Обв'язка побутового твердопаливного котла

Яким би простим не здавався твердопаливний котел, він вимагає обдуманого і кваліфікованого підходу до монтажу та експлуатації. В іншому випадку термін служби теплогенератора може виявитися недовгим або власник не отримає того комфорту, на який розраховував. Частково проблема в тому, що не всі виробники, серед яких чимало зарубіжних фірм, у своїх інструкціях досить докладно і зрозуміло прописують, як правильно виконати обв'язку котла. Спробуємо зробити це за них, взявши за основу статтю кандидата технічних наук С.Зотова, опубліковану в журналі «Аква-Терм» (№ 6, 2009 р). У матеріалі наводяться найбільш поширені схеми обв'язки котла для різних систем опалення.

Почнемо з найпростішого варіанту - системи опалення з природною циркуляцією або, як її ще називають, гравітаційного типу (рис. 1). Незважаючи на мізерний арсенал засобів, система містить все необхідне для безпечної експлуатації котла. Захист його від перегріву забезпечується циркуляцією теплоносія, яка відбувається в контурі опалення при працюючому котлі завжди, якщо тільки опалювальні прилади розташовані хоча б на півметра вище котла. Не зайве нагадати, що, принаймні, один контур в такій системі повинен бути неовідсікаючим, тобто циркуляція теплоносія в ньому при працюючому котлі не повинна перериватися ні за яких умов.

Уникнути перевищення допустимого тиску в котлі дозволяє розширювальний бак, який може бути як відкритого типу (див. рис. 1), так і мембранним (рис. 2). Оскільки розширювальний бак відкритого типу встановлюється в найвищій точці опалювальної системи, висота його розташування щодо котла H і визначає тиск в котлі, яке зазвичай обмежується в різних виготовлювачів значенням 2-2,5 бару для сталевих котлів та 4 бари - для чавунних секційних.
Зауважимо, що розширювальний бак відкритого типу є місцем попадання в теплоносій кисню з повітря. Це не несе майже ніякої загрози довговічності чавунного казана, але загрожує скороченням терміну служби котла сталевого - через корозію.


Застосування мембранного розширювального бака в опалювальній системі перетворює її в закритий об'єм і, як наслідок, вимагає встановлення запобіжного скидного клапана (див. рис. 2). На додаток до нього потрібен ще й манометр для візуального контролю тиску в котлі (у більшості виробників манометр входить в основний комплект поставки). Ще один наслідок заміни відкритого розширювального бака на мембранний - необхідність установки в системі клапанів. Для зручності монтажу компанія AFRISO рекомендує використовувати групу безпеки котла, яка складається з запобіжного клапана, манометра і автоматичного повітрявідводчика. Групи KSG і KSGmini розраховані для котлів потужністю до 50кВт, KSGmaxi - 100кВт, WHK4 - 200кВт, WHK5 - 350кВт.




Для виробництва побутової гарячої води в одній з гілок гравітаційної системи опалення може бути розташований бак-водонагрівач (він також повинен знаходитися не менше ніж на 0,5 м вище котла).

Процес нагріву води в баку - саморегулюючий. Як тільки рідина нагрівається, на виході з котла циркуляція через контур припиняється (із зникненням різниці температур у прямій і зворотній лініях). Вона поновлюється, коли температура в баці знижується внаслідок розбору гарячої води і заміщення її холодною водою з водопроводу. Якщо припустити, що температура подачі котла становить 90 ° С, а температура холодної води 15 ° С, то кількість тепла, необхідне для разового прогріву бака ємністю V (л) з холодного стану, буде дорівнює:


Важливо пам'ятати, що відповідно до вимог безпеки необхідним елементом такої схеми приготування гарячої води є термостатичний змішувач, встановлений на виході гарячої води з бака-водонагрівача. Клапани тип VTA виробництва компанії ESBE (Швеція) дозволяють утримувати постійну температуру в водорозбірної точці. Особливість даних клапанів - функція захисту від опіків (при пропажі холодної води, клапан відсікає подачу гарячої).

Виробники твердопаливних котлів регламентують не тільки максимальні тиск, температуру, але і мінімальну температуру котлової води (50-65 ° С) або мінімальну температуру води у зворотній лінії (45-50 ° С).

Як забезпечити дотримання цієї вимоги у випадку системи опалення гравітаційного типу? Розглянемо два стани котла: пуск із холодного стану і роботу в стаціонарному режимі. У застосуванні до першого стану проблема зазвичай полягає в тому, щоб скоротити проміжок часу, коли температура котлової води нижче допустимої. З одного боку, сам по собі котел прогрівається досить швидко, оскільки швидкість циркуляції в системі на цій стадії пренебрежимо мала, адже вона залежить не тільки від різниці температур, але і висоти, на яку піднялася в системі гаряча вода з казана. З іншого - у міру зростання швидкості циркуляції зростає потік холодної води з непрогрітій системи в котел.

Очевидно, що це буде тривати до тих пір, поки вся холодна вода в системі опалення не виявиться заміщена теплою водою з котла. Таким чином, в силу інерційності гравітаційної системи опалення котел після пуску з холодного стану значний час працює в небажаному режимі, що може негативно позначитися на терміні його служби. Стаціонарний режим роботи котла в графічному вигляді представляє собою точку, де циркуляційний натиск, викликаний різницею температур в прямому та зворотному лініях, врівноважується гідравлічним опором системи опалення і котла.

На рис. 3 представлена залежність напору від різниці температур при фіксованих температурі подачі і потужності котла. Криві гідравлічного опору системи показані для декількох діаметрів трубної розводки.



Щоб значення температури в зворотній лінії не опускалося нижче граничного, необхідно мінімізувати перепад температур - іншими словами, за рахунок збільшення швидкості протоку домагатися якомога меншого остигання води в системі опалення. З малюнка видно, що для цього потрібно забезпечити мінімальний гідравлічний опір системи - за рахунок застосування труб більшого діаметру, опалювальних приладів з великим перетином каналів і пр. Отже, в рамках системи опалення гравітаційного типу реально забезпечити робочі умови котла - принаймні, в стаціонарному режимі роботи.

Разом з тим для створення комфорту таке рішення надає мало можливостей. Його переваги - видима простота і незалежність від електропостачання, до очевидних ж мінусів можна віднести слабку керованість і, як наслідок, необхідність в частих дозавантаження котла і неекономічний витрата палива.

Набагато більш широкі можливості надає система опалення з примусовою циркуляцією. Проблема підтримки мінімальної температури котлової води вирішується таким добре відомим способом, як підмішування у зворотну лінію води з лінії подачі (рис. 4). Він проводиться за допомогою триходового термічного вентиля ESBE, в якому вбудований термоелемент необхідної температури. У номенклатурі продукції ESBE є спеціально 3 типи клапанів: LTC100 (в комплекті з насосом), VTC500 з вбудованим термоелементом (50, 55, 60, 70 або 75 ° С), для малопотужних котлів до 30 кВт VTC300 (45, 55, 60, 70 або 80 ° С). Вони встановлюються, як правило, на зворотній лінії і здійснюють підмішування більш гарячого теплоносія з подавального трубопроводу в зворотний. При підвищенні температури на вході в котел, байпас між подачею і обраткою закривається і підмішування припиняється.


Рис. 4. Твердопаливний котел в системі опалення з примусовою циркуляцією теплоносія:
ПЛ - лінія, що подає;
ОЛ - зворотна лінія;
ЦН - циркуляційний насос;
ПК - запобіжний клапан DUCO;
ВО - автоматичний повітровідвідник AFRISO;
РБ - розширювальний бак;
КВ - ковпачковий вентиль AFRISO;
ТС - термостатичний змішувач ESBE;
ОП - опалювальний прилад;
ТВ - термостатичний вентиль ESBE

Оскільки в системі опалення з примусовою циркуляцією відсутні обмеження на гідравлічний опір трубопроводів і арматури, з її застосуванням стає можливим регулювання тепловіддачі опалювальних приладів за допомогою термостатичних вентилів і, таким чином, підвищення комфортності опалення. Однак наслідком такого регулювання може стати перегрів котла через перевищення його поточної продуктивності над споживанням тепла системою опалення.

Крім того, в умовах нестабільного електропостачання також існує загроза перегріву котла і виходу його з ладу через зупинку циркуляційного насоса. Щоб уникнути такої неприємності виробники часто постачають твердопаливний котел вбудованим аварійним теплообмінником або пропонують окремий модуль з теплообмінником разом з необхідною запірно-регулювальною арматурою як додаткове обладнання. Таким обладнанням є модуль KSL10 AFRISO і клапан TSK з виносним термодатчиком.

На рис. 5 показана схема підключення згідно вбудованого і зовнішнього аварійних теплообмінників. Принцип дії теплообмінника простий: по досягненні гранично допустимого значення температури котлової води спрацьовує налаштований на цю температуру термоклапан TSK DUCO і відкриває проток через теплообмінник холодної води, яка, відібравши "зайве" тепло від котельної води (або води в лінії подачі), відправляється в каналізацію .



Зрозуміло, обходитися так з теплом, яке коштує грошей, нерозумно, але що можна зробити, щоб і безпеку забезпечити, і тепло не розтринькати? Одним з варіантів може стати встановлення бака-водонагрівача з природною циркуляцією, як показано пунктиром на рис. 4. Якщо циркуляційний насос працює, він замикає природну циркуляцію через теплообмінник бака-водонагрівача за допомогою зворотного клапана, встановленого на виході теплообмінника.

Виключення насоса при розігрітому казані відкриває шлях природної циркуляції і скиданню тепла з котла в бак-водонагрівач. Необхідний обсяг бака для забезпечення функції аварійного акумулятора тепла розраховується за формулою:


де Wн - номінальна потужність котла;

n - число годин горіння одного завантаження палива на номінальній потужності;

Tп - температура подачі; ° С;

TХ - температура холодної води, ° С.

Зрозуміло, аварійний бак-водонагрівач не може бути основним засобом приготування гарячої води в будинку. Крім того, він не діє як акумулятор тепла в ситуації, коли циркуляційний насос працює, однак котел виробляє більше тепла, ніж споживає опалювальний контур.

Більш досконале рішення, як водиться, і коштує дорожче, оскільки воно передбачає установку додаткового обладнання - бака-акумулятора, циркуляційного насоса і запірної арматури.


ПЛ - лінія, що подає;
ОЛ - зворотна лінія;
ПК - запобіжний клапан DUCO;
ВО - автоматичний повітровідвідник AFRISO;
РБ - розширювальний бак;
КВ - ковпачковий вентиль AFRISO;
ЦНК - циркуляційний насос котла;
ТС - термостатичний змішувач ESBE;
ОП - опалювальний прилад;
БА - бак-акумулятор;
ТВ - триходовий вентиль з приводом ESBE (клапан VRG130, привід ARA600);
КТ - кімнатний термостат TG Colibri;
ЦНО - циркуляційний насос опалення

Суть рішення в тому, що жорсткий зв'язок між продуктивністю котла і споживанням тепла системою опалення усувається за допомогою бака-акумулятора, здатного зберегти все тепло від згоряння палива в котлі, щоб потім воно витрачалося по мірі необхідності.

При виборі котла зазвичай керуються розрахунковими тепловтратами будинку під час самої холодної п'ятиденки року. Однак, як відомо, дійсні тепловтрати протягом опалювального сезону можуть бути в кілька разів нижче, продуктивність же твердопаливного котла можна зменшити тільки наполовину: виробники, як правило, не рекомендують експлуатувати котел на потужності нижче 50% номінальної, оскільки це може призвести до відкладення смол на теплообміннику і погіршенню характеристик котла, а також підвищить ризик утворення чадного газу.

Якщо є де зберігати вироблене тепло, можна експлуатувати котел виключно на номінальній потужності, коли його ККД максимальний. Більш того, можна встановити котел істотно більшої потужності, ніж потрібно для опалення будинку в найхолоднішу пору року, - в результаті завантажувати і топити його доведеться рідше. Це - істотний плюс з точки зору зручності експлуатації. Ну і, зрозуміло, величезний плюс з точки зору створення комфорту - можливість регулювати споживання тепла системою опалення без оглядки на умови експлуатації котла.

Орієнтовна схема обв'язки твердопаливного котла з баком-акумулятором показана на рис. 6. Важливо, що як вхід гарячої води від котла в бак, так і вихід гарячої води в систему опалення розташовані у верхній частині бака, тому ступінь його заповнення теплом (гарячою водою) практично не впливає на готовність системи опалення. Важливо також, щоб циркуляційний насос котлового контуру автоматично відключався всякий раз, коли дрова в котлі прогоріли, і він охолов. Справа в тому, що тяга в котлі є практично завжди, і якщо не вимикати насос при холодному котлі, тепло з бака-накопичувача буде витрачатися на підігрів котла і повітря в ньому, коротше кажучи - тепло буде вилітати в трубу. Необхідний обсяг бака-акумулятора можна знайти за формулою:


де qт - питома теплота згоряння палива, кДж / кг;

mт - маса одноразової завантаження палива в котел, кг;

η  - ККД котла; ρв - щільність води, кг / л;

cв - теплоємність води, кДж / КГК;

θв і θн - відповідно верхній і нижній межі температури води в баку, К.

Покладемо θв рівній максимальній робочій температурі котла, наприклад, 90 ° С. За нижню межу θн нам треба прийняти ту температуру теплоносія, при якій тепловіддача опалювальних приладів пренебрежимо мала, і подальшого зниження температури в баці без нового надходження тепла не відбувається. Не буде помилкою прийняти значення цієї величини рівним 30 ° С.

Питома теплота згоряння деревини - 13 000 кДж / кг. ККД котла приймемо рівним 0,8. Тоді обсяг бака при спалюванні дров V = 41,5 x mт, л. При спалюванні вугілля, питома теплота згоряння якого 28 000 кДж / кг, V = 89,3 x mт, л.

Проблема, однак, криється в тому, що виробники котлів не вказують в документації масу одноразово завантажуваного палива, тому її доведеться оцінювати приблизно, відштовхуючись від доступної інформації про котел. Практично завжди в документації на котел вказується обсяг камери згоряння.

Щоб оцінити масу завантажуваної деревини в кілограмах, необхідно даний обсяг, виражений в літрах, помножити на 0,33, а для вугілля цей множник буде дорівнює 0,52. Візьмемо для прикладу котел на вугіллі з номінальною потужністю 35 кВт. Обсяг його топки - 51 л, значить, необхідний обсяг бака-акумулятора при спалюванні дров буде дорівнює всього-навсього 698 л, зате при спалюванні кам'яного вугілля - цілих 2370 л!

Ці цифри трохи ошелешують, однак розглянемо використання бака-акумулятора з точки зору частоти завантажень котла: припустимо, що номінальна потужність котла відповідає тепловтратами будинку для самої холодної п'ятиденки. Тоді з баком-акумулятором топити котел вугіллям треба буде всього лише раз в 10-20 г.

Споживач часто приймає рішення придбати твердопаливний котел, керуючись головним чином його невисокою вартістю і тому найчастіше не готовий платити суму, рівноцінну вартості котла, за додаткове обладнання. Однак якщо він буде знати, що додаткові витрати дозволять рідше завантажувати котел, не займатися постійно регулюванням його продуктивності - словом, отримати максимум можливого комфорту, то, цілком імовірно, він захоче це отримати.