Водогрейные твердотопливные котлы: рассматриваем детально

В настоящее время многие считают водогрейные котлы на твердом топливе устаревшими, но в определенных условиях полноценная отопительная система не может без них работать. 

Котёл на дровах

Корпус водогрейных котлов на дровах изготавливается из высокопрочной стали с внешними тепловыми экранами. Таким способом внутренние детали устройства защищены от негативного воздействия извне. Также тепловые экраны защищают корпус от перегрева. Это сделано специально для безопасности человека: прикосновение к корпусу, даже во время работы агрегата не приведёт к ожогу.

Устройство дровяного водогрейного котла простое:

  • Он оборудован вместительной топкой, в которую и загружаются дрова на колосниковую решетку.
  • Установленные под ней вентиляторы нагнетают процесс длительного горения, создавая в камере требуемый уровень тяги.
  • Через верхнюю дверцу на корпусе загружаются дрова, а через нижнюю – производится чистка устройства от отходов.
  • Зола в зольник попадает через решетку во время работы агрегата. В зависимости от конструкции котла зола выгребается из зольника или извлекается вместе со специальным контейнером, в котором скапливается.
  • Тяга в печи образуется, стабилизируясь вентиляторами. Также она зависит от правильного размера дымохода.
  • Нередко водогрейные котлы устанавливаются в комплекте с баком теплообменника. Он монтируется сбоку или сверху от прибора. Благодаря этому устройству КПД вырастает до 85%.

Для дровяных котлов отопительной системы частного дома возможна установка дополнительной топки из чугуна или огнеупорного кирпича. Над топкой из кирпича монтируется пучок конвекционных труб для усиления эффективности устройства.

Водогрейный котел на дровах подключается к гидравлическому насосу, гарантирующему стабильную циркуляцию теплоносителя в системе отопления частного дома. Прибор работает по принципу принудительной обратки, через систему конвекции котла для предварительного обогрева теплоносителя.

Чем водогрейные котлы отличаются от прочих отопительных приборов

Водогрейный твердотопливный котел представляет собой прибор, внутри которого в результате сгорания твердого топлива температура носителя достигает 95-115 ℃. При этом горячая вода в теплообменнике циркулирует под давление 0,6 МПа. Это главная отличительная черта водогрейных котлов от прочих приборов, в которых движение теплоносителя сначала в котле, а затем и в отопительном контуре, происходит свободно.

Обратите внимание, что при использовании водогрейных котлов теплоносителем выступает обычная водопроводная вода с добавлением определенных примесей и присадок. Эти добавки необходимы, чтобы максимально продлить срок эксплуатации сложного водогрейного контура, то есть трубопровода, по которому циркулирующий теплоноситель нагревается до определенной температуры.

Когда вода внутри контура нагревается да близкой к кипению температуры, на его стенках начинают активно откладываться растворенные в воде примеси. Ни в коем случае нельзя допустить закипания котловой воды. Поскольку подогрев теплоносителя производится под давлением, он не доходит до кипения. При этом давление теплоносителя внутри водяного контура всегда выше, тем давление воды в точках максимального нагрева. Особенность водогрейных котлов на твердом топливе заключается в том, что в них необходимо больше котловой воды для нагрева системы, чем для всех прочих.

Теплоноситель, который разогрелся до 115 ℃, отдает тепловую энергию в систему отопления. При этом давление в трубопроводах отопительного котла удерживается на стабильном уровне. В такой системе повышение давления внутри теплообменника благоприятно скажется на ее работе, поскольку при этом выравнивается температура теплоносителя по всей протяженности трубопровода, а накипь не выпадает на его стенках.

Что касается топочной камеры, то в водогрейных котлах она выглядит практически так же, как и в любых других твердотопливных аппаратах. Выбранный вид твердого топлива, чаще всего уголь, поступает в топку, где и сгорает. Тепловая энергия сквозь стенки топливника передается циркулирующей внутри теплообменника воде. При производстве водогрейных котлов производители конструируют их таким образом, чтобы топливо сгорало интенсивно и максимально эффективно отдавало тепло.

Чтобы остудить образующиеся внутри топки продукты горения, котлы оборудуют конвективными пакетами. Соприкасаясь с их широкой поверхностью, угарные газы остывают до 200 ℃. Примечательно, что более интенсивное охлаждение продуктов горения может привести к выпадению конденсата.

Изготовление котла длительного горения

Котел

Сделать такую конструкцию в домашних условиях несложно, но для этого потребуются навыки работы со сварочным аппаратом и четкая инструкция.

Этап 1. Подготовка всего необходимого

Для изготовления котла потребуются:

  • металлическая труба ø30 см и больше с толщиной стенок в 4-5 мм;

    Корпус можно изготовить из листовой стали методом сварки

  • сварочный аппарат;
  • листовая сталь толщиной 5 мм (для распределителя);
  • болгарка;
  • труба ø6 см для подачи кислорода;
  • труба ø10 см для вывода дымных газов из конструкции.

После подготовки оборудования и расходных материалов можно приступать к работе.

Этап 2. Сборка конструкции

Последовательность действий при сборке следующая.

Шаг 1. Труба, которая послужит корпусом конструкции, обрезается в соответствии с выбранной длиной (от 0,8 до 1 м). Если длина будет большей, это затруднит загрузку топлива при эксплуатации. Приваривается дно из листовой стали и (если требуется) ножки, выполненные из швеллера.

Труба

Шаг 2. Формируется воздушный распределитель. Для этого из листа стали вырезается круг, диаметр которого меньше диаметра конструкции на 2 см. В центре круга проделывается отверстие ø2 см.

К распределителю приваривается крыльчатка с закрепленными на ней 5-сантиметровыми лопастями, изготовленными из той же стали. Сверху приваривается труба ø6 см таким образом, чтобы посередине встало проделанное ранее отверстие.

Корпус котла и воздушный распределительВоздушный распределительВоздушный распределитель

Двойные стенки котлаДвойные стенки котлаКотел

Обратите внимание! Эта труба должна равняться по высоте корпусу котла (можно и больше).

Сверху труба оборудуется заслонкой для регулировки подачи кислорода.

Шаг 3. Возле дна котла оборудуется дверка для удаления продуктов горения. Болгаркой из стального листа вырезается прямоугольник, фиксируются петли с запорной ручкой. Прямоугольник и послужит дверкой.

ЗольникЗагрузочный лючок для топлива

Шаг 4. Сверху на котел крепится дымоходная труба ø10 см. Первые 40-45 см труба должна идти строго горизонтально, после чего пропускается через обменник тепла (последний выполняется в виде металлической емкости с водой).

Труба дымохода

Шаг 5. Вырезается крышка для котла, в ней проделывается отверстие для воздушного распределителя. Важно, чтобы крышка прилегала к корпусу максимально плотно, иначе через щели будет выходить дым.

Крышка котлаКрышка котла (еще один вариант)

Все, теплогенератор длительного горения готов к использованию.

Преимущества котлов длительного горения

Много говорят о качестве таких приборов. Чтобы не быть голословным, приведем только факты и сравнение с обычным твердотопливным котлом. А Вы самостоятельно сделаете вывод, подходит ли вам отопление дома котлом длительного горения.

Итак, основные преимущества таких котлов перед обычными моделями на дровах или паллетах.

  • Длительное время горения, которое обеспечивают способ работы, конструкция и большой объем камеры. В твердотопливном котле дрова сгорают быстрее, поэтому нужно больше топлива, чтобы поддерживать нужную температуру.
  • Коэффициент полезного действия котлов тления достигает 95%. Самые продвинутые простые твердотопливные модели едва дотягивают до 85%.
  • Автоматическая система подачи топлива позволяет котлу работать определенное время без участия человека (конкретное время прописано в паспорте), твердотопливные модели не имеют такой возможности.
  • Берегут экологию. «Вредные» газы в котлах длительного горения сгорают в камере, в обычных приборах они попадают в атмосферу.
  • Регулировка интенсивности горения. Простые котлы не обладает такой функцией.
  • Управление с пульта.
  • Долговечность. Котлы длительного горения более надежны, температура накаливания ниже, чем у твердотопливных, поэтому корпус выгорает медленнее.
  • Котлы тления поддерживают высокую температуру внутри помещения даже при большом морозе снаружи. Простые твердотопливные модели рассчитаны на температуру до -10 градусов.
  • Экономия времени и денег. Котлы длительного горения служат дольше, требуют минимального участия владельца в процессе работы и просты в установке. Простые модели требуют постоянного, иногда тяжелого обслуживания.

Теперь вы понимаете, что отопление дома котлом длительного горения – правильное решение в пользу тепла и чистоты.

Отопительный котел нижнего горизонтального горения

Как видно из приведенного рисунка, в котле с горизонтальным сгоранием топлива горение происходит вблизи колосника, образующиеся дымовые газы уходят в вертикальный кожухотрубный теплообменник, вынесенный за пределы закладочной камеры и далее в дымовую трубу.

Тепло, образующееся при сгорании топлива, воспринимается водоохлаждаемым колосником, стенками топки и кожухотрубным теплообменником. В дымовую трубу выбрасываются газы с невысокой температурой, необходимой для создания тяги.

В подобной конструкции котла вся закладка дров не прогревается, не продувается горячими дымовыми газами. Горит только нижний слой. Такая конструкция позволяет увеличить объем загрузочной камеры, и обеспечивает весьма длительную работу котла на одной загрузке — на дровах до 12 часов. 

Котел работает непрерывно, без остановки. Просто докладываете топливо сверху и удаляете золу снизу на работающем котле без остановки процесса горения.

Котел оснащен заслонкой, расположенной между загрузочной камерой и дымоходом. Перед открытием загрузочной дверцы открывают растопочную заслонку. Тяга через открытую растопочную заслонку не допускает дымления котла  в помещение через дверцу загрузочной камеры при закладке дров.

Обратите внимание на ручку внешнего механизма прочистки выше дверцы поддувала. Выдвижение ручки на себя приводит в действие каретку продольной очистки колосника. Очистка может быть проведена при работающем котле. В задвинутом состоянии каретка прячется в парковочной нише. Внешняя механическая очистка колосника позволяет удалять золу не останавливая котел. 

Работа на сырых дровах — котел может работать на дровах влажностью до 50%

Резервный электронагреватель — котел имеет встроенный ТЭН, который можно использовать для увеличения максимальной мощности котла в наиболее холодное время года или использовать как резервный источник тепла при окончании топлива.

Высокая эффективность — водоохлаждаемый колосник и эффективный кожухотрубный теплообменник (такой же как на промышленных котлах) обеспечивает высокий КПД котла во всем диапазоне рабочих мощностей.

Куда поставить циркуляционный насос

В большинстве схем обвязки теплоаккумулятора с циркуляционным насосом, он стоит в обратном трубопроводе перед котлом. В обратке — потому что тут ниже температуры, но можно поставить и на подаче. Современные насосы рассчитаны на прокачку теплоносителя до 110°C, так что они там неплохо себя чувствуют. Второй момент: при установке на подаче, насос не будет создавать дополнительное давление на теплообменник, что продлит срок его службы.

В любом случае при установке циркуляционного насоса в подаче или на обратке, возможность естественной циркуляции отсутствует. То есть, при отключении электроэнергии, циркуляция остановится, котел неминуемо закипит. Чтобы избежать этого, ставят четырехходовой клапан, через который организуют сброс перегретой воды в канализацию и подпитку холодной водой из ХВС. Так организуется аварийное охлаждение теплообменника и предупреждается закипание теплоносителя.

Один из способов избежать перегрева теплоносителя в котле отопления

Обратите внимание, что реализовывать эту схему можно только на стальных или медных теплообменниках. С чугунными — нельзя. При попадании холодной воды они могут лопнуть.

Есть и другой способ. Он более щадящий по отношению к теплообменнику (подходит и для чугунных) и требует меньше материалов. Можно сделать обвязку между котлом и теплоаккумулятором для отопления так, чтобы сохранить естественную циркуляцию. В таком случае при отключении электропитания котел не закипит — будет продолжать греть воду в емкости.

Для сохранения естественной циркуляции теплоносителя, насос ставят в отдельном, специально созданном контуре. Чтобы схема работала, в контуре ставят лепестковый обратный клапан большого сечения.

Так сохраняется естественная циркуляция даже при отсутствии электропитания

Когда не работает циркуляционный насос, он пропускает поток теплоносителя от ТА. При работе циркуляционного насоса, он своим напором подпирает клапан и теплоноситель идет через насос. На насос идет труба не менее дюйма в диаметре. Только в этом случае может сохраниться естественная циркуляция.

Устройство и принцип работы

На современном рынке можно найти огромное количество моделей твердотопливных котлов, но их устройство и принцип работы мало чем отличаются. Любое оборудование для обогрева помещений состоит из следующих деталей:

  • камера для сгорания топлива;
  • дымоход;
  • камера для сбора золы;
  • змеевик или теплообменник.

Простейшие модели твердотопливных котлов чем-то напоминают буржуйку. После сгорания дров пламя нагревает трубы с водой, жидкость нагревается и поступает в двухконтурную систему отопления. Коэффициент полезного действия у моделей невысокий, а расход топлива значительный.

Современные агрегаты имеют усовершенствованную конструкцию, они оснащаются автоматикой, которая регулирует процесс горения. После сгорания топлива нагретая вода подаётся циркуляционным насосом к радиаторам. Отопительные приборы отдают часть тепла, жидкость охлаждается и поступает по обратному трубопроводу в котёл. Современные системы отопления часто оборудуются расширительным баком закрытого типа, что позволяет избежать испарений воды во время нагревания.

В процессе сгорания дров образуется дым, который отводится на улицу при помощи дымохода. Через некоторое время на стенках этой конструкции оседает сажа, что приводит к уменьшению диаметра трубы и ухудшению тяги. Для очистки дымохода от загрязнений используются специальные отверстия с заслонками. Сажу удаляют с канала при помощи специальных ершей или щёток.

Обратите внимание! Для очистки дымохода от сажи можно использовать специальные растворы, которые добавляют к топливу. Они позволяют очищать внутренние стенки трубы во время процесса горения.

Повысить коэффициент полезного действия твердотопливного котла помогает автоматика:

  • температурный датчик срабатывает при понижении температуры теплоносителя, он подаёт сигнал на пульт управления для включения вентилятора;
  • манометр подаёт сигнал при увеличении давления, выше нормальных показателей;
  • для предотвращения аварийных ситуаций в системе установлен стравливающий клапан;
  • циркуляционный насос начинает перекачивать воду после нагревания теплоносителя в котле до определённых температурных параметров.

Эффективность котла зависит от вида используемого топлива. Если агрегат предназначен для работы на дровах, то нельзя использовать уголь или пеллеты. Использовать недостаточно просушенные дрова также не рекомендуется, они дают мало тепла, но образуют много сажи и водяного пара.

Чертежи котла длительного горения Холмова

Отличные технические характеристики твердотопливного котла Холмова и его простая конструкция поспособствовали тому, что появились различные чертежи и схемы, которые указывают на то, как правильно сделать агрегат такого типа самостоятельно.

Однако в полной мере и качественно выполнить дома такой котёл практически нереально. К тому же работы могут стать причиной несчастных случаев. Безопасность могут гарантировать лишь обогревательные котлы, выполненные в заводских условиях и имеющие сертификаты.

Как увеличить КПД котла, век живи век учись — статья №1

Как увеличить КПД котла (коэффициент полезного действия)? Не важно какого: пеллетного котла, дизельного котла или газового  Не секрет, что все, кто купил в свое хозяйство отопительный котел, как правило свято верят в КПД котла, который указан в Руководстве по его эксплуатации, или в Инструкции к котлу. А там, как правило, стоит — 85%, 90%, 92% и даже 95%. Но мало кто знает, что в момент работы котла он крайне редко достигает КПД, указанного в документах производителя. Почему? Давайте разбираться.

Итак,

КПД котла зависит от многих параметров:

  • соответствует ли вид топки топливу, которое в нем сжигается,
  • от технического состояния котла,
  • от нагрузкив которой котел эксплуатируется,
  • от организации процесса сжигания топлива в котле,
  • от качеста топлива,
  •  и т.д. и т.п.

Надо знать, что баланс тепла, вырабатываемого отопительным котлом, складывается из следующих величин:

q1 + q2 + q3 + q4 + q5  = 100%, где

  • q1 — тепло, переданное теплоносителю (как правило, вода),
  • q2 — потери тепла с отходящими газами (физический недожег),
  • q3 — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива (химический недожег),
  • q4 — потери тепла от механической неполноты сгорания (механический недожег),
  • q5 — потери в окружающую среду из-за рассеивания тепла.

А теперь самое интересное:

Потери тепла с отходящими газами (q2) или физический недожег тем больше, чем больше проходит через топку котла избыточного воздуха (воздуха, который не принимает участия в самом процессе сжигания топлива), а так же чем выше температура отходящих газов. Потери тепла с отходящими газами может достигать 15-25%. Такие потери характерны в зимние месяцы, когда котел работает на максимуме. Как уменьшить эти потери- читайте  в следующей статье.

Потери тепла от химического недожега (q3) тем больше, чем больше окиси углерода (угарного газа), имеющего высокую теплотворную способность, покидает котел через дымовую трубу, не сгорая в котле.

Самое интересное то, что химический недожег это следствие недостаточного количества воздуха в камере сгорания котла. При неполном сгорании углерода, часть его образует окись углерода: 2С + О2= 2СО. При этом и происходит значительная (как я уже написал)потеря тепла.

  Потери КПД котла от химического недожега могут достигать 5-7%.

Потери тепла от механического недожега (q4) характерны главным образом для твердотопливных котлов. Они образуютс в следствии появления шлака в топке, который плавится и обволакивает несгоревшее топливо. Чем выше зольность топлива и чем меньше летучих веществ в своем составе оно имеет- тем больше его механический недожег. Вообще q4 может достигать 1-3%.

Потери тепла в окружающую среду из-за рассеивания тепла (q5) — это потери, которе происходят через стенки котла, через его внешнюю облицовку. Они могут достигать 1-2%.

Так каков же реальный КПД котла?

Таким образом, если в Паспорте вашего котла указан КПД 90%. То нужно понимать, что это КПД, которого можно добиться, если котел работает в номинальном режиме, и в нем сжигается неплохое топливо с низкой зольностью. Если же учесть другие факторы, с которыми сталкивается владелец котла при его эксплуатации, то реальный КПД котла может снижаться до 65- 70% (!!!)

Как максимально приблизиться к номинальному КПД?

Есть небольшие хитрости, которые нужно знать и про которые будем говорить в следующей статье, которая не заставит себя долго ждать. Вот она.

Основы проектирования

Для того чтобы сделать правильный – безопасный, эффективный и удобный в эксплуатации – твердотопливный котёл, необходимо понимать физику процесса его работы и работы системы отопления в целом.

Принцип действия отопительного котла на твёрдом топливе:

  • топливо загружается в камеру сгорания;
  • нагретые в процессе сгорания топлива воздух и другие газы поднимаются вверх и отводятся через дымоход;
  • по пути к дымоходу горячий воздух нагревает теплообменник, который в с вою очередь нагревает тепловой агент (в большинстве бытовых систем отопления – воду);
  • нагретый тепловой агент вытесняет холодный, проходя всю систему отопления и возвращаясь после остывания назад в теплообменник.

Всё дело в свойстве любой нагреваемой среды подниматься выше холодной — это один из основополагающих законов термодинамики.

Принцип работы водяной отопительной системы

Для реализации этого принципа помимо корпуса, выполненного из толстой (не менее 4-5 мм) жаропрочной стали, в конструкцию твердотопливного котла включаются следующие элементы:

Её объем определяется сложной формулой, которую, впрочем, довольно легко отыскать в интернете, равно как и готовое решение – объем камеры сгорания по отношению к номинальной мощности котла или максимальной площади отопления.

Расположение топки твердотопливного котла

На практике размеры топки зависят не только от параметров котла и свойств топлива, а также особенностей самой отопительной системы – схематической, функциональной сложности, сезонности работы, пиков потребностей в горячем водоснабжении и пр.

Этот узел является продолжением камеры сгорания и выполняет функцию выходного коллектора для вывода продуктов горения.

Система отвода нагретых газов

  1. Внутренняя система подачи и отвода теплоносителя

Речь идёт о теплообменнике (теплообменном регистре), а также его основных патрубках – входном и выходном, который служит для приёма остывшего теплового агента, его нагрева и отвода в систему отопления.

Циркуляция теплоносителя в системе твердотопливного котла

Читайте также:  Печи на отработанном масле своими руками