Устройство и принцип работы твердотопливного котла – теория и практика

Не секрет, что с точки зрения экономичности и удобства эксплуатации наиболее удобным является газовое отопление. В тех случаях, когда населенный пункт находится в значительном удалении от газовой магистрали, автономное теплоснабжение рациональнее всего оснастить твердотопливным колом.

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.

Особенности конструкции

Для понимания принципа работы твердотопливного котла предлагается рассмотреть его конструкцию, в состав которой входит несколько элементов.

Топка

Это название применяется к камере, где происходит сгорания топлива. Обычно она выполняет также роль теплообменника. Конструкция топки состоит из портала для подачи топлива, зоны выведения продуктов сгорания, колосника, емкости для сбора золы и воздушного отверстия. Когда твердое топливо сгорает, это способствует нагреванию стенок топки. В дальнейшем тепловая энергия передается воде в специальной рубашке, которая окружает топку со всех сторон.

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.

Система дымоудаления

Принцип работы твердотопливного котла объясняет образование внутри топки значительного количества дыма. Для удаления продуктов горения используют теплоизолированные трубы, проложенные от котла за пределы дома.

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.

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.

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.

Итоги

Для организации системы отопления можно применить несколько схем устройства котла на твердом топливе. Любая из разновидностей агрегата представляет собой универсальный прибор, превосходящий своих электрических и дизельных собратьев в плане экономичности.

Как устроен дровяной котел для отопления частного дома – принцип работы, преимущества и недостатки, установка

2 Преимущества и недостатки

Подобные отопительные конструкции имеют больше плюсов, чем минусов. К основным достоинствам оборудования можно отнести следующие факты:

• устройство не требует частой закладки топлива, одни модели нужно заправлять раз в 3—5 часов, другие будут работать бесперебойно от одной закладки на протяжении 12—15 часов;
• существует возможность использования разных видов топлива, при этом их можно даже комбинировать;
• котел работает в автономном режиме и не нуждается в подключении к каким-либо коммуникациям, что позволяет сэкономить на электроэнергии;
• невысокая стоимость топлива;
• длительный эксплуатационный срок.

Что касается недостатков, то они также имеются. Одним из существенных минусов является низкий уровень автоматизации. Однако работоспособность оборудования можно легко оптимизировать с помощью установок, имеющих функцию длительного горения. Исправить ситуацию можно и с помощью отопительных агрегатов комбинированной модификации. В них встроена дополнительная горелка, работающая от дизельного или газового топлива. Можно также использовать электродровяной котел, у которого показатели и характеристика гораздо лучше.

Популярные заводские модели

Если вы планируете купить отопительный котел на дровах, рекомендуем обратить внимание на самые востребованные модели. Рассмотрим их более подробно и затронем ориентировочные цены

НМК Сибирь-Gefest КВО 15 ТЭ

Этот котел заслужил самые положительные оценки пользователей. Он отличается своей простотой и универсальностью – в нем предусмотрен электрический нагреватель, отвечающий за поддержание температуры тогда, когда дрова полностью прогорели, а пользователи прозевали тот момент, когда в топку нужно было подкинуть новую порцию топлива. Впрочем, ТЭН можно и не использовать.

Тепловая мощность составляет 15 кВт, чего хватит для обогрева домовладений площадью до 150 кв. м. КПД прибора не очень большой, он составляет 75%. В качестве топлива используются обычные дрова или каменный уголь, также допускается применение евродров. Температура теплоносителя в системе варьируется от +60 до +85 градусов, максимальное давление – 2 бар. Теплообменник выполнен из стали и дополнен ТЭНом мощностью 4 кВт. Вес агрегата составляет 115 кг. Ориентировочная цена – в пределах 17-19 тыс. руб.

Protherm Бобер 20 DLO

Перед нами мощное устройство на дровах от известного производителя, зарекомендовавшего себя с наилучшей стороны. Мощность агрегата составляет 19 кВт, обогреваемая площадь – до 190 кв. м, температура теплоносителя может регулировать от +30 до +85 градусов, несмотря на то, что здесь используется схема прямого сгорания дров. КПД составляет 90,2% — это очень высокий показатель, обеспечивающий экономное потребление топлива. Неоспоримым преимуществом является использование двухходового многосекционного теплообменника из чугуна. Для контроля параметров на борту имеются манометр и термометр. Ориентировочная цена – около 45 тыс. руб.

Буржуй-К МОДЕРН-12

Напоследок рассмотрим пиролизный дровяной котел с механическим управлением – модели с электроникой стоят значительно дороже. Агрегат обладает мощностью 12 кВт и может обогревать здания площадью до 120 кв. м. При этом он всеяден – умеет работать на дровах, брикетах, угле, торфе и пеллетах. Его КПД составляет 92%, максимальная температура теплоносителя – до +95 градусов с возможностью регулировки за счет поддувала. Стоимость варьируется в пределах 54-60 тыс. рублей, в зависимости от аппетитов магазина.

Как выбрать и на что обратить внимание

Вид топлива

Если в выборе топлива клиент отдает предпочтение углю, то лучше выбрать котел и стали. Если же в качестве топлива используются дрова, то наилучшим выбором будет чугунная модель.

Мощность

От данного критерия зависит, какую площадь будет способен обогреть прибор, как часто необходимо подбрасывать топливо.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
Для большого помещения и двухэтажного частного дома подойдет котел мощностью от 20-36 кВт.

А для небольшого дачного дома хватит и 14 кВт.

Вес и стоимость

Большой вес и габариты доставят неудобства, если у клиента нет специального места для размещения котла.

Тяжелый вес также означает более высокую стоимость за установку и доставку. Кроме того, тяжелые котлы стоят значительно дороже более облегченных моделей.

Экономичность

Коэффициент у котла из чугуна меньше, чем у стального. Но чугунный котел дольше остывает, тем самым сохраняя тепло более длительное время.

От времени сгорания зависит временной интервал между закладками топлива. Так, экономичные модели из чугуна могут держать тепло всю ночь.

Долговечность конструкции

Срок использования техники по умолчанию указывается около 10 лет. Но это зависит от аккуратности обращения владельца и качества материалов, из которых сделан котел.

Если выбрать модель с хорошими материалами, надежной сборкой и правильно ухаживать за отопительным оборудованием, то устройство прослужит дольше.

Безопасность

Оборудование может нагреваться, из-за чего есть риск ожогов.

Современные устройства оборудованы специальным слоем защиты, и стенки таких приборов не нагреваются. Кроме того, используется защита на ручки дверей и подключается панель управления.

Правила выбора отопительного котла

Прежде, чем приступить к выбору конкретной модели отопительного котла, необходимо изучить критерии, на которые следует ориентироваться. Разбираясь в особенностях работы и основных параметрах оборудования, вы сможете подобрать устройство, способное удовлетворить все ваши запросы.

В первую очередь учтите такие нюансы:

• тип и КПД котла;
• конструкция камеры;
• мощность прибора и площадь помещения;
• время сгорания и поддерживаемые виды топлива;
• материал теплообменника;
• дополнительные функции и системы защиты.

Котлы бывают одноконтурными и двухконтурными. Первый вариант подключается к автономной отопительной системе и предназначен исключительно для обогрева. Некоторые модели работают совместно с бойлером.

Второй вариант заменяет водонагреватель и бойлер, обеспечивая не только отопление, но и горячее водоснабжение.

Показатель эффективности котла, выражаемый в параметре КПД, показывает, насколько продуктивно работает прибор. Чем он выше, тем меньший объем топливных материалов понадобится для прогрева помещения

Один из главных показателей оборудования – выдаваемая тепловая мощность. Этот параметр нужно выбирать, исходя из площади, которую предполагается отапливать.

Очень желательно, чтобы в модели присутствовала возможность регулировки мощности, позволяющая достичь оптимальной комфортной температуры.

Котлы с открытым типом конструкции камеры забирают кислород из помещения и отводят продукты горения через дымоход. Их следует устанавливать в местах с хорошей вентиляцией. Агрегаты с закрытым типом камеры можно размещать практически в любом помещении

От времени сгорания топлива в котле зависит периодичность закладки. Дольше всего тепло сохраняют пиролизные котлы, приборы длительного горения. Лучшим вариантом будут агрегаты, работающие не только на дровах, но и на альтернативных видах топлива.

Также при выборе важно обратить особое внимание на теплообменник:

Безопасность эксплуатации и эффективность работы оборудования повышается за счет дополнительных встроенных механизмов и функций. Хорошо, если в выбранной модели будет защита от перегрева, устройства для регулирования тяги, измерения текущих показателей давления, температуры.

Популярные модели

У потребителей востребованы следующие модели отопительного оборудования на дровах:

1. Buderus. Изделия Logano G 211–26 D можно загружать разным твердым топливом – дровами, углем, коксом, пеллетами. Имеются приборы мощностью 15 и 32 киловатта.
2. Zota Pellet. Модели данного ряда используют не только для отопления дома, но и для горячего водоснабжения. У них имеется система защиты, КПД превышает 85%. Котлы оснащают электрическим розжигом и автоматической функцией поддержки необходимого температурного режима. Их мощность достигает 100 киловатт. Вес равен 300-800 килограммов.

Гейзер. Одной дровяной закладки достаточно для 7–18 часов работы. Эти котлы снащены автоматическим контролем силы тяги.

Принципы расчета

Чтобы не наделать ошибок при расчете отопления, требуется предварительно нарисовать схему на бумаге. На ней указываются все компоненты конструкции

Важно понимать, сколько жидкости протекает через все узлы по отдельности, с какой скоростью она движется, как меняется работа все системы в результате изменения режима функциональности отдельных ее элементов

Во время расчета не стоит упускать гидродинамическое сопротивление воды при ее движении, которое влияет на давление внутри системы и напор. Для проведения процедуры применяются специальные таблицы и формулы.Правильный расчет позволит избежать проблем с функциональностью отопительной конструкции в будущем.

Материалы и комплектующие

Для обустройства отопления 1-2- этажного дома потребуются такие компоненты:

• котел;
• чугунные батареи, металлические радиаторы;
• трубы (металлические, полипропиленовые или другие);
• соединительные элементы (фитинги);
• сгоны;
• расширительная емкость;
• клапаны аварийной остановки работы системы;
• отводчики воздуха.

Если требует проект, приобретают циркуляционный насос.

Подбор диаметра труб

Данный расчет заключается в том, чтобы по необходимой для обогрева помещения тепловой мощности определить расход теплоносителя, а по нему – диаметр труб для двухтрубной системы отопления. Простыми словами, проходного сечения трубы должно хватить на доставку в каждую комнату нужное количество тепла вместе с горячей водой.

Выполнять подбор диаметра труб начинают с самого конца системы, от последней батареи. Сначала считают расход теплоносителя для обогрева этой комнаты по формуле:

• G – искомый расход горячей воды на помещение, кг/ч;
• Q – количество теплоты на обогрев данной комнаты, кВт;
• с – теплоемкость воды, принимается 4.187 кДж/кг ºС;
• Δt – расчетная разность температур в подающем и обратном коллекторе, обычно берут 20 ºС.

Например, для обогрева комнаты нужно 3 кВт теплоты. Тогда расход теплоносителя будет равен:

3600 х 3 / 4.187 х 20 = 129 кг/ч, в объеме это будет 0.127 м3/ч.

Чтобы сбалансировать двухтрубную систему водяного отопления изначально, надо как можно точнее подобрать диаметр. По объемному расходу находим проходное сечение, используя формулу:

S = GV / 3600v, где:

• S – площадь поперечного сечения трубы, м2;
• GV – объемный расход теплоносителя, м3/ч;
• v – скорость потока воды, принимается в пределах от 0.3 до 0.7 м/с.

В нашем примере возьмем скорость 0.5 м/с, найдем сечение и по формуле площади круга – диаметр, он будет равен 0.1 м. Ближайшая по сортаменту труба из полипропилена имеет внутренний размер 15 мм, его и проставляем на чертеже. Кстати, подключение радиаторов к двухтрубной системе обычно осуществляется именно такой трубой – 15 мм. Далее, переходим к следующему помещению, считаем и суммируем с предыдущим результатом и так до самого котла.

Как работает водяной теплый пол

Конструктивно все используемые на сегодня виды водяных теплых полов представляют собой систему трубопроводов, проложенных внутри половых строительных конструкций. По ним под действием насоса перекачивается теплоноситель, температура которого составляет до 40 ˚С. В результате происходит постоянный подогрев бетонной стяжки, которая в свою очередь отдает свое тепло напольному покрытию и воздуху.

Среди особенностей водяного пола стоит отметить то, что в качестве источника энергии в данном случае может быть использована как система централизованного водоснабжения, так и индивидуальный источник отопления. В результате в помещении формируется своеобразная модификация отопительного прибора, излучающего тепло и отапливающего помещение при помощи конвекции воздуха.

Характеристики водяного теплого пола и его устройство позволяет использовать в качестве теплоносителя не только воду, но и незамерзающую жидкость. Второй вариант оптимален для использования, к примеру, на дачах, где в зимнее время дом может долгое время не отапливаться

Кроме того, важно учитывать при проектировании и реализации подобных систем, что все типы теплого водяного пола могут быть использованы как в качестве основного, так и дополнительного источника отопления в комплексе с радиаторами