Устройство и принцип работы твердотопливного котла – теория и практика

Общие сведения

Из-за высокой стоимости дизельного топлива и электричества, а также дополнительных расходов на подключение газового оборудования во многих случаях выбор делают в сторону котла на твердом топливе. В результате получается обзавестись отопительной системой, на работу которой не влияет наличие или отсутствие внешних энергоносителей. Как правило, большая часть приборов данного типа не нуждаются в электрической энергии, или же потребляют ее в очень небольших количествах.

Чаще всего твердотопливными котлами комплектуются индивидуальные системы отопления в отдаленных районах, испытывающих серьезные затруднения с подачей магистрального газа. Существуют целые области нашей страны, где в качестве основного обогревающего агрегата используются дровяные котлы.

От теории к практике

Чаще желающие смастерить оборудование своими руками останавливают выбор на вертикальном твёрдотопливном котле. Процесс изготовления будет рассмотрен на примере твёрдотопливного котла для отопления дома площадью 100 м2. Эта система состоит из семи радиаторов и разводки системы водопровода.

Итак, делаем теплообменник:

1. изготавливаем вертикальные основания теплообменника. Для этого берём четыре профильные трубы длиной по 30 см каждая, которые будут располагаться со стороны камеры сгорания;
2. в них газовым резаком делаем по четыре отверстия диаметром 5 см. Неровности убираем угловой шлифовальной машинкой (болгаркой). Должно получиться восемь отверстий;
3. в трубах, которые будут находиться в задней части оборудования, проделываем четыре отверстия диаметром 40 мм и четыре диаметром 50 мм. Все они должны располагаться со стороны соединения с передними стойками. В результате должно получиться по восемь отверстий;
4. в профильной трубе длиной 500 мм вырезаем отверстие для крепления патрубка, через который будет происходить вывод отработанной воды;
5. в верхней части задней стойки делаем отверстие для подачи воды в систему.

После чего приступаем к сборке теплообменника. Вертикальные основания соединяются профильной трубой. Для этого её кладём на установленные перпендикулярно поверхности основания. Места соединения провариваем сваркой. Всю эту конструкцию с обратной стороны соединяем профильной трубой с отверстиями для отвода воды. В результате получаем переднюю стенку теплообменника.

Далее вертикальные основания устанавливаем перпендикулярно, и свариваем четырьмя трубами круглого сечения. Получается задняя стенка теплообменника. Переднюю и заднюю стенки соединяем между собой. Для этого надо подвести продольные трубы к отверстиям и проварить их, а затем к конструкции привариваем патрубки для подачи и вывода воды. Стыки завариваем с использованием кусочков металла и проверяем прочность теплогенератора.

После проверки прочности сварки закрываем пробкой патрубок для отвода воды, а в отверстие для подвода заливаем воду. Проверяем герметичность сварочных соединений на видимые протечки.

Изготовление корпуса тоже потребует усилий. Для этого из листов жаропрочной стали вырезаем восемь стенок – 2 передние, 2 задние и 4 боковые. Площадь каждой из них должна быть 850 х 300 мм. Все замеры производим метровой линейкой, отрезаем материал болгаркой. После чего вырезаем две пластины размером 450 х 450 мм: одну для днища, другую для верхней плиты котла.

Делаем два отверстия под дверки в передней стенке: первое — на уровне колосника для поджигания топлива и очистки камеры сгорания, а второе – немного выше по уровню для загрузки топлива. В работе используем дрель и болгарку. Из листа нарезаем рёбра жёсткости длиной 80 см.

Водяная рубашка

Принцип действия твердотопливного котла подразумевает наличие в его топке двойных стенок: в промежутке между ними заполняют теплоносителем. Такую конструкцию называют водяной рубашкой. По мере горения топлива происходит нагревание жидкости в водяной рубашке. Это приводит к появлению тепловых потоков, поднимающих горячий теплоноситель в верхнюю часть емкости. Отсюда горячая вода перетекает в теплопровод. После того, как жидкость пройдет по всему отопительному контуру и отдаст тепло жилищу, она возвращается в остывшем состоянии обратно. Для этих целей имеет нижний патрубок.

Для убыстрения циркуляции воды внутри отопительной системы на некоторых твердотопливных котлах монтируются специальные насосы. Однако большая часть моделей выпускается для открытых отопительных систем. Имеются в виду схемы, где теплоноситель двигается не за счет работающей помпы, а благодаря небольшому уклону трубопровода. Объясняется это простотой, надежностью и экономичностью инерционных систем. К тому же, они полностью независимы от наличия электрической энергии. Благодаря этому их можно применять в отдаленных районах, лишенных благ цивилизации.

Открытый контур с гравитационной циркуляцией

Данный вариант легко выполнить даже новичку. Тут вода циркулирует в системе за счет разницы плотности холодной и горячей жидкости. Согласно законов физики, горячая вода начинает поступать вверх (так как ее плотность меньше), а там уже остывает и возвращается в исходную точку.
Не смотря на то, что такой тип обвязки достаточно прост, он требует соблюдения ряда требований. Во-первых, для того, чтобы вода свободно циркулировала в системе, нужно устанавливать нагревательное оборудование на полметра ниже, чем в доме расположены батареи. Во-вторых, чтобы свести к минимуму проявление гидросопротивляемости, нужны трубы сечением до 5 см, при этом распределительные трубы на батареях могут иметь значение в 2,5 см. В-третьих, запирающие устройств и арматура напрямую влияет на свободную циркуляцию воды в системе, поэтому таких элементов должно быть минимум.

Но ради справедливости стоит сказать, что открытая система с естественной циркуляцией имеет и ряд своих преимуществ. Помимо того, что она самая простая в обустройстве, финансовые затраты на нее не так уж и велики. Правда, хозяин не сможет постоянно контролировать температурный режим теплоносителя на выходе, из-за чего обогрев контура несколько снижается. Также расширительный бак эпизодически остается открытым, значит, получается, что кислород имеет контакт с теплоносителем, из-за чего постепенно повышается риск развития коррозии.

Подведя итоги, стоит сказать, что специалисты рекомендуют данный тип схемы отопления только для тех частных домов, где люди живут время от времени, а не на постоянной основе, например, для дачи.

Контроль и регулировка температуры

Как известно, обязательным условием для процесса горения является подача воздуха. При чем от интенсивности этой подачи напрямую зависит скорость горения. Этот принцип используется в конструкции твердотопливных котлов, где для регулировки поступления воздуха имеются механические заслонки и шиберы.

Для такой схемы устройства твердотопливного котла отопления характерна простота и надежность: заслонку прочно скрепляют со специальным регулятором. Если температура чрезмерно поднимется, это провоцирует расширение стенок регулятора и следующее за этим опускание заслонки. В итоге снижается интенсивность поступления кислорода в топочную камеру. Процесс остывания регулятора активизирует обратный процесс поднятия заслонки: воздух получает возможность поступать в большем объеме, увеличивая тем самым интенсивность горения.

На первый взгляд может показаться, что учитывая принцип работы твердотопливного котла длительного горения, такая схема управления процессом горения слишком примитивна и архаична. Однако именно простота служит залогом ее эффективности и надежности. Это объясняет широкое распространение шиберной регулировки в большинстве моделей твердотопливных отопительных котлов. Строго говоря, такой подход до сих пор не испытывает особой конкуренции, т.к. в этом случае не требуется дорогостоящая электроэнергия.

Установка системы отопления своими руками

Монтаж котла. В общем-то, монтаж ТТ котла в доме не считается какой-то суперсложной работой. Нужно всего-навсего установить отопительный котел по уровню, делается это путем регулировки ножек котла.

Вентиляция и дымоход

Любая СО нуждается в воздухе, который, собственно, и поддерживает нормальное горение топлива в камере. Поэтому нужно в котельном помещении оборудовать хорошую вентиляцию, а также установить дымоход, чтобы выводить из топки газы и дым, которые остаются после горения дров.

• Прежде чем сделать хорошую вентиляцию, нужно внимательно ознакомиться со СНИП. Если помещение большое, то можно обойтись и пассивной вентиляцией, а если небольшое, то нужно будет устанавливать вентиляцию с кулерами, которые будут нагонять воздушные массы.
• Перед непосредственной покупкой и установкой дымохода, нужно зайти на сайт с онлайн-калькулятором для размеров дымохода. Ведь диаметр и высоту трубы следует выбирать в зависимости от расположения котла, его мощности, а также возможности вывода через потолок или стену.

Наибольшее внимание стоит уделить вопросу пожаробезопасности, проход через стену или потолок делается с применением пожаростойких материалов

Здесь также важно руководствоваться СНИП

Подключение ТТ котла

Для грамотной работы твердотопливного котла важно предусмотреть правильную подачу теплоносителя в котел. Ведь на холодную он не должен начинать работать, так как этом случае на стенках дымохода скапливается конденсат, на который отлично оседает сажа.

Чтобы подобного не случалась, необходимо предусмотреть обвязку с байпасом и 3-ходовым клапаном.

• Его устанавливаются на температуру примерно в 55 градусов по Цельсию, в этом случае вода будет циркулировать по наименьшему контуру до тех пор, пока его температура не достигнет нужного уровня, затем клапан будет приоткрывать и понемногу добавлять теплоноситель из основного контура.
• Котел подключается к готовому контуру из полипропиленовых труб с радиаторами, в верхней точке ставится расширительный бачок, а в нижней циркуляционный насос (если у вас не естественная циркуляция).

Разновидности твердотопливных котлов

Принцип действия твердотопливных котлов позволяет им быть частью различных современных схем. Речь идет как о самых простых одноконтурных приборах, так и о мощнейших многофункциональных агрегатах с высокой производительностью. Существует несколько способов классификации твердотопливного оборудования.

По материалу изготовления:

1. Из стали. Стоимость на стальные приборы ниже, чем на чугунные. К тому же они более просты в обслуживании: чистка проходит без особых проблем. Из недостатков можно выделить чувствительность моделей к температуре в обратной трубе: она должна быть не менее +60 градусов. Это предусматривает использование специальных клапанов для поддерживания необходимого температурного режима путем подмешивания в обратку горячей воды из подающей трубы.
2. Из чугуна. Отличаются более высокой долговечностью, однако требуют сложный уход. Использование чугунных твердотопливных котлов рекомендуется в случае их непрерывного использования. Приобретение сверхнадежного чугунного агрегата только для аварийных случаев является непрактичным решением. С подобными задачами в состоянии справиться более дешевые стальные модели.

Виды устройства, которые можно создать самому

Котёл следует начинать строить с задумки. Первым этапом должен стать выбор вида создаваемого изделия. В ряде случаев можно подобрать вид по имеющимся деталям, по особенностям конфигурации оборудования, а также по личным потребностям создателя. Только после рассмотрения собственных возможностей, следует подбирать чертежи. В конечном результате следует выбрать котёл длительного горения по параметру направления сгорания топлива:

• Нижнее. Топливо поджигается снизу (таким способом работает большинство котлов).
• Верхнее. Топливо загорается вверху и постепенно сгорает к нижнему уровню.

Котлы с нижним направлением горения можно разделить на два вида:

• Традиционный. Подаваемые твердотопливные элементы возгораются и сжигаются в одном отделении. Выход дыма осуществляется с помощью стандартной трубы для вывода дыма.
• Шахтные. Здесь имеется две камеры. Одна служит для подачи топлива, а другая является теплообменником.

Также рассматривается несколько вариантов по способу сжигания. Котёл может иметь стандартную схему поглощения топлива. Здесь процесс осуществляется таким же способом, как и при стандартных обстоятельствах. Ярким примером является печь в частном доме. Котёл с пиролизным сжиганием имеет особую схему, которая подразумевает выделение древесного газа с последующим его воспламенением.

Немаловажным отличием является и теплообменник. Этот элемент изготавливается по особой технологии. Существует несколько способов решения вопроса с его созданием. Помимо особенностей теплообменника котёл для процесса горения может использовать уголь и дрова, или только один из представленных вариантов топлива. В этом случае следует заранее рассчитать резонность использования определённого топлива. От этого выбора будет зависеть конструкция самого изделия.

Принцип работы

Работает котел на твердом топливе, как правило, на дровах, торфе, отходах пиломатериалов, специальных древесных брикетах, угле и пеллетах (гранулах, изготовленных из измельченной древесины, смолы, хвои и т.п.). Особой популярностью пользуются приборы универсального типа, способные потреблять практически все виды твердого топлива.

По способу теплопередачи котлы бывают:

• Воздушными.
• Паровыми.
• Водяными (встречаются чаще всего).

По принципу сжигания топлива:

• Традиционные. Работают на дровах и угле. Принцип действия такой же, как у обычной дровяной печи.
• Длительного горения. Инновационная разработка в области оборудования для отопления. Твердотопливные котлы длительного горения имеют вид удлиненной топочной камеры, окруженной со всех сторон водяной рубашкой. При горении пламя распространяется не снизу вверх, а сверху вниз, напоминая в этом отношении процесс горения свечи. Принцип работы котла длительного горения позволяет достигать полного сгорания топлива. При этом увеличивается промежуток горения одной закладки топлива (до 7 суток). Работает котел длительного горения, как правило, при стабильно высокой температуре теплоносителя, что на порядок повышает его КПД. Бесперебойное и безопасное функционирование таких моделей достигается за счет включения в конструкцию вентиляторов для экстренного тушения, предохранительного клапана и циркуляционной помпы.

• Пеллетные. В качестве топлива здесь используются специальные пеллеты. Такие котлы дополнительно оснащаются автоматической системой подачи пеллет и бункером для хранения топлива. Благодаря электронным датчикам осуществляется контроль наличия топлива внутри топки. Для работы такой системы необходимо стабильное электрическое питание.
• Пиролизные. Уникальное оборудование, где наряду с энергией от горения твердого топлива используется также тепловыделение газов. Это дает возможность небольшой объем топлива обратить в значительную порцию тепловой энергии. В результате достигается повышение КПД котла и снижение вредных выхлопов.

Принцип работы твердотопливных котлов длительного горения дает возможность применить автоматизацию. Управление агрегатами данного типа настолько простое, что его может осилить ребенок.

Подробная инструкция по изготовлению конструкции своими руками

Простой энергонезависимый котел верхнего горения делают так:

1. В старом баллоне вырезают отверстие и приваривают в этом месте дымоотводящий патрубок изогнутой формы. Начинающему лучше пользоваться электродами МР-3.
2. Верхнюю часть обваривают по периметру листовым материалом толщиной 2-5 мм.
3. Из обрезанной верхушки баллона делают крышку, вырезав в ней отверстие и присоединив горловину.
4. Изготавливают воздухораспределитель путем приваривания к торцу трубы диска с каналами из уголка. Деталь оснащают регулируемой заслонкой.
5. Делают водяную рубашку. Для этого вставляют баллон в трубу большего диаметра и заваривают конструкцию с торцов.

Энергонезависимый котел можно сделать из баллона.
Порядок запуска:

1. Во внутреннюю камеру загружают топливо и разжигают его вверху.
2. Ставят на дрова диск воздухораспределителя, так чтобы его труба смотрела в небо.
3. Надевают крышку.

Регулируя заслонкой тягу, добиваются оптимального режима горения.

Расчет тепловой мощности

Продолжительность горения правильно изготовленного котла составляет 12 часов. Исходя из этого, определяют его мощность по формуле:

N=n*(m*15*10^6/ (12*3600)), где:

N — КПД установки, принимают равным 60-75%;

m — масса топливной загрузки, кг;

15*10^6 — удельная теплота сгорания для сухих дров (береза, сосна), Дж/кг;

3600 — количество секунд в часе.

Расчет показывает, что горючее массой 27 кг дает мощность около 7 кВт.

Итоги

В начале обзора были рассмотрены самые простые модели, которые являются не только дешевыми, но и достаточно надежными. По мере усложнения, улучшения функциональность, оснащения автоматикой возрастает не только КПД приборов, но и стоимость.

Как правило, чем сложнее схема агрегата, тем более высокая цена непосредственной модели и ее установки. Кстати, монтаж и подключение отопительного оборудования лучше доверить профессионалам.

Стоит обратиться к специалистам и для проведения предварительных расчетов, чтобы убедиться в правильности своего выбора. Потому как котел немного сложнее, чем отопительная печь для дома.

Дорогие модели отличаются комфортной эксплуатацией и работой с минимальным участием человека. Они не требуют частой закладки топлива, я процессы горения находятся под контролем автоматической системы.

Перейти к выбору твердотопливного котла

Технические характеристики

Теплообменник промышленного водогрейного котла
Основные технические характеристики водогрейной техники следующие:

• устройство — жаротрубный, водотрубный;
• рабочая температура — низкотемпературный (до + 115 ºС), высокотемпературный (+ 115-200 ºС);
• теплоноситель — вода;
• функциональность — одноконтурные (только отопление), двухконтурные (отопление, ГВС);
• номинальное давление в системе — 0,6-0,8 МПа;
• производимая мощность — 3-28 кВт;
• виды топлива — дрова, брикеты, газ, дизель, отработка, мазут, электричество;
• управление — ручное, автоматическое.

Выбор изделия проводится исходя из его предназначения, размеров и конфигурации объекта, в котором оно будет установлено.

Область применения

Мощные модели устанавливаются на объектах, где нужно греть большие объемы воды

Сфера применения водогрейных котлов распространяется на все области жизнедеятельности людей. Изделия используются для отопления жилых и хозяйственных объектов, охватывая практически все направления промышленности:

При соблюдении требований безопасности нагревательная техника может быть установлена в таких местах:

• квартиры, дачи, коттеджи, частные дома;
• складские помещения;
• сельскохозяйственные строения;
• здания для содержания животных и птицы;
• хранилища для овощей и зерна;
• ангары и закрытые павильоны;
• расположенные вне населенных пунктов прииски, буровые установки, артели и поселки;
• туристические базы и дома отдыха.

При выборе котла рекомендуется обращать внимание на происхождение товара. Приоритет следует отдавать проверенным производителям с мировым именем.

Классификация

В настоящее время все теплотехническое оборудование промышленного типа делится на несколько категорий. Основное же разделение происходит на две группы. Если основной признак разделения – это движение газов или воды, то промышленные котлы делятся на жаротрубные и водотрубные. В первом случае обогрев производится насыщенным паром с высоким содержанием влаги, во втором – водой, доведенной до температуры практически +100 °C.

Если разделение производится по используемому топливу для нагрева воды, то классификация здесь шире:

• твердотопливные;
• жидкотопливные;
• электрические;
• газовые;
• агрегаты, работающие на альтернативном топливе.