біопаливо
котли, печі
база компаній
замовити
як зробити?
статті
відео
картиКрім того, в Росії, проявляється тенденція до зменшення обсягу громіздкого централізованого теплопостачання різних об'єктів і до збільшення кількості автономних теплових джерел різної потужності, що працюють на дешевому місцевому доповнюючому паливі. У природі все збалансовано, саме регульовано і оптимально. Застосування доповнююваної енергії природно, вписується в кругообіг природи і не порушує її законів.
Програми щодо збільшення використання біоенергії мають багато країн світу. Будуть потрібні нові системи опалювальних установок, що використовують поновлювані види палива. Ці системи повинні бути достатньо гнучкими і мають легко модифікуватися як для використання їх в якості джерела теплової енергії індивідуального об'єкта, так і джерела теплопостачання декількох об'єктів, а так само інших цілей. Система конструювання опалювальних пристроїв повністю відповідає цим умовам і несе численні додаткові можливості і зручності людям.
У цій статті, розглянемо питання конструювання цегляних печей з котлом водяного опалення (далі будемо називати їх котлом), що працюють на дровах або брикетах за рахунок природної тяги.
Які потрібні котли, з якими властивостями, які завдання повинні вирішувати?
Для опалення індивідуальних будинків потрібні котли періодичної дії, які можуть накопичити тепло при одно-дворазової топці протягом 1-2,5 годин і забезпечувати необхідний тепловий режим протягом доби. При необхідності виїхати на тривалий термін, повинна бути можливість підтримки необхідного теплового режиму в будинку, використовуючи електрику.
Є потреба в котлах постійної дії, для використання в системах комунальної енергетики, а так само опалення будівель громадського призначення.
Якщо в склянку налити гарячу воду, то вода буде віддавати стінкам та дну, що там знаходиться, теплоту до тих пір, поки температура води, склянки і тіла в ньому не вирівняється. Якщо перевернути склянку (назвемо її ковпаком) і заповнити гарячим газом, то процес теплопередачі так само буде відбуватися до вирівнювання температури газового середовища, стінок ковпака і тіла, що знаходиться в ньому. У тому і іншому випадку, втрати теплоти будуть незначні. ККД такої системи складає 93,7% (А.Є. Школяр, Пічне опалення малоповерхових будівель).
Природно, обсяг і форма ковпака може бути значних розмірів і різної форми в горизонтальних і вертикальних перетинах. У ковпак може бути поміщене тіло різної форми і різного призначення. Нагрівання стінок ковпака в кожному горизонтальному перетині буде однакове і більше в кожному вищележачому перерізі. При безперервній подачі теплової енергії в ковпак, рух гарячих газів відбувається в ньому за рахунок природних сил природи, гарячих газів вгору, охолодженю вниз, без докладання зовнішньої сили. (В котлах традиційної конструкції такою рушійною силою може бути тяга труби або механічного дуття-тяги.)
На цьому явищі побудована конвективна система всіх цих котлів. Котел складається з паливника (А) і конвективної системи (В) у вигляді одного або двох ковпаків, поставлених один на одного. Нижній ковпак побудований за формулою "нижній ярус і паливник об'єднані в єдиний простір і становлять нижній ковпак" (обов'язкова наявність сухого шва). Тільки така побудова нижнього ковпака дає можливість вирішити питання, поставлені в статті. Котли, побудовані за такою схемою, мають ряд унікальних властивостей, якими не володіють котли інших систем.
Розглянемо, яка різниця в умовах горіння палива в традиційних котлах (з примусовим рухом газів) і котлах побудованих за нашою системою.
Ми можемо уявити собі картину горіння палива. Повітря обтікає розпечену поверхню шматка, причому на цій поверхні атоми кисню з'єднуються з атомами вуглецю, перетворюючись частиною у вуглекислий газ (вуглекислоту) і частиною в окис вуглецю. Шматок палива, горячи, безперервно зменшується в об'ємі і після нього залишається негорюча домішка - зола.
Над шматком палива полум'ям горить його летюча частина. Вона містить горючі гази, що складаються з вуглецю і водню (вуглеводні). Водень дещо випереджає в горінні вуглець, тому що він легше, швидше з'єднується з киснем і згорає в водяні пари. Вуглець до моменту свого згоряння знаходиться в полум'ї, у вигляді пилинок сажі. Ці пилинки від сусідніх, вже згорілих порошинок, нагріваються до світіння і, стикаючись з повітрям, згоряють. Можна сказати, що полум'я - це гарячі вуглеводні.
Згорілий вуглець-сажа перетворюється на вуглекислоту (або в окис вуглецю - при неповному горінні). Отже, над полум'ям, яке ми бачимо, знаходиться вже те, що виходить після горіння, тобто вуглекислота (а в разі неповного горіння - і окис вуглецю), водяні пари і азот. Крім того, буває також і деяка кількість повітря, що не прийняло участі в горінні, і водяної пари від випаровування води, що міститься в паливі. Всі ці гази участі в горінні не приймають, а тільки нагріваються за рахунок теплоти згорання вуглецю і водню. Назвемо їх баластними, так як вони не приймають участь у горінні і вимагають енергії для свого нагрівання. Молекули всіх перерахованих газів абсолютно самостійні, не зчеплені між собою. Отже, димові гази, або, як їх називають ще, продукти горіння, являють собою просту суміш декількох газів.
У системах з примусовим рухом газів, весь цей потік, включаючи баластні гази, простягається через паливник і конвективную систему, знижуючи температуру в них.
По-іншому, або в інших умовах, протікає реакція горіння в системах побудованих за формулою "Нижній ярус і паливник об'єднані в єдиний простір і становлять нижній ковпак". Частинки горючих газів (вуглеводнів) з'єднуються з киснем повітря і виділяють тепло, перетворюючись на вуглекислий газ (а в разі неповного горіння - і окис вуглецю) і водяні пари від горіння водню. При цьому вони мають велику температуру, ніж водяні пари палива, азот, а так само кисень, який не набрав реакцію (зайве повітря) і тому збираються у верхній частині ковпака, утворюючи там зону підвищеної температури. Водяні пари палива, азот, зайвий кисень (повітря) і віддали тепло гази збираються в нижній зоні ковпака. У цьому випадку ми можемо говорити не тільки про поділ потоків гарячих і холодних газів, а й про поділ газового потоку (суміші декількох газів) на окремі складові. Тобто баластні гази, що мають більш низьку температуру, проходять через сухий шов в нижню зону ковпака, не охолоджує його і котел. В цьому випадку весь процес горіння природний, саморегулюючі та оптимальні.
Призначення конвективної системи котла періодичної дії Fig.1, ефективно і оптимально акумулювати і передавати теплову енергію, отриману в результаті реакції горіння палива, стінок 7, калорифера системи регенерації 6 і водяному теплообміннику 2, що знаходиться в ній. Теплова енергія гарячих газів розподіляється між стінками і водяним теплообмінником. Чим більше різниця температури між газовим середовищем і тілом, що сприймає його, тим більше енергії сприйме тіло. Тому стінки ковпака повинні бути масивними, повільно набирають тепло і мати теплову ізоляцію 4 зовні для збереження тепла. Їх можна виконувати одношаровими з червоної цегли (ліва половина Fig.1) або двошаровими з червоної цегли з внутрішньої футерівкою вогнетривкою цеглою (права половина Fig.1). Між шарами прокладати тонкий шар керамічного матеріалу або паперового картону 9, необхідний для компенсації температурного подовження вогнетривкої кладки.Призначення паливника зводиться до максимального вилучення енергії з палива та передачі її в максимальному обсязі в конвективну систему. Цього можна домогтися за рахунок підвищення температури реакції горіння у всіх її стадіях. Температура реакції горіння підвищується, при виконанні наступних заходів:
1. Конструктивне виконання котла дозволяє отримати природну зону з підвищеною температурою допалювання газоподібної складової палива - досягається за рахунок застосування "принципу вільного руху газів", з урахуванням вище викладеної формули.
2. Розміщення водяного теплообмінника (холодного ядра) поза паливником. (Дозволяє збільшити температуру в паливнику, повноту згоряння палива і нагрівання водяного теплообмінника).
3. Оптимізації кількості повітря, що подається на всіх стадіях горіння. На Заході це питання вирішено за рахунок застосування дверцят з каліброваними отворами на мінімальну і максимальну подачу повітря, а так само інших заходів. Питання виготовлення сучасних пічних приладів в Росії може бути вирішено на регіональному рівні.
4. Застосування матеріалу стін паливника 3 з високим коефіцієнтом теплопровідності, що дозволить швидко зрівняти температуру газового середовища і стінок та передати більше тепла в ковпак. Для цих же цілей, між вогнетривкої футеровкою і стінками паливника прокладається мінеральний утеплювач 4.
5. Застосування каталізатора горіння 5 з матеріалів з високим коефіцієнтом теплопровідності. Променеве тепло каталізатора, впливає на всі елементи паливника і газове середовище. Зазвичай це решітка з шамотної цегли, яка дає так само хороше перемішування повітря з паливом.
6. Регенеративна технологія (нагрівання повітря, що надходить в котел, відпрацьованими продуктами горіння). Досягається за рахунок пристрою регенератора 1 (замість піддувала), що забезпечує природний нагрів повітря, що надходить в паливник, відпрацьованими газами з нижньої зони ковпака. Стінки регенератора 8 додатково обігріваються гарячими газами ковпака. Видалення золи може бути організовано як через герметичну піддувальну дверку, так і вниз в бункер 10.Калорифер системи регенерації 6 може забезпечувати регульовану подачу підігрітого повітря природним шляхом, або за рахунок примусової подачі. В останньому випадку виникає можливість оптимізувати подачу первинного та вторинного повітря в різних стадіях горіння, автоматизувати процес горіння. Стінки ковпака 7 ізолюються зовні мінеральною ватою і є теплоакумулюючі масивом.
Така конструкція дає можливість автоматизувати температурний режим у приміщенні за допомогою автоматичних терморегуляторів залежно від заданих параметрів і температури зовнішнього повітря. За допомогою циркуляційних насосів з вбудованою автоматичним регулюванням змінювати, за рахунок частоти обертання, подачу необхідної кількість теплоти в систему, залежно від потреби системи водяного опалення.
Аналогічно конструюються котли постійної дії Fig.2. Різниця в тому, що паливник виконуєють меншої потужності, а в ковпаку не треба робити великий теплоакумулююча масив. Потрібно виконати перерозподіл тепла, що надходить в ковпак. Необхідно, що б стінки ковпака сприймали менше енергії, а водяний теплообмінник більше. Це досягається за рахунок пристрою двошарової стінки, між шарами якої прокладається мінеральний утеплювач 4. Внутрішня стінка 11 (футеровка), виконується з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності, наприклад вогнетривкої цегли. Конструктивно легше перекривати окремо як внутрішню, так і зовнішню оболонку. Футеровка топки і ковпаків будуть мати різний нагрів і лінійне розширення. Тому краще перекрити топку і ковпаки окремо. Між футерівкою топки і стінкою, а так само футерівкою ковпака і його стінкою, можна прокласти, наприклад, муллітокремнеземний фетр або повсть 4 товщиною 20-30 мм. Зовні котел може бути повністю ізольований, якщо не потрібно опалювати приміщення, де котел встановлений.
У більшості сучасних твердопаливних котлів, регулювання теплопродуктивності проводитися за рахунок регулювання подачі повітря, необхідного для горіння, тобто за рахунок зміни потужності горіння. Найбільший ККД котлів на будь-якому виді палива, може бути отриманий при роботі їх з найбільшою потужністю. Коефіцієнт корисної дії (ККД) таких систем опалення істотно залежить від того, при якій потужності працює система. Чим нижча ступінь використання системи, тим нижче ККД і тим більше витрата палива. У котлах, що працюють на газі та солярці, це питання вирішене. Застосування автоматики дозволяє експлуатувати котли опалення однаково з максимальною віддачею у всіх режимах роботи, за рахунок періодичного їх включення і виключення.
Продовження в наступній статті.
