Промышленный медный газотрубный теплообменник Frisquet, адаптированный к настенным и напольным котлам малой мощности
Рис. 1. Сравнительные характеристики шлакования после одного сезона работы прибора
Морис Фриске, сын основателя завода по производству газовых котлов Frisquet во Франции, в 1963 году заинтересовался этой технологией и адаптировал ее к настенным и напольным котлам малой мощности. Материалом теплообменника была выбрана медь, как самый лучший проводник тепла, обладающий очень высоким сопротивлением к коррозии, которая возникает вследствие воздействия продуктов сгорания.
Для производства одного теплообменника Frisquet используется 25 кг чистой меди, а не медные сплавы. По сравнению с другими наиболее используемыми для производства теплообменников металлами (алюминий, чугун, сталь) у меди наивысший коэффициент теплопроводности — 386 Вт/(м⋅К), в то время как у алюминия эта величина составляет 206, у чугуна — 40, у стали — 20 Вт/(м⋅К).
Это, естественно, обеспечивает более высокую производительность теплообменника котла. Кроме того, и сопротивление коррозии меди выше, чем у всех других материалов. Необходимо также отметить, что медь обладает отличными бактерицидными, альгицидными (противоводорослевыми) и фунгицидными (противогрибковыми) свойствами, помогающими в борьбе с распространением бактерий.
В первую очередь, к системам горячего водоснабжения относится бактерия Legionella pneumophila, вызывающая сапронозное острое инфекционное заболевание. Теплообменники Frisquet рассчитаны на непрерывную безостановочную работу в течение более 20 лет. Каждый материал выбирается на основании своих лучших свойств:
- медь используется в зонах, где отсутствует конденсация, но требуется значительная производительность — ее теплопроводность и долговечность позволяют оптимизировать теплообмен;
- нержавеющая сталь с титаном, из которой изготовлены турбулизаторы, используется в зонах с сильной конденсацией, но где не требуется большая производительность — важным здесь является ее коррозионная стойкость;
- присадочный металл с большим содержанием серебра — для сопротивления сварных швов температурному напряжению.
Говоря о конструктивных особенностях газотрубного теплообменника, необходимо отметить, что все поверхности теплообменника гладкие, больших размеров. Контактирующие с пламенем и продуктами сгорания поверхности постоянно охлаждаются водой. Поэтому теплообмен оказывается оптимальным, устраняются места локального перегрева, вызванные работой горелки. Вследствие этого происходит повышение КПД.
Металл работает при низкой температуре, что является гарантией долговечности и надежности. Компании Frisquet удалось достигнуть 95 % КПД для бытовых «неконденсационных» котлов. Кроме того, газотрубная конструкция теплообменника позволяет создать эффективную систему горячего водоснабжения. Погрузив в котловую воду змеевик, мы получаем предварительный нагрев бытовой воды и доступ сразу к большому количеству горячей воды.
Так, котел мощностью 25 кВт выдает 12,5 л/мин, 32 кВт — 15,5 л/ мин, 45 кВт — 19 л/мин. Таким образом, двухконтурный котел имеет большие номинальные расходы горячей воды, которая доступна сразу, и значительно повышенный расход в начале водопотребления. Все это благодаря принципу полунакопления. Конструкция двухконтурного котла Frisquet с газотрубным теплообменником надежна и проста.
Оказалось, что нет необходимости в сложном электронном регулирующем устройстве и в механическом устройстве для обнаружения расхода воды. Индикация осуществляется благодаря датчику ГВС NTC, который измеряет температуру воды в верхней точке теплообменника. Когда кран открывается (в змеевик идет холодная вода), температура котловой воды в зоне установки датчика падает.
Когда она опускается ниже 30 °C, насос на отопление останавливается, вода в теплообменнике нагревается, и система работает только на производство бытовой горячей воды. Таким образом, в системе включается «Режим приоритета ГВС». Также в котлах Frisquet предусмотрен автоматический регулятор температуры RTA, который входит в комплект в порядке серийного производства и позволяет автоматически ограничивать температуру в точке водозабора горячей воды безопасным пределом в 50 °C.
Таким образом, если температура воды на выходе из змеевика ниже 50 °C, то в терморегуляторе ничего не происходит, горячая вода идет на пользование; а если температура воды выше 50 °C, то термостатический элемент нагревается, открывается клапан и холодная вода подмешивается к горячей, снижая температуру. Таким образом, за счет смешения горячей и холодной воды в первые две минуты пользователь имеет повышенный расход воды — на 30 % больше номинального.
Как говорилось выше, газотрубная конструкция и медь в качестве материала исполнения позволяет добиться повышенного КПД котла. Однако КПД должен быть не только высоким. Он должен быть также стабильным и не снижаться с течением времени. Сравним теплообменник Frisquet с пластинчатыми теплообменниками, которые используются повсеместно у производителей котельного оборудования (рис. 1).
Теплообменник с пластинчатым оребрением очень легкий, состоит из нескольких труб, к которым прикреплены пластины. За год эксплуатации на всех теплообменниках появляется тонкий слой загрязнения, но он воздействует по-разному на разные конструкции теплообменников. В теплообменниках с пластинчатым оребрением расстояние между пластинами, где проходят дымовые газы, должно быть от 1,5 до 2 мм, редко — больше.
В противном случае газы окажутся недостаточно охлажденными. Даже очень незначительное загрязнение в 0,2 мм уменьшает проходное сечение на 20–27 %, что оказывает влияние на эффективность работы. Чтобы избежать понижения эффективности, все теплообменники Frisquet имеют большое проходное сечение дымогарных труб: диаметром от 20 до 30 мм.
Приняв за аксиому, что через год работы на внутренних стенках осядет слой сажи толщиной в среднем 0,5 мм, мы увидим, что диаметр сечения трубки для прохода отходящих газов Frisquet уменьшится на 1 мм и составит 29 мм. С другой стороны, в теплообменнике с оребрением, расстояние между пластинами которого возьмем в среднем 2,5 мм, осевшая на 0,5 мм сажа сократит это расстояние до 1,5 мм.
Таким образом, видим, что в теплообменниках Frisquet теряется 3 % от диаметра прохождения отходящих газов, а в теплообменнике с оребрением теряется 40 % от расстояния, что заметно препятствует прохождению дымовых газов. Естественно, из-за этого в теплообменнике с оребрением снижается теплопроводность (передача тепла к воде) а соответственно и мощность котла (то есть падает КПД). И во-вторых, когда окалина оседает, препятствуя передаче тепла, ребра сильно раскаляются и со временем пластины разрушаются.
Сгоревшие частицы металла остаются внутри и ухудшают сам процесс горения. В то же время эффективность работы теплообменника Frisquet не падает. Его конструкция является залогом надежности котла. Исключительное качество теплообменников Frisquet проверено опытом эксплуатации более 2 млн экземпляров.
