Что такое емкостные водонагреватели
Емкостные водонагреватели и способы их защиты от разрушающего воздействия воды
При всем многообразии по принципу действия известны два типа этих устройств: проточный и емкостной водонагреватель (он же аккумулирующий, то есть накопительный). Напомним основные конструктивные особенности и принципы действия водонагревателей для дома.
Условия для применения водонагревателей
Проточные водонагреватели применяются при наличии мощности, которая может обеспечить пиковое водопотребление. К достоинствам этих водонагревателей можно отнести их компактность, недостатков практически нет, кроме одного – установленная мощность проточного водонагревателя должна соответствовать потреблению максимального пикового часа.
Для пикового расхода 12 м3/ч необходим проточный водонагреватель (пластинчатый теплообменник и т.д.) тепловой мощностью 0,6 Гкал/ч, или 698 кВт. Это условие не всегда выполнимо: при реконструкции уже существующего объекта, на котором по новым условиям требуются дополнительные мощности на ГВС, или на новостройке в уже заселенном районе, где тепловые (или электрические) сети не имеют запаса по подключению дополнительных мощностей. Тогда введение дополнительных мощностей ГВС влечет за собой полную реконструкцию снабжающих тепловых сетей. Именно для этих условий и подходят тепловые узлы ГВС на базе емкостных водонагревателей.
Емкостные водонагреватели при меньшей установленной мощности накапливают во внутреннем теплоизолированном баке необходимое количество воды, обеспечивающее пиковый расход. Это их основное преимущество – аккумулировать тепло в виде горячей воды при относительно небольшой часовой мощности. Поскольку на большинстве объектов пиковое водопотребление носит не постоянный, а циклический характер, то дополнительных лимитов на отпуск тепла для ГВС не требуется. За 3–4 ч на небольшой тепловой мощности можно подготовить и аккумулировать горячую воду для полного максимального пика. Понятно, что аккумулятор горячей воды должен иметь объем, обеспечивающий максимальное пиковое потребление.
В этом кроется небольшой недостаток – аккумулирующему водонагревателю требуется больше места в тепловом узле, чем проточному. Поэтому аккумулирующие водонагреватели промышленных объемов обычно изготавливаются в виде цилиндра диаметром 1–2 м и высотой 1,5–3 м, чтобы они занимали меньшую площадь пола. Можно применить практически все принципы энергоресурсосбережения, используя аккумулирующие водонагреватели:
Конструкция и принцип действия этих водонагревателей практически одинаковы независимо от производителя (рис. 1). Это внутренний бак, защищенный от тепловых потерь эффективной теплоизоляцией (пенополиуретаном, полиуретаном, минватой или любой термически стойкой теплоизоляцией), в котором накапливается горячая вода. В бак встроены нагреватели воды.
В зависимости от вида поставляемого энергоносителя для нагрева воды используются топливные горелки, встроенные водяные или паровые теплообменники, электрические трубчатые нагреватели. Многие производители предлагают комбинацию из этих нагревателей: один используется как основной источник нагрева, другой – как резервный. Для использования в схемах ГВС утилизированного тепла (от кондиционеров и т.д.) в аккумулирующие водонагреватели встраиваются теплообменники или эксплуатируются внешние пластинчатые.
Причины выхода из строя емкостных водонагревателей
Основными причинами, сокращающими срок эксплуатации емкостного водонагревателя и приводящими к выходу из строя, являются коррозия, а также накипь, в результате которой снижается кпд прибора.
Перед тем как подробно рассматривать эти причины, необходимо остановиться на некоторых свойствах воды.
При наличии даже небольшого электрического поля в воде емкостного нагревателя обязательно будут протекать гальванические токи. Вода как универсальный растворитель растворяет даже то, что не может растворить такая агрессивная среда, как кислота. И если в емкости нагревателя присутствуют хотя бы два различных металла, то оба металла будут передавать свои ионы электролиту, то есть воде.
Если бы электромагнитное поле было постоянным, а раствор электролита не пополнялся, то тогда наступил бы момент равновесия – раствор электролита стал бы насыщенным и все ионы перешли бы в раствор и на противоположно заряженные электроды. Но поскольку в емкостных водонагревателях вода обновляется, то коррозия ввиду постоянного переноса ионов в электролит будет всегда.
Виды коррозии и методы защиты электрических емкостных водонагревателей
Первая причина, сокращающая срок службы емкостного водонагревателя, – это коррозия, напрямую связанная со свойствами воды.
Гальваническая коррозия
Отдельный вид коррозии, возникающий даже в отсутствие электромагнитного поля, то есть во всех водонагревателях, даже неэлектрических. Эта коррозия происходит из-за прямого контакта в электролите двух различных металлов. Металл, имеющий больший отрицательный потенциал, разрушается быстрее. Железо имеет потенциал –0,63 В, медь –0,2 В. При соединении железа с медью разрушаться будет железо, даже при отсутствии воды как электролита.
Если металлы соприкасаются с водой, разрушение будет еще более быстрым, ввиду того что вода является хорошим электролитом. Поэтому так важно при гидравлической обвязке водонагревателя использовать трубы и фитинги из того же металла, к которому они присоединяются (табл. 1).
Таблица. Потенциалы некоторых металлов, наиболее часто используемых в водонагревателях и гидравлической обвязке
Как вариант можно использовать пластиковые трубы и фитинги при условии, что они подходят по параметрам температуры воды и давления в магистралях.
Электролитическая коррозия
Если разнородные металлы находятся в одной емкости с водой, возникает электролитическая коррозия, даже если металлы не контактируют друг с другом, так как вода – электролит и ионы металла передаются в раствор электролита. В этом случае металл, имеющий больший отрицательный потенциал, становится анодом; металл, имеющий меньший отрицательный потенциал, выступает в роли катода. В процессе коррозии анод имеет большую тенденцию к переходу в раствор электролита, чем катод.
Кстати, на этой же теоретической базе и основана анодная защита водонагревателей. Это наиболее распространенная защита осуществляется путем установки внутрь емкости металла с большим электроотрицательным потенциалом. В основном применяют магний, алюминий и их сплавы, так как они развивают в растворе электролита (воды) наибольший потенциал в отличие от металлов, из которых производятся внутренние емкости водонагревателей. Таким образом, анод будет снабжать электронами корпус емкости и нагревателя, и коррозия будет переноситься с металла емкости на анод, который постепенно разрушится. Такой анод часто называют жертвенным. Поэтому анод делается быстросъемным, рекомендуется периодически его проверять.
Если рассматривать подвергшуюся коррозии внутреннюю емкость аккумулирующего водонагревателя, освобожденного от теплоизоляции, то в месте, где внутренняя емкость соприкасалась посредством точечной сварки с поддоном оболочки (на стыке двух разнородных металлов), можно увидеть сквозное ржавление. Это случилось именно в этом месте, поскольку флюс сварки содержал несоответствующий металл, а жертвенный анод к этому времени уже имел большой износ и не был вовремя заменен.
Наименее подвержены коррозии электрические емкостные водонагреватели, корпус которых сделан из нержавеющей стали или покрыт чистой листовой медью. Это основной принцип, которым необходимо руководствоваться при выборе водонагревателя. На водонагреватели, выполненные из нержавейки и меди, производители дают беспрецедентно большие сроки гарантий на внутренний бак емкости.
Защита внутренней емкости водонагревателя от коррозии
Защита, называемая барьерной, применяется всеми производителями, выпускающими водонагреватели из обычной стали. На внутреннюю поверхность бака наносится состав, поддерживающий высокое электрическое сопротивление на поверхности. Это ограничивает доступ ионных частиц к подверженному коррозии металлу, а также доступ кислорода, который участвует в катодной электрохимической коррозии, поскольку внутренняя, соприкасающаяся с водой поверхность бака выступает в роли катода. Поэтому такая защита иногда называется катодной.
Для защитных покрытий внутренних поверхностей стальных баков используются неметаллические вещества, имеющие хорошее сопротивление: эмали, кремнеорганические соединения, стеклофарфор, многокомпонентные органические и неорганические соединения. Такой способ вместе с жертвенным анодом позволяет продлить срок службы внутреннего бака-аккумулятора, обезопасив его от сквозного ржавления. Но это рано или поздно произойдет.
Пока что не существует стопроцентной барьерной защиты по причине разных тепловых расширений у металла и барьерного покрытия. Если циклы нагрева сменяются полным опустошением воды в баке, в котором холодная вода быстро заменяет горячую, то покрытие стремительно растрескивается. Через микротрещины вода все-таки достигает железной поверхности, и коррозии не избежать.
Потому аккумулирующие водонагреватели, баки которых сделаны из цельного металла, мало подверженного коррозии, служат не один десяток лет. Это баки из нержавеющей стали и меди. Такие аккумулирующие водонагреватели дороже, но в данном случае затраты оправданны.
Образование накипи и снижение кпд водонагревателя
Это два взаимосвязанных понятия. Образование накипи, снижающей теплопередачу водонагревателя, является одной из распространенных причин выхода оборудования из строя. Накипь образуется при работе водонагревателя с так называемой жесткой водой, содержащей соли кальция и магния, которые при нагревании выпадают в твердый осадок. Изначально этот осадок мягкий и пористый, но с течением времени накипь, захватывая микрочастицы глины и силикатов, превращается в твердое соединение, похожее на керамику. Эти отложения сложно удалить, и со временем проблема становится трудноразрешимой.
Рассмотрим механизм образования накипи подробнее для того, чтобы понимать, что происходит с водонагревателем и какими методами можно противостоять процессу.
При нагреве жесткой воды образуются осадки солей кальция и магния. Чем выше температура воды, тем больше осадок, который в ней образуется. Опытным путем выяснено, что количество накипи, образующейся при температуре воды около 80 °С, в семь раз превышает количество накипи при температуре нагрева до 60 °С. Понятно, что самые большие отложения образуются на поверхностях, которые нагревают воду, поскольку это самая горячая часть в аккумулирующем водонагревателе. В электрических емкостных водонагревателях наибольшие отложения образуются на трубчатых электронагревательных элементах.
Затвердевшая накипь имеет хорошие теплоизолирующие свойства. У нагревательного элемента, покрытого такими отложениями, уменьшается способность нагревать окружающую его воду. Отсюда и снижение кпд нагревающей части, в свою очередь ведущее к перерасходу энергоносителя. Исследования этого процесса показывают, что накипь толщиной 3 мм снижает теплопередачу на 25–30% (в зависимости от того, какой энергоноситель используется), что и ведет к перерасходу энергии. И в результате большое количество накипи приводит к полной изоляции нагревательного элемента от воды, нагревающая часть во внутренней емкости перегревается и выходит из строя.
Методы предотвращения накипи
Существует несколько методов, позволяющих бороться с негативными процессами, связанными с образованием накипи.
Как упоминалось выше, толщина слоя накипи зависит от температуры воды. Если никакие другие методы защиты недоступны, необходимо не греть воду выше 65 °С. Недостаток такой простой превентивной защиты состоит в том, что приходится аккумулировать меньшее количество горячей воды из-за снижения ее температуры. В этом случае требуется также периодически убирать твердые отложения на нагревательном элементе емкости. Многие производители нагревательные элементы делают быстросъемными – на резьбе или на фланцевых соединениях.
Есть специально сконструированные для жесткой воды аккумулирующие водонагреватели, в которых изолирована нагревающая часть от расходной горячей воды. Конструкция представляет собой двойной бак (рис. 2). Первый нижний бак – изолированный от расходной горячей воды замкнутый контур, в который погружены нагреватели. Этот нагревающий воду закрытый бак находится под основным баком, в котором и нагревается расходная вода. Такой принцип нагрева можно сравнить с известным способом нагрева воды на «водяной бане». Достаточно хорошая конструкция для того, чтобы надолго забыть о проблеме накипи. А если периодически использовать умягчители воды для промывки расходного бака от отложений, то такой емкостной водонагреватель прослужит весь гарантированный срок.
Установка умягчителя воды или устройства для удаления гидрокарбонатов кальция и магния – эффективный и единственный способ предотвращения образования накипи.
В последнее время все большее распространение получили так называемые магнитные поляризаторы, абсорбирующие на своей поверхности растворенные в воде соли кальция и магния до поступления их в бак. Такой поляризатор имеет магнитное поле небольшого отрицательного потенциала, позволяющее удерживать на поверхности растворенные в воде анионы (Са+ и Mg+).
Еще один способ борьбы с накипью заключается в увеличении скорости потока жесткой воды до такой степени, чтобы все изначально мягкие отложения вымывались. И чем жестче вода, тем скорость потока должна быть выше. Вспомним конструкцию пластинчатого теплообменника: для увеличения скорости применяется особая конфигурация каналов, по которым идет расходная вода. Ламинарный поток расходной воды для увеличения скорости разбивается на несколько турбулентных потоков. Но, чтобы теплообмен был более эффективным при высоких скоростях, применяется метод встречных потоков нагревающего и расходного контуров. Для емкостных водонагревателей такой метод защиты неприменим, поскольку вода в них плавно подогревается в режиме накопления, то есть в практически неподвижном состоянии.
Выводы
Для емкостных водонагревателей существуют две опасности, сокращающие срок их службы: коррозия и накипь. Самые надежные водонагреватели, противостоящие коррозии, это цельнометаллические приборы из нержавеющей стали или стальные, покрытые изнутри сплошной листовой медью. Встроенные в них водонагревательные элементы также должны быть выполнены из меди или нержавейки.
Если для предприятия такие водонагреватели неоправданно дороги, следует выбирать стальные водонагреватели с наиболее стойкими к термическому расширению внутренними барьерными покрытиями. При использовании обычных стальных водонагревателей с внутренним барьерным покрытием необходимо наличие жертвенного анода. В этом случае надо быть готовым к тому, что придется часто проверять его состояние – приблизительно раз в полгода и при необходимости заменять его.
Если используемая вода обладает повышенной жесткостью, самым лучшим способом обезопасить водонагреватель от разрушительных последствий накипи будет предварительная водоподготовка с умягчителем воды или магнитным поляризатором. Благодаря этому из воды удаляются все инициаторы появления накипи до поступления ее в емкость. Встроенные в емкость нагреватели должны быть быстросъемными, что позволит при необходимости проводить плановую ревизию и очистку их от накипи.
При работе водонагревателя необходимо своевременно обращать внимание на увеличение времени нагрева воды. Если время нагрева стало больше, это означает, что встроенный нагреватель уже имеет твердые отложения накипи. В этом случае надо демонтировать нагреватель и очистить его поверхность от отложений механическим способом. Лучший метод защиты – выбор модели водонагревателя, специально разработанной производителем для жесткой воды.
Емкостный или проточный водонагреватель: что выбрать, сравнение возможностей и экономности
Какой водонагреватель поставить – проточного или накопительного типа – один из главных вопросов, который часто возникает при выборе домашнего оборудования для нагрева воды. На оптимальное решение влияет оценка экономности аппарата, типоразмера, комфорта в обслуживании. А также надо проанализировать, какой объем ресурса способен нагреть аппарат за определенный промежуток времени, есть ли необходимость в резерве жидкости. Учитывают также возможности электросети и проводки, простоту монтажа, режим водоснабжения. Нельзя сразу сказать, что лучше: и проточник, и накопительный водонагреватель может хорошо подойти для разных условий. Все зависит от запросов пользователя и режима использования. Рассмотрим параметры двух типов нагревателей, их возможности, обслуживание, дадим рекомендации по выбору для конкретных условий, а также опишем, как правильно рассчитать объем накопительных водогреев и производительность проточников.
Какие параметры надо проанализировать перед выбором водонагревателя
У каждого типа электроводонагревателей (ЭВН) есть свои разновидности. Устройство может быть напорным или безнапорным, с разными видами ТЭНов. Емкостные модели могут быть под горизонтальную, вертикальную, универсальную установку. Прямоточники (они же проточники, онлайн): для одной или больше точек, типоразмеры под мойку, нагреватели-смесители в модульном исполнении или насадки на уже установленный обычный кран.
Накопительные ЭВН имеют резервный бак, обеспечат определенный запас воды, у проточников нет такой функции, но зато они работают в онлайн режиме, нагревают воду сразу в процессе ее течения. Описанные особенности – основное различие. Рассмотрим их подробнее, а также тщательно проанализируем иные параметры изделий.
Пункты для изучения при определении, что выбрать, проточник или емкостный ЭВН:
Если сравнивать экономность с централизованной системой водоснабжения, то в любом случае затратность всех ЭВН будет на 10 – 15% выше. В статье мы сравниваем этот параметр у аппаратов разного типа только между собой.
Накопительные бойлеры
ЭВН емкостного (накопительного) типа наиболее популярные, часто их называют бойлерами. Главная особенность таких изделий – наличие большого бака, обеспечивающего резерв жидкости, ее накопление и хранение.
Почему отдают предпочтение накопительным бойлерам:
Недостатки емкостных бойлеров:
Технические нюансы емкостных водогреев:
Водонагреватели прямоточные, они же проточные
Проточник часто позиционируется как изделие для экстренных случаев, для применения непродолжительного, для несущественного потребления и когда хватит слабого нагрева, например, для мойки/умывальника, для быстрого, несколько прохладного душа. ЭВН онлайн также целесообразный как вспомогательный к уже имеющемуся емкостному бойлеру.
Перечислим, на что жалуются пользователи по этому типу аппаратов:
Для мойки, незначительных бытовых потребностей возможностей проточника хватит с лихвой, но вот хорошо горячий душ с нормальным напором и объемом воды вряд ли получится. А также им не удастся наполнить ванну жидкостью с высокой температурой.
Достоинства и недостатки
Проточник представляет собой небольшой короб с нагревателем внутри. Вода поступает сразу в сегмент с ТЭНом, омывает его, таким образом, нагревается онлайн. Можно считать, что паузы нет – проходит всего лишь несколько секунд, требуемых для накаливания ТЭНа и для заполнения отделения (колбы, камеры) с ним. А дальше и эта задержка отсутствует.
Итак, прямоточник целесообразно ставить для кратковременного теплого водоснабжения. Но это достаточно практичные приборы там, где нужна быстрая установка, простой монтаж, не требуется резерв и нет особых запросов к нагреву.
Сравнение проточников и емкостных бойлеров
Сравним два типа ЭВН по главным параметрам:
Мощность
По производительности картина такая:
Что экономнее
Накопитель не прожорливее, даже учитывая то, что он функционирует постоянно, так как большую часть времени находится в режиме ожидания, в котором потребляет ничтожно мало электричества – 0,3 кВт/сут. Но тут надо сопоставить условия: если прямоточник на 3, 5 кВт работает только для мойки и в подобных режимах, то он экономнее.
Если же прибор на 7 – 8 кВт обеспечивает и мойку, и душ плюс умывание, то прожорливость приблизительно равная. Но если аппаратом онлайн типа на 7 – 8 кВт наполнять ванну дополнительно к перечисленному, то затраты будут больше, чем для таких же задачах для емкостного ЭВН. Поэтому последний рекомендуют для полноценного водоснабжения для всей семьи, при больших объемах потребления накопитель экономнее.
Что повышает экономность накопительных водогреев:
При большом потреблении воды, например, для полноценного обслуживания семьи из 3 чел., выгоден емкостный бойлер. Для небольших (30 – 40 мин. в день) потребностей, для мойки, умывания, на 1 – 2 точки маломощный аппарат онлайн нагрева (3 – 5 кВт) лучший по экономности. Часто пользователи практикуют идеальный вариант: его же на кухню, а накопитель – в ванную. Еще одно отличное решение – два емкостных ЭВН: на кухню небольшой бак на 10 – 15 л, под мойку, а второй, более габаритный, – для ванной.
Если же нужен резерв, то альтернативы накопителям нет. Они же лучшие по водорасходу – надо рассчитывать объемы потребления, так как при использовании резерва на подготовку холодной воды надо ждать несколько часов. Соответственно, пользователи более бережно расходуют жидкость.
Размещение
Для емкостных моделей потребуется усиленное крепление, основательные стены, расчет пространства. Последний минус несколько уменьшается наличием плоских типоразмеров и изделий для горизонтального крепления в подпотолочном пространстве. Проточник же можно закрепить даже на гипсокартоне (желательно на обрешетке), коробочка поместится буквально везде.
Кроме того, для накопителей потребуется врезка элементов безопасности, запорных конструкций, тройников. Зачастую с такой работой может справиться только специалист. Прямоточник же достаточно подсоединить на гибкую проводку, а если это насадка на смеситель, то монтаж элементарный. Иногда манипуляции немного сложнее, но в целом они намного проще.
По ЭВН онлайн типа есть существенный минус: их желательно размещать как можно ближе к точкам разбора или, если их несколько, на как можно более одинаковом отдалении от них, поскольку водогрей особо чувствительный к теплопотерям. Также не должно быть даже минимальных перекосов положения короба.
Требования к обеспечению питания
Рассмотрим каждый аспект по обеспечению питания для ЭВН подробно:
Уровень надежности, период эксплуатации, обслуживание
Накопительные ЭВН надежнее и долговечнее. Впрочем, и некачественная емкость может проржаветь за 1 год использования. Тут надо учитывать репутацию производителя.
Проточники чаще перегорают, исключение составляет лишь качественная продукция от именитых брендов. Также они особо чувствительные к давлению: если душевая насадка забилась, то натиск оно внутри изделия возрастет и выведет из строя изделие в краткие сроки. Есть и пункты на их пользу: вопросы по коррозии, накипи менее актуальные. Тут меньше элементов, которые могут корродировать, налет не образовывается, так как вода течет постоянно и не хранится в приборе.
Если подытожить, то все-таки емкостные ЭВН по описываем параметрам превосходят своих оппонентов.
По простоте обслуживания, чистки емкостные модели не имеют преимуществ: надо обновлять анод, периодически (раз в 6 мес.) чистить емкость спецсредствами, осуществляя трудоемкий слив.
Возможности, опциональность
Накопители однозначно лучшие по своим возможностям:
Все же относительный минус есть: для подготовки воды потребуется больше времени – несколько часов. Впрочем, это ярко выражено только при первом запуске и при расходовании всего запаса. При правильном графике потребления пауза минимальная, так как во время вытекания нагретого слоя, пополняющий бак холодный объем одновременно нагревается. Также можно поставить полный бак на нагрев на ночь и утром получить без задержки теплую воду.
Проточники по опциональности хуже:
Итог, что выбрать под конкретные условия
Что оправдывает решения на пользу емкостных ЭВН:
Проточники целесообразные для следующего:
Есть также и проточно-накопительные бойлеры, они решат все сомнения по выбору, но позволить себе приобрести такой девайс сможет не каждый из-за чрезвычайно завышенной цены.
Итак, накопительный водонагреватель лучший для большинства случаев, особенно для домов, квартир с несколькими жильцами. Проточный ЭВН целесообразно ставить, когда нет особых запросов по качеству нагрева, мало точек водоразбора, не требуется резерв. Сомнения в выборе можно полностью исключить, совместив два устройства: на кухню поставить прямоточник, в ванную – накопительный водогрей.