Сравнение «сухих» и «мокрых» теплообменников/ТЭН-ов

В последнее время на рынке России увеличилось количество электрокотлов с так называемым «сухим» теплообменником. Основная часть таких котлов производится в Китае. Рассмотрим плюсы и минусы технологий классического (с «мокрыми» ТЭН-ами) и «сухого» теплообменника.

Если у кого-то есть опыт эксплуатации такого типа котлов, есть какие-то замечания по статье, был бы благодарен за информацию. 

Типы «сухих» теплообменников

«Сухой» теплообменник состоит из выгнутой нержавеющей трубки малого внутреннего диаметра и нагревательных элементов (обычных ТЭН) проходящих в непосредственной близости. Эти компоненты залиты в сплав алюминия, образуя единый блок. Он нагревается от электрических ТЭН-ов (таким-же как в «мокром» теплообменнике) и передает тепло трубкам, по которым протекает теплоноситель.

Классический котел состоит из стальной колбы с установленными в ней «мокрыми» ТЭНами (они конструктивно такие-же как «сухом» теплообменнике), непосредственно контактирующими с теплоносителем.

«Сухие» теплообменники мне доводилось видеть, как минимум, 3-х типов.

1. Для проточных водонагревателей используется нержавеющая трубка с очень малым диаметром примерно G 1/4″. Малый диаметр нужен, чтобы замедлить скорость протекания жидкости (уменьшить расход), чтобы нагреть до максимально возможной температуры. Другой способ нагрева был бы увеличение площади теплообмена, как в пластинчатых или трубчатых теплообменниках, но это было бы очень дорого. 
2. Для электрокотлов используется нержавеющая трубка бОльшего диаметра: G 1/2″ или G 3/8″. 
3. Крайне редкий вариант из-за высокой стоимости — нержавеющая трубка диаметра G 3/4″, как у нормальных котлов с «мокрыми» ТЭН-ами. Но на таких блоках полностью пропадает экономический смысл по сравнению с «мокрыми». Выигрыш только в компактности.  

Один алюминиевый блок в приемлемом объеме с определенным сечением патрубков рассчитан на определенную мощность. Обычно, что-то в районе 12-14 кВт. Для получения большей мощности их каскадируют, т.е. добавляют блоки кратно, например, для получения 28 кВт объединяют два 14 кВт блока.

Некоторые производители в электрокотлах для экономии ставят «сухие» теплообменники первого типа с зауженными патрубками с внутренним диаметром буквально в мизинец. Они максимально дешевые и компактные, т.к. предназначены для проточников, а не для котлов. Основная проблема с ними, если залить не подготовленную котловую воду, а обычную, то из-за малого сечения трубка внутри забивается примерно за год (по информации от коллег из Узбекистана). Затем начинается перегрев ТЭН-ов и они выходят из строя. При сгорании даже одной трубки ТЭН-а менять придется весь блок, а стоит он в районе 10 тыс. руб. 

Если в котле используется 2-й тип «сухого» теплообменника — это вполне себе нормальный вариант для многих условий эксплуатации. 

Функциональные различия

Ключевые инженерные особенности «сухого» теплообменника:

• Внутренний диаметр канала существенно меньше используемых в «мокром» собрате.
• Гидравлическое сопротивление канала выше.
• Объем теплоносителя внутри теплообменника значительно меньше. При отсутствии протока испаряется мгновенно.
• Удельная тепловая нагрузка (кВт на единицу объема теплоносителя) выше.

Следствия:

1. При одинаковой мощности рост температуры теплообменной поверхности происходит быстрее. Нет значительной буферной емкости с теплоносителем. 
2. Система становится чувствительной к снижению расхода теплоносителя (проще выйти из строя при сниженном протоке).
3. Любое уменьшение проходного сечения (заужение патрубка) приводит к значительному росту локальной температуры и, как следствие, возрастает риск выхода из строя одного или нескольких нагревательных элементов в блоке.
4. Прекращение потока теплоносителя (выход из строя насоса) или даже его уменьшение (при заужении патрубка) может приводить к выходу из строя ТЭН-ов в блоке. Гипотетически, автоматика должна успеть обесточить нагреватели, но это неточно, зависит от мощности (скорости нагрева). 🙂  
5. Чтобы исключить ситуацию с выходом из строя «сухого» теплообменника, добросовестные производители ставят реле/датчик протока на «обратку» для мгновенного обесточивания котла если пропадает проток теплоносителя (выходит из строя насос). Я спрашивал у одного из топовых китайских производителей котлов на «сухих» теплообменниках, можно ли исключить из конструкции котла реле протока, ограничившись аварийными термостатами. Они ответили, что «так экономить нельзя, небезопасно». 
6. Реле протока — это механический компонент с различным качеством исполнения и он бывает довольно браконосным, если дешевый. При выходе из строя — котел встает. Плюс при установке реле протока добавляется пара дополнительных соединений, которые могут потечь. 

Классическая колба с «мокрыми» ТЭН-ами обладает бОльшей площадью контакта с теплоносителем, нежели в «сухом» теплообменнике, бOльшим теплосъемом и меньшим гидравлическим сопротивлением, что снижает риски выхода из строя котла при эксплуатации в достаточно жестких российских условиях. 

1. Значительный диаметр патрубка (G 3/4″, G 1″, G 1 1/4″) обеспечивает гораздо более низкое гидравлическое сопротивение. Расход на 3/4″ патрубке примерно в два раза выше, чем на «сухом» теплообменнике. 
2. В котле с «мокрым» ТЭН-ом не нужно устанавливать реле протока. При остановке насоса из-за большого объема теплоносителя даже у медленной автоматики достаточно времени, чтобы обесточить ТЭН-ы. 
3. Нагрев плавный за счет большого объема теплоносителя. Перегреть «мокрый» ТЭН непросто, хоть и возможно, если не удалили воздух из системы.

Естественно, и «мокрые» ТЭН-ы сгорают, но это, обычно, происходит при завоздушивании системы. Когда ТЭН начинает работать в водухе, не охлаждаясь протоком теплоносителя.

Влияние качества теплоносителя

В российской практике электрокотлы могут работать в достаточно жестких условиях:

• Встраивание в существующие системы с продуктами коррозии.
• Наличие магнитита в стальных радиаторных контурах.
• Недостаточная промывка при замене оборудования.
• Использование неподготовенной воды «из под крана» с высокой минерализацией.

При малом диаметре нержавеющей трубки в «сухих» теплообменниках даже небольшое отложение накипи или шлама приводит к:

• Снижению фактического расхода.
• Росту гидравлического сопротивления.
• Ухудшению теплоотвода (охлаждения ТЭН-ов). 
• Локальному перегреву алюминиевого массива.

Если сечение канала в неравеющей трубке уменьшается, датчик протока может срабатывать, защищая дорогой «сухой» теплообменник. 

В классической колбе с «мокрыми» ТЭН-ами:

• Проходное сечение значительно больше, чем у «сухих» собратьев. Заузить столь значительное сечение — это надо постараться. Даже если в систему отопления залили обычную воду с высоким уровнем минерализации.  
• Допустимая степень загрязнения выше опять-же из-за значительного сечения. 
• Вероятность аварийного отключения при частичном «заиливании» ниже, чем в «сухих» теплообменниках.

Это означает бОльшую устойчивость (запас прочности) в условиях реальной эксплуатации.

Но, надо отметить, что нержавеющая трубка используемая в «сухих» теплообменниках при должном качестве (внутренней гладкости поверхности), гипотетически, может зарастать в меньшей степени, чем обычная стальная труба в колбе с «мокрыми» ТЭН-ами. Хотя в классической колбе дорогих электрокотлов нередко используются патрубки из меди. На них, по опыту, зарастание не происходит или идет очень медленно. Кроме того они съемные и их можно отдельно почистить в химии или заменить. Но необходимость в этом крайне редкая. 

Тепловая инерция и тактование

Малый объем теплоносителя в «сухом» теплообменнике обуславливет низкую тепловую инерцию (быстрый отклик на изменение температурных условий). Грубая физика процесса:

1. Алюминиевый блок быстро достигает расчетной температуры.
2. Теплоноситель прогревается локально.
3. NTC датчик температуры фиксирует достижение заданной температуры.
4. Нагрев всех или части ТЭН-ов отключается. При использовании симисторов возможна широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и тогда мощность снижается плавно.
5. После достаточно быстрого остывания при отключении нагрева цикл повторяется.
6. После ряда итераций температурная кривая нагрева должна быть максмально близкой к целевой с небольшми колебаниями.  

Особенность «сухого» теплообменника такова, что емкость теплоносителя охлаждающего алюминиевый блок слабо зависит от мощности. Грубо говоря длина трубки внутри блока примерно одинаковая у разных мощностей. Поэтому, чтобы безопасно отводить тепло при том-же объеме охлаждающего теплоносителя нужно увеличивать скорость потока. Но это проблематично сделать при заниженном диаметре патрубков и фиксированной скорости на насосе. 

В качестве силовых устройств управляющих коммутацией ТЭН-ов в «сухом» теплообменнике используются либо электромеханические реле, либо полупроводниковые симисторы.

У реле довольно ограниченное количество циклов коммутации. Топовые производители гарантируют 100 тыс. циклов. Обычно реле в котлах с сухими ТЭН-ами распаиваются на плату с электроникой. При выходе из строя реле приходится менять всю силовую плату, либо обращаться к электронщикам для перепайки реле (это довольно несложно). При таком управлении ШИМ для плавного управления мощностью использовать нельзя. 

Симисторы, гипотетически, имеют гораздо больший срок жизни, но это при условии качественного охлаждения. В силу того, что сопротивление в «замкнутом» состоянии у них сильно больше, чем у реле, а рассеиваемая мощность определяется сопротивлением P = I² × R, соответственно и тепла они рассеивают прилично и требования к охлаждению возрастают. При таком управлении можно использовать ШИМ модуляцию, хотя немало производителей используют симисторы в качестве реле, т.е. просто включая и выключая на полную. 

Не смотря на преимущества симисторов в части «вечной жизни» и бесшумности один из китайских производителей топовых котлов на «сухих» ТЭН-ах поведал мне, что они вернулись от симисторов к реле из-за лучшей надежности. Учитывая большие объемы продаж китайцев на разных мировых рынках, статистики у них гораздо больше, чем у всех российских производителей, использущих симисторы и/или твердотельные реле, вместе взятых. При этом в польских котлах Kospel с классической колбой симисторы используются достаточно давно. Возможно, есть нюансы как реализации программного обеспечения, так и их эксплуатации в части охлаждения, которые китайцы не смогли постигнуть. 🙂

По ШИМ модуляции есть свои вопросы, поскольку при ШИМ ТЭН включается на полную мощность на очень короткое время в момент прохождения синусоидального входного сигнала через ноль. И за счет инерционности ТЭН-ов при изменении скважности сигнала широтно-импульской модуляции получается эффект изменения мощности. Производители ТЭН-ов говорят примерно о 10 тыс. часах работы качественных ТЭН-ов, безотносительно к количеству циклов коммутаций (не приходилось встречать исследования на сей счет). Логика говорит о том, что на срок службы ТЭН количество коммутаций может влиять, поскольку циклы включения и отключения наиболее болезненно переносятся электрическими приборами. Соответственно, есть риски сокращения срока службы при использовании ШИМ управления мощностью, но это неточно. 🙂  

Гипотетически, (расчетов не встречал, а эксперименты подобного рода проводить трудозатратно) при высокой установленной мощности электрокотла (особенно >12 кВт) и небольшом объеме системы отопления (котел взяли с запасом, что нередко бывает) и с достаточно низкой тепловой инерцией «сухого» теплообменника, частота циклов будет выше, чем в классической колбе. «Сухой» теплообменник быстрее нагревается и быстрее остывает, хотя, несомненно, некоторое количество алминиевого сплава сглаживает эти колебания. При ШИМ модуляции это можно дополнительно компенсировать плавным изменением мощности. 

Последствия частого тактования:

• Рост количества включений силовой электроники, что приводит к износу реле. 
• Увеличение количества циклов включения-выключения потенциально сокращают срок службы ТЭН-ов. 

Классическая колба благодаря большему объему теплоносителя снижает амплитуду температурных колебаний и уменьшает частоту включений. Это увеличивает срок службы ТЭН-ов и реле.

Нагрузка на циркуляционный насос

Гидравлическое сопротивление сухого теплообменника выше из-за меньшего сечения трубы.

При снижении проходимости канала насос:

• Работает с большей нагрузкой. Ему надо буквально продавливать теплоноситель через патрубок с небольшим сечением. 
• Может приближаться к зоне неблагоприятной характеристики;
• Испытывает повышенную механическую нагрузку на крыльчатку.
• Может хуже охлаждаться. 

В классической колбе перепад давления значительно ниже (по замерам Александра Розанова разница в расходе почти в 2 раза), что снижает эксплуатационные риски для насоса.

Ремонтопригодность и стоимость владения

«Сухой» теплообменник представляет собой моноблок, не подлежащий разбору и ремонту. При выходе из строя даже одного нагревательного элемента, либо при зарастании патрубка скорее всего придется заменить весь блок. 

Экономика примерно такая. В Китае 12 кВт алюминиевый блок с патрубками G 1/2 стоит около 25 USD. После сертификации, доставки (хоть и негабаритные, но масса значительная), затрат на финансовую логистику (уход из под санкций для перевода в Китай) и растаможки его стоимость возрастает примерно до 45 USD. Комиссия Озон и других партнеров доходит до 40%. Таким образом, чтобы доставить до потребителя и заработать импортер будет продавать примерно в два раза дороже, т.е. примерно за 90 USD. 

«Сухие» теплообменники в России не производятся. Производство «мокрых» ТЭН-ов есть у ряда российских производителей: от недорогих низкокачественных, до ТЭН-ов очень приличного качества, лучше китайских. В случае изменения таможенных пошлин, санкций и пр. есть риск лишится запчастей. 

Ведущие российские производители Zota (Baxi), Эван (Stout) уже создали свои производства ТЭН-ов, чтобы в меньшей степени зависеть от плавающего качества китайских производтелей, санкционных рисков и длительных сроков поставки. У этих производителей есть непосредственная заинтересованность в высокой надежности ТЭН-ов, т.к. они, в отличие от китайских NoName брендов предоставляют 2-х летгюю гарантию и это накладывает значительные обязательства. 

В классическом котле:

• Блок ТЭН заменяется отдельно (обычно 1/2/3 блока в колбе котла).
• Колба может быть промыта химией.
• Ремонт носит модульный характер.
• Стоимость восстановления ниже.
• Ниже риски импортера (санкционные). 

С точки зрения жизненного цикла оборудования это снижает совокупную стоимость владения.

Условия, при которых «сухой» теплообменник работает стабильно

Необходимо отметить, что котлы с «сухими» теплообменниками демонстрируют стабильную работу при соблюдении следующих условий:

• «сухой» ТЭН второго типа в котле с достаточным сечением патрубка. 
• новая, т.е. хорошо промытая система;
• установка грязевика и/или магнитного фильтра;
• корректный подбор мощности;
• достаточный и стабильный проток;
• отсутствие высокой минерализации теплоносителя (например, специальная котловая вода);

Однако массовый рынок частного домостроения в России не всегда соответствует этим условиям. Зачастую пользователи не вникают в нюансы эксплуатации электрических котлов, считая, что это что-то вроде утюга, не сложнее. 🙂 

Происхождение концепции «сухого» теплообменника

Плюсы «сухого» теплообменника:

• Компактные размеры уменьшают затраты на логистику. Проще найти место для установки. 
• На алюминиевом блоке подготовлены все необходимые технологические площадки (под NTC датчик температуры, симисторы, аварийный трехфазный термостат, аварийный слаботочный термостат). Готовый конструктор для сборки. 
• Меньше масса — ниже стоимость логистики. 

Распространение «сухих» теплообменников в котлах отопления частично может быть обусловлено опытом применения проточных водонагревателей. Однако теплогидравлический режим ГВС отличается от режима замкнутого контура отопления.

В проточном водонагревателе:

• на вход подается холодная вода (как правило, 5–20 °C), ообеспечивающая хорошее охлаждение и ТЭН-ов и симисторов (они, обычно, размещаются на литом блоке ближе к патрубку обратки);
• обеспечивается значительный температурный напор;
• нагрев осуществляется только при наличии гарантированного протока;
• типовая ΔT составляет 20–40^oC.

Высокий температурный напор и постоянное обновление холодной воды создают устойчивые условия теплоотвода и снижают вероятность длительного локального перегрева при штатной эксплуатации.

В системе отопления:

• теплоноситель приходящий по обратке после выхода на целевую температуру уже имеет достаточно высокую температуру;
• типовая ΔT через котел часто составляет 5–15^oC;
• расход может быть переменным из-за термостатических клапанов, зонального регулирования, смесительных узлов;
• при использовании трехходового клапана бойлера ГВС условия работы котла на этот контур ещё менее комфортные для нагревательных элементов.

При фиксированной мощности котла и малой ΔT требуется повышенный массовый расход теплоносителя. Любое снижение расхода (загрязнение, заужение канала, частичное перекрытие контуров) приводит к росту локальной температуры теплообменной поверхности.

При наличии узкого проточного канала и малого объема теплоносителя запас устойчивости к снижению расхода уменьшается. Это повышает вероятность:

• локального перегрева;
• тактования;
• срабатывания защиты по протоку;
• ускоренной термической деградации нагревательного блока.

Таким образом, режимы, приемлемые для проточных водонагревателей, не могут напрямую экстраполироваться на замкнутые системы отопления без учета различий в ΔT, характере протока и тепловой инерции.

Особенности применительно к российскому рынку

Особенности российского рынка отопительного оборудования:

1. Высокая доля реконструкций и замен в существующих системах. Даже после промывки в трубопроводах сохраняются продукты коррозии. Малый диаметр канала «сухого» повышает риск постепенного снижения пропускной способности.
2. Нестабильность качества воды в регионах и использование её в системе отопления вместо подготовленной воды. Повышенная жесткость и минерализация при локальном перегреве ускоряют кристаллизацию солей и образование отложений внутри узкой трубки.
3. Эксплуатация на повышенных мощностях. Средняя требуемая мощность отопления в России выше, чем в странах с мягким климатом. 
4. Переменные режимы циркуляции. Термостатические клапаны, коллекторные системы теплого пола и зональное управление создают нестационарные режимы протока, более критичные для узких каналов с низким расходом.
5. Ограниченность сервисной инфраструктуры в удаленных регионах. Замена «мокрого» ТЭН-а ниже по стоимости и проще по сложности (дешевле), чем замена алюминиевого блока. В силу большей распространенности и унификации фланцев найти замену гораздо проще, чем заказать «сухой» теплообменник под котел конкретного производителя. Это однозначный vendor lock-in на производителе, не «соскочишь».  

С инженерной точки зрения сухой теплообменник не является дефектной технологией. Однако он требует более тщательного соблюдения условий эксплуатации и режимов работы.

Маркетинг проиводителей «сухих» теплообменников

в маркетинговых брошюрах производителей котлов с «сухими» ТЭН-ами упоминается ряд недостатков клссических ТЭН-ов (см. картику вначале статьи). Подтвердим или опровергнем эти высказывания. 

• Коррозия и износ. Качественные ТЭН-ы выполнены из нержавейки (AISI 321) – поэтому нет разницы с «сухим» теплообменником. Для ТЭН-ов из «чернины» — это аргумент, но крупные российские проиводители классических электрокотлов, вроде «Эван» и «Zota», такие ТЭН-ы не используют даже в дешевых изделиях. Хотя даже ТЭН-ы из «чернины» стоят годами в дешевых классических котлах нишевых российских производителей.
• Перегрев. В классических «мокрых» теплообменниках за счет большого размера колбы и равномерного нагрева риск перегрева минимален из-за самой физики процесса. NTC датчик и аварийный установливается в верхней части колбы, где вода имеет максимальную температуру. Хотя некоторые производители устанавливают датчики на патрубок подачи на клипсу. При прекращении циркуляции могут быть проблемы, когда в колбе вода уже закипела, а до патрубка температура ещё не дошла.  
• Воздух в котле. Некачественный монтаж – проблема для любого котла, но дело тут не в котле. При правильном монтаже не должно быть воздуха в системе отопления. Если его нет в контуре отопления – то его нет и в колбе котла. 
• Нет плавного регулирования мощности. Дело не в ТЭН. Плаваная регулировка мощности котла определяется исключительно силовыми компонентами: симисторы (твердотельные реле) или электромеханические реле. Эти компоненты могут быть установлены как в котел с классическими «мокрыми» ТЭН-ами, так и с «сухим» теплообменником. У каждого способа управления ТЭН-ами есть свои плюсы и минусы.

При этом нужно отметить, что:

• Малое сечение трубки, через которую проходит теплоноситель в литых алюминиевых теплообменниках — риск ускоренного закальцирования при жесткой воде. Процесс отложения кальция на стенках начинается с 40-50 ^oC и ускоряется при 60 ^oC. И происходит он и в трубе «сухого» теплообменника и на поверхности «мокрых» ТЭН-ов. 
• В классических «мокрых» ТЭН-ах закальцирование происходит на них, и это не быстрый процесс. ТЭН-ы в стиральных машинах работают годами на неподготовенной холодной воде из системы отопления. При необходимости ТЭНы можно извлечь и почистить, либо поменять. Трубку в литом теплообменнике прочистить проблематично, скорее всего, на замену.