Как подключить электрический котел отопления: отличия различных схем
Для обогрева индивидуального жилого дома все большее применение получают системы, использующие перекачку жидкого теплоносителя по трубопроводам к батареям отопления, в которых происходит отдача тепла окружающему воздуху и возвращение охлажденной жидкости назад для последующего нагрева.
При этом под котлом обычно понимают герметичный металлический сосуд, в котором производится нагрев теплоносителя, а термин «электрический» определяет вид используемой энергии.
По принципу применения электроэнергии котлы бывают:
1. косвенного нагрева;
2. прямого действия;
3. индукционного типа.
Они имеют совершенно разную конструкцию, отличаются по степеням безопасности, требуют различного отношения при подключении к электропроводке.
Электрический котел косвенного нагрева
Термин «косвенное действие» обозначает непрямой нагрев, осуществляемый электрическим током, проходящим по нагревательному элементу с чисто резистивным сопротивлением. В результате этого явления по закону Джоуля—Ленца повышается температура проводника, специально помещенного в жидкость.
Выделяемое на сопротивлении тепло отводится теплоносителем. Тепловые нагревательные элементы, или как их сокращенно называют ТЭНы, выпускаются разной мощности для работы в цепях переменного или постоянного тока с различным напряжением.
Конструктивные особенности
Внутрь металлического корпуса котла вмонтированы электронагревательные элементы, омываемые теплоносителем.
Они состоят из герметичного металлического корпуса трубчатой формы с вмонтированной внутри нитью нихромового сплава, обладающей определенным электрическим сопротивлением и способной выдерживать расчетную мощность нагрева.
Эта нить своими обеими концами смонтирована внутри металлической трубки и подключена к выводным разъемам, изготовленным винтовой резьбой для соединения электрических проводов.
Полость между корпусом трубки и нихромовой нитью отделена слоем теплопроводящего материала с высокими диэлектрическими свойствами — специального сорта песка. Концы элемента герметизированы и оборудованы наконечниками для крепления на крышке котла.
Исправный ТЭН, таким образом, обладает определенным электрическим сопротивлением, которое можно замерить обыкновенным омметром или тестером либо вычислить по приведенной на корпусе величине мощности.
Например, ТЗН в 1 кВт потребляет при работе под напряжением 220 вольт ток I=1000/220=4,54 ампера и имеет электрическое сопротивление R=220/4,54=48,5 Ома.
Вторым параметром исправности ТЭНа является качество сопротивления изоляции между токопроводящей нихромовой нитью и корпусом. Для его замера необходимо воспользоваться специальным прибором — мегаомметром.
Для бытового обогрева обычно используют модели на 220 вольт с мощностью нагрузки порядка одного киловатта. Когда требуется бо́льшая величина тепла, то ТЭНы собирают параллельными цепочками в однофазной сети или подключают одинаковыми группами в трехфазной.
В котле сделаны два фланца для сообщения с магистралями теплоносителя:
1. в нижний ввод поток холодной воды нагнетается насосом;
2. с верхнего вывода уходит нагретая жидкость.
При прохождении тока через сопротивление ТЭНа выделяется теплота, которая передается сквозь слой изоляции металлическому корпусу и отводится с нагревательного элемента потоком теплоносителя. За счет этого при работе создается баланс между теплотой, выделяемой электрической энергией и отводимой, прокачиваемой через котел жидкостью.
Каждый ТЭН своей рабочей частью должен быть полностью погружен в жидкость для того, чтобы теплосъем проходил эффективно и равномерно. Если это нарушить, например, из-за образования воздушной пробки или утечки жидкости, повлекшей снижение ее уровня в котле, то возможно прогорание нити, изоляции или корпуса ТЭНа и его разрушение.
Простой самодельный электричсекий котел на видео:
Схема подключения к гидравлической системе
Электрический котел косвенного нагрева изготавливается на заводе в красивом современном корпусе, который можно:
устанавливать на пол помещения;
подвешивать на стену.
После его плотного закрепления на строительной конструкции здания собирается гидравлическая схема системы отопления жилища.
Для нее используют:
радиаторы отопления, подключаемые параллельными цепочками между напорной и сливной (обратной) магистралями транспортировки теплоносителя;
расширительный бачок, предназначенный для отвода воздушных пузырьков из прокачиваемой жидкости;
запорную арматуру, позволяющую переключать гидравлическую схему в различные режимы эксплуатации;
циркуляционный насос, перекачивающий теплоноситель по замкнутому контуру;
клапана: обратного давления, предохранительные, перепускные;
датчики системы контроля основных технологических процессов;
аппаратуру автоматики, логики управления и защит.
Если исключить из работы циркуляционный насос, то схема может функционировать за счет естественной циркуляции, когда холодный теплоноситель опускается вниз, а нагретый поднимается к верху. Однако, для этого потребуется сложный гидравлический и тепловой расчет, который, кроме того, потребует дополнительной наладки оборудования.
Насос же всегда обеспечивает быструю прокачку теплоносителя по магистралям и повышает эффективность обогрева.
Электрический котел прямого действия
Под термином «прямое действие» понимается то, что для обеспечения нагрева создается путь прохождения электрического тока непосредственно через жидкий теплоноситель минуя любые промежуточные элементы.
Для этого электроды подвода фазы и рабочего нуля вмонтированы непосредственно в магистраль прокачиваемой через корпус котла воды. Поскольку ее удельное сопротивление сильно зависит от концентрации растворенных солей, то степень чистоты теплоносителя влияет на величину проходящего электрического тока и степень нагрева.
Конструктивные особенности
Устройства прямого действия по своей форме и габаритам значительно отличаются от классического определения слова «котел». Их корпус выполняют в форме отрезка обыкновенной трубы, снабженной:
1. патрубками для соединения с напорной и обратной магистралями;
2. разъемами фазы и рабочего нуля для подключения к электродам электрической схемы.
За счет этого габариты устройства имеют довольно маленький размер и вес, чем значительно экономят место в котельной по сравнению с аналогами косвенного действия.
Электрический ток, пропускаемый по теплоносителю через электроды, ограничивается только сопротивлением рассола, зависящего от ряда эксплуатационных характеристик, и может в определенный момент превысить номинальную величину.
Поскольку тепло, вырабатываемое электроэнергией, непосредственно выделяется в теплоносителе без потерь на передачу через другие, дополнительные среды, то снижение мощности у рассматриваемой схемы меньше, чем у предыдущей, а коэффициент полезного действия получается выше.
За счет простоты механических конструкций такие устройства стоят довольно дешево, что является их преимуществом. При этом один из электродов приходится размещать прямо на корпусе трубопровода, а второй встраивать внутрь потока теплоносителя.
Электродный метод нагрева жидкости требует создания специальной среды для прохождения электрического тока — рассола. При его использовании в бытовых устройствах проявляются следующие недостатки:
теплоноситель в виде жидких растворов вступает в электрохимические процессы со всеми металлическими материалами. При использовании алюминия корпус радиатора разъедается за несколько лет, а чугунные конструкции служат чуть дольше, но тоже постоянно забиваются и требуют очистки;
циркуляционные насосы для систем отопления создаются для работы в среде чистой воды либо антифриза с различными антикоррозионными присадками. Испытания их конструкций на длительную работу в среде рассола не проводились.
Схема подключения
Принципиально гидравлическая система обогрева котла прямого действия ничем не отличается от схемы с косвенным нагревом. Так же, как и ранее на подводящий патрубок монтируется магистраль холодной воды, а на отходящий — напорная горячей.
Остальные элементы схемы, в зависимости от местных задач обогрева, могут полностью копировать предыдущую конструкцию.
На обеих картинках показано наиболее простое, типичное расположение элементов гидравлической схемы. У реальной конструкции, создаваемой под конкретные условия обогрева помещений, всегда будут какие-то отклонения и дополнения.
Довольно часто применяется не одноконтурная приведенная схема, а минимум состоящая из двух групп с независимыми исполнительными и управляющим органами. Простым примером может служить добавочный контур, выдающий горячую воду для бытовых целей, например, в ванную и кухню.
Электрический котел индукционного типа
Для нагрева теплоносителя в этой конструкции используются вихревые токи Фуко, наводимые в специальном нагревательном элементе — индукторе.
Конструктивные особенности
Напряжение питания подается на обмотку катушки, выполненной из изолированного электрического провода. За счет явления индукции в магнитопроводе сердечника наводятся индукционные токи, проходящие по замкнутому контуру. При этом происходит нагрев металла индуктора.
Жидкий теплоноситель постоянно прокачивается через это пространство и отводит тепло в гидравлическую систему.
Во время работы индукционного котла происходят небольшие вибрации индуктора, которые предохраняют стенки от образования накипи.
При использовании токов промышленной частоты получаются конструкции внушительных размеров. С целью уменьшения габаритов и веса котла применяют высокочастотное преобразование напряжения до 1÷20 кГц, которое формирует соответствующее магнитное поле.
Индукционный котел может быть помещен в защитный кожух с хорошей изоляцией.
Обеспечение условий безопасной эксплуатации у котлов прямого и косвенного действия
При сравнении принципа работы ТЭНа с электрическим разрядом тока в теплоносителе создаются различные условия их применения, когда у всех видов котлов корпус выполнен из металла и заполнен токопроводящей жидкостью.
При использовании ТЭНа ток проходит по нихромовой нити, изолирован от корпуса слоем диэлектрика, который не позволяет потенциалу фазы пройти на корпус.
У котла прямого нагрева ток создается в теплоносителе, соприкасающемся с поверхностью корпуса котла. В результате на нем присутствует потенциал фазы, что нарушает определенные правила безопасности, создает предпосылку для получения человеком электротравмы.
Вопросы проектирования быстродействующих электрических защит для подобных конструкций в настоящее время еще не решены. Применение обычных конструкций УЗО или дифавтоматов, контролирующих появление токов утечек в схеме, не имеет смысла, ибо они будут постоянно срабатывать, блокируя подачу потенциала фазы на корпус.
В конструкциях же котлов косвенного действия применение УЗО вполне обоснованно и уместно. Оно не допустит попадание человека под действие потенциала фазы. Понять это можно с помощью поясняющих картинок.
При нормальном рабочем режиме эксплуатации ток проходит исключительно по внутреннему контуру, изолированному от корпуса.
При пробое изоляции электрического котла с косвенным нагревом ток утечки через корпус проникнет на РЕ-проводник и по нему на контур заземления. Уставка УЗО выставлена так, что устройство защитного отключения сработает и своими силовыми контактами снимет напряжение питания со схемы, чем исключит поражение человека.
Таким образом, по условиям безопасного применения котлы прямого нагрева значительно проигрывают. При механическом нарушении их конструкции по любой причине создается разрыв цепи для протекания тока, который оставит опасный потенциал фазы на корпусе. А дальше все решает случай…
Схема подключения к электрической системе
Будем считать исполнительным механизмом нагрева всю внутреннюю электрическую цепочку у котла:
прямого действия — между встроенными в корпус электродами;
косвенного нагрева — подключенными в параллель ТЭНами;
индукционного — клеммную коробку с обмотками.
Тогда вся остальная цепь может быть представлена упрощенным видом с элементами автоматики, управления и токовых защит от перегруза и короткого замыкания.
Напряжение питания от распределительного щита через регулирующий орган подается на исполнительный механизм нагрева и блок питания (защит и логики).
Защиты своими датчиками сканируют основные технические параметры и при их уходах за пределы возможного регулирования выводят котел из работы.
Орган логики автоматики в последнее время все чаще выполняется на основе микропроцессорных технологий, обеспечивающих расширенный функционал возможностей. Он получает информацию от датчиков температуры теплоносителя, воздуха в помещениях, давления жидкости внутри системы, обрабатывает ее и поддерживает температуру внутри котла регулировкой напряжения на исполнительном органе.
Заключение: в статье сделана попытка обобщить схемы подключения электрических котлов различных конструкций без указания производителей, разбив их на основных группы по принципу работы, проанализировать их слабые и положительные стороны. А насколько это вам помогло — поделитесь своим мнением в комментариях.
