В нынешние времена мало кто из домовладельцев готов приобретать отопительную технику, не разобравшись досконально, за что он платит свои кровные. Это касается и твердотопливных котлов, чей ассортимент достаточно широк. Но одному человеку достаточно знать технические характеристики оборудования, а другому важно понять принцип работы того или иного теплогенератора. Представляем вашему вниманию существующие на данный момент схемы твердотопливных котлов с описанием их работы. Они могут различаться в деталях у разных изделий, но на общий принцип это не повлияет.
Классические твердотопливные котлы
Это самый распространенный вид отопительных установок, сжигающих твердое топливо, их еще называют котлами прямого горения. В силу простоты конструкции данные агрегаты – самые дешевые из всех и потому приобретаются домовладельцами чаще всего.
Также популярны они и среди мастеров – самодельщиков, оттого и чертежи по изготовлению традиционных теплогенераторов отыскать несложно. Агрегаты можно условно разделить на 2 типа:
- энергонезависимые, работающие на естественной тяге дымохода;
- наддувные, с принудительным нагнетанием воздуха.
Первые функционируют по принципу обычной печи, только «одетой» в водяную рубашку. Объемная топливная камера располагается над зольником, отделяемая от него колосниками. Воздух из помещения поступает в топку через заслонку в дверце зольника и колосниковую решетку. Его количество регулирует термостат с цепным приводом, ориентирующийся на температуру воды в рубашке котла и управляющий воздушной заслонкой механически. Для лучшего восприятия процесса ниже показана схема твердотопливного котла:
Дымовые газы, выделяющиеся в топке, проходят через жаровые трубы теплообменника, омываемые снаружи водой. В зависимости от конструкции отопителя, продукты горения могут совершить 2 или 3 хода по газоходам, интенсивно обмениваясь теплом с водяной рубашкой. Отдав свою теплоту, газы покидают агрегат посредством дымохода.
Примечание. В приведенной схеме теплогенератора жаровые трубы расположены горизонтально. Есть модели и с вертикальными газоходами, но решающего значения это не имеет.
Энергонезависимые твердотопливные агрегаты не могут похвастать высоким КПД, максимум – 70%. Длительность горения зависит от объема топливника и режима работы, хотя настоятельно рекомендуется использовать их совместно с теплоаккумулятором. Второй тип котлов – более продуктивный, их КПД достигает 75% за счет принудительной подачи воздуха вентилятором. Устройство такой установки хорошо отражает схема работы твердотопливного котла, представленная ниже:
Характеристики газовых отопителей
Основным топливом агрегатов служит природная смесь газов на основе метана, получаемая из магистральных трубопроводов. Когда требуется организовать автономное газовое отопление, возможен переход на пропан-бутановую сжиженную смесь, подаваемую из газгольдера или рампы с баллонами.
По способу установки агрегаты бывают настенные и напольные, причем последние обычно не нуждаются в электричестве. Навесные теплогенераторы представляют собой мини-котельные, укомплектованные расширительным баком, циркуляционным насосом и блоком электронного управления.
По способу сжигания топлива и эффективности газовые отопители делятся на 3 категории:
- Атмосферные, открытая камера сгорания, КПД — до 90%. Воздух подается к горелке естественным путем из котельной, отдавшие тепло газы выбрасываются в традиционный дымоход.
- Турбированные (наддувные), камера сжигания полностью закрыта, КПД — 93%. Воздух нагнетается вентилятором, дым уходит на улицу через двустенную коаксиальную трубу.
- Конденсационные агрегаты используют скрытую теплоту горения углеводородов, поэтому КПД достигает 96—97%. Конструкция похожа на турбированный котел, но закрытая камера и горелка отличается цилиндрической формой.
Турбированная модель подвесного котла, оснащенного пластинчатым теплообменником для нагрева воды
Все указанные отопители могут снабжаться водяным контуром ГВС. Для этой цели применяется 2 типа теплообменников – отдельный пластинчатый из нержавеющей стали и медный кожухотрубный (вмонтирован внутрь основного нагревателя).
Цена котлов растет в порядке перечисления – атмосферные аппараты считаются недорогими, затем идут отопители с турбиной, Стоимость конденсационной техники примерно вдвое выше обычных теплогенераторов (одного производителя).
Низкотемпературные конденсационные аппараты хорошо подходят для нагрева теплых полов
Плюсы газовых котлов:
аппараты довольно экономичны и надежны в работе; высокая степень автоматизации – домовладельцу не нужно уделять аппарату внимание; простота эксплуатации, обслуживание – 1 раз в году; в котельной чисто, уровень шума – низкий; для наддувной модели не придется строить классический дымоход – труба выводится горизонтально сквозь стену.
По недостаткам: сами газовые теплогенераторы безупречны, проблема в другом – подведение магистрали к частному дому и получение необходимых разрешений. Первая услуга стоит немалых денег, вторая отнимает массу времени. Промежуточный вариант – устройство автономной подачи сжиженного газа от баллонов либо подземной емкости.
Котлы длительного горения
Данные агрегаты по эффективности не лучше традиционных, их показатели примерно такие же: у атмосферных котлов – до 70%, у наддувных – до 75%. А вот продолжительность горения с одной закладки дров или угля у них и вправду увеличена. Это достигается благодаря следующим техническим решениям:
- увеличенные размеры топливной камеры, куда вмещается вдвое больше дров, нежели в обычный котел;
- способ сжигания нетрадиционный – сверху вниз.
Такие теплогенераторы имеют цилиндрическую форму, поскольку реализовать идею в прямоугольном корпусе вряд ли возможно. Топка наполняется дровами доверху, разжигается сверху, а затем на них с помощью телескопической трубы опускается груз с отверстием для прохода воздуха. По мере прогорания груз опускается, из-за чего воздух все время подается непосредственно в зону пламени. На иллюстрации ниже изображена схема твердотопливного котла длительного горения:
Воздух проходит по телескопической трубе тоже сверху вниз, побуждаемый естественной тягой дымохода либо нагнетаемый вентилятором. Конструкцией не предусмотрен теплообменник, процесс нагрева теплоносителя происходит напрямую, хотя дымовые газы тоже успевают отдать часть своего тепла. Благодаря описанному способу сжигания котел и система отопления могут работать с одной загрузки древесины до 12 часов, а угля – до 2 суток.
Особенности загрузки топлива и эксплуатации
Сборка системы отопления
От простого котла, где полноценное воздухоснабжение необходимо по всему объему сжигания топлива, конструкция длительного горения, как отмечалось ранее, отличается ограниченностью этой подачи. Более того, объем загрузки непосредственно влияет на время горения, поэтому в нашем случае топочная загружается предельно плотно, чтобы не оставалось промежутков.
Топка изнутри
Обратите внимание! В качестве топлива можно использовать не только дрова, но и опилки, уголь, торф, мусор (исключительно сгораемый) и проч.
Топливо загружается в такой последовательности.
Загрузка котла
Пробная топка котла
Шаг 1. Снимается верхняя крышка конструкции.
Шаг 2. Извлекается воздушный регулятор.
Шаг 3. Котел загружается топливом по уровень дымоходной трубы.
Шаг 4. Сверху топливо поливается небольшим количеством жидкости для розжига (соляркой, отработанным маслом и проч.).
Шаг 5. Воздушный регулятор устанавливается обратно, сверху надевается крышка.
Шаг 6. Воздушная заслонка открывается до предела.
Шаг 7. Поджигается кусок бумаги, бросается внутрь конструкции. Когда топливо начинает тлеть, воздушная заслонка закрывается.
Система отопления. Обвязка
Система отопления. Обвязка
О том, что началось перманентное горение, можно судить по появившемуся из дымоходной трубы дыму. По мере сжигания топлива труба меньшего диаметра будет опускаться вместе с воздушным регулятором – по этому своеобразному индикатору и можно определить количество оставшегося топлива.
Пиролизные котлы
Принцип действия данных теплогенераторов основан на раздельном сжигании в двух камерах, сообщающихся между собой через форсунку из огнеупорного кирпича. В первичной камере, расположенной сверху, тлеют дрова при ограниченной подаче воздуха вентилятором. В результате происходит процесс пиролиза, иначе – газификации, при котором выделяется смесь горючих газов. Она перемещается во вторую камеру, где и дожигается при поступлении вторичного воздуха. Рабочая схема пиролизного котла, работающего на твердом топливе, выглядит следующим образом:
Дымовые газы из вторичной топки попадают в жаротрубный теплообменник в виде вертикальных газоходов, окруженных водяной рубашкой. Там они остывают, передавая тепло воде, и покидают котел через дымоходный патрубок. Производительностью вентилятора управляет электронный блок – контроллер, ориентируясь на показания датчиков давления и температуры.
В целом теплогенератор имеет неплохие показатели эффективности – порядка 80%, но при этом агрегат существенно дороже классического. Кроме того, котел показывает высокий КПД только при работе на сухих дровах, хотя это утверждение справедливо и для других твердотопливных агрегатов.
Расчёт ракетной трубы
Кроме подбора состава керамической смеси, не менее важно рассчитать оптимальные размеры ракетной трубы, т.к. это напрямую влияет на эффективность работы котла. Засев за расчёты, помним, что вход в «J-трубу» — это самое узкое место в системе. После него все остальные сечения должны последовательно увеличиваться не менее чем на 2 см.
Perelesnik
Единственное, что я сделал — это значительно увеличил сечения, по которым горячий газ проходит вдоль стенок теплообменника. Это замедляет скорость потока.
Таким образом, газ полностью отдаёт своё тепло системе, что увеличивает эффективность работы котла.
Чтобы рассчитать размеры трубы, пользователь взял за основу размер пиролизной щели для котлов мощностью на 20 кВт. Затем, оттолкнувшись от этого входного параметра, он нашёл остальные размеры трубы. Как показала практика, такой подход оправдал себя.
Для наглядности представляем примерный алгоритм расчёта ракетной трубы.
Возьмём за основу данные из следующей таблицы:
Из таблицы берём первое значение. Для удобства переводим цифры из мм в см. Находим площадь входной щели трубы: 12х3 = 36. Получаем — 36 см².
Дальше: труба должна иметь большее сечение. Отсюда: если принять внутренний диаметр трубы в 8 см, то, чтобы найти площадь, используем формулу: S = πR^2, где R – радиус круга. Находим радиус: 8/2=4 см. Возводим радиус в квадрат (во вторую степень), для чего умножаем его на себя. Получаем: 4х4=16 см. Умножаем полученный результат на число «Пи»: 16х3.14 (округляем) = 50 см².
Если разделить 50/36, то, округлив полученное значение до 1.38, выходим на необходимый нам коэффициент отношения площади входного отверстия: 1.3-1.5.
Зная диаметр трубы, вычисляем внешний диаметр модели для отливки формы. Внутренний диаметр – 80 мм. Прибавляем стенки толщиной в 10 мм. Получаем – 100 мм. Учитываем, что керамическое изделие может дать усушку в 10-15%. Итого: наружный диаметр модели – 110-115 мм.
Длина вертикальной части «J-трубы» приведена в американском учебнике по строительству ракетных печей, о котором упоминалось в первой части материала. Она равна 0.8-1 м. Этот размер получен экспериментальным путём, выдержав его, получаем работоспособную систему.
Длина горизонтального участка трубы должна быть меньше, чем половина длины вертикального участка, т.е. меньше, чем 0.5 м. У автора котла эта величина равна 0.3 м. Делать горизонтальный участок слишком коротким тоже не следует, т.к. газы, перед тем как попасть в вертикальную, «разгонную» часть трубы, должны как следует разогреться. Не забываем о теплоизоляции короткого участка. Это снизит потери тепла и создаст все условия для дожига газов. Для того, чтобы в нижнюю часть вертикальной трубы подать вторичный воздух, пользователь добавил в конструкцию форсунку.
Котлы на пеллетах
Эта группа теплогенераторов – самая прогрессивная из всех, хотя и самая дорогая. Недешево обойдется как сам отопитель, так и его установка с подключением. Но пеллетные котлы стоят своих денег: они эффективны (КПД – до 85%), полностью автоматизированы и лишены инертности, присущей остальным твердотопливным «собратьям». Поскольку запаса топлива в бункере хватает на 3—7 дней работы, то их можно смело отнести к агрегатам продолжительного горения.
Конструктивно установки схожи с газовыми отопителями, поскольку снабжаются горелками двух типов: ретортной и факельной. На рисунке представлен чертеж твердотопливного котла длительного горения на пеллетах с разными типами горелок:
Организация теплопередачи здесь такая же, как и в других теплогенераторах, — с помощью жаротрубных теплообменников. Высокая эффективность достигается за счет другого: сухого качественного топлива и контролируемого автоматикой сжигания. Но если попадутся влажные либо рыхлые пеллеты, то и КПД агрегата резко снизится.
Для справки. По такому же принципу действуют и автоматические угольные котлы, только горелки в них бывают одного типа – ретортные.
Немного о контурах для ГВС
В силу своих особенностей любые твердотопливные отопители мало приспособлены для прямого нагрева воды на нужды ГВС. Тем не менее некоторые производители все же встраивают в свои изделия второй контур в виде змеевика. При этом схема двухконтурных твердотопливных котлов бывает разной, змеевик может располагаться внутри водяной рубашки и прогреваться от теплоносителя. В других моделях его помещают внутрь топливника либо над ним.
Оптимальный вариант – не помещать теплообменник внутрь дровяного теплогенератора, а готовить воду в бойлере косвенного нагрева, что будет служить одновременно и тепловым аккумулятором. Но приобрести подобное оборудование не всем под силу, поэтому пользователям все еще интересны двухконтурные агрегаты, хотя обеспечить все потребности в горячей воде они вряд ли смогут. Ниже представлена схема установки котла функцией подогрева воды для ГВС:
