Отопительные котлы

Рассмотрено возникновение отопительных приборов, описаны современные отопительные котлы, их классификация, особенности монтажа и эксплуатации, а так же преимущества и недостатки каждого вида котла.

С самых давних времен человек старался привнести в своё жилище тепло и уют. Первыми были открытые очаги, называемые каминами, которые кроме функции обогрева, предназначались ещё и для приготовления пищи в обычных чугунных котлах на открытом огне. Миновало много столетий, прежде чем в нашу жизнь вошли отопительные котлы. Процесс перехода от открытых очагов к жаровням, котлам, печам, электрокаминам, конвекторам, излучателям и другим, постоянно совершенствующимся отопительным приборам, был обусловлен в первую очередь оптимизацией способа сжигания разных видов топлива и инновациями в плане конструкции. (См. также: Отопительные котлы на твердом топливе)

Один из первых твердотопливных котлов

Массовое производство непосредственно отопительных котлов стало актуальным в XVIII веке. Однако паровые котлы как элемент двигателя внутреннего сгорания были изобретены ещё в конце XVII века. Изначально и те и другие котлы отапливались вручную пеллетами или целыми дровами и древесным углем. С развитием технологии производства, появлялись другие виды топлива – так в ХХ веке котлы отопления уже оснащались автоматическими приборами для подачи жидкого или газового теплоносителя. А вот способы отопления – никогда не зависели от времени или расстояния и всегда и везде оставались практически неизменными.

Виды котлов отопления

По виду использующегося топлива различают:

твердотопливные котлы (пеллетные, угольные, дровяные);

отопительные котлы, работающие на жидком топливе (дизельные, мазутные);

отопительные электрические котлы (электродные, ТЭНовые, индукционные).

Отопительные котлы, работающие на твердом топливе

Отопительные твердотопливные котлы – это устройства отопления, принцип действия которых основан на процессе выделения тепла при горении твёрдого топлива. Подача топлива в такие котлы может осуществляться вручную (бытовые модели) или автоматически (модели для промышленности). Используется чаще в виде резерва или ввиду отсутствия газопровода. Возможное топливо для такого вида котлов:

пеллеты (гранулированное биологическое топливо, сырьём, для изготовления которого, может являться как торф, так и различные сельскохозяйственные и древесные отходы);

Твердотопливный котел

Существует разновидность твердотопливного котла, которая называется пиролизным (газогенераторным) котлом. Разница между ними в том, что в пиролизном котле происходит раздельное сгорание самого топлива и летучих веществ, которые из него выделяются в процессе горения. Наибольшее выделение таких веществ обеспечивают отопительные котлы, работающие на дровах. Поэтому их пиролизный вариант и по сей день является большим соблазном для тех, кто задумал сделать отопительный котел своими руками. Преимущества таких котлов:

Возможность использования нескольких видов топлива;

Низкая стоимость топлива;

Не обязательно подключение к электросети или другим коммуникациям, может быть полностью автономным;

Пиролизные котлы долго работают на одной топливной загрузке, не снижая при этом своего КПД (10-15 часов).

Автоматический пиролизный котел

Важно! Рыночная цена на жидкое топливо значительно дороже, чем на газ, поэтому использование жидко топливных котлов оправдано лишь при отсутствии поблизости газовой магистрали.

Недостатки пиролизных котлов:

Недолговременная работа на одной топливной загрузке (2-4 часа);

Инерция процесса сгорания;

Как правило, ручной режим доставки, подготовки и загрузки топлива;

Требует постоянной чистки от продуктов горения.

Отопительные котлы, работающие на жидком топливе

Принцип работы котлов этого вида настолько аналогичен и схож с газовыми надувными котлами, что не имеет место какое-либо различие достоинств и недостатков, кроме одного – стоимость топлива.

Совет! Модели с горелками для солярки, мазута и отработанного масла экономически все-таки предпочтительнее электрических котлов.

Современный жидкотопливный котел

Отопительные котлы на газу

Электронный (автоматический) или пьезорозжиг включается, когда газ подходит к такому котлу, немедленно провоцируя искру, от которой загорается затем не затухающий запальник (подача газа при незажжённом запальнике в котлах с пьезорозжигом просто недопустима – газ может взорваться), поджигающий основную горелку – в ней то и греется до определённой термостатом температуры теплоноситель. Когда процесс завершён – горелка автоматически отключается и температура в котле постепенно падает. Датчик улавливает минимально-заданную температуру в работающем котле и дает «добро» клапану для подачи новой порции газа. Процесс повторяется заново.

Классификация газовых котлов

На сегодня отопительные газовые котлы – самый распространённый вид котлов в России из-за дешевизны своего топлива, поэтому нет ничего удивительного в том, что они имеют довольно многообразную классификацию. Например, по месторасположению при монтаже они бывают:

Напольный газовый котел

По общим функциональным возможностям:

одноконтурные (сами по себе обладают только функцией отопления);

двухконтурные (могут, как отапливать помещения, так и греть воду).

По типу тяги газовые котлы принципиально делятся:

котлы с естественной тягой или с атмосферной горелкой или с открытой камерой сгорания, что одно и то же (воздух для горения поступает из специального помещения – котельной, а отвод продуктов происходит за счёт вполне естественной тяги);

котлы с принудительной тягой, с надувной горелкой или с закрытой камерой внутреннего сгорания, что одно и то же (забор воздуха и отвод продуктов происходит снаружи здания или при помощи вентиляции).

Единственными недостатками данного вида котлов являются дороговизна их оборудования и оформления, чего нельзя сказать про отопительные котлы на твердом топливе (газовая магистраль – государственная собственность) и невозможность их установки вдали от газопроводов.

Отопительные котлы, работающие от электричества

Электродные котлы

Нагрев теплоносителя происходит напрямую электронагревателем электродного типа. Это процесс омического нагрева, а не электролиза, потому как анод и катод постоянно меняются местами с установленной частотой.

«сухой ход», вода в котле не нужна;

накипь на электродах снижает мощность котла, но не разрушает электродов;

весьма компактны по размерам (если взять в сравнение отопительные котлы на дровах);

Электродный отопительный котел

ТЭНовые котлы

Передача тепловой энергии теплоносителю производится через «посредника» — электрический ТЭН. ТЭНов в котле может быть несколько.

электробезопасен, отсутствует утечка тока, позволяет устанавливать защитное отключение;

мощность почти всегда постоянна и зависит только от скачков напряжения в электросети;

возможно плавное регулирование мощности при включении-отключении, что в свою очередь минимизирует скачки напряжения;

работа может производиться на разнообразных теплоносителях;

Конструкция ТЭНового котла

Индукционные котлы

Принцип действия индукционных котлов заключается в явлении электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создаёт индуцированный ток, который течёт по обкладкам двух контуров. Первичный контур представляет собой магнитную систему, а вторичный – теплообменник или тепловыделяющий элемент. В нём то и индуцируются токи, управляемые переменным магнитным полем и вызывающие его нагрев. Соответственно, от теплообменного устройства, происходит и нагрев окружающей среды.

Индукционный котел

Кто придумал котел для отопления

Что такое отопление?

Отопление — это искусственное обогревание помещений и зданий с возмещением тепловых потерь для поддержания в них температуры на заданном уровне. Температура определяется комфортом находящихся в помещениях людей и требованиями протекающего технологического процесса. Для отопления предусматривают отопительную установку.

Отопление зданий в Древнем мире и средних веках

Отопление гораздо древнее кондиционирования воздуха (напомним, первый кондиционер появился в 1902 году). История отопления восходит к кострам, разведенным первобытными людьми в пещерах и насчитывает уже много тысяч лет.

В Древнем мире в одно и то же время встречались технические устройства отопления, стоящие и на самом низком и на достаточно высоком уровнях. Самый простой и древний способ отопления путем сжигания топлива внутри помещения соседствовал с центральными установками водяного и воздушного отопления. Так, в городе Эфесе, основанном в Х в. до н.э. на территории современной Турции, для отопления уже в то время использовались системы трубок, в которые подавалась горячая вода из закрытых котлов, находящихся в подвалах домов. Римская система воздушного отопления «Хюпокаустум» (=снизу согретый), созданная в Римской империи, была устроена так: наружный воздух нагревался в подпольных каналах, предварительно прогретых горячими газами, и поступал в отапливаемые помещения. По такому же принципу обогревались помещения замков в Германии в Средние века.

Костры, очаги и примитивные печи использовались в жилищах бедняков, водяное и воздушное отопление — в дворцах и банях знати. Это различие в отопительных установках, имевшееся 2000- 3000 лет назад, существовало и в средние века. В течение нескольких тысячелетий для отопления жилищ применялись глинобитные печи, топившиеся «по-черному» с отводом дыма в помещение и через него наружу. В дворцах устраивалось центральное огневоздушное подпольное отопление, обнаруженное при раскопках на территории Хакасии в Сибири, Древних Китая и Греции.

В XVIII в. в Англии и Франции были изобретены (хотя отдельные установки встречались и ранее) системы парового и водяного отопления. Они сначала применялись для отопления оранжерей и теплиц, а потом, с начала следующего столетия, и зданий.

История отопления в России

В Древней Руси широко применялся курной очаг (без дымовой трубы). В России лишь в XV — XVI вв. печи в жилых помещениях были дополнены трубами и стали называться «белыми» или «русскими». Первоначально дымовые трубы, которые назывались дымницами, выполняли из древесины в виде толстого теса, что было пожароопасным. В период интенсивного развития городов в XVI-XVII вв. русская техника достигла высокого уровня. Основным центром печного искусства и выучки мастеров печных дел в период со времени создания Русского государства и до второй половины XVII в. была Москва. Здесь зарождались прогрессивные конструкции и новые архитектурные формы отопительных печей, разрабатывалась технология изготовления печных изразцов, строились кирпичные заводы и чугунолитейные фабрики, изготовляющие печные приборы.

Существенный сдвиг в печном деле произошел во время Петровской эпохи. В 1718 г. указом Петра I было запрещено строительство в Петербурге домов с курными печами и деревянными трубами, а в 1722 г. этот указ распространился и на Москву (непонятно, как люди жили до этого в своих черных, пропитанных сажей избах). Одновременно расширялись существующие и сооружались новые кирпичные заводы. Были изданы обязательные правила кладки наиболее важных элементов печей. В это же время было развито производство печных отделочных материалов. Вместо рельефных тисненых изразцов в печном деле стали применять гладкие расписные изразцы голландского образца. В связи с этим отечественные отопительные толстостенные печи неправильно стали называть голландскими или «голландками». По документальным источникам установлено, что в XVIII и в начале XIX вв. русское печное искусство занимало ключевые позиции в Европе.

Появились системы воздушного отопления. Известно, что в ХV в. такое отопление было устроено в Грановитой палате в Московском Кремле, а затем под названием «русская система» применялось в Германии и Австрии для отопления крупных зданий. После опубликования в России в конце 18 века книг Н. А. Львова («Русская пиростатика», 1795 и 1799 г.) появились системы воздушного топления, совмещенные с вентиляцией. Обобщающий печное отопление труд «Теоретические основания печного дела» был написан И. И. Свиязевым в 1867 г.

В России первая система парового отопления была осуществлена в Петербурге в 1816 г., водяного отопления — в 1834 г. (П. Г. Соболевский). В России паровое отопление высокого давления устраивалось исключительно в производственных зданиях, что свидетельствует о понимании связанных с его применением недостатков. Позднее стали применять системы низкого давления. Водяное же отопление преимущественно распространялось в гражданском строительстве, в первую очередь в больницах.

Остановимся подробнее на истории водяного отопления, широко применяемого в настоящее время. В XIX в. водяное отопление устраивалось с естественной циркуляцией воды. В 50-60-х годах 19 века распространилось более дешевое водяное отопление высокого давления по системе Перкинса (патент 1831 г.). Система составлялась из вертикальных толстостенных трубок (внутренний диаметр 15 мм, наружный 25 мм), со всех сторон замкнутых и заполненных водой. Вода нагревалась в змеевике, помещенном в центральную печь. Такого же рода змеевики («нагревательные спирали»), соединенные одной трубой, размещались в обогреваемых помещениях.

Сейчас подобная связь отопительных приборов именуется однотрубной. В системе циркулировала вода под значительным давлением (до 7 МПа) , нагреваемая до 260-300оС. В системе водяного отопления высокого давления кроме змеевиков в помещениях использовались гладкие трубы большого диаметра, а затем и ребристые трубы — первые специальные отопительные приборы. Применялось также водяное отопление повышенного давления (до 0,8 МПа) с отопительными приборами в виде чугунных цилиндрических печей со сквозным внутренним каналом.

С 70-x годов 19 столетия с водяным отоплением высокого давления стало успешно конкурировать водяное отопление низкого давления, выполняемое заводом Сан-Талли в Петербургe по горизонтальной схеме с отопительными приборами из ребристых труб (фасонные части и арматура ввозились из Германии). В последней трети XIX в. водяное отопление низкого давления осуществлялось в различных городах России в виде вертикальных и горизонтальных однотрубных систем. В 1875 Г. К. Лешевич впервые устроил квартирное водяное отопление низкого давления, действующее самостоятельно или во время топки кухонного очага. В 80-x годах около каждого отопительнoгo прибора стали устанавливать регулирующие краны. В 90-х годах появилось двухтрубное водяное отопление, где по одной из параллельно прокладываемых двух вертикальных труб подавалась в отопительные приборы нагретая вода, по другой отводилась охлажденная. Вертикальные трубы отопления прокладывались скрыто в стенах, ребристые трубы закрывались щитами и декоративными решетками.

Для начала ХХ в. характерно стремление к уменьшению первоначальной стоимости отопительных установок. Водяное отопление устраивается с открытой прокладкой вертикальных труб и открытой установкой отопительных приборов (около 1900 г. появились чугунные радиаторы). Применяются различные решения с целью повышения скорости движения воды для уменьшения диаметра труб. Побуждение циркуляции воды предлагалось осуществлять путем подмешивания к воде в подъемных трубах воздуха, пара, перегретой воды.

В. М. Чаплин разработал и в 1903 г. впервые применил в Москве паро-водо-водяное отопление с побуждением циркуляции воды пароструйным инжектором. Для отопления здания устанавливались два котла: паровой для получения пара под давлением 0,05 — 0,3 МПа (в зависимости от высоты здания) и водогрейный для нагревания воды до температуры от 100 до 150 С, которая, смешиваясь с охлажденной водой, поступала при пониженной температуре (не выше 90 С) для отопления помещений. Предложенное В. М. Чаплиным эжектирование охлажденной воды при подаче снаружи высокотемпературной воды повсеместно используется до настоящего времени для центрального водяного отопления зданий.

В 1905 г. В. А. Яхимович предложил и внедрил «трубчатые приборы с рубашкой из бетона» — паробетонные приборы панельно-лучистого отопления, основанного на заделке нагревательных элементов в толщу ограждающих конструкций помещений. В последующие 10 лет было выполнено свыше 100 таких отопительных установок. В те же годы появилось районное отопление: несколько зданий стали снабжаться тепловой энергией из oднoгo центра. При этом в качестве теплоносителя «дальнего действия» использовался пар, в зданиях устанавливались пароводяные теплообменники (бойлеры) и оборудовалось водяное отопление с естественной циркуляцией. Например, таким пароводяным отоплением в 1903 г. были оборудованы 13 корпусов Петербургской детской больницы (А. К. Павловский).

Начало применения насосов в России для побуждения циркуляции воды с целью не только уменьшения диаметра труб, но и увеличения радиуса действия водяного отопления относится к 1909 г. Осторожное отношение к использованию насосов в водяном отоплении последовало после отрицательного выступления г. Ритшеля на третьем Германском съезде по отоплению и вентиляции в 1901 г. Насосное водяное отопление впервые было осуществлено в Михайловском театре в Петербурге (Н. П. Мельников). В двухтрубной системе отопления каждый радиатор снабжался обходной веткой с переключательным трехходовым краном для возможности использования ее при выключении радиатора. В 1912 г. насосное водяное отопление было запроектировано Н. П. Мельниковым в нескольких крупных зданиях, в том числе в корпусах Института инженеров путей сообщения, где устраивалось впервые районное водо-водяное отопление с радиусом действия около 400 м при давлении, создаваемом насосом, 100 кПа. В здании Эрмитажа пневматическое (воздушное) отопление системы Аммосова было заменено водяным, рассчитанным на поддержание температуры в помещениях с колебанием в пределах 0,5оС.

В общем же в царской России установок центрального водяного отопления было мало и большинство их монтировалось в расчете на гравитационную (естественную) циркуляцию воды. Основная масса зданий, даже в столице, имела печное отопление, что отражалось на структуре и содержании тогдашних учебников по отоплению: они начинались с крупного раздела «Печное отопление».

Развитие систем отопления в СССР

В области водяного отопления период до середины 20 столетия характерен широким применением двухтрубного распределения теплоносителя воды по отопительным приборам здании. Однако с конца 1940-х годов в нашей стране весьма широкое распространение получили однотрубные системы водяного отопления. К настоящему времени этими системами оборудовано большинство зданий и сооружений.

Следует иметь в виду, что однотрубные системы отопления нашли столь широкое распространение не случайно. Во-первых, эти системы были менее металлоемкими по сравнению с двухтрубными. Во-вторых, они оказались гидравлически более устойчивыми (особенно при низких значениях наружной температуры воздуха) по сравнению с двухтрубными. В-третьих, именно эти системы позволили при переменном перепаде температуры воды в стояках максимально индустриализировать их изготовление на заготовительных предприятиях. Их можно было производить (при определенных условиях) еще до возведения обслуживаемого ими здания.

К недостаткам однотрубных систем можно отнести то, что они лишены возможности не только индивидуального регулирования теплоотдачи отопительных приборов, но и индивидуального учета теплоты, расходуемой на отопление того или иного помещения (или комплекса помещений).

Требования к тепловому режиму помещений в СССР постепенно повышались. Были установлены строгие нормативы температуры в помещениях разного назначения. Например, оптимальные температурные условия работы учащихся 22оС и недопустимость заметного отклонения от них (при понижении температуры до 15оС усвоение слушателями излагаемого материала снижается на четверть, а при повышении температуры до 30оС — наполовину).

Современные направления развития систем отопления

Для создания наиболее благоприятных условий труда и быта людей разрабатываются и внедряются технически совершенные, эффективные отопительные установки. Их отдельные элементы (узлы и детали) унифицируются для сокращения затрат труда. Это особенно важно при большом объеме промышленного и гражданского строительства. Эффективность действия отопительных установок обеспечивается путем оптимизации проектных решений с применением ЭВМ, придания установкам надежности в эксплуатации, автоматического поддержания необходимой температуры теплоносителя. Исследуются режимы эксплуатации, ищутся способы управления отопительными установками для экономии тепловой энергии.

Разрабатываются отопительные установки, основанные не на сжигании традиционных видов органического топлива (твердого, жидкого, газообразного), а на использовании сбросной теплоты возобновляемых источников, в том числе низкотемпературных. Одним из возобновляемых теплоисточников для отопления может являться солнечная энергия. Однако малая плотность лучистого потока на поверхности земли в большинстве районов страны ограничивает мощность отопительных гелиоустановок и их распространение.

В отдельных районах для отопления потребляется геотермальная энергия (глубинная теплота Земли) в виде пара и горячей воды, используется теплота грунта. Важным теплоисточником становится атомная энергия из-за известной ограниченности запасов органического топлива. Уже сейчас здания и сооружения, расположенные близ атомных электростанций или специальных атомных станций теплоснабжения, отапливаются водой, нагреваемой при действии атомных реакторов. Для отопления помещений используется также электрическая энергия, в частности в районах расположения гидростанций.

К началу XX века относится создание лучистого и панельного отопления. Но основное направление в развитии отопительных систем было направлено на усовершенствование котлов, печей и радиаторов. Получают свое развитие системы центрального отопления, теплофикации и централизованного теплоснабжения. К концу XX века особую популярность получает новый вид топлива – природный газ.

Современные пути развития отопительных систем направлены на поиск новых источников топлива (например: солнечные коллекторы, тепловые насосы, ветрогенераторы ), использование пеллет и топливных брикетов а так же энергосбережение и учет.