Устройство и принцип работы газового котла отопления

Газовый котел в квартире с индивидуальным отоплением используется для передачи тепловой энергии от продуктов сгорания теплоносителю. Он является одним из незаменимых условий комфортного быта современного жилья.

Как устроен газовый котел?

Нынешний, крепящийся на стену настенный нагреватель, использующий газовое топливо, представляет собой полностью готовое к работе устройство, служащее для отопления в частном доме. Оно включает в себя все необходимое для работы газового котла в квартире, автоматического управления и контроля. По сути это – котельная в миниатюре.

Поэтому важно понимать, из чего состоит нагреватель. Устройство газового котла отопления не так сложное, как кажется на первый взгляд. Конструкция котла имеет следующие основные элементы:

• горелка с газовой арматурой;
• первичный теплообменник;
• циркуляционный насос;
• расширительный бак;
• устройства безопасности и автоматики управления;
• контур приготовления горячей воды (в том случае, если котел двухконтурый).

Горелка

В нижней части камеры сгорания котла устанавливается горелка. Газ по трубопроводу поступает в коллектор и через жиклеры попадает в горелку. После чего срабатывает электрод розжига, появляется искра, открывается газовый клапан и происходит зажигание. Второй электрод ионизации или контроля пламени предназначен для подачи сигнала на плату управления о том, что пламя на горелке горит.

Все настенные газовые агрегаты выпускаются с регулируемой горелкой. Она позволяет по мере необходимости модулировать подачу газа, то есть производить модуляцию пламени. Газ подается на горелку через газовый клапан.

В современных газовых нагревательных устройствах данный клапан позволяет автоматически изменять его мощность в процессе работы, меняя количество подаваемого газа для горения. По патрубку на горелку подается строго определенное количество газа. Таким образом происходит модуляция пламени. Это позволяет поддерживать заданную пользователем температуру, независимо от расхода воды.

Как правило, горелки выполняются из нержавеющей стали. В зависимости от типа бойлера они могут иметь плоскую поверхность для горения, цилиндрическую или иную сложную форму. Для запуска горелки применяется электрод розжига. Зачастую кроме функции розжига электрод может выполнять контроль наличия пламени на горелке во время ее работы. Иногда для этой цели используется два электрода, один из которых применяется для розжига, а второй – для контроля присутствия пламени.

Теплообменник

Основной теплообменник, в котором греется теплоноситель, расположен в камере сгорания котла. Через него проходит теплоноситель, который нагревается под воздействием пламени.

При помощи него также происходит передача тепла дымовых газов теплоносителю, который впоследствии подается в систему.

К теплообменнику подходят два трубопровода: подающий и обратный. В подавляющем большинстве случаев в традиционных нагревательных устройствах теплообменник выполнен из меди.

Труба в виде змеевика уложена таким образом, что от пластин происходит съем тепловой энергии и отдача ее реагенту. В кондиционных агрегатах первичный теплообменник выполняется из нержавеющей стали или силумина ввиду требований повышенной стойкости для работы в кислой среде.

Циркулярный насос

Циркуляционный насос предназначен для перекачки теплоносителя по системе отопления. В качестве теплоносителя может использоваться вода или котельный антифриз. Он проходит через котел, и за его циркуляцию отвечает встроенный циркуляционный насос. Мощности насоса, как правило, достаточно для обеспечения циркуляции теплоносителя в системе отопления.

Чтобы сделать точный расчет количества теплоносителя, в паспорте котла приводятся его расходно-напорные характеристики. В закрытых системах отопления используется насос, который не имеет подшипников, а смазка происходит за счет теплоносителя, проходящего через него. Насосы, как правило, имеют несколько скоростей, и легко подбираются для любого типа котла. Насосом управляет автоматика котла.

Расширительный бак

В системе отопления устанавливается расширительный бак. Его задачей является компенсация теплового расширения теплоносителя при нагреве. В закрытой системе отопления накопительная емкость представляет собой герметичную капсулу, внутри которой расположена мембрана или резиновый шар. Вверху герметичной капсулы находится ниппель, через который закачивается воздух или газообразный азот.

С помощью ниппеля можно докачать воздух в капсулу, тем самым меняя давление внутри нее и настраивая работу системы отопления под нужное давление. В зависимости от выбранного вами типа котла система закрытого типа работает при разном давлении. Как правило, это от 0,5 до 3 бар. Расширительные баки уже настроены заводом-изготовителем на давление в 1,5-3 бара.

Наиболее подходящее место для установки мембранного бака это врезка его в обратный трубопровод вблизи всасывающего патрубка и циркуляционного насоса. Такая схема подключения обеспечит стабильное давление в системе отопления. Кран слива теплоносителя часто применяется при техническом обслуживании котла, когда требуется опорожнить котел и проверить давление в расширительном баке.

Отвод дыма

За удаление отработанных дымовых газов из камеры сгорания отвечает вентилятор. Он находится в верхней части котла. Вентилятор выводит продукты сгорания через дымоход, который проходит сквозь стену и выводится на улицу.

Также вентилятор предназначен для всасывания свежего воздуха, необходимого для горения. Вентиляторы изготавливаются в алюминиевом корпусе или из оцинкованной стали и имеют мощность от 35 до 80 Вт. Отвод дыма бывает обычным или атмосферным.

Автоматика котла запускает вентилятор перед розжигом горелки, и контролирует его работу при помощи пневмореле, подключенного к вентилятору. Вращаясь, вентилятор создает разрежение в камере сгорания котла и удаляет угарный газ, образующийся при сжигании.

Автоматика безопасности, электроника и модуль управления

На примере функционирования автоматики безопасности несложно будет понять, как работает газовый котел отопления. На выходе из котла устанавливается группа безопасности, включающая в себя следующие элементы:

1. Манометр, который обеспечивает визуальное наблюдение за давлением в контуре отопления.
2. Автоматический воздухоотводчик. Его часто его можно встретить на патрубке после насоса либо непосредственно самом насосе. Он сам удаляет не только воздух из системы, но и пар, который возникает при работе котла. Как правило, при запуске котла его необходимо перевести в рабочее состояние, немного открутив или подняв до щелчка колпачок.
3. Предохранительно-сбросной клапан, который может автоматически сбрасывать давление из системы отопления. Он закрыт при нормальной работе. В противном случае, если давление в контуре отопления превышает критическое значение в 3 бара, он открывается, не давая элементам котла и системы отопления выйти из строя.

Большинство котлов имеют встроенные системы защиты. При отключении электропитания такой агрегат отключается. После возобновления электроснабжения он автоматически включается и продолжает работу. Если прекращена подача газа, автоматика перекроет электромагнитный клапан, контролирующий подачу газа в котел. Таким образом, его потребуется перезапускать вручную.

Защита от замерзания понадобится для нежилых строений или дачных домов, которые нет необходимости отапливать в зимнее время. Принцип функционирования данной системы заключается в том, что котел работает в энергосберегающем режиме. При помощи датчиков он контролирует температуру теплоносителя. Если она снижается до 5 – 6ºС, то котел включается, прогревает систему отопления, и снова выключается.

Защита от блокировки циркуляционного насоса применяется в основном в летние месяцы года, когда система отопления не работает. При этом насос включается 1 раз в день. Это позволяет защитить ротор насоса от простоя, при этом вероятность выхода его из строя значительно снижается.

Некоторые котлы имеют встроенную систему самодиагностики. Она делает анализ состояния элементов котла, и, в случае неисправности, выдает на табло код ошибки. Затем пользователь сообщает код ошибки сервисным службам. Именно так диагностируется 90% всех возможных неисправностей.

Для защиты от перегрева применяется накладной термостат. В том случае, если температура теплоносителя превысит 100ºС, происходит его срабатывание, и автоматика котла отключает горелку. Следом за термостатом по ходу движения теплоносителя устанавливается датчик контроля температуры. Они бывают погружные и накладные. По датчику температуры автоматика котла при помощи газового клапана контролирует подачу газа, стараясь поддерживать заранее заданную температуру.

Реле давления дает разрешение на запуск котла, только если давление в системе отопления не менее 0,5 бара. Если давление падает ниже этого значения, то автоматика отключает горелку, насос и вентилятор. На кондиционных котлах используется электронный датчик давления, позволяющий на дисплее увидеть текущее давление.

Принцип работы оборудования

Принцип работы газового котла отопления достаточно прост. Если вы знакомы с принципом работы газовой котельной, то разобраться, как работает газовое отопление, вам не составит труда.

Запуск котла на контур отопления осуществляется по следующему алгоритму:

• Сначала проверяется термостат перегрева. Если контакт замкнут, то это означает, что температура
  в норме, и не превышает 100ºС.
• Далее идет опрос реле давления. Наличие замкнутого контакта также говорит о достаточном для безопасной работы давления в системе отопления.
• Производится опрос датчика температуры, которая у теплоносителя должна быть не менее +2ºС и не более 95ºС. Если температура находится вне этого диапазона, то автоматика сообщит о неисправности.
• Для запуска котла температура не должна выходить за границы указанного диапазона и быть ниже
  температуры, установленной на панели котла.

• В последнюю очередь перед запуском идет опрос пневмореле. Оно должно давать разомкнутый контакт.
• Если по всем элементам не выявлено никаких нарушений, автоматика котла запускает насос, и появляется циркуляция теплоносителя.
• Следом за этим подается питание на вентилятор котла. Если он исправен, создается достаточная
  для работы котла тяга в дымоходе, и поступает необходимое количество воздуха для горения, то в течение 5 секунд после запуска вентиляторов пневмореле меняет состояние с разомкнутого на замкнутый
  контакт. Это служит сигналом автоматике, что все исправно, и можно запускать горелку.
• На электрод в течение 5 секунд подается высокое напряжение, обеспечивающее искру достаточной силы
  для запуска горелки.

• Одновременно с этим подается команда на открытие газового клапана, газ начинает поступать на горелку котла и происходит ее запуск.
• Если запуск горелки прошел успешно, автоматика фиксирует пламя при помощи электрода контроля пламени. В том случае, когда с первой попытки горелка не запустилась, котел делает еще несколько попыток. В варианте отсутствия запуска котла, автоматика сигнализирует о неисправности.
• При удачном запуске в процессе работы автоматика меняет мощность горелки посредством изменений напряжения на газовом клапане и нагревает теплоноситель до требуемой температуры.
• Скорость нагрева и температура контролируется по датчику температуры.

Разновидности и классификация газовых котлов

В отношении газовых агрегатов существует условное разделение на 2 группы:

• импортные;
• отечественные.

Следующим разделением котлов является классификация по месту установки:

1. Напольные. Это по сути атмосферные котлы. Они недорогие, но потребляют большое количество газа. Существуют ограничения по автоматике. Требуется полноценный дымоход. Напольные газовые котлы бывают энергозависимые и энергонезависимые. Из-за наличия электроники и необходимой автоматики им требуется питание в 220 В.
2. Настенные. Они чаще всего являются турбированными.
3. Конденсационные. Многие их отрицают, но это котлы будущего. Все данные котлы являются энергозависимыми.

Настенные газовые котлы бывают:

• одноконтурные;
• двухконтурные;
• традиционные;
• с открытой камерой сгорания;
• закрытые.

Любой котел – как с открытой камерой, так и с закрытой, может иметь 2 контура. Работа одноконтурного котла в квартире с подведенным газом осуществляется только на отопление. Вторичный пластинчатый теплообменник, добавленный в систему газового котла двухконтурного выполняется из пластин нержавеющей стали. При помощи теплоносителя системы отопления обеспечивается нагрев входящей холодной воды до заданной температуры. Подогретая вода поступает далее в контур горячего водоснабжения.

Датчик расхода подает сигнал автоматике котла о необходимости нагрева горячей воды. Он срабатывает при открытии крана горячей воды, если расход воды превышает 2,5 л/мин. В датчике температуры горячей воды обычно применяется модель погружного типа для максимально быстрой реакции на изменение температуры.

Мощность горелки определяется автоматикой исходя из показаний этого датчика и обеспечивает требуемую температуру горячей воды. Трехходовой клапан с мотором направляет поток теплоносителя в контур отопления и если идет сигнал датчика расхода воды, он перенаправляет поток во вторичный теплообменник для нагрева воды, при этом не смешиваясь с ней.

Теплоноситель и нагреваемая вода разделены пластинами. Для наилучшей теплопередачи их потоки направлены навстречу друг другу. При закрытии крана горячей воды прекращается проток через вторичный теплообменник, и котел возвращается на подогрев системы отопления.

Если греть систему отопления более не требуется, котел отключает горелку, закрывая газовый клапан. Вентилятор работает еще несколько секунд, продувая камеру сгорания и очищая продукты горения, а затем отключается.

Если в комнате установлен термостат контроля температуры воздуха помещения и он отключил котел, то, спустя 3 мин. после срабатывания термостата, отключается и насос. При запросе на отопление или приготовление горячей воды алгоритм работы повторяется.

Реже встречаются комбинированные устройства для нагрева теплоносителя с одним теплообменником, в котором нагревается теплоноситель и вода для системы горячего водоснабжения.

Виды бойлеров

Бойлеры бывают нескольких видов:

• Твердотопливные, способные производить тепло из дров, угля или торфа.

• Газовые. Могут работать как от природного газа, так от привозного. При переходе с одного газа на другой необходима замена жиклёров.

• Дизельные. Работают на дизтопливе и имеют топливные баки объемом от 750 л до нескольких тонн.

• Электрические. Могут работать от сети 220 В или иметь трехфазное питание 380 В. Это зависит от выбранной модели и мощности.

Видео по теме: Выбор газового котла для дома

Заключение

Современные навесные нагревательные устройства имеют индивидуальную модуляцию мощности. Таким образом, они способны изменять количество генерируемого тепла в зависимости от текущих потребностей системы отопления.