Твердотопливный котел - отопительный прибор, в котором в качестве топлива используются дрова или уголь. Основными частями устройства являются топка с водяной рубашкой, системы удаления дыма и контроля температуры. Топка имеет двойные стенки, между которыми циркулирует теплоноситель (водяная рубашка). В процессе горения топлива стенки нагреваются, а вместе с ними и вода. Теплая жидкость поднимается вверх, попадает в теплопровод, проходит по системе отопления, отдает тепло и возвращается обратно. В результате сгорания топлива образуется много дыма, который отводится трубами на улицу. Система контроля и регулирования температуры корректирует интенсивность поступления в топку воздуха.
Виды твердотопливных отопительных систем
Устройства подразделяются в зависимости от вида используемого топлива, по принципу его сгорания и по степени энергозависимости. Существуют агрегаты, работающие на традиционном твердом топливе: дровах, угле, топливных брикетах, коксе. Они загружаются в топку вручную и переодически добавляются по мере сгорания. Пеллетные котлы появились сравнительно недавно. Топливом для них служат пеллеты или гранулы диаметром 4-10 мм, которые производятся из отходов промышленного производства и лесозаготовительных компаний: опилок, стружки, искривленных стволов и веток. Особая технология производства позволила повысить тепловыделение пеллет почти до уровня каменного угля. Поскольку модели, потребляющие гранулы, новые они оснащены системами подачи топлива, имеют автоматический розжиг и относятся к устройствам длительного горения. Универсальные котлы работают на всех видах твердых энергоносителей, комплектуются как механикой, так и автоматикой, что позволяет подобрать оптимальный вариант по цене и по производительности.
По принципу сгорания топлива различают агрегаты постепенного процесса, работающие по технологии верхнего горения, обеспечивающей послойное постепенное сгорание топлива. Это позволяет повысить КПД оборудования и снизить потери до 20%, уменьшить количество продуктов горения. Пиролизный или газогенераторный котел вырабатывает тепло с помощью пиролиза. Сухая перегонка древесины при 800 градусах позволяет получить кокс, который и служит топливом. Такая технология способствует почти полному отсутствию отходов и увеличению КПД до 90%.
Степень энергозависимости котла определяется по необходимости использования дополнительных энергоресурсов. Некоторые устройства требуют подключения к электросети для полноценного функционирования. Современная электроника и автоматика не может работать без электричества. Энергонезависимые котлы имеют традиционное устройство и управляются вручную. Такие модели обеспечивают отопление в неэлектрифицированных домах, на даче и т. п.
Котлы можно классифицировать и по виду материала корпуса на чугунные и стальные. Чугунные устройства не восприимчивы к жесткости воды, но боятся ее резких температурных перепадов. Они имеют большую массу, поэтому инерционность системы будет высокой. Благодаря антикоррозийным качествам чугуна они отличаются длительным сроком службы, но стоят дороже.
Достоинства и недостатки твердотопливных котлов
К преимуществам этого вида отопительных приборов относятся экологичность и доступность топлива без подключения к энергетической сети. Время работы и мощность системы легко контролируется с помощью объемов загрузки топлива. Современные агрегаты имеют высокую степень пожаробезопасности и не используют для работы взрывоопасных веществ. Подобная система отопления позволяет значительно сэкономить на подключении к газовой сети. Необходимая мощность рассчитывается из соотношения - 1 кВт котла на 10 кв. м площади.
К недостаткам обычно относят необходимость в регулярном добавлении топлива, в процессе которого в помещение попадает немного дыма. Котлы нужно периодически чистить. Они довольно медленно выходят на максимальную мощность и не могут сразу прекратить подачу тепла.
Твердотопливные котлы — это высокоэффективное оборудование, используемое для отопления коттеджей, административных зданий и промышленных объектов. Они могут работать на дровах, опилках, угле, брикетах и пеллетах и являются незаменимыми в местах, где нет централизованного газоснабжения, и случаются перебои с электроэнергией.
Виды оборудования на твердом топливе
Классификацию котлов осуществляют на основе их функциональности, используемых материалов и принципов горения.
В зависимости от материала изготовления различают два типа твердотопливных котлов.
- Стальные агрегаты имеют небольшой вес и доступную стоимость.
- Чугунные модели более тяжелые и габаритные, однако срок их службы намного больше. Они практически не подвержены коррозии, долговечны и выдерживают высокие температуры.
По своему назначению твердотопливный котел может быть одноконтурный и двухконтурный. Первый предназначен исключительно для обогрева помещений, второй, кроме отопительной функции, выполняет еще и функцию нагрева воды.
Водяной твердотопливный котел работает по классической схеме — сгорание топлива происходит снизу вверх. Загрузка осуществляется через верхнюю дверцу, а поджигается внизу через окошко топливника, которое также используется для очистки агрегата.
Наиболее безопасными и долговечными считаются пиролизные котлы. Для них характерна технология длительного горения. В связи с этим котлы обладают определенными преимуществами: экономичность, высокая производительность, длительная работа на одной загрузке, экологичность.
Продажа и профессиональное подключение котлов
Не следует производить монтаж твердотопливных котлов самостоятельно. Не зная технических особенностей, вы можете испортить оборудование. Мы рекомендуем доверить подключение и установку котла нашим специалистам.
В этой статье мы познакомим читателя с миром современных отопительных установок на твердом топливе. Какими бывают твердотопливные водяные котлы?
Оправдано ли применение именно этого вида топлива экономически? Есть ли у него серьезные недостатки? На все эти вопросы мы постараемся ответить.
Каноническая схема устройства, включающая варочную плиту. Как мы увидим позже — далеко не лучшая конструкция.
Классификация котлов
Понятно, что все котлы на твердом топливе для водяного отопления характеризуются рядом общих черт. По определению они используют тепло сгорания древесины (как вариант — продуктов его переработки), торфа или угля. Кроме того, температура теплоносителя на выходе из котла не превышает 100 градусов.
По каким признакам эти устройства различаются между собой?
Материал
Речь идет о материале, как самого котла, так и его теплообменника — узла, при посредстве которого теплоноситель контактирует с топливником.
Возможны два основных варианта:
- Стальные котлы в среднем несколько дешевле и имеют куда меньшую массу. Однако характеризуются и меньшим сроком службы. Сталь — металл, боящийся коррозии; пламя и весьма агрессивный конденсат стремительно разрушают его.
Однако: качественные твердотопливные котлы отопления российского производства, как и импортные, изготавливаются из жаростойких сортов коррозионно-стойких сталей. Кроме того, топка часто дополнительно защищается футеровкой огнеупорным кирпичом.
- Чугун — материал, в куда меньшей степени боящийся коррозии. Именно поэтому он применяется для изготовления колосников и дверок в печах; именно поэтому чугунные котлы в среднем куда долговечнее стальных.
Цена большего срока службы — большая масса изделий. Как правило, даже котлы скромной (до 16 КВт) тепловой мощности требуют обязательного монтажа исключительно на капитальный фундамент.
Топливо
Наиболее универсальны водяные твердотопливные котлы, способные работать на нескольких видах топлива. Без какой — либо адаптации можно, вычистив зольник, закинуть в топку уголь после дров или торфяные брикеты после пеллет.
Однако ориентированные только на один тип топлива устройства, как правило, обладают более высоким КПД. Их конструкция оптимизирована для горения с вполне определенной температурой пламени и влажностью горючего.
Помимо однотопочных, производятся котлы с двумя раздельными топливниками и двумя теплообменниками. Они позволяют сжигать разные типы топлива, которые требуют разного конструктивного исполнения зона горения. В самом деле, горелка для соляры быстро придет в негодность, если будет находиться среди горящих дров.
Эффективность
КПД у разных типов котлов очень сильно различается. Определяющие этот параметр факторы — температура продуктов сгорания на выходе и количество твердых отходов. В обоих случаях меньше — значит лучше.
Минимальный КПД, часто не достигающий даже 50%, у простейших сделанных своими руками устройств. Да, коробка из стального листа с двумя дверками и змеевиком внутри обойдется совсем недорого; однако для получения необходимого вам количества тепла дров придется сжечь ОЧЕНЬ много.
Фабричное производство твердотопливных котлов опирается на точный расчет их формы и размеров теплообменника. Даже у младших моделей температура продуктов сгорания обычно не превышает 120 градусов. Помимо того, что большее количество тепла отдается теплоносителю, это означает еще и большую пожарную безопасность.
Особняком стоят так называемые пиролизные, или газогенераторные котлы. Как они работают?
- В устройстве присутствуют две топки с теплообменниками в каждой из них. Они сообщаются между собой и размещены одна над другой.
- В верхней топке в условиях недостатка кислорода и высокой температуры дрова медленно тлеют, постепенно распадаясь в золу. Крупных углей при штатной работе котла не остается.
Однако из-за недостатка окислителя горючее сгорает не полностью: оно выделяет большое количество пиролизного газа, состоящего из CO (угарного газа) и летучих углеводородов.
- Этот газ принудительно подается в нижнюю топку, где сгорает уже полностью после того, как к нему подмешивается богатый кислородом воздух.
Газогенераторные твердотопливные водогрейные котлы имеют очень высокий КПД, достигающий у лучших устройств 95 процентов. Однако они в 1,5-2 раза дороже традиционных конструкций и требуют использования топлива с низкой влажностью. Кроме того, младшие модели работают ТОЛЬКО на дровах.
Автономность
Устройства традиционной конструкции требуют постоянного присутствия человека — топку нужно загружать каждые 2-4 часа. Профессия кочегара родилась не на пустом месте. Именно это свойство является основным недостатком твердого топлива; отчасти поэтому если доступен магистральный газ — редкий владелец коттеджа задумается о дровах или угле.
Пиролизный котел, однако, в силу принципа своей работы заставляет топливо не сгорать, а тлеть. На одной загрузке котел может работать до 12 часов.
Сравнительно недавно литовская компания Stropuva наладила поточное производство так называемых котлов верхнего горения. Они обеспечивают отоплению еще большую автономность: на сертификации в 2003 году серийная модель после загрузки 50 килограммов топлива отдавала около 6 КВт тепловой мощности около полутора суток.
За счет чего достигается столь длительное время работы?
- Объем топки увеличен и вмещает несколько десятков, а то и сотен килограммов топлива.
- Колосник и зольник отсутствуют.
- Горит только верхний слой загруженного топлива. Воздух для поддержания горения (точнее, тления) подается сверху через подвижный узел, который под собственной тяжестью опускается по мере прогорания дров или угля.
- Пепел уносится с дымом.
- Область тления топлива отделяется от верхней части камеры массивным металлическим диском (жаргонное название — стаскоблин). Над ним к продуктам неполного сгорания топлива подмешивается воздух извне, и они сгорают с выделением остаточного тепла.
Как видим, в своей основе эти устройства представляют собой пиролизные водогрейные твердотопливные котлы, но с серьезными конструктивными доработками. Понятно, что и здесь ценник не порадует экономного хозяина.
Особняком стоят котлы, работающие на пеллетах — прессованных гранулах из опилок. В них проблема автономности решается регулируемой подачей гранул из бункера.
На фото — котел с бункером для пеллет.
Однако: помимо дороговизны, у этих устройств есть еще одна проблема. Производство пеллет в нашей стране не налажено; не везде можно обеспечить себя этим видом топлива.
Автоматизация
В классических котлах вся автоматика ограничивается простейшей защитой от перегрева теплоносителя. Механический термостат с помощью рычага тянет за цепочку, прикрывающую заслонку. Скорость поступления воздуха уменьшается; теплоотдача котла снижается.
В пиролизных отопителях возможностей куда больше:
- Заслонки с механическим или электрическим управлением и здесь позволяют регулировать тягу;
- Наряду с этим в устройствах с принудительной тягой их тепловой мощностью можно управлять, регулируя обороты вентилятора-дымососа.
Кроме того, возможен контроль не температуры теплоносителя, а температуры воздуха в помещении.
Полезно: недорогие отопительные котлы на твердом топливе российского производства, как правило, управляются примитивным механическим термостатом или вообще только вручную. Не стоит искать среди младших моделей устройства, которые смогут самостоятельно поддерживать комфортную температуру. Однако именно благодаря простоте конструкции они исключительно отказоустойчивы.
Достоинства и недостатки
Эксплуатационные расходы
При текущих российских ценах покупные дрова на втором месте по дешевизне после магистрального газа. Разница между ними невелика — единицы проценто. Понятно, что речь идет о стоимости выработки одного киловатт-часа тепловой энергии.
Уголь дороже, но ненамного.
В пользу дров говорит еще несколько факторов:
- Магистральный газ есть не везде, а отопление сжиженным обходится в несколько раз дороже и по расходам приближается к электрическому отоплению.
- Дрова можно заготавливать самостоятельно, что уменьшит расходы и вовсе до нуля.
- Твердотопливное отопление позволит с пользой утилизировать большую часть бытового мусора. Остальное в условиях загородного дома пойдет в компост и послужит удобрению почвы.
Удобство использования
А вот в этой области — одни минусы.
- Продукты сгорания нужно отводить. Причем коаксиальным отводом — воздухозаборником, как в газовых котлах с закрытой горелкой, утилизацию печных газов реализовать не получится. Нужен полноценный дымоход.
Это украшение на крыше — неизменный атрибут отопления твердым топливом.
- Котлы на твердом топливе существуют только в напольном исполнении. Они массивны и имеют большие размеры. В большинстве случаев им лучше отвести отдельное помещение.
- Топливо нужно хранить неподалеку от котла, причем под навесом. Сравните это требование с удобством подключения к газу или электричеству.
- Закладка топлива и удаление продуктов сгорания требуются часто. Даже в котлах длительного горения, где зольника нет в принципе, вам между закладками топлива все же придется вычищать поддон. Помимо довольно грязной работы, это означает еще одну вещь: уехать на несколько дней и оставить дом теплым не получится.
Установка
Все устройства обсуждаемого нами типа могут монтироваться самостоятельно. Никакой учет и контроль коммунальных служб не требуется.
Однако пару правил нужно соблюдать.
- Массивные котлы монтируются, как уже говорилось, исключительно на собственный фундамент. Ставить 300 — 500 килограммов чугуна на деревянный пол точно не стоит.
В общем-то, лучше перестраховаться и с более легкими стальными: к примеру, твердотопливные котлы белорусского производства КСВ 12,5 при скромной мощности в 12,5 КВт весят 180 кг.
- Вторая инструкция связана с пожарной безопасностью. Корпус котла и дымоход при сгорании топлива заметно нагреваются. Рекомендуется ставить котел на расстоянии не меньше полуметра от ближайшей стены.
Если стенки выполнены из горючего материала — они защищаются кирпичом или листом оцинковки с прокладкой асбеста.
Дымоход отделяется от горючих конструкций перекрытия или стен расстоянием не меньше 25 сантиметров.
Заключение
Много интересного о том, какими бывают твердотопливные котлы — российского производства и импортируемые из-за границы — расскажет видео в конце статьи. Надеемся, что вы найдете там ответы на те вопросы, которые могли у вас остаться.
Твердотопливный котел – устройство, вырабатывающее тепловую энергию для нагрева теплоносителя, подаваемого в систему обогрева помещений, и для организации горячего водоснабжения.
В качестве топлива используют:
- дрова;
- уголь;
- кокс;
- торф;
- брикеты;
- пеллеты.
Применение
Котел на твердом топливе применяется:
- для обогрева зданий и цехов (теплоноситель – вода);
- для организации ГВС и обогрева частных домовладений, малых коммерческих помещений: склады, офисы (теплоноситель – вода, антифриз).
Преимущества котлов на твердом топливе
Прежде чем купить твердотопливный котел, надо знать его преимущества перед другими видами устройств. К положительным качествам твёрдотопливных агрегатов относятся:
- простая конструкция – легкий уход и ремонт устройства;
- доступная цена оборудования и топлива;
- универсальность;
- КПД 60–93% и высокая мощность, – возможен обогрев площади свыше 500 кв.м.;
- энергонезависимость – использование без применения электричества;
- безопасность эксплуатации.
Классификация
Конструкция отопительных устройств претерпела изменения: от «буржуек» до котлов с длительным режимом работы, автоматизацией процессов. Выбор и приобретение агрегата в Москве или Санкт-Петербурге должны основываться на знании типов конструкций.
По способу сгорания топлива
Классические котлы – агрегат с простым принципом работы (прямое горение). Особенности:
- Закладка в топочную камеру производиться вручную. Дозакладка возможна в любой момент эксплуатации.
- Время прогорания топлива 2–6 часов. Регулируется тягой (вручную, механическим термостатом).
- КПД до 80%.
- Низкая цена.
- Независимость от электричества делают их применение незаменимым на этапе строительства небольших строений и помещений.
- Можно купить агрегаты, оснащенные дополнительными устройствами: электротэнами, газовые горелками, – это делает их применение универсальным.
- Некоторые модели (псевдопиролизные котлы) снабжены подачей вторичного воздуха, что обеспечивает сгорание газообразных продуктов горения. КПД повышается. Время прогорания остается практически прежним.
- Использование полного ряда твердого топлива либо его комбинаций.
Пиролизные котлы – газогенераторные устройства, использующие пиролизный способ горения. Топочная камера делится на два объема. В верхней камере тлеет топливо, в нижнюю – поступают газообразные продукты горения. Особенности газогенераторных котлов:
- Ступенчатый процесс горения, полное сгорание топлива, – результат: КПД котла повышается до 85–90%.
- Время прогорания топлива – до 12 часов.
- Энергозависимы, требуется установка приборов, потребляющих электроэнергию (дымосос, электронные устройства контроля).
- Требовательны к влажности топлива (до 20–25%).
- Высокая цена.
Котлы верхнего горения – агрегаты вертикальной формы с большим объемом топочной камеры, вмещающей до 100 кг топлива. Подача теплого воздуха и процесс горения происходят в верхней части закладки. Благодаря телескопическому устройству – штоку, опирающемуся на поверхность топлива, происходит распределение подачи кислорода в зоне горения. Особенности:
- Постепенное прогорание сверху-вниз позволяет увеличить время работы отопительной системы от одной закладки (более суток).
- КПД до 93%.
- Энергонезависимость.
- Влажность топлива до 25%.
- Цикличность работы котла не позволяет выполнять дозакладку топлива.
- Высокая стоимость агрегатов.
По автоматизации процессов работы
Прогресс коснулся не только конструкции котлов импортного и российского производства, но позволил автоматизировать все процессы работы агрегатов.
Автоматизированная подача топлива (пеллеты, брикеты, уголь, щепа):
- из встроенного бункера, установленного сверху или сбоку агрегата;
- из специально оборудованного помещения по транспортеру.
Автоматический блок управления
- регулирует температуру обогрева помещений;
- осуществляет электророзжиг;
- согласует температуру в топочной камере и подачу топливных гранул;
- GSM-модуль сообщает потребителю о состоянии, рабочих режимах устройства, необходимости очистки зольного ящика, пополнении топливного запаса.
Устройство котла
Топочная камера – камера для сгорания топлива, закладывание которого производится через топочную дверцу.
Дымоход – патрубок, через который происходит удаление газообразных продуктов горения.
Колосник – решетчатое основание для закладки топлива. Через отверстия, остатки твердых продуктов сгорания ссыпаются в зольник.
Зольник, – объем для удаления твердых отходов горения, и для создания тяги через жалюзи (шторку).
Теплообменник – контур рубашечный или трубный, в котором происходит нагрев теплоносителя. Различаются по материалу изготовления:
- стальные – быстрый нагрев теплоносителя, облегченная конструкция, лучше переносит температурные перепады;
- чугунные – имеют более высокий вес, менее подвержены окислительным процессам, но обладают большей хрупкостью при резком температурном перепаде.
Патрубки входа и выхода теплоносителя – обеспечивают подачу в котел на твердом топливе теплоносителя и его отвод в нагретом состоянии в системы отопления и ГВС. По количеству выходов различаются котлы:
- одноконтурный агрегат – один выход для обеспечения обогрева помещений;
- двухконтурный твердотопливный котел – два выхода (отопление и ГВС).
Термоизоляция – материал под внешним корпусом, обеспечивающий снижение теплоотдачи во внешнюю среду.
Прежде чем купить твердотопливный котел в наших магазинах СПб или Москвы стоит позвонить нашим специалистам, которые помогут определиться. Расчет лучше доверить специалистам, которые проанализируют все факторы, влияющие на ее величину, посоветуют модель, наиболее подходящую для частного дома.
Таблица соответствия мощности котла к площади дома
Чуть ниже представленная примерна таблица соответствия мощности твердотопливных котлов отопления для частных домов в кВт к площади дома в квадратных метрах.
«Котел это по правде печь в бочке с водой»… и КПД такого агрегата будет в лучшем случае 10%, а то и 3-5%. Уж какой-никакой, а твердотопливный котел вовсе не печь, а печь на твердом топливе – не водогрейный котел. Дело в том, что процесс сгорания твердого топлива, в отличие о газа или горючих жидкостей, непременно растянут в пространстве и времени. Газ или масло можно полностью сжечь сразу в небольшом промежутке от сопла до диффузора горелки, а дрова-уголь – нет. Поэтому и требования к конструкции котла отопления на твердом топливе иные, чем для отопительной печи, просто так засунуть в нее водогрейку контура отопления в непрерывной циркуляцией нельзя. Почему так, и как должен быть устроен отопительный котел непрерывного действия, и предназначена разъяснить эта статья.
Свой котел отопления в частном доме или квартире становится необходимостью. Газ и жидкое топливо неуклонно дорожают, а взамен в продаже появляется недорогое альтернативное топливо, напр. из отходов растениеводства – соломы, лузки, шелухи. Это только с точки зрения хозяев дома, не говоря уже о том, что переход на индивидуальное отопление позволит избавиться от потерь энергии в магистралях ТЭЦ и проводах ЛЭП, а они отнюдь не малы, до 30%
Газовый котел самому делать нельзя, хотя бы потому, что никто не даст разрешения на его эксплуатацию. Индивидуальные котлы на жидком топливе для отопления жилых помещений применять запрещено вследствие их высокой пожаро- и взрывоопасности при децентрализованном использовании. А вот котел на твердом топливе можно и сделать своими руками, и оформить его официально, точно так же, как отопительную печь. Это, пожалуй, единственное, что у них принципиально общего.
Особенности твердого топлива
Твердое топливо горит не очень быстро, и в видимом его пламени сгорают далеко не все компоненты, несущие тепловую энергию. Для полного догорания дымовых газов необходима высокая, но вполне определенная температура, иначе возникнут условия для протекания эндотермических реакций (напр. окисления азота), продукты которых унесут энергию топлива в трубу.
Почему котел не печь?
Печь – устройство циклического действия. В ее топку загружают сразу столько топлива, чтобы его энергии хватило до следующей протопки. Избыток энергии сгорания загрузки топлива частично используется для поддержания оптимальной для дожигания температуры в газовом тракте печи (ее конвективной системе), а частично поглощается телом печи. По мере прогорания загрузки соотношение этих частей энергии топлива меняется, и внутри печи циркулирует мощный поток тепла, в несколько раз мощнее, чем текущие потребности в нем для обогрева.
Тело печи представляет собой, таким образом, тепловой аккумулятор: основной обогрев помещения происходит за счет ее остывания после протопки. Поэтому отбирать циркулирующее в печи тепло нельзя, от этого тем или иным образом нарушится ее внутренний тепловой баланс, и КПД резко упадет. Можно, и то не во всяком месте конвекционной системы, взять до 5% на подпитку накопительного бака ГВС. Также для печи не нужна оперативная регулировка ее тепловой мощности, достаточно загрузить топлива исходя из требуемой среднечасовой на время между протопками.
Водяной котел, все равно на каком топливе – устройство непрерывного действия. Теплоноситель в системе все время циркулирует, иначе она греть не будет, а котел должен в каждый конкретный момент дать тепла ровно столько, сколько ушло наружу из-за теплопотерь. Т.е., топливо в котел нужно либо периодически подгружать, либо обеспечить оперативную регулировку тепловой мощности в достаточно широких пределах.
Второй момент – дымовые газы. К теплообменнику они должны подойти, во-первых, возможно более горячими, чтобы обеспечить высокий КПД. Во-вторых, они должны быть прогоревшими полностью, иначе энергия топлива осядет на регистре сажей, которую нужно будет еще и чистить.
Наконец, если печь греет вокруг себя, то котел как источник тепла и его потребители разнесены. Для котла необходимо отдельное помещение (котельная или топочная): вследствие высокой концентрации тепла в котле его пожарная опасность намного выше, чем и печи.
Примечание: индивидуальная котельная жилого дома должна иметь объем не менее 8 куб. м, потолок не менее 2,2 м высотой, открывающееся окно не менее 0,7 кв. м, постоянный (без задвижек) приток свежего воздуха, отдельный от прочих коммуникаций дымовой канал и противопожарную развязку от остальных комнат.
Отсюда следуют, во-первых, требования к топке котла:
- Она должна обеспечивать быстрое и полное сгорание топлива без сложной конвекционной системы. Этого можно добиться только в топке из материалов с как можно меньшей теплопроводностью, т.к. для быстрого догорания газов требуется высокая концентрация тепла.
- Сама топка и связанные с ней по теплу части конструкции должны иметь возможно меньшую теплоемкость: все тепло, ушедшее на их нагрев, останется в котельной.
Эти требования изначально противоречивы: материалы, плохо проводящие тепло, как правило хорошо его накапливают. Поэтому обычная печная топка для котла не пойдет, нужна какая-то специальная.
Теплообменный регистр
Теплообменник – важнейший узел отопительного котла, он в основном и определяет его КПД. По конструкции теплообменника и называют весь котел. В бытовых отопительных котлах применяют теплообменники – водяные рубашки и трубчатые, горизонтальные или вертикальные.
Котел с водяной рубашкой – это та самая «печка в бочке», теплообменный регистр в виде бака окружает в нем топку. Котел с рубашкой может быть и довольно экономичным при одном условии: если горение в топке беспламенное. Пламенная твердотопливная топка непременно требует дожигания отходящих газов, а в контакте с рубашкой их температура сразу падает ниже необходимого для этого значения. В результате – КПД до 15% и усиленное осаждение сажи, а то и кислотного конденсата.
Горизонтальные регистры, вообще говоря, всегда наклонные: их горячий конец (подача) должен быть приподнят над холодным (обраткой), иначе теплоноситель пойдет вспять, а отказ принудительной циркуляции немедленно приведет к тяжелой аварии. В вертикальных регистрах трубы расположены вертикально или в небольшим наклоном в сторону. И там, и там трубы, чтобы газы лучше в них «запутывались», располагают рядами в шахматном порядке.
Относительно направлений движения горячих газов и теплоносителя трубные регистры делятся на:
- Проточные – газы проходят в общем перпендикулярно току теплоносителя. Чаще всего такая схема применяется в горизонтальных промышленных котлах большой мощности ради меньшей их высоты, что удешевляет установку. В бытовых ситуация получается обратная: чтобы регистр как следует уловил тепло, его приходится делать вытянутым вверх выше потолка.
- Противоточные – газы и теплоноситель движутся вдоль одной линии навстречу друг другу. Такая схема дает наиболее эффективную теплопередачу и наивысший КПД.
- Поточные – газы и теплоноситель движутся параллельно в одном направлении. Применяется редко в котлах специального назначения, т.к. КПД при этом плохой, а износ оборудования большой.
Далее, теплообменники выполняются огнетрубными и водотрубными. В огнетрубных дымогарные трубы с дымовыми газами проходят сквозь бак с водой. Огнетрубные регистры работают стабильно, а вертикальные дают неплохой КПД даже в поточной схеме, т.к. в баке устанавливается внутренняя циркуляция воды.
Однако, если рассчитать оптимальный для передачи тепла от газа к воде температурный градиент исходя из соотношения их плотности и теплоемкости, то он оказывается примерно 250 градусов. А чтобы протолкнуть этот поток тепла сквозь стенку стальной трубы в 4 мм (меньше нельзя, очень быстро прогорит) без заметных потерь на теплопроводность металла, нужно еще около 200 градусов. В итоге, внутренняя поверхность дымогарной трубы должна быть раскалена до 500-600 градусов; 50-150 градусов – эксплуатационный запас на обводненность топлива и пр.
Из-за этого срок службы дымогарных труб ограничен, особенно в больших котлах. Кроме того, КПД огнетрубного котла невелик, он определяется отношением температур поступающих в регистр горячих газов и выходящих в дымоход. Давать остывать газам ниже 450-500 градусов в огнетрубном котле нельзя, а температура в обычной топке не превышает 1100-1200 градусов. По формуле Карно выходит, что КПД выше 63% не получить, да еще КПД топки не больше 80%, так что всего получается 50%, что совсем плохо.
В малых бытовых котлах эти особенности сказываются слабее, т.к. при уменьшении размеров котла отношение поверхности регистра к объему дымовых газов в нем увеличивается, это т.наз. закон квадрата-куба. В современных пирозизных котлах температура в камере сгорания доходит до 1600 градусов, КПД их топки под 100%, а регистры фирменных котлов в гарантией на 5 и более лет делают только тонкостенными из жаропрочной спецстали. В них газам можно дать остыть до 180-250 градусов, и общий КПД доходит до 85-86%
Примечание: чугун для дымогарных труб вообще непригоден, трескается.
В водотрубных регистрах теплоноситель течет по трубам, помещенным в жаровую камеру, куда поступают горячие газы. Теперь градиенты температур и закон квадрата-куба действуют наоборот: при 1000 градусах в камере внешняя поверхность труб будет нагрета всего до 400 градусов, а внутренняя – до температуры теплоносителя. В итоге – трубы из обычной стали служат долго и КПД котла около 80%
Но горизонтальные проточные водотрубные котлы склонны к т. наз. «бухтению». Вода в нижних трубах оказывается гораздо горячее, чем в верхних. Она и проталкивается на подачу в первую очередь, давление падает, и воду «выплевывают» более холодные верхние трубы. «Бухтение» не только дает шуму, тепла и комфорта столько же, сколько сосед – пьяница и скандалист, но и чревато порывом в системе из-за гидроударов.
Вертикальные водотрубные котлы не бухтят, но, если проектируется водотрубный котел в дом, регистр нужно располагать на опуске дымохода, в том его участке, где горячие газы идут сверху вниз. У поточного, с одинаковым направлением движения газов и теплоносителя, водотрубного котла, КПД резко падает и на трубах возле подачи интенсивно осаждается сажа, а делать обратку выше подачи вообще недопустимо.
О емкости теплообменника
Отношение емкостей теплообменника и всей системы охлаждения берут не произвольно. Скорость передачи тепла от газов к воде не бесконечна, вода в регистре должна успеть принять в себя тепло, прежде чем уйдет в систему. С другой стороны, нагретая внешняя поверхность регистра отдает тепло воздуху, и оно зря пропадает в котельной.
Слишком маленький регистр склонен к вскипанию и требует точной быстрой регулировки мощности топки, что в твердотопливных котлах недостижимо. Регистр большого объема долго прогревается и при плохой наружной теплоизоляции котла или ее отсутствии теряет много тепла, причем воздух в котельной может прогреться выше допустимого по пожарной безопасности и ТУ на котел.
Величина емкости теплообменника твердотопливных котлов колеблется в пределах 5-25% от емкости системы. Это нужно учесть при выборе котла. Напр., для отопления по расчету получилось всего 30 секций радиаторов (батарей) по 15 л каждая. С водой в трубах и расширительным баком полная емкость системы окажется около 470 л. Емкость регистра котла должна быть в пределах 23,5-117,5 л.
Примечание: существует правило – чем больше теплотворная способность твердого топлива, тем больше должна быть относительная емкость регистра котла. Поэтому, если котел угольный, емкость регистра нужно брать ближе к верхнему значению, а для дровяного – к нижнему. Для котлов медленного горения это правило не справедливо, емкость их регистров рассчитывают исходя из наибольшего КПД котла.
Из чего делать теплообменник?
Чугун как материал для регистра котла современным требованиям не удовлетворяет:
- Малая теплопроводность чугуна ведет к низкому КПД котла, т.к. остужать отходящие газы ниже 450-500 градусов нельзя, сквозь чугун в воду не пройдет тепла сколько нужно.
- Большая теплоемкость чугуна также его минус: котел должен быстро отдать тепло в систему, пока оно не улетучилось куда-то еще.
- Чугунные теплообменники не вписываются в современные требования по массогабаритам.
Для примера возьмем секцию М-140 от старой советской чугунной батареи. Площадь ее поверхности – 0,254 кв. м. Для обогрева 80 кв. м. жилой площади нужна поверхность теплообмена в котле примерно 3 кв. м, т.е. 12 секций. Видали вы батарею на 12 секций? Представьте себе, каков должен быть котел, в котором она поместится. А нагрузка от него на пол точно превысит предельную по СНиП, и под котел придется делать отдельный фундамент. В общем, 1-2 чугунные секции пойдут на теплообменник, подпитывающий накопительный бак ГВС, но для отопительного котла вопрос о чугунном регистре можно считать закрытым.
Регистры современных заводских котлов делают из жаропрочной и жаростойкой спецстали, но для их изготовления нужны производственные условия. Остается обычная конструкционная сталь, но она при 400 и выше градусах очень быстро коррозирует, поэтому огнетрубные котлы из стали нужно выбирать для покупки или разрабатывать очень осторожно.
Кроме того, сталь хорошо проводит тепло. С одной стороны, это неплохо, можно рассчитывать простыми средствами получить хороший КПД. С другой, нельзя давать обратке охлаждаться ниже 65 градусов, иначе на регистр в котле выпадет из дымовых газов кислотный конденсат, который может проесть трубы в течение часа. Исключить возможность его осаждения можно 2 способами:
- При мощности котла до 12 кВт достаточно перепускного клапана между подачей и обраткой котла.
- При большей мощности и/или обогреваемой площади более 160 кв. м нужен еще элеваторный узел, а котел должен работать в режиме перегрева воды под давлением.
Перепускной клапан управляется либо электрически от термодатчика, либо энергонезависимо: от биметаллической пластины с тягой, от плавящегося в специальной емкости воска и пр. Как только температура в обратке упадет ниже 70-75 градусов, он подпускает в нее горячую воду из подачи.
Элеваторный узел, или просто элеватор (см. рис.) действует наоборот: вода в котле нагревается до 110-120 градусов под давлением до 6 ати, что исключает закипание. Для этого температуру горения топлива повышают, что увеличивает КПД и исключает выпадение конденсата. А перед подачей в систему горячую воду разбавляют обраткой.
В том и другом случае необходима принудительная циркуляция воды. Тем не менее, стальной котел на термосифонной циркуляции, не требующий электропитания для циркуляционного насоса, создать вполне возможно. Некоторые конструкции будут рассмотрены далее.
Циркуляция и котел
Термосифонная (гравитационная) циркуляция воды не позволяет обогреть помещение площадью более 50-60 кв. м. Дело не только в том, что воде трудно протискиваться по развитой системе труб и радиаторов: если при полном расширительном баке открыть сливной кран, вода хлынет сильной струей. Дело в том, что энергия на проталкивание воды по трубам при этом берется от топлива, а КПД преобразования тепла в движение в термосифонной системе мизерный. Поэтому и КПД котла в целом падает.
Но для циркуляционного насоса нужно электричество (50-200 Вт), которое может пропасть. UPS (источник бесперебойного питания) на 12-24 часа автономной работы очень дорог, поэтому правильно спроектированный котел рассчитывают на принудительную циркуляцию, а при пропадании электроснабжения он должен без постороннего вмешательства переходить в термосифонный режим, когда отопление еле теплится, но все-таки греет.
Как ставят котел?
Из требования минимальной собственной теплоемкости котла непосредственно вытекает его небольшой сравнительно с печью вес и весовая нагрузка от него на единицу площади пола. Как правило, она не превышает минимально допустимых по СНиП для настила пола 250 кг/кв. м. Поэтому установка котла допустима без фундамента и даже разбора настила, в т.ч. и на верхних этажах.
Ставят котел на ровную устойчивую поверхность. Если пол играет, его придется в месте установки котла все-таки разобрать до бетонной стяжки с выносом в стороны не менее 150 мм. Основу под котел застилают асбестом или базальтовым картоном толщиной 4-6 мм, а на него кладут лист кровельного железа толщиной 1,5-2 мм. Далее, если настил разбирался, низ котла обмуровывают цементно-песчаным раствором до уровня пола.
Вокруг выступающего над полом котла делают теплоизоляцию, такую же, как под низом: асбест или базальтовый картон, а на нем – железо. Вынос изоляции в стороны от котла от 150 мм, а перед дверцей топки не менее 300 мм. Если котел допускает догрузку топлива до прогорания предыдущей порции, то вынос перед топкой нужен от 600 мм. Под котел, который ставят прямо на пол, подкладывают только теплоизоляцию, накрытую стальным листом. Вынос – как в предыдущем случае.
Для котла на твердом топливе обязательно нужна отдельная котельная . Требования к ней приведены выше. Кроме того, почти все твердотопливные котлы не допускают регулировки мощности в широких пределах, поэтому для них нужна полноценная обвязка – комплект дополнительного оборудования, обеспечивающий эффективную и безаварийную работу. Мы о ней поговорим далее, но вообще обвязка котла – отдельная большая тема. Здесь упомянем только о непреложных правилах:
- Монтаж обвязки ведется в противоток воде, от обратки к подаче.
- По окончании монтажа его правильность и качество соединений проверяют зрительно по схеме.
- К монтажу системы отопления в доме приступают только после обвязки котла.
- До загрузки топлива и, если требуется, подачи электропитания, всю систему заполняют холодной водой и в течение суток контролируют все стыки на протечку. В данном случае вода именно вода, а не какой-то другой теплоноситель.
- Если протечек нет, или по их устранении, котел запускают на воде, непрерывно контролируя температуру и давление в системе.
- По достижении номинальной температуры контролируют давление в течение 15 мин, оно не должно изменяться более чем на 0,2 бар, этот процесс называется опрессовкой.
- После опрессовки котел гасят, системе дают полностью остыть.
- Сливают воду, заливают штатный теплоноситель.
- Еще раз сутки контролируют стыки на протечку. Если все в порядке – запускают котел. Нет – устраняют протечки, и снова суточный контроль перед запуском.
Выбираем котел
Теперь мы знаем достаточно, чтобы выбрать котел исходя из предполагаемого вида топлива и его назначения. Приступим.
Дровяные
Теплотворная способность дров невелика, у лучших – менее 5000 ккал/кг. Сгорают дрова довольно быстро, выделяя большой объем требующих дожигания летучих компонент. Поэтому на высокий КПД на дровах лучше не рассчитывать, зато их можно найти почти везде.
Дровяной в дом
Домашний дровяной котел может быть только длительного горения, иначе бьет его по всем статьям. Промышленные конструкции, напр. известный КВр, стоят от 50 000 руб., что все-таки дешевле строительства печи, не требуют электропитания и допускают регулировку мощности для обогрева в межсезонье. Как правило, они работают и на угле, и на любом твердом топливе, кроме опилок, но на угле расход топлива будет много выше: теплоотдача с одной загрузки 60-72 часа, а у специализированных угольных – до 20 суток.
Тем не менее, дровяной котел длительного горения может пригодиться в тех местах, где нет регулярной доставки угля и квалифицированного теплотехнического сервиса. Стоит он раза в полтора дешевле угольного, его рубашечная конструкция очень надежна и позволяет построить термосифонную систему отопления площади до 100 кв. м.. В сочетании с тлением топлива тонким слоем и довольно большим объемом рубашки вскипание воды исключено, поэтому обвязки достаточно такой же, как для титана. Подключение котла длительного горения на дровах тоже не сложнее, чем титана, и может быть выполнено самостоятельно неквалифицированным владельцем.
О кирпичных котлах
Схема устройства котла “Благо”
Кирпич – друг печи и враг котла из-за того, что придает конструкции большую тепловую инерцию и вес. Пожалуй, единственный кирпичный котел, в котором кирпич на своем месте – пиролизный «Благо» Беляева, схема на рис. И то, его роль здесь совсем иная: из шамотного кирпича выполнена футеровка камеры сгорания. Теплообменник водотрубный горизонтальный; проблема бухтения решена тем, что трубы регистра – одинарные, плоские, вытянутые в высоту.
Котел Беляева действительно всеяден, причем предусмотрены 2 отдельных бункера для загрузки разных видов топлива без останова котла. На антраците «Благо» может работать несколько суток, на опилках – до суток.
К сожалению, котел Беляева довольно дорог, из-за шамотной футеровки плохо транспортабелен и требует, как и все пиролизные котлы, сложной и дорогой обвязки. Мощность его регулируется в небольших пределах перепуском дымовых газов, поэтому хороший КПД в среднем за сезон он покажет только в местах с продолжительными сильными морозами.
О котлах в печи
Котел в печи, о которых сейчас столько говорят и пишут – водотрубный теплообменник, замурованный в печную кладку, см. рис. ниже. Идея такова: печь после протопки должна отдать тепло более регистру, чем в окружающий воздух. Скажем сразу: сообщения о КПД в 80-90% не то что сомнительны, а просто фантастичны. Лучшая кирпичная печь сама по себе имеет КПД не выше 75%, а площадь ее наружной поверхности будет не меньше 10-12 кв. м. Площадь же поверхности регистра вряд ли более 5 кв. м. Итого в воду уйдет менее половины накопленного печью тепла, а общий КПД будет ниже 40%
Следующий момент – печь с регистром сразу теряет свойство . Топить ее не в сезон с пустым регистром ни в коем случае нельзя. ТКР (температурный коэффициент расширения) металла много больше, чем у кирпича, и раздувшийся от перегрева теплообменник порвет печь на глазах. Тепловые швы делу не помогут, регистр не лист или балка, а объемная конструкция, и его распирает сразу во все стороны.
Есть тут и другие нюансы, но общий вывод однозначен: печь – это печь, а котел – это котел. И плод их насильственного противоестественного союза печной котел жизнеспособным не будет.
Обвязка котла
Котлы, исключающие вскипание воды (рубашечные длительного горения, титаны) не могут быть выполнены на мощность более 15-20 кВт и вытянуты в высоту. Поэтому обогрев своей площади они всегда обеспечивают в термосифонном режиме, хотя и циркуляционный насос, конечно, не помешает. Их обвязка кроме расширительного бачка включает в себя только воздушный дренажный кран в самой верхней точке трубопровода подачи и сливной кран в низшей точке обратки.
Обвязка твердотопливных котлов других типов должна обеспечивать набор функций, с которым лучше разобраться по рис. справа:
- группа безопасности: дренажный воздушный кран, общий манометр и прорывной клапан для выпуска пара при вскипании;
- накопительный бак аварийного охлаждения;
- его поплавковый кран, такой же, как в унитазе;
- термоклапан запуска аварийного охлаждения с его датчиком;
- MAG-блок – сливной вентиль, аварийный сливной клапан и манометр, собранные в одном корпусе и подключенные к мембранному расширительному баку;
- узел принудительной циркуляции с обратным клапаном, циркуляционным насосом и электроуправляемым по температуре трехходовым перепускным клапаном;
- интеркулер – радиатор аварийного охлаждения.
Поз. 2-4 и 7 составляют группу сброса мощности. Как уже сказано, твердотопливные котлы по мощности регулируются в небольших пределах, и при внезапном потеплении вся система может недопустимо, вплоть до порыва, перегреться. Тогда термоклапан 4 пускает водопроводную воду в интеркулер, а она охлаждает подачу до нормы.
Примечание: хозяйские денежки за топливо и воду при этом тихо-мирно утекают в канализацию. Поэтому котлы на твердом топливе для мест с мягкой зимой и затяжным межсезоньем непригодны.
Группа принудительной циркуляции в штатном режиме перепускает часть подачи в обратку, чтобы ее температура не упала ниже 65 градусов, см. выше. При отключении электропитания термоклапан захлопывается. В радиаторы отопления поступает воды столько, сколько они пропустят в термосифонном режиме, лишь бы в комнатах жить можно было. А вот термоклапан интеркулера полностью открывается (он держится закрытым под напряжением), и избыток тепла опять уносит в сток хозяйские деньги.
Примечание: если вместе с электричеством пропала и вода, котел нужно срочно тушить. Когда вода из бака 2 вытечет, система вскипит.
Котлы со встроенной защитой от перегрева на 10-12% дороже обычных, но это с лихвой окупается упрощением обвязки и повышением надежности котла: избыток перегретой воды здесь выливается в открытый расширительный бак большой емкости, см. рис., откуда она, остыв, стекает в обратку. Система, кроме циркуляционного насоса 7, энергонезависима и переходит в термосифонный режим плавно, но при внезапном потеплении топливо все равно пропадает зря, а расширительный бак нужно устанавливать на чердаке.
Что касается пиролизных котлов, то типовую схему их обвязки приводим только для ознакомления. Все равно, ее профессиональный монтаж обойдется лишь в небольшую часть стоимости компонент. Для справки: один только теплоаккумулятор к котлу на 20 кВт стоит около $5000.
Примечание: мембранные расширительные баки в отличие от открытых устанавливаются на обратку в ее низшей точке.
Дымоходы для котлов
Дымоходы твердотопливных котлов рассчитываются в общем так же, как печные. Общий принцип: слишком узкий дымоход не даст нужной тяги. Для котла это особенно опасно, т.к. он топится непрерывно и угар может пойти ночью. Слишком широкий дымоход приводит к «просвисту»: холодный воздух по нему опускается в топку, выстуживая печь или регистр.
Дымоход котла должен удовлетворять следующим требованиям: расстояние от конька крыши и между разными дымоходами не менее 1,5 мм, вынос вверх над коньком тоже не менее 1,5 м. На крыше должен быть обеспечен безопасный доступ к дымоходу в любое время года. На каждом изломе дымохода вне котельной должна быть прочистная дверца, каждый проход трубы сквозь перекрытия должен быть теплоизолирован. Верхний конец трубы должен быть снабжен аэродинамическим колпаком, для дымохода котла он, в отличие от печного, обязателен. Также для дымохода котла обязателен сборник конденсата.
В целом расчет дымохода для котла несколько проще, чем для печи, т.к. дымоход котла не такой извилистый, теплообменник считается просто за решетчатую преграду. Поэтому можно строить обобщенные графики для разных расчетных случаев, напр. для дымохода с горизонтальным участком (боровом) в 2 м и сборником конденсата глубиной в 1,5 м, см. рис.
По таким графикам можно после точного расчета по местным данным прикинуть, не было ли грубой ошибки. Если расчетная точка где-то около своей обобщенной кривой, расчет правилен. В крайнем случае, придется нарастить или обрезать трубу на 0,3-0,5 м.
Примечание: если, скажем, для трубы высотой в 12 м кривой на мощность меньше 9 кВт нет, это не значит, что 9 кВт котел нельзя эксплуатировать с трубой покороче. Просто для труб пониже обобщенный расчет уже не получается, и считать нужно точно по местным данным.
Видео: пример строительства твердотопливного котла шахтного типа
Выводы
Истощение запасов энергоресурсов и подорожание топлива в корне изменили подход к конструированию бытовых отопительных котлов. Теперь от них, как и от промышленных, требуется высокая экономичность, малая тепловая инерция и возможность оперативного регулирования мощности в широких пределах.
В наше время отопительные котлы по заложенным в них основным принципам окончательно разошлись с печами и разделились на группы под разные климатические условия. В частности, рассмотренные котлы на твердом топливе пригодны для местностей с суровым климатом и продолжительными сильными морозами . Для мест с иным климатом предпочтительнее будут отопительные приборы других типов.