Текст книги "Бытовые отопительные котлы"

При сжигании жидкого топлива в топочную камеру подается распыленное топливо – капли дизельного или печного топлива. В результате распыления многократно увеличивается поверхность частиц жидкого топлива, а значит, и скорость его сгорания. Устройство, которое обеспечивает распыление жидкого топлива, называется форсункой. Благодаря ей из каждой капли жидкого топлива диаметром 1 мм получается миллион капель диаметром 10 мкм, что приводит к увеличению поверхности испарения в 600 раз.

В горелках, которые устанавливают на водогрейные котлы небольшой мощности, обычно используют механические форсунки. В них распыление осуществляется за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие (сопло) или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании потока топлива.

Обычно на головке механической форсунки имеется маркировка, содержащая все необходимые сведения: расход топлива (при определенном давлении вязкости топлива), угол раскрытия и тип конуса (полый, полный, универсальный), дата изготовления форсунки, и т. д.

Механические форсунки могут быть традиционного или возвратного типа. Первые работают с постоянным давлением, и все поступающее к форсунке топливо выходит из нее в топку в распыленном виде. Форсунки возвратного типа – это механические форсунки с внутренней рециркуляцией жидкого топлива. Они несколько сложнее традиционных, но имеют значительно больший диапазон регулирования. Применяют такие форсунки обычно в модулируемых горелках, которые обеспечивают экономичную работу установки при переменных нагрузках.

4. Теплообменники и камеры сгорания

Современные бытовые отопительные котлы на 85 % состоят из поверхности теплообменника, являющегося важнейшим элементом конструкции. В зависимости от того, как геометрически сконструирован теплообменник котла, а также из какого материала он сделан, во многом определяются экономические и экологические характеристики котельного агрегата.

Можно выделить три основных материала, применяющихся для изготовления теплообменников: медь, сталь, чугун. В последнее время на рынке стали появляться котлы с теплообменниками из нержавеющей стали и алюминиевых сплавов. Самые простые технологически – стальные. Именно они в большей мере распространены среди продукции отечественных котлостроителей. Основные достоинства котлов со стальными теплообменниками – относительно невысокая цена и хорошая пластичность материала. Последнее имеет большое значение, так как в процессе эксплуатации теплообменник периодически подвергается прямому тепловому воздействию пламени горелки, вследствие чего в нем возникают так называемые тепловые напряжения, способные привести к образованию трещин в корпусе теплообменника.

К недостаткам стальных теплообменников относится их подверженность коррозии. В процессе работы котла коррозионному воздействию подвергаются как внутренняя, так и наружная поверхности теплообменника, вследствие чего может произойти его разрушение.

Минусами стального теплообменника являются также его сравнительно большие вес и объем – характеристики, отражающие степень инерционности. Другими словами, часть газа будет расходоваться на нагрев теплообменника и находящейся в нем воды, т. е. не все тепло используется по назначению – на нагрев теплоносителя. Чем больше вес и внутренний объем теплообменника, тем больше топлива будет израсходовано напрасно.

Следующий вариант – чугунный теплообменник. Он характеризуется стойкостью к коррозии и долговечностью. Чугун предъявляет высокие требования к соблюдению правил проектирования и эксплуатации котла. Его неравномерный нагрев (например, из-за появления отложений в надгорелочной части при использовании плохо подготовленной воды) вызывает растрескивание материала. Существует также опасность растрескивания чугунного теплообменника из-за разности температур в зоне нагрева и в месте входа в него воды из обратной линии системы отопления. Чтобы избежать этого, в схему включают дополнительный элемент – четырехходовой смесительный клапан, добавляющий в «обратку» на входе в котел горячую воду из прямой линии. Если вместо обещанных 20 лет эксплуатации чугунный теплообменник прослужил сезон, продавец, как правило, сославшись на несоблюдение условий эксплуатации, отказывается бесплатно выполнить замену теплообменника, стоимость которого часто составляет 50–60 % стоимости котла. К сожалению, наиболее уязвимыми оказываются именно дорогие импортные котлы, и связано это с высокой технологией литья, позволяющей изготавливать теплообменники с более тонкими стенками. Уместно сравнение чугунного теплообменника с качественным мощным автомобилем: при условии высоких эксплуатационных расходов он будет служить долго и надежно, обеспечивая необходимый комфорт.

Рис. 17. Прессовочный материал для сборки котла с чугунным теплообменником

Рис. 18. Котел с чугунным теплообменником

Минусы чугунных теплообменников – высокая стоимость, хрупкость (подверженность образованию трещин при неправильной эксплуатации), высокая инерционность, вследствие большого веса и объема, а также громоздкость.

Рис. 19. Медный теплообменник

Последний тип теплообменника – медный. Его положительные качества – устойчивость к коррозии, небольшой вес и объем (низкая инерционность), компактность. К недостаткам медных теплообменников принято относить низкую надежность. Но в настоящее время это, скорее, дань традиции, чем объективная реальность. Дело в том, что медный теплообменник способен при значительно меньших размерах передавать больше тепла, и на единицу его массы приходится значительно большее тепловое воздействие, чем у стального и, особенно, чугунного. Именно поэтому в котлах старых конструкций теплообменник быстро разрушался. В современных котлах по мере нагрева воды мощность горелки уменьшается до 30 % (а у некоторых моделей и более), снижается и температурное воздействие на теплообменник, что продлевает срок его службы. Практика показывает: по долговечности медные теплообменники котлов, оснащенных необходимыми функциями, практически не уступают чугунным.

5. Системы дымоудаления

Система удаления продуктов сгорания, как и система подачи воздуха на горение, требует повышенного внимания при установке отопительных котлов внутри жилых зданий. Как известно, для поквартирных систем теплоснабжения и ГВС используют теплогенераторы двух типов: с открытой и закрытой камерой сгорания. Первые несколько дешевле, но для своей работы требуют определенного количества воздуха, которое не может быть получено посредством обычной системы вентиляции жилых помещений (т. е. через форточки). Это требует дополнительных затрат на создание системы приточной вентиляции и подогрева воздуха в холодное время года. Для теплогенераторов с закрытой камерой сгорания таких проблем не существует, так как воздух, необходимый для горения, поступает в них из-за пределов помещения, а продукты горения выводятся наружу и не попадают в атмосферу жилого помещения. Применение теплогенераторов с открытой камерой сгорания разрешено в жилых домах этажностью не выше пяти. Этажность домов, оборудованных котлами с закрытой камерой сгорания, никак не ограничивается. В таких домах все известные системы дымоудаления и воздухозабора можно разделить на три группы:

– раздельные (для каждого котла) дымоудаление и воздухозабор через общие, пронизывающие несколько этажей, дымоход и воздуховод;

– индивидуальный воздухозабор через наружную стену и дымоудаление в общий дымоход;

– дымоудаление и воздухозабор через индивидуальный коаксиальный коллектор.

Рис. 20. Различные варианты дымоудаления и подачи воздуха на горение

Первый вариант рекомендуется для случая, когда к общим коллекторам присоединяется не более восьми котлов, по одному на каждом этаже. Если здание имеет более высокую этажность, рекомендуется предусматривать дополнительные коллективные дымоходы и воздуховоды. Эти стояки желательно устанавливать внутри здания, чтобы в холодное время года снизить возможность образования конденсата на внутренней стороне дымохода и внешней поверхности воздуховода.

При индивидуальном заборе воздуха приходится использовать теплоизолированные воздуховоды, так как в зимние месяцы на их наружной поверхности образуется конденсат, который при сильных морозах может появиться даже на стенках воздухозаборной камеры котла.

Наиболее перспективным считается третий вариант, предполагающий индивидуальный коаксиальный коллектор для дымоудаления и воздухозабора. Однако при сильных российских морозах на оголовке стандартного коаксиального коллектора может образоваться ледяная сосулька, препятствующая поступлению воздуха в котел. С другой стороны, поскольку газоотводящий трубопровод в таких схемах всегда омывается воздухом для горения, требования по плотности для жилых помещений выполняются автоматически.

Основным российским документом, определяющим правила устройства систем удаления продуктов сгорания и подвода воздуха к бытовым котлам, является СНиП 41-01-2003. Европейские требования для систем отвода газов и подвода воздуха для горения сформулированы в Технических правилах DVGW-TRGI.

6. Котлы на твердом топливе

Использование твердого топлива (угля, торфа, древесных отходов и т. д.) для отопительных котлов небольшой мощности создает ряд серьезных проблем. И тем не менее доступность и цена твердого топлива (особенно при сопоставлении с постоянно растущими ценами на легкое жидкое топливо и природный газ) заставляют многих владельцев загородных домов использовать именно этот вид топлива. Проблема эксплуатации котлов на твердом топливе – это, в первую очередь, невозможность автоматизации топочного процесса, требующего периодического применения ручного труда; наличие в твердом топливе минеральной массы, создающее трудности, связанные с удалением шлака, а в некоторых случаях – еще и очистки дымовых газов от золы уноса.

Перечисленные проблемы легко решаются при установке твердотопливных котлов в крупных отопительных или промышленных котельных, где предполагается наличие постоянного обслуживающего персонала. Для таких котельных изготовители энергетического оборудования поставляют надежные и экономичные установки различной конструкции.

Обычно жаротрубные твердотопливные котлы, в отличие от аналогов на жидком и газообразном топливе, поставляются заказчику в виде трех блоков: собственно котел, выносная топка с механической решеткой и золоуловитель. Только после очистки в золоуловителе дымовые газы поступают к дымососу и далее – к дымовой трубе. У некоторых жаротрубных котлов (например, Candor немецкой фирмы Standardkessel) цепная механическая решетка вставлена непосредственно в жаровую трубу.

Отечественные производители также предлагают большой выбор отопительных котлов на твердом топливе, но, как правило, водотрубных. Понятно, что такие котлы можно использовать только в котельных, при наличии квалифицированного обслуживающего персонала. Но при желании на российском рынке можно найти и твердотопливные котлы для индивидуального (и даже поквартирного) отопления.

Все разнообразие таких котлов можно разделить на три группы: традиционные бытовые, пиролизные и универсальные многотопливные.

Традиционные котлы работают на сортированном угле, древесине, торфяных брикетах и коксе. Они имеют сравнительно невысокий (70–80 %) КПД и, как уже отмечалось, не поддаются автоматизации. В последнее время, правда, появились импортные котлы, способные автоматически поддерживать заданную температуру теплоносителя. Главные достоинства котлов этого класса – энергонезависимость и невысокая цена.

Одним из примеров такого оборудования являются венгерские котлы Carborobot мощностью от 40 до 300 кВт. Работа различных модификаций котлов Carborobot характеризуется сравнительно высоким (75–86 %) КПД, низкой (с учетом работы на угле) концентрацией оксидов азота – 400 мг/м³, минимальными выбросами сажистых частиц.

Установка рассчитана на сжигание дробленого бурого угля с теплотой сгорания 12–20 МДж/кг. Важным достоинством котла является возможность длительной (до 5 дней) работы в пассивном режиме. По сигналу от блока управления он начинает повышать мощность. Вмешательство пользователя в работу котла требуется только для загрузки бункера, удаления шлака и золы. Котел может регулироваться комнатным термостатом или по температуре теплоносителя. На основе полученных от датчиков сигналов блок управления начинает останавливать подачу угля, включает и выключает вентилятор.

Универсальные котлы предполагают наличие не только топочной камеры для сжигания твердого топлива, но и газовой или жидкотопливной горелки. Такие котлы особенно удобны, например, при отсрочке подведения газа или неустойчивом снабжении потребителя жидким топливом.

Для России котлы, топливом для которых служат пеллеты (гранулы, изготовленные из древесных отходов), – относительно новый вид отопительного оборудования. Да и в мировом масштабе история пеллет и теплогенераторов, использующих в качестве топлива древесные гранулы, началась сравнительно недавно. Вызванный мировым нефтяным кризисом 1970-х, поиск новых источников энергии привел к созданию первой пеллетной фабрики в штате Орегон (США). Оставалось только найти возможность сделать отопление пеллетами таким же комфортным, как отопление газовыми или жидкотопливными котлами.

Первая пеллетная печь для частного дома была разработана американским конструктором Джерри Уайтфилдом и впервые представлена на выставке в штате Невада в 1984 г. В большинстве стран Европы пеллеты начали применяться в начале 1990-х, прежде всего в странах, которые исторически были тесно связаны с переработкой древесного сырья: Швеция и Дания, а в середине 1990-х – и Австрия открыли для себя преимущества древесных гранул.

В России первые заводы по производству древесных гранул появились около шести лет назад и работали главным образом на экспорт. Еще три-четыре года назад доля внутреннего рынка потребления производимых в России гранул составляла около 5 % от общего объема всех произведенных в РФ пеллет, сегодня – не менее 30 %. На российском рынке появляются новые инвесторы, начали проявлять интерес к этому направлению крупные деревообрабатывающие предприятия и предприятия ТЭК. В настоящее время в ряде российских регионов производство пеллет, их доставка владельцам котлов, установка и сервисное обслуживание пеллетных теплогенераторов стали весьма серьезным бизнесом.

Гранулированное древесное топливо имеет высокую (не менее 18 МДж/кг) теплоту сгорания и характеризуется низкой (не более 1 %) зольностью. Таким образом, примерно 2 кг пеллет способны заменить 1 л жидкого топлива легких сортов (EL), а очистку пеллетного котла от золы нужно будет проводить не более шести раз в год.

Рис. 21. Древесные гранулы (пеллеты)

Главное преимущество пеллетных котлов перед другими видами твердотопливных генераторов тепла заключается в возможности автоматизации подачи топлива: пеллеты поступают в аппарат из бункера посредством шнекового или пневматического транспортера. Таким образом, владелец такого теплогенератора избавляется от необходимости каждые 6–8 ч загружать в топку топливо. На одной загрузке пеллетный котел может работать довольно продолжительное время (конкретные цифры зависят от объема топливного бункера и зольника, а также ряда других условий). От пользователя требуется только сделать необходимые настройки, время от времени загружать пеллетами топливный бункер и периодически производить очистку зольника (отметим, что некоторые модели пеллетных генераторов тепла оборудуются автоматическим устройством удаления золы) – за всей остальной работой следит автоматика котла.

Теплогенераторы, предназначенные для сжигания пеллет, оборудуются объемной или факельной горелкой. Решетка горелочного устройства объемного типа находится внутри котла. Топливо поджигается с помощью раскаленной электрической спирали (при включенном вентиляторе, подающем воздух для поддержания процесса горения). У наиболее простых моделей пеллетных котлов розжиг горелки осуществляется вручную – в горелку наливают зажигательную жидкость и поджигают топливо спичкой.

Факельная горелка, которая монтируется с внешней стороны котла, по сравнению с устройством объемного горения обладает меньшим КПД.

Большинство пеллетных котлов – аппараты, предназначенные для напольной установки. Но существуют и настенные теплогенераторы, работающие на древесных гранулах. Например, германская компания Guntamatic Heiztechnik предлагает пеллетные «настенники» Therm мощностью 7 кВт. Такой аппарат вешается на стену обслуживаемого помещения, а бункер с пеллетами размещается в подсобке или снаружи дома. Подача топлива производится по полимерному шлангу под действием разрежения, создаваемого встроенным вентилятором. Сначала пеллеты поступают в расходную емкость, расположенную в корпусе котла, а затем с помощью компактного шнекового механизма дозированно подается в камеру сгорания.

Помимо пеллетных теплогенераторов естественного горения существуют еще газификационные пеллетные котлы. Примером такого оборудования может служить установка pellettop (Solarfocus, Австрия). Она имеет встроенный топливный бункер, в нижней части которого находится шнек – с его помощью пеллеты подаются в газификационную камеру. Находясь на колосниковой решетке, которая нагревается до температуры свыше 1000 °C, пеллеты разлагаются с образованием горючего газа. Такая технология обеспечивает достаточно большой (94,9 %) КПД котла.

Заметим, что ряд производителей, выпускающих пеллетные котлы, предлагают также комбинированные аппараты, которые могут работать как на древесных гранулах, так и на других видах топлива. Например, котел EKO-CK Pellet Plus-Unit (Wirbel) состоит из двух раздельных камер сгорания, одна из которых предназначена для сжигания дров, а другая – для сжигания пеллет.

Существуют и другие варианты комбинаций. Например, уже упоминавшаяся компания Solarfocus имеет в своем «арсенале» модуль octoplus, объединяющий в себе пеллетный котел и гелиотермическую установку. Эта система состоит из бака-накопителя емкостью 500 л со встроенными гладкотрубным змеевиком контура солнечных коллекторов и теплообменными трубами, по которым движутся продукты сгорания. Панель управления координирует работу гелиоконтура, пеллетной горелки, систем отопления и ГВС. При этом в первую очередь используется солнечное тепло; котел включается только тогда, когда этой энергии недостаточно.

7. Вакуумные котлы

Основной идеей, заложенной в конструкцию вакуумного котла, является совмещение известной схемы жаротрубного парового котла с трубчатым теплообменным аппаратом.

Котел представляет собой единый котельный блок, состоящий из цилиндрической нижней и прямоугольной верхней частей (рис. 22). В нижней части находится топочная камера со встроенными подъемными трубами, а в верхней вакуумной камере располагаются (в зависимости от производителя) либо U-образные трубы теплообменников отопления и ГВС (вертикальные ваккумные котлы), либо трубный пучок водоподогревателя (горизонтальные вакуумные котлы).

Рис. 22. Принцип работы вакуумного котла Booster

Перед началом работы в вакуумную камеру котла единственный раз заливается очищенная и химически подготовленная вода и создается вакуум.

Сгорая в топочной камере и проходя через конвективный пучок, продукты сгорания отдают тепло промежуточному теплоносителю – воде. Она кипит под разрежением при температуре 80–90 °С и превращается в пар, который отдает тепло, конденсируясь на поверхностях теплообмена трубчатых теплообменников. По ним в этот момент проходит вода, предназначенная для отопления или горячего водоснабжения. Образующийся конденсат стекает обратно в зону кипения. Нагретая вода отводится в систему теплоснабжения или ГВС. Таким образом, теплообменник нагревается не пламенем горелки, а косвенно – вакуумным паром.

Особенности конструкции вакуумных котлов обуславливают их преимущества:

– передача тепла через промежуточный теплоноситель (пар) без кипения. Вакуумный пар имеет температуру ниже кипения нагреваемой среды, поэтому даже при остановке сетевого насоса сетевая вода, находящаяся в трубках теплообменника при давлении выше атмосферного не закипит и не сможет создать твердых отложений;

– благодаря двум раздельным контурам внутрикотловая вода не сообщается с водой контуров отопления и горячего водоснабжения, препятствуя заносу примесей и образованию накипи;

– не требуется питательных устройств на котле и мероприятий по водоподготовке, так как вода циркулирует по замкнутому контуру;

– отсутствие кислорода в котле продлевает срок службы аппарата;

– первый пуск из холодного состояния до достижения номинальных параметров занимает не более 5 минут;

– вакуумные котлы имеют естественную циркуляцию, что позволяет экономить электроэнергию;

– безопасность в эксплуатации – при соблюдении правил монтажа благодаря вакууму в котле исключена возможность взрыва.