Статья Принципы работы электрокотлов в схемах | ТермоТех

Принципы работы электрокотлов в схемах. Преимущества и недостатки различных видов электронагревателей

На что нужно обращать внимание при выборе типа электронагревателя для автономного отопления и горячего водоснабжения.

Каждый, кто сталкивался с множественным выбором, прекрасно знает, как непросто даются решения, особенно если цена их высока. Конечно, задачи, стоящие перед специалистом-энергетиком, может быть, и не такие ответственные, как перед авиадиспетчером, и от выбора типа нагревателя жизни людей непосредственно не зависят, но, осознавая это, принимать решение становится отнюдь не проще. Сегодня мы постараемся помочь разобраться, в чем же заключаются принципиальные отличия между наиболее широко распространенными типами электронагревателей. Причем постараемся сделать это в иллюстрациях. Надеемся, этот материал поможет, во всяком случае, упорядочить те моменты, которые нужно принять во внимание при выборе оборудования.

Нагреватель нагревателю рознь

Мы сознательно сузим охват типов нагревателей, так как редко когда встает задача сравнить, например, газовый и электрический котел. Топливо, по большому счету (а вернее, его доступность и цена), являются определяющими при выборе типа котла. Если рядом проходит нитка газопровода и есть условия для подключения, то редко кто будет рассматривать другие варианты. Если, конечно, вопросы эксплуатации не внесут критические изменения. Котельная «на краю» угольного бассейна тоже едва ли имеет альтернативы. До тех пор, пока вопросы экологической безопасности или автоматизации и обслуживания не внесут коррективы.

Так сложилось, что в нашей стране электронагреватели принято относить к бытовому сегменту. Жители больших городов, да и сельские жители, уже привыкли к бойлеру в ванне или на кухне. Многие выбирают электрический котел в качестве основной или резервной системы для отопления частного дома. Электрическая энергия, в пересчете на тепловую, обычно получается дороже, чем при сжигании газа, дров или угля. Но если говорить об удобстве, то электронагрев оказывается вне конкуренции. Ведь что может быть удобнее включения одной кнопкой и управления при помощи одной ручки? Вот и пробираются электронагреватели в наши дома. Однако на этом они не собираются останавливаться. Более того, у электронагрева в нашей стране (что уж говорить про «не наши» страны!), оказывается, очень богатая история. Промышленные электронагреватели (электрокотлы и электроводонагреватели) относительно большой мощности чрезвычайно распространены. Во многих обстоятельствах у них и вовсе нет альтернатив. Впрочем, не будем отвлекаться. Скажем так: там, где есть условия и целесообразность применения электронагревателей, обычно выбор делается в пользу одного из следующих типов электронагревательного оборудования: электродный, ТЭНовый или индукционный электрический котел.

Хорошо подкованный в теме читатель может спросить: а как же инфракрасные нагреватели?! А мы этот тип пока исключим из рассмотрения, поскольку инфракрасные установки не применяются в системах отопления с жидким теплоносителем и таким образом, к котельному оборудованию не имеют никакого отношения и выступают, если так можно выразиться, в другой весовой категории.

 

Трубчатый электронагреватель. ТЭН. Просто ТЭН.

Трубчатые электронагреватели исторически являются первыми приборами, приспособленными к преобразованию электрической энергии в тепловую. ТЭН был изобретен в США, о чем свидетельствует патент 1859 года. С тех пор этот вид электронагревательного прибора является самым распространенным, главным образом, по причине относительной простоты конструкции. Надо отметить, что принципиально в конструкции этого устройства практически ничего не поменялось с момента изобретения:

 

Принципиальная схема ТЭНа

 

ТЭН состоит из тонкостенной (0,8 — 1,2 мм) металлической трубки (корпуса), внутри которой находится спираль из проволоки большого удельного электрического сопротивления. За счет этого сопротивления спираль и накаляется. Материалом трубки может быть углеродистая сталь, если температура поверхности ТЭНа в рабочем режиме не превышает 450 °С, и нержавеющая сталь при более высоких температурах или при работе ТЭНа в агрессивных средах. На металл может накладываться химическое или электрохимическое покрытие — лужение, никелирование, фторопласт.

Спираль чаще всего делают из хромоникелевого сплава (чаще можно встретить другое его название – «нихром») или феррохромового сплава. Концы спирали соединены с контактным стержнем, наружная часть которого подключается к питающей электросети. Спираль изолируется от корпуса наполнителем, имеющим высокие электроизоляционные свойства и хорошо проводящим теплоту. В качестве наполнителя, чаще всего, применяют периклаз (оксид магния) или кварцевый песок. После заполнения наполнителя трубку ТЭНа опрессовывают. Под большим давлением кристаллы периклаза спаиваются, фиксируя спираль по оси трубки ТЭНа. Опрессованный ТЭН может быть изогнут для придания необходимой формы. Контактные стержни ТЭНа изолируют от трубки изолятором, торцы герметизируют влагозащищенным кремнийорганическим лаком.

Единичная мощность ТЭНового элемента варьируется от десятков ватт до десятков киловатт. Еще больше разброс в размерах, а уж по форме нагревательного элемента разнообразие ТЭНов и вовсе не имеет себе равных – прямые, спиральные, дугообразные и вообще почти любой формы, которая взбредет заказчику или производителю в голову.

Как известно, чем проще система, тем меньше вероятность выхода из строя. Несмотря на свою кажущуюся простоту, в конструкции ТЭНа не так уж мало элементов, которые служат недобрую службу, а именно: раскаляющаяся спираль, температура которой может достигать 1000 °С; засыпка-наполнитель, от равномерности которой напрямую зависит долговечность ТЭНа; наличие герметизирующих слоев и уплотнений, от которых зависит не только работоспособность ТЭНа, но и его пожарная и электрическая безопасность – именно в таких местах возможны так называемые «пробои» и замыкания. Но и без пробоев напряжение все равно практически всегда передается на корпус, несмотря на наполнитель, поэтому электрокотлы на ТЭНах в обязательном порядке требуют тщательного заземления.

Рассмотрим подробнее плюсы и минусы ТЭНов как таковых (без свойств электронагревателей, которые их содержат – нас интересует принцип нагрева как таковой): 


Преимущества Недостатки

— Универсальность: могут напрямую нагревать почти любые среды.

— Компактность и способность «закачивать» относительно большую мощность на единицу площади (высокая удельная поверхностная мощность)

— Относительная дешевизна.

— Общедоступность. В том числе – доступность сменных деталей.

— Простота управления и, как следствие, недорогая автоматизация нагревателя.

— Простота монтажа при замене.

— Широчайшая гамма форм, размеров и мощностей.

— Удовлетворительный срок службы – качественный ТЭН может проработать до 10 тыс. часов.

— Если требуется небольшая мощность нагрева (в пределах 1-4 кВт) альтернативы ТЭНу по стоимости и удобству почти не существует.

— КПД близкий к 100% при полноценном съеме тепла с ТЭНа (требуется циркуляционный насос). Однако идеальным съем тепла будет только у нового ТЭНа. Отложение накипи сильно портит картину.

— Относительная низкая электробезопасность: необходимо заземлять.

— В плане безопасности приходится полагаться только на автоматику: высокая температура поверхности ТЭНа может привести к аварии.

— Возможность «пробоев», т.е. замыкания спирали под напряжением на корпус. Даже если изделие заземлено и обеспечивается электрозащита, «пробой» приводит к быстрому выходу ТЭНа из строя.

— Из-за высокой удельной поверхностной мощности происходит активное отложение накипи и, как следствие, – снижение теплопередачи, КПД и усиленный износ ТЭНов.

— Несмотря на простоту монтажа, нужна достаточно высокая квалификация: при замене можно повредить уплотнения, вследствие чего ТЭН почти сразу придет в негодность. Есть и другие нюансы.

— В мощных промышленных электрокотлах, в которых установлено несколько ТЭНов, все перечисленные проблемы умножаются на количество ТЭНов в установке. Это приводит к росту эксплуатационных расходов: ТЭНы нужно проверять, вышедшие из строя – менять, а котел прочищать. Появляются довольно длительные профилактические и аварийные перерывы в работе систем, что иногда бывает недопустимо.

— Если требуется большая мощность электронагрева (свыше 100 кВт) недостатки ТЭНов начинают преобладать над преимуществами вследствие роста эксплуатационных и временных издержек.

 

Электродный котел: детище ВМФ. 

Как мы видим, ТЭН – это очень хорошее и важное изобретение человечества. Современному человеку без них уже не прожить. Но инженерную мысль остановить невозможно, поэтому изобретением ТЭНа дело не ограничилось.

Сейчас сложно доподлинно установить, правда это или красивая легенда, но производители электродных котлов утверждают, что изначально разрабатывались они для использования на подводных лодках. В принципе, это правдоподобное утверждение, поскольку многие изобретения человечества шагнули в нашу жизнь из военных КБ. Электродные котлы, на первый взгляд, кажутся вообще идеальными водонагревателями: собственно, вода в них греет, можно сказать, саму себя. Вот как это происходит:

Электродный

 

Электродный электрический котел представляет собой стальную трубу с подающим и отводящими патрубками. Внутри этой трубы размещаются электроды. Если нагреватель однофазный (в электрокотлах мощностью от 2 до 6 кВт) то электрод один, если трехфазный (в нагревателях мощностью от 9 до 50 кВт), то три. В основу работы электродного котла положен принцип ионизации воды под действием электрического тока (поэтому иногда такие котлы еще красиво называют «ионными» электронагревателями). Как известно, если поместить в воду положительно заряженный электрод (анод) и отрицательно заряженный электрод (катод), то ионы начинают метаться от одного к другому, а поскольку находятся эти ионы в среде, оказывающей сопротивление (вода), то происходит разогрев этой среды. При подключении электрода к сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц, электрод меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. он 25 раз «побудет» катодом и столько же раз – анодом. Если бы такой смены не происходило, электродный котел, помимо тепла, вырабатывал бы еще чистый водород и кислород, поскольку в нем происходила бы реакция электролиза. Впрочем, электролиз все равно может иметь место при определенных условиях, хотя и не в таких масштабах, как при подключении постоянного тока.

Пожалуй, главной особенностью электродного котла является то, что для обеспечения необходимых параметров нагрева теплоноситель должен быть подготовлен – обычная сетевая вода не подойдет. А если система будет, к примеру, заправлена дистиллированной водой, то вообще никакого нагрева не произойдет. Поэтому теплоноситель для электродного котла должен специально подготавливаться при помощи добавления специальных добавок (солей). По своей сути теплоноситель должен быть превращен в электролит. Так что электродный котел может функционировать только в строго замкнутых системах теплоснабжения с возможно минимальными потерями теплоносителя. Помимо этого, требуется обеспечение особых мер электрозащиты, ведь теплоноситель является токопроводящей средой. Несмотря на заверения производителей электродных котлов, что их продукт – самый эффективный электрический котел, с этим можно убедительно спорить, ведь у электродов довольно ограниченный срок службы, а необходимость подготавливать теплоноситель отнюдь не снижает величину эксплуатационных издержек.

Итак, подведем итоги по электродным котлам:

Преимущества Недостатки

— Простота конструкции.

— Высокая скорость нагрева.

— Компактные размеры.

— КПД близкий к 100% (в том смысле, что почти вся потребляемая электроэнергия переводится в тепло. Другое дело, что для получения необходимой тепловой мощности нужно следить за соляным составом теплоносителя и состоянием электродов).

— Нет риска аварий, связанным со снижением уровня теплоносителя ниже нормы. Если теплоноситель уйдет из системы – процесс нагрева просто остановится.

— Не страшны перепады в электросети.

— Простота автоматизации и управления.

— Требуются особые меры электрозащиты. При пробое изоляции риск поражения электрическим током выше, чем в ТЭНовых котлах.

— Требуется подготовка теплоносителя и последующий контроль его солевого состава, т.к. электропроводность теплоносителя меняется в процессе эксплуатации, т.е. требуется постоянное и квалифицированное обслуживание.

— Специальные требования ко всем элементам отопительной системы (т.к. электролит – агрессивная среда). Либо ставить промежуточный теплообменник.

— Образование накипи на электродах. В отличие от ТЭНов, накипь не наносит вреда электродам, однако резко падает мощность нагрева. Нагрузочные характеристики снижаются уже после 60-80 часов работы котла.

— Быстрый износ электродов (иногда – до нескольких раз за сезон) и необходимость регулярной замены.

— При снижении удельного сопротивления теплоносителя возможно выделение водорода и кислорода, которые представляют собой взрывоопасную смесь (гремучий газ). В штатных условиях выделения не критичны, однако сам факт отрицать нельзя.

— Желательна установка котла в новую, специально подготовленную, отопительную систему. Врезка в существующую – нежелательна.

 

 

Индукционный электронагреватель: новое или подзабытое старое?

Считается, что электронагреватель индукционного типа – это совсем свежая разработка, потому что активное распространение на рынке этот вид нагревателей получил только в конце XX века. А между тем, предпосылки к появлению этого оборудования были заложены практически одновременно с изобретением ТЭНа! Впрочем, с ТЭНом, и даже с принципом нагрева сопротивлением, индукционный нагреватель не имеет ничего общего. Ничего – от слова абсолютно. Гораздо больше общих «генов» у индукционного нагревателя с… трансформатором!

Впервые явление электромагнитной индукции, то есть возникновение электрического тока под воздействием магнитного поля, обнаружил Майкл Фарадей. Однако между обнаружением этого явления и появлением первого трансформатора прошло не одно десятилетие. Сегодня же современная энергосистема не может существовать без трансформаторов в принципе.

Трансформатор – это электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения (без изменения частоты). Такой трансформатор состоит из двух и более катушек проволоки, намотанных на ферромагнитный сердечник. Обмотка, на которую подается напряжение, которое требует преобразования, называется первичной обмоткой, а обмотка, которая преобразует магнитную энергию от первой катушки – вторичной обмоткой. Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Несмотря на то, что трансформаторы в процессе своей работы выделяют тепловую энергию, они не применяются напрямую как нагревательные устройства – все-таки, их прямое назначение в другом. Однако именно это явление, а именно нагрев, возможно, и подтолкнуло пытливые умы инженеров на создание нагревателя трансформатороного типа, КПД которого по тепловой энергии приближается к 100%.

Вообще, сделать индукционный нагреватель можно даже своими руками – ТЭН сделать и то сложнее. Однако если говорить о промышленном устройстве достаточно высокой установленной мощности, конечно, речи о самоделках быть не может. Да и есть у технологии производства индукционных нагревателей одна особенность, которая ему пока не позволила получить в мире широкое распространение – а именно, при всей простоте конструкции, сложно сделать устройство, которое бы обеспечивало достаточно высокий КПД и коэффициент мощности. Рассмотрим схему:

Индукционный

Для начала разберемся, что же такое «индукционный электронагреватель». Как и трансформатор, индукционный нагреватель состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из трансформаторной стали, вокруг сердечника помещается катушка, которая выполняет роль первичной обмотки, т.е. на нее и подается напряжение. А вот вторичной обмоткой служит не другая катушка, как это было бы в трансформаторе, а полый теплообменник, внутрь которого подается и нагревается теплоноситель. Откуда же берется тепло? Тепло выделяется в теплообменнике под воздействием магнитного поля, которое возникает в первичной обмотке. Таким образом, нагревается сам металл, из которого сделан теплообменник.

Надо особенно подчеркнуть, что индукционный водонагреватель работает НЕ как СВЧ-печь, то есть нагрева непосредственно самого теплоносителя здесь не происходит – частота тока не та. Да это и не нужно – преобразователи частоты – приборы капризные, а влияние СВЧ на жизненно важные органы еще до конца не изучено, так что лучше остановится на токах промышленной частоты (50 Гц) этого более чем достаточно, чтобы нагреть металл до разумной температуры и от него передать тепло теплоносителю.

Как любой другой электромагнитный прибор, индукционный нагреватель имеет такую характеристику как коэффициент мощности (обозначается как cosf). И если говорить о конструкции нагревателя, то это значение является очень важным. Этот коэффициент показывает, какая часть электромагнитного поля участвует в процессе нагрева, а какая – теряется. Так вот, вплоть до конца XX века, не была создана конструкция, которая бы могла продемонстрировать достаточно высокий коэффициент мощности, и вследствие этого, успешно конкурировать с ТЭНовыми или электродными котлами. Однако благодаря научным разработкам группы ученых одного из ведущих технических вузов страны, возглавляемой д.т.н. Анатолием Елшиным, удалось создать конструкцию индукционного нагревателя, обладающего практически такой же энергоэффективностью, как у ТЭНового, однако почти по всем другим параметрам его превосходящий.

Несмотря на кажущуюся сложность конструкции, на самом деле, она на удивление проста: в ней фактически отсутствуют какие-то детали и элементы, которые можно было бы назвать «слабым звеном». Здесь только металл, трубы и провода. Единственное, что хоть как-то ограничивает срок службы такого оборудования (если не считать электронику в системе управления) – это изолятор провода в первичной катушке. Предприятия, которые выпускают сейчас индукционные нагреватели в промышленных масштабах, эту задачу решили при помощи технологий, которые применяются на атомных и гидроэлектростанциях – благо технологии сейчас стали общедоступны. Трансформаторы служат десятилетиями, и у индукционного нагревателя – его генетического собрата – есть все шансы установить новые рекорды долговечности.

Преимущества Недостатки

— Самый высокий класс электробезопасности, обеспечивающийся конструктивно: греющий контур просто не может замкнуться на питающую обмотку, а магнитным полем «долбануть» не может в принципе. Напряжение прикосновения – всего 2В!

— Пожарная безопасность, которая также обеспечивается конструктивно. В отличие от ТЭНов, в индукционном нагревателе нет местных перегревов. Теплоноситель нагревается равномерно и теплосъем происходит по очень развитой поверхности, благодаря чему перепад температур теплоносителя с теплообменником не превышает 20-30 °С.

— Длительные сроки службы. По заявлению производителя – более 100 000 часов (более 30 сезонов). Это правдоподобно, поскольку срок службы ограничен только изоляцией обмоток, а она весьма долговечна.

— Универсальность: может нагревать практически любой жидкий теплоноситель – воду, антифриз, масла. Химический состав не имеет значения.

— Естественное омагничивание воды, незначительные температуры нагреваемого металла и легкая вибрация (незаметная человеку) служат отличной защитой от накипи. Отложения практически не образуются.

— Практически не требует контроля и профилактики, особенно при наличии автоматической системы управления. Работает по принципу «включил и забыл».

— Высокая материалоемкость и, как следствие, более высокие затраты покупателя на приобретение.

— Относительно большие массо-габаритные показатели.

— Выше перечисленные недостатки делают малопривлекательным производство и приобретение установок мощностью менее 10 кВт.

— Относительно плохая ремонтопригодность теплообменника (впрочем, ремонт и не потребуется при правильной эксплуатации).

Индукционный электронагреватель, таким образом, представляет собой очень серьезную альтернативу ТЭНовым и, тем более, электродным котлам – достаточно визуально оценить соотношение преимуществ и недостатков. Так что можно с уверенностью сказать, что данный тип электронагревателей по праву отвоевывает себе все более емкий сегмент рынка.

А в следующий раз мы поговорим, чем же отличаются индукционные электронагреватели разных производителей и что нужно учесть при выборе этого типа оборудования.

.

Заказать звонок

Пожалуйста, оставьте свой номер телефона и мы свяжемся
с вами в ближайшее время *

*Звонок возможен с 9.00 до 19.00 по новосибирскому времени (+3 МСК) Если вас не устраивает этот период времени, укажите тот, который подходит вам (время указывается по Москве)

Задать вопрос

* Поля, обязательные для заполнения

спасибо за вашу заявку

Мы свяжемся с вами в ближайшее, или удобное для вас время

контактные данные

Отопление

Характеристика помещений:

Строительная характеристика объекта:

Электрообеспечение объекта:

горячее водоснабжение

Общий расчетный объем потребляемой воды:

Душевые:

Электрообеспечение объекта:

Внимание!

Для корректного просмотра сайта, рекомендуем перевернуть устройство.