Бытовые отопительные котлы

Для России котлы, топливом для которых служат пеллеты (гранулы, изготовленные из древесных отходов), – относительно новый вид отопительного оборудования. Да и в мировом масштабе история пеллет и теплогенераторов, использующих в качестве топлива древесные гранулы, началась сравнительно недавно. Вызванный мировым нефтяным кризисом 1970-х, поиск новых источников энергии привел к созданию первой пеллетной фабрики в штате Орегон (США). Оставалось только найти возможность сделать отопление пеллетами таким же комфортным, как отопление газовыми или жидкотопливными котлами.

Первая пеллетная печь для частного дома была разработана американским конструктором Джерри Уайтфилдом и впервые представлена на выставке в штате Невада в 1984 г. В большинстве стран Европы пеллеты начали применяться в начале 1990-х, прежде всего в странах, которые исторически были тесно связаны с переработкой древесного сырья: Швеция и Дания, а в середине 1990-х – и Австрия открыли для себя преимущества древесных гранул.

В России первые заводы по производству древесных гранул появились около шести лет назад и работали главным образом на экспорт. Еще три-четыре года назад доля внутреннего рынка потребления производимых в России гранул составляла около 5 % от общего объема всех произведенных в РФ пеллет, сегодня – не менее 30 %. На российском рынке появляются новые инвесторы, начали проявлять интерес к этому направлению крупные деревообрабатывающие предприятия и предприятия ТЭК. В настоящее время в ряде российских регионов производство пеллет, их доставка владельцам котлов, установка и сервисное обслуживание пеллетных теплогенераторов стали весьма серьезным бизнесом.

Гранулированное древесное топливо имеет высокую (не менее 18 МДж/кг) теплоту сгорания и характеризуется низкой (не более 1 %) зольностью. Таким образом, примерно 2 кг пеллет способны заменить 1 л жидкого топлива легких сортов (EL), а очистку пеллетного котла от золы нужно будет проводить не более шести раз в год.

Рис. 21. Древесные гранулы (пеллеты)

Главное преимущество пеллетных котлов перед другими видами твердотопливных генераторов тепла заключается в возможности автоматизации подачи топлива: пеллеты поступают в аппарат из бункера посредством шнекового или пневматического транспортера. Таким образом, владелец такого теплогенератора избавляется от необходимости каждые 6–8 ч загружать в топку топливо. На одной загрузке пеллетный котел может работать довольно продолжительное время (конкретные цифры зависят от объема топливного бункера и зольника, а также ряда других условий). От пользователя требуется только сделать необходимые настройки, время от времени загружать пеллетами топливный бункер и периодически производить очистку зольника (отметим, что некоторые модели пеллетных генераторов тепла оборудуются автоматическим устройством удаления золы) – за всей остальной работой следит автоматика котла.

Теплогенераторы, предназначенные для сжигания пеллет, оборудуются объемной или факельной горелкой. Решетка горелочного устройства объемного типа находится внутри котла. Топливо поджигается с помощью раскаленной электрической спирали (при включенном вентиляторе, подающем воздух для поддержания процесса горения). У наиболее простых моделей пеллетных котлов розжиг горелки осуществляется вручную – в горелку наливают зажигательную жидкость и поджигают топливо спичкой.

Факельная горелка, которая монтируется с внешней стороны котла, по сравнению с устройством объемного горения обладает меньшим КПД.

Большинство пеллетных котлов – аппараты, предназначенные для напольной установки. Но существуют и настенные теплогенераторы, работающие на древесных гранулах. Например, германская компания Guntamatic Heiztechnik предлагает пеллетные «настенники» Therm мощностью 7 кВт. Такой аппарат вешается на стену обслуживаемого помещения, а бункер с пеллетами размещается в подсобке или снаружи дома. Подача топлива производится по полимерному шлангу под действием разрежения, создаваемого встроенным вентилятором. Сначала пеллеты поступают в расходную емкость, расположенную в корпусе котла, а затем с помощью компактного шнекового механизма дозированно подается в камеру сгорания.

Помимо пеллетных теплогенераторов естественного горения существуют еще газификационные пеллетные котлы. Примером такого оборудования может служить установка pellettop (Solarfocus, Австрия). Она имеет встроенный топливный бункер, в нижней части которого находится шнек – с его помощью пеллеты подаются в газификационную камеру. Находясь на колосниковой решетке, которая нагревается до температуры свыше 1000 °C, пеллеты разлагаются с образованием горючего газа. Такая технология обеспечивает достаточно большой (94,9 %) КПД котла.

Заметим, что ряд производителей, выпускающих пеллетные котлы, предлагают также комбинированные аппараты, которые могут работать как на древесных гранулах, так и на других видах топлива. Например, котел EKO-CK Pellet Plus-Unit (Wirbel) состоит из двух раздельных камер сгорания, одна из которых предназначена для сжигания дров, а другая – для сжигания пеллет.

Существуют и другие варианты комбинаций. Например, уже упоминавшаяся компания Solarfocus имеет в своем «арсенале» модуль octoplus, объединяющий в себе пеллетный котел и гелиотермическую установку. Эта система состоит из бака-накопителя емкостью 500 л со встроенными гладкотрубным змеевиком контура солнечных коллекторов и теплообменными трубами, по которым движутся продукты сгорания. Панель управления координирует работу гелиоконтура, пеллетной горелки, систем отопления и ГВС. При этом в первую очередь используется солнечное тепло; котел включается только тогда, когда этой энергии недостаточно.

7. Вакуумные котлы

Основной идеей, заложенной в конструкцию вакуумного котла, является совмещение известной схемы жаротрубного парового котла с трубчатым теплообменным аппаратом.

Котел представляет собой единый котельный блок, состоящий из цилиндрической нижней и прямоугольной верхней частей (рис. 22). В нижней части находится топочная камера со встроенными подъемными трубами, а в верхней вакуумной камере располагаются (в зависимости от производителя) либо U-образные трубы теплообменников отопления и ГВС (вертикальные ваккумные котлы), либо трубный пучок водоподогревателя (горизонтальные вакуумные котлы).

Рис. 22. Принцип работы вакуумного котла Booster

Перед началом работы в вакуумную камеру котла единственный раз заливается очищенная и химически подготовленная вода и создается вакуум.

Сгорая в топочной камере и проходя через конвективный пучок, продукты сгорания отдают тепло промежуточному теплоносителю – воде. Она кипит под разрежением при температуре 80–90 °С и превращается в пар, который отдает тепло, конденсируясь на поверхностях теплообмена трубчатых теплообменников. По ним в этот момент проходит вода, предназначенная для отопления или горячего водоснабжения. Образующийся конденсат стекает обратно в зону кипения. Нагретая вода отводится в систему теплоснабжения или ГВС. Таким образом, теплообменник нагревается не пламенем горелки, а косвенно – вакуумным паром.

Особенности конструкции вакуумных котлов обуславливают их преимущества:

– передача тепла через промежуточный теплоноситель (пар) без кипения. Вакуумный пар имеет температуру ниже кипения нагреваемой среды, поэтому даже при остановке сетевого насоса сетевая вода, находящаяся в трубках теплообменника при давлении выше атмосферного не закипит и не сможет создать твердых отложений;

– благодаря двум раздельным контурам внутрикотловая вода не сообщается с водой контуров отопления и горячего водоснабжения, препятствуя заносу примесей и образованию накипи;

– не требуется питательных устройств на котле и мероприятий по водоподготовке, так как вода циркулирует по замкнутому контуру;

– отсутствие кислорода в котле продлевает срок службы аппарата;

– первый пуск из холодного состояния до достижения номинальных параметров занимает не более 5 минут;

– вакуумные котлы имеют естественную циркуляцию, что позволяет экономить электроэнергию;

– безопасность в эксплуатации – при соблюдении правил монтажа благодаря вакууму в котле исключена возможность взрыва.

8. Электрические котлы

Один из вариантов решения проблем автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения – применение электрических котлов. У них масса преимуществ по сравнению с любыми котлами на органическом топливе. Электрические котлы характеризуют сравнительная простота конструкции и компактность. Они не требуют специально оборудованного места для их установки. В отличие от любых котлов на газообразном, жидком или твердом топливе электрокотлы не нуждаются в дымоходах и подводе воздуха, их работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.

Всему этому противостоит только один недостаток – высокая стоимость электроэнергии как основного ресурса. Впрочем, имеются большие регионы (например, вблизи крупных гидроэлектростанций и при значительном удалении от газовых магистралей), в которых электрокотлы оказываются вполне конкурентоспособными. А при двухтарифной системе оплаты электроэнергии можно сравнительно дешево решить проблемы отопления и ГВС, используя различные способы аккумулирования тепла.

Что касается принципиального устройства, то большинство моделей электрокотлов можно разделить на две группы: ТЭНовые и электродные. Последние обеспечивают нагрев воды за счет пропуска через нее электрического тока. Напряжение, прилагаемое к помещенным в воду электродам, ионизирует ее, однако явление электролиза не наблюдается, так как катод и анод постоянно меняются местами в зависимости от частоты электрической сети. Количество выделяющегося при этом тепла пропорционально силе тока и сопротивлению котловой воды.

Вода в электродных котлах – одновременно и теплоноситель, и элемент электрической сети. Поэтому дистиллированную воду вследствие ее малой проводимости в электродных котлах использовать нельзя. Некоторые компании-производители предлагают для электродных котлов специальные составы.

Значительно чаще в системах автономного теплоснабжения встречаются ТЭНовые электрокотлы. Для нагрева теплоносителя в них используются трубчатые электронагреватели (ТЭНы), конструктивно представляющие собой прочную металлическую оболочку из стали, алюминия или титана с размещенной внутри нихромовой спиралью и контактными стержнями. От оболочки спираль отделена спрессованным диэлектрическим наполнителем: периклазом – оксидом магния (MgО) или кварцевым песком, обладающим хорошей теплопроводностью. Для предохранения от попадания внутрь ТЭНов влаги их концы герметизируются.

В электрических котлах, как правило, используют патронные ТЭНы, т. е. одноконцевые, с контактными выводами, расположенными по одну сторону нагревателя. Реже встречаются двухконцевые ТЭНы, у которых контактные выводы расположены с двух сторон.

В качестве примера приведем устройство ТЭНового котла словацкой фирмы Protherm (рис. 23). Внутри емкости теплообменника размещаются один или несколько ТЭНов. Как правило, в качестве материала для емкости производители используют обычную углеродистую сталь, но некоторые предпочитают медь, нержавеющую сталь или другие материалы, обладающие повышенной коррозионной стойкостью.

Рис. 23. Устройство ТЭНового котла (Protherm)

Как теплоноситель (особенно в условиях России с ее суровыми зимами и нестабильностью источников энергии) предпочтительнее использовать не воду, а специальные незамерзающие жидкости (бытовой антифриз и др.). Снаружи емкость покрыта теплоизолирующими материалами.

ТЭНовые электрокотлы для бытовых целей выпускаются мощностью от 4 до 50 кВт. Приборы мощностью до 10 кВт могут быть одно– или трехфазными. При более высокой мощности, как правило, производители предлагают трехфазные модели.

На рынке присутствуют и котлы с иными типами нагревательных элементов. Например, в котлах «Галакс» фирмы «Галан» используются пленочные нагреватели, изготовленные по технологии трафаретной печати, применявшейся в электронной промышленности. По эффективности, простоте монтажа, ремонта, стоимости отопления 1 м

помещения, материалоемкости на 1 кВт мощности котла и т. п. пленочные аппараты аналогичны электродным, но имеют ряд преимуществ, в частности, не требуют подготовки воды и работают на любых теплоносителях, предназначенных для отопительных систем. Отсутствие теплового барьера между нагревательным слоем и основанием из нержавеющей стали позволяет оптимизировать эксплуатационные характеристики (управляемость, КПД, скорость разогрева теплоносителя) при одновременном снижении номинальной потребляемой мощности на 15–25 %. В этих котлах тепловыделяющий элемент, равномерно распределенный по всей поверхности цилиндрического нагревателя, не контактирует с теплоносителем, не создает ему гидравлического сопротивления. Пленочный нагреватель обеспечивает высокий КПД, котел имеет малую тепловую инерционность, его мощность легко регулировать, в том числе плавно.

В котле «Сапфир» фирмы «РусНИТ» применен нагревательный элемент ПЭНМ, выполненный в виде медной трубы, на которую нанесен изоляционный слой, а на него – спиралевидный резистивный из вольфрама. Электрический ток нагревает его, медную трубу (проточную емкость) и теплоноситель в ней. Применение ПЭНМ позволяет значительно упростить конструкцию и уменьшить габариты электрокотлов. В них предусмотрено плавное регулирование температуры теплоносителя от 35 до 85 °С в пределах каждой ступени мощности (33, 66, 100 %)

Реализуется в электрокотлах и нагрев, основанный на электромагнитной индукции. При этом установка имеет конструкцию, схожую с трансформатором, который состоит из двух контуров. Первичный – магнитная система, вторичный – теплообменное устройство или ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент). Под воздействием переменного магнитного поля в ТВЭЛ индуцируются токи, вызывающие его нагрев, который передается теплоносителю. Среди достоинств индукционных котлов – отсутствие нагревательных элементов, что исключает возможность выхода из строя самого котла и разъемных соединений в его конструкции, снижение образования накипи, электробезопасность, возможность изготовления моделей с широкими диапазонами температуры и давления, работа практически с любыми теплоносителями.

Недостатки индукционных котлов: более высокая стоимость по сравнению с ТЭНовыми и электродными (в бытовом сегменте в среднем в два – три раза соответственно), большие размеры и масса (в три – восемь раз), трудность в организации плавной регулировки мощности.