Текст книги "Твердотопливный котел в вашем доме"

С. В. Зотов
Твердотопливный котел в вашем доме

Предисловие

Дорогой читатель, если Вы держите в руках эту книжку, вероятнее всего Вы – настоящий или будущий домовладелец, причем счастье Ваше омрачается неким обстоятельством, а именно – отсутствием поблизости от домовладения доступного источника «нашего всего» – природного газа. А дом-то надо отапливать, а также как-то греть воду для разных санитарно-гигиенических нужд! Что же делать?

Очевидно, вы уже слышали, что топить дом электричеством очень дорого, а другая альтернатива – котел с наддувной горелкой на солярке – тоже не очень привлекает с точки зрения величины затрат как на оборудование, так и на эксплуатацию. А что если поставить котел, топящийся дровами (варианты: углем, брикетами, пеллетами и т. д.) – их и купить легко, и стоят недорого? Звучит заманчиво, но хорошо бы удостовериться, что топить, например, дровами – действительно дешевле, чем соляркой.

Чтобы оценить экономическую привлекательность того или иного вида топлива, нужно знать две вещи: цену данного топлива в вашем регионе и сколько тепла можно получить, сжигая его. Если ответ на первый вопрос вам придется искать самостоятельно, ответ на второй у нас уже готов в виде табл. 1. Обратите внимание, что количество того или иного вида топлива в таблице дано в тех единицах, в которых оно измеряется при продаже.

Таблица 1. Удельная теплота сгорания солярки и наиболее распространенных видов твердого топлива

Например, в августе 2009 г. в московском регионе березовые дрова с доставкой стоили 1400 руб./м³, и если отапливать дом дровами, стоимость тепла составила бы 43 коп. за кВт·час. Дизельное топливо там же и тогда же стоило 19 600 руб./м³, что дает стоимость тепла 1 руб. 74 коп. за кВт·час. В этом споре дрова одерживают убедительную победу со счетом 4: 1.

Заметим, что в расчетах мы пренебрегли коэффициентом использования – характеристикой котла, показывающей, какую часть теплоты сгорания топлива удается использовать. У недорогих твердотопливных котлов коэффициент использования составляет 75–80 %, у котлов на солярке – 90 % и более.

Выбор котла: c чего начать?

Начать следует с ответа на вопрос, для чего вам нужен котел: для отопления, производства санитарной горячей воды или для того и другого вместе? После ответа на этот несложный вопрос можно приступить к определению необходимой производительности котла, т. е. количества тепла, которое он должен вырабатывать в единицу времени.

Когда котел используется для отопления, его производительность должна покрывать потери тепла домом в самую холодную пятидневку года в вашем регионе. Тепловые потери, помимо разницы температур внутри и снаружи дома, зависят от конструкции дома – теплового сопротивления стен, количества и площади окон, характеристик вентиляционной системы и пр. Так что расчет теплопотерь дома – достаточно сложная инженерная задача, тем не менее, прекрасно освоенная теплотехниками.

Нужно ли мощность, необходимую для ГВС, учитывать при выборе котла?

К сожалению, часто, из соображений экономии, не прибегают к услугам специалиста, а пользуются упрощенными оценками, наподобие «1 кВт на 10 м² помещения». Однако при этом надо понимать, что реальные теплопотери могут существенно отличаться от такой оценки как в большую, так и в меньшую сторону. Не так страшно, если вы переоценили теплопотери вашего дома – как следствие, вы купите котел большей мощности, чем нужно, и окажетесь перед дилеммой: принимать дополнительные меры для того, чтобы как-то сохранять и использовать лишнее тепло, или выбрасывать его в форточку, переплачивая за топливо. Хуже, если вы ошибетесь в меньшую сторону – несмотря на средства, затраченные на отопление, временами придется спать в пальто.

Несколько проще обстоит дело с оценкой производительности котла, способной обеспечить нагрев воды для санитарных нужд. Количество тепла для приготовления горячей воды в течение суток определяется по простой формуле:

Q = V· ∆θ · n/860, (1)

где:

Q – количество тепла в кВт·ч,

V – суточный расход горячей воды на человека в л,

∆θ – разность температур холодной и горячей воды,

n – количество жильцов.

Средний суточный расход горячей воды можно принять равным 70 л, тогда, например, нагрев холодной воды с исходной температурой 5 °С до стандартной температуры 45 °С для семьи из трех человек потребует приблизительно 10 кВт·ч тепла. Поскольку горячая вода расходуется в основном в течение двух коротких промежутков времени утром и вечером, греть ее также можно в два приема, тратя при этом по 5 кВт·ч тепла. Пусть это количество тепла должно производиться твердотопливным котлом, загрузки которого хватает на 2 часа горения, тогда мы получаем необходимую мощность котла – всего 2,5 кВт!

Зачем котлу коррозионная стойкость?

Во-первых, твердотопливных котлов такой мощности не бывает, а во-вторых, как правило, тепло для приготовления горячей воды дает тот же котел, что и отапливает дом. Вопрос – нужно ли эту мощность учитывать при выборе котла? Однозначного ответа нет. На наш взгляд, все зависит от того, как соотносятся потребности в тепле для отопления и для приготовления горячей воды. Если это соотношение 8:1 или больше, то можно и не учитывать.

Типы котлов

Чугунный секционный

После того, как мы определились с требуемой мощностью котла и с топливом, на котором он будет работать, можно приступать к выбору типа и модели. Самые незамысловатые, и поэтому самые распространенные – котлы т. н. естественного горения, по материалу и технологии изготовления делящиеся на две группы: чугунные и стальные. Первые собирают из литых чугунных секций, вторые – сваривают из стального листа.

Рассмотрим конструкцию и особенности работы чугунных котлов на примере «классики жанра» – котла Solida итальянской компании Sime. Тело котла представляет собой теплообменник, составленный из нескольких литых чугунных секций, которые соединяются друг с другом при помощи металлических втулок – ниппелей. Чем больше секций – тем больше номинальная мощность котла. В полость внутри теплообменника, называемую камерой сгорания, загружается топливо. При его сгорании образуются дымовые газы, которые, обтекая ребра теплообменника, отдают свое тепло циркулирующей внутри секций воде. Зола, остающаяся после прогорания топлива, просыпается через отверстия в днище камеры сгорания и попадает в специальный лоток, чтобы быть потом удаленной из котла.

Процесс горения требует доступа в камеру сгорания достаточного количества воздуха.

Следует отметить, что такая конструкция применяется в котлостроении уже лет, наверное, сто, за это время появилось множество новых материалов и технологий, однако серый чугун, из которого отливаются секции теплообменника, по-прежнему привлекателен благодаря сочетанию приличной теплопроводности с высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Спрашивается, зачем же котлу коррозионная стойкость, ведь в качестве теплоносителя в нем циркулирует вода или химически инертный антифриз? Ну вода-то тоже не совсем безопасна для металла, особенно когда в ней растворен кислород, а это – обычное явление в так называемых открытых системах отопления. Но куда большая угроза исходит от дымовых газов, которые даже в идеальном случае состоят из двух компонентов угольной кислоты – Н₂О и СО₂. Для котла совсем не страшно, если оба компонента находятся в газовой фазе, но стоит воде перейти в жидкую фазу, как в ней растворяется углекислый газ – и кислота готова.

Рис. 1. Чугунный секционный котел Sime Solida

Условия для конденсации влаги из дымовых газов возникают, когда температура поверхности, соприкасающейся с дымовыми газами, оказывается ниже т. н. точки росы. Температура «точки росы» при сжигании различных видов топлива различна – для угля, например, она равна 65 °С. Таким образом, конденсация в котле будет происходить всякий раз, когда он растапливается из холодного состояния, или когда в него возвращается слишком холодная вода из системы отопления.

Заметим, что хоть чугунные котлы и не так сильно подвержены коррозии, как стальные, тем не менее, производители таких котлов обычно рекомендуют принимать меры против попадания в котел из обратной линии воды с температурой ниже «точки росы». Помимо желания минимизировать конденсацию в котле и дымоходе, это требование связано с особой чувствительностью чугунных котлов к резким перепадам температур. Напряжения в металле возникают во время работы котла всегда, поскольку разные зоны котла имеют разную температуру. Однако если разница температур превышает некий порог, температурные напряжения в силу высокой хрупкости чугуна могут привести к появлению в нем трещин и выходу котла из строя.

Рис. 2. Внутреннее устройство чугунного котла

В этой связи вспоминается случай, когда владелец котла должен был срочно уехать и боялся оставить без присмотра разожженный котел, в котором топливо еще не прогорело. Желая быстро остановить процесс горения, человек плеснул в топку воды, котел треснул и стал впоследствии протекать – пришлось его менять. (Между прочим, чугунные секционные котлы можно ремонтировать путем замены треснувших секций на новые, однако стоимость такого ремонта может оказаться сравнимой со стоимостью нового котла).

Процесс горения требует доступа в камеру сгорания достаточного количества воздуха. Чем больше воздуха поступает – тем интенсивнее процесс, тем больше выделяется тепла. На скорость же поступления воздуха в камеру влияют: пропускная способность канала для подачи воздуха и тяга, т. е. разность давлений в котле и снаружи. В свою очередь, тяга зависит от температуры дымовых газов, выходящих из котла и высоты дымохода, а также пропускной способности последнего. Таким образом, у нас есть два механизма регулирования интенсивности горения и следовательно производительности котла: воздушная заслонка изменяет доступ воздуха в камеру сгорания, а заслонка дымохода изменяет пропускную способность дымохода и тягу в котле.

К сожалению, это регулирование может происходить в достаточно ограниченных пределах: интенсивность горения не может увеличиваться бесконечно, пока доставка воздуха для горения обеспечивается за счет естественной тяги. Кроме того, теплообменник может передать котловой воде ограниченное количество тепла дымовых газов, и при слишком интенсивном горении часть тепла улетит в трубу. Максимально возможное количество отбираемого тепла в единицу времени и есть номинальная мощность котла. Чем больше секций, из которых состоит котел, тем больше поверхность его теплообменника, тем выше его номинальная мощность.

Воздушная заслонка всегда снабжена регулировочным винтом, препятствующим ее полному закрытию.

Так, например, уже упоминавшаяся итальянская фабрика Sime производит котлы, состоящие из от трех до восьми секций и соответственно шести значений номинальной мощности от 16 до 40 кВт. Отметим, как правило, котел для угля и котел для дров – это разные модификации котла. При одинаковом количестве секций дровяной котел отличается от угольного конфигурацией топки – чтобы в нее можно было закладывать большие поленья – а также более низким значением номинальной мощности и КПД.

Итак, мощность котла ограничена сверху возможностями теплообменника передавать тепло при приемлемом КПД. Есть ограничение и снизу – оно обусловлено опасностью образования угарного газа (CO), когда горение происходит при недостатке воздуха. Поэтому воздушная заслонка всегда снабжена регулировочным винтом, препятствующим ее полному закрытию – производитель рекомендует выставлять минимальный зазор, обозначенный в технической документации. Минимальная мощность котла, если указывается в сопроводительной документации, обычно составляет около 50 % от номинальной. В принципе, котел может выдавать и меньшую мощность, однако работа в таком режиме производителем не приветствуется из-за опасности образования угарного газа и осаждения на поверхностях теплообменника дегтя, сильно затрудняющего чистку котла.

Регулирование мощности котла естественного горения в рекомендованном изготовителем интервале происходит следующим образом: в верхней части котла, где температура котловой воды наиболее высока, в нее погружен термомеханический элемент, поворачивающий, в зависимости от температуры, на тот или иной угол рычаг на ручке регулятора. Рычаг связан цепью с воздушной заслонкой и, поворачиваясь, приоткрывает либо призакрывает ее, в зависимости от того, меньше или больше температура в котле по сравнению с той, которая установлена на регуляторе. Температура, как и давление воды в котле, ограничены из соображений безопасности – соответственно 95 °С и 4 бара (приблизительно 4 атм.). Чтобы вы всегда могли удостовериться, что предельные значения температуры и давления не превышаются, а регулятор настроен правильно, котел снабжен термоманометром – на одной части циферблата стрелка показывает температуру, на другой части другая стрелка – давление.

Наконец, нельзя обойти вниманием такой элемент конструкции, как обшивка котла. Наряду с декоративной функцией, о которой можно догадаться сразу, у обшивки есть еще одна: теплоизоляционная. Поскольку назначение котла – отопление всего дома, а не только помещения котельной, необходимо минимизировать передачу тепла от горячего тела котла окружающему воздуху. Для этого котел и снабжается металлической обшивкой с теплоизоляцией, представляющей собой слой минеральной ваты. Попутно обшивка обеспечивает безопасность прикосновения к котлу, оставляя доступ только к одной горячей части тела котла – загрузочной дверце.

Попутно обшивка обеспечивает безопасность прикосновения к котлу.

Стальной

Корпус стального твердотопливного котла сваривают из стального листа толщиной 4–6 мм. Такой котел естественного горения мало чем отличается от аналогичного чугунного – те же камера сгорания, зольник, воздушная заслонка и дымоход с заслонкой. Загрузка топлива может быть фронтальной, через дверь на лицевой стороне котла, как у модели Wirbel ECO – CK (рис. 3), или верхней, через открывающуюся крышку. Существенное отличие в том, что в конструкции стального котла более четко проявляются так называемые ходы, по которым движутся от камеры сгорания к дымоходу горячие газы, образующиеся при сгорании топлива. Эти ходы располагаются внутри водяной рубашки котла, и чем больше их совокупная длина, тем больше тепла отдают дымовые газы теплоносителю, тем выше у котла коэффициент использования (теплоты сгорания). Как правило, путь, который проходят дымовые газы, у стальных котлов длиннее, чем у чугунных, соответственно и коэффициент использования выше.

Рис. 3. Ход дымовых газов в стальном твердотопливном котле Wirbel ECO – CK

С другой стороны, чем больше совокупная длина ходов, тем выше их сопротивление прохождению дымовых газов. Сопротивление это преодолевается тягой, возникающей вследствие разницы плотностей горячих газов в котле и холодного воздуха снаружи. При растопке котла, однако, тяги может быть недостаточно для преодоления сопротивления всех ходов котла, поэтому стальные котлы обычно снабжаются заслонкой, открывающей дымовым газам кратчайший путь следования от камеры сгорания к дымоходу. У котлов Wirbel ECO в процессе загрузки и растопки эту функцию выполняет заслонка под названием «верхний отражатель» (>рис. 3). После того как котел разгорелся, заслонка возвращается в рабочее положение, и котел становится трехходовым.

В стальном твердотопливном котле воздух для горения подается в двух, а иногда и трех местах. При этом, в зависимости от места подачи, он называется первичным или вторичным. Зачем это делается? Напомним, что производительность котла регулируется через интенсивность горения топлива, путем изменения подачи воздуха – первичного – в камеру сгорания. Если горение происходит при недостатке воздуха, в результате может образовываться угарный газ CO, концентрация которого в дымовых газах не должна превышать 100 мг/м³. К счастью, угарный газ горюч, и для его дожига в котел подается вторичный воздух, причем подается за пределами камеры сгорания, что не влияет на интенсивность горения топлива, а только на полноту его сгорания.

Если горение происходит при недостатке воздуха, в результате может образовываться угарный газ.

Стальной котел, особенно в местах сварки, уступает чугунному в прочности, а также в стойкости к коррозии и высокой температуре. По этой причине предельное рабочее давление стальных котлов обычно составляет 2,5 бара. Кроме того, стальные поверхности камеры сгорания, подверженные воздействию особо высоких температур, а также неомываемые водой детали газохода часто защищаются жаропрочными керамическими элементами, т. н. шамотными кирпичами.

Технология изготовления стальных котлов, в отличие от чугунных, предоставляет больший простор для инженерных решений. Во-первых, она дает возможность производства более широкого типоряда котлов на твердом топливе: так, типоряд котлов ECO CK компании Wirbel простирается до 100 кВт, а типоряд Maxi – и того выше: до 500 кВт! Во-вторых, в водяную рубашку стального котла может быть встроен емкостной водонагреватель, что позволяет одновременно с отоплением помещения готовить горячую воду для бытовых нужд (рис. 4).

Рис. 4. Стальной твердотопливный котел Wirbel ECO – CKB со встроенным баком-водонагревателем

Одним словом, у обоих типов твердотопливных котлов есть свои преимущества: у чугунных – прочность и долговечность, у стальных – эффективность и большее разнообразие конструкций. Так что хочешь – не хочешь, а придется определиться, что для вас важнее.

Газификационный

Эти котлы часто неправильно называют пиролизными, хотя их работа основана не на пиролизе, т. е. термическом разложении, а на газификации древесины – процессе горения при недостатке кислорода с образованием горючего т. н. древесного, или генераторного газа, состоящего наполовину из азота воздуха, а наполовину – из смеси угарного газа, водорода, углекислого газа и метана. В газификационном, или газогенераторном, котле процесс горения дров (а бытовые котлы выпускаются только для сжигания дров) разделен между двумя отделениями котла: в одном происходит газификация, в другом – сжигание древесного газа, как у модели котла Wirbel Bio – Tec (рис. 5).

Рис. 5. Схема работы газификационного котла Wirbel Bio-Tec

Впрочем, на первый взгляд эксплуатация котла выглядит более-менее традиционно: открываете дверь топливной камеры и закладываете поленья. Из инструкции вы знаете, что очень важно, чтобы поленья были сухими, максимум 20 % влажности – до такой кондиции дрова доходят примерно за год естественной сушки под навесом. Высокие требования к дровам – первый неприятный сюрприз, но не принимайте это близко к сердцу, котел будет работать и на свежих дровах, хотя и – хуже.

Далее – разжигаете дрова, плотно закрываете дверь топливной камеры и нажимаете кнопку «ВКЛ» на панели управления – включается вентилятор-дымосос, внутри котла создается разрежение и через регулируемую диафрагму в топливную камеру снаружи начинает потихоньку поступать воздух – процесс газификации пошел! Образующийся древесный газ тем же вентилятором-дымососом вытягивается из топливной камеры вниз, в облицованную шамотным кирпичом камеру сгорания, где и сгорает, отдавая тепло водяной рубашке котла. Облицовка камеры сгорания совершенно необходима, поскольку температура пламени древесного газа достигает 1200 °С. Регулирование мощности котла происходит путем включения-выключения вентилятора-дымососа. Необходимость в электричестве для работы котла – второй неприятный сюрприз, ведь если вы задумывались об энергонезависимом отоплении, то этот котел вам точно не подходит.

Спрашивается, зачем такие сложности? Не вдаваясь в технические подробности, перечислим аргументы в пользу газификационных котлов, обычно приводимые их изготовителями:

• коэффициент использования у газификационных котлов на 5–10 % выше, чем у котлов естественного горения, и может достигать 90 %;

• сажи и золы при сжигании дров образуется существенно меньше, чем в котлах естественного горения – котел чистится реже и легче;

• у газификационного котла топливная камера может быть существенно большего объема, и загружать его необходимо реже;

• газификационный котел более управляем, чем котел естественного горения.

Хотя с последним можно и поспорить, остальные аргументы для кого-то могут показаться достаточными, чтобы склонить чашу весов в пользу газификационного котла.