Классификация котлов

Материал из ТеплоВики — энциклопедия отоплении

Необходимость отапливать небольшие площади, малая емкость теплоносителя, низкая теплоаккумулирующая способность, а также высокие требования к компактности установленного оборудования накладывают ограничения на конструктивное исполнение бытовых котлов. Тот факт что бытовые установки не предполагают резервных агрегатов, говорит о надежности их работы и продолжительности межсервисных периодов

В зависимости от требовании потребителей, отличающихся необходимой мощностью, потребностью в горячей воде, возможностями автоматического управления регуляторов и площадью, необходимой для установки оборудования, изменяется и конструкция котлов. Кроме того, в разных странах к котлостроителям предъявляют узкоспецифические требования, присущие только данному региону: в Италии, например, важен внешний вид (в частности, лучшим цветом для котла считается белый), в США дизайн, за который потребитель платить не желает, приносят в жертву надежности и безопасности, а в Германии к появлению вначале конденсатных котлов, а затем котлов на топливных элементах привела мода на высокотехнологичные автоматизированные и экономичные котельные.

Россия сегодня не только производит, но и импортирует отопительную технику. Вследствие этого, классификация котлов разнообразна и многокритериальна.

Содержание

По виду энергоносителя

Исторически основным энергоносителем в нашей стране было твердое топливо, точнее — дрова, обладающие низкой плотностью горючих веществ на единицу массы. Это значит, что данный вид топлива пригоден лишь для отопления небольших помещении вследствие невозможности обеспечения длительного горения необходимости постоянной загрузки в топку новых порций топлива. Современные бытовые дровяные котлы конструируются для работы на пеллетах (гранулированная древесина размером 15-20 мм), в этом случае появляется возможность оборудовать котел устройством непрерывной подачи топлива.

Также для автоматизированной подачи твердого топлива могут применяться и сортированный высококачественный каменный уголь, и угольные брикеты. Большинство котлов и аппаратов не приспособлены для сжигания низкосортных видов топлива с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты). Верхний предел фракций угля во избежание неполного горения не должен превышать 50 мм, а нижний, в связи с ограниченностью тяги и отсутствием принудительного дутья -13 мм [3]. КПД современных твердотопливных котлов — до 85%.

• возможность использования в районах с избытком древесины и отсутствием других энергоносителей;
• доступность и сравнительно низкая стоимость топлива.

• не могут работать в полностью автоматическом режиме и требуют регулярной загрузки топлива.

Ассортимент твердотопливных котлов заметно беднее, чем газовых или жидкотопливных. В России широкое распространение получили котлы на твердом топливе производства фирм Viadrus, Dakon, Almos, Орор (Чехия), Olymp (Германия), Jama (Финляндия). Встречаются также зарубежные котлы с возможностью комбинированного сжигания, в том числе — для твердого топлива (СТC, Dakon, Roca, Demir Dokum). Отечественные производители представлены котлами ЗИОСАБ, «Пламя», КИМ, «Жарок», КС-Т, КС-ТГ, АТВ.
Котлы, использующие твердое топливо, можно разделить на три основные группы:

• традиционные твердотопливные;
• газогенераторные (с пиролизным сжиганием древесины);
• многотопливные.

Появление регуляторов, способных автоматически поддерживать заданную температуру теплоносителя на выходе из котла, позволяет твердотопливным котлам работать с экономичностью, ненамного уступающей жидкотопливным. Автоматическое поддержание температуры осуществляется с помощью термостата, отслеживающего температуру теплоносителя в котле. При превышении заданной температуры происходит автоматическое прикрытие заслонки и процесс горения замедляется, при понижении — заслонка приоткрывается.

При выборе твердотопливного котла можно руководствоваться табл. 1, в которой приведена ориентировочная высота дымовой трубы, в зависимости от ее внутренних размеров и мощности.

Мощность котла, кВт	Сечение дымохода, мм	Минимальная высота дымовой трубы, м
16	200×200	6
	Ø200	7
	150×150	10
	Ø150	12
32	200×200	10
	Ø200	12
	150×150	18
	Ø150	20
45	200×200	12
	Ø200	14

При сжигании в котлах каменного угля возникают трудности с его розжигом, поскольку он имеет высокую температуру воспламенения. Если в доме имеется горелка, работающая на сжиженном (баллонном) газе, розжиг можно облегчить. Если топливом являются дрова, то это низкокалорийное топливо целесообразно сжигать в «шахтных» топках с высоким слоем, в которых оно горит длительное время.

Как правило, точно (оптимально) выбранный и отрегулированный котел должен обеспечивать непрерывную работу не менее 6-8 ч на одной загрузке топлива.

Газогенераторные (галогенные) котлы используют пиролизный способ сжигания древесины. Главное их достоинство состоит в том, что КПД может достигать 85 %. Кроме того, обеспечивается высокая способность регулировать мощность в диапазоне от 70 до 100%.

В котлах с пиролизным сжиганием горят не только сами дрова, но и древесный газ, выделяющийся из дров под воздействием высокой (до 1000 °С) температуры в топке котла. При таком сжигании не образуется СО и практически отсутствует зола. Недостаток таких котлов — необходимость подключения электричества.

В пиролизных котлах можно сжигать все виды древесины, древесные отходы и брикеты с влажностью не более 20-25 %.

Несмотря на то, что жидкое топливо является ценнейшим сырьем для нефтехимии, примерно 40 % всех бытовых котлов сжигают либо дизельное и печное топливо, либо легкие сорта мазута. Естественно, требования к экономичному, экологическому и безопасному горению предъявляются не только к горелкам, но и к котельным установкам. В то же время, конструктивно топочные камеры котлов, сжигающих жидкое топливо, схожи с котлами на газе, в отличие, к примеру, от твердотопливных топок. В основном тут учитываются требования эффективного теплосъема и удобства монтажа и обслуживания (осмотр, чистка, удаление отложений).

• независимость от наружных коммуникаций (автономность работы);
• более «либеральные» требования к установке и эксплуатации;
• теплота сгорания выше, чем у твердого топлива.

• необходимость в топливохранилище;
• высокая (на 50 % дороже газа) стоимость жидкого топлива.

Природный газ — самое распространенное на сегодня топливо для отопительных котлов. В разных регионах можно встретить сжигание как природного газа — метана (СН₄), так и сжиженного: пропана С₃H₈ либо в смеси с бутаном С₄H₁₁₀.

Чаще встречается сжигание биогаза и попутного газа.

Колеблется также и теплота сгорания различных газов, так как природный газ имеет Qph от 8,5 до 11,5 кВт • ч/м 3 , а сжиженный — от 25 до 34 кВт • ч/м 3 .

Преимущества природного газа относительно других видов топлива — дешевизна и компактное газовое хозяйство. Правда, следует учитывать строгость норм по установке оборудования.

По наличию функции ГВС

Практически все бытовое котельные, устанавливаемые в жилых домах, так или иначе пригодны для решения задачи подогрева бытовой воды. Поскольку независимо от обеспечения горячей водой функция отопления в котлах присутствует, то подогрев бытовой воды осуществляется в теплообменниках, встроенных либо пристроенных к котлам.

Котлы, используемые только для подогрева теплоносителя, называются одноконтурными. В них теплоноситель, нагретый в топке котла продуктами сгорания топлива, циркулирует в теплообменниках системы отопления (радиаторах, калориферах и т.д.). Котлы, способные, кроме отопительной функции, выполнять также функцию подогрева бытовой воды, называются двухконтурными (по наличию контуров отопления и горячего водоснабжения). В таких устройствах часть теплоносителя циркулирует в системе отопления, а часть — подогревает бытовую воду до необходимой температуры в теплообменниках. Известны два основных вида теплообменников: проточные и емкостные.

В проточном теплообменнике нагреваемая вода проходит однократно внутри змеевика сквозь поток греющей среды.

Для обеспечения комфортной производительности такие котлы должны иметь увеличенные поверхность нагрева либо тепловую мощность.

Проточный водонагреватель нагревает в минуту 16 л (16 кг) холодной воды от температуры 15 °С до 40°С. Какова величина тепловой мощности, необходимой для нагрева?

Решение:
m=16 кг/мин • 60 мин/ч = 960 кг/ч;
Q=с•m•Δt, где с — теплоёмкость воды
(1,163 Вт•ч/кг•К);
Q=960 кг/ч•1,163 Вт•ч/кг•К•25°=27912 Вт;
Q=28 кВт.

В емкости теплообменника нагреваемая бытовая вода находится внутри сосуда неподвижно в течение всего времени нагрева (происходит лишь гравитационное перемешивание).

Достоинство — возможность использовать в пиковых режимах, недостаток — длительное время нагрева.

Накопительный бойлер емкостью 150 л нагревается тепловой мощностью 18 кВт от температуры 10 °С до 55 °С. Каково время нагрева?
Решение:
Q = m•c•Δt;
Δt = 55-10=45 °С;
Q₁ = 150 кг•1,163 Вт•ч/кг•град•45°=7850 Вт•ч;
Q₁ = 7850 Вт•ч=7,85 кВт•ч;
τ = Q₁/Q₀
τ = 7,85 кВт•ч/18 кВт=0,4364 ч.

10 КИЛОВАТТ НАГРЕВАЮТ 860 ЛИТРОВ ВОДЫ НА 1 °С ЗА 1 ЧАС

Двухконтурные устройства по принципу подготовки воды можно разделить на котлы со встроенным бойлером и котлы с проточными подогревателями (с внешними водоподогревателями).

Котлами со встроенным теплообменником следует считать котлы, в которых бак или змеевик с бытовой водой помещены внутрь емкости с теплоносителем системы отопления.

В комбинированных котлах водонагреватель конструктивно приближен к топочной камере и соединен с контуром трубопроводом циркуляции греющей воды.

Температура воды

Для работоспособности данной конструкции кроме гидравлического соединения требуются циркуляционный насос, подающий греющую воду из котла в бойлер, и регулятор температуры, контролирующий заданную температуру воды в бойлере и дающий команду на отключение насоса, а также автоматика переключения в режим ГВС.

Если горячая вода хранится без протока долгое время при температуре ниже 50 °С, она начинает застаиваться. При этом в воде начинают размножаться легионеллы — болезнетворные бактерии, вызывающие тяжелую легочную патологию. Согласно отечественным и зарубежным стандартам для предотвращения их размножения температура хранения горячей воды должна быть не ниже 60 °С. Бактерии погибают и при регулярной термической дезинфекции.

В то же время при температуре выше 60 °С начинается интенсивное отложение накипи на стенках сосудов и теплообменников. Поэтому не рекомендуется значительно повышать температуру хранящейся воды.

Таблица 2. Типоразмеры предохранительных клапанов.

Емкость бойлера, л	Присоединительный размер, мм (дюйм)	Выходное отверстие, мм (дюйм)	Максимальная тепловая мощность, кВт
До 200	DN 15 (1/2″)	DN 20 (3/4″)	75
200-1000	DN 20 (3/4″)	DN 25 (1″)	150
Больше 1000 до 5000	DN 25 (1″)	DN 32 (1 1/4″)	250

Подключение бойлера

По холодной воде бойлер должен быть оснащен набором предохранительной, запорной и регулирующей арматуры.

Рабочее давление предохранительного клапана выбирается і зависимости от рабочего и максимального давления бойлера (как правило, 6 бар)

МЕЖДУ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМ КЛАПАНОМ И ЗАЩИЩАЕМЫМ СОСУДОМ НЕ ДОЛЖНО БЫТЬ ЗАПОРНЫХ УСТРОЙСТВ.

Очень часто совместно с бойлерами применяют так называемые группы безопасности. Это устройство имеет присоединительный размер DN 20 и состоит из предохранительного клапана, обратного клапана и запорного устройства (шаровой либо муфтовый кран).

По виду горелки

В зависимости от вида сжигаемого топлива (газ, жидкое топливо) в котлах используются два основных типа горелок — атмосферные и с принудительной подачей топлива и воздуха. Реже применяются горелки предварительного смешения (Premix) или их разновидность — матричные горелки (Matrix).

В атмосферных горелках первичный воздух для горения подсасывается за счет инжектирующей способности струи газа, выходящей из форсунки (рис.7). Дополнительно необходимый для горения «вторичный» воздух подсасывается уже в зону факела для дожигания. Современные атмосферные горелки сконструированы так: из газового коллектора газ попадает через форсунки в перфорированные смешивающие трубки, в которых газ перемешивается с воздухом и уже после этого через перфорации подается в топку. При этом происходят интенсивное перемешивание и догорание молекул оксида углерода до СО₂. Однако при таком горении в высокотемпературном пламени образуется большое количество токсичных оксидов азота NO_x. Законодательства многих стран строго регламентируют такие выбросы. Для борьбы с данными загрязнениями пламя горелки делают «вытянутым» или охлаждают его корневую зону, помещая в нее рассекатели либо охладители пламени (рис. 8).

«Разрушенный» факел вытягивается, и горючий газ сгорает при меньшей температуре, а следовательно — с меньшим количеством NO_x.

Самыми лучшими примерами рассеянного или охлажденного пламени могут считаться матричные или излучающие горелки, в них пламя небольшой высоты горит на поверхности рассекателя — катализатора. При температуре горения до 1000°С (красное горение) оксиды азота практически не образуются, а сгорание углерода (окисление СО до СО₂) завершается почти полностью.

• бесшумность;
• простота конструкции;
• компактность;
• дешевизна.

• зависимость от давления газа;
• невозможность сжигать жидкое топливо;
• невысокая регулируемость;
• работа только с котлами малой мощности, теплообменники которых имеют невысокое сопротивление;
• КПД ниже, чем у горелок других типов;
• применение лишь до 800 кВт.

Горелки с принудительной подачей воздуха и газа (Jet-burners) конструктивно отличаются от атмосферных. В них воздух для горения подается специально установленным вентилятором в смешивающая смешивающую трубу Вентуры. При этом происходит не только качественное перемешивание газа и воздуха, но и подсос газа из газовой магистрали. В горелках более сложной конструкции поток воздуха делится на первичный и вторичный.

Применение таких горелок позволяет использовать сложные многоходовые теплообменники котлов с КПД не менее 95 %.

• возможность сжигать газообразное и жидкое топливо;
• хорошее регулирование;
• менее требовательны к давлению газа;
• нет ограничений по мощности котла;
• высокий КПД и более благоприятные экологические характеристики.

• шум;
• сложная конструкция, снижающая надежность;
• громоздкость;
• дороговизна.

По виду камеры сгорания

В отличие от энергетических котлов, где продукты сгорания удаляются из котла дымососом, в бытовых котлах нормальный процесс удаления уходящих газов обеспечивается либо самотягой (за счет гравитационной силы), либо с помощью избыточного напора в топке, создаваемого воздушным вентилятором горелки.

Эти условия и обусловливают различия в конструкции камер сгорания, подразделяющихся на открытые и закрытые.

Как правило, котлы с открытой (соединенной с атмосферой) топкой комплектуются газовой атмосферной горелкой (забор воздуха из котельной).

Данная конструкция позволяет дымовым газам с минимальным сопротивлением покидать теплогенератор. В России по такому принципу устроены практически все котлы АОГВ. АКТГВ и их «клоны».

Бесспорное достоинство таких котлов — их невысокая стоимость, связанная с простой конструкцией горелки и теплообменника.

К недостаткам же следует отнести высокие требования по наличию разрежения на выходе из котла. При низком атмосферном давлении либо при засорившихся дымоходах возникает реальная опасность опрокидывания тяги и попадания продуктов сгорания (прежде всего СО — угарного газа) в жилые помещения. Во избежание этого все котлы с открытой камерой сгорания комплектуются датчиком опрокидывания тяги, который отключают подачу газа при попадании продуктов сгорания в помещения. Дополнительно при использовании таких котлов требуется устанавливать в котельной сигнализатор загазованности на СО.

Котлы с закрытой топкой, как правило, более сложны конструктивно (забор воздуха с улицы), что позволяет работай с более высоким КПД ввиду более «развитой» поверхности теплообменника. Эти котлы могут выполняться по ходу дымовых газов как одно, так и многоходовыми. Применение закрытых камер сгорания в настенных котлах позволило значительно (до 60 кВт) повысить мощность этих устройств без ущерба их компактности.

По размещению

В 40-х годах прошлого века монополия котлов напольного исполнения была нарушена. Сразу несколько производителей освоили выпуск настенных котлов (термоблоков). Отличительная особенность «настенников» — значительная компактность, позволяющая размещать эти агрегаты в кухонных помещениях, не создавая для них специальные котельные. Долгое время основным недостатком таких котлов с алюминиевыми и медными теплообменниками была сравнительно невысокая максимальная мощность — 28 кВт. В последнее десятилетие, вслед за пионером — фирмой Remexa (Голландия) — в программе всех производителей появились настенные котлы большой мощности: 40, 60, 80 и даже 120 кВт. По оценкам экспертов, к 2012 г 92 % продаваемых в Европе котлов будут настенными.

За счет чего же выигрывают в настоящее время традиционные «напольники»?. Прежде всего, выполненные из более прочных материалов (чугун, сталь большой толщины), напольные котлы более долговечны (30-40 лет против 10-12 для «настенников»), хотя следует отметить, что в глазах европейского общества долговечность становится недостатком. Во-вторых, напольные котлы позволяют работать с мощными бойлерами ГВС и, тем самым, способны производить горячую воду в больших количествах. Разумеется, с помощью современной автоматики можно заставить и «настенники» работать с большими бойлерами, а также с многоконтурными системами. Но тогда теряется их уникальное преимущество — компактность, обеспечивающая возможность размещения на кухне.

Дополнительная классификация

В дополнение к приведенной выше классификации бытовых котлов, представленных на российском рынке, можно добавить пользующиеся постоянным спросом энергонезависимые котельные агрегаты, в которых отсутствие системы регулирование компенсируется надежностью работы. Перебои в энергопотреблении не приводят к выключению котлов. В современных котлах (Mora, Dakon, Protherm) установленное в котле термосопротивление позволяет осуществлять достаточное количество регулировок. Как правило невысокие экомомические показатели таких котлов перевешивают высочайшая надежность и неприхотливость.

На другой чаше весов располагаются современные конденсатные котлы — установки, полезно использующие не только тепло сгоревшего топлива, но и, частично, тепло конденсации водяных паров, присутствующих в уходящих газах КПД таких котлов (по Q r _i) при сжигании природного газа достигает 107-109%.

Конструкция конденсатных котлов

Для реализации вышеописанных принципов разработана принципиально новая конструкция котла с поверхностным теплообменником в хвостовой части.

В данном котле имеется два теплообменника, последовательно соединенных по котловой воде. Первый, конденсационный — в хвостовой части, второй — теплообменник нагрева котловой воды.

Применение такой конструкции при сжигании природного газа увеличивает КПД котла, рассчитанный по низшей теплоте сгорания на 10-15 %. К недостаткам таких котлов следует отнести их дороговизну, так как конденсационный теплообменник приходится выполнять из дорогостоящих легированных сталей, во избежание кислотной коррозии. Кроме того, требуется нейтрализация самого конденсата перед сбросом его в канализацию.

Литература

Беликов С.Е. Водозабор // Теоретические основы = Бытовые отопительные котлы / Под ред. Беликов С.Е. — М.: Аква-Терм, 2008. — С. 10-17. — 352 с. — ISBN 5-902561-07-8 (978-5-902561-07-1)