Твердотопливный котел: принципы устройства, выбора, изготовления и установки

«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.

Примечание: здесь и далее для краткости под «водой» подразумевается также антифриз или любой другой жидкий теплоноситель.

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:

1. 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.
2. Противоточные – газы и теплоноситель движутся вдоль одной линии навстречу друг другу. Такая схема дает наиболее эффективную теплопередачу и наивысший КПД.
3. 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.

Схема элеваторного узла системы отопления

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:

1. Монтаж обвязки ведется в противоток воде, от обратки к подаче.
2. По окончании монтажа его правильность и качество соединений проверяют зрительно по схеме.
3. К монтажу системы отопления в доме приступают только после обвязки котла.
4. 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.
5. Если протечек нет, или по их устранении, котел запускают на воде, непрерывно контролируя температуру и давление в системе.
6. По достижении номинальной температуры контролируют давление в течение 15 мин, оно не должно изменяться более чем на 0,2 бар, этот процесс называется опрессовкой.
7. После опрессовки котел гасят, системе дают полностью остыть.
8. Сливают воду, заливают штатный теплоноситель.
9. 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.

Котел на дровах годится прежде всего для бани. Уголь в помещении для чистоты тела и души не очень-то к месту, экономичность в данном случае не главное. Кроме того, уголь весь свой, весьма значительный, запас тепла отдает слишком медленно для баньки.

Другое подходящее место для дровяного котла – дача, на которой ведется товарное хозяйство, или сезонное сельхозпроизводственное помещение. Зимой здесь не топят, поэтому экономичность котла и его удельная мощность также не существенны. Зато расходы на доставку привозного топлива в удаленное место могут начисто лишить хозяйство рентабельности.

Угольные

Теплотворная способность угля высока, и основная доля тепла выделяется долго в процессе сгорания углерода. Если же улавливать и сжигать и летучие, выделяющиеся в начале сгорания, то можно добиться КПД до 80% и более. Доставка угля налажена практически в любой пункт, куда есть дорога. Цена одной килокалории из угля пока немного больше газовой, но вилка неуклонно сужается, и вскоре угольное отопление окажется дешевле газового даже в таких богатых энергоресурсами странах, как Россия.

Современные угольные котлы обеспечивают тепловыделение от одной загрузки топлива до 20 дней (!), один розжиг за сезон (т.е. допускают догрузку топлива без остановки котла), не требуют присмотра и допускают длительные отлучки хозяев. Их автоматика, как правило, не требует электропитания и позволяет регулировать мощность в пределах, достаточных для обогрева от суровых морозов до межсезонья. Конструкция чаще всего – точно рассчитанная комбинация рубашечного котла с водотрубным.

Устройство угольного котла сверхдлительного горения

Угольные котлы сверхдлительного горения (схема на рис.) сейчас переживают самый настоящий ренессанс. Самому сделать такой нельзя, секрет возрождения – в применении современных материалов и технологий. Но, учитывая, что угольный котел стоит вдвое-втрое дешевле пиролизного, служит вечно и не требует электричества, а КПД его превышает 70%, вариант приобретения котла на угле стоит рассмотреть самым серьезным образом.

Примечание: любой угольный котел будет работать и на дровах, только время теплоотдачи с одной загрузки не превысит 30 час. Обратное далеко не всегда справедливо. Котлы, спроектированные под дрова, на угле, как правило, высокого КПД не показывают.

Пеллетные

Пеллеты можно сжигать в печке, как дрова, но зольность их при этом высока, до 70% (!) по объему. Теплотворная способность пеллет не выше, чем у дров, и хранить их нужно в сухом теплом помещении, пеллеты гигроскопичны. Инфраструктура продажи/доставки (дистрибьюции) пеллет еще в зачаточном состоянии. Зато стоимость 1 ккал от пеллет ниже газовой.

Схема пеллетного котла приведена на рис. справа:

Схема устройства пеллетного котла

1. бункер для пеллет, его можно загружать сразу на сезон;
2. шнековый податчик топлива (стокер);
3. электропривод стокера;
4. тугоплавкий гибкий шланг;
5. специальная пеллетная горелка;
6. котел.

В специальной горелке (от $200 за хорошую) пеллеты сгорают полностью, а котел в данном случае – просто кожух с теплообменником. Поэтому КПД пеллетного котла может превышать 80%, и его, за исключением горелки, возможно сделать самостоятельно. Подавать топливо в горелку можно буквально по грануле, так что по пределам регулировки мощности пеллетный котел вне конкуренции.

Однако шланг подачи пеллет в горелку недолговечен, иногда приходится менять его дважды за сезон. А самый главный недостаток – без электропитания котел вообще останавливается, и система может разморозиться. Поэтому пеллетные котлы – дело будущего, когда их недостатки будут устранены.

Примечание: здесь появляется широкий простор для самодельщиков с творческой жилкой. Напр., придумать энергонезависимый податчик топлива с приводом от биметалла возле горелки, от вертушки в дымоходе и т.п.

Опилки и горючий хлам

Самодельные котлы на опилках популярны не зря. Если уж в агрегате опилки горят, то сгорит и любой другое измельченное твердое топливо, а его чаще всего можно набрать даром. Но превратить опилочную печку длительного горения в котел ох как непросто. Об этом мы поговорим далее.

Как сжигать топливо?

Твердое топливо сжигают чаще всего тремя способами: пламенным, пиролизным и тлением поверхностного слоя.

Из сказанного выше ясно, что пламенное горение не оптимально для твердотопливного котла. Конструкция топки, обеспечивающей полное сгорание отходящих газов до их контакта с теплообменным регистром, получается слишком сложной, массивной, требующей регулярного ухода, наконец, просто ненадежной и опасной. Некоторым исключением можно считать только дровяно-угольные котлы для небольшого подогрева в межсезонье, см. далее.

Главные, и весьма существенные, недостатки пиролизных котлов – высокая стоимость, зависимость от электропитания и небольшие пределы регулировки мощности. Из-за этого в межсезонье котел приходится использовать в прерывистом режиме, для чего снабжать сложной обвязкой и дополнять теплоаккумулятором. В итоге стоимость только оборудования котельной для дома в 100-120 кв. м. жилых обходится где-то в $10 000, а ее площадь получается в 12-16 кв. м. Которые нужно построить; возможно – на ипотеку.

В целом всеядный пиролизный котел оправдывает себя в особняке от 250 кв. м жилых с собственной аварийной дизельной мини-электростанцией. Поэтому далее мы сосредоточимся на котлах медленного горения, они лучше всего подходят для домовладений бюджетного и среднего уровня. Отдельно остановимся на банных котлах, т.к. они не совсем отопительные.

Разные котлы

Банные

Котел для бани, собственно говоря, водогрейное устройство, совмещенное с воздушным обогревателем. Экономичность для него фактор не определяющий, но по цене или сложности изготовления он должен быть доступен всем.

Простейший банный котел

Простейший банный котел получают, нанизав на дымоход печки-каменки бак для воды. Легче всего такой котел сделать из бочки, см. рис. справа. Но у него обнаруживается серьезный недостаток: вода то вскипает, прежде чем каменка прогреется, то не успевает нагреться, когда баня уже поспела. Создать стабильно работающую конструкцию не удается, т.к. распределение тепла между каменкой и баком зависит от свойств топлива. На дровах из одной и той же поленницы котел в разную погоду греет камни и воду по-разному.

Нужный результат дает классический горизонтальный водотрубный котел с одинарным U-образным регистром. Его можно изготовить на основе обычной банной печки-буржуйки. При создании котла нужно решить следующие задачи:

• Найти или организовать в печи зону, по термодинамике похожую на жаровую камеру. В буржуйке это просто: она там под устьем дымохода, нужно только снабдить его пламегасителем, задерживающим дымовые газы в дальнем углу свода печи.
• Поместить теплообменник в жаровой зоне под каменкой. Это обеспечит синхронный нагрев воды и камней; регистр тут с точки зрения теплотехники окажется просто еще одним камнем.
• Рассчитать размеры теплообменника, не нарушающие существенно внутреннюю циркуляцию в печи.
• Рассчитать форму, размеры и емкость накопительного бака, исходя из того, что при температуре воды в 100 градусов теплоотдача от него в помещение должна быть выше, чем теплопередача от горячих газов в регистр. Это исключит вскипание воды и позволит полностью отказаться от обвязки.

Чертежи удовлетворяющей этим условиям банной буржуйки-водогрейки приведены на рис. Время протопки бани с моечной объемом 40 куб. м. (16 кв. м при потолке в 2,5 м) составит 1-1,5 часа, а 105 л воды с температурой 70 градусов хватит на 4-5 человек.

Чертежи безопасного простого банного котла

Дрова-уголь для межсезонья

Котел для сезонного жилища должен быть дешевым и доступным для самостоятельного изготовления. Отсюда сразу следует: никаких сложных обвязок при полной безопасности. Для чего мощность топки и на дровах, и на угле должна быть меньше мощности теплопотерь через корпус при 100 градусах. При температуре воды на подаче 60 градусов КПД останется приемлемым. Выпадения кислотного конденсата можно не бояться, т.к. интенсивной топки не будет.

Анализируя разные варианты конструкции, приходим к вертикальному огнетрубному котлу с одинарной дымогарной трубой переменного сечения. Не узнаете? Да это же старый советский титан!

Его самодельный аналог на мощность около 5 кВт – котел из трубы – при наружной температуре в –5 градусов обогреет до 40 кв. м. КПД его неплох: вследствие нагрева через металлический свод топки и задержки дымовых газов в сужении дымогарной трубы перед дымоходом в баке возникает довольно сильная внутренняя циркуляция и вода эффективно отбирает тепло отходящих газов.

Упрощенная схема котла из трубы

Этот котел, как и титан, можно ставить в кухне, санузле и прихожей. Их он обогреет своим телом, а остальное помещение – водой по трубам. Из обвязки понадобится только открытый расширительный бачок на 3-5 л, дренажный воздушный кран в верхней точке подачи и сливной кран в нижней точке обратки.

Упрощенная схема котла из трубы (точнее, из трех труб разного диаметра) показана на рис. Внутренний диаметр внешней трубы – 350-450 мм, внешний дымогарной – 200-250 мм, внутренний дымохода – 120-150 мм, толщина стенок всех труб от 4 мм. Высота топки – 330 мм, из них 80 приходятся на зольник. Высота бака – 220 см, штуцер обратки на высоте 150 мм от его днища, а штуцер подачи ниже верха свода на 300 мм. Вот и все.

У этого котла один недостаток: дровами его нужно подтапливать каждый час, а на угле теплоотдача после максимальной протопки 2,5-3 часа. Поэтому для отопления в длительные холода, даже и небольшие, он непригоден. На такой случай лучше буржуйка, она не боится разморозки.

Котлы на опилках

Конструкций самодельных опилочных печей и котлов длительного горения множество. Под водяной котел они мало пригодны: мощный теплообменник встроить в них не проще, чем в кирпичную печь, процесс догорания газов из-за большого отбора тепла нарушается, и, как всегда в таком случае – низкий КПД, сажа, нагар.

Схема воздушного отопительного котла на опилках

Лучшие результаты получаются, если опилочную печь использовать как воздушный котел с отдельной камерой дожигания, см. рис. Вследствие обратного ходу газов наклона перфорированного воздуховода 1 в газификаторе пиролизные газы сразу уходят в воздушный теплообменник 2, совмещенный с камерой дожигания. Поскольку плотность и теплоемкость воздуха и пиролизных газов одного порядка, теплообмен получается достаточно эффективным, а общий КПД около 70% Время теплоотдачи с одной загрузки – 10-12 час.

Недостаток этого котла на опилках – газификатор и теплообменник-дожигатель должны быть изготовлены из химически стойкой (пассивированной) стали. Температура внутри везде не превышает 600 градусов, но пиролизные газы химически весьма агрессивны. В обычных опилочных печах они полностью сгорают в слое тления, но в этой имеют большую площадь контакта с металлом. В целом, если уж мелькнула мысль о воздушном отоплении, то сначала нужно рассмотреть вариант с печью булерьян (буллером).

Дровяной в дом

Домашний дровяной котел может быть только длительного горения, иначе кирпичная печь 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%

Печной котел

Следующий момент – печь с регистром сразу теряет свойство варочной. 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:

Типовая схема обвязки котла на твердом топливе

1. группа безопасности: дренажный воздушный кран, общий манометр и прорывной клапан для выпуска пара при вскипании;
2. накопительный бак аварийного охлаждения;
3. его поплавковый кран, такой же, как в унитазе;
4. термоклапан запуска аварийного охлаждения с его датчиком;
5. MAG-блок – сливной вентиль, аварийный сливной клапан и манометр, собранные в одном корпусе и подключенные к мембранному расширительному баку;
6. узел принудительной циркуляции с обратным клапаном, циркуляционным насосом и электроуправляемым по температуре трехходовым перепускным клапаном;
7. 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.

Обвязка котла со встроенной защитой от перегрева

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.

Типовая схема обвязки пиролизного котла

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.

К расчету площади сечения дымохода отопительного котла

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.

рекомендуем:

Пиролизный котел Печь Бубафоня / котел Stropuva Печь на солярке

(Пока оценок нет)

Загрузка...

Ниже Вы можете поделиться своими мыслями и результатами с нашими читателями и постоянными посетителями.

Также можно задать вопросы автору*, он постарается на них ответить.