Как увеличить кпд твердотопливного котла

Как увеличить время работы твердотопливного котла

Современный твердотопливный котел является самым эффективным и недорогим способом обогрева частного дома, коттеджа, производственного цеха или любого другого объекта. Но даже котельная на твердом топливе имеет один недостаток – необходимость регулярной закладки топлива в камеру горения, будь то дрова, уголь, специальные гранулы или древесные отходы.

Решая купить котел отопления, пользователи обычно не задумываются о такой характеристике, как время горения топлива одной закладки, и только в процессе эксплуатации ищут способы, как увеличить интервал между закладками топлива.

Увеличить время работы на одной закладке можно тремя способами:

• Увеличение объема камеры горения
• Повышение эффективности процесса горения
• Увеличение калорийности (теплоотдачи) топлива

Увеличение объема камеры горения
Расширить камеру горения позволяют далеко не все твердотопливные котлы отопления, а только ограниченное число моделей, имеющих секционную конструкцию, позволяющую при наличии свободной секции и технических возможностей нарастить топочную камеру. Задача увеличения времени горения в этом направлении обычно решается другим способом: установкой автоматической системы подачи топлива, которая монтируется рядом с котлом и подает топливо по мере необходимости. Работают такие системы, как правило, со специальными паллетами и топливными гранулами.

Контроль процесса горения
Одним из самых эффективных способов увеличения времени работы котельного оборудования является оптимизация процесса горения: равномерного распределения теплоносителя в системе, регулирования мощности пиролизного котла и силы тяги в дымоходе. Для этих целей автономное отопление должно включать в себя такие элементы, как специальные клапаны с расходометрами, датчики температуры и давления, насосы и т.д.

Отдельной настройке необходимо подвергнуть систему дымохода и отрегулировать в нем силу тяги, от которой во многом зависит, насколько эффективно будет работать твердотопливный котел. Рекомендуется делать это еще на этапе установки оборудования, что позволит сэкономить время и деньги. Перед установкой дымохода рассчитывается его высота с учетом характеристик системы отопления и внешних факторов, таких как перепады между температурой котла и уличной температурой, среднегодовое количество осадков, сила ветра и т.д. Для регулирования силы тяги устанавливается регулятор тяги и шибер.

Увеличение калорийности топлива
Увеличить время горения топлива за счет увеличения калорийности загружаемого топлива может любой пользователь. Для этого достаточно выбрать один из следующих способов:

• Контролировать влажность топлива: загрузка сухих дров с влажностью 15-20% уменьшает энергию, которую водогрейный котел на твердом топливе затрачивает на их сушку, что повышает эффективность горения.
• Использование вместо дров или древесных отходов специальных паллетов – спрессованных брикетов высокой плотности и низкой влажности.
• Использование высококачественного древесного угля увеличивает время горения в 2-3 раза по сравнению с дровами. При этом практически отсутствует дым и уменьшается образование золы.

Котел на дровах. Конструкция теплообменника.

Просмотров: 57841 Комментариев: 179

Stubborn

Твердотопливный котел — это не только топка и труба. Выработанным в топке теплом надо еще правильно распорядиться. Можно ведь все это тепло отправить прямиком в трубу и способствовать таким образом всеобщему потеплению климата планеты. А правильно для нас — это так, чтобы максимально все тепло использовать на обогрев жилища, а в трубу отдать ровно столько тепла, сколько требуется для создания приемлемой тяги, не больше.

Вряд ли имеет смысл приводить какие либо цифры, отражающие, скажем, теплоемкость стенок котла, теплоотдачу в целом и т.д. и т.п. Эти цифры ничего не дадут, потому что мы сегодня не проводим научных экспериментов с отдельно взятым котлом, с конкретной печкой. Нам важно добиться понимания, КАК сделать так, чтобы добиться означенной цели.

Для этого давай прикидывать, что в котле происходит и как на эти процессы надобно влиять. С топкой мы разобрались, тепло выработали. Правда, немалая часть выработанного тепла используется прямо в топке на нагрев ее стенок, катализатора (если он есть) а также дна и перекрыши.

Еще раз небольшое отступление: тот факт, что часть тепла используется на эти цели, оспариванию не подлежит. Но вот что интересно: стенки топки прогреваются так называемым лучистым теплом от пламени. Нагретые газы здесь в теплопередаче практически не принимают участия, они уходят вверх и далее.

И чем сильнее прогреваются стенки топки, тем меньше расходуется лучистого тепла на их прогрев. Стенки уже не только воспринимают, "впитывают" тепло, но и отражают обратно, будучи нагретыми. И это тепло теперь используется на дальнейшее повышение температуры в топке, что является благоприятным фактором для полноты сгорания топлива.

Что же касается тех топок, в которые встроен теплообменник в виде стальной рубашки с водой, то там вся лучистая энергия от пламени используется в нагреве воды. В результате стальная рубашка никогда не нагревается выше температуры воды, ведь вода постоянно меняется. Каковы последствия этого, уже понятно: высокая температура в топке недостижима.

А вот кирпичные стенки топки — совсем другая песня. Кирпич разогревается быстро, и разогревается до высоких температур, гораздо бОльших, чем может нагреться вода. Тех температур, которые так необходимы для полного сгорания топлива.

Вернемся к нашему вопросу: как распорядиться выработанным в топке теплом, поступающим в каналы печи? Есть определенное множество решений, как организовать эти каналы, как организовать теплообмен. Но мы говорим о котле, и нам важно отдать тепло теплообменнику. Поэтому мы строим колпак, куда помещаем теплообменник.

Здесь надо создать условия, при которых теплообмен был бы максимально эффективен. И первое, что надо сделать, это увеличить объем колпака. Газы, несущие тепло из топки, находятся в движении. Если сделать колпак очень маленьким, не больше сечения дымовой трубы, то скорость движения газов будет максимальной.

При увеличенном объеме колпака скорость движения газов в нем значительно снизится, что повысит эффективность теплообмена. Кроме того, в увеличенном объеме мы можем расположить и теплообменник с бОльшей площадью. Например, вместо одного регистра в маленьком, узком колпаке, три регистра в более объемном колпаке.

Таким образом, медленно опускаясь в полости колпака, разогретые газы омывают стенки регистра и отдают тепло проходящей в них воде. Подогреваясь, вода поднимается по трубам регистров вверх, вместо нее в нижнюю часть регистров поступает холодная.

КПД котла. Теперь понятно, что общий КПД котла складывается как бы из двух составляющих: КПД топки и КПД теплообменника. При КПД топки, равном 100%, топливо сгорает полностью и выделяет столько тепла, сколько способно выделить. При КПД теплообменника, равном 100%, все полученное тепло переходит в массив котла и в теплоноситель, а в трубу уходят полностью охлажденные дымовые газы.

Ответим себе на вопрос: возможен ли 100% КПД котла?

В топке, даже идеально построенной, проходят совершенно неравномерные процессы, зависящие от многих причин: качество дров, количество дров, фаза горения (от начала до образования углей), соответствие количества подаваемого воздуха необходимому (в данной фазе), правильность действий истопника. При таких данных даже теоретически достичь 100% невозможно. Можно лишь гипотетически предположить, что КПД правильно построенной топки может достигать 80%, не более того. Именно правильно построенной, способной обеспечить наиболее полное сгорание топлива.

Что же касается КПД теплообменника, то и здесь 100% недостижимы. Ведь уходящие в трубу дымовые газы не могут быть холодными, поскольку в таком случае просто не будет тяги, необходимой для работы топки. А поскольку дымовые газы в трубе имеют температуру не ниже 100 градусов, то именно эти градусы, как говорят, греют бороду Дедушке Морозу, то бишь, выбрасываются в атмосферу. Какие уж тут 100%? Остановимся на тех же гипотетических 80.

Таким образом, 20 процентов от КПД мы потеряли в топке, они ушли в сажу, когда было недостаточно воздуха, потратились на прогрев воздуха, когда его было слишком много, на прогрев водяных паров при сгорании и т.д. Из полученных 80 процентов мы потеряли еще не менее 20 на теплообмене, и в результате общий КПД котла получился равным 65, от силы 70 процентов.

И это в случае правильной организации сгорания топлива и максимальной возможной теплоотдаче! Ни о каких 95 процентах КПД твердотопливных котлов-буржуек, декларируемых фирмами-изготовителями, речи нет. Кто, где и когда сумел измерить, определить, получить такую цифру, совершенно противоречащую простой, обычной логике?

В любом случае близко к 100% — это когда дрова сгорают абсолютно без остатка, без образования сажи, копоти и золы (как природный газ), это когда уходящие в трубу газы чисты, прозрачны и имеют температуру, равную температуре подаваемого воздуха в поддувало.

Но так, извините, не бывает. А если бывает, то это не бытовой твердотопливный котел, работающий естественным образом и в котором сжигают все: дрова березовые высушенные, старые столбики от заборов, сырые отходы лесопиления, щепки, мусор. А это уже некая высокотехнологичная конструкция для конкретного топлива с точными характеристиками, напичканная автоматикой подачи топлива, воздуха, отвода холодных продуктов горения и т.д. и т.п.

Современные твердотопливные котлы – это технологичные установки, которые позволяют качественно отопить частный дом, сэкономив при этом на ресурсах. В этой статье мы расскажем о том, как собрать котел на твердом топливе своими руками, и какие разновидности таких агрегатов бывают.

Каков реальный КПД твердотопливных котлов

Производители отопительного оборудования, в частности твердотопливных котлов, предлагают большой ассортимент продукции с различными характеристиками.

Исходя из конструкции котла на твердом топливе, все изделия можно разделить на такие группы:

• традиционные отопительные агрегаты;
• дровяные котлы с пиролизным типом горения (газогенераторные);
• длительного горения;
• пеллетные.

Традиционный котел на твердом топливе, самодельный в том числе, по внешнему виду напоминает печь или буржуйку с самыми необходимыми элементами – топочной камерой, дверцей, зольником и дымоходом. С помощью зольника можно регулировать тягу, открывая и закрывая заслонку. Такие конструкции считаются достаточно надежными, поскольку в них нет никаких технологичных элементов, например термодатчиков или градусников, автоматического блока управления или электроники. В данном случае основным элементом конструкции твердотопливного котла является теплообменник, передающий тепловую энергию теплоносителю. Теплообменник бывает трубчатым или изготавливается в виде емкости из сплошных стальных листов.

Есть, однако, и более сложные устройства, которые тоже можно отнести к традиционным. Они оснащены перегородками и дроссельными заслонками, чтобы тягу было удобнее регулировать, а горячий воздух проходил большее расстояние до момента выхода в дымовую трубу. Такие перегородки существенно увеличивают КПД котла, поскольку больше тепловой энергии передается теплоносителю, а не просто «вылетает в трубу». Нужно понимать, что КПД котла это очень важный показатель.

Для подобных котлов можно использовать практически любое топливо – дрова, уголь, пеллеты и даже мусор. Главное, чтобы оно было как можно суше. С точки зрения производительности котлы простых конструкций едва ли могут претендовать на 50 % КПД, а в большинстве случаев он составляет всего лишь 15-20 %. Проблема заключается в том, что топливо слишком быстро сгорает, не успевая передать всю тепловую энергию воде в теплообменнике. В результате, большее количество тепла просто выводится в дымоход или его избыток заставляет теплоноситель закипать. Например, дрова нужно добавлять в топку каждый час, а угля хватит на 2-4 часа, но все равно он сгорает с избытком энергии и большими теплопотерями.

Более экономными и производительными являются современные котлы с перегородками и дроссельными заслонками. В них температуру сгорания топлива можно регулировать, а одной загрузки топлива хватает на 8-12 часов. Поэтому КПД таких установок нередко достигает 80 %.

Котлы с пиролизным типом горения

Для пиролизных котлов также используется твердое топливо, в частности дрова, однако, принцип их работы кардинально отличается от описанных выше установок. Они способны намного дольше и эффективнее отапливать дом, а топливо расходуют более экономно. В связи с этим стоимость таких агрегатов примерно в 1,5-2 раза больше, чем остальных.

Секрет газогенераторных (пиролизных) котлов в том, что под воздействием высокой температуры и при недостатке воздуха древесина преобразуется в древесный уголь, выделяя пиролизный газ.

Для такой реакции необходима температура от 200 ℃ до 800 ℃. При этом выделяется большое количество энергии, которая просушивает дрова и нагревает воздух. Пиролизный газ по трубам перемещается в камеру сгорания, где при смешении с воздухом возгорается – так генерируется большая часть тепла.

Активные углероды участвуют в окислительных процессах при горении пиролизного газа, поэтому выходящий из трубы дым состоит преимущественно из углекислого газа и пара – содержание вредных компонентов ничтожно мало. К тому же, пиролизные котлы в принципе выделяют намного меньше дыма, чем классические установки. Поскольку топливо сгорает практически без остатка, газогенераторные котлы нуждаются в чистке довольно редко.

Стоит отметить, что довольно высокой температуры горения можно добиться даже при наличии сырых дров, однако, в таком случае производительность котла упадет практически вдвое, а значит, настолько же увеличится расход топлива.

Благодаря автоматике интенсивность горения в таком котле можно регулировать, чтобы экономить топливо и создать в помещении оптимальную температуру.

Обратите внимание, что изготовить пиролизный котел отопления на твердом топливе своими руками довольно сложно и очень опасно. В случае ошибок в сборке такая установка может взорваться.

Топливные агрегаты длительного горения

Идея создать своими руками твердотопливные котлы длительного горения наверняка многим покажется привлекательной. Прелесть таких конструкций в том, что закладывать дрова в них нужно лишь пару раз в сутки. Котел длительного горения отличается от традиционного агрегата тем, что в нем горение начинается с верхней части закладки топлива. При этом воздух в топливную камеру также подается сверху.

Схема котла длительного горения на твердом топливе предполагает наличие водяного контура вокруг его корпуса, поэтому вода в нем качественно прогревается на любом этапе процесса. Поскольку при работе котла горит не сразу вся закладка, а лишь верхний слой топлива, его хватает почти на 30 часов. Ряд универсальных твердотопливных котлов при использовании угля могут работать до 7 дней на одной закладке.

Данная конструкция не отличается конструктивной сложностью и не имеет каких-либо точных приборов, нуждающихся в подключении к электричеству. Поэтому цена на них вполне приемлема для потребителя. К тому же, собрать по готовым чертежам котел на твердом топливе своими руками вполне под силу домашнему мастеру. Можно сделать котел отопления своими руками и сэкономить немало денег.

Приведем несколько недостатков у данных конструкций. В работающий котел нельзя добавить топливо. Дрова для котла должны быть хорошо просушены (не более 20 % влажности) и распилены на небольшие поленья. Уголь можно применять только высокого качества, с малым содержанием шлаков. Кроме того, агрегаты данного типа ограничены по мощности – как правило, не более 40 кВт.

Еще одна разновидность котлов на твердом топливе – пеллетные агрегаты. Их отличие состоит в том, что в качестве топлива используются гранулы из отходов деревообработки. Большая часть промышленных моделей имеют особый бункер, из которого гранулы автоматически подаются в топку.

Чугунные и стальные конструкции – в чем отличия

Из какого бы материала ни был изготовлен котел, очень важно, чтобы он соответствовал основным эксплуатационным характеристикам. Разберемся в них более подробно.

В первую очередь стоит обратить внимание на материал теплообменника – чугун или сталь. Если вы хотите воспользоваться готовой схемой твердотопливного котла – своими руками чугунный теплообменник сделать вряд ли получится. Такая работа требует как специального оборудования, так и особых знаний и умений. Поэтому можно приобрести готовые секционные конструкции, которые перед транспортировкой разбирают, а на месте снова собирают.

Чугунным теплообменникам свойственно покрываться сухой ржавчиной – особой пленкой, защищающей стенки агрегата от разрушения. Кроме того, влажная ржавчина также образуется намного медленнее, чем обусловлен длительный срок эксплуатации чугунных изделий – от 10 до 25 лет. Среди прочих преимуществ чугунных теплообменников можно назвать отсутствие необходимости в частом и сложном обслуживании. Чистка таких устройств требуется нечасто, да и нагар практически не снижает КПД котла. В случае необходимости ремонта или усиления мощности агрегата нужно лишь заменить дефектные секции или увеличить их число.

Недостатки чугунных изделий таковы:

• большая масса котла предполагает наличие отдельного фундамента;
• затруднения в процессе сборки и высокие затраты на транспортировку;
• чувствительность к термическим ударам – чугун не любит перепадов температур, поэтому контакт горячей поверхности с холодными дровами или холодной водой может быть губительным для него;
• большая тепловая инерционность – на разогрев котла требуется длительное время, но и его последующее остывание происходит медленно.

Что касается стальных изделий, то они менее чувствительны к перепадам температур и не боятся контакта с холодными объектами. Это свойство позволяет при сборке котлов отопления на твердом топливе по чертежам оборудовать их чувствительными автоматическими элементами. А благодаря небольшой инерционности такие агрегаты быстро прогреваются и остывают – это позволяет регулировать температуру воздуха в доме. При этом, можно сделать чертеж твердотопливного котла длительного горения своими руками, что позволит учесть все нюансы.

По внешнему виду котлы из стали – это сплошные сварные агрегаты, которые довольно сложно перевозить, хотя и чувствительность к механическим повреждениям у них намного ниже аналогов из чугуна.

Возможность ремонта стальных котлов с точки зрения некоторых специалистов весьма сомнительна. Отремонтировать, равно, как и сварить котел своими руками по чертежу в домашних условиях довольно непросто, со временем на швах в нем могут образовываться течи. Справедливости ради, отметим, что все зависит от навыков работника в работе со сварочным аппаратом. Но выполнить ремонт чугунного теплообменника все же проще – требуется только замена секций.

Как правило, котлы с чугунными теплообменниками являются энергонезависимыми, стоят недорого, поэтому они могут стать достойной альтернативой уже установленному отопительному оборудованию в случае отключения электричества. Циркуляция теплоносителя в таких агрегатах происходит естественным путем, без применения насоса. Однако монтаж батарей нужно выполнять так, чтобы вода по трубам при нагревании свободно перемещалась по трубам под воздействием давления в котле.

Сборка котла по готовому проекту

Проще всего будет построить своими руками твердотопливный котел из кирпича. Его конструкция популярна и не требует сложных расчетов. Использовать такой котел можно сразу в нескольких целях, поэтому устанавливают их преимущественно на кухнях. Примечательно, что самостоятельно собрать такой агрегат смогут даже новички.

В процессе работы понадобится болгарка, сварочный аппарат с электродами, листовая сталь, кирпич, материалы для печного раствора, трубы и металлические уголки. Тем, кто никогда не держал в руках сварку, лучше всего выполнить резку деталей по чертежу котла на твердом топливе, а сварочные работы перепоручить профессионалу. Это важно, так как качество швов напрямую влияет на долговечность котла.

Положительный момент самостоятельного сооружения отопительного оборудования состоит в том, что можно подобрать размер твердотопливного котла и топки, а также рассчитать его мощность под конкретные нужды. Кроме того, в нем можно предусмотреть варочную поверхность или кирпичный свод, чтобы тепло аккумулировалось в процессе горения дров, а затем перераспределялось в систему отопления.

Теплообменник чаще всего делают прямоугольным, используя для этого прямоугольный профиль и трубы сечением 40-50 мм. Благодаря профилям облегчается стыковка труб, а швы получаются более прочными.

Пошаговая инструкция сооружения котла на твердом топливе

Итак, весь процесс, как сделать котел своими руками по чертежам, можно разделить на несколько последовательных этапов:

1. Используя болгарку, из труб и профилей нужно вырезать заготовки. Профили будут стойками, в них газовым резаком нужно прорезать круглые отверстия для стыковки с трубами. Понадобится сделать по 4 отверстия по трубу Ø50 мм в передних стойках и по столько же в задних. Кроме того, нужны еще отверстия для врезки в систему отопления. Наплывы и нагар в результате резки или сварки нужно зачистить болгаркой, чтобы они не мешали движению воды по трубам.
2. Далее заготовки собирают в единую конструкцию. Работать придется вдвоем – сварщику понадобится помощник, чтобы придерживать трубки в неподвижном положении. Чтобы было удобнее, можно поставить стойки с трубами на ровную поверхность и сварить переднюю и заднюю часть котла.
3. Теперь нужно обеспечить подачу и отток воды из котла. К готовому каркасу приваривают входящую и обратную трубу, а торцы прямоугольных профилей заваривают кусками металла 60×40 мм.
4. Прежде чем монтировать теплообменник, его проверяют на герметичность. Для этого его устанавливают вертикально, закрывают нижнее отверстие и наполняют водой. Если протечек на швах нет, значит можно работать дальше.
5. Из кирпича выстраивают корпус котла и встраивают в него теплообменник, оставляя зазор между ними не менее 1 см. Установить регистр нужно так, чтобы создать подъем в сторону выходящей горячей воды. Перепад уровня между выходным отверстием и передним правым верхним углом теплообменника должен быть не менее 1 см. Это позволит улучшить циркуляцию теплоносителя и избавит от воздушных пробок.
6. Кирпичная кладка должна перекрыть теплообменник сверху на 3-4 см. Поверх кладки укладывают чугунную плиту. Дымоход устанавливают по усмотрению хозяев – кирпичный, металлический, или выводят в уже готовую трубу.

Как повысить производительность котла

Самостоятельно собранный твердотопливный котел, как правило, отличается существенными теплопотерями, связанными с уходом тепла в дымовую трубу. Причем чем прямее и выше дымоход, тем больше теряется тепла. Выходом из положения в данном случае будет создание, так называемого, отопительного щита, то есть дымохода изогнутой формы, который позволяет передать больше тепловой энергии кирпичной кладке. Кирпич, в свою очередь, будет отдавать тепло воздуху в помещении, обогревая его. Нередко такие ходы устраивают в стенах между комнатами. Однако подобный подход осуществим только, если котел расположен в подвале или на цокольном этаже, либо при условии постройки громоздкого многоступенчатого дымохода.

Как вариант, повысить эффективность котла можно, если вокруг дымовой трубы смонтировать водонагреватель. В данном случае тепло уходящих газов будет нагревать стенки дымохода, и передаваться воде. Для этих целей дымоход можно сделать из более тонкой трубы, которую встроить в трубу большего сечения.

Наиболее эффективным способом повысить КПД твердотопливного котла будет установка циркуляционного насоса, принудительно перекачивающего воду. Это позволит повысить производительность установки примерно на 20-30 %.

Безусловно, сконструировать котел нужно так, чтобы теплоноситель мог циркулировать самостоятельно, если в доме отключили электричество. А при его наличии насос позволит ускорить прогрев дома до комфортных температур.