Энергоэффективные котлы на твердом топливе

Твердотопливные котлы с давних пор широко используются для отопления благодаря простоте, надежности и относительной дешевизне используемого топлива – дров, бурого и каменного угля, кокса, отходов деревообработки, хотя и имеют некоторые недостатки. Самый существенный недостаток связан с тем, что твердое топливо быстро прогорает и его необходимо периодически добавлять для беспрерывной работы теплогенератора, однако в конце XX – начале XXI века появились новые технологии, намного продлевающие процесс горения. Кроме того, постоянный рост стоимости самого распространенного энергоносителя – газа, удаленность многих населенных пунктов от магистральных газовых сетей, позволяет считать использование твердотопливных агрегатов вполне экономически целесообразным и энергоэффективным.

Типы современных твердотопливных котлов

По устройству и виду топлива современные котлы на твердом топливе можно классифицировать на следующие основные типы:

• котлы с нижним сгоранием топлива;
• агрегаты с верхним сгоранием;
• газогенераторные котлы;
• пеллетные теплогенераторы;
• паровые агрегаты.

Котлы с нижним сгоранием

Котел с нижним сгоранием – это наиболее распространенный твердотопливный агрегат, работающий преимущественно на дровах и угле. Конструкция теплогенератора включает следующие основные элементы, заключенные в корпусе: топку или камеру сгорания, теплообменник, подающий и обратный патрубки контура системы отопления, колосниковую решетку, дверцу для загрузки топлива, дверцу для розжига и очистки от золы, дымоход.

Корпус современных котлов изготавливается из стали, а теплообменник может быть как стальным, так и чугунным. У каждого вида теплообменника имеются свои достоинства и недостатки. Агрегаты с чугунным теплообменником имеют более высокую устойчивость к коррозии, чем стальные. Это немаловажный момент, так как при розжиге твердотопливных теплогенераторов до момента, пока температура не превысит точку росы, в топке образуется конденсат, который в смеси с продуктами горения очень агрессивен к металлам. Чугунный теплообменник также более огнестоек, чем стальной, поэтому имеет больший срок службы. Недостатки чугунных теплообменников – хрупкость, большой вес, малая стойкость к температурным перепадам теплоносителя в системе отопления, они не должны превышать 20 °C.

Обычно чугунные теплогенераторы делятся на отдельные секции, что облегчает трудности в транспортировке, монтаже, а в случае выхода из строя одной из секций ее легко заменить. Агрегаты со стальным теплообменником являются цельными конструкциями.

В устройстве котла с нижним сгоранием могут быть предусмотрены две-три топочные камеры, что дает возможность дожигания частичек топлива. При этом уменьшается выброс вредных продуктов горения в атмосферу, расход топлива снижается, а коэффициент полезного действия котла увеличивается. Современные твердотопливные котлы отопления позволяют управлять процессом горения, для чего используется система управления с вентилятором для наддува воздуха.

Котлы с верхним сгоранием

В агрегате с верхним сгоранием процесс сжигания топлива – угля, дров, брикетов из торфа или опилок – в отличие от котла с нижним сгоранием происходит не снизу вверх, а сверху вниз. Это стало возможным после изобретения, сделанного и запатентованного литовским инженером Э. Штрупайтисом в 2000 году и впервые использованного в котлах фирмы «Stropuva».  Горение в таком теплогенераторе поддерживается только в верхнем слое заложенного топлива, толщиной примерно в 15 см, куда сверху подается горячий воздух через специальную телескопическую трубу из особой камеры. По мере сгорания закладки труба под собственной тяжестью постепенно раздвигается и опускается вниз, так что распределитель воздуха на конце трубы постоянно находится в центре пламени.

Отопительный твердотопливный котел с верхним сгоранием, работающий на дровах, позволяет делать одну закладку раз в 30 часов, а агрегат, работающий на угле – одну закладку раз в 5 дней. Режим работы теплогенератора – от одной закладки до другой. То есть, после полного сгорания загруженного топлива необходимо удалить образовавшуюся золу и сделать новую закладку.

Агрегаты с верхним сгоранием имеют значительную высоту, но места по площади занимают немного.

Газогенераторные (пиролизные) котлы

Газогенераторные отопительные котлы на твердом топливе оснащаются 2-мя камерами сгорания. Принцип их работы основан на том, что древесина под действием высокой температуры и в условиях недостатка кислорода превращается в древесный уголь с выделением пиролизного горючего газа. В одной камере вначале происходит обычный процесс горения при нормальной подаче воздуха через специальное окно. После того, как дрова нормально разгорятся, подача воздуха с помощью автоматического регулятора уменьшается, и котел переходит в режим образования пиролизного газа. Дрова медленно тлеют, а выделяемый газ поднимается во вторую камеру, где происходит процесс его дожига.

КПД газогенераторного агрегата достигает 85—90 %, вредные выбросы продуктов горения в атмосферу сокращаются до минимума, топлива для такого котла требуется в несколько раз меньше, чем для теплогенератора прямого горения. В качестве топлива, кроме дров, могут использоваться отходы деревообработки с уровнем влажности не более 20 %.

Пеллетные котлы

Пеллетные котлы работают на биотопливе из торфа, опилок, отходов переработки продукции сельского хозяйства, спрессованном в цилиндрические гранулы, которые носят название пеллеты. Гранулы имеют небольшие размеры и поступают в продажу в удобных упаковках, облегчающих транспортировку и хранение.

Пеллетные котлы оснащаются автоматической системой управления, в том числе подачей топливных гранул в камеру сгорания, имеющую небольшие размеры. В связи с этим автоматика с большой точностью регулирует объем подаваемого топлива, при этом достигается наиболее полное сгорание и получение горючих газов с максимальной температурой за счет принудительного нагнетания воздуха в область горения с помощью вентилятора.

Пеллеты загружаются в топливный бункер, откуда с помощью системы подачи поступают в камеру сгорания. Бункер может быть отдельностоящим или встроенным в конструкцию котла, емкость бункера для котла мощностью 20—40 кВт, как правило, составляет не более 200-250 кг, чего хватает на неделю непрерывной работы. Система подачи представляет собой винтовой конвейер, приводимый в движение электродвигателем. Если необходима транспортировка пеллет на большие расстояния, то может использоваться пневматическая система подачи.

Автоматика пеллетных теплогенераторов включает системы механического удаления золы и самоочистки, возможность управления температурой в трубопроводах отопления в зависимости от погоды и другие устройства, облегчающие эксплуатацию агрегатов пеллетного отопления.

Паровые твердотопливные котлы

Паровые котлы на твердом топливе в связи с их большой мощностью и габаритами применяются преимущественно в промышленности для обеспечения паром технологических процессов и систем отопления. Особенно эффективно применение паровых твердотопливных теплогенераторов на предприятиях с большим количеством отходов, пригодных для  сжигания в качестве топлива при невозможности использования других источников энергии. Агрегаты небольшой мощности могут также применяться для  отопления жилья и других помещений различного назначения.

По принципу работы паровые котлы подразделяются на 2 основных типа: жаротрубные и паротрубные.

В жаротрубном агрегате нагретые при сжигании топлива до высокой температуры продукты горения циркулируют по системе труб и передают тепловую энергию воде, которая эти трубы окружает. Вода при этом превращается в пар и затем поступает в систему отопления или по паропроводам промышленным потребителям. Так как образовавшийся пар обладает большим давлением, стенки такого котла делают очень толстыми. В связи с этим по соображениям безопасности жаротрубные котлы имеют ограничения по мощности.

В водотрубных котлах принцип работы обратный – внутри корпуса по системе труб течет вода, нагретые продукты горения циркулируют вокруг них, в результате вода в трубах превращается в пар и далее поступает потребителям. Водотрубные агрегаты более безопасны, здесь не требуется большой толщины стенок корпуса, что позволяет значительно повысить их производительность.

Паровые котлы оснащаются системами автоматики, включающими устройства розжига топлива и прекращения горения, регулировки расхода воды и топлива. Большое значение имеет группа безопасности твердотопливного котла, в которую входят индикаторы температуры, предохранительные термостаты, манометры, предохранительные прессостаты и клапаны давления пара, другие приборы и устройства, обеспечивающие безаварийную работу.

Как подобрать нужный котел

Чтобы подобрать нужный котел отопления на твердом топливе, нужно учитывать следующие факторы:

• тип агрегата – с верхним или нижним сгоранием, газогенераторный, пеллетный или паровой, наиболее подходящий для данных условий эксплуатации;
• мощность котла, необходимую для отопления и приготовления горячей воды;
• вид твердого топлива, который планируется использовать;
• объем топочной камеры, от чего будет зависеть частота закладки топлива;
• материал теплообменника – сталь или чугун, с учетом достоинств и негативных особенностей каждого материала;
• необходимость подключения к электросетям, так как некоторые модели котлов имеют устройства, работающие от электроэнергии – ТЭНы для поддержания температуры в период отключения котла, дымососы, вентиляторы для наддува воздуха;
• оснащение автоматическим управлением, узлами безопасности, так как твердотопливные котлы для дома должны быть в полной мере обеспечены всеми приборами и устройствами для безаварийной работы;
• возможность перевода на другие виды топлива или использования нескольких видов.

Некоторые правила эксплуатации

Соблюдение правил эксплуатации позволят продлить срок службы агрегата и сделают его функционирование безопасным. Для облегчения продуктивной работы твердотопливного котла рекомендуется соблюдать несложные правила:

• использовать только качественное топливо, так как в противном случае могут забиться устройства агрегата, каналы и дымоходы, что приведет к потере тяги;
• использовать исключительно сухие материалы – дрова, уголь, пеллеты, торф. При повышенной влажности топлива мощность котла будет снижаться;
• периодически осматривать и прочищать каналы агрегата, что особенно важно для теплообменника и дымоходов;
• имеющийся дымоход должен быть соответствующего сечения и высоты, при недостаточном сечении дымохода следует приобретать котел с принудительной вытяжкой;
• если в качестве дымохода используется стальная труба, то она должна быть утеплена;
• помещение, в котором устанавливается котел должно иметь хорошую вентиляцию – приток воздуха обеспечит нормальное горение.

Видео с примером правильной работы твердотопливного котла: