Устройство и принцип работы твердотопливного котла – теория и практика

Классификация

Для использования в частном доме, как правило, ставится твердотопливный котел с ручной загрузкой топлива. Виды твердотопливных котлов включают три типа.

Традиционный вариант

Наиболее популярны традиционные котлы на твердом топливе, которые передают тепло путем сгорания твердого топлива. Плохо то, что они нуждаются в частом обслуживании – закладка производится минимум 4 раза в сутки.

Кроме того, такое оборудование почти не регулирует мощность – на обогрев дома уходит лишь 70% тепловой энергии. Нельзя при этом уменьшить объемы топлива, так как КПД у котла невысокий. Но пользователей по-прежнему привлекают простота обвязки, автономность и невысокая стоимость.

Пиролизные варианты

Другой вид – пиролизные котлы. Принцип работы основан на использовании не твердого топлива, а пиролизного газа – продукта разложения топлива при высокой температуре. Преимуществами является полное сгорание топлива, что повышает КПД и почти отсутствующее образование сажи и золы – котлы обслуживают не больше 2-4 раз в сутки.

Минусы такого оборудования в том, что можно использовать только специально высушенное топливо с влажностью не более 20%. Также у них сложная конструкция и высокая стоимость – такие котлы изготавливаются из термостойкого материала.

Агрегаты длительного горения

Такие агрегаты отличаются тем, что топливо сгорает в верхней части – методом верхнего горения. Они просты в конструкции и нуждаются в обслуживании не чаще 1 раза в сутки, если загружать в качестве топлива опилки на брикетах и дровах с 30% влажностью, и 1 раз в неделю при работе на угле. КПД использования таких котлов доходит до 90%.

При этом скорость горения топлива можно уменьшать, если частный дом не нуждается в сильном обогреве. На фоне положительных качеств есть существенный недостаток – они сложны в монтаже, а также нуждаются в подключении циркуляционного насоса.

Автоматика

Сегодня существуют автоматические твердотопливные котлы, которые не требуют частого обслуживания и терморегуляции – они дороже обычных ручных и энергозависимы, но позволяют хорошо сэкономить время и топливо.

К таким относятся электрические пеллетные котлы, которые работают на так называемых пеллетах – гранулах из отходов деревообрабатывающей промышленности. Они доставляются транспортером в камеру при снижении интенсивности горения или температуры воды в системе. Разжигается топливо автоматически. Такие автоматические котлы требуют подключения к электроэнергии, поэтому на случай перебоев в сети нужно запастись аккумулятором.

Твердотопливный котел такого вида имеет и другой минус — громоздкость и необходимость отдельного бункера для загрузки пеллет. Их количество определяет длительность цикла работы: после того, как загруженный в бункер объем сгорит, потребуется следующая закладка. Другой сложностью является стоимость – пеллеты не слишком доступны, и производятся лишь несколькими заводами, а к котлу нужно покупать дополнительно транспортер и бункер.

Пиролизный котел или газогенератор

Пиролизный котел Ziehbart 100

Для начала поясним, что такое пиролиз. Это возможность эффективного сгорания топлива при недостатке кислорода. Когда его не хватает, то образуется несгораемый остаток в виде твердой золы, а побочным продуктом является горючий пиролизный газ. Он представляет собой дикую смесь продуктов сгорания твердого топлива и углекислоты.

В газогенераторе процесс сгорания разделяется на два этапа:

1. В топливной камере №1 топливо тлеет в бедной кислородом атмосфере. Подчеркиваем — оно не горит, а тлеет. Создать такие условия — не проблема. К примеру, можно поставить обычную механическую заслонку. Закрыл — и нет поступления воздуха. Открыл — и производительность резко повышается.
2. В топливной камере №2 перерабатываются летучие продукты сгорания топлива. Это газ, регулировать который можно без проблем. К примеру, можно установить термостат, который будет определять количество необходимой энергии в нужное вам время.

Что получается в результате?

• Полное сгорание твердого топлива. Остается лишь мелкая зола, которую можно использовать в качестве удобрения. Это экономически выгодно во всех отношениях — никаких отходов, длительное горение, и реже производится чистка зольника.
• Увеличивается промежуток между закладками топлива. К примеру, крупный уголь можно закладывать 1 раз в сутки.
• Полная автоматизация процесса.
• Есть возможность сжигать большие по размеру дрова. В обычных твердотопливных котлах они полностью не сгорают.

Но необходимо учесть и некоторые отрицательные моменты:

• Стоимость отопительного пиролизного котла в разы выше, чем у классических вариантов.
• Такие котлы относятся к категории энергозависимых и требуют принудительного надува.
• Для их работы необходимо использовать только сухое топливо.
• Нельзя делать закладку ниже нормы, определенной производителем.

Устроение и этапы сгорания

Твердотопливный котел представляет собой устройство, собранное в стальном корпусе и состоящее из следующих узлов:

• теплообменник (змеевик);
• прочистной люк и топочная камера, оснащенная дверцей;
• колосники (решетка);
• терморегулятор.

Принцип работы заключается в сжигании топлива: сначала оно подсушивается, затем окисляется и выделяется древесный газ, все дожигается, превращаясь в золу. Попадая в камеру, топливо распределяется на колосниках, которые располагаются наклонно.

Вся влага, которая есть в топливе, испаряется в процессе взаимодействия с футеровкой камеры и от энергии горения. Все горение проводится принудительным поддувом. Дожиг происходит в топке при температуре в 95С в той части, куда поступает воздух из прослойки между облицовкой и футеровкой.

После сгорания теплообменник передает энергию теплоносителю. Теплообменник представляет собой нехитрое устройство — это бочка, сосуд, сквозь который идут трубы: горячий воздух проходит через трубы и нагревает воду внутри бочки. Вода движется в теплоносителе автоматически при помощи насоса. Для регулирования объема теплоносителя используются впускной и выпускной коллектор с датчиком температуры.

Как правильно подключить прибор к отопительной сети

В описанной конструкции чаще используют принудительную схему обвязки посредством двух патрубков. Первый подключают к подающему контуру, а второй — к обратному.

Порядок действий выглядит следующим образом:

• Оба патрубка обвязывают льняной паклей. Обмотку покрывают герметиком.
• Сверху устанавливают уголок, прикручивают бочонок с ниппелем.
• Все детали плотно стыкуют и подключают к крану, участки с резьбой обрабатывают герметиком.
• Водяной контур подсоединяют к трубам для циркуляции теплоносителя посредством муфты и гайки.

Перед запуском отопительной системы выполняют тестовую проверку, чтобы убедиться в отсутствии протечек.

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 парового котла

Для функционирования паровых котлов высокого давления используют химически обработанную воду, нагреваемую через пакеты экранных труб, под воздействием горячих уходящих газов, образующихся, как продукт от горения природного топлива.

С ростом температуры вода преобразуется в пар, поступающий на участок применения для передачи тепловой энергии или кинетической энергии струи.

Схематичное исполнение котла по выработке пара

Принцип работы:

1. Природная вода поступает на водоподготовку, где проходит очистку от взвешенных веществ и умягчается. Затем она подается в баках химочищенной воды и подаётся в агрегат с помощью питательных насосов для паровых устройств.
2. Прежде чем попасть в барабан питательная среда поступает через экономайзер – чугунное теплонагревающее устройство расположенное в хвостовой части агрегата для снижения температуры уходящих газов и повышения кпд парового котла.
3. Из верхнего барабана вода по необогреваемым трубам попадает в нижний барабан, а поднимается из него по подъемным конвективным трубам в виде пароводяной смеси.
4. В верхнем барабане проходит процесс его сепарации от влаги.
5. Сухой пар через паропроводы направляется к потребителям.
6. Если это парогенератор, то пар повторно проходит нагрев в пароперегревателе.

Топливо для котлов длительного горения

Потребуются определенные марки мягкого угля с низким уровнем шлакования. Предпочтительнее длиннопламенный уголь с фракцией Т 25 мм. На выставках работа автоматических котлов длительного горения демонстрируется именно на этом типе «черного» топлива. В этом случае получается красивое пламя с большими и длинными языками.

Однако, как только потенциальный покупатель пытается выяснить марку угля, представители компаний уверяют, что котел работает на польском угле, который называется ЭКО-ГОРОШЕК. И заверяют: котел и на нашем угле отработает также красиво, а главное — эффективно и экономно.

На практике дело обстоит иначе:

• котел покупают и устанавливают;
• на местном рынке приобретают доступный уголь без упора на его качество;
• и ожидаемого костра «как на выставке» не получают.

Объясняется все просто. Данный котел не предназначен для работы на абы каком угле. В Польше уголь продается в сортировочных мешочках, уже отсеянный/просеянный с указанием калорийности и нужной фракции, которая подходит для конкретного типа котла. «Сортовой» уголь обойдется дороже (на 20-30%), чем тот, что продается на местном рынке. Однако польский уголь горит ярким пламенем, обладает высоким КПД и отличной теплотворностью.

Распространённые проблемы и их решение

Неисправности в работе котла чаще возникают по причине нарушений, допущенных при:

• выборе дымохода;
• сварке труб «рубашки»;
• резьбовом соединении;
• расчёте наклона теплообменника.

Если после загрузки сырья в котёл появляется дым, то проблема заключается в тяге. Она же препятствует нормальному горению топлива в котле.

Внимание! Перед строительством необходимо получить консультацию инженера для расчёта высоты и диаметра конструкции. При образовании смолистых выделений в котле рекомендуют:

При образовании смолистых выделений в котле рекомендуют:

• увеличить рабочую температуру до 75 или более градусов;
• почистить внутренние стенки камеры;
• поддерживать температуру воды в обратке на уровне от 55 и более градусов 3-ходовым клапаном.

Сырые или недостаточно калорийные дрова часто мешают равномерному сжиганию и обогреву помещения.

Определение с параметрами проекта

Точного определения данному понятию нет. Соответствующее оборудование появилось, как ответ на требования потребителей повысить уровень комфорта в процессе эксплуатации, увеличить выработку тепла в расчете на единицу использованных энергетических ресурсов.

Основным недостатком классических котлов является необходимость регулярного добавления топлива в топку. Сложности создают также следующие факторы:

• высокая интенсивность горения;
• сложность оперативной регулировки и контроля этого процесса;
• неполное использование тепла, которое удаляется вместе с дымом через систему вентиляции.

Для поддержания работы обычного котла лучше иметь рядом достаточный запас дров

Разные конструкции

Для решения отмеченных выше задач используют различные решения. Чтобы не закладывать часто новые порции топлива увеличивают размеры топки. Сделать процесс горения равномерным помогает размещение сверху прижимного устройства, дозированная подача воздуха.

Схема типичного котла этого класса

Создать чертежи твердотопливных котлов длительного горения своими руками будет проще после подробного изучения стандартной конструкции:

• В начальном положении прижимное устройство (10) находится в верхнем положении.
• Через дверцу (6) в топку загружают крупную партию дров.
• После поджигания происходит регулируемый механическим приводом (16) процесс горения.
• Свежий воздух подается нагнетателем через телескопическую полую внутри штангу. Он распределяется равномерно через прижимной диск (10).
• Подача кислорода сверху обеспечивает постепенное сгорание топлива, слоями.
• Золу после завершения цикла удаляют через нижнюю дверцу (13).
• Для поднятия диска (10) в верхнее положение используют лебедку (2) с электроприводом.

Недостатком данной конструкции является невозможность произвольной закладки дров в топку. Существенное преимущество – повышенная до 24 часов и более длительность одного рабочего цикла.

В следующей конструкции топливо можно подкладывать по мере необходимости. Здесь использована технология пиролиза. Она характерна дозированной подачей кислорода и низкой интенсивностью горения. Тлеющие дрова выделяют горючий газ. Он сгорает в дополнительной камере.

Пиролизный котел

Эта установка полноценно использует топливо. В продуктах сгорания содержится минимальное количество сажи. Сложной является оптимальная регулировка рабочих процессов.

Газовые и дизельные агрегаты лишены упомянутых недостатков по причине простоты дозирования соответствующих видов топлива. Подобный результат можно получить, если использовать специальным образом спрессованные гранулы из отходов деревообработки, шелухи семечек, иного горючего сырья.

Пеллетный котел

В данном варианте гранулы (пеллеты) засыпают в бункер, откуда они подаются шнековым механизмом в топку. Понятно, что такая конструкция позволяет при необходимости быстро увеличивать и уменьшать подачу топлива. Гибкое изменение производительности котла пригодится для оптимизации работы при изменении внешней температуры, подключении дополнительных потребителей. С гранулами не слишком сложно работать при транспортировке, хранении.

Теплообменник для подогрева воды

Повышают эффективность котлов с помощью сложных структур выходных узлов. В таких конструкциях повышается температура теплоносителя. Аналогичные функции выполняют полые стенки корпуса.

Чертежи твердотопливных котлов длительного горения своими руками

Прежде чем искать соответствующую документацию, необходимо точнее определиться с конструкцией. Предпочтительной является первая схема твердотопливного котла длительного горения, своими руками ее будет создать проще.

Принципиальная схема котла

Для отопления сравнительно небольшого частного дома с общей площадью 150-250 м. кв. достаточно будет следующих размеров:

Чертежи твердотопливных котлов длительного горения своими руками

При высоте чуть более 1,5 метра и ширине около 40 см не сложно будет найти подходящее место для установки. Но надо учитывать необходимость создания технологических проходов для обслуживания. Понадобится свободное пространство сверху для монтажа лебедки и другого оборудования.

Конструкторскую документацию можно создать без соблюдения стандартов

Для реализации частных проектов не обязательно соблюдению ГОСТов. Но чем подробнее получился чертеж твердотопливного котла длительного горения своими руками, тем проще будет исключить ошибки на ранних стадиях.

При удалении большого количества ржавчины перед окраской может понадобиться респиратор

Котлы на твердом топливе длительного горения своими руками чертежи. 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.

Как работает пиролизный котёл. Устройство и принцип работы пиролизного котла.

Принцип работы пиролизного твердотопливного котла построен на процессе разложения твёрдого топлива на пиролизный газ и кокс. Достигается это с помощью недостаточной подачи воздуха. Из-за слабой подачи воздуха топливо медленно тлеет, но не горит, в результате образуется пиролизный газ. В результате газ соединяется с воздухом. происходит горение и выделяется тепло, которым греется теплоноситель. Благодаря такому процессу в дыму крайне мало вредных веществ, да и сажи и золы незначительно. Так что в случае с пиролизными котлами, так же можно говорить об экологичности.

Итак, рассмотрим подробнее принцип работы пиролизного котла.

• Что такое пиролиз? Пиролиз — процесс сжигания в условиях недостаточного количества кислорода. Результатом такого горения являются твёрдые продукты горения и газ: твёрдые отходы — это зола и смесь летучих углеводородов плюс углекислоты.
• Принцип работы газогенератора(или пиролизного котла), заключается в том, что такой твердотопливный котёл разграничивает процесс теплотворения на два процесса. Первый, это обычный процесс горения твёрдого топлива, при ограничении подачи кислорода. При дефиците воздуха, твёрдое топливо очень медленно тлеет выделяя газ. Ограничивает подачу кислорода, котёл очень просто, механической заслонкой, которая в зависимости от количества воздуха в топке, либо открывается либо закрывается. При этом можно вручную «поддать жару», приоткрывая заслонку.
• Вторая часть процесса сгорания топлива, заключается в прогорании летучих отходов процесса горения в первой топке. Во второй топке прогорает так называемый пиролизный газ — результат горения твёрдого топлива в первой топке.
• Регулировка при этом, также как и в случае подачи воздуха в первую топку, происходит очень просто. Термостат контролирует процесс горения и изменяет работу котла ровно настолько, насколько необходимо для выработки необходимого количества тепла. По принципу работы он не особо отличается от термостата для водонагревателя.
• Эффективность пиролизных котлов. На сегодняшний день самые эффективные котлы — те, в которых горение происходит сверху вниз. Конечно, это накладывает определённые сложности, например, в таких котлах приходится делать принудительную тягу, ведь вторая камера дожига пиролизного газа находится под колосником. Если проще: топливо рассыпается в продукта отходов процесса горения — в золу. При этом образовывается газ, который также дожигается. В результате: максимальное выделения тепла, практически с безотходным процессом горения. Плюс, золу можно использовать как удобрение.

Принцип работы пиролизного котла устроен таким образом, что помимо максимально эффективного сгорания топлива, мы имеем и минимальные отходы процесса горения. Основной минус — это цена пиролизных котлов, но положительных моментов, на самом деле очень много:

• Минимум отходов и минимальная чистка топки, в сравнении с другими твердотопливными котлами.
• Долгое время автономной работы без дозагрузок, благодаря экономичной подаче воздуха.
• Автоматизация процесса горения. Котёл сам регулирует когда увеличивать горение и когда уменьшать.
• Твёрдое топливо больших размеров подходит для таких котлов, так как в любом случае дожигание топлива проходит практически полностью.

Конструкция

Пиролизный котел состоит из топливной камеры, разделенной на зоны. В одной из них, называемой газогенераторной, происходит разложение топлива на золу и пиролизные газы, в другой — зоне дожига — происходит сгорание этих газов.

• Котлы выпускаются двух типов:
• с верхней загрузкой, или шахтные;
• с нижней загрузкой.

Шахтные котлы верхнего горения

Чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление и стабилизировать тягу, камеру оборудуют дутьевым вентилятором, установленным сверху котла — этот процесс называют «верхним дутьем». Некоторые модели оснащены еще одним вентилятором, подающим струю воздуха прямо в камеру дожига, что повышает эффективность котла. Дым и пар после дожига через дымовой патрубок выводятся в дымоход.

Котлы с нижним горением В этом типе отопительных агрегатов газогенераторная камера находится снизу, а пиролизные газы поднимаются вверх под воздействием тяги. Для устойчивого горения таким котлам необходим дымоход высотой не менее 5 метров.

Применение вентилятора для котлов с нижней загрузкой не обязательно, т.к. воздух подается через заслонку. Эффективность котлов нижнего горения ниже, чем у шахтных, но они не зависят от наличия электроэнергии.

Теплообменник и подключение котла к системе отопления

Рядом с топкой находится теплообменник, по которому циркулирует теплоноситель системы отопления. Конструкция теплообменника зависит от модели агрегата. Для подачи и отвода воды в систему предусмотрены штуцера. Входной штуцер, через который в котел поступает остывшая в системе отопления вода, находится в нижней части теплообменника. Выходной штуцер — в верхней. В качестве теплоносителя может использоваться вода, лучше дистиллированная, или антифризы.

Газогенераторы длительного горения могут работать в системах с естественной или принудительной циркуляцией. При выборе котла необходимо согласовать объемы теплообменника и теплоносителя, необходимого для заполнения системы отопления. Систему оснащают расширительным баком, а для принудительной циркуляции — насосом, который устанавливают непосредственно перед вводом в котел.

Для стабилизации температуры в системе отопления рекомендуется установить также теплоаккумулятор — накопительный бак, который будет промежуточным звеном между котлом и отопительными приборами. При этом, во время перерывов в топке котла, система не будет остывать более, чем на 10-15 градусов. Вода на входе в теплообменник должна иметь определенную производителем температуру, обычно — 60 градусов Цельсия. Для поддержания этой температуры системы оснащают трубой для подмеса горячей воды. В системах с принудительной циркуляцией на случай внезапного отключения электричества также нужно предусмотреть байпас для обхода циркуляционного насоса.

Ряд моделей пиролизных газогенераторов помимо отопления могут быть подключены также к контуру ГВС, такие котлы называются двухконтурными. Удобно, если допускается эксплуатация агрегата при отключенной системе отопления, только для нагрева воды, что позволит использовать его летом. Обычно такие модели комплектуются дополнительно ТЭНами, встроенными в теплообменник.

Материал корпуса

Твердотопливные котлы длительного горения обычно имеют корпус из стали толщиной от 3 до 8 мм.

• Но некоторые производители предлагают котлы из чугуна, которые имеют ряд преимуществ:
• чугун имеет повышенную коррозионную стойкость по сравнению со сталью, чугунным котлам не страшна низкотемпературная коррозия;
• чугунные котлы с кованным теплообменником не имеют сварных швов, в которых чаще всего начинается разрушение стали;
• более толстые стенки чугунных агрегатов не подвержены прогоранию и деформации;
• благодаря большей толщине они дольше не остывают, что позволяет поддержать температуру в системе во время перерыва на чистку котла.

• Недостатки у чугунных моделей тоже есть:
• они значительно тяжелее, в 2-2,5 раза;
• цена выше, чем у стальных, примерно на 50-70%.

Требования к топливу

Большинство современных моделей пиролизных котлов оснащены автоматическим регулированием режима горения. Длительность горения зависит от вида топлива. Как правило, при топке сухими дровами газогенератор может работать на одной загрузке до 12 часов, а на угле — около суток. Использование опила, стружки, отходов деревообработки несколько снижает время горения без дозагрузки.

Дрова должны быть сухими, с влажностью не более 16%. При использовании пеллет или брикетов такая влажность гарантирована производителем, дрова необходимо сушить в тени не менее года.