ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ ДЛЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И НАГРЕВАЕМОЙ ВОДЫ

При конструировании водонагревателей, а также расчете и подборе их важно знать характер теплопередачи от теплоносителя к нагреваемой воде.

В общем виде передача теплоты определяется законом Фурье, по которому плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

где λ – теплопроводность, Вт/(м.°С); п — направление теплового потока по нормали к теплопередающей поверхности; знак «—» свидетельствует о том, что векторы теплового потока и градиента температуры направлены в противоположные стороны.

Согласно закону Фурье:

теплопередача возможна только при наличии градиента температуры между теплоносителем и нагреваемой водой;

чем тоньше теплопередающая стенка, тем выше ее тепловая проводимость λ/δ.

Общее количество теплоты, Дж, переданное через поверхность теплопередающей стенки за период времени, равно

, (11.2)

где λ — теплопроводность; Δt — температурный градиент; q — плотность теплового потока; F — площадь теплопередающей поверхности.

Теплообменные аппараты, применяемые в горячем водоснабжении, и в частности водонагреватели, относятся к рекуперативным аппаратам, т.е. таким, в которых теплота от теплоносителя передается через разделительную (обычно металлическую) стенку. Эти аппараты подразделяются на прямоточные и противоточные. В прямоточном теплообменнике теплоноситель и нагреваемая вода протекают параллельно в одном направлении (рис. 11.1,а), а в противоточном — тоже параллельно, но в противоположных направлениях (рис. 11.1,б).

Водонагреватели широко распространены, так как имеют простую конструкцию, компактны и обеспечивают постоянство температур теплоносителя во времени.

В теплотехническом отношении противоточные теплообменные аппараты выгоднее, чем прямоточные. Критерием для оценки их эффективности является средний температурный напор Δt_m, т.е. средняя разность температур греющей и нагреваемой воды. В противоточной схеме Δt_m почти всегда больше, чем в прямоточной, поэтому поверхность нагрева теплообменника с противотоком меньше. Все изложенные факторы влияют на выбор направления потока теплоносителя и нагреваемой воды, но в зависимости от вида теплоносителя. В водо-водяных нагревателях температура теплоносителя уменьшается, в пароводяных выбор направления теплоносителя и нагреваемой воды не имеет значения, так как пар в процессе теплопередачи должен иметь постоянную температуру насыщения при данном рабочем давлении (расчетная температура принимается равной 100 °С) (рис. 11.1.в).

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ПАРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ПРОТОЧНОГО ТИПА

В системах централизованного горячего водоснабжения широко распространены водонагреватели проточного типа, которые отличаются большой теплопроизводительностью и малой теплоемкостью. Ввиду этих особенностей их применяют в случае большого и стабильного теплопотребления, а если из системы происходит залповое потребление теплоты (например, приемы душей после окончания смены в бытовых помещениях промышленных предприятий), их используют в сочетании с аккумуляторами теплоты.

В промышленных зданиях, имеющих паросиловое хозяйство, используются пароводяные скоростные подогреватели(рис. 11.2). В них пар, подаваемый в корпус, проходит в межтрубном пространстве и нагревает воду. Нагреваемая вода поступает в переднюю водяную камеру, разделенную вертикальной перегородкой* и по теплообменным трубкам проходит в заднюю камеру. Пар может проходить дважды и четырежды в межтрубном пространстве корпуса водонагревателя (двухходовые и четырехходовые пароводонагреватели). Задняя камера их не закреплена в корпусе, что позволяет теплообменным трубкам свободно перемещаться вдоль оси, компенсируя температурное удлинение трубок. Для этого между днищем водонагревателя и днищем подвижной камеры имеется зазор, равный температурному удлинению теплообменных трубок. Для пароводяных нагревателей используются латунные трубки наружным диаметром 16 мм при толщине стенок 1 мм; корпус стальной. Рабочее давление греющего пара и воды должно быть соответственно не более 1 МПа при температуре не выше 300 С С и 1,6 МПа — при температуре 200 °С.

Скоростные пароводяные водонагреватели выпускаются в соответствии с требованиями ОСТ 108.271.105—76 двухходовыми и четырехходовыми с плоским и выпуклым днищем. Нагреватели имеют поверхность нагрева пло­щадью 6,3—53,9 м 2 . Основные технические данные паро­водяных скоростных водонагревателей приведены в прил. 8.

Водо-водяные скоростные секционные разъемные на­греватели применяются в системах централизованного теплоснабжения. Теплоносителем является вода из си­стемы теплоснабжения (сетевая вода). Теплоноситель и нагреваемая вода движутся по изолированным кон­турам.

По форме поверхности нагрева водонагреватели под­разделяются на трубчатые (рис. 11.3) и кожуховые (рис. 11.4), которые могут быть выполнены однокорпусными и секционными.

Наибольшее распространение получили трубчатые водонагреватели, которые состоят из стального цилиндри­ческого корпуса с входными и выходными патрубками для теплоносителя и нагреваемой воды, трубной решет­ки и трубного пучка. Трубный пучок вставлен в корпус водонагревателя и состоит из трубок малого диаметра 16X1 мм, развальцованных в трубные решетки. Отдель­ные секции нагревателей соединяются с помощью труб­чатых отводов, обычно называемых «калачами».

Нагреваемая вода движется по теплообменным труб­кам, а теплоноситель — по межтрубному пространству, так как прямые трубки позволяют удалять накипь с их внутренней поверхности. Кроме того, эта схема движе­ния теплоносителя позволяет отказаться от устройства специальных компенсаторов для восприятия линейных удлинений трубок и корпуса при нагревании.

В горизонтальных водонагревателях для устранения прогиба трубок устанавливают поддерживающие опор­ные перегородки с таким расчетом, чтобы пролет трубки между точками не превышал 100—120 мм. Опорные пе­регородки обеспечивают равномерное обтекание тепло­носителя с внешней стороны теплообменных трубок и, следовательно, влияют на общую теплопроизводитель-ность. Если перегородки не поддерживают трубки, то они провисают, нарушается равномерное обтекание теплоно­сителем межтрубного пространства и теплопроизввди-тельность уменьшается в 2—3 раза. При монтаже водо­нагревателя необходимо следить за тем, чтобы полки

опорных перегородок располагались Горизонтально и разделяли не более чем два ряда трубок.

Стандартная длина теплообменных трубок принима­ется равной 2 или 4 м. Для увеличения интенсивности теплообмена в водяных водонагревателях теплоноситель и нагреваемая вода должны иметь достаточно большие встречные скорости движения сред при противопотоке, чего наиболее легко достигнуть в секционных водонагре­вателях, состоящих именно из пучка мелких трубок или из секций типа «труба в трубе», выполненных из сталь­ных труб (кожуховые водонагреватели). Кожуховые во­донагреватели просты в изготовлении, но металлоемки.

Водо-водяные нагреватели можно устанавливать как из отдельных, так и нескольких секций с последователь­ным и параллельно-последовательным их соединением по теплоносителю и по нагреваемой воде.

Широко распространены секционные водо-водяные нагреватели конструкции ВТИ Мосэнерго (по ГОСТ 34588—68) 16 типоразмеров, наружный диаметр корпу­са которых от 57 до 325 мм и поверхности нагрева бдной секции от 0,37 до 28 м 2 .

Максимальное рабочее давление водо-водяных на­гревателей 1 и 1,6 МПа (10 и 16 кг/см 2 ) при темпера­туре теплоносителя до 200 °С.

Основные технические данные водо-водяных скорост­ных секционных водонагревателей приведены в прил. 9.

§ 40. ЕМКОСТНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ

Емкостные водонагреватели функционально совмеща­ют в одном теплообменном аппарате два аппарата — водонагреватель и аккумулятор теплоты и относятся к теплообменным аппаратам малой теплопроизводитель-ности и большой теплоемкости. В силу этих особеннос­тей они применяются для систем с естественной цирку­ляцией или для систем, из которых происходит резкое, залповое водопотребление (рис. 11.5).

Нагревательный элемент представляет собой гребен­чатый змеевик, выполненный из ^-образных трубок или пучков прямых трубок, собранных с помощью замыкаю­щих коллекторов. По контуру нагреваемой воды в силу незначительных скоростей движения воды имеется не­большое гидравлическое сопротивление, из-за чего теп­лообмен происходит конвективным путем и поэтому теп-лопроизводительность емкостных водонагревателей не­большая.

Емкостные водонагреватели выпускаются промыш­ленностью для использования в качестве теплоносителя не только пара, но и сетевой воды. Максимальное рабо­чее давление пара и нагреваемой воды не более 0,5 МПа. Рабочий объем водонагревателя (выше змеевика) со­ставляет 90 % общего объема. Продолжительность на­грева рабочего объема воды до 75 °С при теплоносителе «пар» составляет около 1 ч.

Основные технические данные емкостных водонагре­вателей приведены в прил. 10.

Рис. 1 5. Емкостные водонагреватели

/-патрубок выхода горячей воды; г-спускной пробковый кран; з-патру бок входа холодной воды; 4-змеевик; 5-выход конденсата; 6-вход пара

§ 41. РАСХОДЫ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ И ТЕПЛОТЫ

Величина расчетных расходов горячей воды и тепло­ты зависит от потребления горячей воды, которую ис­пользуют для смешения до требуемой температуры. Очевидно, что расход горячей воды зависит от ее темпе­ратуры; чем ниже температура горячей воды у смеси­тельного водоразборного крана, тем больше ее доля в составе смешанной воды.

Расчетные расходы горячей воды для гидравличес­кого расчета сетей горячего водопровода в режиме водо-потребления абсолютно одинаковы по методике вычис­ления с холодным водопроводом (см. гл. 7). Разница заключается в количественных параметрах: q% — расход горячей воды санитарно-техническим прибором, л/с; Уош— нормированный расход горячей воды прибором, л/с; q h _hru — норма расхода горячей воды потребителем в час наибольшего водопотребления, л, q h _um — то же,

в средние сутки.

Нормы расхода теплоты суточную [кДж (на 1 чел. в сут)] и часовую [кДж (на 1 чел. в сут)] вычисляют по формулам:

где Q^_u и Q*— часовая и суточная нормы расхода теплоты; Ср <Р_т — / с ) — количество теплоты, требуемой для нагрева 1 л воды до расчетной температуры; С — теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); р — плотность воды, кг/дм 3 ; t_m — средняя температура горячей воды, «С, при которой определена норма (для закрытых систем ^=55°С); t c — расчетная температура холодной воды в зимний период (Р= = +5°С)

Суточные расходы горячей воды, как уже говорилось, зависят от суточных норм потребления горячей воды q*:

*«**» 1000 * Тогда средний часовой расход воды:

где Т — продолжительность потребления горячей воды, ч (для жи­лых зданий — 24 ч, в остальных — продолжительность смены).

Максимальный часовой расход горячей воды q h _m, л/ч, и секундный расход q% определяются по формулам (11.7) и (11.9) на основе норм потребления горячей во­ды на процедуру и на смесительный водоразборный кран.

Суточные расходы теплоты, кДж/сут, вычисляют по формулам:

где Qftrm—суточные теплопотери в системе. Часовые расходы теплоты, кДж/ч, определяют по фор­муле:

(1+*)

где Q^f_rm— средние часовые теплопотери.

Ориентировочно теплопотери определяются в долях суммарного теплопотребления. При этом правильнее суммарное теплопотребление считать на нужды горяче­го водоснабжения и на нужды отопления, но так как программой курса изучение отопления не предусмотрено, то придется ограничиться теплопотреблением, связан­ным только с горячим водоснабжением:

где Лт.п — коэффициент теплопотерь в системе горячего водоснабже­ния (табл. 11.1),

Системы горячего водоснабжения	Значение feT
о квартальны­ми сетями отЦТП	без кварталь­ных сетей
Без полотенцесушителей С полотенцесушителями С неизолированными стояками и поло­тенцесушителями	0,15 0,25 0,35	0,1 0,2 0,3

§ 42. ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПОДБОРА ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Водонагреватели рассчитывают в следующем поряд­ке:

определяют площадь поверхности нагрева;

устанавливают основные конструктивные размеры и подбирают водонагреватель;

производят гидравлический расчет, а при расчете ем­костных водонагревателей кроме всего прочего опреде­ляют аккумулирующую емкость водонагревателя.

Площадь поверхности нагрева водонагревателей рас­считывается по формуле:

где Qp — расчетное количество теплоты, кДж/ч; р — коэффициент запаса на неучтенные теплопотери (Р=1,1); Ц — коэффициент сни­жения теплопередачи через теплообменную поверхность из-за отло­жений на стенках ((х=0,7); k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 -°С) (табл. 11.2); At — расчетная разность температур тепло­носителя и нагреваемой воды.

Разность температур теплоносителя и нагреваемой воды определяется в соответствии с § 38. Судя по фор­муле (11.10), чем больше разность температур между теплоносителем и нагреваемой водой, тем больше тепло­вая эффективность водонагревателя. Так, для противоточных скоростных водонагревателей средняя разность температур определяется по формуле:

Емкостные (накопительные) водонагреватели. Какой лучше выбрать в свой дом? на сайте Недвио

Большинство загородных домов и коттеджей в России не подключены к системе центрального водоснабжения. А это значит, что проблему наличия горячей воды в кранах домовладельцам приходится решать самостоятельно. Пожалуй, наиболее популярным устройством для обогрева воды является установка емкостного или накопительного водонагревателя (бойлера).

Сегодня на рынке представлены сотни моделей таких устройств: от традиционных огромных резервуаров до небольших нагревателей, предназначенных для точечного подключения. Различаются водонагреватели и по своим характеристикам и функционалу.

В данной статье мы расскажем об особенностях таких устройств, о том как правильно подобрать мощность, а также на какие параметры следует обратить внимание, выбирая водонагреватель в свой дом.

Как устроены и работают накопительные водонагреватели?

Этот тип нагревателей еще часто называют бойлерами. Работают они по следующему принципу: Накопительный водонагреватель представляет собой большой резервуар, оборудованный специальным механизмом для нагрева содержащейся в нем воды. Вода в бойлерах нагревается либо за счет парового / водяного теплообменника (в нем циркулирует горячая вода в замкнутом контуре, нагреваемая, к примеру, с помощью отопительного котла), либо путем размещенного внутри него ТЭНа или расположенной под нагревательной емкостью газовой горелкой.

Как правило, вода в емкостных водонагревателях нагревается до температуры +60-75 градусов. Этого достаточно для того, чтобы из кранов лилась горячая вода. Хорошие модели бойлеров имеют функцию постоянного поддержания температуры, регулирования мощности, таймера включения и мн. др.

В отличие от проточных нагревателей, емкостные (накопительные) водонагреватели имеют специальный бак для хранения нагретой воды. А это значит, что в вашем доме всегда будет горячая вода, даже если открыть все краны. Конечно, здесь многое зависит от емкости накопителя, но как правило, даже небольшие модели позволяют без проблем набрать горячую ванну (и еще останется).

Кроме того, емкостные водонагреватели, в отличие от проточных, можно без проблем подключать сразу к нескольким точкам водозабора, избегая при этом риска снижения температуры в системе горячего водоснабжения (ГВС).

В чем плюсы установки в доме емкостного (накопительного) водонагревателя?

Многие российские частные дома оборудованы газовыми котлами с функцией нагрева воды. И тем не менее люди все равно покупают емкостные водонагреватели. В чем причина?

Дело в том, что газовые котлы имеют лишь ограниченный функционал. И если в вашем доме сразу потребовалось большое количество горячей воды (например жильцы пошли одновременно принимать душ и ванну), то этого объема будет недостаточно. Накопительный нагреватель позволяет решить эту проблему, потому внутри него хранится большое количество уже нагретой воды, достаточном, чтобы удовлетворить резко возникшую потребность.

К тому же водонагреватели позволяет быстро нагревать воду в нужном месте. Такие устройства особенно полезны, когда точка водозабора находится слишком далеко от котла. Поэтому их часто устанавливают на кухнях или в ванных комнатах, чтобы избежать необходимости сливать большое количество холодной воды в канализацию и, как следствие, тратить ее впустую.

Большим преимуществом использования накопительных водонагревателей является также возможность настроить параметры их работы в соответствии с потребностями всех членов семьи, которые могут отличаться в отдельных помещениях. Оснастив многие емкостные модели удобными и простыми в использовании системами управления, мы можем запрограммировать устройство таким образом, что оно будет включаться и выключаться в определенный момент — таким образом, вам не придется ждать появления горячей воды в кране сразу после того, как вы встали с постели или приехали домой.

В чем разница между одноточечными и многоточечными водонагревателями?

Принято считать, что установка емкостного водонагревателя сразу отразится на счетах за электричество. Это действительно так. Однако на расходах на электроэнергию можно сэкономить, если выбрать устройство «с умом», учитывая мощность нагревателя, среднее потребление воды и количество людей, проживающих в вашем доме.

Если в вашем доме нет установки для подачи горячей воды, и вам достаточно только одного бойлера, лучшим решением будет покупка электрического водонагревателя малой мощности с одноточечной системой. Устройства этого типа потребляют небольшое количество энергии (3–6 кВт), достаточной для обогрева воды для целого дома площадью 150 кв. м!

Конечно, электрические многоточечные нагреватели обладают гораздо более высокой мощностью и эффективностью, однако они требуют не только большего сечения силовых кабелей, но также часто и трехфазного тока.

Еще одним преимуществом одноточечных электрических нагревателей является простота установки — даже по сравнению с газовыми нагревателями. Поскольку мы здесь не имеем дело с газом, такое устройство намного безопаснее в быту — вам не нужна эффективная вентиляция или дренажная система в помещении.

Сегодня стало модно устанавливать вместо одного большого бойлера, несколько маленьких — в каждую ванную комнату. Такие водонагреватели представляют с виду небольшую коробку, подвешенную над раковиной или рядом с душем. Подобные устройства стоят недорого и красиво смотрятся, однако учтите: отдельно размещенный бойлер нуждается в более длинных коммуникациях, а чем длиннее соединительный кабель, тем дольше придется ждать появления горячей воды. Кроме того, при длительных соединениях можно наблюдать потери тепла.

Какую выбрать мощность водонагревателя в свой дом?

Мощность выбранного обогревателя зависит от нескольких параметров: от количества людей, проживающих в доме, и среднем ежедневном потреблении воды. Как правило, 1 человек в течение суток расходует около 30 литров холодной и 15-30 литров горячей воды. Если у вас большая семья и в вашем доме много санузлов, эта цифра может быть больше.

Нужно ли покупать в свой дом сразу мощный бойлер? Это особенно частый вопрос среди тех, кто пользуется своим загородным домом сезонно или приезжает по-выходным. Однозначно ответить на этот вопрос сложно: с одной стороны, вам нет необходимости переплачивать за водонагреватель большой емкости, с другой стороны — выбор слишком маленького устройства приведет к тому, что в какой-то момент горячая вода просто перестанет идти. Поэтому лучше все-таки выбирать водонагреватель исходя из количества людей в доме, а не дней в году.

Помимо мощности устройства, важно обратить внимание и на метод контроля температуры воды. Как правило это делается с помощью ручки регулировки мощности устройства, или так называемого гидравлического контроля температуры воды. На практике это выглядит довольно просто: чем меньше поток воды, тем теплее будет идти вода из под крана. Самые лучшие модели бойлеров используют комбинацию обоих решений.

Как рассчитать потребление горячей воды в доме?

Как мы уже отметили выше, в среднем, 1 человек в течение суток расходует около 30 литров холодной и 15-30 литров горячей воды. То есть примерно 50 литров. Возьмем для расчетов среднюю температуру воды около 40 градусов. Следовательно, для семьи из трех человек будет достаточно купить бойлер емкостью около 150 литров.

Безусловно, это очень упрощенные расчеты, не учитывая многие факторы потребления горячей воды. На этот показатель влияет образ жизни (частые занятия спортом — больше потребления воды), вид деятельности (работа на дому — больше потребления воды), наличие маленьких детей (быстро пачкают вещи) и даже уровень благосостояния семьи.

Как правило больше всего горячей воды уходит на принятие ванны, на втором месте — на принятие душа, остальная вода уходит на мытье рук, посуды и т. д. Поэтому, если в вашей семье считается нормой принимать каждый день ванну, лучше купить водонагреватель с запасом, чуть большей емкости.

Для того, чтобы выбрать правильную емкость резервуара водонагревателя, важно также подумать о том, к какому количеству водозаборных точек планируется его подключение. Хороший пример — этаж с двумя ванными комнатами. Для того, чтобы при одновременном посещении таких санузлов в них всегда была вода одинаковой температуры, важно чтобы выпускаемая в обоих кранах вода имела одинаковое давление.

Если уж мы заговорили о ванных, как основных потребителях горячей воды, приведем несколько примеров:

• 100 литров воды уйдет на заполнение небольшой ванны;
• 250 литров воды — такой объем нужен для наполнения большой ванны ;
• 70-250 литров воды — такой объем уйдет при принятии 10-минутного душа, совмещенного с ванной;
• 50-150 литров воды в среднем расходуется при принятии обычного душа в течении 10 минут.

Здесь правда тоже есть свои нюансы, так как разные модели душей могут выпускать разные потоки воды. Например, стандартные души выливают примерно 7-8 литров воды в минуту, а более дорогие модели (как правило с гидромассажем) — расходуют уже куда больше: от 15-25 л/мин.

Так что, как видите, нюансов в расчетах потребления воды довольно много и выводы предстоит сделать именно вам. Это может показаться сложным, но в конце концов не так уж часто приходится выбирать водонагреватель в свой дом. Большинство людей покупают такие устройства 1-2 раза в жизни.

Виды и типы емкостных (накопительных) водонагревателей

Есть разные модели водонагревателей, отличающихся устройством нагрева воды. Это может быть труба в форме спирали или многоуровневые резервуары с дополнительной солнечной батареей и циркуляционным насосом, оснащенным контроллером. Второй вариант предполагает очень высокую эффективность использования воды.

Хотя, конечно, традиционно на «внутреннюю кухню» такого оборудования потребители редко обращают внимание и выбор водонагревателя в дом сужается до выбора между электрическими и газовыми моделями.

Какая модель водонагревателя лучше: электрическая или газовая?

Безусловно, газ подкупает своей дешевизной, по сравнению с дорогой электроэнергией. Однако на этом плюсы газовых моделей заканчиваются.

Во-первых, для того, чтобы установить газовый водонагреватель, у вас должно быть отдельное помещение, соответствующее определенным требованиям безопасности. Во-вторых, такие устройства более дорогие в эксплуатации (вам придется время от времени очищать как дымоход, так и горелку и вызывать специалистов по обслуживанию таких систем). В третьих — газовое оборудование считается менее безопасным (есть риск утечки газа и даже пожара).

Для того, чтобы лучше сравнить особенности газовых и электрических моделей рекомендуем ознакомиться с данными в таблице, приведенной ниже:

О собенность

Электрический накопительный нагреватель

Газовый емкостный нагреватель