Устройство твердотопливного котла: особенности агрегата

Независимость от центрального энергоснабжения все больше интересует тех, кто проживает за городом. Котлы на твердом топливе, если сравнивать их с аналогичным оборудованием, более всего подходят для отопления загородных домов, так как они полностью автономны. Для функционирования этих агрегатов не требуется газ или электроэнергия, при этом сырье (уголь, дрова, торф, пеллеты) доступно. Устройство твердотопливного котла зависит от его конструктивных особенностей и принципа действия.

Отопительная система, построенная на подключении твердотопливного котла, требует от владельца жилья определенной подготовки. У таких агрегатов немало нюансов, тем не менее, в ряде моментов они выигрывают у газовых и электроприборов. Дело в том, что котел на твердом топливе энергонезависим на 80–90%. И если запастись дровами, можно всю зиму не задумываться, чем топить дом и где брать горячую воду.

Система отопления с таким котлом в большинстве случаев независима от электроэнергии. И скачки давления в газопроводе ее также не касаются, а топливо остается доступным широкому потребителю.

Производством котельного оборудования сейчас занимаются и отечественные, и зарубежные фирмы, и современные модели отличаются от тех агрегатов, которые использовались ранее. Как минимум, уровнем КПД, достигающим 90%.

На заметку! Старые котлы имели КПД в пределах 70–80%. Из-за низкой энергоэффективности перерасходовалось топливо и терялась тепловая энергия.

Конструкцию оборудования существенно изменили, а энергоресурсы стали практичнее в использовании, и вместе с этим повысился спрос на котлы. Агрегаты стали мощнее, рентабельнее и безопаснее в работе. Таким оборудованием можно обогревать просторные помещения, при этом большинство моделей способно обеспечить объект горячим водоснабжением.

Принцип работы твердотопливного котла максимально прост, и ему для функционирования необходимо любое твердое топливо. Его помещают в камеру сгорания, где оно горит, выделяя тепловую энергию, которая и подогревает теплоноситель. Так работало и отопление печью, только тогда тепло отдавала не вода, а горячий воздух.

У котла на твердом топливе есть только один существенный недостаток – часть тепла, полученного при сгорании топлива, выходит через дымоход. Если рассматривать устройство традиционного твердотопливного котла отопления, то этот агрегат состоит из нескольких модулей, скомпонованных в стальном корпусе. Ключевые узлы прибора:

• камера сгорания (топка с дверцей);
• теплообменник (его делают из стали или чугуна);
• люк для прочистки;
• колосники (решетка);
• терморегуляторы;
• предохранительный клапан.

В нее закладывают топливо: уголь, торф, дрова или брикеты. В ней оно и сгорает. Процесс сжигания состоит из трех этапов: топливо подсушивается, окисляется и выделяет газ, нагревающий теплоноситель.

В камере топливо размещается равномерно на особых решетках, закрепленных под наклоном.

Горячие газы сушат топливо, лежащее на решетке, затем начинается само горение, во время которого обеспечивается принудительная подача воздуха. Горючая смесь, полученная в начале процесса, в завершение достигает температуры 950–1000°. Важно, чтобы на каждом этапе осуществлялась бесперебойная подача воздуха.

Зола, сажа – то, что осталось после горения – накапливается в зольной камере, откуда извлекается вручную.

На заметку! От плотности загрузки топки и от параметров вытяжки зависит, насколько эффективно котел будет выполнять свою задачу. Если подача воздуха нормальная, а камера загружена целиком, сгорит все топливо, выделяя при этом как можно больше килокалорий.

В топочной камере могут происходить разные процессы, и от этого зависит тип котла. Выделяют несколько способов горения: традиционное, пиролизное и длительное (сверху вниз). Тепловые эффекты различаются, и от этого зависит сфера эксплуатации ТТ-котла. 

Это второй в плане важности элемент агрегата. Теплообменник делают из чугуна или стали, и посредством него передается тепло от продуктов горения к теплоносителю. Если рассматривать классическое устройство твердотопливного котла отопления, данный элемент выглядит как бочка с котловыми трубами. Газы, двигаясь по ним, разогревают воду, циркулирующую по «телу» теплообменника.

На заметку! Газы перемещаются по трубам с разной интенсивностью, что зависит от положения дымососа. А интенсивность циркуляции жидкости определяется насосной станцией. Сам теплообменник покрыт теплоизолирующим материалом с той целью, чтобы корпус котла не перегревался.

Вода к теплообменнику поступает по впускному коллектору и уже разогретая выходит через выпускной. Каждый из них оснащен датчиками температуры.

Теплообменники, сделанные из стали, более подвержены ржавчине, но перепады температур им не так страшны, как чугунным элементам. Теплообменники из чугуна дороже, при этом характерны высокой теплоемкостью и устойчивостью к коррозии.

Дрова или уголь в топке могут сжигаться разными методами, и по этому признаку агрегаты делятся на несколько разновидностей.

Топливо сжигается так же, как в печном оборудовании. В топку закидывают дрова, разжигают, закрывают дверцу и регулируют подачу воздуха, вручную при помощи поддувала или терморегулятором. Разогретые массы воздуха поднимаются вверх, греют «рубашку» котла и удаляются через дымоход. В традиционных агрегатах за регулировку мощности отвечает воздушная заслонка зольника. И даже если она полностью закрыта, горение все-равно продолжится, хоть и не так интенсивно.

Традиционный метод сжигания топлива актуален при производстве агрегатов бытового применения, характеризующихся невысокой мощностью.

Сразу стоит обозначить минус котла, работающего на твердом топливе, – необходимость частой закладки дров в камеру сгорания. Интервал времени между загрузками можно увеличить, и для этого реализуют новые технологии, например метод длительного горения.

Как работает твердотопливный котел этого типа: в топку закладывают большое количество топлива, и оно сжигается постепенно, слой за слоем. Процесс горения медленнее за счет изменения направлений потоков воздуха изнутри теплообменника. Встречных потоков может быть несколько, из-за чего агрегаты делятся на подвиды: двух-, трех- и многоходовые.

На заметку! Теплообменники с несколькими ходами актуальны для промышленного оборудования, мощность которого начинается со 100 кВт. В быту применяются конструкции с двумя или тремя ходами.

Также в бытовых условиях популярны котлы шахтного типа. У них несколько иная конструкция: поддувало находится сверху, а дымоход начинается снизу. В этом случае ход теплообменника только один – сверху вниз. Тяга обратная, поэтому процесс горения непривычен, если отталкиваться от законов физики. Но у таких агрегатов есть серьезный минус – нужно регулярно очищать дымоотводный патрубок, расположенный снизу. Да и сам рабочий процесс горения нестандартен, соответственно, дрова сжигаются медленнее обычного.

Снизить интервал между загрузкой топлива можно не только реализацией замедленной тяги. Есть модели котлов, где воздушные потоки регулируются принудительно вентиляторами. Подбирать такие агрегаты сложно и необходимо постоянно управлять перемещением горячих воздушных масс, поэтому котлы этого типа не особо распространены.

Одна из разновидностей длительного горения, когда процесс теплоотдачи делится на два этапа: сжигание топлива и дожигание пиролизного газа. Принцип работы таких твердотопливных котлов иной, так как топка у них двухкамерная: в первой камере твердое топливо из-за недостатка кислорода медленно тлеет с выделением вторичного газа, который сгорает во второй.

Чтобы замедлить горение, в котлах нередко используется обратная тяга, наподобие той, что применяется в шахтных агрегатах. Или же эту задачу на себя берут дымососы, регулирующие потоки продуктов сгорания в теплообменнике. При этом во вторую камеру поступает воздух, обеспечивающий горение вторичного газа. Характерная особенность оборудования – аэродинамическое сопротивление внутренней полости, необходимое, чтобы топливо не разгоралось в первой камере. С учетом такого рабочего процесса во второй камере сгорают все вредные газы, образуемые при классическом горении.

Внимание! В пиролизные агрегаты нельзя загружать топливо, уровень влажности которого превышает 30%. Из-за избытка влаги вторичные газы просто не будут выделяться.

Благодаря двойному процессу горения повышается КПД отопительного оборудования. За счет этого требуется меньше дров или угля, соответственно, технология востребована для отопления частных домов.

Дорогостоящее оборудование длительного горения, где в качестве топлива используются специальные гранулы. Конструкция предполагает загрузочный бункер и механизм, подающий топливо в камеру. Загрузочная емкость бывает разных размеров, от чего зависит автономность работы котла (до 7 дней). Сам бункер выглядит, как усеченный к низу конус с отверстием, через которое соединяется шнековый или другой механизм, отправляющий брикеты в топку порциями. 

За управление всех узлов пеллетного котла отвечает автоматика. В моделях, выпускаемых сейчас, даже есть механизм очистки зольника от отработанного топлива. Все, что требуется от владельца агрегата, – загрузить бункер и поджечь пеллеты (щепы, угольные брикеты и прочее сыпучее топливо).

Внимание! Бункеры и механизмы подачи, работающие с одним видом топлива, нельзя использовать для загрузки другого сырья, иначе оборудование выйдет из строя.

Плюсы и минусы оборудования основаны на физико-технических характеристиках котлов, эксплуатационных качествах и материалах изготовления. Среди преимуществ выделяют:

• Простую конструкцию. Технология простая и надежная.
• Доступность топлива. В топку загружают: уголь, древесную щепу, дрова, пеллеты, торф, брикеты. Расходы ниже, чем на электроэнергию или газ. Что касается доступности, заготовить дрова – не проблема.
• Автономность. Электрическая сеть и газопровод не нужны для установки, поэтому такие агрегаты востребованы в регионах, где нет газификации или наблюдаются перебои с подачей электроэнергии.
• Материалы изготовления. Делают котлы из чугуна или стали – оба доступны и имеют хорошие теплотехнические характеристики. Чугун долговечнее сам по себе, не такой прочный, как сталь, долго нагревается, но так же продолжительно отдает тепло. Также котлам из чугуна не страшна коррозия, поэтому в теплообменник можно лить любую воду. Сталь нагревается и остывает быстрее, поэтому для поддержания тепла требуется чаще подкладывать топливо.

• Практичность. Агрегаты используют не только для отопления, но и для нагрева воды. Для этого устанавливают двухконтурные разновидности, где второй контур – накопительная емкость объемом 100–180 л, нагревающаяся от тепла первого.
• Высокий КПД. У классического агрегата этот показатель – 85%, у пиролизного, дожигающего выделяемый в ходе горения газ, – 95%.

Есть и ряд недостатков:

• Крупногабаритное, немобильное оборудование. Котлы устанавливают в отдельных помещениях на бетонное основание, при этом выше уровня пола минимум на 50 мм.
• Необходимость в отдельном помещении, где будет храниться топливо. Сырье должно оставаться сухим, если те же дрова хранить на улице, они отсыреют, будут плохо гореть, из-за чего снизится производительность.
• Постоянный контроль. Многие простые модели не оснащаются электроникой, поэтому подавать топливо, чистить камеры, регулировать температуру и тягу владельцу придется вручную.

• Условия эксплуатации. Температура воды на обратной подаче должна быть в пределах +50–55 °С, иначе на теплообменнике образуется конденсат, который ускорит процесс коррозии. Также необходимо регулярно чистить оборудование от накипи, а дымоход от сажи.
• Пожароопасность. Чтобы избежать возгорания, котел устанавливают на расстоянии, рекомендованном инструкцией. Также место установки обшивают теплоизоляцией.
• Продукты горения серьезно загрязняют атмосферу, особенно если отопительное оборудование установлено в регионе, где низкие температуры держатся более полугода.

Простое правило – 1 кВт мощности требуется для обогрева 10 м2 (с учетом того, что помещение утеплено и высота потолка до 3 м). Соответственно, если площадь дома 150 м2, агрегат должен быть мощностью 15 кВт. 

Также мощность подбирают исходя из объема помещения, однако тогда следует учитывать степень теплоизоляции здания, площадь и высоту помещений. При хорошей теплоизоляции берется коэффициент 40, если ее нет – 60. Если дом 150 м2, с потолками 2.5 м и хорошей теплоизоляцией: 150 х 2.5 х 40 = 15000 Вт (15 кВт). 

Устройство и принцип работы котлов на твердом топливе таковы, что позволяют создать в доме автономную систему отопления. Выбрать подходящее оборудование несложно, так как основное различие заключается в методе горения топлива. Простейшие модели топятся дровами, но есть и новые технологии, где в ход идут даже отработанные газы, что повышает КПД оборудования. Основная сложность – монтажные работы, подключение и подготовка к пуску. Каждый этап требует определенных знаний и навыков, поэтому работы лучше доверить специалисту.