CONCEPT OF ENERGY SAVING BY FLOWING GAS WATER HEATERS

Веснин В. И.

ORCID: 0000-0002-4495-002Х, Кандидат технических наук, Самарский государственный архитектурно-строительный университет

КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРОТОЧНЫМИ ГАЗОВЫМИ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯМИ

Аннотация

В статье проведён анализ рынка проточных газовых водонагревателей в России. Показано, что для импортозамещения на этом рынке отечественной продукцией требуются новые идеи совершенствования конструкции этих приборов. Предложена концепция энергосберегающих водонагревателей, включающая в себя модифицированную систему розжига запальной горелки, а также расширенный диапазон регулирования основной горелки. Приводятся обоснования этих предложений.

Ключевые слова: импортозамещение, энергосбережение, газовые колонки, газовые горелки.

Vesnin V. I.

ORCID: 0000-0002-4495-002X, PhD in Engineering, Samara state architectural and construction university

CONCEPT OF ENERGY SAVING BY FLOWING GAS WATER HEATERS

Abstract

In article the analysis of the market of flowing gas water heaters in Russia is carried out. It is shown that for import substitution in this market a domestic production new ideas of improvement of a design of these devices are required. The concept of energy saving water heaters including the modified system of ignition of an ignition torch, and also expanded range of regulation of the main torch Is offered. Justifications of these offers are given.

Keywords: import substitution, energy saving, geysers, gas torches.

В настоящее время проточные газовые водонагреватели (которые в быту называют газовыми колонками) имеют прочное лидерство  среди приборов, используемых для нагревания воды в жилых помещениях. По сути дела, они являются полноценной заменой центральному горячему водоснабжению жилых зданий. По сравнению с электрическими водонагревателями работа газовых приборов обходится гораздо дешевле. Кроме того, электрические нагревательные приборы работают по накопительному принципу. Для того, чтобы обеспечить работу электрических проточных водонагревателей такой же мощности, как и газовые, необходимо оснастить жилые здания промышленной электрической сетью. Даже существующие сейчас в жилых домах кухонные электрические плиты имеют мощность на порядок меньшую, чем газовые колонки.

В настоящее время у нас рынок газовых колонок насчитывает сотни моделей, в основном, импортного производства [1]. Наших предприятий, выпускающих колонки, становится всё меньше. Оставшиеся предприятия частично или полностью принадлежат иностранным инвесторам, а колонки собираются из импортных комплектующих деталей. Сейчас нет ни одной колонки, которая бы полностью собиралась из отечественных деталей.

Актуальная в наше время задача импортозамещения в этой сфере требует не только повышения качества нашей продукции, но и новых конструктивных идей, которые позволили бы нам занять свою нишу на рынке газовых водонагревателей. Конечно, конкурировать на этом рынке очень непросто, особенно с немецкими производителями, имеющими более, чем вековую историю производства колонок. Однако, занимается же этим, и довольно успешно, Южная Корея, имеющая весьма скромные традиции в сфере производства колонок.

Конструктивная схема и основные узлы газовых колонок к настоящему времени приобрели довольно простое устройство, которое не меняется на протяжении последних десятилетий. Сейчас изменения, в основном, касаются гидроавтоматики и обеспечения безопасности [2,3], а также оснащения колонок новыми дополнительными функциями, дисплеями и т.п. Это свидетельствует о том, что конструкция колонок достигла определённой степени совершенства. Однако автору представляется возможным улучшение их технических характеристик, касающихся энергосбережения.

Целью настоящей работы является поиск возможных путей совершенствования конструкции газовых водонагревателей в направлении энергосбережения.

Газовые колонки различаются по производительности и мощности, а также имеют три типа систем розжига: пьезоэлектрическую, электронную и генераторную.

Пьезоэлектрическая система розжига создаёт высокое напряжение, величиной в несколько киловольт, способное создать искру, зажигающую пламя в запальнике. Достоинством этой системы является её надёжность и автономность. Пьезоэлемент является самостоятельным источником электрической энергии. Система не требует подключения к электрической сети либо собственного источника электрической энергии.

Электронная система розжига требует дополнительного источника электропитания.

Система с розжигом от гидрогенератора полностью автоматизирована. Как и у моделей с электронным розжигом, в ней отсутствует горение запальной горелки в ждущем режиме. К недостаткам гидрогенераторов можно отнести их высокую стоимость и высокие требования к качеству и давлению воды (перепад давления на турбине генератора должен составлять не менее 0,035- 0,5 Мпа).

За рубежом газовые водонагреватели появились в конце ХIХвека, а в начале ХХ века были оснащены автоматикой, обеспечивающей модуляцию пламени горелок в зависимости от расхода воды, и автоматическое отключение газа при пропадании пламени, что делало колонки достаточно безопасными.

В нашей стране широкое распространение газовых колонок началось в пятидесятых  годах прошлого века, что было связано с повсеместной газификацией городов. Большое применение имела колонка типа ВПГ. Это был надёжный и добротный аппарат, имевший очень простое ручное управление.  Розжиг запальной горелки осуществлялся спичками.

Дальнейшая модернизация отечественных колонок привела к введению пьезорозжига запальной горелки. Как правило, запальная горелка поддерживает пламя постоянно, как в режиме ожидания, так и в рабочем режиме колонки, что вызывет перерасход газа. В прежние времена, когда наши энергоресурсы были дёшевы, на это никто не обращал внимания. Однако сейчас, в условиях борьбы за энергосбережение, такой подход не допустим. Конечно, можно гасить запальник после каждого использования колонки. Однако при этом придётся вновь разжигать колонку перед каждым её включением, что не удобно, особенно если учесть, что в течение дня колонка может использоваться десятки раз.

Количество газа, потребляемое непрерывно горящим запальником, в описаниях колонок обычно не указывается. В основном, имеются сообщения рекламного характера, типа: « Потребление газа постоянно горящим пламенем запальника в водонагревателях уменьшено до минимально возможного».

Автор попытался экспериментальным и расчётным путём оценить действительный расход газа запальной горелкой.

Расчёт стоимости круглосуточной работы запальной горелки был проведен на примере газовых колонок NEVALUX – 5013 и NEVALUX-516, в описании которых указана номинальная тепловая мощность запальной горелки, которая не должна превышать 0,17 кВт. Для оценки количества газа, обеспечивающего такую мощность, следует использовать низшую теплоту сгорания газа, поскольку температура продуктов сгорания в газовых колонках составляет величину порядка 170 - 180 °С.

Природные газы, используемые в газоснабжении потребителей, могут сильно отличаться по теплотворной способности. В настоящей работе  для оценки стоимостных характеристик газа использованы данные источника [4], в соответствии с которым низшая теплота сгорания природного газа не должна быть ниже 31,8 МДж/м³. Таким образом, количество природного газа, необходимого для работы запальной горелки в течении часа, можно рассчитать по формуле:

где: Q – часовой расход газа; N– мощность запальной горелки; q–низшая теплота сгорания газа. Вычисления  величин дают следующие результаты:

При существующем в настоящее время в нашем регионе тарифе газа 6,71 р/ м³ стоимость газа, сожжённого запальной  горелкой в течение суток составит 3,12 рубля , что соответствует годовым затратам 1139 рублей.

Эксперимент с замером суточного расхода природного газа проводился на газовом нагревателе марки « JUNKERSWR 275-10К» с помощью счётчика NPM-G4, допускающего измерение минимального расхода Q_min=0,04 м³/ч и имеющего предельную относительную погрешность  3% в области минимальных расходов В результате неоднократных замеров получена средняя величина расхода, составляющая приблизительно 16 л/ч, что соответствует суточному расходу газа, равному 0,384 м³ /ч, что соответствует суточным затратам 2.58 рублей, и годовым затратам 940,5 рублей.

Таким образом, экономия от покупки более дешёвой газовой колонки с пьезорозжигом ликвидируется в течение года или двух её эксплуатации. Кроме того, происходит непроизводительный перерасход газа, который в масштабах страны составляет существенную величину.

Однако следует отметить, что постоянно горящая запальная горелка играет и положительную роль. Она совершает постоянный подогрев воды, находящейся в теплообменнике, вследствие чего колонка быстрее выходит  на уровень потребной температуры воды.

Кроме пьезоэлемента, для розжига запальной горелки может быть применён любой другой источник питания. Практически все изготовители колонок рекомендуют использовать в качестве такого источника два элемента типа D. Такая система розжига называется автоматической или электрической либо электронной. Элементы используются для питания высоковольтного генератора, создающего искру, и для открытия электроклапана, подающего газ к запальной горелке. Оба эти элемента потребляют немного электричества в течение нескольких секунд.

Продолжительность работы батареек зависит от многих факторов и в первую очередь- от их ёмкости. Минимальную ёмкость – порядка 4000 мАч имеют солевые элементы. Алкалиновые (иначе – щелочные) элементы, маркируемые LR20, имеют ёмкость 5500 – 16000 мАч. Ёмкость того же порядка имеют аккумуляторы и литиевые  элементы Однако аккумуляторы и литиевые элементы в колонках обычно не используются ввиду их высокой стоимости. Кроме того, для аккумуляторов необходимо приобретать ещё зарядное устройство.

На практике в качестве источников питания электророзжига получили наибольшее распространение алкалиновые элементы, преимуществом которых над солевыми элементами является не только большая ёмкость, а главное -более высокий разрядный ток, что для колонок является критически важным. Пара таких элементов приемлемого качества стоит сейчас около 500 рублей. В зависимости от интенсивности использования колонок  комплект батареек может работать до года.

В некоторых дорогих моделях колонок используется розжиг от турбогенераторов, которые входят в состав колонок и вырабатывают электричество для розжига, используя энергию воды, протекающей через турбину. Такая система розжига является полностью автономной и автоматической. Розжиг происходит при открытии крана горячей воды. В качестве недостатков системы следует отметить её высокую стоимость, а также повышенные требования к минимальному напору воды на выходе в колонку. Для нормальной работы турбогенератора необходимо, чтобы перепад давлений на его турбине составлял не менее 0,3-0,5 ат. Согласно требованиям нормативной документации на внутреннее водоснабжение [5] свободный напор душа должен быть не менее 3м. Следовательно, напор воды на входе в колонку должен быть не менее 6-8 м, что не всегда бывает в наших условиях [6].

Таким образом, анализ существующих схем розжига газовых водонагревателей показал, что по критериям энергосбережения и стоимости  оптимальной является система электрического розжига с питанием от электрической сети. В настоящее время такая схема на серийных водонагревателях не используется.

Регулирование газовых колонок по расходу и температуре воды в процессе их работы может осуществляться автоматически и вручную. В обоих случаях диапазон регулирования, в основном, ограничивается возможностью горелки. Любая горелка оптимально работает в достаточно узком диапазоне режимов[7-8]. Для расширения этого диапазона иэкономии энергии сейчас получили распространение двухрежимные горелки, имеющие модуляцию пламени.

С точки зрения энергосбережения наибольший интерес представляют низкие режимы мощности колонок. Минимальные расходы нагретой воды, которые могут обеспечить современные колонки, составляют 2 – 4 л/мин, в то время как практические потребности часто бывают меньше этих значений.

В настоящее время регулирование газовых горелок промышленных котлов достигает диапазона от 10% до 100% максимальной мощности. В современных газовых колонках диапазон регулирования является меньшим, но именно расширение этого диапазона требуется для выполнения задач энергосбережения.

Газовые колонки являются аппаратами повышенной опасности. Требования безопасности, а также постоянное совершенствование системы автоматического регулирования газовых водонагревателей определяют соответствующие усложнения системы их гидроавтоматики.

Стоимость системы защиты составляет существенную часть стоимости колонки. Конечно, экономия на безопасности недопустима, однако можно сильно сократить затраты на ремонт колонок. Сейчас стоимость комплектующих деталей непомерно высока. Например, затраты на замену термопары колонки «Юнкерс» составляют более 60% от стоимости колонки. Самые ходовые комплектующие детали колонок конструктивно несложны, и наладить их производство у нас достаточно просто.

Выводы

1. Проведённый анализ российского рынка газовых колонок показал, что он не содержит ни одной модели, изготовленной полностью из отечественных комплектующих узлов и деталей.
2. Предложена концепция энергосберегающих водонагревателей, включающая в себя модифицированную систему розжига запальной горелки, а также расширенный диапазон регулирования основной горелки..
3. Для уменьшения допустимого расхода воды через колонку необходимо расширить диапазон регулирования газовой горелки до величин от 10% до 100% максимальной мощности.
4. Представляется целесообразным обеспечить отечественное производство комплектующих деталей колонок в целях сокращения затрат на их ремонт.

Литература

1. Милова Л., Двухконтурные настенные газовые котлы. Обзор рынка / Л. Милова// Сантехника, отопление, кондиционирование.-2012.- №9.- с38-55.
2. Пат.на пол. мод.92940 Российская Федерация, МПКF 24 H 1 00, F 23 N 1 00. Устройство для оптимального регулирования температуры воды водонагревателя. / Абрамов Ю. А.; заявитель и патентообладатель.-заявл. 15.12.09. – 3 с.
3. Карамалиев С.Л. ,Модернизация проточных газовых водонагревателей мощностью до 25 кВт: дисс. канд. техн. наук: 05.23.03 / Карамалиев С.Л..- СПб., 2001.-184 с.
4. ГОСТ 5542-87.Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытовогоназначения. Технические условия.- Введ. 1987-04-16.-М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов. 1987. -59с.
5. СП 30.13330.2012 Внутренний водопровод и канализация зданий. Актуализированная редакция СНиП 2.04.01-85*. М. :Госстандарт России: Изд-во стандартов 2012.64с.
6. Алиев М.М., Обязательные и дополнительные требования к устройствам объектов газоснабжения / М.М. Алиев // Инновации в строительстве и промышленности.-М.- изд. ООО: Консалтинговая компания «СтройПроектДопуск».-2016.-№3(5).- с2.
7. Иванов Ю.В., Основы расчета и проектирования газовых горелок/Ю.В. Иванов.- М.: Гос. научно-техн. изд-во нефтяной и горно-топливной литературы,-1963.-360 с.
8. Темников А.А., Баромыченко А.А., Горелки для сжигания газообразного топлива / A.A. Темников, А.А. Баромыченко// Sciencetime.- - №3(27).-c/ 483-486/

References

1. Milova L., Double-circuit wall gas coppers. Review of the market/L. Milova//Bathroom equipment, heating, conditioning.-2012. - No. 9. - s38-55.
2. Stalemate. on a floor. fashions. 92940 Russian Federation, MPK F 24 H 1 00, F 23 N 1 00.The device for optimum regulation of water temperature of a water heater. / Abramov Yu. A.; applicant and patent holder.-заявл. 15.12.09. – 3 pages.
3. Karamaliyev S. L., Modernization of flowing gas water heaters with power up to 25 kW: yew. Cand.Tech.Sci.: 05.23.03 / Karamaliyev S. L.-SPb., 2001.-184 pages.
4. GOST 5542-87. Natural combustible gases for industrial and household function.Specifications. - Vved. 1987-04-16. - M.: Gosstandart of the USSR: Publishing house of standards. 1987. - 59 pages.
5. Joint venture 30.13330.2012 Internal plumbing and sanitary of buildings. The staticized edition Construction Norms and Regulations 2.04.01-85*. M.: Gosstandart of Russia: Publishing house of standards 2012.64c.
6. Aliyev M. M., Obligatory and additional requirements to devices of objects of gas supply / M. M. Aliyev//Innovations in construction and the industry. - M - prod. Ltd company: Consulting company "Stroyproyektdopusk" of.-2016.-№3(5).-s2.
7. IvanovYu.V., Bases of calculation and design of gas torches / Yu.V. Ivanov. - M.: State. scientificтехн. publishing house of oil and mountain and fuel literature,-1963.-360 pages.
8. Temnikov A.A., Baromychenko A.A., Torches for combustion of gaseous fuel / A.A. Temnikov, A.A. Baromychenko//Science time. - 2016. - No. 3(27).-c/483-486/