Тепло для дома твоего - 3
Начатый в № 11/2019 цикл статей о системах отопления частного дома завершаем рассказом о твердотопливных котлах. Самые популярные из таких котлов в нашей стране - дровяные, поскольку стоимость топлива для них во многих регионах невысока.
По принципу сжигания топлива дровяные котлы делятся на несколько категорий. Рассмотрим основные из них.
Ближе к природе
В твердотопливном котле с естественным (природным) процессом горения топлива пылает сразу вся закладка дров (рис. 1). Такие котлы имеют простое устройство, сравнительно недороги, не особо требовательны к качеству топлива, и их легко обслуживать. Мощностью котла можно управлять, изменяя интенсивность горения топлива, но в ограниченном (60-100%) диапазоне. Для этого прикрывают заслонку, чтобы уменьшить подачу воздуха в топку. При нехватке воздуха снижается не только мощность, но и эффективность работы котла. Максимальный КПД котлов естественного горения не превышает 80%. Самый большой их недостаток - малая продолжительность горения от одной загрузки топлива, обычно не более четырёх часов.
Сначала газы
Пиролизные газогенераторные дровяные котлы длительного горения основаны на процессе газификации топлива. Топка котла разделена на две части (рис. 2). В загрузочной камере дрова тлеют. Под действием высокой температуры и при недостатке воздуха древесина выделяет горючий газ, который через щель-форсунку, смешиваясь со вторичным воздухом, попадает в основную камеру сгорания и там сжигается. Используя подобный подход, конструкторы смогли увеличить продолжительность горения топлива с одной закладки до 12 часов, заодно повысив КПД котла до 85-90%.
Стоит отметить, что в пиролизных котлах топливо сгорает медленно, но зато почти полностью, образуя мало золы и сажи. Для работы котла необходима принудительная подача воздуха с помощью регулируемого насоса. Не удивительно, что пиролизные котлы - довольно сложные и дорогие устройства. Как правило, они оснащаются дымососами и электронными приборами управления и контроля.
Для пиролиза нужны дрова с влажностью не более 25%. При естественной сушке в поленнице колотые дрова приобретают такую влажность только через два года хранения под навесом. А чтобы пиролизный котёл мог долго работать без перезагрузки, необходимо топливо определённых размеров, например, толщина каждого полена должна быть не меньше 10 см. Диапазон регулирования мощности котла - от 50 до 100%. При малой нагрузке его нормальная работа нарушается.
С чёрного хода
Дровяные котлы с подачей в топку вторичного воздуха были созданы в попытке усовершенствовать обычный котёл с природным процессом горения. Напомним, что в нём для регулирования тепловой мощности сокращают подачу воздуха в топку. При нехватке воздуха для горения начинается пиролиз, в результате которого в отходящих газах образуются горючие компоненты, без пользы улетающие в трубу. Удельный расход топлива увеличивается, а КПД котла уменьшается.
В дровяном котле с подачей в топку вторичного воздуха происходит обычный природный процесс горения топлива - пылает сразу вся закладка дров. А для дожигания горючих газов, которые появляются при ограничении подачи воздуха в топку, организована подача вторичного воздуха в её верхнюю часть. При этом КПД увеличивается, но продолжительность работы от одной загрузки топлива и другие параметры остаются на том же уровне, что и у традиционных котлов. Тем не менее некоторые производители и продавцы называют такие котлы «пиролизными».
В настоящих пиролизных котлах длительность горения увеличена благодаря тому, что процесс сжигания идёт только в нижнем слое закладки дров. Для того чтобы не нагревалась вся закладка, тяга в топке направлена вниз или в сторону от зоны горения. В таких условиях дрова тлеют, а основная часть тепла выделяется в результате сгорания пиролизных газов. В традиционных же котлах с подачей в топку вторичного воздуха горящий газ лишь незначительно увеличивает поступление тепла, причём только в те периоды, когда мощность котла ограничивают, уменьшая подачу воздуха. Основное количество выделяемого тепла обеспечивается естественным процессом горения дров. Ещё раз отметим, что тяга в топке такого котла направлена вверх, так что пламя охватывает всю закладку топлива.
Чем реже, тем лучше
Дровяной котёл нижнего горизонтального горения создан для продления интервала между загрузками топлива. Тяга направлена горизонтально, и дрова горят естественным образом в нижнем слое закладки вблизи колосника (рис. 3). Образующиеся дымовые газы уходят в вертикальный кожухотрубный теплообменник, вынесенный за пределы закладочной камеры, и далее - в дымовую трубу. Тепло, образующееся при сгорании топлива, отбирается водоохлаждаемым колосником, стенками топки и кожухотрубным теплообменником. В дымовую трубу попадают газы с невысокой температурой, достаточной для создания тяги.
В котле подобной конструкции вся закладка дров не прогревается, поскольку не продувается горячими дымовыми газами. Горит только нижний слой, что позволяет увеличить объём загрузочной камеры, обеспечив длительную работу котла на одной загрузке - до 12 часов. Котёл работает непрерывно, без остановок. Топливо время от времени добавляется сверху, а снизу удаляется зола.
Между загрузочной камерой и дымоходом расположена растопочная заслонка. Перед закладкой дров её открывают, и образуется тяга, благодаря которой дым не попадает в помещение. Система механической очистки колосника с помощью специальной выдвижной каретки позволяет удалять золу, не останавливая работу котла.
Дровяной котёл нижнего горизонтального горения может работать на топливе с влажностью до 50%. Обычно загрузочная дверца расположена наверху, и через неё легко под завязку наполнить камеру поленьями одного размера. Простая шомпольная система очистки теплообменника помогает поддерживать высокий КПД котла.
В котёл может быть встроен резервный электронагреватель (ТЭН), который имеет смысл использовать для увеличения максимальной тепловой мощности в сильные морозы или как резервный источник на случай, если закончится топливо.
Сверху вниз
Как понятно из названия, дровяные котлы длительного горения в верхнем слое (для краткости - котлы верхнего горения) устроены так, что горит только верхний слой закладки дров (рис. 4). Топлива, уложенного в высокой топочной камере, в режиме минимальной мощности может хватить на 30 часов. Котёл работает с высоким КПД - до 90% во всём диапазоне регулирования мощности, который весьма широк: 10-100%.
В котлах верхнего горения обычно отсутствуют сложные электронные системы управления и контроля. При работе на дровах не требуется подключение к электросети. Такие котлы обходятся дешевле пиролизных, но для них тоже нужны дрова с влажностью не более 30%. Дозагрузка топлива невозможна: установки работают только в цикле «загрузка топлива - розжиг - горение - затухание - чистка котла».
Теплоноситель заполняет пространство между внутренней и наружной стенками цилиндрического корпуса котла на всю его высоту. Воздух подаётся непосредственно в рабочую зону (горит слой топлива толщиной 10-20 см) через воздухораспределитель. По мере сгорания топлива воздухораспределитель опускается вниз. Подача воздуха регулируется клапаном, который управляется регулятором мощности.
Минимум усилий
Автоматические твердотопливные котлы (рис. 5) работают на гранулированном угле (фракция 5-25 мм) или древесных гранулах - пеллетах, а также на гранулах из других горючих материалов: торфа либо отходов растительного и животного происхождения. Строго говоря, такие котлы правильнее называть полуавтоматическими, поскольку они всё-таки периодически требуют некоторых действий от человека.
Необходимость использования только гранулированного топлива для сжигания в автоматических котлах вызывает определённые сложности для хозяев дома. Стоимость такого топлива заметно выше в сравнении с обычными колотыми дровами и углём. Идя навстречу экономному потребителю, производители автоматических котлов часто предусматривают в них возможность замены горелки для гранулированного топлива на другую - для жидкого топлива или газа. Вместо горелки могут также устанавливаться колосники. В этом варианте получается обычный дровяной котёл.
Топливо легко загружается в бункер котла. Полного бункера хватает на работу в течение 3-10 суток. После розжига в начале отопительного сезона горение в автоматическом котле поддерживается непрерывно. Автоматика котла может поддерживать два режима: активного горения, при котором тепловая мощность регулируется в диапазоне 10-100% от номинальной, и поддержания горения, когда мощность котла выбирается так, чтобы обеспечить температуру теплоносителя в котловом контуре около 55 °С.
Контроллер автоматически переводит котёл в режим поддержания горения, когда прекращается отбор тепла из отопительного контура. Такой режим защищает оборудование от низкотемпературной коррозии (подробнее о ней см. ниже), а также обеспечивает постоянную готовность котла к возобновлению активного горения.
В процессе работы котла необходимо следить за наполнением бункера и раз в несколько дней загружать в него топливо и удалять золу из съёмного зольного ящика.
Точка кислой росы
Древесина относится к возобновляемым источникам энергии, но чистым топливом назвать её нельзя. При сгорании древесной массы выделяется немало химически активных веществ, так что дровяные котлы необходимо защищать от низкотемпературной коррозии.
В режиме растопки котла при температуре теплоносителя менее 55-65 °C (в зависимости от ряда условий; отсюда и слово «низкотемпературная») на рабочих поверхностях теплообменника из дымовых газов выпадает конденсат. Он смешивается с продуктами сгорания топлива и постепенно забивает теплообменник, отчего КПД котла снижается. Кроме того, накапливающиеся отложения содержат кислоту, которая ускоряет коррозию металла, значительно сокращая срок службы котла и дымохода.
Для защиты котла от низкотемпературной коррозии, вернее, для минимизации её влияния, при растопке воду в обратном трубопроводе (на входе в котёл) необходимо как можно быстрее нагреть выше точки росы и в дальнейшем не охлаждать ниже этого уровня.
Схема защиты котла от низкотемпературной коррозии выглядит следующим образом: при растопке теплоноситель циркулирует только по котловому контуру, не попадая в отопительный контур. Благодаря этому теплоноситель и котёл быстро прогреваются. После повышения температуры теплоносителя в котловом контуре выше точки росы трёхходовой клапан постепенно подмешивает воду из отопительного контура. Таким образом, циркуляция теплоносителя в отопительном контуре начинается только после того, как прогреется котловой контур, что происходит довольно быстро.
Предыдущие статьи из серии «Тепло для дома твоего» вы можете прочесть, щёлкнув здесь и здесь.
Читайте другие наши материалы
