Объектом данного исследования выступает газовый клапан, обладающий автоматической настройкой параметров своей работы, который предназначен для использования в газовых котлах мощностью до 50 кВт. В этом типе котлов тепловая мощность достигается за счет использования газовой атмосферной горелки.
Как работает автоматика безопасности газовых котлов
Современные бытовые котлы отопления, работающие на природном или сжиженном газе, не требуют постоянного контроля со стороны пользователя. За процессом горения и поддержанием необходимой температуры теплоносителя следят как электронные, так и механические блоки, которые были установлены производителем в любой теплогенератор. В данной статье мы постараемся объяснить, как функционирует автоматика газового котла и какие типы устройств применяются в современных водогрейных установках.
Практически все напольные газовые котлы оборудованы автоматикой безопасности, которая функционирует без внешних источников электроэнергии (энергонезависимая). В соответствии с требованиями нормативных документов, автоматические системы должны перекрывать подачу газа на горелку и запальник в следующих аварийных ситуациях:
- При затухании пламени основной горелки, что может произойти в результате задувания или по другим причинам.
- Когда в дымоходе отсутствует либо резко снижается естественная тяга.
- Если давление природного газа в главной магистрали падает ниже критического уровня.
Важно отметить, что реализация перечисленных функций является обязательной для всех типов газовых котлов. Многие производители предусматривают дополнительную четвертую ступень безопасности — защиту от перегрева. Если температура теплоносителя достигает 90 °С, клапан по сигналу датчика прекращает подачу газа к основной горелке.
В различных моделях напольных газовых котлов различных производителей может быть установлена энергонезависимая автоматика различных видов, включая:
- Итальянские блоки EuroSIT (Евросит) серий 630, 710 и 820 NOVA, которые могут использоваться в отопительных агрегатах таких марок, как Лемакс, Житомир 3, Aton и многие другие.
- Польские устройства марки КАРЕ, применяемые в теплогенераторах Данко и Ривнетерм.
- Американские приборы автоматического регулирования Honeywell, которые используются, например, в отопителях Жуковского завода линейки Комфорт.
- Отечественные изделия компаний ЖМЗ, САБК, Орион и Арбат.
Мы перечислили наиболее распространенные марки автоматики, которые часто устанавливаются на водогрейные котлы одной и той же фирмы. Например, Жуковский завод комплектует бюджетные модели аппаратов АОГВ собственными блоками безопасности ЖМЗ. Теплогенераторы средней ценовой категории могут укомплектовываться устройствами EuroSIT, а более мощные модели — автоматическими клапанами Honeywell. Теперь рассмотрим каждую из этих групп отдельных марок и их особенности.
Газовые клапаны бренда SIT Group
Из всей доступной автоматики, используемой в котельных установках, блоки безопасности EuroSIT считаются наиболее популярными и надежными в эксплуатации. Их рекомендуют компании-поставщики природного газа, в том числе для замены устаревшей газовой аппаратуры в котлах КЧМ, АГВ и пр. Эти устройства также отлично функционируют в составе микрофакельных горелок, таких как Polidoro, Искра, Вакула, Термо и многих других.
Четкие наименования трех используемых моделей выглядят следующим образом:
- 630 SIT;
- 710 MiniSIT;
- 820 NOVA.
Электроника настенных агрегатов
Настенные газовые котлы и некоторые напольные агрегаты характеризуются электронной системой управления, которая контролирует процессы розжига, горения и поддержания нужной температуры теплоносителя. Это означает, что такие устройства оснащены энергозависимой автоматикой, работающей на электричестве.
Следует подчеркнуть, что несмотря на множество современных функций, обеспечиваемых устройствами мини-котельных, механические компоненты все еще отвечают за безопасность. Три типа аварийных ситуаций, описанных выше, будут обрабатываться оборудованием вне зависимости от наличия электричества в сети.
Автоматический газовый котел спроектирован для максимального удобства владельцев как квартир, так и частных домов. Для его запуска достаточно просто нажать одну кнопку и установить желаемую температуру. Позвольте кратко описать алгоритм работы устройства и задействованные в этом элементы:
- После выполнения указанных действий по запуску контроллер генератора тепла собирает данные с датчиков: температуры теплоносителя и воздуха, давления газа и воды в системе, а также проверяет наличие тяги в дымоходе.
- Если все параметры в норме, электронная плата подает напряжение к электромагнитному газовому клапану и одновременно — разряд на запальные электроды. В этом случае фитиль не используется.
- Основная горелка разжигается, обеспечивая мгновенное нагревание теплоносителя. За работой горелки следит специальный датчик пламени, в то время как контроллер активирует встроенный циркуляционный насос.
- Когда температура теплоносителя достигает установленного порога, о чем сообщает накладной датчик, интенсивность горения снижается. Ступенчатые горелки переключаются на режим малой мощности, а модуляционные — постепенно уменьшают подачу газа.
- Как только температура достигает заданного значения, электроника перекрывает газ. При охлаждении воды в системе автоматически сработает повторный розжиг и нагрев.
Важно отметить, что в турбированных котлах с закрытой камерой сгорания контроллер также запускает и выключает вентилятор.
В инструкции к настенному газовому котлу указано, что агрегат предназначен для работы в закрытой системе отопления, и автоматика контролирует давление воды. Если давление опускается ниже допустимого уровня (0.8–1 бар), горелка выключается и не зажжется до тех пор, пока проблема не будет устранена.
Многие импортные котлы, такие как Buderus Logano и Viessmann, также функционируют по энергозависимой схеме. Мастер подробно объясняет процесс монтажа электронной газовой аппаратуры в видеосюжете:
Принцип работы разных видов газовых клапанов
Клапан предназначен для поддержания давления топлива, подающегося на горелку. Настройки подачи топлива могут быть выставлены. Параметры этих настроек зависят от типа газа, а также от количества воздуха, необходимого для сгорания.
Газовый клапан представляет собой электромагнитное устройство, которое работает от электросети. Если электрический ток не поступает на катушку, клапан функционирует как отсечной, перекрывая подачу газа.
Заряд от термопары поступает на электромагнитную катушку клапана. Когда шайба клапана примагничивается, она открывает мембрану, и газ поступает к блоку розжига и горелкам котла.
Если пламя гаснет или происходит снижение интенсивности горения, термопара перестает вырабатывать электричество. В таком случае катушка клапана размагничивается, и подача газа прекращается.
Запорный газовый клапан также может выполнять регулировочную функцию, контролируя минимальный и максимальный расход газа.
Если при отключенном котле показатели давления на входе превышают или падают, это указывает на неисправность клапана.
Для котлов, работающих на магистральном газе, давление должно быть не менее 17 Мбар, а для сжиженного — не менее 35 Мбар.
Поломки и ремонт газовых клапанов
Существуют различные типы газовых клапанов, каждый из которых отличается конструкцией. Поэтому причины их поломок различны, как и способы ремонта.
- Повреждения в электрической цепи. Важно проверить все провода и соединения с помощью мультиметра. Если провода повреждены, их следует заменить, а клеммы и окисленные контакты очистить.
- Засор газового клапана может возникнуть из-за накоплений копоти, нагара и накипи от конденсата в топливе, если не установлена система предварительной фильтрации. В таких случаях может помочь механическая или химическая очистка.
- Если термопара сломана, и края рабочих узлов начали выгорать, необходимо обязательное ее замещение. При подобной поломке ток не подается на катушку, котел не розжигается или происходит блокировка подачи газа в течение короткого времени после розжига.
- Механические повреждения могут проявиться в виде поломки шайбы. Если герметичность нарушена, шайба не плотно прижата или не регулируется, регулировка подачи топлива невозможна. Для ремонта может потребоваться замена всего клапана или его центрировка, а также замена шайбы.
- Повреждение обмотки катушки может произойти из-за короткого замыкания, перегрева или плавления втулки.
Неисправности газовых клапанов можно условно разделить на два типа: электрика и механические повреждения.
Виды газовых клапанов, конструкция и принцип работы
Современные котлы представляют собой своего рода автоматизированные мини-котельные установки. Пользователи могут настраивать интенсивность горения и температуру. Автоматика немедленно отключает клапан в случае утечки газа, повышения давления в системе, затухания пламени или отсутствия тяги.
По принципу работы газовые клапаны делятся на механические и электромагнитные. Механический клапан регулируется вручную, в отличие от электромагнитного, который управляется автоматикой с использованием датчиков давления, температуры, утечки газа и подключается к электросети.
Основные технические параметры электромагнитного газового клапана:
- Нормально закрытые (НЗ) газовые клапаны — заслонка подачи топлива закрыта, а при подаче электрического напряжения на катушку заслонка открывается.
- Нормально открытые (НО) клапаны — если ток на катушку не подается, клапан остается открытым; при подаче электрического импульса клапан закрывается.
- Универсальные — открытие и закрытие заслонки клапана регулируется сигналами с датчиков давления и температуры. Заслонка может находиться в открытом, закрытом или частично открытом положении. Эта конструкция позволяет точно регулировать объем подачи топлива на горелки и быстро реагировать на изменения давления и температуры.
Клапаны могут быть одинарными и двойными:
- Одинарный клапан — регулирует один параметр, например, давление или температуру. При превышении заданных параметров клапан автоматически закрывается.
- Двойной газовый клапан — позволяет комбинировать работу двух отсечных клапанов в различных сочетаниях:
- распределение топлива и давление подачи на оборудование;
- температурный режим и отсечка.
Электромагнитные газовые клапаны можно классифицировать по функциональным возможностям:
- Однопозиционные — режим работы может быть только полностью открытым или полностью закрытым.
- Двухпозиционные — могут принимать промежуточное положение в режиме частично открыто, что позволяет избежать загазованности в топочной камере и обеспечивает плавный запуск оборудования.
- Трехпозиционные — регулируются мощность (количество топлива) и обеспечивают плавное открытие и быстрое закрытие подачи газа.
- Модулирующие — универсальные устройства с несколькими клапанами, позволяющие установить нужный режим работы газового оборудования и подключить систему автоматического контроля.
Модели надежных газовых клапанов
Рассмотрим характеристики и функциональные возможности газовых клапанов, используя в качестве примера известный и популярный бренд Siemens.
- Двойной клапан VGD 20 — работает от электрического привода SKP, устанавливается как предохранительный или отсечной клапан. Двухходовый клапан быстро закрывается при превышении давления. Плавное открытие обеспечивает равномерное поступление газа на устройство розжига и горелки, предотвращая загазованность в топочной камере.
- Двойной клапан VGD 40 и VGD 41 — 2-х седельный, дисковый клапан для трубопроводов большого диаметра. Обеспечивает контроль и регулировку постоянного давления топлива, поступающего в топочную камеру.
- Одинарные клапаны VGG10 — двухходовые, нормально закрытые, могут исполнять как отсечную, так и регулирующую функции, в зависимости от типа установленного электропривода.
- Седельные газовые клапаны VGF-10 — функционируют как запорный и регулирующий клапан, рекомендованы для газораспределительных систем с нестабильным давлением и высокими рисками механических повреждений.
При выборе газового клапана стоит учитывать тип, диаметр монтажного соединения (фланец, резьба) и класс защиты корпуса от механических повреждений, превышения давления, а также устойчивости к коррозии.
Результаты исследований и их обсуждение
В результате проведенных испытаний были получены следующие данные.
Статическое давление газа перед газовым клапаном составляет 2450 Па, тогда как динамическое давление (при работе котла на максимальной мощности) равняется 2350 Па. В ходе испытаний был получен график динамического сопротивления газового клапана в зависимости от давления газа на его входе (рис. 2). Из этого графика видно, что при динамическом давлении газа, рекомендованном заводом-изготовителем для выхода котла на максимальную мощность, равном 1200 Па, динамическое сопротивление газового клапана будет составлять 265 Па.
С учетом этого, для обеспечения давления газа 1200 Па на выходе из клапана, динамическое давление на входе в клапан должно быть равно 1465 Па. Если динамическое давление газа на входе в газовый клапан установлено на уровне 1200 Па, что соответствует допустимому значению давления газа согласно указанным стандартам, то давление газа на выходе из клапана составит 935 Па. Как видно из графика на рис. 1, при давлении газа на уровне 935 Па тепловая мощность газовой горелки будет составлять 34 кВт, что составляет около 85 % от рекомендуемой производителем максимальной мощности котла при давлении 1200 Па. Выход на максимальную мощность котла возможен лишь при значении динамического давления газа перед клапаном выше 1465 Па (14,65 мбар), что на 22 % превышает минимально установленное нормативами значение 1200 Па. Динамические сопротивления газовых клапанов, функционирующих на максимальной мощности атмосферных горелок конвекционных настенных котлов других марок, находятся в диапазоне от 200 до 400 Па. Это подтверждает, что значение динамического давления природного газа для индивидуальных систем отопления с использованием котлов данного типа не должно быть ниже 1600 Па. В противном случае отопительные котлы не смогут обеспечить заявленные характеристики максимальной тепловой мощности. В руководствах по эксплуатации как импортных, так и российских котлов указано, что технические характеристики оборудования соответствуют действительности при динамическом давлении газа в магистрали на уровне 2,0 кПа, так как горелочные устройства могут обеспечивать выход на максимальную мощность при давлении газа перед горелкой 1,2 кПа. Газовый клапан само по себе является элементом, обладающим сопротивлением потоку, и рассматривается как местное сопротивление. Разница между статическим и динамическим давлением газа перед клапаном определяется длиной, диаметром и состоянием трубопроводов подачи газа к котлу, а также сопротивлением счетчика расхода газа. Минимальное требование к значениям статического давления газа на уровне 2000 Па в магистралях конечного потребителя оправдано и взвешенно.
Еще одной важной характеристикой, определяющей скорость срабатывания клапана, как электротехнического устройства в ответ на сигнал управления работой котла, является характеристика гистерезиса — зависимость изменения тока управления катушки модуляции газового клапана от давления газа на выходе. Указанные параметры, касающиеся исследуемого газового клапана, отражены на рис. 3 в зависимости от направления изменения тока управления, как при его увеличении, так и при снижении. Результаты измерений показывают хорошую управляемость работы этого клапана. Ширина петли гистерезиса составляет всего 40 Па, а изменения в диапазоне регулирования мощности котла от 200 до 1200 Па имеют линейный характер.
В российских нормативных документах, касающихся предоставления услуг по снабжению природным газом населению, указано нижнее значение динамического давления газа в 1200 Па. Таким образом, если горелка котла выходит на максимальную мощность при давлении на входе 1,2 кПа, а динамическое сопротивление клапана в рабочем диапазоне составляет около 200–400 Па, то при нормативном динамическом давлении газа с минимальным порогом в 1200 Па котел никогда не сможет выйти на заявленную мощность. В таком случае он будет работать лишь на уровне 85 % от максимально заявленной мощности. Требования к величине динамического давления газа перед клапаном газового котла в 2000 Па являются обоснованными и обоснованы на основе исследований. На рис. 4 представлена обобщенная зависимость для различных настенных конвекционных котлов (с разными горелками и клапанами) коэффициента тепловой мощности от динамического давления газа перед клапаном. Значение коэффициента показывает долю тепловой мощности от максимальной, заявленной производителями котлов мощности, которая была определена при испытательном давлении 2000 Па.
Выводы
1. Динамическое сопротивление исследуемого газового клапана настенного котла составляет 265 Па.
2. Обеспечение поставок газа для населения с нижним порогом давления газа в 1200 Па не позволяет добиться выхода на заявленную производителями котлов мощность. При указанном давлении максимальная мощность котла составит не более 85% от указанной в технической документации.
3. Полученное значение динамического сопротивления газового клапана при номинальном давлении на выходе в 1200 Па показывает его применимость при эксплуатации котлов при пониженном динамическом давлении. Чем меньше это значение, тем более высокие показатели мощности котла могут быть достигнуты при низких значениях давления газа в магистралях.
4. Ширина петли гистерезиса динамического давления клапана в зависимости от изменения направлений токов управления катушкой модуляции является важно значимым аспектом управляемости газового котла.
Для чего нужен трёхходовой клапан в газовом котле
Трехходовой клапан устанавливается для предотвращения подачи холодного теплоносителя в котел. Подобный подход также исключает образование конденсата на внутренних стенках топки. С помощью трёхходового смесительного клапана регулируется температура теплоносителя, что становится актуальным из-за сложной системы отопления и различий в температурных требованиях для каждого отдельного контура.
Используя трёхходовой клапан, можно обеспечить эффективный контроль температуры нагрева теплоносителя, особенно если речь идет о системе теплого пола, для которой оптимальная температура не должна превышать 50°C.
При выборе схемы врезки трёхходового клапана необходимо учитывать особенности системы отопления. Монтаж как смешивающего, так и разделяющего кранов производится по направлению от источника тепла в трубу подачи, в месте соединения с байпасом. Такой тип подключения позволяет регулировать циркуляцию теплоносителя по малому кругу, либо смешивать его с охлажденной водой. В некоторых случаях для разделения потоков в контуре могут устанавливаться клапаны на трубу обратки на месте стыковки с перемычкой байпаса. Установку трехходового клапана рекомендуется осуществлять совместно с циркуляционным насосом.
Виды трёхходового клапана
Существует две главные категории трехходовых клапанов: термостатические и термосмесительные.
Термостатический вариант работает в автоматическом режиме с помощью насоса, поддерживая необходимый уровень температуры без вмешательства человека. Самые функциональные модели могут дополнительно оснащаться системами безопасности, которые позволяют при необходимости перекрывать поток теплоносителя определенной температуры, если циркуляция в одной из входящих труб прекращается. Это предотвращает закипание в батареях.
Термосмесительный трехходовой вариант, представляющий собой распределительную арматуру, комплектуется как автоматическим, так и ручным управлением. Основное отличие заключается в необходимости регулярной проверки состояния такой системы отопления, что позволяет избежать перегрева.
Все подобные устройства можно разделить на две большие группы: смесительные и распределительные. Первые являются незаменимыми там, где необходимо создать низкотемпературную систему отопления, обеспечивая максимально точное значение температуры до десятых долей градуса. Смешение потоков теплоносителя будет зависеть от выбранного сечения оборудования.
Распределительные устройства применяются для перераспределения газов и жидкостей одновременно в нескольких направлениях, что позволяет эффективно регулировать теплоотдачу в системе отопления для радиаторов, к примеру, при монтаже систем водоснабжения и теплого пола.
Трёхходовые клапаны также классифицируются на ручные и электрические. Ручные используются довольно часто и внешне они почти не отличаются от традиционных шаровых кранов. Главная разница заключается в наличии трех выходных патрубков, предназначенных для подключения к трубопроводам.
Электрические трехходовые клапаны отличаются полностью автоматизированным управлением и чаще всего устанавливаются в частных домах. Тепло распределяется с их помощью равномерно, а совершенная система управления обеспечивает возможность регулировки микроклимата в каждом отдельном помещении.
