биотопиво
котлы и печи
база компаний
заказать
как сделать?
статьи
видео
картыКроме того, в России, проявляется тенденция к уменьшению объема громоздкого централизованного теплоснабжения различных объектов и к увеличению количества автономных тепловых источников различной мощности, работающих на дешевом местном восполняемом топливе. В природе всё сбалансировано, само регулируемо и оптимально.
Применение восполняемой энергии естественно, вписывается в кругооборот природы и не нарушает её законов. Программы по увеличению использования биоэнергии имеют многие страны мира. Потребуются новые системы отопительных установок, использующие восполняемые виды топлива. Эти системы должны быть достаточно гибкими и легко модифицируемыми как для использования их в качестве источника тепловой энергии индивидуального объекта, так и источника теплоснабжения нескольких объектов, а так же других целей. Система конструирования отопительных устройств полностью соответствует этим условиям и несёт многочисленные дополнительные возможности и удобства людям.
В настоящей статье, рассмотрим вопросы конструирования кирпичных печей с котлом водяного отопления (далее будем называть их котлом), работающих на дровах или брикетах за счет естественной тяги.
Какие нужны котлы, с какими свойствами, какие задачи должны решать?
Для отопления индивидуальных домов требуются котлы периодического действия, которые могут накопить тепло при одно-двухразовой топке в течение 1-2,5 часов и обеспечивать требуемый тепловой режим в течение суток. При необходимости уехать на длительный срок, должна быть возможность поддержания требуемого теплового режима в доме, используя электричество.
Имеется потребность в котлах постоянного действия, для использования в системах коммунальной энергетики, а так же отопления зданий общественного назначения.
Если в стакан налить горячую воду, то вода будет отдавать стенкам и телу, что там находится, теплоту до тех пор, пока температура воды, стакана и тела в нём не выровняется. Если перевернуть стакан (назовём его колпаком) и заполнить горячим газом, то процесс теплопередачи так же будет происходить до выравнивания температуры газовой среды, стенок колпака и тела, находящегося в нём. В том и другом случае, потери теплоты будут незначительны. КПД такой системы составляет 93,7 % (А.Е. Школьник, Печное отопление малоэтажных зданий).
Естественно, объём и форма колпака может быть значительных размеров и различной формы в горизонтальных и вертикальных сечениях. В колпак может быть помещено тело различной формы и различного назначения. Нагрев стенок колпака в каждом горизонтальном сечении будет одинаков и больше в каждом вышележащем сечении. При непрерывной подаче тепловой энергии в колпак, движение горячих газов происходит в нём за счёт естественных сил природы, горячие газы вверх, охлаждённые вниз, без приложения внешней силы. (В котлах традиционной конструкции такой движущей силой может быть тяга трубы или механическая дутьё-тяга.)
На этом явлении построена конвективная система всех этих котлов. Котел состоит из топливника (А) и конвективной системы (В) в виде одного или двух колпаков, поставленных друг на друга. Нижний колпак построен по формуле "нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак" (обязательное наличие сухого шва). Только такое построение нижнего колпака даёт возможность решить вопросы, поставленные в статье. Котлы, построенные по такой схеме, обладают рядом уникальных свойств, которыми не обладают котлы других систем.
Рассмотрим, какая разница в условиях горения топлива в традиционных котлах (с принудительным движением газов) и котлах построенных по нашей системе.
Мы можем представить себе картину горения топлива. Воздух обтекает раскаленную поверхность куска, причем на этой поверхности атомы кислорода соединяются с атомами углерода, превращаясь частью в углекислый газ (углекислоту) и частью в окись углерода. Кусок топлива, горя, непрерывно уменьшается в объеме и после него остается негорючая примесь - зола.
Над куском топлива пламенем горит его летучая часть. Она содержит горючие газы, состоящие из углерода и водорода (углеводороды). Водород несколько опережает в горении углерод, так как он легче, быстрее соединяется с кислородом и сгорает в водяные пары. Углерод до момента своего сгорания находится в пламени, в виде пылинок сажи. Эти пылинки от соседних, уже сгоревших пылинок, нагреваются до свечения и, соприкасаясь с воздухом, сгорают. Можно сказать, что пламя - это горящие углеводороды.
Сгоревший углерод-сажа превращается в углекислоту (или в окись углерода - при неполном горении). Следовательно, над пламенем, которое мы видим, находится уже то, что получается после горения, т. е. углекислота (а в случае неполного горения - и окись углерода), водяные пары и азот. Кроме того, бывает также и некоторое количество воздуха, не принявшего участия в горении, и водяных паров от выпаривания воды, содержащегося в топливе. Все эти газы участия в горении не принимает, а только нагревается за счет теплоты сгорания углерода и водорода. Назовем их балластными, так как они не принимают участие в горении и требуют энергии для своего нагревания. Молекулы всех перечисленных газов совершенно самостоятельны, не сцеплены между собой. Следовательно, дымовые газы, или, как их называют еще, продукты горения, представляют собой простую смесь нескольких газов.
В системах с принудительным движением газов, весь этот поток, включая балластные газы, протягивается через топливник и конвективную систему, понижая температуру в них.
По-другому, или в других условиях, протекает реакция горения в системах построенных по формуле "Нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак". Частицы горючих газов (углеводородов) соединяются с кислородом воздуха и выделяют тепло, превращаясь в углекислый газ (а в случае неполного горения - и окись углерода) и водяные пары от горения водорода. При этом они имеют большую температуру, чем водяные пары топлива, азот, а так же кислород, не вступивший в реакцию (излишний воздух) и поэтому собираются в верхней части колпака, образуя там зону повышенной температуры. Водяные пары топлива, азот, излишний кислород (воздух) и отдавшие тепло газы собираются в нижней зоне колпака. В этом случае мы можем говорить не только о разделении потоков горячих и холодных газов, но и о разделении газового потока (смеси нескольких газов) на отдельные составляющие. То есть балластные газы, имеющие более низкую температуру, проходят через сухой шов в нижнюю зону колпака, не охлаждает его и котел. В этом случае весь процесс горения естественен, саморегулируем и оптимален.Назначение конвективной системы котла периодического действия Fig.1, эффективно и оптимально аккумулировать и передавать тепловую энергию, полученную в результате реакции горения топлива, стенкам 7, калориферу системы регенерации 6 и водяному теплообменнику 2, находящемуся в ней. Тепловая энергия горячих газов распределяется между стенками и водяным теплообменником. Чем больше разница температуры между газовой средой и телом, воспринимающим его, тем больше энергии воспримет тело. Поэтому стенки колпака должны быть массивными, медленно набирающие тепло и иметь тепловую изоляцию 4 снаружи для сохранения тепла. Их можно выполнять однослойными из красного кирпича (левая половина Fig.1) или двухслойными из красного кирпича с внутренней футеровкой огнеупорным кирпичом (правая половина Fig.1). Между слоями прокладывать тонкий слой керамического материала или бумажного картона 9, необходимый для компенсации температурного удлинения огнеупорной кладки.
Назначение топливника сводится к максимальному изъятию энергии из топлива и передаче её в максимальном объёме в конвективную систему. Этого можно добиться за счёт повышения температуры реакции горения во всех её стадиях. Температура реакции горения повышается, при выполнении следующих мероприятий:
1. Конструктивное исполнение котла позволяет получить естественную зону с повышенной температурой дожигания газообразной составляющей топлива - достигается за счёт применения "принципа свободного движения газов", с учётом выше изложенной формулы.
2. Размещение водяного теплообменника (холодного ядра) вне топливника. (Позволяет увеличить температуру в топливнике, полноту сгорания топлива и нагрев водяного теплообменника).
3. Оптимизации количества подаваемого воздуха на всех стадиях горения. На Западе этот вопрос решен за счёт применения дверок с калиброванными отверстиями на минимальную и максимальную подачу воздуха, а так же других мероприятий. Вопрос изготовления современных печных приборов в России может быть решен на региональном уровне.
4. Применения материала стен топливника 3 с высоким коэффициентом теплопроводности, что позволит быстро уравнять температуру газовой среды и стенок и передать больше тепла в колпак. Для этих же целей, между огнеупорной футеровкой и стенками топливника прокладывается минеральный утеплитель 4.
5. Применение катализатора горения 5 из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. Лучевое тепло катализатора, воздействует на все элементы топливника и газовую среду. Обычно это решетка из шамотного кирпича, которая дает так же хорошее перемешивание воздуха с топливом.
6. Регенеративной технологии (нагрев воздуха, поступающего в котел, отработанными продуктами горения). Достигается за счёт устройства регенератора 1 (вместо поддувала), обеспечивающего естественный нагрев воздуха, поступающего в топливник, отработанными газами из нижней зоны колпака. Стенки регенератора 8 дополнительно обогреваются горячими газами колпака. Удаление золы может быть организованно как через герметичную поддувальную дверку, так и вниз в бункер 10.Калорифер системы регенерации 6 может обеспечивать регулируемую подачу подогретого воздуха естественным путём, или за счёт принудительной подачи. В последнем случае возникает возможность оптимизировать подачу первичного и вторичного воздуха в различных стадиях горения, автоматизировать процесс горения. Стенки колпака 7 изолируются снаружи минеральной ватой и являются теплоаккумулирующим массивом.
Такая конструкция даёт возможность автоматизировать температурный режим в помещении с помощью автоматических терморегуляторов в зависимости от заданных параметров и температуры наружного воздуха. С помощью циркуляционных насосов со встроенной автоматической регулировкой изменять, за счёт частоты вращения, подачу необходимого количество теплоты в систему, в зависимости от потребности системы водяного отопления.
Аналогично конструируются котлы постоянного действия Fig.2. Различие в том, что топливник выполняют меньшей мощности, а в колпаке не надо делать большой теплоаккумулирующий массив. Требуется выполнить перераспределение тепла поступающего в колпак. Необходимо, что бы стенки колпака воспринимали меньше энергии, а водяной теплообменник больше. Это достигается за счёт устройства двухслойной стенки, между слоями которой прокладывается минеральный утеплитель 4. Внутренняя стенка 11 (футеровка), выполняется из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например огнеупорного кирпича.
Конструктивно легче перекрывать отдельно как внутреннюю, так и внешнюю оболочку. Футеровка топки и колпаков будут иметь различный нагрев и линейное расширение. Поэтому лучше перекрыть топку и колпаки отдельно. Между футеровкой топки и стенкой, а так же футеровкой колпака и его стенкой, можно проложить, например, муллитокремнеземистый фетр или войлок 4 толщиной 20-30 мм. Снаружи котёл может быть полностью изолирован, если не требуется отапливать помещение, где котёл установлен.
Продолжение в статье 2
