Температура теплоносителя в обратной магистрали отопительных приборов не превышает 60°C, а температура дымовых газов традиционных котлов с атмосферными горелками при работе на максимальной мощности составляет около 150°C. Желание использовать данную температуру для более эффективной эксплуатации котла возникло давно. Но на протяжении многих лет конструкторы не могли это сделать. При проектировании автономных систем отопления с конвекционным (традиционным) котлом главным принципом являлось недопущение возникновения конденсата водяных паров с растворёнными в них кислотами.

Конденсат может образовываться на стенках теплообменника, камеры сгорания, дымоходов. Требование о недопущении возникновения конденсата обусловлено конструкционными материалами и технологией изготовления элементов котлов отопления того времени. Теплообменники котлов и другие детали выпускались из чугуна, углеродистой стали, меди — материалов, сильно корродирующих в условиях образования конденсата. Решение было простое — исключить саму возможность возникновения конденсата. Эти принципы настолько глубоко закрепились в техническом проектировании, что эффективность (коэффициент полезного действия) котельного оборудования до сих пор считается не от полной теплотворной способности природного газа как топлива, а от его низшей теплотворной способности, то есть без учёта парообразования (конденсации).

Для газовых котлов применение данного подхода к расчёту КПД превращается в завышение этого показателя на 11%. Причина этому — устаревшие принципы расчёта, принятые столетие назад. Итак, конвекционные настенные котлы — это тепловые агрегаты для автономной системы отопления, у которых при сгорании топлива конденсат продуктов сгорания конструктивно не допускается.

Появление конденсационных котлов, способных использовать теплоту фазовых переходов и не боящихся возникновения конденсата на поверхности элементов котла, было инициировано энергетическим кризисом 1970-х годов, высокими ценами на природный газ в европейских странах и новыми технологиями производства конструкционных материалов. Высокая эффективность конденсационных котлов по сравнению с традиционными позволяет снизить ежегодные затраты на теплоснабжение домов. Можно уверенно говорить о снижении затрачиваемых сумм на 10–15%.

Кроме того, конденсационные котлы имеют более высокие экологические показатели. Количество вредных выбросов парниковых газов у них значительно ниже, чем у традиционных (конвекционных) газовых.

Первый настенный газовый котёл конденсационного типа создала голландская компания Nefit, которая представила на международной выставке в 1981 году котёл Nefit turbo и позднее целое десятилетие была лидером в области производства этого прогрессивного оборудования. В 1993 году компания Nefit была поглощена немецкой компанией Buderus, которая, в свою очередь, в 1995 году была поглощена ещё более крупной немецкой компанией Bosch. Другой компанией, пионером производства конденсационных котлов, является Remeha, которая выпускает конденсационные котлы с 1983 года. В 2004 году она была поглощена группой De Dietrich Thermique, которая, в свою очередь, в 2009 году слилась с ВАXI Group, образовав группу BDR Thermea.

Первые настенные конденсационные котлы были оснащены атмосферной горелкой и выносным экономайзером. Иногда подобные котлы называют «полуконденсационными». Это связано с тем, что в них использованы атмосферные горелки, которые применяются также и для конвекционных газовых котлов. Эффект конденсации паров сгоревшего газа в котлах данного типа достигался за счёт установки второго теплообменника (экономайзера) с возможностью удаления из него конденсата. Корпус дополнительных теплообменников был выполнен из кислотостойких материалов, таких как нержавеющая сталь и алюминий.

Недостатки конденсационных котлов с выносным экономайзером следующие. В атмосферных горелках очень трудно точно контролировать избыток воздуха в смеси, поскольку приток воздуха обеспечивается естественной тягой дымоходов либо вентиляторами (дымососами) с асинхронным электромотором с постоянной скоростью вращения ротора. Сопротивление дымовых труб и труб притока воздуха в котлах с закрытой камерой сгорания сильно меняется от многих факторов конкретных условий установки котла на объекте (разной длины, диаметров, изгибов, местных сопротивлений, конструкций и материалов общих дымоходов при раздельном подключении, материалов дымоходов и воздушных труб). Характеристики вентиляторов конвекционных котлов задаются на заводах изготовителях с избытком, а чем больше будет избыток, тем меньше будет КПД котла. Следовательно, конвекционные котлы с постоянной скоростью вращения вентилятора дымососа и атмосферной горелкой, не оптимальны по величине КПД.

Атмосферные горелки совместно с газовым клапаном могут модулировать тепловую мощность в диапазоне от 40 до 100%. При попытках уменьшить это значение пламя «садится» на горелки, что приводит к их закоксовыванию и прогоранию. При попытках увеличить мощность пламя «отрывается» от горелки, что может привести к хлопкам или даже взрыву.

При отдельно расположенном экономайзере дымовые газы, транспортируясь к нему от камеры сгорания, по пути неизбежно теряют часть энергии, что сказывается на КПД котла. При транспортировке они могут образовать конденсат в тех местах, где он абсолютно не нужен.

Следующий, принципиально новый этап в создании настенных конденсационных газовых котлов связан именно с вопросом оптимального смесеобразования горючего газа и воздуха для создания газо-воздушной смеси, адаптированной под конкретные условия эксплуатации теплогенератора. Для лучшего смесеобразования природного газа и воздуха в них использовались вентиляторы с изменением напорно-расходных характеристик за счёт частоты вращения вентилятора. Наибольшую эффективность и минимум выброса парниковых газов настенные газовые котлы получили после появления газовой горелки полного предварительного смешивания. В 1989 году голландская компания Furigas разработала первые горелки «премикс». Эта революционное устройство работает на предварительно смешанной контролируемой смеси газа и воздуха, что значительно улучшает характеристики горения, при этом выбросы CO и NOx существенно снижаются по сравнению с обычными атмосферными горелками. В 2000 году Furigas была приобретена крупной голландской компанией Bekaert Group.

Горелки полного предварительного смешивания лишены многих недостатков атмосферных горелок:

1. Обеспечено максимально полное сгорание газовоздушной смеси во всём диапазоне регулирования мощности за счёт выдерживания точных пропорций смешивания горючего газа и воздуха и качественного, равномерного их перемешивания, что гарантирует высокую энергетическую эффективность горелочного устройства.

2. Диапазон изменения мощности горелки составляет в стандартном варианте не менее 1:5 (от 20 до 100% мощности), а в варианте со специальной конструкцией миксера (трубка Вентури с переменным сечением) — 1:10, то есть от 10 до 100% мощности.

3. Продукты сгорания содержат минимальное количество парниковых газов СО и NOx, что обеспечивается более низкой температурой горения и равномерностью сгорания горючей смеси.

4. Разнообразная по форме поверхность горения (цилиндрическая, сферическая, плоская), очертания которой могут быть адаптированы под определённую конструкцию теплообменника.

5. Горелки могут быть произвольно ориентированы в пространстве, что позволяет создавать разные конструктивные схемы конденсационных газовых котлов.

Заключение

Цикл статей по истории создания настенных газовых котлов можно закончить следующей укрупнённой хронологией.

Конвекционные настенные котлы.

1948 год — изобретатель Морис Фриске (Maurice Frisquet) разработал первый настенный газовый котёл под известным до сих пор брендом Hydromotrix, который предназначался для работы в системах отопления с гравитационной циркуляцией (без циркуляционного насоса).

1961 год — компания Vaillant выпустила первый настенный одноконтурный котёл Vaillant Cirko с принудительной циркуляцией теплоносителя.

1962 год — компания Chaffoteaux заявила о начале производства двухконтурных газовых котлов с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Конденсационные настенные котлы.

1981 год — первый настенный газовый котёл Nefit turbo конденсационного типа создала голландская компания Nefit, которая представила его на международной выставке.

1989 год — голландская компания Furigas разработала первые горелки «премикс» полного предварительного смешивания.

В настоящее время в настенных газовых конденсационных котлах используются исключительно горелки полного предварительного смешивания. Энергетическая эффективность современных настенных конденсационных котлов достигает 104% по отношению к низшей теплоте сгорания (PCI) и 93,5% по отношению к высшей теплоте сгорания (PCS) газообразного топлива. Данные значения являются максимальными. В действительности энергетическая эффективность конденсационных котлов зависит от характера тепловой нагрузки. Максимальное значение эффективности соответствует примерно 30% от максимальной тепловой нагрузки и уменьшается при её увеличении. С точки зрения выбросов дымовых газов, конденсационные котлы работают с меньшим уровнем выбросов парниковых газов и имеют значительно больший диапазон регулирования мощности, что в целом свидетельствует о более высокой эффективности систем теплоснабжения, созданных на их основе.