Путеводитель по отоплению

Устройство котлов на твёрдом топливе: варианты и возможности

Котлы на твёрдом топливе более других разновидностей отопительного оборудования приспособлены для полностью автономного функционирования с целью отопления индивидуальных домов, и – особенно – загородных особняков, построенных в сельской местности. Традиционные исполнения таких агрегатов не требуют наличия источников газа или электроэнергии и, при доступности сырья – угля, дров, торфа, пеллет – способны качественно и сравнительно недорого обогревать жилые и служебные помещения дома.

Традиционный твердотопливный котёл
Рис. 1 Традиционный твердотопливный котёл

При этом устройство котла на твёрдом топливе всецело определяется его конструкцией и принципом действия. Рассмотрим основные виды современных конструктивных решений такого оборудования с объёктивным анализом их сильных сторон и особенностей эксплуатации.

Классификация твердотопливных отопительных котлов

В большинстве случаев стандартные исполнения рассматриваемых агрегатов (творения самоучек от теплотехники в расчёт принимать не стоит, поскольку они - плод инженерной смекалки авторов под сугубо конкретные жизненные обстоятельства) включают в себя:

  • Традиционные котлы.
  • Пиролизные котлы.
  • Котлы длительного горения.

Кроме этой, наиболее общей классификации, твёрдотопливные котлы могут различаться по виду применяемого топлива (дровяные, угольные, пеллетные и пр.), по материалу корпуса, из которого они изготовлены (стальные или чугунные), по числу контуров отопления (одно- и двухконтурные), а также по типу систем, контролирующих процесс работы агрегата (механические и электронные системы контроля).

В дальнейшем рассматриваются твердотопливные агрегаты наиболее распространённых конструкций, в качестве теплоносителя для которых используется вода (хотя бывают ещё воздушные и паровые).

Принцип действия традиционных котлов, работающих на твёрдом топливе

Независимо от фирмы-производителя, такие котлы в той или иной мере используют принцип хорошо известной русской печи. Нюансы состоят, в частности, в способе загрузки топлива: верхнем или фронтальном.

Первый вариант более целесообразен для условий некоторой стеснённости площади, которая подготовлена под установку данного оборудования.

Устройство твердотопливного котла отопления рассмотрим на примере агрегата с фронтальной подачей топлива (рис. 1). Естественно циркулирующий по отопительному контуру теплоноситель через входной патрубок поступает в зазор между топочным отделением и внешним корпусом.

В дальнейшем работа агрегата осуществляется в такой последовательности:

  • Топливо через дверцу топочного отделения загружается на колосниковую решётку, после чего поджигается;
  • При изменении интенсивности открывания/закрывания заслонки на дымоходе производится регулирование количества подаваемого воздуха (и, следовательно, качества сжигания топлива);
  • С повышением (в результате сгорания топлива) температуры в верхней части топочной камеры начинается процесс теплоотдачи через металлические стенки теплоносителю.

Естественная циркуляция теплоносителя в отопительном контуре обеспечивается за счёт изменения плотности последнего. Дымовые газы удаляются естественной тягой через дымоход, причём устройство дымохода для твердотопливного котла может быть как встроенное в стену дома, так и выведенное отдельно (это вопрос решается ещё на стадии строительства дома).

Пиролизный твердотопливный котёл
Рис. 2 Пиролизный твердотопливный котёл

Несгоревшие остатки попадают в зольник, расположенный под колосниковой решёткой, и удаляются вручную через дверцу зольника. Для визуального контроля за процессом сгорания на дверцах имеются шторки.

Достоинство котлов такого типа – их полная независимость от внешних условий, недостаток – необходимость постоянного контроля за работой агрегата, низкий КПД, потребность в периодической очистке зольника.

Традиционные котлы хороши при своём периодическом применении: например, на загородных дачах, когда проживание там людей в холодную пору года носит ограниченный по времени характер.

Принцип действия пиролизных твердотопливных котлов

Как уже отмечалось, одним из недостатков агрегатов традиционного исполнения является их малый КПД. Проблема может быть устранена при установке пиролизного котла, в котором реализуется принцип так называемого двойного сгорания. Он заключается в том, что при некотором (искусственно создаваемом) недостатке воздуха, требующегося для горения топлива, конечным продуктом сгорания является не диоксид углерода СО2, а угарный газ СО, сам являющийся горючим газом.

В совокупности с паром, который всегда выделяется перед началом устойчивого горения топлива, он образует генераторный газ, который, во-первых, поддерживает процесс сгорания, во-вторых, повышает температуру в топочной камере, и, в третьих, увеличивает продолжительность сгорания порции топлива. Пиролизные котлы разработаны, главным образом, под дрова и пеллеты, поскольку из всех видов твёрдого топлива именно они обладают наименьшей теплотворной способностью.

Конструкция котла на твёрдом топливе, реализующего принцип пиролиза, представлена на рис. 2. Из него следует, что данный агрегат имеет в своём составе две рабочих камеры: в верхнюю производится загрузка топлива, в нижней происходит сам процесс пиролиза.

Он состоит из следующих стадий:

  • Предварительного подсушивания дров подогретым воздухом, принудительно подаваемым в камеру вентилятором;
  • Дегазации дров, с выделением генераторного газа;
  • Последующим сжиганием генераторного газа в камере сгорания;
  • Нагревом теплоносителя, заключённого в зазоре между внешней и внутренней стенками.

Необходимо отметить, что длительность сгорания в пиролизном котле значительно увеличивается. Связано это с неодинаковостью по времени происходящих реакций дегазации и сгорания: вначале, при температурах, превышающих 2500С, происходит только дегазация летучих компонентов: смол, масел и т.п., далее – при достижении температуры более 600…6500С (зависит от вида древесины) начинается процесс превращения твёрдого углерода в древесный уголь, и затем – уже при температурах до 8500С – сжигание последнего. В результате достигается более полное сгорание топлива и увеличиваются интервалы времени между его загрузкой.

Котёл длительного горения
Рис. 3 Котёл длительного горения

При всей своей экономичности пиролизные котлы обладают двумя особенностями: для привода вентилятора они требуют электрической энергии (а потому автономными считаться уже не могут), а также нуждаются в более серьёзных приборах автоматики, поскольку угарный газ СО чрезвычайно ядовит. С этим связано и более тщательное обустройство дымохода.

Принцип действия котлов длительного горения

Пиролизные котлы обеспечивают увеличение интервалов между загрузками до 6…8 часов, но иногда и этого бывает недостаточно. Для более существенного увеличения длительности непрерывной работы твердотопливного котла разработаны агрегаты длительного горения, использующие оригинальный «обратный» принцип, когда процесс сжигания топлива идёт не сверху вниз, а снизу вверх. КПД агрегата при этом заметно возрастает. Устройство твердотопливного котла длительного горения представлено на рис.3.

Принцип действия агрегата длительного горения основан на обеспечении возможности для сгорания только той части топлива, которая находится на поверхности.

Процесс происходит следующим образом:

  • Через дверцу в нижней части корпуса загружается порция дров, разжигание которых происходит сверху;
  • Встроенный термический регулятор управляет процессом сгорания каждого из слоёв;
  • Воронкообразный воздухораспределитель, постоянно перемещаясь вниз (по мере сгорания очередного слоя), обеспечивает подачу воздуха к каждому следующему слою.

Если предварительно выставить управляющую автоматику на заданную температуру теплоносителя, то поддерживание этих условий будет обеспечиваться исключительно за счёт скорости перемещения воздухораспределителя. Таким образом, в котлах длительного горения можно регулировать интервалы между закладками дров в весьма больших пределах: от 3 до 6 суток.

Все прочие составляющие части котла длительного горения принципиально не отличаются от обычных, за исключением специальной заслонки, предназначенной для переключения режима сгорания: для дров и угля. Такие агрегаты отличаются большей высотой, и вместе с тем не требуют каких-то особых требований к конструкции дымохода.

Как и предыдущий вид оборудования, котлы длительного горения нуждаются для своей эксплуатации в подключении электроэнергии.

Статьи по теме:
Котел на дровах для домаКотел на дровах для дома
Котел на опилках своими рукамиКотел на опилках своими руками
Котел дымокКотел дымок