2.11. Электрокотлы

Электротеплоснабжение является одной из форм централизованного теплоснабжения потребителей. Простота конструктивного исполнения электроотопительных приборов, возможность точного поддержания температурного режима в отапливаемых помещениях и экономия в связи с этим первичных энергетических ресурсов у потребителя, более широкие возможности автоматизации процесса позволяют при помощи электрических схем теплоснабжения реализовать и определенные преимущества, характерные для индивидуальных схем теплоснабжения, прежде всего их мобильность.

В отличие от котлов, работающих на различных видах органического топлива (природный газ, нефтепродукты, уголь или древесные отходы), электрические котлы обладают рядом особенностей, которые при определенных условиях компенсируют высокую стоимость электроэнергии как основного энергоносителя. Так, электрические котлы характеризуются сравнительной простотой устройства; они компактны и не требуют специально оборудованного места для установки, не ставят проблем доставки и хранения топлива (как жидкои твердотопливные котлы, а также котлы на сжиженном газе), удаления золы и шлака (как твердотопливные котлы). В плане удобства эксплуатации конкуренцию электрокотлам составляет лишь отопительное оборудование на магистральном природном газе, подводка которого требует времени и капитальных вложений, да и возможна далеко не всегда. В отличие от котлов других видов, электрическим не требуются устройства дымохода и подвода воздуха в камеру сгорания (как снаружи, так и из помещения); их работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу (в месте эксплуатации котла) и не сопряжена с опасностью отравлений и взрыва при утечке газа, воспламенения иного топлива.

С точки зрения принципиального устройства в настоящее время существуют две основные разновидности электрокотлов: электродные и ТЭНовые.

В электродных котлах нагрев воды происходит в результате пропускания через нее переменного электрического тока. Конструктивно электродный котел представляет собой емкость с размещенными в ней электродами и действует как проточный водонагреватель. Главной особенностью всех электродных котлов является очень высокий коэффициент полезного действия (~ 96–98%). Вода в электродных котлах одновременно является и теплоносителем, и элементом электрической сети, поэтому должна обладать как определенной проводимостью (чтобы проходил электрический ток), так и определенным сопротивлением (во избежание короткого замыкания). Еще одной особенностью этих устройств является их способность самонастраиваться в зависимости от заданной потребителем температуры теплоносителя и его количества в отопительном контуре, выходя на равновесный режим с некоторой задержкой. Это связано с тем, что по мере разогрева теплоносителя уменьшается его сопротивление. Электродные котлы сами отключаются от электросети при коротком замыкании, утечке теплоносителя и превышении заданной температуры.

Трехфазные электродные водогрейные котлы применяются для отопления и горячего водоснабжения крупных зданий и небольших поселков. Котлы на напряжение 0,4 кВ выполняются с пластинчатыми электродами, наиболее приемлемыми для воды с низкой удельной электропроводностью. Электродные водогрейные котлы на напряжение 6–10 кВ изготовляются с цилиндрическими и кольцевыми электродами. Котлы с цилиндрическими электродами применяются при высоком удельном сопротивлении воды. Котлы с кольцевыми электродами (рис. 2.30) применяются для нагрева воды с низким удельным сопротивлением.

Цилиндрический корпус электродного водогрейного котла имеет входной и выходной патрубки для воды. Внутри котла между днищем и диафрагмой установлены три фторопластовые камеры с отверстиями в нижней части для прохода воды в межэлектродное пространство. Размещенные в камерах фазные электроды выполнены из концентрических стальных колец, соединенных между собой сваркой. Нулевые электроды, расположенные над фазными, выполнены аналогично фазным. Нулевые электроды закреплены жестко на подвеске, связанной с электроприводом. Регулирование мощности осуществляется электроприводом за счет изменения расстояния между фазным и нулевым электродами.

В отличие от электродных, ТЭНовые котлы относятся к аппаратам косвенного действия. Для нагрева теплоносителя в них используются трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Конструктивно ТЭН представляет собой прочную металлическую оболочку из стали, алюминия или титана с размещенной внутри нихромовой спиралью и контактными стержнями. От оболочки спираль отделена спрессованным диэлектрическим наполнителем: периклазом (оксидом магния MgO) или кварцевым песком, обладающими хорошей теплопроводностью. Для предохранения от попадания внутрь ТЭНов влаги их концы герметизируются. По конфигурации ТЭНы разделяют на двухконцевые, когда контактные выводы расположены с двух сторон, и одноконцевые – с контактными выводами, расположенными по одну сторону нагревателя. В электрических котлах, как правило, используют одноконцевые ТЭНы или, как их еще называют, патронные. Тот факт, что ТЭНы взрывобезопасны, является одной из привлекательных эксплуатационных характеристик электрокотлов. Но, с другой стороны, ТЭН может выйти из строя по причине нестабильности работы электросетей или перегрева из-за наличия коррозионных и накипных отложений.

Принцип устройства ТЭНовых котлов следующий. Внутри емкости – теплообменника размещаются один или несколько ТЭНов. Как правило, в качестве материала для емкости производители используют обычную углеродистую сталь, медь, нержавеющую или оцинкованную сталь, обладающие большей коррозионной стойкостью и позволяющие применять в качестве теплоносителя бытовые антифризы. Снаружи емкость покрывают теплоизолирующими материалами. Бытовые ТЭНовые электрокотлы выпускаются мощностью от 4 до 50 кВт. Приборы мощностью до 10 кВт чаще изготовляют в однофазном или трехфазном исполнении. В диапазоне свыше 10 кВт большинством производителей предлагаются трехфазные модели. Электрические котлы, представленные на украинском рынке, как правило, одноконтурные, но есть и двухконтурные модели.

Рис. 2.30. Устройство электродных водогрейных котлов на напряжение 6–10 кВ с кольцевыми электродами: 1 – корпус; 2 – диафрагма; 3 – фторопластовая камера; 4 – фазный электрод; 5 –проходной изолятор; 6 – нулевой электрод; 7 – подвеска; 8 – ходовой винт; 9 – кулачковая муфта; 10 – электропривод; 11– воздушник; 12 – дренажный патрубок; 13 – штуцер для датчика температуры