2. Общая классификация котлов

Необходимость отапливать небольшие площади, малая емкость теплоносителя, низкая теплоаккумулирующая способность, а также высокие требования к компактности установленного оборудования накладывают ограничения на конструктивное исполнение бытовых котлов. Тот факт, что бытовые установки не предполагают резервных агрегатов, говорит о надежности их работы и продолжительности межсервисных периодов.

В зависимости от требований потребителей (мощность, потребность в горячей воде, площадь, необходимая для установки оборудования и т. д.) изменяется и конструкция котлов. Кроме того, в разных странах к котлостроителям предъявляют узкоспецифические требования, присущие только данному региону: в Италии, например, важен внешний вид (в частности, лучшим цветом для котла считается белый); в США дизайн, за который потребитель платить не желает, приносят в жертву надежности и безопасности, а в Германии к появлению вначале конденсационных котлов, а затем котлов на топливных элементах привела мода на высокотехнологичные автоматизированные и экономичные котельные.

Россия сегодня не только производит, но и импортирует отопительную технику. Вследствие этого классификация котлов разнообразна и многокритериальна.

2.1. По виду энергоносителя

Исторически основным энергоносителем в нашей стране было твердое топливо, точнее – дрова, обладающие низкой плотностью горючих веществ на единицу массы. Это значит, что данный вид топлива пригоден лишь для отопления небольших помещений вследствие невозможности обеспечения длительного горения и необходимости постоянной загрузки в топку новых порций топлива.

Современные бытовые дровяные котлы конструируются для работы на пеллетах (гранулированная древесина размером 15–20 мм), в этом случае появляется возможность оборудовать котел устройством непрерывной подачи топлива.

Также для автоматизированной подачи твердого топлива могут применяться и сортированный высококачественный каменный уголь, и угольные брикеты. Большинство котлов и аппаратов не приспособлены для сжигания низкосортных видов топлива с малым выходом летучих веществ (антрациты, полуантрациты). Верхний предел фракций угля во избежание неполного горения не должен превышать 50 мм, а нижний, в связи с ограниченностью тяги и отсутствием принудительного дутья, – 13 мм. КПД современных твердотопливных котлов – до 85 %.

Преимущества твердотопливных котлов:

– возможность использования в районах с избытком древесины и отсутствием других энергоносителей;

– доступность и сравнительно низкая стоимость топлива.

Недостаток:

– не могут работать в полностью автоматическом режиме и требуют регулярной загрузки топлива.

Ассортимент твердотопливных котлов заметно беднее, чем газовых или жидкотопливных. В России широкое распространение получили котлы на твердом топливе производства фирм Viadrus, Dakon, Atmos, Opop (Чехия), Olymp (Германия), Jama (Финляндия). Встречаются также зарубежные котлы с возможностью комбинированного сжигания, в том числе – для твердого топлива (CTC, Dakon, Roca, Demir Dokum). Отечественные производители представлены котлами ЗИОСАБ, «Пламя», КИМ, «Жарок», КС-Т, КС-ТГ, АТВ.

Котлы, использующие твердое топливо, можно разделить на три основные группы:

– традиционные твердотопливные;

– газогенераторные;

– многотопливные.

Появление регуляторов, способных автоматически поддерживать заданную температуру теплоносителя на выходе из котла, позволяет твердотопливным котлам работать с экономичностью, ненамного уступающей жидкотопливным. Автоматическое поддержание температуры осуществляется с помощью термостата, отслеживающего температуру теплоносителя в котле. При превышении заданной температуры происходит автоматическое прикрытие заслонки, и процесс горения замедляется, при понижении – заслонка приоткрывается.

При выборе твердотопливного котла можно руководствоваться табл. 5, в которой приведена ориентировочная высота дымовой трубы, в зависимости от ее внутренних размеров и мощности котла.

Таблица 5. Высота дымовой трубы

При сжигании в котлах каменного угля возникают трудности с его розжигом, поскольку он имеет высокую температуру воспламенения. Если в доме имеется горелка, работающая на сжиженном (баллонном) газе, розжиг можно облегчить. Если топливом являются дрова, то это низкокалорийное топливо целесообразно сжигать в «шахтных» топках с высоким слоем, в которых оно горит длительное время.

Как правило, точно (оптимально) выбранный и отрегулированный котел должен обеспечивать непрерывную работу не менее 6–8 ч на одной загрузке топлива.

Газогенераторные котлы используют газификационный способ сжигания древесины – процесс горения при недостатке кислорода с образованием генераторного газа, состоящего наполовину из азота воздуха, а наполовину – из смеси угарного газа, водорода, углекислого газа и метана. Главное их достоинство состоит в том, что КПД может достигать 90 %. Кроме того, обеспечивается высокая способность регулировать мощность в диапазоне от 70 до 100 %. Стоит также отметить, что у газификационного котла топливная камера может быть существенно большего объема, чем у традиционных твердотопливных теплогенераторов, и загружать его необходимо реже.

В газогенераторных котлах горят не только сами дрова, но и древесный газ, выделяющийся из дров под воздействием высокой (до 1000 °С) температуры. При таком сжигании не образуется CO и практически отсутствует зола. Недостаток таких котлов – необходимость подключения электричества.

В газогенераторных котлах можно сжигать все виды древесины, древесные отходы и брикеты с влажностью не более 20–25 %.

Несмотря на то, что жидкое топливо является ценнейшим сырьем для нефтехимии, примерно 40 % всех бытовых котлов сжигают либо дизельное и печное топливо, либо легкие сорта мазута. Естественно, требования к экономичному, экологичному и безопасному горению предъявляются не только к горелкам, но и к котельным установкам. В то же время, конструктивно топочные камеры котлов, сжигающих жидкое топливо, схожи с котлами на газе, в отличие, к примеру, от твердотопливных топок. В основном тут учитываются требования эффективного теплосъема и удобства монтажа и обслуживания (осмотр, чистка, удаление отложений).

Преимущества:

– независимость от наружных коммуникаций (автономность работы);

– более «либеральные» требования к установке и эксплуатации;

– теплота сгорания выше, чем у твердого топлива.

Недостатки:

– необходимость в топливохранилище;

– высокая (на 50 % дороже газа) стоимость жидкого топлива.

Природный газ – самое распространенное на сегодня топливо для отопительных котлов. В разных регионах можно встретить сжигание как природного газа – метана (СН₄), так и сжиженного: пропана С₃Н₈ либо в смеси с бутаном С₄Н₁₀.

Чаще встречается сжигание биогаза и попутного газа.

Колеблется также и теплота сгорания различных газов, так как природный газ имеет Q_ph от 8,5 до 11,5 кВт · ч/м³, а сжиженный – от 25 до 34 кВт · ч/м³.

Преимущества природного газа относительно других видов топлива – дешевизна и компактное газовое хозяйство. Правда, следует учитывать строгость норм по установке оборудования.

2.2. По наличию функции ГВС

Практически все бытовые котельные, устанавливаемые в жилых домах, так или иначе пригодны для решения задачи подогрева бытовой воды. Поскольку независимо от обеспечения горячей водой функция отопления в котлах присутствует, то подогрев бытовой воды осуществляется в теплообменниках, встроенных либо пристроенных к котлам.

Котлы, используемые только для подогрева теплоносителя, называются одноконтурными. В них теплоноситель, нагретый в топке котла продуктами сгорания топлива, циркулирует в теплообменниках системы отопления (радиаторах, калориферах и т. д.). Котлы, имеющие кроме отопительной функции, функцию подогрева бытовой воды, называются двухконтурными (по наличию контуров отопления и горячего водоснабжения). В таких устройствах часть теплоносителя циркулирует в системе отопления, а часть – подогревает бытовую воду до необходимой температуры в теплообменниках. Известны два основных вида теплообменников: проточные и емкостные.

В проточном теплообменнике нагреваемая вода проходит однократно внутри змеевика сквозь поток греющей среды.

Рис. 2. Проточный теплообменник

Для обеспечения комфортной производительности такие котлы должны иметь увеличенные поверхность нагрева либо тепловую мощность.

Пример
Проточный водонагреватель нагревает в минуту 16 л (16 кг) холодной воды от 15 до 40 °С. Какова величина тепловой мощности, необходимой для нагрева?

Решение:

m = 16 кг/мин × 60 мин/ч = 960 кг/ч;

Q = m · c · At, где с – теплоемкость воды (1, 163 Вт·ч/кг·К).

Q = 960 кг/ч × 1,163 Втч/кгК × 25° = 27 912 Вт;

Q = 28 кВт.

В емкости теплообменника нагреваемая бытовая вода находится внутри сосуда неподвижно в течение всего времени нагрева (происходит лишь гравитационное перемешивание).

Рис. 3. Емкостный теплообменник

Достоинство – возможность использовать в пиковых режимах, недостаток – длительное время нагрева.

Пример
Накопительный бойлер емкостью 150 л нагревается тепловой мощностью 18 кВт от 10 до 55 °С. Каково время нагрева?

Решение:

Q = m × c × Δt;

Δt = 55–10 = 45°;

Q₁ = 150 кг × 1,163 Втч/ кгК × 45° = 7850 Втч = 7,85 кВтч;

τ = Q₁ /Q₀;

τ = 7,85 кВтч/18 кВт = 0,4364 ч.

10 киловатт нагревают 860 литров воды на 1 °C за 1 час

Двухконтурные устройства по принципу подготовки воды можно разделить на котлы со встроенным бойлером и котлы с проточными подогревателями (с внешними водоподогревателями).

Рис. 4. Котел со встроенным змеевиком

Котлами со встроенным теплообменником следует считать котлы, в которых бак или змеевик с бытовой водой помещены внутрь емкости с теплоносителем системы отопления.

Рис. 5. Концепция «бак в баке»

В комбинированных котлах водонагреватель конструктивно приближен к топочной камере и соединен с контуром трубопроводом циркуляции греющей воды.

2.2.1.Температура воды

Для работоспособности данной конструкции кроме гидравлического соединения требуются циркуляционный насос, подающий греющую воду из котла в бойлер, и регулятор температуры, контролирующий заданную температуру воды в бойлере и дающий команду на отключение насоса, а также автоматика переключения в режим ГВС.

Рис. 6. Комбинированный котел

Если горячая вода хранится без протока долгое время при температуре ниже 50 °С, она начинает застаиваться. При этом в воде могут начать размножаться болезнетворные бактерии. Согласно отечественным и зарубежным стандартам для предотвращения их размножения температура хранения горячей воды должна быть не ниже 60 °С. Бактерии погибают и при регулярной термической дезинфекции.

В то же время при температуре выше 60 °С начинается интенсивное отложение накипи на стенках сосудов и теплообменников. Поэтому не рекомендуется значительно повышать температуру хранящейся воды.

Таблица 6. Типоразмеры предохранительных клапанов для бойлеров ГВС

2.2.2. Подключение бойлера

По холодной воде бойлер должен быть оснащен набором предохранительной, запорной и регулирующей арматуры.

Рис. 7. Подключение бойлера: 1 – предохранительный клапан; 2 – манометр; 3 – обратный клапан; 4 – редуктор давления

Рабочее давление предохранительного клапана выбирается в зависимости от рабочего и максимального давления бойлера (как правило, 6 бар).

Между предохранительным клапаном и защищаемым сосудом не должно быть запорных устройств

Рис. 8. «Группы безопасности»

Очень часто совместно с бойлерами применяют так называемые группы безопасности. Это устройство состоит из предохранительного клапана, обратного клапана и запорного устройства (шаровой либо муфтовый кран).

2.3. По виду горелки

В зависимости от вида сжигаемого топлива (газ, жидкое топливо) в котлах используются два основных типа горелок – атмосферные и с принудительной подачей топлива и воздуха. Реже применяются горелки предварительного смешения (Premix) или их разновидность – матричные горелки (Matrix).

В атмосферных горелках первичный воздух для горения подсасывается за счет инжектирующей способности струи газа, выходящей из форсунки. Дополнительно необходимый для горения «вторичный» воздух подсасывается уже в зону факела для дожигания. Современные атмосферные горелки сконструированы так: из газового коллектора газ попадает через форсунки в перфорированные смешивающие трубки, в которых газ перемешивается с воздухом и уже после этого через перфорации подается в топку. При этом происходят интенсивное перемешивание и догорание молекул оксида углерода до СО₂. Однако при таком горении в высокотемпературном пламени образуется большое количество токсичных оксидов азота NO_х. Законодательства многих стран строго регламентируют такие выбросы. Для борьбы с данными загрязнениями пламя горелки делают «вытянутым» или охлаждают его корневую зону, помещая в нее рассекатели либо охладители пламени.