Устройство и принцип работы твердотопливного котла

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

Режим подачи пеллет

Автоматический режим подачи гранул в топку можно устанавливать на несколько дней вперед, если позволяет объем бункера. Происходит экономия топлива, и создается необходимый климат в доме. Управление режимом работы отопительного агрегата длительного горения можно осуществлять вручную или при помощи дистанционного пульта.

Выделяют два стандартных режима работы автоматического котла: активный и режим поддержания заданной температуры. Иногда устройства, работающие на пеллетах, совмещают с термостатическим элементом в помещении. Когда температура понижается, прибор переключает режим, и горение усиливается.

Классификация

Котлы имеют отличия по расположению камер для дожигания газов:

• с верхним расположением;
• с нижним расположением.

Котлы с верхней камерой более громоздкие, требуется больше материала для сборки дымоотвода. Зато чистить их придётся намного реже, ведь частицы от сгоревшего топлива не попадают в камеру для дожигания газов.

В котлах с нижним расположением секции топливо располагается в верхней части, а газы выводятся в нижнюю, и там догорают. Это удобно, но придётся часто удалять мелкие дровяные частицы из камеры утилизации газов.

По энергозависимости котлы бывают:

• без применения электричества: котлы с естественной тягой;
• с принудительной тягой.

Энергонезависимые котлы подразумевают включение в конструкцию высокого дымохода (не менее 5–6 метров) для увеличения тяги и обеспечения достаточного разрежения в отсеке сгорания.

Эффективность обогрева у таких котлов будет несколько ниже, чем у котлов с принудительной тягой.

Устройства с принудительным поддувом оснащаются одним или двумя вентиляторами, которые могут работать в режиме нагнетания воздуха или откачки сгоревших газов.

В некоторых моделях котлов применяется комбинированный способ с участием нагнетающих и отсасывающих газ устройств для увеличения мощности.

Справка! Механизмы, откачивающие отработанные газы, изготавливаются из особых жаропрочных (аустенитных) сплавов, их стоимость значительно выше, чем у нагнетающих вентиляторов.

По способу обогрева:

• Водяного обогрева — к теплообменнику котла подключаются водяные трубопроводы, по которым нагретая рабочая жидкость разносится по различным помещениям.
• Воздушного обогрева — вместо воды используется воздух, получающий тепло посредством того же теплообменника и распространяемый по воздухопроводам. Эффективность ниже, чем у водяного способа, применяется на производственных площадках, складах.

Фото 1. Пиролизный котел с теплообменником, предназначен для водяного обогрева, работает на дровах.

Чертеж: общий вид, рабочий процесс

Вариантов исполнения пиролизного котла много. Наипростейший вид по чертежу устроен таким образом.

• Камера сгорания котла.
• Отсек газификации.
• Секция дожигания газов.
• Колосниковые решётки.
• Теплообменник (входной/выходной патрубки).
• Трубопровод отвода газов (дымоход).
• Отверстия для поддува.
• Дверка в отсек для закладки топлива.

В котел могут быть включены температурные датчики и приборы для контроля и поддержания нормальных режимов работы.

А также аппаратная часть котла для автоматизации функционирования всего отопительного комплекса.

Суть происходящего внутри пиролизного котла характеризуется следующими процессами:

• Поток воздуха извне поступает в отсек газификации с находящимся там топливом.
• Некоторая часть кислорода будет поддерживать процесс горения (тления). Газы, являющиеся продуктами горения, через сопло попадают в камеру сгорания котла и там окисляются в присутствии вторичного кислорода, который поступает вместе с воздухом снаружи.
• Часть пиролизных газов восстанавливается при наличии углерода из топлива до угарного газа и окиси азота, потребляя при этом часть энергии. Смесь проходит в секцию дожигания газов и окисляется там с возвратом отнятой им энергии.

Фото 2. Чертеж пиролизного котла длительного горения, собранное по нему устройство может обогреть большой дом.

Участвующие в реакции пиролиза газовые смеси выводятся наружу через дымоход, минуя при этом теплообменник котла.

Внимание! Так как функционирование пиролизных котлов связано с большим количеством энергии, генерируемой внутри оборудования и возможном выделении разного рода вредных газов, осуществлять самостоятельную постройку котлов рекомендуется только при полном понимании всех физико-химических процессов, возникающих при его работе. Температурные фазы:

Температурные фазы:

• сушка, пиролиз древесины — 450 °C;
• сгорание древесного газа и вторичного воздуха — 560 °C;
• продувание пламени и возврат тепла — 1200 °C;
• отвод оставшихся продуктов горения — 160 °C.

Отличия устройства от обычных котлов

Включая древесину (дрова), специальные топливные брикеты (пеллеты) и отходы, получаемые на производстве. Одно из главных отличий котлов — применение различных видов твёрдого топлива, практически любого вещества, которое может гореть.

Длительность процесса сжигания топлива намного больше, чем у обычных котлов. От 8–10 часов и выше. Есть модели котлов с крупным отсеком для дров, продолжительность непрерывной работы — до 24 часов. Это значит, что пополнение камеры сгорания новыми порциями топлива осуществляется 1–2 раза в сутки.

Важно! За счёт того, что происходит почти полное разложение твёрдых материалов, пирокотлы менее вредны для окружающей среды

Котлы верхнего горения

Один из вариантов пиролизного устройства – котел верхнего горения. Принцип действия этих двух агрегатов очень схож.

Точно так же в топку загружают большое количество твердого топлива низкой влажности, воздух нагнетают принудительно и обеспечивают тление топлива при пониженном количестве кислорода. Задвижку, которая регулирует поток кислорода, устанавливают в нужном положении.

Схема устройства котла верхнего горения. Топка такого котла имеет глухое дно, частички продуктов горения удаляются через дымоход (+)

Но котлы длительного горения не имеют ни зольника, ни колосника. Дно представляет собой глухую металлическую плиту. Такие котлы устроены так, чтобы древесина сгорала полностью, а оставшееся в топке малое количество золы выдувалось воздухом.

Такие устройства отличаются высоким КПД и также работают при температурах более 1000°С.

Основная особенность таких устройств – они действительно обеспечивают длительный срок работы при полной загрузке. Топливная камера в таких устройствах обычно выполнена в форме цилиндра.

В нее сверху загружают топливо, сверху же, по центру, нагнетается необходимый для горения воздух.

В котлах верхнего горения устройство для нагнетания воздуха – это подвижный элемент, который опускается вниз по мере прогорания дров

Таким образом осуществляется медленное тление верхнего слоя топлива. Топливо постепенно сгорает, его уровень в топке понижается. Одновременно изменяется и положение устройства для подачи воздуха в топку, этот элемент в таких моделях подвижен и он практически лежит на верхнем слое дров.

Второй этап горения осуществляется в верхней части топки, которая отделена от нижнего отделения толстым металлическим диском. Горячие пиролизные газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива внизу, расширяются и перемещаются вверх.

Здесь они смешиваются с воздухом и сгорают, дополнительно передавая теплообменнику солидную порцию тепловой энергии.

Балка, удерживающая диск, который разделяет камеру сгорания на две части, как и сам этот диск, в процессе работы котла верхнего сгорания постоянно находится под воздействием высокой температуры. Со временем эти элементы сгорают, их придется периодически заменять.

На выходе из второй части топливной камеры обычно установлен регулятор тяги. Это автоматический прибор, который определяет температуру теплоносителя и в зависимости от полученных данных регулирует интенсивность движения горючего газа. Он защищает устройство от возможного перегрева.

Стоит отметить, что наружный теплообменник в таких котлах реагирует на изменение скорости циркуляции жидкости в теплообменнике, т.е. на колебания температуры. На поверхности устройства сразу же образуется слой конденсата, который вызывает коррозию, особенно если речь идет о стальных котлах.

Предпочтительнее брать устройство из чугуна, которое значительно лучше сопротивляется подобному воздействию.

Хотя топливо в пиролизных котлах длительного горения должно сгорать без остатка, на практике так бывает не всегда. Порой пепел спекается, образуя частички, которые трудно удалить с помощью потока воздуха.

Если в топке накопится большое количество таких остатков, может наблюдаться заметное снижение тепловой отдачи агрегата. Поэтому котел верхнего горения следует периодически все же прочищать.

Особенность устройств этого типа в том, что по мере сгорания топлива его можно догружать, не дожидаясь сгорания всей закладки топлива. Это удобно, когда нужно избавиться от горючего бытового мусора.

Существуют также разновидности котлов верхнего горения, которые работают не только на древесном топливе, но и на угле. Сложные узлы автоматического управления в пиролизных котлах этого типа отсутствуют, поэтому серьезные поломки наблюдаются крайне редко.

Конструкция котла верхнего горения позволяет загружать топку лишь частично, если это необходимо. Однако в этом случае выполнить розжиг верхнего слоя топлива может быть не просто. Само топлива должно быть подсушенным, дрова из открытой поленницы для такого котла не подходят.

Топливо крупных фракций также не следует использовать для этого вида техники, т.е. дрова придется обязательно колоть на небольшие части.

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.

Как соорудить твердотопливный котел для загородного дома или коттеджа без помощи специалиста

Простейший агрегат можно изготовить самостоятельно при наличии базовых навыков по ведению сварочных работ.

Классический вариант включает следующие элементы:

• топочную камеру;
• теплообменник;
• регулятор тяги;
• колосники;
• дымоход.

От размеров загрузочного бункера, его вместительности зависит время автономной работы устройства.

Необходимые инструменты и материалы

После проектирования твердотопливной котельной установки составляют спецификацию и чертежи.

Для изготовления агрегата потребуются:

• сварочный аппарат;
• электрическая дрель;
• угловая шлифовальная машина;
• набор отверток, ключей;
• пассатижи;
• молоток;
• угольник.

Для изготовления котла требуется сварочный аппарат.

Для каркаса нужен уголок из жаропрочной стали 50 х 50, стальные трубы для теплообменника диаметром 32‑50 мм или готовый чугунный змеевик, демонтированный с ранее используемого агрегата. Для изготовления накопителя нужен листовой прокат нержавеющей стали. Минимальная толщина металла для котла — 5 мм, для колосников — 7 мм.

Пошаговая инструкция

Для выполнения поставленной задачи потребуются навыки выполнения сварочных работ с учетом особенностей выбранного металла, используемого сварочного аппарата. Основные операции выполняются в следующей последовательности:

1. Изготовление двухслойного жесткого корпуса с топочной камерой на основе каркаса из уголка. Между слоями металлопроката засыпают песок для предупреждения деформации листов при нагреве.
2. Подготовка проемов для зольника и загрузочного бункера на передней стенке согласно разметке. Для увеличения точности выполнения операции мастера рекомендуют в углах сделать дрелью отверстия диаметром 3‑4 мм.
3. Изготовление теплообменника из водопроводных стальных труб методом сварки с применением отводов.
4. Сборка узлов агрегата. Выполняется на месте монтажа в соответствии с проектом.

После пробного пуска собранной установки при необходимости устраняют выявленные недочеты, вносят коррективы в конструкцию.

Особенности эксплуатации газогенераторных котлов

Эффективность работы пиролизного котла во многом зависит от типа и качества топлива. Технически в топку можно загрузить не только древесину, но и уголь, и даже торф, большинство современных моделей котлов рассчитаны на использование нескольких видов топлива.

Древесина сгорает примерно за 5-6 часов, в зависимости от сорта. Чем тверже дерево, тем дольше оно горит.

Современные модели котлов пиролизного горения могут работать на различных видах древесного топлива: дровах, брикетах, пеллетах, угле, торфе и т.п.

Около десяти часов уйдет на сгорание черного угля, а такое же количество бурого угля будет тлеть в течение восьми часов. На практике самую высокую теплоотдачу пиролизная техника демонстрирует при загрузке сухим деревом. Оптимальными считаются дрова влажностью не более 20%, а длиной около 45-65 см.

Если доступа к такому топливу не имеется, можно использовать уголь или другое органическое топливо: специальные брикеты из опилок и пеллеты из древесины, отходы, полученные при обработке дерева, торф, материалы с целлюлозой и т.п.

Перед началом эксплуатации котла следует внимательно изучить рекомендации производителя устройства в отношении топлива.

В котлах пиролизного горения поступление воздуха регулируется обычными механическими задвижками. Отсутствие сложной электроники обеспечивает высокую отказоустойчивость прибора

Слишком влажное топливо в таких устройствах недопустимо. При его сгорании в топке образуются дополнительные водяные пары, которые способствуют образованию таких побочных продуктов, как деготь и копоть.

Стенки котла загрязняются, теплоотдача снижается, со временем котел может даже прекратить работу, затухнуть.

Если использовать для котла пиролизного горения дрова со слишком высокой влажностью, внутри устройства возникнут условия для образования дегтя, который ухудшит теплоотдачу устройства и может привести к поломкам

Если в топку заложено сухое топливо и котел настроен правильно, пиролизный газ, полученный в результате работы устройства, будет давать пламя желто-белого цвета. Такое горение сопровождается ничтожным выделением побочных продуктов сгорания топлива.

Если цвет пламени окрашен иначе, имеет смысл проверить качество топлива, а также настройки прибора.

Пиролизные газы, смешанные с воздухом, горят ровным желто-белым пламенем. Если цвет пламени изменился, возможно, нужно проверить настройки котла или качество топлива

В отличие от обычных твердотопливных устройств, перед загрузкой дров в пиролизные котлы, работающие на твердом топливе, топку следует разогреть.

Для этого выполняют следующие шаги:

1. Загружают на дно топки мелкую сухую растопку (бумагу, щепу и т.п.)
2. Поджигают ее с помощью факела из подобных материалов.
3. Закрывают дверцу камеры сгорания.
4. Дверцу загрузочной камеры оставляют немного приоткрытой.
5. Добавляют порции растопку по мере ее сгорания.
6. Процесс повторяют до тех пор, пока на дне не образуется слой тлеющих углей.

К этому моменту топка уже прогревается примерно до 500-800°С, создавая условия для загрузки основного топлива. Не следует использовать для розжига растопки бензин, керосин или любые другие подобные жидкие вещества. Перед тем, как прогревать топку котла длительного горения, следует убедиться, что устройство готово к эксплуатации.

Характерная особенность котлов пиролизного горения – малое количество золы и пепла, что облегчает процесс очистки устройства и его обслуживания

Для этого проверяют наличие тяги, герметичность дверок, исправность запорных механизмов и регулировочной аппаратуры, наличие теплоносителя в системе отопления и т.п.

Затем следует включить терморегулятор, чтобы убедиться, что на прибор поступает напряжение. После этого открывают шибер прямой тяги и вентилируют котел в течение 5-10 минут.

Какое топливо самое лучшее?

Котлы горения на твёрдом топливе могут топиться по-разному и существуют различные виды подобного оборудования. Для выбора оптимального варианта следует уточнить тип основного топлива для устройства – это может быть котёл на древесине или угле. Если изготовитель рекомендует применять дерево как основной вид «пищи», то его КПД будет максимальное. В случае использования вторичного топлива эффективность выдачи тепла может снизиться на 12 или более процентов.

Если вы используете брикеты, то они могут быть из торфа, соломы или отходов древесного типа (опилки пыль и так далее). Профессионалы рекомендуют применять только те брикеты, которые производятся методом прессования. Если данный вид топлива в камере горения распадается на опилки, то его лучше применять в комбинации с дровами или углём. Пеллеты могут быть созданы из соломы или смеси опилок и древесной пыли. Лучше всего использовать пеллеты без коры или песка – эти компоненты мешают процессу горения. Дрова лучше класть сухие, чтобы их расход был минимальным.

Следует обратить внимание на целесообразность применения топлива и приобретения котла. Если жилое помещение или предприятие находится в окружении лесов, то лучше использовать дрова

В случае расположения дома в степной местности, можно приобрести котёл на торфобрикетах. Профессионалы рекомендуют подбирать наиболее эффективное топливо для получения наилучшей отдачи при низких финансовых затратах.