществляя модуляцию пламени основной горелки. Отдельные аппараты оснащаются цифровыми дисплеями, отображающими температуру нагрева воды, температуру, задаваемую потребителями, коды ошибок, высвечивающие при автоматическом отключении колонки и другие параметры, необходимые для управления аппаратом.

Таким образом, в зависимости от схем управления и защиты, газовые проточные водонагреватели подразделяют следующим образом:

1. Энергонезависимые колонки с запальником, розжиг колонки производится потребителем спичкой. Контроль пламени осуществляется биметаллической пластиной или термопарой. В настоящее время не производятся, в эксплуатации находится небольшое количество таких колонок, срок службы которых, установленный изготовителем или в нормативных документах, закончился. Но наличие запасных частей позволяет поддерживать эти водонагреватели в работоспособном состоянии.

2. Энергонезависимые колонки с запальником, розжиг колонки производится потребителем пьезоэлементом. Контроль пламени осуществляется термопарой.

3. Энергозависимые колонки с запальником, розжиг производится искрой, вырабатываемой генератором высокого напряжения при открытии крана горячей воды (гидрогенератор). Колонки оснащены электронным блоком управления. Контроль пламени осуществляется электродом ионизации.

4. Энергозависимые колонки без запальника, розжиг производится искрой, вырабатываемой генератором высокого напряжения при открытии крана горячей воды. Колонки оснащены электронным блоком управления. Контроль пламени осуществляется электродом ионизации.

5. Энергозависимые колонки с закрытой камерой сгорания. Колонки оснащены электронным блоком управления. Контроль пламени осуществляется электродом ионизации.

Многие производители водонагревательного оборудования в линейке производимой продукции имеют колонки с различными схемами управления и защиты. Например, немецкая фирма Vaillant производит следующие водонагреватели, имеющие одинаковые технические характеристики и отличающиеся устройствами управления и защиты:

• atmoMAG exclusive GRX – розжиг от гидрогенератора;
• atmoMAG exclusive RXI – розжиг от батареек;
• atmoMAG exclusive RXZ – пьезорозжиг.